机器人自动寻迹控制系统毕业设计说明书_.doc
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南京理工大学
毕业设计说明书（论文）
作者:
陆建
学号：
0701500122
学院（系）:
机械工程学院
专业:
机械工程及其自动化
题目:
机器人自动寻迹控制系统的设计
指导者：
张雯
高级工程师
（姓名）
（专业技术职务）
评阅者：
樊黎霞
教授
（姓名）
（专业技术职务）
2011年5月
南京理工大学
毕业设计（论文）评语
学生姓名：
陆建
班级、学号：
0701500122
题目：
机器人自动寻迹控制系统的设计
综合成绩：
指导者评语：
指导者（签字）：
年月日
毕业设计（论文）评语
评阅者评语：
评阅者（签字）：
年月日
答辩委员会（小组）评语：
答辩委员会（小组）负责人（签字）：
年月日
毕业设计说明书（论文）中文摘要
本设计是一种基于单片机控制的简易机器人自动寻迹控制系统的设计，包括小车系统构成软硬件设计方法。
小车以AT89S52单片机为控制核心,用单片机产生PWM波，控制小车速度。
利用红外光电传感器对路面黑色轨迹进行检测,并将路面检测信号通过相应的端口反馈给单片机。
单片机对采集到的信号予以分析判断,将控制信号传给电机驱动芯片L293D，一片L293D芯片控制两个直流减速电机，及时控制驱动电机以调整小车速度与转向,从而使小车能够沿着黑色轨迹自动行驶,实现小车自动寻迹的目的。
其中，还包括通过7805稳压芯片对芯片供电电路的设计，电路部分与机械部分的有机结合在特定程序下经过多次调试便能实现上述功能。
关键词AT89S52L293D光电传感器稳压电路
毕业设计说明书（论文）外文摘要
Title
Tracingcontrolsystemforautomaticrobot
Abstract
Thisdesignisasimpledesignofasmartauto-trackingvehiclewhichbasedonMSCcontrol.Theconstructionofthecar,andmethodsofhardwareandsoftwaredesignareincluded.ThecaruseAT89S52asheartofcontrolinthissystem.ThencontrolthespeedofcarbyusingPWMwavesproducedbyAT89S52.detecttheblacktrackontheroadwithinfraredphotoelectricsensor,Andsendthesignaltothemicrocontrollerthroughtheappropriateport.TheMicrocontrollerthenanalysisthecollectedsignal,andcontrolthemotordriverICL293DwhichcouldcontrolthespeedoftwoDCgearmotor.
Sothatthecarwillautomaticallytravelalongtheblackpath.Italsoincludesthe7805voltageregulatorchipwhichcouldusedbythevoltageregularcircuitandproducethepowerforthechip.Partofthecircuitandmechanicalpartscombineinaspecificofprocedurescanachievetheabovefunctionsthroughthemanydebugging.
朗读
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字典
1.名词
1.electriccircuit
KeywordsAT89S52L293Dphotoelectricsensorvoltageregularcircuit
本科毕业设计说明书（论文）第II页共II页
目次
1绪论………………………………………………………………………………1
1.1机器人概述……………………………………………………………………1
1.2移动机器人研究现状…………………………………………………………2
1.3移动机器人的关键技术………………………………………………………4
1.4移动机器人研究背景及其意义………………………………………………6
1.5论文简介及论文所做的工作…………………………………………………7
2寻迹小车整体结构设计…………………………………………………………8
2.1寻迹小车运动结构选型………………………………………………………8
2.2模块方案比较与论证…………………………………………………………9
2.3最终方案………………………………………………………………………13
3硬件实现及单元电路设计………………………………………………………15
3.1车身设计………………………………………………………………………15
3.2AT89S52主控制芯片介绍……………………………………………………16
3.3单片机在机器人自动寻迹小车中的功能……………………………………20
3.4寻线系统设计…………………………………………………………………20
3.5电机驱动电路的设计…………………………………………………………22
3.6稳压电路及稳压芯片简介……………………………………………………28
4软件实现…………………………………………………………………………29
4.1程序设计总体思路……………………………………………………………29
4.2传感器布置位置………………………………………………………………29
4.3小车的几种状态………………………………………………………………29
4.4传感器数据处理及寻迹流程图………………………………………………31
4.5单片机实现寻迹的程序设计…………………………………………………34
5系统调试…………………………………………………………………………36
5.1调试轨道介绍…………………………………………………………………36
5.2调试实际结果分析……………………………………………………………36
5.3调试过程中遇到的问题及解决方案…………………………………………36
结论…………………………………………………………………………………41
致谢…………………………………………………………………………………43
参考文献……………………………………………………………………………44
附录A机器人自动寻迹控制系统单片机C程序………………………………46
图1机器人自动寻迹控制系统实物图…………………………………………51
图2机器人自动寻迹控制系统面包板调试图…………………………………52
图3机器人自动寻迹控制系统原理图及PCB板设计图………………………53
表1所用零件列表………………………………………………………………55
本科毕业设计说明书（论文）第56页共56页
1绪论
现代科学技术的快速发展，特别是微电子技术和计算机技术的飞速发展，机械行业已经发生巨大的变化而且还将继续发生更为深刻的变化。
微电子技术与机械技术的紧密结合，特别是微型计算机技术与机械技术的紧密结合，现代机械技术所拥有的技术较以往远为高，远为新，远为广，远为复杂而先进，机电一体化产品与技术是十分突出的表现之一[1]。
这种深刻的变化是一个及其强大的趋势和严峻的挑战，而且这种趋势所带来的挑战，是不应该抗拒，而且不可抗拒的。
进入二十一世纪，人们越来越多地感受到了机械进入工业，服务业，医疗业，保健业，娱乐业的坚实的步伐。
1.1机器人的概述
机器人，它是一个非常直观的话语，它已经问世几十年，但科学界对机器人的定义仍然是仁者见仁智者见智，仍然没有统一的意见，原因之一是，科学技术的快速发展，在信息与技术时代下，新模式、新功能的机器人不断涌现，机器人的功能越来越丰富，但是，这一争论的根源却在于机器人已经涉及到人的概念，已经成为一个哲学问题。
鉴于种种原因，在综合权衡之下，我国的科学家对机器人的定义给出了比较全面的看法：
“机器人是一种自动化的机器，所不同的是，这台机器已与人或生物智能能力有一些相似之处，如知觉、策划能力、运动能力和协作能力，是一个高度灵活的自动化机械。
”国际上对于机器人定义的观点主要分以下几类：
（1）英国简明牛津字典给出的定义。
机器人是“貌似人的自动机，具有智力的并且顺从人的但不具人格的机器”。
这个定义不是完全正确，因为当今在运行的机器人中还不存在和人类完全相似的。
这只是一个理想情况下的机器人。
（2）美国机器人协会（RIA）的给出的定义。
机器人是“一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过可编程序动作来执行种种任务的，并具有编程能力的多功能机械手（manipulator）”。
虽然这个定义相对而言是比较实用的，但并不全面。
这里指的只是简单的工业机器人。
（3）日本工业机器人协会（JIRA）的定义。
工业机器人是“一种装备有记忆装置和末端执行器（endeffecter）的,能够转动并通过自动完成各种移动来代替人类劳动的通用机器”[2]。
1.2移动机器人研究现状
随着计算机技术、微电子技术、信息处理技术和智能控制技术的飞速发展，机器人技术已逐步深化和细化，作为机器人技术重要领域的移动机器人，越来越受到人们的重视，并且已经不断的向智能化，多元化的方向发展，移动机器人发展快，应用越来越广泛。
从机器人足球赛到陆地无人自主车赛，从无人机到机器鱼，从资源勘探到战场机器人，移动机器人已涉及农业生产，军事应用，海洋开发，太空探索，社会服务，娱乐等许多方面移动机器人的研究不仅可以推动科学技术的向前发展，同时其应用必将带来巨大的经济效益和社会效益[3]。
1.2.1移动机器人国外研究现状
美国国家科学委员会已经预言：
“坦克是20世纪的核心武器，21世纪的核心武器是无人作战系统，在2000年之后将陆续派出遥控无人地面作战系统部队，并且陆续投入到战场。
”为此，八十年代以来，美国国防高级研究计划局（DARPA）专门立项，制定了针对地面无人作战平台的战略计划。
自那时以来，全世界拉开了全面研究室外移动机器人的序幕，如DARPA的“战略电脑“自主地面车辆方案（ALV的）计划（1983-1990），能源部制定的长达十年的机器人与智能系统计划（RIPS，1986-1995），以及紧随其后的空间机器人方案；位于日本的通产省组织的极限环境下作业的机器人计划；位于欧洲尤里卡中的机器人计划等。
早期的研究，主要是从学术的角度研究室外机器人的体系结构和信息处理方式，并进行验证试验系统的建立。
虽然八十年代由于对的机器人智能行为期望太高，导致对室外机器人的研究并没有达到预期的效果，却引导了相关技术，从而为探讨人类研制智能机器人的途径积累了经验，而且也促进了其他国家移动机器人的研究和发展的。
步入九十年代，随着科学技术的发展与进步，移动机器人开始在一个更现实的基础上，开放各个领域，进入实用化阶段。
美国航天局资助并研制的“丹蒂Ⅱ”八足步行机器人，是一个能提供对高移动性机器人运动的了解和具有远程机器人探险功能的的智能行走机器人。
与其他机器人（如NavLab）不同的是，1994年它成功的在斯帕火山的火山口中进行了演示，虽然在返回时，在一泥泞而又陡峭的路面上失去了稳定性，倒向了一边，但作为指定的探险任务却早已完成。
而其它机器人在整个运动过程中，都需要人参与或支持。
丹蒂计划的主要目标在于为成功实现在充满碎片的月球等其它星球的表面进行探索而提供一种利用机器人解决的方案。
美国火星探测机器人“索杰那”由美国航天局研制，它于1997年在火星着陆，这次事件在全世界得到了报道，此后又开始了新一代样机研制，以在火星上进行长距离探险。
把它命名为Rocky7，并在干涸的湖床上和Lavic湖的岩溶流上进行了成功的实验。
德国还研制了一种新型的轮椅式机器人，并且1998年汉诺威工业商品博览会的展览大厅中以及在乌尔姆市中心车站的客流高峰期的环境中进行了实地现场表演，该轮椅机器人在拥挤的、有大量乘客的公共场所环境中，进行了总时间超过36个小时的考验，还难以在现成的移动机器人或轮椅机器人中找出性能能与之匹敌的机器人。
这种轮椅式机器人是在一个商业轮椅结构的基础上实现的。
在机器人技术相比发达的国外，还研发出了一种轮椅式机器人，与具有静态稳定性的多轮移动机器人相比，它具有对姿态干扰的不敏感性、更好的动态稳定型、低的滚动阻力、高可操作性、水陆两用性和跌倒后的迅速恢复能力。
这是在运动性条件下而提出的一种新的概念。
1.2.2移动机器人国内研究现状
我国与世界上的高科技国家以及发达国家相比，机器人发展进度相对而言比较落后，80年代中期，我国已有200多家大大小小的机器人的研发单位，但是，它们中多半是从事重复性、低水平的研究，在全国尚无一台完整功能齐全的机器人产品问世，直到1985年，才迎来了我国机器人得“春天”。
工业机器人在1985年被列入了国家“七五”科技攻关计划的研究重点，以基础器件开发、工业机器人基础技术、喷涂和焊接、搬运机器人的开发研究等五个方面为主要目标。
在国家“863”计划支持下，从90年代初期起，我国具有自主知识产权的弧焊、点焊、喷漆、装配、搬运、切割、包装码垛等7种工业机器人产品先后出现，同时，还实施了100多项机器人应用工程，并且建立了20余个机器人产业化基地，从而又在实践中迈进一大步，。
在国际竞争环境中，我国工业机器人的优势也日趋凸显。
经过多年来的发展创新，我国对机器人的研究有了史无前例的进展。
有的方面甚至已经达到了世界领先水平。
但与先进的国家相比，总体上还是有很大一段距离，从总体上来看，我国机器人研究依然任重而道远[4]。
1.3移动机器人的关键技术
只有拥有可靠的导航系统、精确的感知能力、能胜任的运动系统和具有既友好而又安全的与人一起工作的能力，移动机器人才能走向实用。
移动机器人具有适应性、自主性、以及交互性等智能指标。
自主性是指小车能根据周围环境的变化情况以及自身所要求的工作任务，确定自身的工作方式和工作步骤；交互性是智能产生的基础，交互包括移动机器人与人，移动机器人与环境及移动机器人小车之间三种方式，主要涉及到信息的获取、理解以及处理。
适应性要求移动机器人小车对复杂工作环境具有良好的适应能力，不但能识别到并且测量到周围物体，还要具备理解周围环境和所需要执行并完成任务的能力，还需要作出正确的判断及操作和移动等能力。
移动机器人是一个综合性很强的系统，主要涉及到以下关键技术。
1.3.1机器人体系结构研究
机器人的本体是机械结构，它是机器人实现预定功能的基础，机械结构的组成不仅决定了机器人是否能完成预定运动功能，同时也或多或少地影响了机器人的控制能力，性能可靠的机械结构有利于实现机械本体运动的多样化，同时在一定程度上也能够提高机器人对周围环境的良好适应能力[5]。
一个完整的机器人的智能系统应具有以下几个方面的特点：
多层次的信息与知识表示方式，信息密集，与环境交互丰富多样化，知识与信息分布存储等。
机器人不是单元技术的简单连接，而更像是是一个多系统、高智能的具有复杂系统工程。
系统的总功能是由通过各种分系统的多层次协调与分工中集成的。
因此，机器人的总体集成技术是一个至关重要的问题，机器人的体系结构研究是其主要研究内容之一。
机器人的体系结构的研究，主要是针对反射行为以及有意识行为而展开，如何将两者统一起来，是目前国际社会研究的一个焦点所在。
对移动机器人的研究，早期都是在室内封闭环境内进行的，而对于其结构体系的研究一般只能限制在理想的“积木世界”中运行。
美国MIT的人工智能实验室的布鲁克斯建立了一系列新型的移动机器人，并提出了包容体系结构思想。
这种结构采用所谓的“感知—动作”结构，即立足于行为的结构。
后期的一些实验还表明，在处理动态环境中的不确定性和模仿动物的低级反射行为方面包容体系结构具有很多优点。
近年来，提出了很多采用了基于行为控制的思想并且与传统AI符号主义思想影响的体系结构不同的新型结构。
目前，对于这种基于行为控制的体系结构的研究还处在理论探讨阶段，还有很多工作有待深入。
事实上，移动机器人所需要完成的任务是非常复杂的，而上述提出的两种体系结构各字有优缺点。
因此，最近又有人提出二重体系结构以及其它各种混合体系结构[6]。
1.3.2移动机器人控制技术
移动机器人的研究是机器人学研究领域中的一个非常重要的研究分支，它是一个具有动态决策与规划、环境感知、行为控制与执行等多种功能的综合系统。
伴随着机器人技术的飞跃发展，新型智能机器人的功能和应用范围都将得到很大的拓展和提高。
其领域不局限于在国防、工业、服务等行业中，移动机器人在野外作业以及在有害与危险的环境下操作、家庭服务和空间领域以及极限作业中的应用也得到了世界各国的高度重视[7]。
对于移动机器人的控制技术来讲，现在主要有两种不同类型的观点：
一种是模拟了一种反射行为以及对发杂环境的迅速反应和适应能力的基于“感知—行动”的横向体系观点，移动机器人的控制结构主要包括包容结构，分级递阶结构，组织—协调—执行机构以及反应式结构等；另一种是通过基于模型的智能控制来模拟人的深思熟虑行为并且基于“环境建模—规划—控制”的纵向体系观点。
伴随着机器人控制技术的飞速发展，开展对“具有开放式结构的标准化、模块化机器人控制结构”的研究是当前机器人控制结构发展的一个方向。
近几年来，来自日本、美国和欧洲一些国家的机构都在纷纷开发具有开放式结构的机器人控制器，具体的如日本安川公司的具有开放式结构、网络功能并且基于PC开发的机器人控制结构。
我国863计划中对智能机器人主题也已经对这方面的展开研究立项。
现今科学技术水平之下，新型机器人控制器应具备如下特色：
（1）采用开放式软件以及硬件结构，具有开放式系统结构，可以根据用户的不同需要方便的扩充功能，使之能适应不同类型的机器人自动化生产线机器人。
（2）实行不同的子任务由不同的功能模块来实现的有效地任务划分手段，以利于修改、添加、配置功能的实现。
（4）多任务、实时性，要求机器人的控制器必须在规定的时间内完成对外部中断的处理，此外，还可以使多个任务同时执行。
（3）对硬件来说要有合理的模块化设计，符合系统要求的电气性能，并且按模块化设计，这样不仅提高了系统的可靠性，而且方便安装和维护，除此之外系统的安装也更为紧凑。
（5）网络通讯功能，有效的利用网络通讯功能，以便实现多台机器人协同工作以及资源共享。
（6）形象直观的人机接口[8]。
1.4移动机器人研究背景及其意义
移动机器人是一种具有遥控操作器、传感器和具有自动控制系统的移动载体组成的机械系统。
由于移动机器人具有移动的功能，因此，它在代替人类从事危险、恶劣（如辐射、有毒等）环境下作业以及人类所不及的（如宇宙空间、水下等）环境下作业方面，相比于一般的机器人而言，具有巨大的灵活性和机动性。
20世纪60年代后期，苏联和美国为了完成对月球的勘探计划，研制并应用了一系列的移动机器人。
美国研制的“探测者”3号，通过地面遥控其操作器，完成了在月球表面上挖沟等其它任务。
苏联的研制的“登月者”20号在无人驾驶的环境下降落在月球的表面，控制其操作器在月球表面钻削岩石，并通过回收器把土壤和岩石送回地球。
70年代初期，日本早稻田大学的具有仿人类功能的两足步行机器人。
为适应海洋开发和原子能利用的迫切需要，极限环境下作业机器人和水下机器人发展的也较快。
移动机器人因其移动方式和应用环境和的不同，研究内容也有千差万别。
但是，其共同的基本技术有移动技术、传感器系统技术、控制系统技术、操作器、人工智能等方面。
它有相当于人的眼、耳、皮肤的视觉传感器、触觉传感器以及听觉传感器。
机器人的移动机构有轮式（例如两轮式、四轮式、履带式、全方向式）、足式（例如2足、4足、6足）、混合式（例如用轮子和足）、特殊式（例如轨道式、吸附式、蛇式）等类型。
轮子适于在平坦的路面行驶，足式移动机构适于在凹凸不平的山岳地带和环境中移动。
移动机器人的控制方式由遥控、监控到自治控制发展，综合应用了问题求解、机器视觉、专家系统等具有人工智能等的技术研制自治型移动机器人。
随着对机器人应用领域扩展的不断深化。
移动机器人的结构、控制和功能也变得更为复杂，传统的程序开发手段已经难以满足要求。
因此，机器人体系结构的研究一直是机器人研究领域的一个基础性课题，已有将进30多年的历史并在不断发展中。
而研究开发恰当的系统框架和工具，不断提高系统的跨平台性、开放性以及可重构性，有效缩短应用系统开发周期，更是目前人们关注的热点。
1.5论文简介以及论文所做的工作
本次毕业设计所要做的主要任务是利用微机或单片机开发出一个控制系统，该控制系统可使小机器人具有自动寻迹功能，能够控制小机器人的行经路线，以及定位控制。
选取合适的传感器并设计控制算法和控制电路，设计控制程序流程图并编写相应的控制程序，具体工作可分为以下部分：
（1）电源管理模块的选型、设计与调试；
（2）主控制模块的选型、设计与调试；
（3）驱动系统的选型、设计与调试；
（4）寻迹检测模块的选型、设计与调试；
（5）自动寻迹控制机器人的整体调试与分析。
通过对以上系统的研究，希望系统能够达到运行稳定、快速可靠的要求。
2寻迹小车整体结构设计
采用与白色路面有比较大差别的黑颜色线条作为引导线。
寻迹小车能够自动的检测到黑色引导线，并正确沿此引导线行驶。
车身采用四方形的地盘，采用小型直流电机并配以二级变速齿轮，一个电机控制左侧轮，另一个电机控制右侧轮。
车轮采用能够扎实平稳地与地面接触，并富有弹性的实心橡胶制轮胎。
寻迹小车采用红外光电传感器来识别白色路面上的黑色引导线，通过单片机来控制驱动电路，以此来控制电机转向以及转速，从而实现寻迹小车快速稳定地寻线行驶。
寻迹小车可以分为六个模块，系统框图如图2.1所示。
电源
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