浩然队竞速技术报告Word文件下载.docx

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竞速仿人机器人；

单片机；

舵机；

传感器

ABSTRACT

Nowadays,Theintelligentmobilerobot,asracingrobotisattheforefrontofroboticsresearch.Crossandcomprehensive,isthetrendofthedevelopmentofthesmartcarinthefuture.Ourhumanoidrobotfortheracinggame,basedonIAP15F2K60S2MCUdevelopmentandimplementation,usinginfraredsensoridentificationcircuitofthecentralleadinglinesofblack,automaticallycontroltherobot,soastorealizetherapidandstableline.Forasmuchaspossible,improvingthestabilityofracingrobotdrivingfastinprocess,throughcomputerprogramming,engineeringdesign,constructandbuildingtechnology,combinedwiththedailyobservationandothermethodsfoundourproblemsanddeficiencies,andconstantlytoseekthemostperfectsolution,developourcreativity,eventuallycompletedhumanoidrobotproduction.Inthestructureandactionofracingrobotdebugging,controlanddriveeventuallyweformedthegoodsolutionandimplementsthehumanoidrobotstablewalkingquicklyonthetrack.Weproducedbyu-shapedbracketconnectionsteeringgear,whichmadeupourrobot'

slegs;

Therotationofthesmallsteeringgearracinghumanoidrobotarmandheadofthedegreesoffreedom;

Viaaserialportdebuggingrepeatedlyobservedtherobot'

smovementandultimatelydeterminethebestactionoftherobot;

By8vbatteryvoltage5vforsinglechipmicrocomputer1117andsteeringgearpowersupply;

Byinfraredtubetestsfordetectingtheblacklinewalkingofhumanoidrobottowalk.

Keyword:

Racinghumanoidrobot;

Singlechipmicrocomputer;

Thesteeringgear;

Thesensor

目录

一、绪论

1.中文引言...................................................1

2.关键词.....................................................1

3.英文引言...................................................1

4.关键词.....................................................2

二、正文.....................................................4

1.机器人概述.................................................4

2.机器人发展历史.............................................4

3．系统整体设计..............................................9

4.硬件设计..................................................10

5.软件设计..................................................21

5.系统开发与调试............................................22

7.结论......................................................22

三、参考文献...................................................22

四、附录.......................................................24

五、致谢.......................................................31

1.机器人概述

构建人形机器人的目的是简单地设计一个可以完成人类复杂运动和能够真诚地帮助人类的机器人。

尽管其目的简单,但是要完成这个任务相当困难。

例如前本田工程师实现了他们梦想建立一个进的仿人机器人，花了超过18年的时间，在这段时间里他们不断的学习，探究和实验，也走了不少的弯路。

行走过程分为两个主要部分即静态和动态步行。

静态步行人形机器人包括完整的移动身体的齿轮的基地脚区域，与此同时其他脚抬起并前进。

这种机器人是从运动学角度（轨迹，或位移控制）来设计和控制的，结果是有相当大的脚以一个缓慢的速度行走。

一个静态步行双足足动物,如本田P3的人形机器人,“不移动很像人并且能量效率低下。

它移动与nonpendular外观相似，本田2000机器人在行走时需要大约2kw功率，他需要的功率是同样大小人类的肌肉工作功率的20倍[1]。

动态稳定性需要快速行走和多样的地形。

在行走时重心不在支撑腿区域内时，机器人在下一个动态平衡区域时就会失衡。

被动动态步行可增加到三分之一组不同类型的步行过程。

无动力玩具士兵或企鹅早在一个世纪前就已经发明，它们可以沿着缓坡行走而没有任何电机的控制。

通过对它们的腿和胳膊的长度和大众的仔细选择，这些玩具在行走时保持平衡而消耗很少的能量（来自重力）。

这种模型以一种固定的方式行走,但他们的结构很简单。

使用这个作为起点,可以添加更多的自由度,可以添加驱动和控制实现更加流畅的运动。

研究的目的是趋向于设计简单且能够实现更多功能。

为此，我们选择了一个静态步行具有能力从两足改变到四足模式运动，以下部分提供一段到目前为止人形机器人研究历程。

最后，介绍了最终设计理念的选择过程，最终设计的详细解释和提出离了初步的步态定义。

2.机器人发展史

1920年，捷克作家卡雷尔·

卡佩克发表了科幻剧本《罗萨姆的万能机器人》。

卡佩克在剧本中把捷克语“Robota”写成了“Robot”，引起了大家的广泛关注，从此，“robot”以及相对应的中文“机器人”一词开始在全世界流行，这被当成了机器人一词的起源。

机器人的祖先可以追溯到两千多年前。

我们知道古人用滴漏计时的方法，其实这就是一种自动化设备——水钟。

那时，人们将两个水壶一上一下放置，上面的水壶将水滴到下面的水壶里，下面的水壶里安放一个浮标，浮标上有表示时间的刻度。

这样，浮标随着水位的升高二升起，人们就会在壶的外面看到那些表示时间的刻度了。

水量的稳定与否，制约着时间的准确。

于是，人们就增加几个水壶，使他们形成了一个系统，一个自动化机器的内部都有着一套相互关联的设备。

上个世纪60年代前后，随着微电子学和计算机技术的迅速发展，自动化技术也去取得了飞跃性的变化，开始出现了现在普遍意义上的机器人。

1950年，美国作家艾萨克·

阿西莫夫在他的科幻小说《I,Robot》中首次使用了“Robotics”即“机器人学”。

阿西莫夫提出了“机器人三原则”：

①机器人不应伤害人类，且在人类受到伤害时不可袖手旁观；

②机器人应遵守人类的命令，与第一条违背的命令除外；

③机器人应能保护自己，与第一条相抵触者除外。

机器人学术界一直将这三原则作为机器人开发的准则，阿西莫夫也因此被称为“机器人学之父”。

1954年，美国人GeorgeC.Devol提出了第一个工业机器人方案并在1956年获得美国专利。

1959年，美国英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台工业机器人，取名“尤尼梅逊”，意为“万能自动”。

尤尼梅逊的样子像一个坦克炮塔，炮塔上伸出一条大机械臂，大机械臂上又接着一条小机械臂，小机械臂再安装着一个操作器。

这三部分都可以相对转动、伸缩、很像是人的手臂了。

1968年，美国斯坦福研究所研制出世界上第一台智能型机器人。

这个机器人可以在一次性接受由计算机输出的无线遥控指令后，自己找到目标物体并实施对该物体的某些动作。

1969年，该研究所对机器人的智能进行测定。

他们在房间中央放置了一个高台，在台上放一只箱子，同时在房间一个角落里放了一个斜面体。

科学家命令机器人爬上高台并将箱子推到地上去。

开始，这个机器人绕着台子转了20分钟，却无法登上去。

后来，它发现了角落里的斜面体，于是它走过去，把斜面体推到平台前并沿着这个斜面体爬上了高台将箱子推了下去。

这个测试表明，机器人已经具备了一定的发现、综合判断，决策等智能。

“Shakey”是世界上第一个智能机器人，它带有视觉传感器，能根据人的指令发现并抓取积木，不过控制它的计算机有一个房间那么大

1997年，日本本田公司研制出世界上第一台可以像人一样走步的步行机器人“P2”。

这是机器人发展史上的一个里程碑。

现在的机器人则已经可以跳舞、翻跟头。

机器人的手也非常灵巧，他可以握住鸡蛋，也可以拿起一根针。

而在电子生产线上的机械手，则快速、精确得远远超过人手。

经过近百年来的发展，机器人已经在很多领域中取得了巨大的应用成绩，其种类也不胜枚举，几乎各个高精尖端的技术领域更是少不了它们的身影。

在这期间，机器人的成长经历了三个阶段。

第一阶段中，机器人只能根据事先编好的程序老工作，这时它好像只有干活的手，不懂得如何处理外界的信息。

打个比方，如果让这样的机器人去抓会损坏它的东西，它也一定会去做。

第二个阶段中，机器人好像有了感觉神经，具有了触觉、视觉、听觉、力觉等功能，这使得它可以根据外界的不同信息做出相应的反馈。

如果再让它去抓某些东西，它可能就不会去抓。

第三个阶段，机器人就真正的长大成人了，这时它不仅具有多种技能，能够感知外面的世界，而且它还能够不断自我学习用自己的思维来决策该怎么做和怎么去做。

第一阶段的机器人是小孩子，人们称它为“示教再现型”；

第二个阶段的机器人是一个青年，人们称它为“感觉型”；

第三个阶段的机器人则是成年人，称为“智能型。

”

3．系统整体设计

机器人结构：

（1）结构器件

两腿各4个（4x4x2）舵机，两手臂各2个（小型）舵机，头部1个（小型）舵机，脚底板2块（3-5mm厚，8x10cm）铝板

（2）竞速机器人的整体设计如图所示：

图4-1

4.硬件设计

主要硬件选择：

5.1单片机我们选用的是宏晶ISP15F2K60S2，它属于我们比较熟悉的51单片机，是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和1时钟/机器周期可以任意选择。

该单片机的内部结构如下所示：

图5-1

该单片机的主要特性如下：

①增强型8051单片机，1时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意

选择，指令代码完全兼容传统8051. 

②工作电压：

5.5V～3.3V（5V单片机）/3.8V～2.0V（3V单片机）

③工作频率范围：

5～40MHz，相当于普通8051的0～80MHz，实际工作

频率可达48MHz 

④用户应用程序空间为60K字节 

，并且片上集成2048字节RAM 

⑤通用I/O口（32个），复位后为：

P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉，

P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。

⑥ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无

需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成单片机的程序烧录 

⑦具有EEPROM功能和看门狗功能 

⑧该单片机共有3个16位定时器/计数器。

即定时器T0、T1、T2 

， 

4路外部中断，下降沿中断或低电平触发电路，Power 

Down模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒 

。

⑨通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART 

⑩单片机的工作温度范围：

-40～+85℃（工业级）/0～75℃（商业级），封装形式为 

DIP-40封装。

STC15F2K60S2单片机的逻辑符号图：

图5-2

STC15F2K60S2单片机的引脚图：

图5-3

5.2舵机：

辉盛MG995

产品标题：

辉盛MG995/双足机器人/机械手/遥控车/55G金属铜齿轮舵机伺 服器

产品型号：

MG995 产品尺寸：

40.7*19.7*42.9mm 产品重量：

55g

工作扭矩：

13kg/cm

反应转速：

无负载速度0.17秒/60度（4.8V）；

0.13秒/60度（6.0V）

使用温度：

-30~+60℃

死区设定：

4微秒

转动角度：

最大180度

舵机类型：

模拟舵机 工作电流 100mA 使用电压 3-7.2V

结构材质：

金属铜齿、空心杯电机、双滚珠轴承

无负载操作速度：

0.17秒/60度（4.8V）；

连接线长度：

30厘米，信号线（黄线）红线（电源线）暗红（地线）

堵转扭矩;

插头规格：

JR 

FUTABA通用

适合机型：

双足机器人/机械手/遥控车，适合50级-90级甲醇固定翼飞机 以及26cc-50cc汽油固定翼飞机等模型

附件：

舵盘、固定螺钉、减振胶套及铝套等附件

适用范围：

1:

10和1:

8平跑车、越野车、卡车、大脚车、攀爬车、双足机器 人、机械手、遥控船，适合50级-90级甲醇固定翼飞机以及 26cc-50cc汽油固定翼飞机等模型。

图5-4

图5-5

5.3传感器

传感器采用红外对管来检测黑线，红外对管与比较电路配合，把黑白最终转化为0和1的数字量，发送给单片机。

传感器模块对环境光线适应能力强，其具有一对红外线发射与接收管，发射管发射出一定频率的红外线，当检测方向遇到障碍物（反射面）时，红外线反射回来被接收管接收，经过比较器电路处理之后，白色指示灯会亮起，同时信号输出接口输出数字信号（一个低电平信号），可通过电位器旋钮调节检测距离，有效距离范围2～30cm，工作电压为3.3V-5V。

该传感器的探测距离可以通过电位器调节、具有干扰小、便于装配、使用方便等特点。

四路红外探测模块

图5-6

此模块是为智能小车、机器人等自动化机械装置，它提供一种多用途的红外线探测系统的解决方案。

使用红外线发射和接收管等分立元器件组成探头，并使用LM339电压比较器（加入迟滞电路），防止临界输出抖动做为核心器件构中控电路。

此系统具有的多种探测功能能极大的满足各种自动化。

智能化的小型系统的应用。

应用范围：

智能化轮式车和智能化履带车

巡线、避障、防跌落

智能化小型机械人和智能化小型机械手

物料检测

色相检测

灰度检测

特性：

易于安装，使用简便；

4路分别独立工作，工作时不受数量限；

制中控板与探头分开，安装位置不受限制模；

块高度≤4厘米，安全工作电压范围在4伏至6伏之间；

4路全开工作电流30毫安至40毫安之间；

+5、GND:

电源接线端

IN（1—4）、OUT：

探头与中控板连接端

OUT1、OUT2、OUT3、OUT4:

对应输出端

LED3、LED4、LED6、LED7:

对应输出指示

R17、R18、R19、R20:

对应比较电压调节

主要参数：

原理图：

发射部分 接收部分

图5-7

传感器调节方法：

四路寻线模块使用注意事项：

一般为探测黑白，其它色可以

仔细调节灵敏度。

地面一般需要对比度大一些，即黑色的更黑，

白色更白，这样识别率就更高。

如果对比度不大，需要仔细调整

电位器，得到想要结果。

四路寻线模块在寻线中调试

图5-8

四路红外探测模块调试方法：

黑线一般可以用黑胶布贴在光亮的瓷砖上，尽量让其对比度大一些（即黑的黑一些，白的白一些）调节其四路寻迹的的电位器（调节其灵敏度以适合其环境）：

调试方法：

先用手握住小车离地，左右晃动，从左到右第一对红外对管离开黑线时，中控板指示D3灯应会亮。

当红外对管进入黑线时，中控板指示D3红灯应会灭，调节中控板R17使其工作在上述状态。

同理，调节其它三对探头，使其正常工作。

对应顺序：

第二对红外对应灵敏度对应指示灯为中控板D4，调节灵敏度电位器R18；

第三对红外对应灵敏度对应指示灯为中控板D5，调节灵敏度电位器R19；

第四对红外对应灵敏度对应指示灯为中控板D6

5.4电源：

机器人用2节18650（直径18mm，长度65mm）锂电池供电。

充满后电压大概在4.1V到4.2V

图5-9

图5-10

电池特点

两节电池配合稳压芯片1117、稳压模块25965v供电，详细的稳压电路在附录中可见

选用芯片：

AMS1175V稳压、2596稳压模块

AMS（AdvancedMonolithicSystems）1117

三端可调或固定电压

输出电流800毫安

经营低至1V的压差

线路调整率：

0.2%最大

负载调整率：

0.4%最大

SOT-223和TO-252封装

概述：

AMS1117系列可调和固定电压调节器的设计提供800mA的输出电流和操作下降到1V的输入至差分输出。

保证设备的电压差在最大输出电流最大1.3V，在低负载电流下降。

片上的微调，调整的参考电压为1％。

电流限制也修剪，尽量减少过载条件下稳压器和电源电路上的压力。

AMS1117设备与其他三端SCSI监管机构的引脚兼容，并在低调表面贴装的SOT-223封装，TO-252（DPAK）塑料封装提供。

应用优点：

可调和固定稳压器AMS1117系列是易于使用，并针对短路和热过载保护。

热保护电路将关机监管机构应结温超过165℃检测点。

与老式三端可调稳压器引脚兼容，这些器件具有较低的电压差，更精确的参考性和改进的参考稳定，随温度的优势。

不同于旧的监管机构，AMS1117的家庭并不需要调整引脚和输出以及从输出的任何保护二极管的输入，以防止过分强调的死。

内部电阻限制AMS1117调整引脚上的内部电流路径，因此，即使需要调整引脚上没有保护二极管，电容，短路条件下，以确保设备的安全。

通常并不需要输入和输出之间的二极管。

可以处理的设备之间的输入和输出引脚的内部二极管微秒的浪涌电流为50A至100A。

在正常运作，它是很难得到，即使使用较大的输出电容浪涌电流的值。

如果使用高值的输出电容，如1000mF至5000mF输入引脚的瞬间接地短路，可能会发生损坏。

我们选用SOT-223封装的1117，其视图如下

图5-11

2596稳压模块

输入：

直流3V至40V（输入的电压必须比要输出的电压高1.5v以上。

不能升压）

输出：

直流1.5V至35V电压连续可调，高效率最大输出电流为3A。

特点：

全部使用SANYO固态电容，36u加厚线路板，高Q值大功率电感 

尺寸：

45（长）*20（宽）*14（高） 

mm（含电位器）

图5-12

LM2596稳压芯片

基本简介

图5-13

LM2596开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，能够输出3A的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。

固定输出版本有3.3V、5V、12V，可调版本可以输出小于37V的各种电压。

该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为150KHz，与低频开关