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中国第一届机器人旅游大赛

设计创新竞赛技术报告

参赛学校：

西北师范大学

院/系/所/室/中心:

侏罗纪工作室

机器人姓名：

jurassic6

学生队员信息表

姓名

专业

年级

QQ

2528620472

中国第一届机器人旅游大赛组委会制

二Ο一四年五

摘要

智能小车作为现代的新发明，是以后的发展方向，它可以按照预先设定的模式在一个环境里自动的运作，不需要人为的管理，可应用于科学勘探、危险作业等等的用途。

因此研究和开发智能小车控制系统具有十分重要的意义。

本设计是以中国机器人大赛暨RoboCup公开赛“机器人旅游”项目为背景，采用飞思卡尔单片机作为主控芯片，设计制作了一款人型智能循迹小车。

本文采用总分的形式展开的，首先从整体设计上对小车做个简单的概述，再分别从小车的硬件结构和软件设计进行了详细的描述。

小车由底盘和人型上身构成，采用完整的两片半桥驱动芯片+极低内阻的N沟道MOSFET构造而成的电机驱动器，在灰度传感器、红外传感器以及触碰开关反馈信号的作用下，小车能够实现前进、后退、左转、右转等基本功能，可以自主识别路障，寻找最佳路径；人型上身由3个舵机构成，各关节可以自由活动，也为以后实践中完成任务提供了可能。

传感器将采集到的信号传给单片机进行处理，再由主控系统发出相应的控制信号给电机驱动，从而控制小车在预定的场地上实现自主识别路径，自主行进，自主触碰景点并且语言播报，最终完成“寻宝”的任务。

关键词：

飞思卡尔单片机；智能循迹小车；传感器；电机驱动；舵机

Abstract

Smartcarasamodernnewinventionisthefuturedirectionofdevelopment,inanenvironmentwhereitcanoperateautomaticallyatpresetmode,withouthumanmanagementcanbeappliedtotheuseofscienceexploration,dangerousjobs,etc..Therefore,theresearchanddevelopmentofintelligentcarcontrolsystemhasgreatsignificance.

ThedesignisbasedonChinaRobotCompetitionandRoboCupOpen"robottourism"projectasthebackground,usingtheFreescalemicrocontrollerasthemasterchip,designedandmanufacturedapersonintelligenttrackingcar.Thispapertakestheformofexpandedscore,firstfromtheoveralldesignofthecartobeasimpleoverview,andthenweresmallcarshardwarearchitectureandsoftwaredesignaredescribedindetail.

Carfromthechassisandhumanoidupperbodycomposition,usingacompletetwohalf-bridgedriverIC+lowresistanceN-channelMOSFETdrivemotorconstructedroleingrayscalesensors,infraredsensorsandtouchswitchfeedbacksignalNext,thecarcanachieveforward,backward,turnleft,turnright,andotherbasicfunctions,youcanself-identifyroadblockstofindthebestpath;humanoidupperbodyconstitutedbythethreeservos,eachjointcanmovefreely,butalsoforthefuturepracticecompletedmissionpossible.Sensorswillbecollectedsignaltothemicrocontrollerforprocessing,andthenissuedbythemaincontrolsystemcorrespondingcontrolsignaltothemotordrivertocontrolthecartoachieveself-recognitioninapredeterminedpathvenues,independenttravel,attractionsandself-touchinglanguagebroadcaster,finalizethe"treasurehunt"task.

Keywords:

Freescalemicrocontroller;intelligenttrackingcar;sensor;motordrive;steering。

一、背景、任务、和意义

1.机器人旅游竞赛背景概述

机器人竞赛是近年来国际上迅速开展起来的一种高技术对抗活动，它涉及人工智能、智能控制、机器人、通讯、传感及机构等多个领域的前沿研究和技术融合。

它集高技术、娱乐和比赛于一体，引起了社会的广泛关注和极大兴趣。

目前，国际上推出了各种不同类型的机器人比赛，如机器人足球、机器人舞蹈、机器人相扑、机器人投篮等。

机器人旅游竞赛项目，起源于2003年的“机器人游北京”，及随后的“机器人游南京”、“机器人游江苏”、“机器人游中国”。

2009年，中国机器人大赛第一次正式设立机器人旅游类竞赛项目。

目前，该类比赛项目有：

探险游、寻宝游、越野游、快乐游、设计创新等。

由于项目的特色与优势明显，得到学校老师和学生的广泛好评，参赛队伍年年大幅度增加。

因参赛队伍较多，综合性的中国机器人大赛难以容纳。

故决定自2014年开始，举办专门的“机器人旅游大赛”，让更多的学生有机会参加比赛；同时也是中国机器人大赛的选拔赛之一。

为并积极邀请各界对机器人旅游类竞赛活动有兴趣的企业、团体及个人与我们共建这个平台。

2.机器人比赛意义

a．机器人产业在二十一世纪将成为和汽车电脑并驾齐驱的主干产业。

”从庞大的工业机器人到微观的纳米机器人，从代表尖端技术的仿人型机器人到孩子们喜爱的宠物机器人，和供人们娱乐的舞蹈机器人等，机器人正在日益走近我们的生活，成为人类最亲密的伙伴。

机器人技术和产业化在中国具有一定的现实基础和广阔的市场前景。

b．机器人大赛以科技含量高、学科跨度宽、参与面广和展示性强等特点在国际上有着很强的影响力，机器人大赛涉及人工智能、图像处理、通讯传感、精密机构和自动控制等多领域的前沿研究和技术集成。

目前已经形成了一个国际联盟的人工智能和机器人项目开发目标，被世界各国科研机构和众多高等院校所重视。

全球化的机器人产业市场也给商家带来了丰厚的利润回报。

国内的教育和科研机构也日益关注机器人事业的发展，有关科研工作在深度和规模上逐渐提高，清华大学、中国科中国科技大学等著名高校基本形成了完整的课程体系，对推动高校的科技创新和产学研一体化产生了积极作用，也为提高我国在机器人领域的国际地位作出了积极贡献。

c．开展机器人研究和参与各项竞赛活动，进一步加强了未成年人思想道德教育，提高广大青少年的科学素养，发展自身潜能，引导更多的大中小学生关注科技、热爱科技、走进科技，涌现出更多的未来科学家和未来工程师。

对青少年的发展提供了一个很好的平台。

d．在社会产业方面，机器人大赛不但能吸引一大批电子信息产业制造商、销售商、金融投资机构和技术服务机构提供产品和服务，而且还促进了知名科研机构、高等院校与高科技企业的合作交流，共同发展。

3．机器人比赛任务

我们团队此次参加的是机器人旅游大赛寻宝游比赛，比赛的主要任务是：

机器人在规定“假期”时间内，穿越险境去随机指定的宝物所在景点寻宝，同时游历尽量多的景点，获得尽量多的得分，并在假期结束前回到出发地。

二、机器人总体功能及性能指标

1.机器人实物图

2.总体指标

重量:

<=2.5kg

负载:

>20kg

材料:

铝合金

制作工艺及材质：

采用铝合金材质，2mm以上铝合金材质，表面氧化处理，适应野外环境要求；采用激光切割工艺，及数控加工工艺，保证平台结构稳定性及可靠性能。

同时适应未来机械扩展需求电池:

采用18.5V动力锂铁电池分别用于驱动和控制

运行时间:

2-4小时

最大输出功率：

80W；

执行机构:

电机驱动车轮+舵机驱动手臂

电机（纳英特385型，16V/850转）

减速箱类型：

短箱B型

电机型号：

385型

横向孔轴：

41mm

纵向孔轴：

16mm

电机长度：

37mm

输出轴长度：

14mm

额定电压：

DC：

16V

输出转速：

850RPM

空载电流:

0.4A

扭矩：

17.8kg·cm

重量：

146g

舵机：

MG995

工作电压：

4.8V-7.2V

外形尺寸:

52.8X20X43.1mm

使用温度:

－30~~+60摄氏度

死区设定:

4微秒

重量：

62g

最大扭矩：

13kg*cm（6.0V）

运行速度：

0.17秒/60度（4.8V）；0.13秒/60度（6.0V）

转弯半径:

90°

最大速度:

>？

m/s

位置闭环精度:

<0.6%（直线运动5米，重复定位偏差小于3厘米）

速度闭环精度:

<1%

越障高度:

<=3cm

爬坡能力:

50%grade（30°）

运动地形:

沥青水泥道路、地毯、土地、

3.控制系统指标

采用嵌入式工业控制系统与运动控制卡的两层控制架构，兼顾笔记本电脑及其它控制器的装配，总线连接，实现模块化控制系统。

a．嵌入式控制系统

工业级嵌入式主板,采用低功耗、高性能的PM1.8GCPU，SATA160G硬盘，DDR4002G内存，6个独立RS232串口（非USB转接）、其中一个RS232/RS485可选，8个独立的USB2.0接口（为提高USB接口的驱动能力，每个USB接口独立外部DC5V供电），主板具有工业级检测报告。

四通道可实时采集的图像采集卡；54M（802.11g）无线网卡

b．运动控制卡：

采用高性能架构：

数字信号处理器DSP+可编程逻辑器件CPLD可实现三通道闭环控制，控制量为PWM/模拟量（0～5V）可选，三通道A、B相正交编码器采集，具有电流采集、16路光电隔离数字量输入、16路光电隔离数字量输出、16路模拟量采集、16路超声波传感器光电隔离控制。

c．大功率驱动器：

单个驱动器具有350W的驱动能力，采用PWM/模拟量（0～5V）可选控制，为提高电机的效率，控制频率>50KHz，具有过热、过流保护；以上两项优先考虑公司自主设计产品，以便提供快速有效的技术支持和服务，并开放接口定义及特性。

d．电源控制板：

具有电池和外接电源的无缝切换（任意切换不会导致控制器重启或复位），

e．电机及编码器：

采用3个150W瑞士MAXON空心杯电机，行星减速器；500线A、B相正交编码器。

f．多传感器系统：

（1）八个超声波传感器（可扩展10个超声波传感器），三个PSD红外传感器（可扩展12个PSD传感器）,可进行导航避障;

（2）高精度三维数字罗盘：

航向精度：

0.5度，重复性：

～0.2度，分辨率：

～1度，相应时间0.1s，倾斜角：

精度～0.3度，重复性0.2度，分辨率0.5度，相应时间：

0.1s

（3）双目视觉系统（彩色模拟相机及图像采集卡）,可实行航标自主导航;

（4）高分辨率彩色数字相机（1300﹡1024,1/2”,1.0LUX,30帧/秒,USB口,逐行高精度,可参考OK逐行高精度USB系列AC1310），可实行现场监控，视频信号无线远程传输；

（5）同时应具有激光导航（可选）及GPS导航（可选）的扩展能力

以上性能经验收合格后需提供包括多传感器融合导航技术等源代码，以便二次开发。

g．通讯系统：

采用多总线控制模式，具有以太网、无线网络（802.11g）、工业局域网CAN总线、RS-232、RS-485等多种通讯总线。

可实现无线遥控。

机械手臂扩展：

本体提供6自由度手臂扩展机械接口、电气接口和通信接口。

适合未来移动排障、安装的需要。

h．能源系统：

动力电源：

20AH动力锂电池。

控制电源：

10AH动力锂电池。

三、硬件系统

1.电源模块：

电源主要给小车供电，在设计中我们采用五块串联的磷酸铁锂平台电池，正常供电电压约为18V。

此电池的主要参数如下：

【电压】3.3v磷酸铁锂平台电池电压

【满电电压】3.6v

【电池组合】1S5P

【电池容量】大于10AH

【长*宽*高】130*66*26mm

【重量】380g

【放电性能】A12326650磷酸铁锂电芯，采用独特的正极材料，大大提高了电池的放电性能，持续30C超高倍的放电性能傲世群雄。

实物图如图3.4所示：

图3.4LiFe电池

2.单片机最小系统

KinetisK60单片机最小系统包括晶振电路、复位电路、KinetisK60最小系统如图4-1所示：

图4-1KinetisK60单片机最小系统

3.电机模块：

（1）基本结构

直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成，直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。

运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。

（2）工作原理

直流电机里边固定有环状永磁体，电流通过转子上的线圈产生安培力，当转子上的线圈与磁场平行时，再继续转受到的磁场方向将改变，因此此时转子末端的电刷跟转换片交替接触，从而线圈上的电流方向也改变，产生的洛伦兹力方向不变，所以电机能保持一个方向转动。

直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。

（3）电机选型

由于本设计既需要较大的转速，也需要较大的力矩，所以选用纳英特科技的一款电机，转速能达到850rpm，力矩为16kg.cm，供电电压为16V。

由于其内部由高速电动机提供原始动力，带动减速齿轮组，可以产生较大扭力。

电机实物图如图4.7所示。

图4.7直流减速电机

（4）性能参数

额定电压：

DC16V；

额定空载电流：

420mA；

额定空载转速：

850rpm；

堵转力矩：

16kg.cm；

减速方式：

齿轮变速；

材料：

金属；

重量：

156kg。

4.驱动模块：

电机驱动器可以提高电流和效率，有效地发挥电机功率和电池的使用时间。

电机驱动器具有刹车功能、转速控制功能和电机的转向控制功能。

本次设计电机驱动使用的是大功率H桥双路电机驱动模块，供电电压为3~36V，能承受大电流过载，最大电流可达30A。

采用完整的两片半桥驱动芯片＋极低内阻的N沟道MOSFET组成。

实物如图1.1所示：

图1.1电机驱动

5.传感器模块

传感器模块包括灰度传感器，红外避障传感器，碰撞开关传感器。

5.1灰度传感器

灰度传感器是模拟传感器，由一只发光二极管和一只光敏电阻组成，它们安装在同一面上。

灰度传感器利用不同颜色的检测面对光的反射程度不同，光敏电阻对不同检测面返回的光其阻值也不同的原理进行颜色深浅检测，通过检测光线的强度并将其转换为机器人可以识别的高低电平信号。

灰度传感器的电路原理图如下：

图3.5灰度电路

5.2红外避障传感器

红外避障传感器具有一对对红外信号进行发射与接收的二极管，利用红外发射管发射出一束红外光，在照射到物体后形成一个反射的过程，反射到红外接收管后接收信号，然后记录发射与接收的时间差的数据，经信号处理器处理后计算出物体的距离。

本设计由于不需要距离的具体数值，只需要有一个临界距离，在这个距离范围内检测到是一个电平值，在这个距离范围以外检测到的是另一个电平值，来达到采集信号的目的。

其实物图如图3.6所示：

图3.6红外避障传感器

5.3碰撞开关传感器

碰撞开关传感器实质上就是一个点触式开关，使其在碰撞前一直处于断开状态，由于接上拉电阻，断开时处于高电平“1”，碰撞时，开关闭合，就与地接通了，呈现低电平“0”。

在本设计中是用它来触碰景点，碰撞时开关闭合，得到一个“0”信号，从而使得主控板发出控制信号使小车返回和语音播报。

实物图如图3.7所示：

图3.7碰撞开关

6.舵机模块

本设计中舵机主要用于自由表演，我们使用的舵机是S1500。

其参数如下，实物图如图3.9所示：

【额定电压】4.5v/7.4v

【力矩】6kg.cm6V15.5kg.cm4.8V

【转动角度】180度（-90度到+90度之间）

【重量】56g

图3.9舵机

7.比较器

  LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：

1）失调电压小，典型值为2mV；2）电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为±1V-±18V；3）对比较信号源的内阻限制较宽；4）共模范围很大，为0~（Ucc-1.5V）Vo；5）差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；6）输出端电位可灵活方便地选用。

   LM339集成块采用C-14型封装，图1为外型及管脚排列图。

由于LM339使用灵活，应用广泛，所以世界上各大IC生产厂、公司竟相推出自己的四比较器，如IR2339、ANI339、SF339等，它们的参数基本一致，可互换使用。

图1

            LM339类似于增益不可调的运算放大器。

每个比较器有两个输入端和一个输出端。

两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。

用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM339输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。

当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。

当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。

两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。

LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻（称为上拉电阻，选3-15K）。

选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。

因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。

另外，各比较器的输出端允许连接在一起使用。

8.摄像头

本机器人采用野火鹰眼摄像头，野火鹰眼摄像头，是野火为智能车比赛而专门量身打造的摄像头模块，采用ov系列三十万像素当中成像质量最棒、低照度极好的ov7725芯片，通过特殊的硬件结构完成二值化操作，图像处理效果极佳，采集图像速度极快，为目前智能车比赛选用摄像头中最快、二值化处理效果最佳的无敌摄像头。

9.液晶屏

本系统采用的是ST7735为26万色单片机/驱动控制器，图形型液晶。

它由396个源线和162栅极线驱动电路。

该芯片是能够直接连接到一个外部微处理器，并接受串行外设接口（SPI），8位/位/16位或18位并行接口。

显示数据可以存储在片上显示数据RAM的132×162×18位。

它可以显示数据RAM的读/写操作无需外部运行时钟减少电力消耗。

此外，由于该集成电源电路来驱动液晶必要，它可以用更少的部件使显示系统。

四、软件系统

五、特色点与创新点

数字识别

头部可转动摄像头

自动保存上次的识别并与下次比对准确寻宝

六、已取得的技术（含竞赛）成果及改进计划

（如相关的论文、专利、参加各种比赛成绩等）

七、本大赛存在的主要问题与改进建议

1.距离的问题：

对全国各地的大学来说，每年只有一个的比赛场地，对离比赛场地近的参赛对来说是优势，但对别的队来说距离上的距离很可能成为比赛的一个障碍。

有些偏远地区的大学可能因为距离问题对比赛望而生畏。

2.不发奖金，如果收取报名费，那么相应的就应该给优胜的团队发适当的奖金。

3.缺乏权威部门的认证。

4.食宿问题

5.机器人比赛给大学生提供了动手实践的平台，大学生群体属于没有收入的群体，报名费的收取或增加参赛队员的经济压力，再说收取报名费也会促进比赛的商业化。