1、 2015 屆畢業設計（論文）題 目：光電導引自主式搬運機器人設計專 業：測控技術與儀器班 級： 測控1101姓 名： 指導老師：起訖日期：年 月摘 要機器人是一種復雜的智能機械，包含了電子、機械、傳感器、計算機、仿生學、控制技術、人工智能等學科。目前已成為世界各國的研究熱點之一，是衡量一國工業化水平的重要標志。智能移動機器人是一個集環境感知、動態規劃與決策、運動行為控制與執行等多種功能與一體的綜合系統，可以說它是機器人的一個重要的分支。本文主要介紹了一種基于光電傳感的移動搬運機器人的設計與實現。該機器人系統選用stm32f103zet6單片機作為微控制器，采用七路灰度傳感器循跡，三路舵機控制

2、的機械爪，一個紅外光電開關測距，一個觸碰開關，四個電機驅動機器人直線行駛，轉彎。整個機器人系統涉及機器人結構設計，灰度傳感器信號采集處理，機械爪的結構設計，循跡算法和策略優化等方面。經過多次調試，比較各種方案的優劣，不斷改進和升級，確定了現在的方案。現在該機器人系統能夠完整完成自主導航及搬運的任務，達到了實驗預期目的。關鍵詞：光電傳感器，搬運機器人，自主導航，循跡ABSTRACTRobotics is a combination of mechanical, electronic, computer, sensors, control technology, artificial intell

3、igence, bionics and other disciplines of complex intelligent machinery, has become one of the hot spots around the world, as a measure of a countrys level of industrialization important symbol.Intelligent mobile robot is an important branch of the robot, is a versatile integrated system human-comput

4、er interaction, situational awareness, planning and decision-making, such as a set of motion control.This paper describes the design and implementation of mobile robot based handling of photoelectric sensors. The robot system selected stm32f103zet6 microcontroller as microcontrollers, sensors tracki

5、ng the use of seven road gray, three-way servo-controlled mechanical claw, an infrared photoelectric switches ranging, a touch switch, four motor-driven robot straight, turning . Entire robot system involving body structure design, gray sensor signal acquisition and processing, structural design of

6、mechanical claw, control algorithms and strategies to optimize other aspects. After several rounds of testing, comparing the pros and cons of various options, continuous improvement and upgrading, determine the current program.The robot system can now complete the task of autonomous navigation and t

7、ransportation, to achieve the intended purpose of the experiment.Keywords: photoelectric sensors, handling robots, autonomous navigation, tracking摘要IIABSTRACTIII第一章 緒論11.1 自主式搬運機器人概述11.2 發展歷史與研究現狀11.2.1 國外發展11.2.2 國內發展21.3 課題研究意義21.4 課題研究內容2第二章 機器人總體設計42.1 設計目標42.2 導航方式52.3 機械手62.3.1 機械手功能62.3.2 機械手

8、驅動方式62.4 小車驅動方式82.5 電源選擇92.6 微控制器選擇102.7 測距抓取102.8 機器人整體框圖10第三章 硬件電路設計123.1 微控制器123.2 程序下載123.3 電源模塊133.3.1 穩壓芯片133.3.2 穩壓電路133.4 驅動模塊143.4.1 電機驅動模塊選擇143.4.2 電機驅動電路設計153.5 灰度檢測模塊173.6 舵機控制電路183.7 碰撞開關193.8 紅外光電開關19第四章 軟件設計204.1 小車運動控制算法204.2 機械臂控制算法254.3 搬運機器人關鍵函數264.4 軟件開發平臺27第五章 實地調試295.1 基于紅外傳感器的

9、循跡方案試驗295.2 基于高亮LED的循跡方案試驗295.3 車速及轉彎調試305.3.1 車速調試305.3.2 轉彎調試31第六章 總結與展望326.1 創新與可取點326.2 不足和改進32參考文獻34致謝36V南京工業大學本科生畢業設計（論文）第一章 緒論1.1 自主式搬運機器人概述移動機器人是能夠感知環境做出相應行為控制并執行的系統，是機器人學的重要組成部分。由于移動機器人的智能性和對環境的適應性，越來越多的移動機器人被運用于醫療服務、宇宙探測、軍事及深海偵察等領域。二十世紀六十年代斯坦福大學研制的一款自主移動機器人SHAKEY拉開了移動機器人研究序幕。 70年代末，計算機和傳感器

10、技術的發展將移動機器人的研究帶向新的高度。別是在80年代中期，全世界刮起了一股機器人的浪潮，許多公司開始研制用于大學實驗室和研究機構的機器人實驗平臺，機器人研究開始向多領域發展。90年代以來，以研制高水平的環境信息傳感器和信息處理技術，高適應性的移動機器人控制技術， 真實環境下的規劃技術為標志，開展了移動機器人更高層次的研究。1.2 發展歷史與研究現狀1.2.1 國外發展20世紀60年代美國斯坦福大學研制了第一款自主移動機器人Shakey，這款機器人可以在不同環境下識別路徑，做出推理并控制移動功能。 70年代，傳感器和計算機技術開始運用到移動機器人領域，帶動了移動機器人的發展。比如前蘇聯研制的

11、用于月球探測的輪式機器人Lunokhod；美國斯坦福大學研制的Stanford Cart移動機器人能通過自身視覺傳感器來識別軌線；法國圖盧茲LAAS實驗室研制了配有激光測距儀、超聲波傳感器等傳感設備的Hilare輪式移動機器。70年代末80年代中期，許多大學和研究機構從事移動機器人平臺的研究，促進了移動機器人的多方向發展。 進入90年代后，隨著科技進步，移動機器人開始向智能化發展。如CMU的Navlab系列移動機器人系統；德國Vamors-P和Caravelle系統；由日本本田公司研制的P系列和ASIMO人型機器人；日本索尼的SDR-3X人型機器人和AIBO娛樂型機器人等，展示了移動機器人各方

12、面的先進成果10。1.2.2 國內發展我國移動機器人研究開始于八五期間。雖然起步較晚，但是發展迅速。在863計劃的支持下，機器人研究的各領域都取得了顯著成績。比較著名的有清華大學的移動護理機器人，它具有七自由度；香港城市大學研制的自動導航車和服務機器人；中科院自動化所通過研究，開發了具有全方位視覺導航系統的移動機器人；上海交通大學設計的移動機器人 “小蜘蛛”，它具有輪式結構可以用于登月研究。1.3 課題研究意義本選題主要研究移動搬運機器人的設計與實現。搬運機器人具有智能性，它可以按照人類設計好的路線搬運貨物。資料顯示：在工廠生產過程中，只有5%的時間是用來生產產品，產品的裝卸、運輸卻要占用95

13、%的時間。有研究顯示在美國，直接生產成本只占總成本的10%，40%成本要用于產品的存儲、運輸。所以現代企業生產應該把優化物流結構、降低物流費用作為企業的核心競爭力之一。移動搬運機器人運用于企業生產，不僅能提高效率，實現物流的集成化和自動化，而且把人從危險、惡劣、繁重的工作環境下解放出來，顯示出極大的優越性。因此對自主搬運機器人的研究對現代工業的產生深遠影響，具有實用價值。同時本課題開發的機器人系統適應于一般競賽機器人要求，在其基礎上可以擴展更多功能，滿足更多需求。1.4 課題研究內容本文在全國大學生機器人大賽的基礎上設計了一款以光電導引方式循跡的搬運機器人。具體研究內容如下： 機器人整體機械結

14、構設計。包括小車的大小，機械爪的結構，電池的安裝等。 機器人硬件電路設計。包括單片機的選取，電源模塊、驅動模塊、灰度檢測模塊等模塊的設計。 機器人軟件設計。包括整個系統的軟件開發平臺，機器人運動控制、機械爪舵機控制算法的設計，信號數據的采集與處理等。 機器人調試。包括場地的鋪設，不斷讓機器人在現場調試，觀察數據，修改參數最終獲得最佳狀態。37第二章 機器人總體設計2.1 設計目標本課題旨在完成一個小型的光電導引式自主搬運機器人的設計，并能夠自主完整的完成以下規定動作：（1）機器人查病房；（2）機器人為病人端茶水。（1）機器人查病房。從起點出發，機器人沿著白線循跡，到達指定甲、乙兩處，并且機器人

15、輕觸甲、乙兩處的擋板即可。（2）機器人為病人端茶水。機器人模擬人手抓住杯子，將S1處的杯子放到指定地點1，將S2處的杯子放到指定地點2，然后回到起點。場景示意圖如下：圖2.1場地示意圖2.2 導航方式移動機器人能夠實現自主行駛，最重要的技術就是導航和導引，沒有可靠的導航系統就無法實現移動機器人的最初目的，所以對移動機器人的研究很大程度上是對導航技術的研究。隨著科學技術發展，為了讓移動機器人適應不同工作環境開發了各種導航技術，目前的導航/導引技術主要有以下幾種：慣性導航慣性導航是利用慣性元件來測量運載體的加速度進而計算出位置和速度，達到機器人導航目的。這種方法運用到了牛頓慣性運動定律。慣性導航系

16、統的缺點是誤差會隨著時間漂移而增長，因此不適合于長時間準確定位。（18）電磁導航電磁導航是讓一定頻率電流流過電纜，產生磁場信號，機器人上安裝的傳感器檢測磁場信號，并判斷路徑。這種方法的優點是原理簡單，聲光對其無干擾，缺點路徑改變麻煩，鋪設電纜工作量大，維護困難。激光導航 該方法需要在移動機器人身上安裝激光發射器，激光發射器發射激光，激光反射并被接收，通過計算發射光束與反射光束之間的信息可以對移動機器人進行位置導引。這種方法的優點是定位精確，缺點是算法復雜。光學反射導引在深色地面鋪設淺色條帶或者在淺色地面鋪設深色條帶，移動機器人攜帶的光學發射元件對路面進行照射，光學信號被反射或吸收以此來判斷機器

17、人和條帶的相對位置。這種方法操作簡單，但是容易受外界光線影響。（29）視覺導航 通常采用CCD敏感元件拍攝路面信息，運用相關視覺技術識別路徑。移動機器人利用視覺技術導航具有很大的發展前景，是未來移動機器人導航的發展趨勢。超聲波導航 超聲波導航是利用超聲波傳感器發射超聲波遇到物體反射進行定位。這種方法原理簡單，硬件陳本低，缺點是當超聲波束與檢測物體表面不垂直或者物體距離太遠時檢測結果不夠準確。通過對以上導航方式的優劣進行對比，并考慮到實際操作需要，我選擇了光學反射導引的方式循跡。2.3 機械手在工業生產中，機器人已經逐漸被運用各個領域成為重要的生產力。大多數工業機器人都需要有自己的機械手作為執行

18、機構，結構合理的機械手可以大大提高機器人的工作效率，所以對機械手功能和結夠的研究就很有現實意義。2.3.1 機械手功能機器人手爪功能是當機器人收到抓取物件信號，按指定路徑抓放物件的能力。為了完成這一系列動作，機械手應具備一定運動范圍、物件定位、適當夾緊力等功能。2.3.2 機械手驅動方式機器人手爪按照驅動源的方式可以分為電機、液壓、氣動、形狀記憶記憶合金等，機器人靈巧手傳動系統把驅動器產生的運動和力以一定的方式傳遞到手指關節，從而使關節做相應的運動。機械手的驅動和傳動方式可以分為以下幾種類型：腱傳動方式第一類是由腱，一般是繩索、鋼絲繩之類配上滑輪。其特點是能實現多自由度遠距離傳輸，但是由于摩擦

19、和腱的布局產生的力矩耦合等，手爪的抓取控制變得復雜。連桿傳動方式利用各種連桿結構傳動，其優點是動力大，結構牢固，能抓取很重的物體，但是需要用到動力學設計復雜。人工肌肉驅動方式近年來產生一種驅動方式是模擬人肌肉工作方式，比較典型的是氣動的驅動方式和液壓驅動，但是這種技術還不夠成熟，還遠遠無法達到和人類肌肉一樣工作的高度。形狀記憶合金驅動方式還有一種方式是利用某些合金的記憶效應進行驅動，這種驅動方式負載能力強，但是不夠靈活，容易產生衰耗。欠驅動方式空間機器人研究的一個課題是欠驅動手爪。通過欠驅動手指機構、 機械限位和彈簧實現無動力關節對被抓取形狀的被動自適應，具有驅動元件少，抓取范圍廣泛、控制簡單

20、、出力大、負載能力好等特點。由于其他幾種方式機械手結構較復雜，且價格較高，本設計采用舵機配合機械手臂實現抓取物體。一個舵機一般包括控制電路、傳感器、直流電機和減速齒輪組四部分，輸出不同信號則舵機旋轉不同角度。本設計選用舵機如下圖：圖2.2 MG996R舵機 舵機參數如下：工作電壓4.8-7.2V產品拉力12kg/cm(6V)反應速度0.17sec/60度(4.8V無負載)0.14sec/60度（6V無負載）工作溫度0-55齒輪形式金屬齒輪接線定義黃信號 紅正極 褐負極本設計采用的是金屬對稱抓取機械手，實物圖如圖2.3所示。機械手長161.8mm，寬72mm，由一只舵機驅動，通過舵機的轉動可以實

21、現機械手的張開與閉合，能穩定的抓取大型圓球，圓柱體。圖2.3 機械手2.4 小車驅動方式移動機器人要想完成移動、搬運的功能必須要有運動控制系統，一個完善、高效的運動控制系統能夠讓機器人完整、穩定的行駛。本文研究的機器人主體類似于小型智能車，小車按照驅動方式可以分為單輪驅動、差速驅動和全方位驅動。三輪式小車是單輪驅動小車最常見的形式，小車的驅動輪和轉向輪都是前輪，兩個后輪起從動作用。差速驅動小車,采用兩個或四個航輪,分置在車體四周增加小車的穩定性,當每組航輪轉速不同時執行車體轉向動作,當速度相同時,車體執行直線行動或原地旋轉。全方位小車安裝有三個獨立的驅動轉向組合輪,能夠朝任意方向行駛而不改變車

22、體姿態。考慮到小車必須要能支撐起機械臂和整個硬件系統，所以小車應該是三輪或者四輪形式，由于三輪小車只有后面兩輪是驅動輪動力不足，所以最終采用四輪的結構，并且是四輪差速驅動方式，通過調節左右兩組航輪的速度可以做到直線行動和轉彎。這種結構承載能力強，易于控制，調速能力優良。四輪構型如下圖：圖2.4 四輪構型2.5 電源選擇機器人驅動需要有電池供電。普通干電池價格便宜，但是放電快，只能使用一次不符合循環使用的要求，因此決定采用充電電池，充電電池分為鋰電池和鎳氫電池，鎳氫電池高容量，大電流，可循環使用，且價格更便宜，所以使用鎳氫充電電池。我使用的是VB品牌的鎳氫電池，電壓7.2V，容量3600毫安，電

23、池規格134.5x46.5x23mm，電池實物圖如圖2.5：圖2.5 鎳氫電池實物圖2.6 微控制器選擇目前我們的課程學習了51系列單片機和stm32系列單片機，51單片機較簡單，控制方便但是速度、功能沒有stm32強大，搬運機器人涉及大量數據處理，所以單片機速度越快越好，而且stm32外圍接口豐富能滿足機器人的各種設計要求，為了將課堂學習的知識運用到實際，本設計選擇了增強型stm32單片機stm32f103zet6作為機器人的微控制器。2.7 測距抓取機器人搬運物體需要知道在什么地方停下抓取物體，所以機器人和物體之間的測距是必要的。本設計剛開始使用的方案是超聲波測距，圖2.6為超聲波傳感器。

24、但是實際測試過程中發現超聲波測距精度不高，機器人不能到達正確位置抓取物體，所以拋棄此方案。我轉而采用紅外測距，圖2.7為紅外光電開關，事實證明紅外測距具有探測距離遠，精度高的優點，滿足設計要求。 圖2.6 超聲波傳感器 圖2.7 紅外光電開關2.8 機器人整體框圖搬運機器人整體結構如圖2.8所示：圖2.8 機器人整體結構組建好的搬運機器人硬件平臺如圖2.9所示：圖2.9 搬運機器人第三章 硬件電路設計3.1 微控制器MCU主控制器選用的是意法半導體公司出品的stm32f103zet6芯片，其內核是Cortex-M3。該芯片是增強型的32位單片機，具有64KB SRAM、512KB FLASH、

25、基本定時器和高級定時器各2個、通用定時器4個、3個SPI、2個IIC、5個串口、1個USB、1個CAN、3個12位ADC、1個12位DAC、1個SDIO接口、1個FSMC接口以及112個通用IO口。其主要特點如下：a) 超低的價格。雖然是32位機卻只有8位機的價格。b) 72MHz的工作頻率，具有快捷強力的的數值運算和邏輯運算能力。c) 超多的外設。擁有包括FSMC、TIMER、SPI、USB、CAN、IIC、IIS、SDIO、ADC、DAC、RTC、DMA等眾多外設及功能，具有極高的集成度。d) 優異的實時性能。84個中斷，16級可編程優先級，并且所有的引腳都可以作為中斷輸入。e) 杰出的功

26、耗控制。STM32擁有獨立時鐘開關控制各個外設，不需要的外設可以關閉相應時鐘來降低功耗。f) 極低的開發成本。STM32的開發不需要昂貴的仿真器，只需要一個串口即可下載代碼，并且支持SWD和JTAG兩種調試口。在本設計中采用stm32f103zet6正是利用了它的快速運算處理能力以及豐富的片上資源，從而有效、快速、準確地控制機器人運動。3.2 程序下載本設計下載程序使用德國SEGGER公司推出的Jlink仿真器，該仿真器配合IAR EWAR，ADS，KEIL，WINARM，RealView等集成開發環境支持所有ARM7/ARM9/ARM11,Cortex M0/M1/M3/M4,Cortex

27、A4/A8/A9等內核芯片的仿真適用于Keil、IAR等編譯環境，操作起來非常方便，學習也很簡單，是很好的學習開發ARM的開發工具。3.3 電源模塊本設計采用兩塊7.2V、3600mah的鎳氫電池供電，由于系統構成復雜，各模塊供電要求不同，所以將電壓分為3.3V，5V，7.2V三個檔位。3.3.1 穩壓芯片由于STM系列芯片需要3.3V供電，供電電壓任何時刻都不能超過3.6V，否則會導致主芯片燒毀，采用低壓線差線性穩壓器AMS1117-3.3提供3.3V電壓。灰度傳感器、紅外光電開關、觸碰開關、舵機都需要5V供電，如果還采用單片的線性穩壓器件，當輸入輸出壓差較大時器件就會因電流過大而被擊穿，所

28、以最后決定采用開關型集成穩壓芯片LM2596，該器件功耗很低，轉換效率可達75%88%。3.3.2 穩壓電路輸入5V電壓，通過AMS1117-3.3穩壓芯片轉換輸出3.3V電壓給單片機供電，其電路圖如圖3.0所示。圖3.0 3.3V穩壓電路穩壓芯片LM2596輸出5V電壓供給各個模塊使用，其電路圖如圖3.1所示。圖3.1 LM2596穩壓電路3.4 驅動模塊本設計采用直流減速電機為系統提供必須的的驅動力。單片機的I/O口能輸出的電流很小無法驅動電機這種大功率器件，通過添加驅動電路可以解決這一問題。3.4.1 電機驅動模塊選擇有兩種方案可供考慮：方案1：設計由分離元件組成的驅動電路實現，但是設計

29、反鎖，使用不便。方案2：采用專用的驅動芯片加以實現。由于專用的驅動芯片結構簡單、可靠性高、價格便宜，所以決定采用方案2。設計選擇L298N專用芯片驅動電機。該芯片是ST公司生產的一種工作電壓高，輸出電流大的電機驅動芯片。其主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達46V，輸出電流大，最大電流可達3A，持續工作電流為2A，內部集成了兩個H橋，能同時驅動兩個電機。圖3.2為L298N電機驅動模塊。圖3.2 L298N電機驅動3.4.2 電機驅動電路設計圖3.3為典型的H橋電路，H橋式電機驅動電路由四個三極管和一個電機組成。當對角線上的一對三極管導通時電機工作。電流流向隨不同三極管對導通而改變，以此來

30、控制電機轉動的方向。圖3.3 H橋電路例如，如圖3.4所示，當三極管對Q1、Q4導通時，電流從電源正極經過Q1，流過電機，最后經過Q4流向負極，電流流向是從左至右，驅動電機順時針旋轉；當三極管對Q2、Q3導通時，電流從電源正極經過Q3，流過電機，最后經過Q2流向負極，電流流向是從右至左，驅動電機逆時針旋轉。 圖3.4 電機正轉 圖3.5 電機反轉可以直接用單片機的I/O口給L298N提供控制信號。IN1、IN2和IN3、IN4分別接在兩組單片機引腳上控制邏輯信號，然后單片機輸出PWM來控制使能端ENA和ENB的占空比從而調整轉速，OUT1、OUT2和OUT3、OUT4分別接兩個電機輸出。L29

31、8N電機控制引腳功能表如圖3.6所示。直流電機旋轉方式IN1IN2IN3IN4調速PWM信號調速端A調速端BM1正轉高低/高/反轉低高/高/停止低低/高/M2正轉/高低/高反轉/低高/高停止/低低/高圖3.6 L298N邏輯功能圖電機驅動模塊的電路圖如圖3.7所示，IN1、IN2、IN3、IN4直接接單片機引腳，單片機輸出兩路PWM給ENA和ENB端，VS引腳接電源電壓，電壓范圍為+2.546V，VSS引腳接5V電壓，引腳1和15接地。圖3.7 L298N電路圖3.5 灰度檢測模塊灰度傳感器包含高亮LED和光敏電阻兩部分。其基本電路是讓LED串聯一個限流電阻接在電源兩端，在電路中并聯的電阻起到

32、分壓作用，LED是光源，光敏電阻阻值隨光照強度變化而變化。電路圖如圖3.8所示。地面顏色越深，吸收光線的能力越強，則光敏電阻接受到的反射光越弱，光敏電阻值越大，灰度傳感器的輸出電壓也越大；反之，地面灰度淺，輸出電壓小。圖3.8 灰度檢測電路本設計選用的灰度傳感器實物圖如圖4.1所示，該模塊內置AD轉換模塊，輸出方式為數字輸出，即1或0輸出，可以直接接單片機引腳根據電平高低判斷線路。3.6 舵機控制電路舵機連接到單片機的電路如圖3.9所示：圖3.9 舵機和單片機連接電路舵機有三條線，一條電源線，一條底線，一條信號線，由單片機產生周期為20ms，脈寬12ms的信號，通過PWM設置占空比改變脈寬從而

33、改變舵機旋轉角度。舵機角度和脈寬的要求如圖4.0所示。圖4.0 舵機控制要求3.7 碰撞開關碰撞開關即微動開關，它具有很小間隔的接點機構，用一定的力可以連接接點完成開關動作。本設計利用車體前安裝的微動開關檢測觸碰病床并返回。下圖是碰撞開關原理結構圖：圖4.1 碰撞開關原理結構3.8 紅外光電開關紅外光電開關是一種光電傳感器，可以發射和接受光信號。檢測距離可以根據要求進行調節，本設計選用的傳感器工作電壓5V，長5cm，直徑17mm，有效距離3-80cm可調。具有探測距離遠、受可見光干擾小、價格便宜、易于裝配、使用方便等優點，由于是數字輸出可以直接接單片機引腳，前方無障礙輸出高電平，有障礙輸出低電

34、平。紅外光電開關與單片機連接圖如下：圖4.2 光電開關和單片機連接電路第四章 軟件設計4.1 小車運動控制算法搬運機器人是由車體和機械臂兩部分組成。小車要循跡完整跑完賽道就需要有算法，依靠車體前方安裝的七路循跡傳感器和車體中間安裝的兩路循跡傳感器可以檢測道路信息并反饋給單片機，單片機對數據做出處理并控制小車行駛。(1)直線行駛只有傳感器3在白線上放,傳感器1、2、4、5都不在白線上當只有傳感器3引腳輸出低電平時，則傳感器3檢測到白線，此時傳感器分布如圖4.3所示，小車保持直線行駛。圖4.3 傳感器3在白線上只有傳感器2或1在白線上方當只有傳感器2或1引腳輸出低電平時，則傳感器2或1檢測到白線，

35、此時傳感器分布如圖4.4、4.5所示，小車右偏，單片機控制左輪電機減速同時右輪電機加速，小車向左修正。 圖4.4 傳感器2在白線上 圖4.5 傳感器1在白線上只有傳感器4或5在白線上方當只有傳感器4或5引腳輸出低電平時，則傳感器4或5檢測到白線，此時傳感器分布如圖4.6、4.7所示，小車左偏，單片機控制左輪電機加速右輪電機減速，小車向右修正。 圖4.6 傳感器4在白線上 圖4.7 傳感器5在白線上走直線的算法流程圖如圖4.8所示：圖4.8 走直線算法流程圖（2）十字路口和T型路口辨別當小車沿白線循跡時只有辨別出十字路口和T型路口才能做出正確判斷。十字路口傳感器1、2、4、5都輸出低電平，并且隔

36、一段時間傳感器3也輸出低電平。如圖所示： 圖4.9 傳感器1、2、4、5在白線上 圖5.0 傳感器3在白線上T型路口傳感器1、2、4、5都輸出低電平，但是隔一段時間傳感器3輸出高電平。如圖所示： 圖5.1 傳感器1、2、4、5都在白線上 圖5.2 傳感器3不在白線上（3）左轉路口和分叉路口分辨在小車實際行駛中會遇到兩條相似的道路如圖所示。所以要有算法分辨這兩種道路。 圖5.3 左轉路口 圖5.4 分叉路口左轉路口傳感器9和1輸出低電平，但是隔一段時間后傳感器3輸出高電平。如圖所示： 圖5.5 傳感器9和1在白線上 圖5.6 傳感器3不在白線上分叉路口傳感器9和1輸出低電平，過一段時間后傳感器3

37、也輸出低電平。如圖所示： 圖5.7 傳感器9和1在白線上 圖5.8 傳感器3在白線上（4）右轉路口和分叉路口分辨在小車實際行駛中會遇到兩條相似的道路如圖所示。所以要有算法分辨這兩種道路。 圖5.9 左轉路口 圖6.0 分叉路口右轉路口傳感器10和5輸出低電平，但是隔一段時間后傳感器3輸出高電平。如圖所示： 圖6.1 傳感器10和5在白線上 圖6.2 傳感器3不在白線上分叉路口傳感器10和5輸出低電平，并且隔一段時間后傳感器3也輸出低電平。如圖所示： 圖6.3 傳感器10和5在白線上 圖6.4 傳感器3在白線上4.2 機械臂控制算法搬運機器人的機械臂整體是由三個舵機和鋁質支架組裝成的，具有三個自

38、由度。通過單片機的定時器2的三個通道輸出三路PWM控制舵機的旋轉角度，車前的紅外光電開關用來檢測物體距離，相互配合從而完成抓住物體，搬運物體，放下物體的整個過程。具體做法如下：首先對三個舵機初始化：TIM2_PWM_Init(199,7199); /定時器2產生20ms的周期信號TIM_SetCompare2(TIM2,8); /設置通道2占空比TIM_SetCompare3(TIM2,7); /設置通道3占空比TIM_SetCompare4(TIM2,10); / 設置通道4占空比 當光電開關第一次檢測到物體時輸出口電平會從高電平變成低電平，單片機接受到信號設置三個舵機的占空比完成抓住物體的

39、過程：if(LED11=0) /紅外光電開關輸出低電平 num+; /計數num加一次 if(num=1) /第一次檢測到物體 TIM_SetCompare2(TIM2,8); /設置通道2占空比 TIM_SetCompare3(TIM2,7); /設置通道3占空比 TIM_SetCompare4(TIM2,19); /設置通道4占空比 當光電開關第二次檢測到物體時輸出口電平會從高電平變成低電平，單片機接受到信號設置三個舵機的占空比完成放下物體的過程：if(LED11=0) /紅外光電開關輸出低電平 num+; /計數num加一次 if(num=2) /第二次檢測到物體 TIM_SetComp

40、are4(TIM2,10); /設置通道4占空比 TIM_SetCompare3(TIM2,7); /設置通道3占空比 TIM_SetCompare2(TIM2,8); /設置通道2占空比 搬運機器人要重復完成兩套這樣的抓物，放物過程，其算法同理。4.3 搬運機器人關鍵函數為方便軟件程序的編寫和可讀性，本設計所包含主要關鍵函數如下：void delay_init();函數說明：延時函數初始化。void LED_Init();函數說明：stm32f103zet6需要用到的引腳的配置void TIM3_PWM_Init(u16 arr,u16 psc) 函數說明：TIME3 PWM部分初始化，ar

41、r：自動重裝值；psc：時鐘預分頻數。該函數用來生成PWM控制電機轉動。void TIM2_PWM_Init(u16 arr,u16 psc)函數說明：TIME2 PWM部分初始化，arr：自動重裝值；psc：時鐘預分頻數。該函數用來生成PWM控制舵機轉動。void zheng(void)；函數說明：配置電機驅動的邏輯信號，使四個電機正轉。void left_f(void)；函數說明：配置電機驅動的邏輯信號，使左邊兩個電機反轉，右邊兩個電機正轉。void right_f(void)；函數說明：配置電機驅動的邏輯信號，使左邊兩個電機正轉，右邊兩個電機反轉。void fan(void)；函數說明：

42、配置電機驅動的邏輯信號，使四個電機反轉。4.4 軟件開發平臺軟件開發平臺多種多樣，各有各的優勢和特色，常見的如IAR，Keil，因為IAR平臺沒有涉及過而學起來比較困難，Keil正是單片機教學使用的開發平臺，所以本設計采用Keil uVision5作為搬運機器人的軟件開發平臺。Keil uVision5是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發系統，這款軟件的開發方案非常完整，包含了宏匯編、庫管理、C編譯器、連接器、仿真調試器等功能，這些功能被集成在一個開發環境中。開發界面如圖6.5所示：圖6.5 Keil操作界面第五章 實地調試5.1 基于紅外傳感器的循跡方案

43、試驗設計剛開始采用紅外探測法，其原理是紅外光在不同顏色地面反射情況不同，當紅外光照射到淺色地面時，紅外光大部分被反射回來，接收管接收到紅外光；當紅外光照射到深色地面時，紅外光大部分被吸收，接收管收不到紅外光。不斷向地面發射紅外光通過反射回來的紅外光接收情況可以判斷小車和軌跡的相對位置。使用的紅外傳感器如圖6.6所示：圖6.6 紅外傳感器模塊實際測試過程中發現這種紅外傳感器檢測距離短，道路參數檢測精度低，雖然能夠識別黑白線，但是對綠底白線的賽道識別度不高，特別容易受外界光線干擾，經常判斷出錯跑出賽道。5.2 基于高亮LED的循跡方案試驗還有一種光電循跡方案是發光源采用高亮白色聚光LED，如圖6.

44、7所示，接收管對不同反射光的強弱對比處理，只要對白光反射強弱不同即可，差值越大，分辨越好。實際測試發現該方案靈敏度高，能精確分辨綠白色，而且抗干擾能力強，普通照明燈基本對其無影響。所以最后采用該方案循跡。圖6.7 高亮LED循跡模塊5.3 車速及轉彎調試5.3.1 車速調試小車的車速是通過控制輸出給電機的PWM波形的占空比調節的。調試過種中發現由于小車整體結構重心的問題小車車速過快容易偏離白線，為了減少偏差，經過反復測試得到小車在不同路況下理想的占空比如表6.8所示。表6.8 不同路況占空比路況左輪占空比右輪占空比直線55%63%左轉81%78%右轉78%84%T型路口左轉81%78%T型路口

45、右轉78%87%十字路口左轉82%78%十字路口右轉78%87%5.3.2 轉彎調試四輪小車轉彎相比較兩輪車更加復雜，因為在四輪車在轉彎過程中要考慮到車子重心、四個輪子的不同阻力等問題。現有兩種方案：一是左轉彎時左邊車輪不轉，右邊車輪正轉，右轉彎時右邊車輪不轉，左邊車輪正轉；第二種方案是左轉彎時左邊車輪反轉，右邊車輪正轉，右轉彎時右邊車輪反轉，左邊車輪正轉。實際測試發現，第一種方案由于有半邊車輪不轉，電機動力不夠，經常會發生車子轉不過彎甚至原地打滑的情況，相比較而言第二種方案能使小車轉彎時有足夠動力，而且減少與地面摩擦更好完成轉彎。所以最終采用方案二。機器人在賽道正常循跡如下圖：圖6.9 機器

46、人循跡第六章 總結與展望6.1 創新與可取點本課題以第五屆江蘇省大學生機器人大賽為基礎，設計一款光電導引自主式搬運機器人，前期閱讀大量機器人相關資料文獻，了解了機器人發展的相關技術。后期進行了搬運機器人的硬件和軟件設計并最終實現了目標。在具體實施過程中主要完成了以下工作：我根據比賽要求對機器人的整體結構做出規劃設計，包括導航方式，小車驅動方式，電源，微控制器，機械手結構的設計，最終確定小車搭載機械臂的整體方案，設計制作賽道，基于賽道完成測試。在硬件設計方面學習并靈活運用stm32單片機，研究了包括電源，電機驅動等模塊的電路和使用方法，并且將各個模塊搭建融合在一起組成了一個完整的系統，使之能相互

47、配合工作。深入查閱學習機器人循跡各種方式和算法，在比較和總結后，拋棄了傳統的四路、五路循跡，而是采取了一種創新的方式即七路循跡，相比傳統循跡，這種循跡方式更加精確穩定。基于所設計的賽道不斷試跑測試，觀察機器人各種運動態勢并收集數據，修改參數最終達到最穩定的狀態。6.2 不足和改進機器人是一個極其復雜的系統，由于第一次接觸這類搬運機器人，所以在硬件電路設計不盡合理，軟件方面也需優化。主要的不足與日后改進如下：車體面積不大導致各個模塊安裝擁擠雜亂，不僅影響美觀而且重心不穩定影響行駛。若要改進可以選用更大的車體；在測試過程中發現雖然是同型號的電機，但是在性能上還是有微小差異，這就需要不斷調速，但是本

48、設計沒有速度檢測裝置，只能通過差速彌補的方式。若要改進可以安裝測速碼盤或編碼器檢測車速做到閉環控制，使機器人運動更加穩定快速。軟件編寫沒有統一的規劃，看上去比較雜亂，缺乏邏輯性，以后編寫程序可以先設計好思路，按模塊分部編寫再整合。參考文獻1 張明路,丁承君,段萍.移動機器人的研究現狀與趨勢J.河北工業大學學報,2004,33(2):110-1152 張輝. 非完整性移動機器人體系結構設計與軌跡跟蹤控制研究D.湖南:湖南大學,2007:1-73 孟慶春.智能機器人及其發展J.中國海洋大學學報,2004,34(5):831-8384 陳建業.移動機械臂動力學控制與基于視覺的物體抓取D.杭州:杭州電

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53、的感謝那些在生活和學習上給予我幫助的人。首先感謝我的導師王鑫國老師，在制作畢業設計過程中他給予我資金和技術方面的支持，當我遇到問題時他總是耐心指導我，給我的方案提出了很多有益的意見。在寫論文的過程中他也非常負責任的監督我，幫助我修改論文，他淵博的學識和認真嚴謹的工作態度都使我印象深刻。我還要感謝和我一起做畢業設計的同學，當我們發現問題時會互相提醒、請教，正是這種良好積極的學習氛圍使我能更好的完成畢業設計。最后我想感謝我的家人，感謝他們四年來對我的關懷和鼓勵，正是他們的支持讓我能堅持不懈順利完成學業。您好，為你提供優秀的畢業論文參考資料，請您刪除以下內容，O(_)O謝謝！AnationalsurveywasrecentlylaunchedtoevaluatetheeyehealthofChinesechildrenandteenagers.OnJune6,Chinasannua