基于arduino单片机避障小车机器人毕业论文(编辑修改稿)

基于arduino单片机避障小车机器人毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

远来说，希望操作人员只要给出要完成的任务，而机器能自动形成完成该任务的步骤，并自动完成它。 另一方面是，提高智能移动机器人的适应性，提高智能移动机器人适应环境变化的能力，这是就智能移动机器人与环境的关系而言，希望加强它们之间的交互关系。 智能移动机器人涉及到许 多关键技术，这些技术关系到智能移动机器人的智能性的高低。 这些关键技术主要有以下几个方面：多传感信息耦合技术，多传感器信息融合就是指综合来自多个传感器的感知数据 ,以产生更可靠、更准确或更全面的信息，经过融合的多传感器系统能够更加完善、精确地反映检测对象的特性 ,消除信息的不确定性 ,提高信息的可靠性；导航和定位技术，在自主移动机器人导航中，无论是局部实时避障还是全局规划，都需要精确知道机器人或障碍物的当前状态及位置，以完成导航、避障及路径规划等任务；路径规划技术，最优路径规划就是依据某个或某些优化准则，在机器人工 作空间中找到一条从起始状态到目标状态、可以避开障碍物的最优路径；机器人视觉技术，机器人视觉系统的工作包括图像的获取、图像的处理和分析、输出和显示 ,核心任务是特征提取、图像分割和图像辨识；智能控制技术，智能控制方法提高了机器人的速度及精度；人机接口技术，人机接口技术是研究如何使人方便自然地与计算机交流。 在各国的智能移动机器人发展中，美国的智能移动机器人技术在国际上一直处于领先地位，其技术全面、先进，适应性也很强，性能可靠、功能全面、精确度高，其视觉、触觉等人工智能技术已在航天、汽车工业中广泛应用。 日本由于一 系列扶植政策，各类机器人包括智能移动机器人的发展迅速。 欧洲各国在智能移动机器人的研究和应用方面在世界上处于公认的领先地位。 中国起步较晚，而后进入了大力发展的时期，以期以机器人为媒介物推动整个制造业的改变，推动整个高技术产业的壮大 Arduino 智能避障机器人研究意义和目的 机器人的感觉传感器种类非常多，其中视觉传感器成为研制自动行走和驾驶机器人的重要部件。 机器人要实现自动导引功能和避障功能就必须要感知导引线和障碍物，感知导引线相当给机器人一个视觉功能。 本设计以超声波作为 智能车避障的一种重要手段，以其避障实现方便，计算简单，易于做到实时控制，测量精度也能达到实用的要求，在未来汽车智能化进程中必将得到广泛应用。 我国作为一个世界大国，在高科首都师范大学本科毕业设计论文 5 技领域也必须占据一席之地，未来汽车的智能化是汽车产业发展必然的，在这种情况下研究超声波在智能车避障上的应用具有深远意义，这将对我国未来智能汽车的研究在世界高科技领域占据领先地位具有重要作用。 本设计主要体现多功能小车的智能避障功能，本设计中的理论方案、分析方法及特色与创新点等可以为自动运输机器人、采矿勘探机器人、家用自动清洁机器人等自动半自动 机器人的设计与普及有一定的参考意义。 同时小车可以作为玩具的发展对象，为中国玩具市场技术含量的缺乏进行一定的弥补，实现经济收益，形成商业价值。 我们所设计的智能移动机器人利用超声波能够在路面上顺利躲避障碍物，从而在导盲和辅助人类行动方面 也 有着重要意义。 项目主要研究内容 本设计题目为《 基于行为设计的移动机器人设计与实现 》是 以 Arduino 单片机为控制核心， 主要研究小车的避障功能。 利用超声波传感器检测道路上的障碍，然后把数据传送给单片机，当超声波检测到距离小车前方有障碍物时单片机就发出指令让小车左转一定角 度，然后停止运行继续探测 .如果前方没有障碍物就直走，否则继续左转一定角度。 如此通过超声波不断的循环检测周边环境的情况进行自动避障。 该功能的小车能够实现在无人操作的情况下在比较宽阔平坦的环境中避开障碍物。 当机器人在行走过程中遇到前方障碍时 ,能够根据有效范围内的距离作出相应处理 ,由单片机软件发出转弯、直行、后退指令 ,避免机器与障碍物 相撞。 基于行为设计的移动机器人设计与实现 6 第二章 避障小车机器人的总体设计 设计 原理与方法 本设计中 直流电机 PWM 控制系统的主要功能包括实现对直流电机的加速、减速，并且可以调整电机的转速，能够很方便的实现电机的智能控制。 主体电路：即直流电机 PWM 控制模块。 这部分电路主要由 AT89S52 单片机的 I/O 端口、定时计数器、外部中断扩展等控制直流电机的加速、减速以及电机的正转和反转，并且可以调整电机的转速，能够很方便的实现电机的智能控制。 其间是通过 AT89S52 单片机产生脉宽可调的脉冲信号并输入到 L298 驱动芯片来控制直流电机工作的。 该直流电机 PWM 控制系统由以下电路模块组成：设计控制部分：主要由 AT89S52 单片机的外部中断扩展电路组成。 直流电机 PWM 控制实现部分主要由一些二极管、电机和 L298 直流电机驱动模块组成。 智能小车采用后轮驱动，两个后轮各用一个电机 ， 前 轮是万象轮，起 到 支撑和转向 的作用。 硬件设计 本小车的硬件部分分为几个模块：超声波传感器、 Arduino 单片机、电源、两个直流电动机、电机驱动板、车身。 电源连接在 Arduino 单片机上给整个小车供电。 小车以 Arduino 单片机为核心，连接电机驱动板 控制两个直流电动机的运转，从而实现小车的前进。 将超声波传感器安置在车身的最前端，用于探测前方是否有 障碍物。 当超声波传感器遇到障碍物，将反馈提供到单片机里从而做出向左旋转的反应，再次检测前方是否有障碍物，若有障碍物则继续旋转，没有障碍物则电 机驱动器驱动电机前进，从而实现整个小车的避障功能。 硬件框架图如图。 首都师范大学本科毕业设计论文 7 图 硬件 设计 框架 软件设计 Arduino 语言 Arduino 语言具有如下特点： 开放源代码的电路图设计，程序开发接口免费下载，也可依需求自己修改。 使用低价格的微处理控制器 (AVR 系列控制器 )，可以采用 USB 接口供电，不需外接电源，也可以使用外部 9VDC 输入。 Arduino 支持 ISP 在线烧，可以将新的“ bootloader”固件烧入 AVR 芯片。 有了bootloader 之后，可以通过串口或者 USB to Rs232 线更新固件。 可依据官方提供的 Eagle 格式 PCB 和 SCH 电路图简化 Arduino 模组，完成独立运作的微处理控制；可简单地与传感器，各式各样的电子元件连接 (例如：红外线 ,超音波 ,热敏电阻 ,光敏电阻 ,伺服马达 ,„等 ) 支持 多种互动程序，如： Flash、 Max/Msp、 VVVV、 PD、 C、 Processing 等。 应用方面，利用 Arduino，突破以往只能使用鼠标、键盘、 CCD 等输入的装置的互动内容，可以更简单地达成单人或多人游戏互动。 Arduino 的 功能 ： 基于行为设计的移动机器人设计与实现 8 Arduino 可以 让我们 快速使用与 Macromedia Flash, Processing, Max/MSP, Pure Data, SuperCollider 等软件结合，作出互动作品。 Arduino 可以使用现有 的电子元件例如开关或者传感器或者其他控制器件、 LED、步进马达或其他输出装置。 Arduino 也可以独立运行，并与软件进行交互，例如： Macromedia Flash, Processing,Max/MSP, Pure Data,VVVV 或其他互动软件， Arduino 的 IDE 界面基于开放源代码，可以让我们 免费下载使用，开发出更多令人惊艳的互动作品。 Arduino 可使用 ICSP 线上烧入器，将「 bootloader」烧入新的 IC 晶片 ； 可依据官方电路图，简化 Arduino 模组，完成独立运作的微处理控制 ； 可简单地与 传感器，各式各样的电子元件连接（例如：红外线，超声波，热敏电阻，光敏电阻，伺服马达等） ；支援多样的互动程序例如 : Macromedia Flash、 Max/Msp、 VVVV、 PD、 C、 Processing 等 ；使用低价格的微处理控制器 (ATMEGA 8168)； USB 接口，不需外接电源。 另外有提供9V 直流电源输入 ；在 应用方面，利用 Arduino，突破以往只能使用鼠标，键盘， CCD 等输入的装置进行互动内容的设计，可以更简单地达成单人或多人游戏互动。 Arduino IDE 如图 这是运行界面。 Arduino 语言是一种类 c 的语言。 在这个界面里有我们编程时 最常用的东西。 当我们把鼠标放在上面就会在右侧出现按键的功能。 图 Arduino IDE 运行界面 首都师范大学本科毕业设计论文 9 图 就是 upload 上传 功能。 最右边 的 图标 是我们需要熟知的串口监视器，快捷键是 ： Ctrl+Shift+M。 点这个图标有用的前提是插上了串口设备，当然 Arduino 插在USB 上也 可以 ，因为板上的 Atmega16U2 就是 USB 转串口的功能。 图 upload 上传 功能 如图 这就是串口监视器的运行画面相对于网上流传的 众多 串口调试软件， 它的 功能可以说 较为简单。 右下角是波特率 ， 波特率接收端和发射端要相同，要不然收到的 会是乱码。 图 串口监视器 如果电脑没找到串口或者驱动没装好，就会有 如图 的提示。 serial port 的意思是串行通讯接口。 图 Arduino IDE 的菜单栏中有很多选项，例如“文件”“编辑”等英文界面。 其中Sketch 是草图的意思，在 Arduino IDE 中，每个 Arduino 程序都称为 sketch，他是一个基于行为设计的移动机器人设计与实现 10 可以上传进 Arduino Board 中的程序包，当然经过编译以后他就不是代码包了。 Tools里面第一项，自动格式，当你把一段从网上 下载 的源代码放到 sketch 里面， 会有一些缩进的乱码 ，这时， Auto Format 就起到了很好的作用。 当我们编写好程序后，点击 Update， IDE 会自动编译，上传。 如果程序有错误，就会有如图 的显示，标出了行号。 修改程序后就可以继续编译上传了。 图 实验前期准备 搭建小车的零件清单如下： 2 个 2 个 2 个 1 个 *150* 有机玻璃板 2 片 电机驱动板 1 个 328 给力板 1 个 1 个 1 个 1 个 1 个 节 5 号电池盒一个 12 条 米长 USB 线 1 条 35MM 长 3 个 12MM 4 个 首都师范大学本科毕业设计论文 11 螺丝螺母若干 基于行为设计的移动机器人设计与实现 12 第三章 硬件 模块 各模块的的基本性能 单片机模块 本设计采用 Atmel Atmega328 微处理控制器。 其性能为： Digital I/O 数字输入 /输出端共 0~13。 Analog I/O 模拟输入 /输出端共 0~5。 支持 ISP 下载功能。 输入电压：接上电脑 USB 时无须外部供电，外部供电 7V~12V 直流电压输入。 输出电压： 5V 直流电压输出和 直流电压输出。 图 Arduino 单片机实物图 电机、电机驱动模块 本设计 采用由双极性管组成的 H 桥电路（ L298N）。 用单片机控制晶体管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电机转速。 这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，则效率非常高； H 桥电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制，电子开关的速度很快，稳定性也很高。 而且它有更强的驱动能力。 而且 L298N 有过电流保护首都师范大学本科毕业设计论文 13 功能，当出现电机卡死时，可以保护电路和电机。 这种调速方式有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，能承受频繁的负载冲击，还可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转等优点。 因此决定采用使用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。 图 L298N 引脚图 图 L298N 电路原理图 基于行为设计的移动机器人设计与实现 14 图 L298N 实物图 避障模块 本设计采用 HCSR04 超声波测距模块，该原件可提供 2CM400CM 的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到 3mm；模块包括超声波发射器，接收器和控制电路。 基本工作原理： (1)采用 IO 口 TRIG 触发测距，给至少 10us 的高电平信号。 (2)模块自动发送 8 个 40khz 的方波，自动检测是否有信号返回； (3)有信号返回，通过 IO 口ECHO 输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。 测试距离=(高电平时间 *声速 (340M/S))/2。 图 避障模块 实物图 首都师范大学本科毕业设。