摘要智能機器人被人們稱為第三代機器人，是能利用感覺和識別功能做決策行動的機器人。本文以慧魚創(chuàng)意組合模型為平臺，設計出一種智能機器人循跡邊界識別小車。小車利用微動開關檢測邊界，利用光電管進行循跡。小車采用慧魚智能接口板進行控制，用直流電動機驅動。該智能小車的機械結構可以實現反復拆裝，無限組合?？刂栖浖镽OBOPRO，控制機器人完成一系列復雜動作如尋找軌跡沿軌跡行走遇到邊界停止回避邊界繼續(xù)尋找軌跡繼續(xù)沿軌跡行走等。本文首先對小車的總體結構進行分析，確定驅動方案和傳動方案，然后按照模塊化設計方法組裝搭建小車結構，最后對智能小車的循跡和邊界識別的控制系統進行了研究，完成了智能小車硬件設計及軟件設計，成功實現了主動循跡和邊界識別功能。關鍵詞智能機器人慧魚循跡邊界識別TITLETRACKINGANDBOUNDARYIDENTIFICATIONOFTHESMARTCARABSTRACTINTELLIGENTROBOTSAREKNOWNASTHETHIRDGENERATIONROBOT,ITISABLETOUTILIZETOFEELANDIDENTIFYDECISIONMAKINGACTIONINTHISPAPER,THECREATIVECOMBINATIONOFFISCHERTECHNIKMODELASAPLATFORMTODESIGNANINTELLIGENTROBOTCARTRACKINGTOAVOIDTHECLIFFCARUSEMICROSWITCHESTESTTHECLIFFANDUSEPHOTOCELLCELLFORTRACKINGTHECARSADOPTFISCHERTECHNIKINTELLIGENTBOARDWITHTWODCMOTORDRIVETHEINTELLIGENTCARSMECHANICALSTRUCTURECANBEREPEATEDDISASSEMBLY,INFINITECOMBINATIONSCONTROLSYSTEMCANIDENTIFYROBOPROASTHECORESUCHASTHESEARCHINGFORTHETRACK、WALKINGALONGTHETRACKS、STOPPINGTOFACECLIFF、AVOIDINGTHECLIFF、CONTINUINGTOLOOKFORTHETRACKANDCONTINUINGTOWALKALONGTHETRACKINTHISPAPER,THEFIRSTANALYSISTHEOVERALLSTRUCTUREOFTHECARTODETERMINETHEDRIVERPROGRAMANDDRIVEPROGRAM,ESTABLISHTHECARINACCORDANCEWITHTHEMETHODOFMODULARDESIGNSTRUCTUREANDFINALLYRESEARCHTHECARCONTROLSYSTEMINTHISPAPER,STUDYTHESMARTCARTRACKINGANDAVOIDINGTHECLIFF,COMPLETEDTHESMARTCARHARDWAREPRODUCTIONANDSOFTWAREDESIGN,ANDSUCCESSFULLYIMPLEMENTEDTHEFUNCTIONOFTRACKINGANDAVOIDINGTHECLIFFKEYWORDSROBOTFISCHERTECHNIKTOURLINEBOUNDARYIDENTIFICATION目錄摘要IABSTRACTII第1章緒論111選題背景及意義112國內外機器人的發(fā)展現狀213慧魚機器人的前景3第2章智能小車的總體設計521智能小車實現功能5211邊界識別功能6212循跡功能6213循跡加邊界識別功能622小車驅動方案的對比分析及選擇623智能小車傳動方案的對比分析及選擇724小車控制系統的總體設計725循跡邊界識別小車總體設計簡圖826本章小結9第3章智能循線避障機器人結構設計1031硬件設計1032硬件的選擇1033智能車本體結構13331機器人各部分設計13332機器人硬件安裝1434小結15第4章智能小車的軟件設計1641軟件設計實現要求1642控制程序模塊化1643主程序1744邊界識別子程序17邊界返回方法的最優(yōu)化1845尋找軌跡子程序1946進、后退、停止、左右轉子程序2047沿軌跡行走子程序2048LLWIN30控制系統的調試21481調試前的準備工作21482程序調試22483運行結果2249小結22結論23致謝24參考文獻25第1章緒論11選題背景及意義“慧魚創(chuàng)意組合模型”又稱“工程積木”，“智慧魔方”，簡稱“慧魚”。它是由德國發(fā)明家ARTURFISHER博士于1964年發(fā)明的。它具有一般機械所具有的零部件，如齒輪、電機、電氣開關等，通過聲、光、電和輔助技術的配合，能夠模擬各種機械運動和機械設備的自動控制，而且有比較真實的功能1?；埕~創(chuàng)意組合模型是對各種工業(yè)機器人的模型，通過對模型的仿真來實現機器人的設計工作。機器人技術是綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多門學科而形成的高新技術。國際標準化組織（ISO）對機器人的定義機器人是一種自動的、位置可控的、具有編程能力的多功能操作機，這種操作機具有幾個軸，能夠借助可編程操作來處理各種材料、零件、工具和專用裝置，以執(zhí)行各種任務2。工業(yè)機器人是機器人的主要研究類型，它并不是簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力。從某種意義上來說，機器人是機器進化過程的產物，是工業(yè)以及非產業(yè)界的重要生產和服務性設備，也是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備。工業(yè)機器人由機械本體、控制器、伺服驅動系統和檢測傳感裝置構成，是一種仿人操作、自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動設備，適合于多品種、變批量的柔性生產。它對穩(wěn)定和提高產品質量，提高生產效率，改善勞動條件和產品的快速更新換代起著重要的作用。從20世紀80年代以來，機器人技術的不斷進步，其在各個領域的應用日益廣泛，引起了各國專家學者的普遍關注。許多發(fā)達國家均把機器人技術的開發(fā)和研究列入國家高新技術發(fā)展計劃。世界各國普遍在高等院校為大學本科生及研究生開設機器人技術的有關課程。為了培養(yǎng)機器人開發(fā)、設計、生產、維護方面的人才，我國很多高校也為本科生和研究生開設了機器人學課程。因此，教學型機器人越來越受到科研單位以及高校的重視。教育機器人是一類應用于教育領域的機器人，它一般具備以下特點首先是教學適用性，符合教學使用的相關需求；其次是具有良好的性能價格比，特定的教學用戶群決定了其價位不能過高；再次就是它的開放性和可擴展性，可以根據需要方便地增、減功能模塊，進行自主創(chuàng)新；此外它還應當有友好的人機交互界面3。目前國內的教育機器人產品近20種，包括上海廣茂達公司生產的能力風暴智能機器人、西覓亞科技生產的樂高機器人、慧魚公司生產的慧魚機器人等。12國內外機器人的發(fā)展現狀機器人從20世紀50年代誕生以來，在短短的50多年里得到了迅速的發(fā)展，經歷了第一代工業(yè)機器人的研究、實用化和普及，第二代感知功能機器人的研究、實用化，以及第三代智能機器人的研究等各個階段。第三代機器人，也是我們機器人學中一個理想的所追求的最高級的階段，叫智能機器人，那么只要告訴它做什么，不用告訴它怎么去做，它就能完成任務。知思維和人機通訊的這種功能和機能，目前的發(fā)展還是相對的只是在局部有這種智能的概念和含義，但真正完整意義的這種智能機器人實際上并沒有存在，而只是隨著我們科學技術的不斷發(fā)展，智能的概念越來越豐富，它內涵越來越寬泛4。1954年，美國的GEORGEDEVOL首先把遠程控制器的桿結構與數控銑床的伺服軸結合起來，研制出了第一臺通用機械手。這種機械手可以通過讓其沿一系列點運動，將運動位置以數字形式存儲起來，動作執(zhí)行時，使伺服系統驅動機械手各關節(jié)軸來再現這些位置，從而讓機械手完成一些簡單的工作。正是由于這個機械手具有了編程示教再現功能，因此許多人把它作為現代工業(yè)機器人產生的標志5。在隨后的生產應用中，為了適應各種不同用途需要，相繼出現了直角坐標、關節(jié)坐標、極坐標等許多種不同結構的機器人。與第一代示教再現型機器人不同，第二代機器人是具有感覺功能的適應控制機器人。這種機器人帶有傳感器，能感知環(huán)境和對象的情況以控制自身動作的變化。智能機器人的研究是一個艱巨而又廣泛的問題，隨著研究的不斷深入，相關科學的飛速發(fā)展，智能機器人在不久的將來一定會出現。據UNECE聯合國歐洲經濟委員會和IFR國際機器人聯合會統計，從20世紀70年代起，世界機器人產業(yè)一直保持著穩(wěn)步增長的良好勢頭。進入90年代，機器人產品發(fā)展速度加快，年銷售量增長率平均在10左右；2004年增長率達到了創(chuàng)記錄的20，其中，亞洲機器人增長幅度最為突出，增長4368。我國的機器人研究開發(fā)工作始于上世紀70年代初，到現在已經歷了30多年的歷程。前10年處于研究單位自行開展研究工作狀態(tài)，發(fā)展比較緩慢。1985年后開始列入國家有關計劃，發(fā)展比較快。特別是在“七五”、“八五”、“九五”機器人技術國家攻關和“863”高技術發(fā)展計劃的重點支持下，我國的機器人技術取得了重大發(fā)展。在機器人基礎技術方面諸如機器人機構的運動學、動力學分析與綜合研究，機器人運動的控制算法及機器人編程語言的研究，機器人內外部傳感器的研究與開發(fā)，具有多傳感器控制系統的研究，離線編程技術、遙控機器人的控制技術等均取得長足進展，并在實際工作中得到應用。在機器人操作機研制方面已開發(fā)出一些先進的操作機和特種機器人，如自動導引車AGV，壁面爬行機器人，重復定位精度為0024MM的裝配機器人；可潛入海底6000M的水下機器人，移動遙控機器人，主從操作機器人等，有些已達實用化水平并用于實際工程。在機器人的應用工程方面目前國內已建立了多條弧焊機器人生產線，裝配機器人生產線，噴涂生產線和焊裝生產線。國內的機器人技術研發(fā)力量已經具備了大型機器人工程設計和實施的能力，整體性能已達到國際同類產品的先進水平，而整體價格僅為國外同類產品的三分之二甚至一半，具有很好的性能價格比和市場競爭力911。綜上所述，我國機器人發(fā)展已跨過了起步階段，走上了進步和發(fā)展的道路。今后的任務是把機器人技術推廣到更多的工業(yè)自動化生產領域和其他更廣泛的應用領域，大力開展跨國區(qū)域交流合作，與國際接軌，早日躋身于世界先進行列。目前我們國家比較有代表性的研究有工業(yè)機器人，水下機器人，空間機器人，核工業(yè)的機器人，都在國際上處于領先水平，總體上我們國家與發(fā)達國家相比，還存在著很大的差距，但是在上述這些水下、空間、核工業(yè)，一些特殊機器人方面，我們還是取得了很多有特色的研究成就12。隨著電子技術和計算機技術的發(fā)生，PLC的功能越來越強大，其概念和內涵也不斷擴展。上世紀80年代至90年代中期，是PLC發(fā)展最快的時期，年增長率一直保持為304013。在這時期，PLC在處理模擬量能力、數字運算能力、人機接口能力和網絡能力得到大幅度提高，PLC逐漸進入過程控制領域，在某些應用上取代了在過程控制領域處于統治地位的DCS系統14。近年，工業(yè)計算機技術（IPC）和現場總線技術（FCS）發(fā)展迅速，擠占了一部分PLC市場，PLC增長速度出現漸緩的趨勢，但其在工業(yè)自動化控制特別是順序控制中的地位，在可預見的將來，是無法取代的15。13慧魚機器人的前景慧魚創(chuàng)意組合模型主要提供組合包、培訓模型、工業(yè)模型三大系列。集能源（包括太陽能）、機械、液壓、氣動、遙控、自控、程控等多種學科知識于一身，利用工業(yè)標準的基本構件（機械元件、電氣元件、氣動元件），輔以傳感器、控制器、執(zhí)行器和軟件的配合，運用設計構思和實踐分析，可以實現任何技術過程的還原，更可以實現工業(yè)生產和大型機械設備操作的模擬，從而為實驗教學、科研創(chuàng)新和生產流水線可行性論證提供了可能16?！盎埕~理想教具”作為廣大用戶和各方面的創(chuàng)新教育專家所給予慧魚模型的評價和期許，慧魚模型就是利用“六面可拼接體”這種開放的零件，來構建或者模擬現實發(fā)揮你的創(chuàng)意，來完成機電一體化的工業(yè)設計為主的模型組建?；埕~創(chuàng)意組合模型已在歐洲和美洲的各大、中專學校廣泛應用。它進入中國市場以來，也在清華大學、同濟大學、浙江大學等眾多高校中日益廣泛應用，它以濃厚的趣味性、創(chuàng)新性和教學過程中的啟發(fā)性，使學生能夠很直觀地把抽象復雜的理論通過模型運動及其控制得以實現。采用該模型進行試驗教學能夠培養(yǎng)和提高學生的學習熱情，大大激發(fā)了學生的創(chuàng)新意識，提高了動手能力，較好的解決學生在學習過程中書本知識與實踐脫節(jié)的問題，對于學生理解機械運動及機械設備工業(yè)控制具有很大的益處，是很好的機電一體化教學模型。相信慧魚會成為中國創(chuàng)新教育的理想教具17。第2章智能小車的總體設計本課題所研究的循跡邊界識別智能小車系統是一個典型的機電一體化系統。所謂的機電一化系統是指在系統的主功能、信息處理功能和控制功能等方面引了電子技術，并把機械裝置、執(zhí)行部件、計算機等電子設備以及軟件等有機結合構成的系統，即機械、執(zhí)行、信息處理、接口和軟件等部分在電子技術的支配下以系統的觀點進行組合而形成的一種新型機械系統。機電一體化系統由機械部分、傳感部分、控制部分三大部分組成。這三大部分可分為驅動系統、機械結構系統、感受系統、智能小車環(huán)境交互系統、人機交互系統、控制系統六個子系統。該智能小車的設計就是依據機電體一化系統的組成原則進行的?？刂葡到y驅動系統機械結構系統感受系統圖21循跡邊界識別小車的系統組成21智能小車實現功能本課題所研究的智能小車按功能可分為循跡功能和邊界識別功能。循跡功能可細分為尋找軌跡和循跡前進，邊界識別功能可細分為邊界識別和邊界返回。智能小車主要任務要求為先尋找軌跡沿軌跡行走遇到邊界停止回避邊界繼續(xù)尋找軌跡繼續(xù)沿軌跡行走。本課題難點在于循跡功能和邊界識別功能的有機結合。智能小車實現功能分類如圖22。智能小車實現功能分類循跡功能邊界識別功能邊界分類邊界返回循跡前進尋找軌跡圖22智能小車實現功能分類211邊界識別功能小車能自動識別邊界及越過邊界繼續(xù)前進，完成一系列復雜動作如邊界識別小車后退指定方向旋轉小車前進。212循跡功能小車能主動跟蹤循跡，完成一系列復雜動作如尋找軌跡沿軌跡前進判斷是否偏離軌跡有偏離軌跡相應方向旋轉繼續(xù)前進。213循跡加邊界識別功能小車能同時完成循跡跟蹤和邊界識別，完成一系列復雜動作如尋找軌跡沿軌跡行走遇到邊界停止小車后退指定方向旋轉小車前進繼續(xù)尋找軌跡繼續(xù)沿軌跡行走。22小車驅動方案的對比分析及選擇通常，小車的驅動方式有以下幾類（1）氣壓驅動使用壓力通常在0406MPA，最高可達1MPA。氣壓驅動主要優(yōu)點是氣源方便（一般工廠都由壓縮空氣站供應壓縮空氣），驅動系統具有緩沖作用，結構簡單，成本低；缺點是功率質量比小，裝置體積大，氣源裝置存在噪聲問題，定位精度也不高。（2）液壓驅動系統的功率質量比大，驅動平穩(wěn)，同時液壓驅動調速比較簡單，能在很大范圍內實現無級調速；缺點是易漏油，這不僅影響工作穩(wěn)定性和定位精度，而且污染環(huán)境。液壓驅動多用于要求輸出力較大，運動速度較低的場合21。（3）電氣驅動是利用各種電機產生的力或轉矩，直接或經過減速機構去驅動負載，以獲得要求的小車運動。由于具有易于控制、運動精度高、使用方便、成本低廉、驅動效率高、不污染環(huán)境等諸多優(yōu)點，電氣驅動是最普遍，應用最多的驅動方式。綜合考慮各種驅動方式的優(yōu)缺點，最后采用電氣驅動。電動機根據輸出形式分，可以分為旋轉型和直線型。電動機在智能小車中應用時，應主要關注電動機的如下基本性能能實現啟動、停止、連續(xù)的正反轉運行，且具有良好的響應特性；正轉與反轉時的特性相同，且運行特性穩(wěn)定；維護容易，而且不用保養(yǎng)；具有良好的抗干擾能力，且相對于輸出來說，體積小，重量輕。在小車中，采用比較多的是直流電動機。因為它可以達到很大的力矩，精度高，加速迅速，可靠性高，在正反兩個方向連續(xù)旋轉運動平滑。因此，小車的前進、和后退及轉彎都采用直流電動機。23智能小車傳動方案的對比分析及選擇傳動裝置的作用是將驅動元件的動力傳遞給智能小車的執(zhí)行部件，以實現各種預定的運動。目前常用的傳動方式有皮帶輪傳動、蝸輪蝸桿傳動、齒輪傳動、諧波減速傳動以及螺旋傳動等。諧波齒輪傳動具有體積小、結構緊湊、效率高、能獲得大的傳動比等優(yōu)點，但存在扭轉剛度較低且傳動比不能太小的缺點。蝸輪蝸桿機構常用于要求有大的傳動比且傳動過程中要求機構自鎖的場合，這種方式安全性能高，但同樣存在齒側間隙，而且效率較低。皮帶輪傳動可以實現過載保護，可是存在彈性滑動，和鏈傳動一樣使用一段時間后易松弛，傳動運轉過程中還產生動載荷，因此常用于傳動精度要求不高的場合。螺旋傳動是將回轉運動變換為直線運動的重要傳動方式，有滑動螺旋傳動和滾動螺旋傳動。滑動螺旋傳動是連續(xù)的面接觸，傳動中不會產生沖擊，傳動平穩(wěn)、無噪聲、能夠自鎖，且螺旋升角較小但螺紋工藝性較差強度較低。滾動螺旋傳動的效率一般在90以上，它不自鎖，具有傳動的可逆性。但其結構復雜，制造精度要求高，成本高，抗沖擊性能差等原因不予考慮。齒輪傳動具有結構緊湊、效率高的優(yōu)點，適用于中等減速比傳動。經過考慮直接使用齒輪傳動比較合適。小車精度要求不是很高，在滿足性能要求的基礎上應考慮到經濟性要求。因此，小車傳動選用齒輪傳動，由兩個9V24瓦大功率馬達帶動如圖23所示。電機車輪圖23小車驅動與傳動方案簡圖24小車控制系統的總體設計采用LLWIN30軟件進行控制系統設計時，可以一邊做硬件電路，一邊編制控制程序，做好后再與設備聯機調試，可以縮短工期，可靠性高?？刂葡到y的應用設計一般應按照圖24的幾個步驟進行系統規(guī)劃設計階段是應用系統設計的關鍵階段，應詳細了解被控對象的全部功能，例如機械部件的動作順序、動作條件、動作完成時間，響應時間及如何同時實現循跡和邊界識別功能等。課題的難點在于如何使循跡與邊界識別之間不發(fā)生沖突。系統規(guī)劃硬件設計軟件設計在線模擬測試調整硬件調整軟件現場運行并調試NN是否符合要求Y圖24小車控制系統整體設計25循跡邊界識別小車總體設計簡圖按照任務要求，小車需要具有循跡和邊界識別兩個功能。邊界識別功能要I5I6探測腿I4I3車輪萬向輪電機M1、M2循跡裝置I7、I8、M3接觸開關I1圖25循跡邊界識別小車總體設計簡圖求小車的四個方向都能識別并避開邊界，所以小車的四個角都應裝有邊界識別裝置，即探測腿。循跡功能則要求小車能夠先找到軌跡，再沿著該軌跡行走。因此軌跡探測裝置裝在小車的頭部正下方。循跡邊界識別小車總體設計如圖25所示。26本章小結本章根據智能小車的任務要求，從智能小車本體結構和控制方法對比分析入手，初步確定智能小車的運動形式、驅動方案、傳動方案和控制方案，并設計出小車的總設計簡圖。第3章智能循線避障機器人結構設計機器人要實現自動導引功能和避障功能就必須要感知導引線和障礙物，而感知導引線相當于給機器人一個視覺功能。智能循線和避障是基于智能導引小車系統，采用超聲波距離傳感器傳感器判斷并檢測障礙物，采用軌跡傳感器進行尋線。因此本章對智能小車的循線和避障進行了研究。31硬件設計智能車采用履帶驅動，前后各用一個直流雙向電機驅動，調制兩個輪子的轉速從而達到控制轉向的目的。將軌跡傳感器裝在車體前部的下方，當傳感器I3檢測到黑線的邊界時，控制系統控制左輪電機減速，車向右修正，當車的右邊傳感器I4檢測到黑線時，控制系統控制右輪電機減速，車向左修正，黑線在車體的中間時，傳感器一直檢測到黑線，當偏離黑線時就開始修正，從而使小車沿著黑色的軌道行走。避障的原理和循線一樣，在車頭的前方裝了超聲波距離傳感器，當傳感器檢測到障礙物時，智能車停止1S之后后退，經脈沖計數器設定的額定數值之后車體向左轉，再通過脈沖計數器設定數值，到達數值之后繼續(xù)前進，依次循環(huán)從而避開障礙物。32硬件的選擇和數字量輸入返回1和0值不同，模擬量輸入可以分辨連續(xù)的輸入，所有的模擬量輸入返回一個01023之間的值。而ROBO接口板有各種不同的模擬量輸入接口來測量不同的物理量。具體來說，模擬量輸入可以適應用來測量電阻，測量電壓和測量距離的不同的傳感器如表31所示。通常的慧魚傳感器中，溫度傳感器和光電傳感器將被測量裝換成電阻值。所以必須將這些傳感器接到AX和AY輸入端。電壓輸入端A1和A2設計用來連接所有產生0到10V電壓的傳感器。在ROBO接口板上沒有針對AV輸入端的端口。它通常和接口板的電源電壓相關聯。距離傳感器輸入端D1和D2可以接到慧魚特殊傳感器，可以測量障礙物的距離。表31模擬量輸入輸入端輸入類型測量范圍A1,A2電壓輸入01023VAX,AY電阻輸入055KD1,D2距離傳感器輸入CA050CMAV電源電壓010V321超聲波距離傳感器機器人避障的關鍵問題之一是在運動過程中如何利用傳感器對環(huán)境的感知。任何類型的傳感器都有各自的優(yōu)點和不足選用時需要仔細考慮各種因素。在機器人運動規(guī)劃過程中傳感器主要為系統提供兩種信息機器人附近障礙物的存在信息；障礙物與機器人之間的距離。超聲波距離傳感器是靠發(fā)射某種頻率的聲波信號，利用物體界面上超聲反射，散射檢測物體的存在與否，如圖32所示。超聲波在空氣中傳播時如果遇到其它媒介，則因兩種媒質的聲阻抗不同而產生反射。因此，向空氣中的被測物體發(fā)射超聲波，檢測反射波并進行分析，從而獲到障礙物的信息。超聲波使由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產生的，它具有頻率高、波長短、繞射現象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。超聲波對液體、固體的穿透本領很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質或分界面會產生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產生多普勒效應超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多作探測作用。322軌跡傳感器如圖33，軌跡傳感器可以尋找到白色表面的黑色軌道。傳感器檢測表面應為5MM30MM，它包含兩個發(fā)射和兩個接收裝置，連接該傳感器需要有兩個數字量輸入端和9V電源端。軌跡傳感器中的光敏二極管的外型與一般二極管一樣，只是它的管殼上開有一個嵌著玻璃的窗口，以便于光線射入，為增加受光面積，PN結的面積做得較大,光敏二極管工作在反向偏置的工作狀態(tài)下，并與負載電阻相串聯，當無光照時它與普通二極管一樣，反向電流很小,稱為光敏二極管的暗電流；當有光照時，載流子被激發(fā)，產生電子空穴，稱為光電載流子。在外電場的作用下，光電載流子參于導電，形成比暗電流大得多的反向電流，該反向電流稱為光電流。光電流的大小與光照強度成正比，于是在負載電阻上就能得到隨光照強度變化而變化的電信號。圖32超聲波距離傳感器圖33軌跡傳感器323接觸式傳感器按鍵開關式（接觸式）傳感器是數字傳感器的一種。數據僅能設定為兩個不同的值，分別用0和1來表示。如圖34所示，傳感器顯示“0”，表示在接觸點之間沒有電流通過；“1”則意味著有電流通過。慧魚模型中的接觸傳感器是一個三向開關式的。因此，就有三個端點。紅色按鈕按下，1和3端點接通，同時常閉狀態(tài)下的1和2端點之間的連接斷開。這樣起始位置就可以任意選擇常閉狀態(tài)（端點1、2接通）；常開狀態(tài)（端點1、3接通）。如果接口板上輸入端口電氣上是閉合的，則數字量的橙色連接上會返回一個數值“1”，否則會返回一個數值“0”。324大功率馬達兩個大功率直流電機（9V，24W），內置齒輪箱，以501減速比驅動移動機器人（即馬達旋轉50轉的同時，其輸出軸只旋轉一次）。一個馬達輸出通常使用兩個接口板接口，而燈輸出只用一個接口。接口板的輸出可以是馬達，也可以是燈或者電磁鐵。對于馬達，可以設置它的轉向和速度。馬達輸出模塊可以用表35中的指令來處理表32馬達指令指令值動作向右18馬達以速度1到8順時針旋轉向左18馬達以速度1到8逆時針旋轉停止NONE馬達停止33智能車本體結構圖36是本次設計機器人的電路框圖。其中智能接口板為電路的中央處理器，處理超聲波傳感器和軌跡傳感器采集來的數據，處理完畢之后隨即去控制圖34接觸式傳感器及其原理圖電機驅動部分來驅動電機。其中電源部分為9V直流電源，為整個電路模塊提供電源，以便能正常工作。331機器人各部分設計1行走部分由于設計的是避障機器人，因此機器人運行的路面情況會很復雜，采用履帶式行走結構,如圖36所示。這種移動方式支撐面積大、接地比壓小，同時由于履帶支撐面上有履齒，不易打滑，牽引附著性好。機器人兩側的履帶分別由一個帶有齒輪的直流電動機驅動。功率24W、額定轉速為400R/MIN。2避障部分由于慧魚創(chuàng)意組合模型中自帶有超聲波距離傳感器，因此將超聲波距離傳感器固定在機器人的正前方，用于機器人避障。距離傳感器反映機器人與障礙物的距離大小，測量距離約為4M，相應的檢測數值以CM在程序檢測界面顯示。將其直接連到智能接口板的D1或D2端即可。3循線部分機器人循線的功能由軌跡傳感器進行控制，可以找到白色表面的黑色軌道。傳感器檢測表面應為5MM30MM，它包含兩個發(fā)射和兩個接收裝置，連接這個傳感器需要兩個數字量輸入端和9V電源端。ROBO智能接口板電機驅動超聲波傳感器軌跡傳感器電源圖35智能避障循線機器人電路圖332機器人硬件安裝首先，通過慧魚創(chuàng)意組合模型包中的機械構架將智能小車的基本模型的框架搭建起來，然后將驅動裝置（2個9V雙向直流電動機）放置在框架內并固定起來。再將電氣元件脈沖計數器固定在基本模型內。設定電動機M1、M2以及脈沖計數器I1、I2。并預先將導線連接在電動機和數字傳感裝置上，以防以后安裝不便。結構設計時已經考慮到傳感器的安裝問題首先將軌跡傳感器安裝在智能車車頭位置的正下方，使軌跡傳感器距離與被搜尋位置的距離減小，提高反映效率。其次將超聲波距離傳感器裝在車的正前方，以便能探測到智能車行駛前方的障礙并順利避障。最后將兩個指示燈安裝在車前方的左右兩端，當軌跡傳感器搜尋到軌跡時燈M3綠燈亮，當智能車遇到障礙時燈M4（紅燈）亮。這樣可以保證兩個傳感器不會發(fā)生沖突，使整體顯得協調。最后將智能接口板固定在智能車的基本模型上，用導線將各部分器件連接到接口板的各插槽中。如圖37所示的示意圖進行接口連接1超聲波距離傳感器的導線兩端分別插在智能接口板的D1位置的兩端口2脈沖計數器I1和I2的導線兩端分別接在智能接口板對應的I1、I2位置；3軌跡傳感器的綠色和紅色導線的兩端分別插在智能接口板的接地和極輸入端，將藍色和黃色導線的兩端分別接在智能接口板的I3、I4位置；4直流電動機M1、M2導線接在智能接口板對應的M1、M2端口；5將燈輸出M3（綠燈）接在接口板的M3位置，燈輸出M4（紅燈）接在M4位置；圖36智能車行走部分設計6用USB接線將智能接口板連接在電腦上。注意事項1、裝配時要確保構件到位、不滑動；2、電子構件裝配時要注意電子構件的正負極性，接線穩(wěn)定可靠沒有松動；3、整個模型完成后要考慮模型的美觀，整理布線要規(guī)范。34小結本章按照模塊化的設計方法，將機器人本體結構分為行走部分、避障部分和循線部分，并分別對這三部分進行了規(guī)劃設計，并選擇關鍵的電氣元件。同時使用慧魚創(chuàng)意組合模型對各個部分結構進行組裝，完成機器人的機械結構設計。超聲波傳感器D1脈沖計數器I1脈沖計數器I2軌跡傳感器I3軌跡傳感器I4直流電動機M1直流電動機M2綠色燈管M3紅色燈管M4擴展板接口USB接線口電源輸入智能接口板接地線端口圖37接線示意圖第4章智能小車的軟件設計智能小車控制系統由軟件和硬件兩大部分組成，只有硬件系統是不能運行的，軟件和硬件相互配合才能完成任務。在進行控制系統設計時，除了系統硬件設計外，大量的工作就是如何根據每個生產對象的實際需要設計應用程序。因此，軟件設計在小車的控制系統設計中占重要地位。對于本系統，軟件更為重要。在智能小車控制系統中，控制系統軟件可采用慧魚自帶的LLWIN30控制軟件?？刂瞥绦蛞约傲鞒虉D和數字流程圖可以生成圖形化的用戶界面，簡單方便實用。41軟件設計實現要求按照任務要求，小車完成一系列復雜動作如尋找軌跡沿軌跡行走遇到邊界小車停止小車后退指定方向旋轉小車前進繼續(xù)尋找軌跡繼續(xù)沿軌跡行走。42控制程序模塊化軟件設計的程序大體可分為循跡和邊界識別兩大部分。本系統軟件采用模塊化結構，由主程序尋找軌跡子程序、沿軌跡行走子程序邊界識別子程序邊界返回子程序和其他子程序構成。各模塊如圖41所示劃分。主程序循跡邊界識別前進后退左轉右轉停止尋找軌跡邊界分類邊界返回沿軌跡行走圖41小車程序模塊化43主程序主程序開始，燈M3導通，并延時1S，然后判斷數據A是否為0（A為I3、I4、I5、I6的邏輯與關系），為0則進入循跡子程序；為1則進入循跡子程序。程序中，延時1S是因為小車在啟動時，光電管初始狀態(tài)為0，而尋找到黑線的標記也為0，程序無法正常運行，延時1S后光電管初始狀態(tài)變?yōu)?，程序正常運行。圖42循跡邊界識別小車主程序44邊界識別子程序程序中FR為右前，FL為左前，BR為右后，BL左后，ML及MR為左右兩個電機。子程序“邊界識別”把小車可能遇到的邊界情況分成16種，并以數字形式記入VALUE中。子程序“返回”根據VALUE中所記的數字，選擇最好的方法避開邊界。程序循環(huán)運行直到數據A0，如圖43圖43邊界識別子程序邊界返回方法的最優(yōu)化按照任務要求，小車需要識別和回避所有的邊界，因此需要將所有邊界情況分成16種，并對每種邊界進行回避,如表41所示。這樣小車可以避免做重復而不必要的動作，提高小車的性能。表41小車可能遇到的所有邊界情況及反應序號右前方I3左前方I4右后方I5左后方I6小車反應0向前直行1停止2向右旋轉少許3向左旋轉少許4向左旋轉少許5向右旋轉少許6先后退，再右轉7向左旋轉少許8向左旋轉少許9向右旋轉少許10向右旋轉少許11向右旋轉少許12先后退，再向左轉13先后退，再向右轉14前進少許15前進少許小車按可能遇到的所有邊界情況（2416）種設計成一個表格。如表41。其中表示探測腿由于遇到邊界時伸出，即該限位開關I0。如果格內為空，則表示該位置探測腿沒有遇到邊界，該限位開關處于導通，即I1。例如表41中，序號0，I3I4I5I61,為小車四條探測腿都沒遇到邊界，處于平穩(wěn)狀態(tài)，即小車反應為“向前直行”。小車I3I4I5I60時，小車的反應動作為停止，即小車被抬起時停止。45尋找軌跡子程序程序中光電管I7裝在小車頭部的左側，I8在右側，I1為裝在小車右側用于脈沖記數的接觸試傳感器。程序中先往左轉并循環(huán)記數5次，直到I70或5次后再前進5次，直到I78或者I80或者I7I80時子程序完成返回主程序，否則繼續(xù)尋找軌跡。尋找軌跡程序如圖44。圖44尋找軌跡程序46進、后退、停止、左右轉子程序其他程序如前進、后退、左轉等，程序簡單且格式相似，這里就不于累述。右轉子程序，如圖45。47沿軌跡行走子程序沿軌跡行走子程序中，程序首先進入尋找軌跡子程序，尋找到軌跡后，判斷數據A是否0，如果為0，程序直接退出并進入邊界識別子程序，如果不為0，程序繼續(xù)運行。接著程序判圖45小車右轉子程序斷I7是否0，如果為0，程序繼續(xù)判斷I8是否0，再根據I7和I8的值決定左轉還是右轉，如果I7I81，則程序進入尋找軌跡子程序。沿軌跡行走子程序如圖46。圖46沿軌跡行走程序48LLWIN30控制系統的調試481調試前的準備工作外部連線的檢查包括對輸入輸出信號的接線的正確性檢查，對地的絕緣檢查，屏蔽接線檢查等；供電系統的檢查包括對接口板的供電電源接線的檢查和電壓檢查、外部供電電的檢查等；檢測元件和開關的運行檢查檢測元件和開關是接口板輸入信號的來源，要對檢測元件、開關、按鈕等信號在運行后的響應進行檢查，了解它們的狀態(tài)是否有相應的變化等。482程序調試輸入信號調試輸入信號調試前，對信號的供電應再一次進行檢查，防止因供電電壓不符造成元件的損壞。對接口板的各個開關量輸入點，用手動的方法使這些輸入點分別動作，觀察相應的信號燈是否點亮（還可同時用編程軟件在線監(jiān)視），如果信號燈不亮，則應檢查外部的線路和接線是否良好和正確。輸出信號調試檢查相應的輸出信號燈是否點亮或熄滅。此外，應對相應的輸出設備狀態(tài)進行檢查，如果某一輸出設備不動作，則應檢查輸出模塊、相應的輸出設備和外部接線?？傉{試和運行調試小車控制系統的總調試應在電機不供電的情況下進行。根據程序模擬仿真，檢查程序是否按照控制的要求進行動作，相應的輸出信號是否存在，延時的時間是否正確，直到整個程序正確運行。然后，按設計要求進行運行調試，直到滿足要求為止。483運行結果通過調試后，系統通電運行，結果表明控制系統各部分接線無誤，供電電源穩(wěn)定無異常。小車能夠在轉換開關的作用下，執(zhí)行相應的程序，順序的完成動作。輸出信號對于輸入信號反應靈敏。盡管限位開關在系統中被多次碰觸，位置稍微有所變化，但是不影響小車的動作，輸入信號良好。49小結本章在控制系統硬件設計的基礎上，完成了控制系統的軟件設計。首先，根據智能小車的動作要求，確定使用各種小模塊進行控制；然后利用LLWIN30編程軟件繪制了自動程序的流程圖。結論論文以慧魚創(chuàng)意組合模型為平臺，運用慧魚機械構件和電氣元件設計并拼裝了智能避障循線機器人，并通過LLWIN30軟件完成了對機器人的控制。論文設計采用超聲波距離傳感器判斷并檢測障礙物、通過軌跡傳感器進行循線，并對智能機器人的循線、避障功能進行了研究，完成了智能機器人硬件制作及軟件設計，成功實現了自動循線避障功能。論文主要完成了以下工作1機器人的總體設計確定機器人的任務要求，根據任務初步確定了機器人的機械結構、運動形式、驅動方案和控制方案等。2機器人機械結構設計按照模塊化的設計方法，將機器人分為基本模型、驅動部分和傳感部分三個模塊。并分別對各個結構的關鍵部件進行設計并校核，并安裝慧魚傳感器（超聲波距離傳感器、軌跡傳感器），驗證方案的可行性。3計算機控制系統的設計運用LLWIN30軟件的編程方法編制了智能車運行的各個子程序并聯接成控制智能車運行的主程序，使智能車運行并能實現所設計的功能。總體來說，整個智能車系統的構建滿足了設計的需求。但是由于時間和其他客觀條件的限制，仍存在一些不足。主要有以下幾個方面1傳感器的選型和數量比較單一，可以增加同種或者其他種類的傳感器來擴展智能機器人的功能，提高機器人避障和循線的反應速度和精度，真正實現智能車的智能化；2應用LLWIN30軟件所編出的程序還比較簡單，可以學習和使用更高級別的編輯模塊編輯程序，以便能夠更好的對小車的運動狀態(tài)進行監(jiān)控和管理；3智能車的驅動系統反應不是非常靈敏，履帶與紙面之間的摩擦力不夠大導致電動機不能帶動整個智能車迅速移動，可以加大履帶的摩擦力，使智能車的運動不受阻礙