1、畢業(yè)設(shè)計單驅(qū)動 AGVW能機器人控制系統(tǒng)設(shè)計開題報告北京XX大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告題目：基于單片機控制的搬運機器人設(shè)計專業(yè)： 電子信息工程指導(dǎo)教師：學(xué)院： 學(xué)號：班級：姓名：一、課題任務(wù)與目的本課題是設(shè)計并制作一臺基于單片機控制的搬運機器人。該機器人能在規(guī)定區(qū)域內(nèi)沿尋跡線行走，按要求停在指定地點, 通過操作手的控制實現(xiàn)對貨物的抓取、升降及放下等操作。機器人控制系統(tǒng)以51 單片機作為檢測和控制的核心，采用相應(yīng)傳感器檢測各種信號，采用PW檻制方式實現(xiàn)尋跡行走速度、行走方向及機器手的各種運動 控制。課題設(shè)計要求完成以下工作與任務(wù)：1 、基于 51 單片機的智能搬運機器人的電路與機械設(shè)計；實現(xiàn)

2、51 單片機與循跡單元的傳感器、移動單元的電機和抓取單元的舵機與電磁鐵的電路的設(shè)計與制作，進行單片機對各執(zhí)行單元的控制命令的編程。2 、通過實驗完成成品并進行基礎(chǔ)搬運工作。二、調(diào)研資料情況1 、機械人的發(fā)展情況從 1959 年美國第一臺工業(yè)機器人到本世紀80 年代初，機器人技術(shù)經(jīng)歷了一個長期緩慢的發(fā)展過程。經(jīng)過40 年的發(fā)展，美國已經(jīng)是機器人強國之一。在日本機器人的起步晚于美國五、六年，在經(jīng)歷了搖籃期和實用期后，在1980年進入普及提高并廣泛應(yīng)用期，一躍成為“機器人王國”，在出口和使用方面都居于世界的榜首。但自 20世紀 90 年代中期，隨著歐洲和北美工業(yè)機器人的崛起，國際市場由日本轉(zhuǎn)向歐洲和

3、北美，在經(jīng)過幾年低迷后，在21 世紀初期隨著我國和周邊幾個國家對工業(yè)機器人的大量需求，日本的工業(yè)機器人又重新煥發(fā)了生機。而我國的機器人起步較晚，經(jīng)過 “七五” 起步、 “八五”和“九五”進行攻關(guān)，在近幾年取得了較大的發(fā)展。截止 xx 年底，我國共有工業(yè)機器人2.39 萬臺，是日本的1/15、北美的1/7，其中完全國產(chǎn)工業(yè)機器人占三成左右，其余都是從日本、美國、德國等20 多個國家引進。從20 世紀 90 年代以來，機器人技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)從制造領(lǐng)域擴充到非制造領(lǐng)域，研究發(fā)展基于非機構(gòu)環(huán)境、極限環(huán)境下的先進特種機器人技術(shù)已經(jīng)成為主要方向。這種研究有不斷 的向智能化、模塊化、系統(tǒng)化，以適應(yīng)多樣化、個性

4、化的需求，適應(yīng)各種多變的作業(yè)環(huán)境。2 、機器人的分類按用途分類：主要分為軍用機器人和民用機器人。軍用機器人又分為地面軍用機器人、無人機、水下機器人和空間機器人；而民用機器人又分為工業(yè)機器人、服務(wù)機器人、娛樂機器人、類人機器人和農(nóng)業(yè)機器人。按主要功能分類：操作機器人、移動機器人、信息機器人和人機機器人。按技術(shù)級別分類：第一代工業(yè)機器人、第二代工業(yè)機器人和第三代工業(yè)機器人。按坐標系統(tǒng)分類：直角坐標型、圓柱坐標型、球坐標型和關(guān)節(jié)型。按受控方式分類：點位控制型和連續(xù)控制型。按驅(qū)動方式分類：液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動和電氣驅(qū)動等。3 、機器人的應(yīng)用在 70 年代初期，機器人應(yīng)用在點焊、噴漆和弧焊先后出世，70年

5、代末這些機器人在汽車行業(yè)開始廣泛的應(yīng)用，很快的就推廣到了整個工業(yè)部門。到今天工業(yè)機器人已經(jīng)在應(yīng)用在很多領(lǐng)域中，大體上可以分為兩大類，一類是制造類，另一類是服務(wù)類，當然，利用機器人最多的是制造類。所以我們詳細的介紹機器人在工業(yè)中的應(yīng)用。在制造業(yè)中，機器人已經(jīng)可以進行毛坯制造、機械加工、焊接、熱處理、表面涂覆、裝配及倉庫堆垛等作業(yè)中。點焊作業(yè)是工業(yè)機器人的典型應(yīng)用領(lǐng)域，80 年代初，各汽車廠在點焊工藝中采用“工業(yè)機器化”的生產(chǎn)方式，使得工業(yè)機器人的應(yīng)用每年都成倍的增長?；『笝C器人的使用主要還是集中在汽車制造業(yè)，隨著識別和跟蹤焊縫的傳感器的應(yīng)用，弧焊的機器人將進一步的升級，使弧焊機器人更好的應(yīng)用。裝

6、配是產(chǎn)品生產(chǎn)的后續(xù)工序，在當今這個工業(yè)發(fā)達的年代，對于裝配機器人的需求每年都在增高，在電氣設(shè)備制造業(yè)里，裝配作業(yè)自動化程度比汽車行業(yè)的需求還要高，在我國基本掌握了裝配機器人機構(gòu)的設(shè)計制造技術(shù)。移動機器人（以下簡稱AGV是廣泛應(yīng)用于智能生產(chǎn)線、自動化物流運輸、無人車間等場合的一種無人駕駛的物資輸送設(shè)備，具有智能、柔性、安全、高效等特點。經(jīng)過不斷的發(fā)展，日趨成熟的 AGVB經(jīng)在汽車制造、電子、電力、紡織、造紙、醫(yī)藥、卷煙、食品、圖書出版等多種行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用與今天的機器人相比，未來的機器人應(yīng)具有更高的智能。隨著計算機技術(shù)、專家系統(tǒng)技術(shù)、模糊控制技術(shù)、智能工程技術(shù)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等高新技術(shù)的不斷

7、發(fā)展，更能提高工業(yè)機器人在制造業(yè)中的靈活應(yīng)用，并具有視覺、力覺等感知能力、能根據(jù)環(huán)境的變化做出相應(yīng)的反應(yīng)，快速的自我調(diào)整。4 、機器人的控制方法機器人的控制技術(shù)分為以下幾種：（ 1）、基于模型的控制方法：和一般的機械系統(tǒng)一樣，在機器人的結(jié)構(gòu)及機械參數(shù)確定后，其動態(tài)特性將由動力學(xué)方程即數(shù)學(xué)模型來描述，但在實際工程中，由于機器人是一個非線性和不確定系統(tǒng)，機 器人的精確數(shù)學(xué)模型是很難得到的，所以這種方法很難實現(xiàn)。2）、自適應(yīng)控制：自適應(yīng)控制是根據(jù)要求的性能指標與實際系統(tǒng)的性能指標相比較所獲得的信息來修正控制規(guī)律或參數(shù)，讓系統(tǒng)能夠保證最優(yōu)或次最優(yōu)工作狀態(tài)的控制方法。（ 3）、魯棒控制：魯棒控制是一種保

8、證不確定系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及達到滿意控制效果的控制方法。它可同時仰制補償結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)不確定性的影響。（4）、PID控制：機器人一般采用PD控制和PID控制，具優(yōu)點 是控制律簡單，易于實現(xiàn)，但其有兩個缺點很明顯，一是很難保證受控機器人具有良好的動態(tài)和靜態(tài)特性，二是需要較大的控制能量。5 、機器人的各個“器官”人在搬運的時候主要用到手、腳、 眼和大腦等身體器官, 而機器人也需要這些“器官”。1）、機器人的“大腦”控制系統(tǒng)圖 1 機器人的構(gòu)成控制系統(tǒng)機器人在運動過程中需要處理很多數(shù)據(jù)，這就需要讓機器人有個處理數(shù)據(jù)的“大腦”處理器。 PLC其主要優(yōu)點是靈活通用、可靠性高、抗干擾性強、編程簡單、使用方便、

9、接線簡單、功能強、 體積小、 重量輕、 易于實現(xiàn)機電一體化。采用PLC控制的機器人初衷是替代繼電器，增強其相應(yīng)功能。因 此，它擅長處理邏輯量。PLC能夠方便地對離散生產(chǎn)過程的順序進行 控制。PLC 用于機器人伺服系統(tǒng)的開啟、停止、重啟動與回零等輸入的控制。 DSP其主要優(yōu)點是接口簡單、編程容易、穩(wěn)定性好、精度高、可重復(fù)性好、集成方便等。利用DSP的實時運算速度快的特點，用于機器人的控制系統(tǒng)，易于構(gòu)成并行處理網(wǎng)絡(luò)，大大提高控制系統(tǒng)的性能。單片機單片機的有點是功能強、編程簡便、體積小、 可靠性高、低電壓、低功耗、價格便宜等。在智能機器人中單片機需要接收傳感器傳輸?shù)妮斎胄盘?，達到對現(xiàn)場信息分析、比較

10、、判斷，然后根據(jù)要求，輸出PW瞰信號，控制機器人的行為。（ 2）機器人的“眼睛”檢測裝置機器人在特定的工作中，需要自行發(fā)現(xiàn)需要處理的工作位置，這就需要機器人有一個發(fā)現(xiàn)問題的“眼睛”傳感器。在機器人的移動過程中需要“眼睛”認路，也就是循跡，而智能機器人有很多種循跡方案。許多智能機器人采用CCD®像傳感器獲取路徑信息，雖然控制精確，但成本較高，而且數(shù)據(jù)處理算法復(fù)雜。超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制成的傳感器，它對液體和并且不受環(huán)境影響，碰到分界面會產(chǎn)生明顯的反射形成波形。但其驅(qū)動電壓較高，一般在100V-1500V之間，用在低壓設(shè)備上需要脈沖變壓，會帶來很多問題。光電傳感器具有控制簡單

11、、數(shù)據(jù)處理方便、成本低、安裝靈活以及不受可見光干擾等特點，而且在穩(wěn)定性和可靠性方面來說，也是比較突出的。（ 3）機器人的“腳”驅(qū)動裝置現(xiàn)在輪式機器人為主流機器人，直流電機又具有體積小，重量輕，維護方便，高效節(jié)能，易于控制等一系列的優(yōu)點，常被用在輪式機器人的領(lǐng)域，所以直流電機就成為輪式機器人不可或缺的一部分。（ 4）機器人的“手臂”執(zhí)行機構(gòu)機器人的機械臂組成有操作臂的桿件、活動關(guān)節(jié)（自由度）和抓取工具。機械臂的活動關(guān)節(jié)可以用舵機進行控制，它使用簡單、動力強勁、可以按照信號的要求精準的控制關(guān)節(jié)位移的角度。抓取工具安裝在機械臂的自由端，根據(jù)不同的場合，它可以是一個夾具、一個焊槍、一個電磁鐵或是其他裝

12、置。三、初步設(shè)計方法與實施方案本設(shè)計方案所要做的機器人為:移動機器人（AGV是工業(yè)機器人的一種類型，它由計算機控制，具有移動、自動導(dǎo)航、多傳感器控制。1 、系統(tǒng)設(shè)計思想基于單片機實現(xiàn)機器人的循跡與位置檢測，并到預(yù)定位置進行搬運，用單片機發(fā)出PW瞰進行控制移動的直流電機和舵機的目的。2 、系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)框圖3 、設(shè)計方案控制系統(tǒng)，選用單片機作為控制芯片，型號為 STC89C52RC單片機，它是一種低功耗、高性能的單片機，擁有8k 字節(jié)的程序存儲空間、512k 字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲空間、32 位I/O 口以及內(nèi)帶2k字節(jié)EEPROM儲空間檢測裝置，選用光電傳感器作為檢測器件，通過 A/D轉(zhuǎn)換裝置與單片機的

13、I/O 口相連接。圖 2 主體結(jié)構(gòu)框圖本科生畢業(yè)設(shè)計檔案材料題 目：智能公交小車系統(tǒng)的設(shè)計學(xué)生姓名：學(xué)號系 部：專業(yè)年級：指導(dǎo)教師：湖南人文科技學(xué)院教務(wù)處制1 、機器人開題報告2 、機器人論文初稿3 、機器人論文終稿西安交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告題目： 機器人設(shè)計專 業(yè)：機械工程及自動化學(xué) 號：姓 名：指導(dǎo)教師：填表日期：xx 年 6 月 23 日.設(shè)計目的及意義隨著計算機、網(wǎng)絡(luò)、機械電子、信息、自動化以及人工智能等技 術(shù)的飛速發(fā)展，移動機器人的研究進入了一個嶄新的階段。同時，太 空資源、海洋資源的開發(fā)與利用為移動機器人的發(fā)展提供了廣闊的空 間。目前，智能移動機器人，無人自主車等領(lǐng)域的研

14、究進入了應(yīng)用的 階段，隨著研究的深入，對移動機器人的自主導(dǎo)航能力，動態(tài)避障策 略，壁障時間等方面提出了更高的要求。地面智能機器人路徑規(guī)劃， 是行駛在復(fù)雜動態(tài)自然環(huán)境中的全自主機器人系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，而地面智能機器人全地域全自主技術(shù)的研究， 是當今國內(nèi)外學(xué)術(shù)界面臨的 挑戰(zhàn)性問題。移動機器人是一類能夠通過傳感器感知環(huán)境和自身狀態(tài)，實現(xiàn)在 有障礙物的環(huán)境中面向目標自主運動，從而完成一定功能的機器人系 統(tǒng)。理想的自主移動機器人可以不需人的干預(yù)在各種環(huán)境中自主完成 規(guī)定任務(wù)，具有較高的智能水平，但目前全自主的移動機器人還大多 處于實驗階段，進入實用的多為自主移動機器人，通過人的干預(yù)在特 定環(huán)境中執(zhí)行各種任

15、務(wù)，而遙控機器人則完全離不開人的干預(yù)。智能移動機器人是一類能夠通過傳感器、感知環(huán)境和自身狀態(tài)，實現(xiàn)在有障礙物的環(huán)境中面向目標自主運動， 從而完成一定功能的機 器人系統(tǒng)。移動機器人技術(shù)研究綜合了路徑規(guī)劃、導(dǎo)航定位、路徑跟蹤與運動控制等技術(shù)。涉及包括距離探測、視頻采集、溫濕度以及聲 光等多種外部傳感器，作為移動機器人的輸入信息。移動機器人的運 動控制主要是完成移動機器人的運動平臺， 提供一種移動機器人的控 制方式。性能良好的移動機器人運動控制系統(tǒng)是移動機器人運行的基 礎(chǔ)，能夠服務(wù)于移動機器人研究的通用開發(fā)平臺。隨著移動機器人技術(shù)的發(fā)展及其在工業(yè)軍事等領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用， 有關(guān)移動機器人的理論設(shè)計制造

16、和應(yīng)用的新的技術(shù)學(xué)科一一機器人 學(xué)，已經(jīng)逐漸形成，并越來越引起人們廣泛的關(guān)注。機器人學(xué)是一門 綜合性很強的學(xué)科，它涉及現(xiàn)代控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、計算機系統(tǒng) 和人工智能等多門學(xué)科.但是它又有自身的系統(tǒng)性和專業(yè)性。 內(nèi)容極 為豐富、廣泛，其中專業(yè)性比較強的有機器人動力學(xué)和運動學(xué)、機器 人軌跡規(guī)劃和運動控制、機器人的傳感技術(shù)、機器人的編程語言、機 器人的智能和任務(wù)規(guī)劃等。其中機器人的運動控制是實現(xiàn)機器人航跡 控制的關(guān)鍵。運動控制是移動機器人的執(zhí)行機構(gòu)，對機器人的平穩(wěn)運行起著重 要作用。隨著新的智能控制算法的不斷涌現(xiàn)， 移動機器人正向著智能 化方向發(fā)展，這就對運動控制系統(tǒng)性能提出了更高的要求。設(shè)計實現(xiàn)

17、 智能移動機器人的控制系統(tǒng)，能夠熟悉移動機器人硬件和軟件的開發(fā)， 掌握移動機器人的運動控制特性，為后續(xù)的移動機器人的功能擴展搭 建一個可行、穩(wěn)定的平臺，而這個平臺則可以成為多種機器人開發(fā)的公共基礎(chǔ)平臺。實現(xiàn)智能移動機器人控制系統(tǒng)的開發(fā)具有一定的現(xiàn)實意義，將為以后的移動機器人開發(fā)奠定堅實基礎(chǔ)。二國內(nèi)外研究現(xiàn)狀移動機器人的研究始于60年代末期斯坦福研究院（SRI）的Nils Nilssen 和 Charles Roesn 等人，在1966年至 1972年中研制出了自主移動機器人Shakey。70 年代末，移動機器人研究又出現(xiàn)了新的高潮，特別是80 年代中期以來，設(shè)計和制造機器人的浪潮席卷全世界。一

18、大批世界著名的公司， 如美國通用電氣、日本本田、索尼等開始研制移動機器人平臺，這些促進了移動機器人學(xué)多種研究方向的出現(xiàn)。例如， 輪式移動機器人的代表作有：Smart Robots 公司推出的新型基于Linux 的移動機器人SR4美國Activmedia Boties 公司用于教學(xué)的P3-Dx輪式移動 機器人；卡內(nèi)基梅隆研發(fā)的Noma遛動機器人；美國國家航天航空局 聞名遐邇的火星登陸車“勇氣號”等。我國的機器人學(xué)研究起步較晚，但進步較快，已在工業(yè)機器人特種機器人和智能機器人各個方面都取得了顯著成績。在 “七五 “期間，完成了示教再現(xiàn)工業(yè)機器聲成套技術(shù)。為了跟蹤國外搞技術(shù)，80 年代國家高技術(shù)計劃

19、中安排了智能機器人的研究開發(fā)，包括水下無纜機器人高功能裝配機器人和多種特種機器人。進行了智能機器人體系結(jié)構(gòu)、機構(gòu)、控制、人工智能、機器視覺，高性能傳感器及新材料的應(yīng)用研究， 取得了大量成果。其中， 輪式移動機器人的研究也碩果累累。國內(nèi)研究輪式移動機器人的科研單位及公司主要有研制能力風(fēng)暴的 as-r 機器人的上海廣茂達伙伴機器人有限公司；研制的casia-i自主移動機器人的中科院自動化所；研制“青青”輪式移動機器人的哈爾濱工業(yè)大學(xué)，研制“小蜘蛛”輪式移動機器人登月車的上海交大等。當前，移動機器人技術(shù)的研究與發(fā)展的趨勢包括有：機器人機構(gòu)導(dǎo)航定位路徑規(guī)劃傳感器信息融合技術(shù)智能技術(shù)移動機器人傳感器技術(shù)

20、等研究。我國自“八五”期間開始進入這一研究領(lǐng)域，并在國家 863 計劃中予以重點支持。較為全面對路徑規(guī)劃、視覺導(dǎo)航、信息融合、自動駕駛等一些基本的智能機器人技術(shù)做了探索，所形成的一些關(guān)鍵技術(shù)成果也在其他領(lǐng)域得到應(yīng)用。我國在機器人技術(shù)與自動化工藝裝備等方面已經(jīng)取得了突破性進展，縮短了同發(fā)達國家的差距，但是在機器人的核心及關(guān)鍵技術(shù)的原創(chuàng)性研究、高性能關(guān)鍵工藝裝備的自主設(shè)計和制造能力、高可靠性基礎(chǔ)功能部件的批量生產(chǎn)應(yīng)用方面，同發(fā)達國家相比，我國仍存在較大差距。三課題任務(wù)、重點內(nèi)容、實現(xiàn)途徑通過對各項機器人技術(shù)的研究與分析，設(shè)計了滿足教學(xué)實驗要求的智能移動機器人系統(tǒng)，完成機器人車體結(jié)構(gòu)、傳感系統(tǒng)、運動

21、執(zhí)行系統(tǒng)、 通信系統(tǒng)的功能設(shè)計和模塊化實現(xiàn)，以及機器人系統(tǒng)工程的整體設(shè)計， 并著重研究嵌入式控制系統(tǒng)的軟硬件系統(tǒng)設(shè)計。需完成移動機器人的結(jié)構(gòu)圖紙1 份、 智能移動機器人原理分析、硬件設(shè)計并編寫相關(guān)程序。本課題采用通用單片機實現(xiàn)輪式移動機器人電機驅(qū)動和閉環(huán)調(diào)速。實現(xiàn)基于渡越時間法的超聲波測距模塊設(shè)計，為機器人提供簡單方便的障礙物距離檢驗。D S P實時監(jiān)測驅(qū)動電動機的正交編碼脈沖實現(xiàn)移動機器人的運動學(xué)定位，作為機器人一種比較粗略的定位方式，可以作為后續(xù)高精度定位方式的補充。使用模糊控制實現(xiàn)移動機器人路徑跟蹤控制，利用MATLAB勺模糊控制工具箱實現(xiàn)路徑跟蹤控制決策，完成移動機器人的路徑跟蹤。最后

22、， 論文設(shè)計的移動機器人運行平穩(wěn)，控制簡單。路徑跟蹤控制規(guī)則能夠使機器人較好的跟蹤已知路徑。可以作為簡單的移動機器人實驗平臺使用。本課題的重點內(nèi)容是嵌入式操作系統(tǒng)，智能輪式移動機器人是一個典型的實時多任務(wù)系統(tǒng)，傳統(tǒng)單任務(wù)順序執(zhí)行機制不能滿足該系統(tǒng)設(shè)計的實時性要求，而且對于復(fù)雜系統(tǒng)來說可靠性不高，因此選用實 時操作系統(tǒng)W CZOS。它是一個源碼公開，可移植，可固化，可裁剪的嵌入式操作系統(tǒng)，具有代碼尺寸小，可占用實時內(nèi)核，任務(wù)多，可確定執(zhí)行時間，運行穩(wěn)定可靠等特點。將w CZOS移植到S3c44B0Xt,并對操作系統(tǒng)進行裁剪，以節(jié)省存儲空間?；趯崟r內(nèi)核的多任務(wù)系統(tǒng)可劃分為系統(tǒng)層和應(yīng)用層。系統(tǒng)層由

23、內(nèi)核和驅(qū)動程序庫組成；應(yīng)用層包括用于達成機器人任務(wù)目標的全部代碼。 在該系統(tǒng)軟件應(yīng)用層程序設(shè)計中，將機器人的任務(wù)分解成通信、信息采集、電機控制等多個用戶任務(wù)。嵌入式操作系統(tǒng)w c/OS-II對任務(wù)模塊進行管理調(diào)度，協(xié)調(diào)機器人各項任務(wù)運行，保證了系統(tǒng)的實時性和可靠性。移動機器人控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)的主要內(nèi)容有底層系統(tǒng)設(shè)計和控制系統(tǒng)的實現(xiàn)：（ 1） 移動機器人底層系統(tǒng)設(shè)計：移動機器人的底層系統(tǒng)設(shè)計包括移動機器人的控制電路設(shè)計、電機驅(qū)動電路設(shè)計和超聲波測距電路設(shè)計。 底層設(shè)計涉及到的軟件算法包括電機驅(qū)動和速度閉環(huán)、電機碼盤的機器人定位、超聲波測距等。2） 移動機器人的控制系統(tǒng)的實現(xiàn)：移動機器人控制系統(tǒng)的主要內(nèi)容是生成機器人的運動控制信息，控制機器人的運動。軌跡跟蹤是移動機器人需要完成的任務(wù)之一，其典型工