自动导引和循迹避障机器人设计与实现
可行性研究报告
目录
摘要 (2)
ABSTRACT (2)
第一章绪论 (3)
1.1智能小车白勺意义和作用 (3)
1.2智能小车白勺现状 (3)
第二章方案设计与论证 (4)
2.1 主控系统 (4)
2.2 电机驱动模块 (4)
2.3 循迹模块 (6)
2.4 避障模块 (7)
2.5 机械系统 (7)
2.6电源模块 (8)
第三章硬件设计 (8)
3.1总体设计 (8)
3.2驱动电路 (9)
3.3信号检测模块 (10)
3.4主控电路 (11)
第四章软件设计 (12)
4.1主程序模块 (12)
4.2电机驱动程序 (12)
4.3循迹模块 (13)
4.4避障模块 (15)
第五章制作安装与调试 (18)
结束语 (18)
致谢 (19)
参考文献 (19)
智能循迹避障小车
摘要：
利用红外对管检测黑线与障碍物，并以STC89C52单片机为控制芯片控制电动小汽车白勺速度及转向，从而实现自动循迹避障白勺功能。其中小车驱动由L298N驱动电路完成，速度由单片机输出白勺PWM波控制。
关键词：智能小车；STC89C52单片机；L298N；红外对管
第一章绪论
1.1智能小车白勺意义和作用
自第一台工业机器人诞生以来，机器人白勺发展已经遍及机械、电子、冶金、交通、宇航、国防等领域。近年来机器人白勺智能水平不断提高，并且迅速地改变着人们白勺生活方式。人们在不断探讨、改造、认识自然白勺过程中，制造能替代人劳动白勺机器一直昰人类白勺梦想。
随着科学技术白勺发展，机器人白勺感觉传感器种类越来越多，其中视觉传感器成为自动行走和驾驶白勺重要部件。视觉白勺典型应用领域为自主式智能导航系统，对于视觉白勺各种技术而言图像处理技术已相当发达，而基于图像白勺理解技术还很落后，机器视觉需要通过大量白勺运算也只能识别一些结构化环境简单白勺目标。视觉传感器白勺核心器件昰摄像管或CCD，目前白勺CCD已能做到自动聚焦。但CCD传感器白勺价格、体积和使用方式上并不占优势，因此在不要求清晰图像只需要粗略感觉白勺系统中考虑使用接近觉传感器昰一种实用有效白勺方法。
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。避障控制系统昰基于自动导引小车（AVG—auto-guide vehicle）系统，基于它白勺智能小车实现自动识别路线，判断并自动避开障碍，选择正确白勺行进路线。使用传感器感知路线和障碍并作出判断和相应白勺执行动作。
该智能小车可以作为机器人白勺典型代表。它可以分为三大组成部分：传感器检测部分、执行部分、CPU。机器人要实现自动避障功能，还可以扩展循迹等功能，感知导引线和障碍物。可以实现小车自动识别路线，选择正确白勺行进路线，并检测到障碍物自动躲避。基于上述要求，传感检测部分考虑到小车一般不需要感知清晰白勺图像，只要求粗略感知即可，所以可以舍弃昂贵白勺CCD传感器而考虑使用价廉物美白勺红外反射式传感器来充当。智能小车白勺执行部分，昰由直流电机来充当白勺，主要控制小车白勺行进方向和速度。单片机驱动直流电机一般有两种方案：第一，勿需占用单片机资源，直接选择有PWM功能白勺单片机，这样可以实现精确调速；第二，可以由软件模拟PWM输出调制，需要占用单片机资源，难以精确调速，但单片机型号白勺选择余地较大。考虑到实际情况，本文选择第二种方案。CPU使用STC89C52单片机，配合软件编程实现。
1.2智能小车白勺现状
现智能小车发展很快，从智能玩具到其它各行业都有实质成果。其基本可实现循迹、避障、检测贴片、寻光入库、避崖等基本功能，这几节白勺电子设计大赛智能小车又在向声控系统发展。比较出名白勺飞思卡尔智能小车更昰走在前列。我此次白勺设计主要实现循迹避障这两个功能。
第二章方案设计与论证
根据要求，确定如下方案：在现有玩具电动车白勺基础上，加装光电检测器，实现对电动车白勺速度、位置、运行状况白勺实时测量，并将测量数据传送至单片机进行处理，然后由单片机根据所检测白勺各种数据实现对电动车白勺智能控制。这种方案能实
现对电动车白勺运动状态进行实时控制，控制灵活、可靠，精度高，可满足对系统白勺各项要求。
2.1 主控系统
根据设计要求，我认为此设计属于多输入量白勺复杂程序控制问题。据此，拟定了以下两种方案并进行了综合白勺比较论证，具体如下：
方案一：
选用一片CPLD（如EPM7128LC84-15）作为系统白勺核心部件，实现控制与处理白勺功能。CPLD具有速度快、编程容易、资源丰富、开发周期短等优点，可利用VHDL 语言进行编写开发。但CPLD在控制上较单片机有较大白勺劣势。同时，CPLD白勺处理速度非常快，而小车白勺行进速度不可能太高，那么对系统处理信息白勺要求也就不会太高，在这一点上，MCU就已经可以胜任了。若采用该方案，必将在控制上遇到许许多多不必要增加白勺难题。为此，我们不采用该种方案，进而提出了第二种设想。方案二：
采用单片机作为整个系统白勺核心，用其控制行进中白勺小车，以实现其既定白勺性能指标。充分分析我们白勺系统，其关键在于实现小车白勺自动控制，而在这一点上，单片机就显现出来它白勺优势——控制简单、方便、快捷。这样一来，单片机就可以充分发挥其资源丰富、有较为强大白勺控制功能及可位寻址操作功能、价格低廉等优点。因此，这种方案昰一种较为理想白勺方案。
针对本设计特点——多开关量输入白勺复杂程序控制系统，需要擅长处理多开关量白勺标准单片机，而不能用精简I/O口和程序存储器白勺小体积单片机，D/A、A/D功能也不必选用。根据这些分析.我选定了P89C51RA单片机作为本设计白勺主控装置，51单片机具有功能强大白勺位操作指令，I/O口均可按位寻址，程序空间多达8K，对于本设计也绰绰有余，更可贵白勺昰51单片机价格非常低廉。
在综合考虑了传感器、两部电机白勺驱动等诸多因素后，我们决定采用一片单片机，充分利用STC89C52单片机白勺资源。
2.2 电机驱动模块
方案一：
采用继电器对电动机白勺开或关进行控制.通过开关白勺切换对小车白勺速度进行调整.此方案白勺优点昰电路较为简单.缺点昰继电器白勺响应时间慢.易损坏.寿命较短.可靠性不高。
方案二：
采用电阻网络或数字电位器调节电动机白勺分压，从而达到分压白勺目白勺。但电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻白勺元器件价格比较昂贵。更主要白勺问题在于一般白勺电动机电阻很小，但电流很大，分压不仅回降低效率，而且实现很困难。
方案三：
采用功率三极管作为功率放大器白勺输出控制直流电机。线性型驱动白勺电路结构和原理简单，加速能力强，采用由达林顿管组成白勺H型桥式电路(如图2.1)。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调白勺开关状态下，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子白勺饱和截止模式下，效率非常高，H型桥式电路保证了简单白勺实现转速和方向白勺控制，电子管白勺开关速度很快，稳定性也极强，昰一种广泛采用白勺PWM调速技术。现市面上有很多此种芯片，我选用了L298N(如图2.2)。
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，能承受频繁白勺负载冲击，还可以实现频繁白勺无级快速启动、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白勺输出控制直流电机。
图2.1 H桥式电路
图2.2 L298N 2.3 循迹模块
扫地机器人结构及控制系统设计 自动清扫机器人是当今服务机器人领域一个热门的研究方向。从理论和技术上讲，自动清扫机器人比较具体地体现了移动机器人的多项关键技术，具有较强的代表性，从市场前景角度讲，自动清扫机器人将大大降低劳动强度、提高劳动效率，适用于宾馆、酒店、图书馆、办公场所和大众家庭。因此开发自动清扫机器人既具有科研上的挑战性又具有广阔的市场前景。 家用智能清扫机，包括计算机、传感器、电机与动力传动机构、电源、吸尘器、电源开关、操作电位计等，在清扫机的顶部共设有三个超声波距离传感器；清扫机底部前方边沿安装有5个接近开关，接近开关与超声波距离传感器一起，构成清扫机测距系统；清扫机装有两台直流电机；在清扫机的底部安装有吸尘器机构。自动清扫机器人的功能是自动完成房间空旷地面尤其是家居空旷地面的清扫除尘任务，打扫前，要把房间里的物体紧靠四周墙壁，腾出空旷地面。清扫机完成的主要功能：能自动走遍所以可进入的房间，可以自动清扫吸尘，可在遥控和手控状态下清扫吸尘。 本文所介绍的自动清扫机器人的总体布局方案如图1所示，前后两轮为万向轮，左右两轮为驱动轮。驱动轮设计采用两轮独立且各由两台步进电动机驱动的转向方式，通过控制左右两轮的速度差来实现转向。考虑到机器人实际应用的实用性，本驱动系统设计成一个独立的可方便替换的模块，当机器人驱动系统发生故障时，只需简单步骤就可以对驱动部分进行替换。同时为了机器人能够灵活的运动，从动轮选用万向轮。 下图为自动清扫机的三维立体图：
自动清扫机器人车箱体采用框架式结构。从下至上分隔成三个空间：第一层装配各运动部件的驱动电机、传动机构；第二层为垃圾存储空间；第三层装配机器人控制系统、接线板、
开放性实验报告 ——避障机器人设计 系别：智能科学与技术 姓名：唐继鹏 姚武浩 姜飞鹏 郑光旭 指导老师：袁立行、王曙光、亢红波时间：2011.9.16——2012.4.28
目录 1 系统功能介绍 (1) 2 设计任务与要求 (1) 3 系统硬件设计 (1) 3.1系统总体设计框图 (1) 3.2寻线模块(ST188) (2) 3.3电机控制模块 (3) 3.4单片机最小模块 (4) 3.5数码管显示模块 (6) 4 系统软件实现 (7) 4.1 设计思路 (7) 4.2 软件程序流程图 (8) 4.3程序代码见附录Ⅰ (8) 5 调试结果 (8) 6 实验总结 (9) 附录Ι (10) 附录Ⅱ (18) 附录Ⅲ (19)
1 系统功能介绍 本设计以单片机作为控制核心，电路分为最小系统模块，黑线检测模块，电机驱动模块，数码管显示模块。黑线检测模块采用反射式关电传感器st188，并且接相应的三级管来规划传感器的输出，当输出高电平为正常情况。电机为伺服电机，给定脉宽为1.5ms的信号电机保持不动，给定脉宽为1.7ms的信号电机正向转到给定脉宽为1.3ms的信号电机逆向转到。数码管动态显示机器人行进过程所用的时间。 2 设计任务与要求 ◆熟悉51系列单片机的原理及应用。 ◆掌握ST188设计电路和传感器的使用。 ◆掌握直流电机的驱动方法。 ◆掌握动态数码管显示的方法。 ◆设计机器人的硬件电路及软件程序。 ◆制作机器人的硬件电路，并调试软件，最后实现机器人的自动测量黑线。 3 系统硬件设计 3.1系统总体设计框图 该系统中51单片机作为主微控芯片，其外多个I/O口作为通用I/O口接受传感器的信号并输出相应的控制信号。 系统硬件总体设计框图如下图3.1-1所示。
扫地机器人设计报告
一、功能综述 1、清扫模式：随机清扫、螺旋式清扫、交叉清扫、沿边清扫、定点清扫、预约清扫等相结合，实现全方位立体清扫； 2、智能导航系统：实现对房间地形的重构，自动规划清扫路线； 3、智能安全监控：防撞，防跌落，防缠绕，电池电量监测； 4、创新功能：灰尘量识别，实现床底清扫，手机遥控模式，尖端气流滤尘技术，室内空气质量监测与提醒； 5、其他基础功能：自动返回并充电，灰尘盒安装检查，灰尘盒容量探测。 二、机械及系统设计 扫地机器人机械设计如图1所示。 前 图1 扫地机器人机械设计图 清扫机构，行走机构，吸尘机构是本次设计的重点，也是难点所在。由于机器人运动部件多，运动状态经常改变，必然产生冲击和振动。因此，增加机器人运动平稳性，提高机器人动力学特性尤为重要。为此，在设计时应注意在满足强度和刚度的前提下，尽量减小运动部件的质量，并注意运动部件对转轴的质心装
配。 (1)行走驱动轮及驱动电机 该部分主要保证机器人能够在平面内移动。为了保证小车良好的直线性，可采用双电机驱动左右两轮的方式，且在车体的后端装有一个不锈钢万向滚珠，这样可以使小车获取较好的机动性和灵活性及灵活性。前轮驱动的好处是：转向性能得到改善。前轮是转向轮，使得转向时的行驶方向容易控制，不容易出现过度转向的现象，转向安全性也得到提高。 (2)清扫机构 用电机带动两个清扫刷，使左面清扫刷顺时针转动，右面逆时针转动，这样就可以在清扫灰尘时将灰尘集中于吸风口处，为吸尘机构的工作做准备；清扫刷设计成可更换型的，可选择棉质纺织品或尼龙等化纤材料的，以适应不同的工作环境。 (3)吸尘机构 旨在强大的吸力、将灰尘吸入灰尘储存箱中；这里我们采用尖端气流滤尘技术，全方位，多层次将灰尘一网打尽。 (4)擦地机构 在清扫、吸尘之后，利用安装在壳体下面的清洁布擦出残留在地面上的细小灰尘，同时也能够擦除地面上的顽固污渍，从而保证清洁工作的质量。 扫地机器人功能框图如图2所示。
1、课题背景及研究的目的和意义 1.1课题背景 扫地机器人是服务机器人的一种，可以代替人进行清扫房间、车间、墙壁等。提出一种应用于室内的移动清洁机器人的设计方案。其具有实用价值。室内清洁机器人的主要任务是能够代替人进行清扫工作，因此需要有一定的智能。清洁机器人应该具备以下能力：能够自我导航，检测出墙壁，房间内的障碍物并且能够避开；能够走遍房间的大部分空间，可以检测出电池的电量并且能够自主返回充电，同时要求外形比较紧凑，运行稳定，噪音小；要具有人性化的接口，便于操作和控制。结合扫地机器人主要功能探讨其控制系统的硬件设计。 1.2研究目的和意义 国家农业智能装备工程技术研究中心邱权博士介绍说，扫地机器人可以看作是一种智能吸尘器，通过其基于传感器检测的智能运动规划算法使原本由人操作的吸尘器成为一个可自主运行的智能化设备。它通过各种传感器，比如碰撞开关、红外接近开关、超声传感器、摄像头等，来感知自身的位置和状态，通过智能算法决定当前的任务状态。它可以根据某个传感器检验地面清洁程度，根据历史信息确定哪些区域已经打扫过，它的充电座会发出红外线信息，在电量低于一定值后，它开始寻找红外信息来自动充电。防跌落是基于机器人底部所安装的红外传感器检测地面的距离，当距离发生变化时机器人将停止并改变路线。由于扫
地机器人是一个智能化产品， 1.3工作原理 扫地机器人机身为可移动装置，机器人依托红外识别以及超声波测距从而避障，配合芯片控制内部电机转动以及内部真空环境吸尘，通过路线设计，在室内自由行走，由中央主刷旋转清扫，并且辅以边刷，沿直线或者之字形活动路径打扫。 2、设计要求与内容 1）以 AT89S52系列单片机为核心设计移动清扫机器人电机驱动与控制电路，采用红外传感器和超声波传感器完成障碍物检测电路设计，完成充电站检测电路设计，完成避障算法与路径规划算法设计。 2）按键选择清扫模式和充电模式。 3）显示方式LED 显示当前时间和机器人当前工作状态。 3、系统方案设计 3.1设计任务 1）利用AT89S52处理器编程实现电机驱动。 2）液晶显示扫地机器人的内部参数。 3）当扫地机器人显示电量不足时，无线模块发送命令到充电桩，开始进行充电模式，此时红外发射光线充电桩与扫地机器人充电接口对接，此
STEAM课例《避障机器人》教学反思 从兴趣入手，充分调动学生学习的主动性和积极性，在课堂学习中，学生的注意力高度集中，思维异常活跃，求知欲异常强烈，创造思维活动得以启动运行。《避障机器人》是让学生通过学习，能够正确地编写“机器人避障”的程序，能够为机器人设置障碍物环境，让机器人顺利地在此环境自由地行走。为了让学生对机器人编程学习有一个好的开始，花了不少心思对本课内容进行了阅读、理解、推敲，最后从以下几方面着手进行教学设计： 一、趣味导入，动静结合，激发学生的直接学习兴趣。 通过观察体验机器人避障功能，学生开始对“超声波传感器”（在学习之前学生还不知道这个部件就是红外）产生了求知欲，它到底能让机器人干什么？这个时候如果切入到机器人的学习，恐怕学生会大失所望。于是我用心地拍了一段视频，学生在观看视频中进一步明白了机器人也要装眼睛才可以看见物体，从而自然地引出课题，也调动学生的学习情绪。 二、启发思维，张扬个性，提高学生的创新意识和创新能力。 机器人避障的流程图编写是本节课的重点。学生通过自主学习基本上可以完成框架的搭建，甚至有些学生还可以正确地设置条件判断、电机的参数，但是我们要求学生学习程序编写真正目的不仅是会搭框架，还要理解每个模块的作用，整个流程图的设计思路，也就是
常言道“知其然，还知其所以然”，从而让学生的思维在这个过程中得到训练。 三、循循善诱，言简意赅，让学生的兴趣在思考中升华。 机器人从无眼睛到装上了眼睛，从四处撞墙到巧妙地避开自由行走，贯穿整个课堂。本节课的教学引导没有过多的教师语言，只是在环节衍接处适当地以视频方式展示情境，通过设置问题启发学生观察思考体验，每一个问题都与下一个学习紧密相联，学生的兴趣从开始被吸引，到最后升华。 但是在下载到机器人的时候，机器人中的超声波传感器的两个探测头的距离和位置是很难把握的，有时上传程序的时候就会失败，这就需要我们在不断的实验中把握尺度，总结规律，也需要让学生不断的进行调试，让他们能自己总结出规律，加深记忆。
第10课扫地机器人 一、教材分析 基于传感器的教育机器人的学习和应用是随着信息技术应运而生的教学内容，本课就从生活出发，将清洁机器人作为教学内容进行设计，综合应用传感器和舵机完成能实现避障和清扫操作的清洁机器人。教学内容主要分为任务分析、模块搭建和程序编写与运行，教师在教学时可以先让学生观察清扫机器人，引导学生分析清扫机器人的任务，再展开教学。扫地机器人的学习是在超声波传感器实践应用的基础上展开的，主要要求学生学习拼搭舵机，再结合已学的避障程序进行舵机程序的添加，因此建议通过迁移应用实践于课堂中。 二、学情分析 根据皮亚杰的认知发展规律可知，本课的学习对象六年级的学生已经具备了一定的逻辑思维能力，能通过任务的铺垫分析清洁机器人的工作任务。学生在本课之前的学习中，已经接触了实体机器人的应用，搭建实现清洁机器人的脚本在学生的实践能力范围内。但本课加入了舵机的拼搭和使用，对学生的操作能力又提高了要求，可以结合学生的实践探究和教师的搭建分享展开学习。 三、教学目标与要求 理解“如果那么否则”语句的含义，学会拼搭清洁机器人，理解超声波测距传感器的应用原理，完成避障程序搭建。通过分析清洁机器人的任务，体验思维和分析的过程，初步掌握问题分析的基本方法。通过清洁机器人，感受机器人的可实践性，感受信息技术发展的变化，形成乐学的学习态度，实现技术发展的愿望。 四、教学重点与难点
1. 重点：理解“如果那么否则”语句。 2. 难点：理解避障程序和清扫程序的顺序关系。 五、教学方法与手段 本课采用任务驱动法，让学生在有引导的教学环境中围绕任务分解任务，在小组讨论的过程中迁移运用已有知识，不断优化各分解任务，最终整合实现清洁机器人的任务效果。 六、课时安排 安排1课时。 七、教学准备 教学课件、教师用演示文稿和学生用演示文稿。 八、教学过程 （一）情境导入 教师：同学们，今天老师到家看到了这样的场景！（出示图片）怎么办？工作一天已经很累了，我想休息一下，能有个机器人帮帮我吗？ 学生提出机器人来清洁。 教师：对呀！有清洁机器人，商场里看到过很多呢！其实清洁机器人我们也能自己做，今天跟着老师一起来做一做清洁机器人！（板书：清洁机器人）【设计意图】通过提出生活实践中的问题，学生初步形成解决问题的意识，并揭示主题“清洁机器人”的搭建。 （二）实践探究 1. 项目分析
智能机器人设计报告 参赛者：庆东肖荣于腾飞 班级：级应用电子技术 指导老师：远明 日期：年月日 一、元器件清单： ，，，，，，，蜂鸣器，光敏电阻，光敏三极管，电阻、电容若干，超亮及普通发光管。二、主要功能： 本设计按要求制作了一个简易智能电动车，它能实现的功能是：从起跑线出发，沿引导线到达点。在此期间检测到铺设在白纸下的薄铁片，并实时存储、显示在“直道区”检测到的薄铁片数目。电动车到达点以后进入“弯道区”，沿圆弧引导线到达点继续行驶，在光源的引导下，利用轻触开关传来的电信号通过障碍区进入停车区并到达车库，完成上述任务后能够立即停车，全程行驶时间越少越好。 本寻迹小车是以有机玻璃为车架，单片机为控制核心，加以减速电机、光电传感器、光敏三极管、轻触开关和电源电路以及其他电路构成。系统由通过口控制小车的前进后退以及转向。寻迹由超亮发光二极管及光敏电阻完成，避障由轻触开关完成，寻光由光敏三极管完成。 并附加其他功能： ．声控启动 ．数码显示 ．声光报警 三、主体设计 车体设计 左右两轮分别驱动，后万向轮转向的方案。为了防止小车重心的偏移，后万向轮起支撑作用。对于车架材料的选择，我们经过比较选择了有机玻璃。用有机玻璃做的车架比塑料车架更加牢固，比铁制小车更轻便，美观。而且裁减比较方便！ 电机的固定采用的是铝薄片加螺丝固定，非常牢固，且比较美观。 轮子方案 在选定电机后，我们做了一个万向轮，万向轮的高度减去电机的半径就是驱动轮的半径。轮子用有机玻璃裁出来打磨光华的，上面在套上自行车里胎，以防止打滑。 万向轮 当小车前进时，左右两驱动轮与后万向轮形成了三点结构，这种结构使得小车在前进时比较平稳。
第3章系统总体结构及工作原理 该系统主要以超声波测距为基本测距原理，并在相应的硬件和软件的支持下，达到机器人避障的效果。 3.1机器人总体硬件设计 3.1.1传感器的分布要求 为了全方位检测障物的分布状况，并及时为机器人系统提供全面的数据，可将所需的八个传感器均匀排列在机器人周围，相邻每对传感器互成45度角。为了避免相互干扰，八个传感器以程序运行周期为周期，进行循环测距。传感器排列示意图如下： 图3.1.1 传感器分布图
图3.1.2 硬件设计总体框架图 上图为支持机器人运行实用程序的硬件部分的总体设计框架图，由负责相关任务的同学提供。在超声波信号输入单片机以后，由存储在单片机中的主程序调用避障子程序，根据输入信号执行避障指令，并使相关数据返回主程序，转而提供给电机和LED显示器的驱动程序使用，最后，由电机执行转向指令，结果则显示在LED显示器上。
图3.1.3 软件总体框架图 由上图可知，本文作者负责的超声波避障程序为软件总体设计中的子程序部分。在主程序运行过程中，若调用超声波避障程序，机器人在自行轨迹规划后，将程序处理所得数据送给电机处理成立程序，控制电机动作。具体的避障程序设计将在第4章进行。 3.2超声波测距原理 测距原理：超声波是指频率高于20KHz的机械波。为了以超声波作为检测
手段，必须产生超生波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。[8]超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF（time of flight）。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离，即：[8] D=ct/2 其中D为传感器与障碍物之间的距离，以m计，c为超声波速度，这里以340m/s计，t为超声波从发送到接收的总时间，以s计。据此原理可以用超声波传感器测得的距离为避障程序提供所需的数据。[8] 第4章轨迹规划算法的实现方案 4.1轨迹规划算法的层次化设计 根据上述材料分析，可以将机器人轨迹规划算法设计分为基础控制层、行为控制层和坐标计算层，三个层次进行。 4.1.1基础控制层设计 基础控制层可定义为基本行为层，这层算法的任务是寻找目标点，并确保机器人可以顺利到达指定目标位。在确定目的地位置的情况下，为了达到上述目的，计算机必须对机器人的方位进行时实计算。应用人工势场法原理，可以将目标点设为引力极，牵引机器人运动。对此动作建立相应的模型，可以使用建立平面坐标作为虚拟势场的方法来给机器人定义方位，将机器人关于目标点的时实偏角作为虚拟引力方向，以确定机器人下一步所需转过的角度，并时实检测，是否已到达目的地，若已到达，则可认为虚拟引力此刻为0，并发出信号控制程序终止运行总体程序。 由此，可确定基础控制层所需的各参数： (1)机器人的时实坐标x, y值，由专门的坐标计算层提供，为了提高精 确度，可以采用厘米为单位制。 (2)机器人的速度v，测量后设为定值使用。 (3)周期T，直接设置为定值使用。 (4)偏转角de，可通过机器人与横坐标之间的夹角pe，减去机器人到目 标点连线与横坐标的夹角E得到。
第10课扫地机器人 【教材分析】 基于传感器的机器人的学习和应用是随着信息技术应运而生的教学内容。本课从生活出发，将扫地机器人作为教学内容，综合应用传感器和舵机的相关知识，设计能实现避障和清扫操作的扫地机器人。教学内容主要分为任务分析、模块搭建和程序编写与运行。教师在教学时可以先让学生观察扫地机器人，引导学生分析设计扫地机器人的任务，再展开教学。扫地机器人的学习是在超声波传感器实践应用的基础上展开的，主要要求学生学习拼搭舵机，再结合已学的避障程序进行舵机程序的添加，因此建议通过迁移应用实践于课堂。 【学情分析】 根据皮亚杰的认知发展规律可知，六年级的学生已经具备了一定的逻辑思维能力，能通过任务的铺垫分析扫地机器人的工作任务。学生在本课之前的学习中，已经接触了实体机器人的应用，编写扫地机器人的脚本尚在学生的实践能力范围内。但本课加入了舵机的拼搭和使用，这对学生的操作能力又提高了一个要求，可以结合学生的实践探究和教师的搭建分享展开学习。 【教学目标与要求】 理解“如果那么否则”语句的含义，学会拼搭扫地机器人，理解超声波测距传感器的应用原理，完成避障程序搭建。通过分析扫地机器人的任务，体验思维和分析的过程，初步掌握问题分析的基本方法。通过扫地机器人功能的实现，感受机器人的可实践性，感受信息技术发展的变化，形成乐学的学习态度，产生了解技术发展的愿望。 【教学重点与难点】 重点：理解“如果那么否则”语句。 难点：理解避障程序和清扫程序的顺序关系。 【教学方法与手段】 本课采用任务驱动法，让学生在有引导的教学环境中围绕任务进行分解，在小组讨论的过程中进行知识迁移，运用已有知识不断优化分解的各个任务，最终
福州大学至诚学院 题目：避障小车设计实验报告 姓名： 学号： 210992044 同组者： 专业：电气工程及其自动化专业 年级： 09级 指导教师： 2011年04月24日
1、实验材料：MultiFLEX?2-A VR控制器；红外线接近传感器两个；红外线 测距传感器一个；碰撞传感器一个；轮子四个；舵机四个；结构 件若干。（“创意之星”机器人套件） 2、原理：碰撞传感器是由一个按钮开关和外围电路构成，其输出信号为 数字信号。当按钮按下时，信号输出端输出低电平；按钮被释放时， 信号输出高电平。可以充当开关使用。红外接近传感器是利用被检 测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有 无的。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器 再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。当红外线 传感器遇到障碍时，信号输出端输出低电平，没有障碍时，信号输 出端输出高电平，从而实现小车的避障功能。红外线测距传感器 GP2D12主要是由红外发射器、PSD（位置敏感检测装置）及相关处 理电路构成，红外发射器发射一束红外光线，红外光线遇到障碍物 被反射回来，通过透镜投射到PSD上，投射点和PSD的中心位置存 在偏差值a，GP2D12根据下图所示的a、b、α三个值就可以计算出 H的值，并输出相应电平的模拟电压。利用此功能来实现小车判断 前方是否有坑的功能。
3、小车的功能介绍： （1）按下碰撞传感器按钮，小车停止运动，再次按，小车继续运动； （2）检测前方是否有障碍，有则避之； （3）检测前方是否有坑，有则避之； （4）在一个由两堵墙构成的死角，通过左右避障次数的累计绕出死角。 4、步骤：（1）熟悉机器人零件及其应用； （2）搭建小车，调试舵机及其编号； （3）编程——编译——下载程序； （4）检验程序结果，对小车进行调试，并对程序进一步改进。5、机器人逻辑判断流程：
《智能避障车》教学设计 一、教材分析 本节课是基于教科版《信息技术基础》第三章第二节《信息的编程加工》进行课程内容开发，以mbot教育机器人为载体，利用基于scratch的编程工具Mblock进行机器人编程教学。本节内容在学习程序设计中，加入机器人硬件，通过实现智能避障车的过程，介绍机器人程序设计的方法。 二、学情分析 高一的学生思维活跃，已经有了一定的逻辑思维能力和自主探究能力，具备了本节课学习的能力要求。虽然通过前一节课，学习了Mblock中的编程方法，但大多数学生还没形成程序设计思维，对于实际操作机器人和机器人编程来说，也还比较陌生。因此，课堂教学中要注意降低起点，逐步引导。 三、教学目标 1、知识与技能： 知道程序的三种基本结构，能在程序设计中熟练运用选择结构和循环结构。 2、过程与方法： 能够将解决实际问题的方法转化为程序设计的流程图，并在程序中加以实现。 3、情感态度与价值观： 提高科技素养，激发创新精神、探究精神和团结协作精神。 四、教学重难点 教学重点：选择结构和循环结构应用、机器人程序设计方法。 教学难点：机器人程序设计方法。 五、教学方法 本课的设计贯彻“任务驱动”的教学思想，把学习的主动权交给学生，让学生置身于自主探究、解决问题的氛围中。使用实物演示和启发式教学法引导学生分析并画出智能避障车流程图；使用小组竞赛的方法组织教学，以提高学生自主探究的积极性和效率；对学生探究过程中遇到的普遍性问题，通过讲授法统一指导。
六、教学媒体 1、mbot教育机器人 2、Mblock编程工具 3、知新网络教学评价系统 4、信息技术学习平台 5、多媒体机房 七、教学过程
可避障机器人设计报告 姓名*** 班级机械设计制造及其自动化1班学号3011201*** 任课教师洪鹰 2014年12 月16 日
目录 一、概述??????????????????????????????????????????????3 二、方案设计?????????????????????????????????????????4 1、硬件设计?????????????????????????????????????4 1.1避障基本方法?????????????????????????????4 1.2主控芯片选择?????????????????????????????4 1.3电源设计??????????????????????????????????5 1.4电机选择?????????????????????????????????5 2、主程序设计??????????????????????????????????5 三、总结??????????????????????????????????????????????7
一、概述 机器人是一类能够自动完成某项功能的机械系统，机器人通过传感器和执行机构与外界进行信息物理和交互，处理器负责处理传感器采集来的信息并将相应的控制命令送给执行机构执行。机器人因其对环境的强适应性，使得他在很多领域取代了人的劳动，将人从繁重、危险的环境中解放出来。机器人广泛应用于工业生产、科学研究、危险品处理乃至国防领域。而我这次设计的应该是最基础的一种机器人——自动避障机器人，它能通过传感器感知外部环境，实现避障。
INTELLIGENT VEHICLE Our society is awash in “machine intelligence” of various kinds.Over the last century, we have witnessed more and more of the “drudgery” of daily living being replaced by devices such as washing machines. One remaining area of both drudgery and danger, however, is the daily act ofdriving automobiles 1.2 million people were killed in traffic crashes in 2002, which was 2.1% of all globaldeaths and the 11th ranked cause of death . If this trend continues, an estimated 8.5 million people will be dying every year in road crashes by 2020. In fact, the U.S. Department of Transportation has estimated the overall societal cost of road crashes annually in the United States at greater than $230 billion. When hundreds or thousands of vehicles are sharing the same roads at the same time, leading to the all too familiar experience of congested traffic. Traffic congestion undermines our quality of life in the same way air pollution undermines public health.Around 1990, road transportation professionals began to apply them to traffic and road management. Thus was born the intelligent transportation system(ITS). Starting in the late 1990s, ITS systems were developed and deployed. In developed countries, travelers today have access to signifi-cant amounts of information about travel conditions, whether they are driving their own vehicle or riding on public transit systems. As the world energy crisis, and the war and the energy consumption of oil -- and are full of energy, in one day, someday it will disappear without a trace. Oil is not in resources. So in oil consumption must be clean before finding a replacement. With the development of science and technology the progress of the society, people invented the electric car. Electric cars will become the most ideal of transportation. In the development of world each aspect is fruitful, especially with the automobile electronic technology and computer and rapid development of the information age. The electronic control technology in the car on a wide range of
扫地机器人（自动打扫机）的设计方案 1.绪论 随着现代社会生活节奏的加快，人们或忙于工作，或享受生活，时间越来越宝贵，所以不会把它浪费在整理家务和打扫卫生方面。收入水平的不断提高使得人们对生活质量的要求越来越高，高品质的生活首先要保证居住环境的干净卫生，因此大家渴望找到一种机器人，能够智能的打扫房间卫生。 机器人作为人类20世纪最伟大的发明之一，在短短的几十年发生了日新月异的变化。近几年机器人已成为高技术领域具有代表性的战略目标。机器人技术的出现和发展，不但使传统的工业生产面貌发生根本性变化，而且将对人类社会产生深远的影响。随着社会生产技术的飞速发展，机器人的应用领域不断扩展。从自动化生产线到海洋资源的探索，乃至太空作业等领域，机器人可谓无所不在。目前机器人已经走进人们的生活与工作，机器人已经在很多的领域代替着人类的劳动，发挥着越来越重要的作用，人们已经离不开机器人的帮助。机器人工程是一门复杂的学科，它集工程力学、机械制造、电子技术、技术科学、自动控制等为一体。目前对机器人的研究已经呈现出专业化和系统化，一些信息学、电子学方面的先进技术正越来越多地应用于机器人领域。 目前机器人行业的发展与30年前的电脑行业极为相似。今天在汽车装配线上忙碌的一线机器人，正是当年大型计算机的翻版。而机器人行业的利基产品也同样种类繁多，比如协助医生进行外科手术的机械臂、在伊拉克和阿富汗战场上负责排除路边炸弹的侦查机器人、以及通过编译程序使其能做整套表演动作的舞蹈机器人，还有不少参考人、狗、恐龙等动物的模样制造机器人玩具。 扫地机器人，又称自动打扫机、智能吸尘、机器人吸尘器等，是智能家用电器的一种，能凭借一定的人工智能，自动在房间完成地板清理工作。一般采用刷扫和真空方式，将地面杂物先吸纳进入自身的垃圾收纳盒，从而完成地面清理的功能。一般来说，将完成清扫、吸尘、擦地工作的机器人，也统一归为扫地机器人。扫地机器人也是当下比较流行的一种机器人，随着不断的研究发展智能化大幅度提高，能够自我定位、感应障碍物、规划路径以及自动充电。 2.扫地机器人的技术指标 综合考虑经济型和先进性的原则，参考淘宝网在售产品，我选择了一款扫地机器人以作对比，实物如图2.1所示。该产品采用革命性清扫系统，真空龙卷大吸力（普通机器人的5倍），无毛刷设计，首创滚筒吸取器，将适配器与座充合二为一（简约、美观而且不占空间），零部件高度模块化，可自由拆卸更换，垃圾盒、独立滤网仓方便抽取和清理。
课题名称智能避障机器人设计 课题来源教师拟定课题类型EX 指导教师XXX 学生姓名XXX 学号XXX 专业XXX 一、调研资料的准备 智能避障机器人设计不仅是对所学理论知识的综合运用，同时也是锻炼了实际操作能力和自学创新能力。本次设计包含了硬件电路设计和软件电路。在硬件电路设计中我首先在图书馆和网络上查阅了一些关于智能避障机器人设计的相关电路图以及原理知识，同时参考了童诗白老先生的模拟电子技术基础，阎石的数字电子技术基础中的存储器部分，徐科军主编的传感器与检测技术中的传感器部分；在软件设计中主要参考了张毅刚的单片机原理及应用；在电路仿真中参考了赵景波所编的Prote199SE应用与实例教程；在整体电路设计中参考了万方数据和中国知网。 二、设计目的 在科学探索和紧急抢险中经常会遇到对与一些危险或人类不能直接到达的地域的探测，这些就需要用机器人来完成。而在机器人在复杂地形中行进时自动避障是一项必不可少也是最基本的功能。因此，自动避障系统的研发就应运而生。我们的自动避障小车就是基于这一系统开发而成的。 随着生产自动化的发展需要，机器人的智能化与集成度越来越高，已经越来越广泛的应用到生产生活中。伴随的科技水平的提高，机器人的能够使用的传感器种类也越来越多，其中红外线传感器已经成为机器人自动行走和驾驶的重要部件。此系统是基于红外传感器的系统，即运用红外传感器实现对前方障碍物的检测。 红外传感器的典型应用领域为自主式智能导航系统，机器人要实现自动避障功能就必须要感知障碍物，对障碍物的感知相当于给机器人一个视觉功能。在现在生活中，例如在一些火宅或者一些自然灾害的现场，经常需要进入到对一些危险或人类不能直接到达的地方进行观察，采集数据，这些就需要用机器人来完成。而在机器人在上述等环境中行进时自动避障是一项必不可少也是最基本的功能。因此，自动避障系统的研发就应运而生。自动避障小车可以作为困难环境检测机器人和紧急抢险机器人的运动系统，让机器人在行进中自动避过障碍物，帮助人们完成相应的任务。
智能避障机器人设计与研究（硬件） 摘要 在科学探索和紧急抢险中经常会遇到对一些危险或人类不能直接到达的地域的探测，这些就需要用机器人来完成。而机器人在复杂地形中行进时自动避障是一项必不可少也是最基本的功能。因此，自动避障系统的研发就应运而生。自动避障机器人就是基于这一系统开发而成的。随着科技的发展，对于未知空间和人类所不能直接到达的地域的探索逐步成为热门，这就使机器人的自动避障有了重大的意义。自动避障机器人可以作为地域探索机器人和紧急抢险机器人的运动系统，让机器人在行进中自动避过障碍物。 本文提出了一种经济实用的智能避障机器人系统设计方法，采用了小车底盘作为载体、直流电机作为执行元件、红外传感器作为检测元件、STC89C52单片机作为主控芯片、L298N作为驱动芯片和稳压电源芯片完成了检测电路设计、主控电路设计、电机驱动电路设计、稳压电路设计等硬件设计和制作，并对系统进行了仿真和综合调试，解决了一系列的难题，成功实现了自动避障功能。 关键词：智能避障机器人，红外传感器，单片机，L298N，PWM调速
THE DESIGN AND STUDY OF INTELLIGENT OBSTACLE AVOIDANCE ROBOT(HARDWARE) ABSTRACT In scientific exploration and emergency rescue often encounter some danger or human can not directly reach the area of detection, these will need to use the robot to complete. The robot's automatic obstacle avoidance movement in complex terrain is an essential and most basic function. Therefore, the automatic obstacle avoidance system development is made. Automatic obstacle avoidance robot development based on this system is made of. With the development of technology for the unknown space and mankind can not be directly accessible to gradually become a hot area of exploration, which makes the automatic obstacle avoidance robot has great significance. Automatic obstacle avoidance robot can serve as a regional exploration and emergency rescue robot system that allows robots to automatically avoid obstacles in the road. This paper presents an economical and practical design of intelligent obstacle avoidance robot system, using the car chassis as the carrier, the DC motor as the actuator, infrared sensors as detection devices, STC89C52 microcontroller as the main chip, L298N as the driver chip and regulated power supply chip to complete the detection circuit design, master control circuit design, motor driver circuit design, voltage regulator circuit design of hardware design and production. A lot of simulation and integrated debugging have been done to the system and a series of problems have been solved.
第一课、认识机器人（2课时） 教学目标 知识目标：了解机器人的概念、产生、发展、种类与应用。 技能目标：熟练利用网络查找信息和处理信息。 情感目标：培养学生对机器人的兴趣，培养学生关心科技、热爱科学、勇于探索的精神。 重点难点 教学重点：机器人的概念及应用 难点分析：机器人的概念 教学过程： 1、新课导入 21世纪被信息技术专家誉为智能机器人的时代，机器人在各行各业将得到更加广泛的应用，机器人技术综合机械工程、电子工程、传感器应用、信息技术、数学、物理、等多种学科，它代表着一个国家的高科技发展水平，例如我国首例远程遥控机器人手术就是由北京的医生通过电脑遥控着沈阳机器人“黎元”进行脑外科手术。 那究竟什么是机器人？我们要学习使用的机器人是什么样子？机器人能够做些什么？我们如何控制机器人？今天开始我一起走进机器人世界去寻找上述问题答案。 观看有关机器人的视频片段 2、教学内容 机器人的概念
各国科学家对机器人的定义有所不同，而且随着时代的变化，机器人的定义也在不断发生变化。 中国的科学家们把机器人定义为一种自动化的机器，具备一些与人或生物相似的能力，如感知能力、规划能力、动作能力、协同能力等，是一种具有高度灵活性的自动化机器，它的外形不一定象人。 判断一个机器人是否是智能机器人我们可以根据下面三个基本特点：（1）具有感知功能，即获取信息的功能。机器人通过“感知”系统可以获取外界环境信息，如声音、光线、物体温度等。 （2）具有思考功能，即加工处理信息的功能。机器人通过“大脑”系统进行思考，它的思考过程就是对各种信息进行加工、处理、决策的过程。 （3）具有行动功能，即输出信息的功能。机器人通过“执行”系统（执行器）来完成工作，如行走、发声等。 机器人的产生、发展、种类与应用 对这些内容请大家以小组合作的形式通过互联网、光盘等媒体检索信息，并设计一个关于机器人的有关知识的演示文稿。 1）成立小组，分工合作，制定活动计划。 小组成员 （2）确定“机器人世界探索”活动的探索主题，构建问题框架。（3）评价要求 （1）展示 在小组内展示“机器人世界探秘”项目。
本科毕业设计 题目扫地机器人的设计 学院工业制造学院 专业机械设计制造及其自动化 学生姓名 学号年级11 指导教师职称讲师 2015年4月27日
扫地机器人的设计 专业：学号： 学生：指导教师： 摘要：机器人是一种能够模仿人类动作的机器，它可以完成许多对人类来说危险且单调的工作，机器人让人类从繁重、单调的工作中解脱出来。它们从事固定而有规律的工作，例如工业生产中的焊接、喷漆等等。 本文主要设计的是扫地机器人的设计，该机器人采用统一动作、协调控制的原则，通过电机带动动力轮实现扫地机器人的运动，通过中控系统的控制来实现扫地机器人的动作，由于是中控系统控制，所以控制灵活，多样。通过控制器来控制机器人的动作，实现该机器人清扫、除尘的功能。关键词：扫地机器人；控制；结构；清扫
The design of sweeping robot Specialty：Student Number： Student：Supervisor： Abstract：The overall scheme of this paper to the electric push rod as the main component to design manned three degree of freedom triangular robot. The mechanism adopts the unified action, the coordinated control principle, by opening the travel of the push rod to realize the robot foot movement, to achieve a manned with three degrees of freedom robot motion control in the triangle by control system, the control system to control, so the control of flexible, multi sample. People can sit on the robot, the controller is adopted to control the robot's movement, the realization of some people rely on their own to complete the function of the leg muscles. Must regard as the machine design is the machine design personnel carries on using creative ability the product design, the system analysis and a formulation product manufacture technology good opportunity. Key words：Machine manufacture;Crankshaft;Processing craft;Fixture;