会走迷宫的机器人——控制系统的设计

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机器人手臂控制系统的设计与研究

作者：吴学礼等

来源：《河北科技大学学报》2014年第04期

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摘 要：机器人在工业上已经取得了非常大的进步，尤其是视觉传感器的应用对于机器人的智能化有很大的帮助。基于DMC5480运动控制卡，通过视觉处理系统实现了RS232串行通信，设计了一套可识别机器人手臂的精准定位系统，详细研究了控制系统硬件，规划了控制系统控制策略，编写了上位机操作软件。最后设计了一套带视觉识别的象棋机器人手臂。实验结果表明，机器人手臂可以代替人手功能在工作区域内沿任意轨迹运动。

关键词：视觉识别；机器人手臂；DMC5480运动控制卡；伺服控制

中图分类号：TP391.4 文献标志码：A 龙源期刊网

目前，国内外学者很少把机器人手臂应用到中国传统的娱乐项目上，如中国象棋[1]。而中国国内对娱乐机器人的开发与研究也处于起步阶段，如何应用机器人手臂代替人的手臂来实现下棋是本文主要解决的问题。基于以上问题研究了一种基于DMC5480运动控制卡的开放式结构机器人控制系统，在高速，高精度，多轴联动等方面具有很大优势，并且加入了视觉识别部分，功能更加完善，具有很大的优越性。

机器人大多拥有多个运动轴，并且大部分是多轴实时联动的运动控制系统。经典的机器人控制系统大多采用的是封闭式体系结构，采用专用的计算机结合单片机构成控制回路[2]。该体系结构下的控制器很难在速度快、精度要求高的条件下完成工作，同时多轴同步运动控制也存在技术难题。除此之外还有一系列缺点，包括使用成本大多数很高，需要很长的开发周期，很难升级换代，添加新功能不容易等。以上缺点限制了机器人的工作场合和应用范围。

1 视觉识别部分

人类获得外界的信息有很多种方式，但其中有80%是来自于视觉图像信息的，主要包括图像、形状、文字、视频等。计算机的迅速发展，使得人们很容易地利用计算机来获取图像与处理视觉信息[3-8]。图像处理技术是一门复杂的学科，它包括视觉图像获取和对图像的加工处理。如今越来越多的人开始关注视觉图像技术，图像技术大致有3个层次：图像处理、图像分析和图像理解。对图像分割以改善视觉效果是图像处理主要完成的部分。图像分析则是把原来以像素描述的图像转变成简洁的非图形式的符号描述，主要应用图像分割和特征提取。图像中的目标和它们之间的联系则是图像理解所要研究的，其所采用的处理方法大多数参考人类的思维推理，两者非常类似。在机器人视觉伺服的研究中，要用到图像的分析以及对图像的理解，即对图像的分割以及对图像中目标的识别。

总第２２１期　２００８年第３期　计算机与数字工程　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ＆Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｖ０ｌＪ　３６　Ｎｏ．３　１１６　

基于微控制器Ｈ８／３０５２的迷宫机器人设计与实现　

吕强王珂珂王国胜　（装甲兵工程学院控制工程系　北京　１０００７２）　摘要对迷宫机器人控制系统进行研究，分析使用各种单片机对迷宫机器人进行控制的利弊，给出一种基于Ｈ８／　３０５２的迷宫机器人控制系统的实现方案。采用Ｈ８／３０５２芯片作为核心控制器后，不仅简化系统外围设备，降低系统的损　耗，而且提高系统的准确性，获得更好的控制效果。详细描述基于Ｈ８／３０５２的迷宫机器人控制系统组成的各个模块的硬件　实现，并给出相应的软件设计方案。　关键词迷宫机器人控制系统Ｈ８／３０５２　中图分类号ＴＰ２４２．６　１　引言　迷宫机器人属于自律机器人，内部装有微处理　器和传感器。迷宫机器人大赛是机器人大赛中历　史最悠久的赛事之一。由于比赛前并不知道迷宫　的线路，而且当线路公开后也不许选手将线路的通　过方法输入给机器人，因此机器人必须具备自己识　别迷宫路线的能力　Ｊ。同时，考虑到机器人的尺　寸限制、功耗等因素，选择一个功能齐全的控制器　是非常重要的。目前国内外机器人队选用的ＣＰＵ　主要有以下几种：　８９Ｃ５１或８９Ｃ５２、８０Ｃ１９６ＫＣ、８０Ｃ２９６ＳＡ、Ｈ８系　列和ＴＭＳ３２０系列　。　采用低档次的ＣＰＵ，开发难度小，但是芯片速　度较慢，并且没有硬件可以生成ＰＷＭ波。性价比　适中的是８０Ｃ１９６ＫＣ单片机。现在国际上用得最　多的是３２位的８０Ｃ２９６ＳＡ处理器，它的处理速度　更快，并且带有数字信号处理的硬件结构。本文采　用Ｒｅｎｅｓａｓ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ公司生产Ｈ８／３０５２芯片作为　控制芯片。该芯片具有卓越的处理能力及电机控　制的外围部件的集成，使之为迷宫机器人提供更优　秀的设计方案　。　２控制系统的结构及工作原理　迷宫机器人主要是基于自动导引小车（ＡＧＶ　—ａｕｔｏ—ｇｕｉｄｅｄ　ｖｅｈｉｃｌｅ）的原理，实现小车识别路　线，判断并自动规避障碍，选择正确的行进路线。　路线识别方式采用反射式光电传感器感知墙壁，驱　动电机采用步进电机。迷宫机器人控制系统结构　框图，如图１所示。　ＲＳ２３２串口　

“走迷宫的机器人”设计与制作

走迷宫的机器人是移动机器人路径规划算法的典型应用，在国际上迷宫机器人一直是控制领域和计算机领域的研究热点问题，文章结合迷宫机器人走迷宫的实际特点，对机器人走迷宫的一些算法进行了研究和改进，从而实现了机器人在无人为干预下自主走迷宫的目标。

标签：迷宫机器人；单片机；数据通信；智能化

1 走迷宫的机器人设计的目的

随着科学技术的高速发展，國内的教育和科研机构也日益关注机器人事业，有关科研工作在深度和规模上逐渐提高。一些著名高校基本形成了完整的研究体系，对推动高校的科技创新和产学研一体化产生了重要作用，因此我们将设计一种机器人，能够在迷宫中寻找出最短路径。

2 走迷宫的机器人系统设计

本设计以STC89C52单片机系统为控制中心，通过4路红外电路检测黑线，并保证小车能够按照黑线前行，而当单片机检测到需要转向的传感器信号时，单片机通过改变PWM波的占空比来调整小车两侧的电机转速，从而使其两侧轮产生速度差，以实现小车的转向。同时超声波探测周围障碍物，并通过WIFI模块实时传输给计算机。小车遍历整个迷宫区域，同时计算机绘制出迷宫概况，并用递归算法计算出最短路径。

3 走迷宫的机器人硬件设计

3.1 总体硬件结构图

说明：小车以STC89C52单片机控制器，采用红外传感器及其处理模块实现对黑线的循迹；通过单片机产生PWM波对电机进行驱动并通过转速对小车的方向和速度进行控制；用WIFI模块将小车周边障碍物情况传送给电脑，电脑经过运算后将最优路径传输回小车。数据采集系统以单片机为控制核心，模拟实况、算法分析由计算机完成。

3.2 微处理器的选择

单片机我们选用STC89C52，该单片机是宏晶公司推出的新一代单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机；内部集成512字节RAM，具有EEPROM功能和看门狗功能，可上电擦除；通用I/O口32个，3个16位定时器/计数器，且功耗低。对于该项目，晶振不能采用常用12兆晶振，否则通信时便会产生积累误差，进而产生波特率误差，影响通信的同步性。采用11.0592兆晶振可以得到非常准确的数值，方便通信。

目录

摘要 ....................................................................... 2

1、 课程设计的H的及要求 .................................................... 3

2、 题目分析 ................................................................ 3

1.1功能分析 ............................................................ 3

1.2性能需求分析 ........................................................ 3

1.3算法分析 ............................................................ 3

3、 系统设计 ................................................................ 4

3」系统整体设计 ........................................................ 4

3.2锁件设计 ............................................................ 6

3. 2.1硬件结构设计 .................................................. 6

3. 2.2传感器组设计 ................................................... 6

3. 2.3电机驱动电路设计 ............................................... 7