制作循迹机器人

第二章第5节循迹机器人的制作一、教学目标：知识与技能：（1）能够理解轨迹变量四个值的含义；理解高速电机模块左右电机参数值与机器人左转、右转及直行三种状态的关系。

（2）能使用多重分支结构编写出机器人循迹的程序；过程与方法：（1）通过网络学习平台，自主学习轨迹识别传感器的相关知识，完成课堂小测。

再把程序设计思路通过组间进行交流，最后通过小组合作探究尝试编写机器人走轨迹的程序，从而使学生掌握编写机器人循迹程序的多种方法。

（2）采用任务驱动的方法，通过网络学习平台自主学习、小组协作，并在教师引导下，理解循迹机器人的算法和仿真方法。

并通过教师和组长评分的方式，激发全体学生的学习积极性和主动性。

情感态度价值观：（1）通过自主学习轨迹识别传感器的知识以及编写循迹机器人的程序等课堂环节积极参与学习活动，善于动手和创新。

（2）通过小组合作学习，共同寻找循迹机器人的编程仿真方法，培养合作精神和团队精神。

（3）在组间交流活动中，用自己的编程思路积极与其它同学思想碰撞，并善于思考和分析，归纳总结，体验成功。

二、教材分析1、本节的作用和地位本课通过完成“机器人沿着轨迹走”任务，来学习一种新的数字传感器——轨迹识别传感器，它的两组红外发射、接收管让它成为了一种特殊而丰富的数字传感器，因此，学生需要掌握多分支即多重嵌套的程序设计方法，从而提高了自己的程序设计水平。

2、本节主要内容介绍为了更好地理解轨迹变量四个值的含义，需要学生了解轨迹识别传感器的工作原理。

此外，轨迹机器人的判断、决策，需要用到多重条件判断结构，让学生学会在仿真界面中完成循迹机器人的程序设计，从而掌握轨迹识别传感器的应用方法。

关于循迹机器人的实物搭建以及轨迹识别传感器的硬件应用将在下一课时“寻宝机器人”进行学习。

3、重点难点分析教学重点：循迹机器人的程序设计；轨迹识别传感器的几个变量值的含义。

教学难点：使用多重分支结构让机器人检测轨迹识别传感器的状态，明确左转，右转，直行。

全国大学生电子设计竞赛自动循迹小车摘要摘要：本设计主要包括信号检测模块、主控模块、电机驱动模块。

信号检测模块采用LCD1314电感数字转换器，通过IIC总线与从机通信从而实现循迹和检测硬币。

主控电路采用MC9S12SX128单片机为控制芯片。

电机驱动模块采用L298N 专用电机驱动芯片。

信号检测模块将采集到的路况信号发送给MC9S12SX128单片机，经单片机处理过后对L298N 发出指令进行相应的调整。

单片机通过输出PWM波和对LDC1314采集的信息进行处理，来控制小车的速度及转向并实现自动循迹的功能。

关键词：智能小车，MC9S12SX128，L298N IIC总线ldc1314目录一、系统方案论证 (4)1．系统结构 (4)2．方案论证比较 (4)(1)微控制器模块 (4)(2)电机模块 (4)(3)电机驱动模块 (4)(4) 显示模块 (5)(5) 电源模块 (5)二、测控方法分析 (5)1．控制算法分析 (5)2．运动控制分析 (6)三、系统电路设计 (7)1．系统结构 (7)2．电路设计 (7)四、系统测试与分析 (8)1．测试方案 (8)2．测试条件与仪器 (8)3.测试结果 (8)(1)基本一测试 (8)(2)基本二测试 (8)(3) 基本三测试 (8)五、测试分析与结论 (9)参考文献 (9)附录1：部分源程序 (10)自动循迹小车（C题）【本科组】一、系统方案论证1．系统结构系统以MC9S12XS128单片机为主控器，以5110显示屏、L298N驱动模块、直流电机分别实现转速、时间、距离显示、驱动等功能。

使用C语言编写程序，通过速度编码器检测并读出车轮的转速，并通过触摸按键选择系统的转速模式，实现不同速度的调节。

2．方案论证比较(1)微控制器模块方案一：MC9S12XS128单片机飞思卡尔官方函数库应用简便，开发周期短，速度和功耗方面优势明显。

方案二：51单片机指令集简便，超低功耗，熟练使用开发周期长。

目录课程设计（论文）任务书 (Ⅰ)课程设计（论文）成绩评定表 (Ⅲ)中文摘要............................................................... .. (VI)1 设计任务描述 (1)1.1 设计题目 (1)1.2 设计要求 (1)1.2.1 设计目的 (1)1.3 基本要求 (1)2 设计思路 (2)3 软件流程图 (3)4 各部分模块设计和选取 (4)4.1 机械结构方案设计 (4)4.1.1 车模结构特点 (4)4.1.2车模转向舵机机械结构的设计 (5)4.1.3电路板 (6)4.2视频信号采集方案 (6)4.2．1采集分析 (6)4.2.2 采集时序 (7)4.2.3 中断分析 (8)5硬件电路系统设计与实现 (10)5.1 硬件电路设计方案 (10)5.2硬件电路的实现 (10)5.2.1 以S12为核心的单片机最小系统 (10)5.2.2 主板 (11)5.2.3 电机驱动电路 (13)5.2.4 摄像头 (13)5.2.5 速度传感器 (13)6 循迹小车软件设计 (15)6.1 路径识别与自适应阈值计算 (15)6.2 抗干扰处理 (15)6.3 算法实现 (16)6.3.1 偏航距离的计算 (16)6.3.2 偏航角度的计算 (16)6.3.3 曲率的计算 (16)6.4 速度PID算法 (16)7 模型车的主要技术参数 (18)8元器件清单 (19)小结 (20)致谢 (21)参考文献 (22)附录A软件流程图................................................ 错误!未定义书签。

1 设计任务描述1.1设计题目循迹机器人设计1.2设计要求1.2.1 设计目的1）了解机器人技术的基本知识以及有关电工电子学、单片机、机械设计、传感器等相关技术。

2）初步掌握机器人的运动学原理、基于智能机器人的控制理论，并应用于机器人的设计中。

Pi Bot 循迹机器人循迹机器人是一种能够自动按照给定路线进行移动的机器人，它是一个实现路面探测、障碍检测、信息反馈和自动行驶的技术综合体。

循迹机器人在军事、民用和科学研究等方面已得到了广泛的应用。

例如自动化生产线的物料配送机器人，医院的机器人护士，商场的导游机器人等。

在本课中，我们可以对PiBot 小车进行编程，实现一个自动沿黑线行走的循迹机器人。

一、红外循迹传感器为了实现PiBot 的自动循迹功能，我们应当使用“红外循迹传感器”。

“红外循迹传感器”有两个间距为2cm 的红外探测器，负责发射和接受红外线，利用红外线在不同颜色物体表面具有不同反射强度的特点，在小车行驶过程中不断的向地面发射红外光，当红外光遇到白色纸质地板时发生反射，反射光被装在小车上的接收管接收；如果遇到黑线则红外光被吸收，小车上的接收管接收不到红外光。

因此，我们利用这种原理来判断外界的颜色是黑色还是白色。

通过循迹让小车能够沿着黑线（粗线或细线）运行，地图如图1所示：1. 学习红外循迹传感器的原理及使用方法；2. 学习黑线轨迹探测的方法和技巧；3. 编程实现能够沿黑线自动运行的机器人。

自动避障车乱跑，一点也不乖，怎么能让它乖乖按照设定的路线运行呢？做一份循迹地图，通过编程命令小车按照地图的规划前进就能轻松实现啦！图1 循迹地图小车循迹运行的基础是检测前方纸片是黑色还是白色。

图2 红外循迹传感器如图2所示，在红外循迹传感器上有1和2两个编号，分别对应了1号探测器和2号探测器，它们能够感知探测器下方区域为黑色还是白色，现在将PiBot放在地图上，让前方的“红外循迹传感器”探头分别对准白色区域和黑色区域，观察1和2号探测器状态指示灯的状态。

（探测器在黑色区域时灯灭，在白色区域时灯亮，如果状态不对，则需要用十字螺丝刀转动电路板上的黑色旋钮来调节探测器的敏感度）。

图3 探测器循迹示意图如图3所示，根据实验的反馈，可以得到结论：当---------小车应该直行；当--------------小车应该左转；当--------------小车应该右转；当------------小车需要停止。

专业综合实验实验报告项目：自动循迹机器人的设计制作班级：电135班姓名：学号：学期：2016-2017-1一、实验过程记录调试步骤及方法1.1实验过程记录本人在这次实验中负责程序设计及调试工作,本次实验过程主要包括自动循迹机器人数字模型的建立与仿真设计、电路板的焊接、机器人安装与调试四个过程。

1.1.1自动循迹机器人数字模型的建立本次实验的原理主要是通过对机器人的内、外侧电机的控制来实现对机器人速度和行进方向的控制，即通过主控制器对电机的控制来实现本次实验的目的。

为了更好进行硬件设计，我们先建立系统的数学模型，来模拟机器人运动过程中会出现的情况以及定量分析所得到的结果。

本次实验建模我们采用混合法。

实验硬件电路设计中，我们采用的四轮结构，驱动系统采用两轮差速驱动方式，后两个轮主要配合实现速度，前轮主要实现方向的确定，假设两侧车轮的运动方向相同，因而建模中不分前轮后轮，只区分内侧车轮和外侧车轮。

假定左右两个驱动轮与地面之间没有滑动，也没有侧移，只是做纯粹的滚动，则机器人满足钢体运动规律。

仿真软件为MATLAB，实验中建立的数学模型如图1所示，采用一般PID器进行模拟机器人自动循迹的矫正，其中PID参数为：P=200，I=10，D=50，输出口2、5输出机器人内、外轮的理论转速变化曲线，输出口3、6输出应该给电机的PWM波变化波形，输出口4、7输出机器人内、外轮的实际转速的变化曲线，输出口1输出机器人的偏角的变化波形。

图1机器人的数学模型1.1.2仿真设计机器人的数据如下图2所示，机器人的车身宽度为0.15，长度0.22，初始速度为1.3m/s。

利用MATLAB 软件绘制仿真图，利用写字板将全部程序转换成.HEX 文件，载入后就可以进行仿真，使得最终偏角变为0，同时其他六个输出口都会输出相应的波形，由仿真结果可知，当传感器电路检测到当前的位置，将数据传送到单片机，单片机将通过定时器中断函数给两侧驱动电机输出符合实验要求的PWM 波，来控制内、外侧车轮的速度，实现电机的转向控制。

1 设计任务描述1.1 设计题目：循迹机器人设计1.2 设计目的（1）了解机器人技术的基本知识以及有关电工电子学、单片机、机械设计、传感器等相关技术。

（2）初步掌握机器人的运动学原理、基于智能机器人的控制理论，并应用于机器人的设计中。

（3）通过学习，具体掌握循迹机器人的控制技术，并使机器人能独立执行一定的循迹任务。

1.3 基本要求（1）要求设计一个能循迹(白底黑线或黑底白线，线宽25mm)的机器人；（2）要求设计机器人的行走机构，控制系统、传感器类型的选择及排列布局。

（3）要有循迹的策略（软件流程图）。

1.4发挥部分2 设计思路这次课设我设计的是循迹机器人，自动循迹测距机器人主要由六个模块构成：车体框架、电源、主控模块、逻辑模块、探测模块、电机驱动模块组成。

（1）车体框架。

突出特点为四轮驱动，四轮独立悬挂；（2）MC9S12X128主控制器。

系统采用112脚的MC9S12XS128MAL，该单片机具有ECT模块，2个SPI模块，8路16位计数器，4路外部事件触发中断输入端口，8路PWM，16路10位AD，转换时间约为3us；（3）传感器模块。

光电发射管发射出光，经过赛道的反射回来，由于白色平面和黑线反射光强度不同，不同位置上的光电接收管接收到强弱不同的光，因此可以判断出黑线相对小车的位置。

这种检测的方法明显的优点是检测速度快，检测的方法简单，成本相对低廉。

使用一字线激光器发射强大光线，用13个光敏传感器采集路面信息，将信号反馈给控制单元，由控制单元判别黑线位置以控制车的速度、转向和制动；（4）电机驱动模块和速度控制模块。

根据码盘反馈信号，用MOS管搭建的桥式驱动电路驱动电机的运转状态，形成闭环控制，对电机的速度机型准确快速的调节；（5）转向控制模块。

根据路面信息，准确地控制转向舵机的转角；（6）刹车模块。

使用伺服舵机构成刹车装置，使智能车在转弯时两轮差速，更及时地转向；（7）人机交互模块。

我们使用拨码开关调整智能车的运行参数，并用液晶将车的运行状态显示出来。