毕业设计论文超声波导航履带式移动机器人小车的研究设计.docx

本设计的研究内容是超声波导航履带式移动机器人小车的研究设计，其核心内容是应用单片机控制电机实现机器人小车的左转弯、右转弯、前进和停止等动作。论文内容包括四个部分：简要介绍了移动机器人研究背景、意义、现状及发展前景,超声波导航履带式移动机器人小车的设计原理及方案，机械部分的结构设计，控制系统设计和视觉系统设计。论文详细地介绍了移动机器人机械部分的结构设计。设计小车利用履带式底盘作为机械装置，采用双驱控制，加装超声波传感器、控制电机，编码器等装置实现对电动车的速度、位置、运行状况的实时测量，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的各种数据实现对电动车的智能控制。主要设计内容包括：1 .机械结构设计：机器人采用两轮独立驱动的履带结构，动力源采用直流无刷电机,减速和传动装置采用齿轮传动，利用差速移动平台实现机器人的转向，选用增量式光电编码器进行对机器人速度的检测，实现机器人的定位。2 .控制结构设计：控制部分采用AT80F51型号单片机进行接受命令和产生驱动信号，电机的驱动部分采用1298控制芯片，芯片利用接受到的单片机发出的信号来控制电机的转速。3 .传感器部分：利用超声波传感器，送至上位机进行声波处理关键词：移动机器人，运动控制，单片机控制，超声波系统AbstractThedesignofthestudycontentisU1trasonicnavigationofmobi1erobotcarUSESthecorecontentofstudydesign,app1icationofsing1e-chipmicrocomputercontro1motoristherobotcarturn1eft,right,forwardandstopsuchaction.Inc1udesfourparts:thepaperbrief1yintroducedthemobi1erobotresearchbackground,significance,thepresentsituationanddeve1opmentprospect,visua1navigationcraw1ermobi1erobotcardesignprincip1esandschemesofthestructuredesign,mechanica1parts,contro1systemdesignandvisua1systemdesign.Paperintroducedindetai1themobi1erobotmechanica1partsofthestructuredesign.Carchassisdesignusingamechanica1deviceUSES,adoptdoub1edrivecontro1,addtheU1trasonicnavigation,contro1motor,e1ectriccodertothedevicesuchasposition,ve1ocity,theoperationconditionofrea1-timemeasurement,andthemeasureddatatransferprocess,thenbysing1e-chipmicrocontro11eraccordingtotestdataofinte11igentcontro1ofe1ectriccars.Maincontentsinc1ude:1 mechanica1structuredesign:usetworoundsindependentrobotsdrivenbycaterpi11arstructure,brush1essdemotorfore1ectricpowertransmissiondevice,thedece1erationandbyusingdifferentia1gears,mobi1erobot'sp1atformtochoosetheso1id-axesphotoe1ectricencoderandthedetectionrateofrobot,robot1oca1ization.2 contro1structuredesign:thecontro1partAT80F51sing1e-chipmode1foracceptordersandproduce,motordriverdrivesigna1contro1chip,1298partadoptschipusingSCMtoreceivesigna1stocontro1motorspeed.3 parts:usingvisua1sensorsensor,sendimagessupremeimageprocessingmachineKeywords：Mobi1erobot,motioncontro1,thesing1e-chipmicrocomputercontro1,theU1trasonicsystem目录摘要1ABSTRACT21 绪论41.1 机器人的研究背景及意义41H机器人的研究背景41.1.2研究机器人的意义51.2移动机器人的发展现状52总体方案的确定62.1 机械部分62.1.1 电动机的选择.62.1.2 传动装置的确定.82.2 控制部分的确定92.3 传感器类型的确定113机械部分设计133.1 参数的确定133.2 减速系统的设计143.2.1 齿轮的设计.143.2.2 轴的设计.164控制与传感装置的设计284.1 控制与运动思路284.1.1 机器人控制的总体思路.284.1.2 机器人运动的总体思路.284.2 单片机控制系统294.2.1 AT80F51单片机294.2.2 复位电路设计.294.2.3 稳压芯片.304.3 电机驱动电路系统304.3.1 电机驱动芯片.304.3.2 电机驱动电路.314.4 超声波测距算法314.4.1 超声波应用的可行性31442超声波的产生和接收.324.4.3 超声波的产生32444超声波的接收.334.4.5 超声波的传输特性344.4.6 超声波测距原理.344.4.7 计算超声波传播时间.354.4.8 渡越时间测量法35结论36致谢37参考文献38附录39英文资料39中文翻译451.1机器人的研究背景及意义1.11机器人的研究背景机器人技术的发展是一个国家高科技水平和工业自动化程度的重要标志和体现。机器人在当前生产生活中的应用也越来越广泛，因此几乎每一个领域都应用到了机器人。移动机器人是机器人学中的一个重要分支，早在60年代，就己经开始了关于移动机器人的研究。关于移动机器人的研究涉及以下几个方面：1移动机器人的移动方式，可以是轮式的或履带式的。根据负载大小、移动灵活性要求等方面确定移动方式。2移动机器人导航和路径规划，对于后者有更多的方面要考虑如特征提取。3移动机器人驱动器的控制，以使机器人达到期望的行为。各种控制器（如单片机、P1C、PC机等）作为控制装置应用于移动机器人，对移动机器人的驱动器进行控制。因此，移动机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统。对移动机器人的研究，提出了许多新的或挑战性的理论与工程技术课题，引起越来越多的专家学者和工程技术人员的兴趣。目前许多高校和科研单位对移动机器人的导航与定位进行了深入的研究，并且随着传感器技术的迅速发展，移动机器人的导航、避障能力也不断得到提高，常用的传感装置主要应用红外传感器或超声波传感器做为传感检测装置，本毕业设计中移动机器人就采用了超声波传感器做传感检测装置。1.1.2研究机器人的意义研究移动机器人的意义是重大的，除了提高生产或工作效率外还有其它方面的意义，例如：1机器人可以把人从有毒的、有害的、高温的或危险的环境中解放出来。2不知疲倦的重复做乏味的工作，同时保证工作效率。3在人类不能进入的环境（太空、深海）做一些人类不能做的工作。由此看来，大力发展机器人技术是将人从各种恶劣工作条件下解放出来的一条必由之路。1.2移动机器人的发展现状移动机器人的发展经历了三个阶段：第一阶段为可编程示教再现型机器人，其特征是机器人能够按照事先教编制的程序进行重复工作，第二阶段是具有一定的感觉功能和自适应能力的离线编程机器人，第三阶段是智能机器人，这种机器人带有多种传感器，能够将多种传感器得到的信息进行融合，能够有效的适应变化的环境，具有很强的自适应能力、学习能力和自治功能。就目前移动机器人的发展来看，国内外的主要研究对象为智能型的移动机器人，这些智能机器人在移动能力、自主性、专业性和对环境的适应性等方面非常先进，但这些方面的提高依赖于其控制系统和传感检测系统性能的提高。国外对智能机器人的研究主要有着几个方面，管道机器人、水下机器人、空中机器人、仿人机器人等。管道机器人是一种可沿细小管道内部或外部自动行走、携带一种或多种传感器即操作机械，在工作人员的遥控操作或计算机自动控制下进行一系列管道作业的机电一体化系统。水下机器人是以进行水下搜救或海底探测为目的的机器人，通过工作人员的远程遥控对其进行控制，它想一艘微型的探测潜艇进入水下，利用各种传感装置收集所需信息。空中机器人大致分为两类，仿昆虫型的飞行器和微型飞行器。它们在通信、气象、灾害监测、军事等方面的应用的非常广泛。目前，日本和美国在空中机器人的研究技术上走在前列。仿人机器人是一种模拟人智能型移动机器人，它不仅模仿人的生理特征，而且模拟人的思维推理方式，此外，国外许多研究机构也对机器人如何拥有人的情感进行了研究。我国对于现代机器人研究和开发始于20世纪70年代，从80年代中期进入快速发展阶段，但总体上仍然处于一个非常落后的水平。现在国家科技攻关计划、国家高技术研究与发展计划等都将机器人的研究和开发列为重点。相信在不远的将来，我国的机器人技术将会有一个非常大的飞跃。2总体方案的确定2.1 机械部分2.1.1 电动机的选择控制电动机是移动机器人的动力部件，它是将电能转化为机械能的一种能量转换装置。控制电动机有着在很宽的速度和负载范围内进行连续、精确控制的能力，因而能用于移动机器人的驱动装置。常用的控制电动机有步进电动机、交流伺服电动机、直流伺服电动机，现将各电动机进行介绍和比较。1、各电动机的介绍（1）步进电动机步进电动机是将电脉冲控制信号转换成机械角位移的执行元件。每接受一个电脉冲，在驱动电源的作用下，步进电动机转子就转过一个相应的步距角。转子角位移的大小及转速分别于输入的控制电脉冲数及其频率成正比，并在实践上与输入脉冲同步，只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电机绕组的通电相序即可获得所需的转角、转速及转向，所以用微机很容易实现步进电动机的开环数字控制。步进电动机的特点：1）转速可由脉冲信号的的频率控制，输出角位移和脉冲数成正比。2）转向可由通电相序改变3）步进电动机工作状态不易受各种干扰因素影响。4）易于直接与微机的I/O接口。5）步进电动机具有自锁功能，只要维持绕组通电电动机就可以保持在固定位置。采用步进电动机作动力部件，通过控制装置对其转速和转向进行控制，通过功率放大器或其它装置将其弱电信号放大来驱动步进电动机。（2）交流电动机交流伺服电动机采用了全封闭无刷结构以适应实际生产环境，它不需要定期检查和维修，其定子省去了铸件客体、结构紧凑、外形小、重量轻（只有同类直流电动机重量的75%90%）o定子铁心较一般电动机开槽都且深，围绕在定子铁心上，绝缘可靠,磁场均匀。可对定子铁芯