南京理工大学电力系统自动装置论文学院(系):自动化学院题目: 小型轮式移动机器人控制系统设计李胜指导老师：摘要由于传统单任务顺序执行机制不能满足智能轮式移动机器人对控制系统实时性的要求，而且对于复杂系统来说可靠性不高。

所以本项目重点设计一套适用于小型轮式移动机器人的控制系统，要求其实时性好，可靠性高，具有灵活的可扩展性和可重构性，以提高它各项功能的响应速度（包括制动、加速、减速、爬坡等）。

本文设计的控制电路实现的传感器功能包括红外传感器、光敏传感器、碰撞传感器等。

控制电路实现对两个直流电机的驱动控制。

机器人采用这样的控制电路可以完成诸如自主避障、自主循迹等实验。

使得轮式移动机器人的实时性好，可靠性高，且因为外部接口具有同用性，故具有灵活的可扩展性和可重构性。

最后对电路进行了调试，证明其满足要求关键词轮式机器人控制系统调试目录1 绪言------------------------------------------------------------------031.1 机器人简单知识的介绍-----------------------------------------------03 1.2课题背景-------------------------------------------------------------------------------------------------031.3课题来源及目的---------------------------------------------------------------------------------------041.4 论文主要内容------------------------------------------------------042 小型轮式移动机器人控制电路的总体设计----------------------------------04 2． 1 需求分析-----------------------------------------------------------------------------------------------------------042．2 机器人功能的总体结构----------------------------------------------05 3 具体设计-------------------------------------------------------------053.1Protel电路设计软件简介----------------------------------------------053.2 控制电路的总体设计------------------------------------------------063.3各模块具体介绍------------------------------------------------------073.4 实验用移动机器人控制电路的PCB图----------------------------------184 机器人控制电路的调试-------------------------------------------------194．1 直流电机功能调试结果----------------------------------------------194．2 红外传感器电路调试结果--------------------------------------------224．3 光敏传感器调试结果------------------------------------------------224.4 碰撞传感器调试结果-------------------------------------------------23结论 ------------------------------------------------------------------24感谢 ------------------------------------------------------------------24附录控制电路实物图------------------------------------------------------25参考文献--------------------------------------------------------------261绪言1.1 机器人简单知识的介绍移动机器人的结构由几个主要部分组成[1]，如图1.1。

机械结构：相当于移动机器人的骨架，包括基座、支架等，用来物理支撑其他组成部分[2]。

执行机构：相当于移动机器人的手脚，用来提供运动的动力，常用的有电动、液压和气动，运用最多的是电机[3][4]。

传感器：相当于移动机器人的感知器官，分为外部传感器和内部传感器。

内部传感器可用来感知机器人各个部件的位置和姿态等，如GPS、陀螺等；外部传感器用来获取环境参数，如红外传感器、光敏传感器、力检测器等[5]。

控制器：相当于移动机器人的大脑，处理机器人上传感器反馈来的信息，综合判断分析后，发出控制信号给执行机构执行。

软件系统：相当于移动机器人的记忆和知识，用来指导控制机器人的运动方式。

传感器机械结构控制器软件系统执行机构传感器图1.1机器人的组成结构1.2课题背景目前世界上最先进的机器人属于第三代机器人，既所谓的智能机器人。

这类机器人上配有多类传感器，能够感知环境中更多类型的信息，具备了更多的功能。

它就像一个人类一样，具备视觉、力觉、触觉、听觉等，甚至能进行语言对话。

这类机器人将各个传感器传递来的信息进行综合处理（多传感器的信息融合），更为有效地适应环境的变化，同时还具备一定的自学自治能力。

功能的多样化也就势必对控制系统提高了更高的要求。

需要控制系统能够实时地接受外部的信息，快速做出反应。

同时可靠性也要足够得到保证。

而且考虑到推广性和经济性，要求控制电路能够具有很好的灵活性和可扩展性。

所以本课题就是在这样的背景下开展起来的。

致力于设计一套适用于小型轮式移动机器人的控制系统，要求其实时性好，可靠性高，具有灵活的可扩展性和可重构性，以提高它各项功能的响应速度（包括制动、加速、减速、爬坡等）。

1.3 课题来源及目的本课题是南京理工大学自动化学院针对轮式移动机器人，提出设计一款实时性好，可靠性高，灵活性强的移动机器人控制电路。

电路提供的外部接口能够直接匹配机器人的电源、传感器、直流电机、编码器、LCD等。

1.4 论文主要内容论文包括了控制电路的设计原理图，模块设计思路，以及对该电路的功能进调试的波形图。

从调试结果论证了电路的有效性。

第一部分简单介绍了移动机器人的组成部分，本课题的背景、来源和目的。

第二部分主要介绍了整体的设计思想，包括需求分析、总体设计及工作原理等第三部分分功能模块详细介绍控制电路的原理图及其分析，为本文的核心内容。

第四部分分功能模块对控制电路板进行调试，通过实验测量及观察电路波形，论证成品的有效性。

2 小型轮式移动机器人控制电路的总体设计2.1 需求分析结合机器人的组成结构，以及对控制系统实时性，可靠性，以及灵活性的要求。

采用从顶至下的设计思想，本文主要从以下几个方面来完成对控制系统的设计。

1）微控制器（MCU）：包括MCU芯片工作的外围电路。

2）执行机构：包括电机驱动电路等。

3）电源：用于给各个芯片供电和供给电机电能。

4）传感器：包括红外传感器、光敏传感器、碰撞传感器等。

2.2机器人控制电路的总体结构微控制器（MCU ）传感器模块红外传感器光敏传感器碰撞传感器麦克风光电码盘电机驱动电路电源模块动力电源控制电源扬声器驱动电路串口通信扬声器直流电机PC3 具体设计3.1Protel 电路设计软件简介PROTEL 是Altium 公司在80年代末推出的EDA 软件，在电子行业的CAD 软件中，它当之无愧地排在众多EDA 软件的前面，是电子设计者的首选软件，它较早就在国内开始使用，在国内的普及率也最高，有些高校的电子专业还专门开设了课程来学习它，几乎所有的电子公司都要用到它，许多大公司在招聘电子设计人才时在其条件栏上常会写着要求会使用PROTEL 。

2005年年底，Protel 软件的原厂商Altium 公司推出了Protel 系列的最新高端版本Altium Designer 6.0。

Altium Designer 6.0，它是完全一体化电子产品开发系统的一个新版本，也是业界第一款也是唯一一种完整的板级设计解决方案。

Altium Designer 是业界首例将设计流程、集成化PCB 设计、可编程器件（如FPGA ）设计和基于处理器设计的嵌入式软件开发功能整合在一起的产品，一种同时进行PCB 和FPGA 设计以及嵌入式设计的解决方案，具有将设计方案从概念转变为最终成品所需的全部功能。

这款最新高端版本Altium Designer 6.除了全面继承包括99SE ，Protel2004在内的先前一系列版本的功能和优点以外，还增加了许多改进和很多高端功能。

Altium Designer 6.0拓宽了板级设计的传统界限，全面集成了FPGA 设计功能和SOPC 设计实现功能，从而允许工程师能将系统设计中的FPGA 与PCB 设计以及嵌入式设计集成在一起。

3.2 控制电路的总体设计复位电路MC68HC11E1CFN28MHz 晶振电源监控DS1233D 芯片手动复位电平转换MAX232芯片PC双极性直流电机驱动电路SN754410芯片左右直流电机左右编码器红外传感器电路光敏传感器电路麦克风电路LM386N 芯片碰撞传感器电路启动电路电源稳压电路稳压芯片MAX6036.6V 电池VCC(+5V)扬声器驱动电路地址锁存器74HC573N32K RAM 28C256芯片XTAL EXTAL VCCPE3RESET-PD4、PD5PA5、PA6PWMPWM脉冲PA0、PA7PE3PE4PD2、PD3PE0、PE1TXD RXD PE2PC0-PC7STRAD0-D7LEPC0-PC7D0-D7A8-A14PB0-PB6E A15STRBW-RESET-PB7PA3图3.2 控制电路的总体设计3.3各模块具体介绍3.3.1电源模块本文电源采用的是稳压芯片MAX6031 MAX603介绍MAX603是MAXIM公司生产的低压差线性稳压器，具有完善的欠压、过载、过热、输出短路等保护功能。

MAX603的管脚定义如图1。

各管脚说明如下：IN：电源输入脚，范围为2.7-11.5V；GND：接地；OFF：输出关闭控制脚，低电平时输出关闭；SET：输出电压反馈输入脚，该管脚接地时，MAX603固定输出5V，外接电阻网络时，可调节输出电压；OUT：电压输出脚。