寻迹机器人设计寻迹机器人设计摘要寻迹是机器人的一种简单视觉在机器人的运动中起着非常重要的作用为机器人运动过程中的位置的准确性提供了保障为了机器人能在任意区域内沿寻迹线行走自动绕开障碍能停在指定地点并且具有在复杂环境下对象识别自主推理路径规划及控制功能随着现代计算机技术的发展和应用以及传感器技术的发展移动机器人的研究又出现新的高潮由于机器人在很多方面的准确性可靠性和精确性上大大超过了人类机器人技术己经在很多领域里得到了很好的发展并取得了很好的效果本文详细介绍了寻迹机器人的设计设计的主要内容包括硬件部分设计和软件部分设计硬件部分包括一些零件的计算和选择软件部分即控制部分包括电动机的驱动模块最后通过对寻迹机器人的技术经济分析显示了其诸多优势如利用柔性生产系统可以降低生产成本提高生产效率并能改善人的劳动环境充分体现了研究的意义关键词寻迹机器人红外传感器I寻迹机器人设计AbstractTracing the robot is a simple vision the movement in robots playing a veryimportant role for robot movement position in the process has provided a guarantee ofaccuracy To robot can find any trace within the region along the line walkingautomatic bypass obstacles can be parked in designated locations And in a complexenvironment object recognition independent reasoning path planning and controlfunctions With the development of modern computer technology and applicationsand the development of sensor technology the mobile robot research and theemergence of new high tide As in many aspects of robot accuracy reliability andaccuracy of much more than human Robot technology has been in many fields hasdeveloped steadily and have achieved good resultsThis paper describes the tracing robot design The main elements of the designincluding hardware design and software design hardware components includingsome of calculation and choice Part of that is part of the software including controlof the motor drive moduleFinally the robot found traces of the techno-economic analysis shows that theuse of its many advantages such as flexible production system can reduce productioncosts and increase production efficiency to improve the working environment fullyembodies the research significanceKeywords tracing robotics infrared sensorsII寻迹机器人设计目录第一章前言111 选题背景及其研究意义112 国内外发展现状及其发展趋势213 整体设计思路5第二章寻迹机器人总体设计621 设计依据622 详细设计7第三章机械部分设计1131 控制部分硬件设计1132 轨迹采样及逻辑控制部分硬件设计1333 电机驱动部分硬件设计15第四章控制部分设计1941电动机驱动模块软件设计19 42电机pwm驱动22第五章电机测速及转速控制2751 转速测量2752 行走距离控制2853 电机pid调速控制28第六章技术经济分析3061 前景分析3062 济效益分析3163 社会分析31第七张结论及展望3271 结论3272 展望32参考文献33致谢35III寻迹机器人设计声明35IV寻迹机器人设计V寻迹机器人第一章前言11 选题背景及其研究意义从机器人研究发展来看机器人 Robot 这个词最早出现在2O世纪20年代美国科幻小说家阿西莫夫的科幻小说中1959年美国英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台工业机器人UNIMATE使机器人从文学幻想变成了现实机器人的历史才由此开始在几十年的发展过程中机器人技术的研究和发展过程大致经历了3个阶段第一代是宗教再现机器人第二代是有感觉的机器人第三代是智能型机器人机器人技术是近三十年特别是近的十年间有了很大的发展之所以得到快速的发展是因为其有着广阔的应用前景在诸如制造系统服务行业[1]国防及其它社会生活方面都有使用要求现在对于机器人的研究已成为热门话题其中寻迹机器人就是一种被广泛研究的机器人各国对该项技术也十分重视而且国内外有许多重要的比赛对这一领域的研究已经成为国际前沿研究热点之一并显示出强大的生命力和广阔的应用前景是机器人应用发展最快的领域之一如今在机器人研发领域寻迹机器人已成为衡量一个国家在机器人制造领域技术水平高低的标准之一[2]之所以各国如此重视机器人的研发是因为寻迹机器人具有其独特的优势它可以使操作人员远离危险的现场被用来进行隧道的掘进军事探测爆炸和危险物的排除特别是放射性的危险环境中随着现代计算机技术的发展和应用以及传感器技术的发展移动机器人的研究又出现新的高潮由于机器人在很多方面的准确性可靠性和精确性上大大超过了人类机器人技术己经在很多领域里得到了很好的发展并取得了很好的效果例如在无人驾驶机动车无人工厂仓库服务机器人等领域智能巡迹机器人有着广泛的应用前景寻迹机器人也已经广泛进入了人们的生活领域为人类的生产生活带来了诸多方便并且大大提高了工作效率寻迹机器人在仓储业实现出入库货物的自动搬运在制造业它们生产线中大显身手高效准确灵活地完成物料的搬运任务[3]目前世界的主要汽车厂如通用丰田克莱斯勒大众等汽车厂的制造和装配线上得到了普遍应用在邮局图书馆港口码头和机场物品的运送存在着作业量变化大动态性强作业流程经常调1寻迹机器人整以及搬运作业过程单一等特点寻迹机器人的并行作业自动化智能化和柔性化的特性能够很好的满足上式场合的搬运要求在烟草医药食品化工生产加工业对于搬运作业有清洁安全无排放污染等特殊要求它们也能很好地完成任务在危险场所和特种行业更是寻迹机器人大显身手的领域在军事上自动驾驶为基础集成其他探测和拆卸设备可用于战场排雷和阵地侦察在核电站和利用核辐射进行保鲜储存的场所机器人用于物品的运送避免了危险的辐射危害人[4]在胶卷和胶片仓库机器人可以在黑暗的环境中准确可靠的运送物料和半成品我国在水下机器人开发研究方面已达到国际先进水平无人无缆自主水下机器人的开发和应用都取得重要成果综上诸多方面可见寻迹机器人的前景将是非常广阔的12 国内外发展现状及其发展趋势com发展现状根据我国机器人技术的发展基础和国家要求已经制订出我国智能机器人的发展战略即围绕经济结构战略性调整和可持续发展要求突出国家目标确定特种机器人智能机器与系统先进制造工艺与装备为三大重点发展方向研究与开发先进制造自动化理论技术和装备促进传统机器的智能化与制造装备自动化提高我国机器人技术与自动化装备的总体水平力争主要技术跟上世界先进水平缩小差距部分具有相对优势的技术达到国际先进水平局部重要技术实现跨越式发展基于上述发展战略提出了发展高级机器人的指导方针包括以信息化带动工业化和以高新技术改造传统产业占领具有战略性前沿性前瞻性的高技术制高点缩小主导产业中制造技术与国外的差距以创新为基础实现突破与跨越式发展建立创新体系有利于可持续发展等在国家高技术研究发展计划国家自然科学基金研究计划和国家攻关计划的支持下我国的智能机[5]器人研究开发开始进入一个新的时期近年来国内的很多企业己经意识到物流自动化及即时化生产组织管理的重要性纷纷酝酿建立自动化物流系统无线导引式机器人作为柔性运输的理想工具和无人化生产的典型代表愈来愈受到重视和推广应用研究不断深入领域不断扩展[6]对寻迹机器人的研究有很多方面其中导向与定位技术的研究越来2寻迹机器人越受到重视海尔集团于 2000 年投产运行的开发区立体仓库中9 台寻迹机器人组成了一个柔性的库内自动搬运系统成功地完成了每天的出入库货物和零部件的搬运任务中国在 1990 年于上海邮政枢纽开始使用寻迹机器人完成邮品的搬运工作许多卷烟企业如青岛颐中集团玉溪红塔集团红河卷烟厂淮阴卷烟厂应用激光引导式机器人完成托盘货物的搬运工作[7]寻迹机器人在我国的研究及应用起步较晚20 世纪 70 年代后期国内寻迹机器人的雏形诞生了北京起重运输机械研究所研制了三轮式AGV[ 自动导航小车 Automarted Guided Vehicles 是指装有自动导引装置能够沿规定的路径行驶在车体上还具有编程和停车选择装置安全保护装置以及各种物料移载功能的搬运车辆] 80 年代后期北京机械工业自动化研究所为二汽研制了应用在立体化仓库中的AGV 沈阳自动化研究所为金杯汽车公司研制了汽车发动机装配用的AGV 90 年代清华大学国家CIMS工程中心将从国外引进的寻迹机器人AGV成功地应用于CIMS 的实验研究清华大学计算机技术应用系研制了用于邮政中心的AGV 昆明船舶设备研究所研制了激光导向式寻迹机器人AGV 以及吉林工业大学智能车辆课题组为汽车装配线研制了视觉导向寻迹机器人AGV 等寻迹机器人的显著特点是无人驾驶其上装备有自动导向系统可以保障系统在不需要人工引航的情况下就能够沿预定的路线自动行驶将货物或物料自动从起[8]始点运送到目的地世界各国特别是西方发达国家都争先将最新的高技术用于寻迹机器人的研究和发展并先后在医学界科学技术界工业界制定了各种研究计划许多产品已经走向市场走向生产应用[9]中国市场潜在巨大的商机并且前景广阔国外具有高新技术寻迹机器人正以十分昂贵的价格进入并冲击国内市场严重影响和抑制了我国自己高技术寻迹机器人工业的发展我国政府也非常重视寻迹机器人技术的研究和发展并在国家自然科学基金863等研究项目中予以重点支持目前已取得了一定的成果但是与国外先进机器人设备技术相比还存在较大的差距[10]因此开展基于机器人技术的寻迹机器人及其相关技术研究具有重大的理论意义和显著的社会及经济效益com器人发展趋势3寻迹机器人首先导航技术是移动机器人的一项核心技术之一它是指移动机器人通过传感器感知环境信息和自身状态实现在有障碍的环境中面向目标的自主运动目前移动机器人主要的导航方式包括磁导航惯性导航GPS导航环境地图模型匹配导航路标导航视觉导航味道导航声音导航神经网络导航等上述导航技术各有利弊随着科学技术的不断发展导航技术也将随之提高从而在抗干扰能力时间分辨率方面得到增强实用性实时性可变性可维护性等性能得到提高导航技术的提高才能使寻迹机器人变得更加灵敏可靠从而更好的为人类服务其次是路径规划技术路径规划是按照某一性能指标搜索一条从起点到目标点的最优或次最优的无碰路径机器人路径规划的研究始于70年代目前国内外对这一问题的研究仍然十分活跃根据环境信息掌握程度路径规划可分为环境信息完全已知的全局路径规划环境信息不完全或未知的基于传感器的局部路径规划近年来人们研究的热点是环境信息不完全或未知的局部路径规划技术全局路径规划常用方法有可视图法栅格法自由空间法等可视图法适用于多边形障碍物对于圆形障碍物该法失效栅格大小的选择直接影响着控制算法的性能栅格选得大抗干扰能力强环境信息存储量小搜索速度快但分辨率低在密集障碍物环境中发现路径能力减弱反之栅格选得小抗干扰能力减弱环境信息存储量大搜索速度慢但分辨率高自由空间法的优点是灵活起始点和目标点的改变不会造成连通图重构但算法的复杂度与障碍物的多少成正比且不是任何情况下都能获得最优路径一种可靠准确而又简便的路径算法[11]也成了寻迹机器人发展的瓶颈第三它的研究始于20世纪80年代多传感器信息融合技术是移动机器人的关键技术之一信息融合是指将多个传感器所提供的环境信息进行集成处理形成对外部环境的统一表示[12]它融合了信息的互补性信息的冗余性信息的实时性和信息的低成本性因而能比较完整地精确地反映环境特征从而做出正确的判断和决策保证了机器人系统快速性准确性和稳定性如何在实际应用中应根据实际情况选择合适的融合方法从而体现多传感器信息融合方法的优越性这是多感应器信息融合技术需要攻克的难点在未来导航技术路径规划技术多感应器信息融合技术三个核心技术的4寻迹机器人提高甚至核心技术的变革决定了寻迹机器人的未来发展趋势13 整体设计思路首先对系统进行整体认识通过实验对该机器人的运动过程有一个初步的了解从而加深对各个元件功能的认识然后对各个元件进行测绘理解它们的功能并对每个部件进行设计和选型设计其次对控制部分硬件部分进行设计包括硬件选择电路图的绘制等最后对机器人的软件部分进行设计包括控制程序的编写等等以上是本次设计的一个大致思路具体细节将在后续章节中依次介绍 5寻迹机器人第二章寻迹机器人总体设计21 设计依据车体尺寸必须在 1010cm 范围内而且对车的运动灵活性要求较高基本不能考虑模型汽车的转向机制所以将利用模型底盘改制的可能排除了必须使用两轮转向机制的结构底盘设计为了便于制作日后在上面安装其它东西方便同时具有一定的重量使小车运行稳定所以采用 10mm 厚的聚氯乙烯板材制作此材料便宜加工特性好可以直接打孔攻丝不像有机玻璃那样易碎只是美观差一些外形设计成圆型主要是为了不至于频繁的互相卡死电机电机的选择是最困难的既要便宜又要容易使用还要有改进提高的可能四驱车的130电机应当是最好的选择此种电机有便宜到几块钱的也可以花费上百元改制使之性能大大提高如果选择带减速机构的电机驱动方式是很方便直接将轮子固定在齿轮箱的输出轴上即可但不足是其一是价格高通常一只在30元以上其二是改变电机性能比较困难所以还是选择了130电机驱动方式因为选择了130电机驱动方式就相对麻烦开始受到纽扣电池小车的启发才决定采用130电机的因为他那种摩擦传动方式比较容易实现后初步尝试了一下效果不好主要是压紧了之后电机轴与轴套间的摩擦损耗太大压松了打滑后改用皮带传动才得以实现之所以没有选择齿轮传动主要是因为没有选到合适的齿轮而且觉得难以得到不同规格的齿轮想改变传动比就很困难用皮带传动只需改变传动轮的大小即可得到所需的传动比而传动轮制作比齿轮方便许多为了简单且不受制约轮子自制轮胎用 O 型密封圈轮毂和皮带传动轮合并采用尼龙棒车制传动皮带也是用 O 型密封圈这种方式可以按照自己的需求随意改变轮子的大小和宽窄比较灵活O 型密封圈规格较多取材方便价格也便宜通常在一元以下一只6寻迹机器人车体采用了两轮驱动方式后另外一个支撑点就成了问题多数万向轮对于这个 10cm 的小车来说太大了我为此设计了一个使用 10mm 钢珠的球形支点在摩擦小的时候是滑动摩擦大时滚动性能基本能满足要求且价格很便宜总共不到 2 元钱22 详细设计车体中底盘轮毂小传动皮带轮安装在电机轴上的球形支撑座采用自制方式详见所附设计图纸固定电机采用最常见的固定管线夹规格20mm 的大部分五金电器店均有目前设计的传动比为81轮胎选用内径 30mm粗 5mm 的 O 型密封圈传动皮带选用内径 35mm 粗 18mm 的 O 型密封圈为了轮子转动灵活中心嵌入了一个内径 3mm外径 10mm厚度4mm 的滚珠轴承轮子安装结构见附图之所以将车轮设计为直径约 40mm 是为了底盘下有一定的高度便于安装光电头用于检测轨迹以及以后的检测是否到边其它就是一些螺丝螺母垫圈等通用件了这样的小车底盘虽说不十分完善但是相对来说基本满足了多数要求且在上面比较容易构建自己的结构目前底盘上所设计的四个 M3 的螺丝孔就是为了安装 25mm 的垫柱构成2 层平面以安装控制部分还可以升到 3 层安装自己需要的东西关键是取材容易便于自制价格不高除去几个自制件和电机其它的东西购买不超过 15 元以下是我在验证设计可行性过程中制作的原型及一些选用的标准件供参考22．1 小车车体原型寻迹机器人整体图建模1 在参考面上画草图2 主要用拉伸倒角切削等命令建立模型3 装配完成7寻迹机器人图 1 底座图 2 固定管线夹图3 控制器固定盒图4 整体装配图图5 130电机com明把130电机装配入线圈固定夹内电机和轮用皮带连接将控制器放入控制器固定盒固定在寻迹机器人底座第三章控制部分硬件设计概述及电机驱动部分设计31 控制部分硬件设计com思因为这个项目的主要目的是通过实施学习单片机的使用并且主要是自用而非有针对的参加某项比赛所以最好所制作的硬件电路能够为进一步学习提供帮助或者可以作为自己其它项目的实施基础为此我将系统框架设计为其中电机驱动逻辑控制部分均为独立的单片机系统这样设计主要出于单片机已十分便宜可以像普通 IC 那样使用8寻迹机器人电机驱动逻辑比较简单但是实时性要求较高所以独立出来编程较为容易电机驱动部分通常会有较大的干扰尤其是驱动普通的直流有刷电机电刷的火花干扰很强单独使用简单但抗干扰能力强的单片机可使系统更加可靠对于走轨迹项目而言逻辑部分并不十分复杂完全可以将电机控制部分融入其中但是这样系统就不容易修改为其它用途编程难度也增加了采用独立的逻辑控制模块便于学习者随时根据学习需要替换为所要学习的单片机目前我所采用的可能是 51 系列的而日后如需要可以随时替换为 ARM 或其它我所关注的型号这些新的单片机通常都有成品模块出售具有完善的数字模拟以及通讯接口这样设计就十分容易接入达到学习评估的目的com 单片机的选型依据因为项目的目标是学习单片机的应用所以我还是选用了 51 系列的单片机因为 51 的架构十分典型便于初学者理解同时其公共资源是最多的选择用于学习的单片机我认为主要考虑以下方面价格便宜开发手段便宜自己动手焊接相对容易最好不选用BGA 封装的或是脚距小于 05mm的基于上述考虑我选择了宏晶科技的 STC12C5410AD 单片机价格仅 10元左右它可以使用简单的串口编程ISP不需要专门的编程设备自制一个串口适配器最多 10 元如果选用现成的 USB 转串口产品也只要 40-50 元注意不是每种USB 转串口产品都可用下载软件厂家免费提供开发成本很低封装有 SMD 及 DIP 模式SMD 也是 127mm 脚距的很好焊接很多人排斥 51 系列的原因是认为 51 资源较少也比较慢这实际上是最早的 8051 给人留下的印象也是多数教材中所描述的而实际上 51 架构已发生了很大变化其资源已十分丰富速度也有很大提高以此款 STC12C5410AD 9寻迹机器人来说其资源为10K FlashROM 512 字节 RAM8 路 10 位 AD 4 个 PCA可实现PWM脉冲捕捉等定时功能速度也十分快详情可上该公司的网站上查询其它还有许多 51 架构的单片机具有优异的特性和特点如TI 的 MSC 系列具有一个 24 位 AD 十分适合做高精度的仪器SiliconLAB 公司的 51F 系列单片机速度极快功耗低体积小资源丰富有各种不同的规格最快的达 100MPS 引脚还可编程确定功能ST 公司的 uPSD3xxx 系列有较大的内存可以内置汉字库还集成了片内 PLDChipcon 公司现归属 TI 的CC2430 芯片将 ZigBee 无线通讯协议和51 核集成可构成 ZigBee 无线节点Nodic 公司的 nRF24E1 芯片将 24GHz 的无线收发模块与 51 核集成可方便的实现短距离无线通讯还有很多类似的产品此处就不一一例举主要是想说明51 架构还是有其优势的否则不会有如此多的公司基于 51 架构开发出这么多产品至于可靠性性价比等指标在学习时可忽略但设计产品时才需要考虑这些因素从另一个角度来说由于目前编程通常使用 C 语言所以对单片机的依附已不十分紧密只是在设计硬件线路及程序中对硬件初始化时要涉及器件而程序的逻辑部分几乎与硬件无关所以选择什么单片机学习没有什么绝对的好与坏关键看自己可利用的资源32 轨迹采样及逻辑控制部分硬件设计轨迹采样部分没有考虑采用独立方式主要是因为控制过程中需要一些过渡信息以便于编程者实现自己独特的控制逻辑由于寻迹小车逻辑不太复杂所以逻辑控制仍使用STC12C410AD 单片机实际上电机控制部分目前并未用到 AD 功能主要是为了和逻辑控制部分统一便于采购所以均选用了带 AD 的芯片对应有不带AD 的价格只便宜 1 元同时为了逻辑控制部分可以单独工作比如作为 RCX 的输入扩展器实现类似我以前发表过的LEGO 用轨迹传感器的功能所以在设计上做了考虑10寻迹机器人由于采样部分和逻辑控制部分合并后无法排入一块可以放在前述小机壳中的 PCB所以也采用的双板结构这样又多出一部分空间就增加了一个小电流的驱动电路以便可以实现一个简易的小车com 详细硬件设计STC12C54xxAD 系列单片机有 8 路 10 位 AD 转换器虽说采用的是扫描方式逐个完成但其一个通道的 AD 转换时间在 221184MHz 主频下只需约10us加上通道间的切换时间4 个通道采样时间不到 60us所以可以满足4。