轮式机器人设计论文

1轮式机器人设计论文学院：电气信息工程系班级：15级电气自动化1班姓名：奉志强学号：2015120210492一、摘要随着计算机技术的发展，计算机已经深入到了各个领域，单片机作为计算机的一个很重要的分支，自问世以来就广泛受到了了人们的关注，单片机体积小、质量轻、抗干扰能力强、性价比高。随着人工智能研究烦人不断深入，促进了智能控制的发展，智能机器人的研究也越来越得到人们的重视。智能机器人被应用到了各个领域，如今智能机器人已经成为一个学科，人们对机器人的要求不同，于是出现了各种各样的机器人，本文讨论的是一种基于手机蓝牙遥控的遥控轮式机器人（智能小车）。二、关键字底盘、驱动、单片机、PWM、蓝牙、红外避障、三、轮式机器人整体设计首先轮式机器人是基于手机蓝牙进行控制，轮式机器人底盘采用履带式的底盘，电机驱动采用L298N双H桥电机驱动芯片，STC15F2k60S4单片机作为主控芯片，采用红外避障模块检测障碍物。四、底盘底盘采用的是履带式的橡胶底盘，并且是后驱方式进行驱动机器人，因此只需要两个直流减速电机即可，只需要一块L298N芯片就可以达到运动的效果。履带式底盘具有稳定性好的有点，控制简单。五、硬件电路设计1、电源电路：电源电路采用7805三端集成稳压器，输入VI端输入VS电压范围7~37v；最大输出电流1.5A。输入端采用100UF电容滤除高频信号，输出电压为5V，输出端采用100UF电容稳定负载电路带来的电压波动。2、驱动电路：单片机STC15f2k60s4输出的PWM(脉宽调制)信号的电压值很小,没法使3直流电机工作,往往电机启动时的电流要达1A左右，因此要利用驱动芯片L298以及一些逻辑器件构成的驱动模块来放大PWM的信号电压值。驱动芯片的外围电路结构如下图所示。L298的工作模式分为卑极性模式和双极性模式两种。单极性工作模式是指在PWM周期中,电机两端的电压为同极性电压,如正极性电压。双极性工作模式是指在PWM周期中,电机两端的电压为正负极性变化的,一端为正极性电压,另一端为负极性电压。在本设计论文的设计中该系统应用的是双极性工作模式。恒压恒流桥式2A驱动芯片L298N芯片桥式驱动器双路298电机类型:全桥输出数:4输出电流:2A输出电压:46V驱动器封装类型:Multiwatt针脚数:15电源电压最小值:4.5V电源电压最大值:7V工作温度最小值:-25°C工作温度最高值:130°CL298是比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N，内部同样包含4通道逻辑驱动电路，具有放大电流、独立驱动两个电机的特点。。可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接4．5～7V电压。4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为＋2．5～46V。输出电流可达2．5A，可驱动电感性负载。1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。L298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机。5，7，10，12脚接输入控制PWM信号，控制电机的正反转。EnA，EnB接控制使能端，控制电机的停转。内部结构框图：43、PWMPWM介绍：PWM调速技术出现以来,迅速被应用于直流电机调速领域中,并且其在性能方面、成本方面以及操作方面表现出了很多优势,因此得到了广泛应用。PWM调速方式能够实现大范围调速、调速过程平滑、调速响应动作快速克服了以上调速方法的缺点,随着PWM技术的不断发展,其应用领域将不断扩大。PWM技术是利用半导体幵关的通断,使得直流电压随着半导体幵关的通断而变化,半导体开关导通时,直流电压为高电平状态,半导体幵关断开时,直流电压降为低电平,这样就把直流电压变成了脉冲信号,通过改变半导体幵关的通断状态就可以改变PWM信号的频率或者脉冲宽度,即改变了直流电压的平均值,从而实现直流电机的调速目的。改变PWM脉冲占空比;有三种方法:调频、调宽、调宽调频。调频就是调节电压为低电平的时间段T2,T2变化使得占空比变化,从而改变电机两端的平5均电压,实现调速目旳;调宽就是调节电压为高电平的时间段T1来改变占空比;0,改变电机两端平均电压,实现调速目的;调宽调频就是同时调节T1、T2来调节电机两端平均电压,从而实现调速目的。利用这种方法,电动机在运转时比较稳定,并且在产生PWM脉冲实现上更方便。4、红外避障模块描述：该传感器模块对环境光线适应能力强，其具有一对红外线发射与接收管，发射管发射出一定频率的红外线，当检测方向遇到障碍物（反射面）时，红外线反射回来被接收管接收，经过比较器电路处理之后，绿色指示灯会亮起，同时信号输出接口输出数字信号（一个低电平信号），可通过电位器旋钮调节检测距离，有效距离范围2～30cm，工作电压为3.3V-5V。该传感器的探测距离可以通过电位器调节、具有干扰小、便于装配、使用方便等特点，可以广泛应用于机器人避障、避障小车、流水线计数及黑白线循迹等众多场合。1当模块检测到前方障碍物信号时，电路板上绿色指示灯点亮电平，同时OUT端口持续输出低电平信号,该模块检测距离2～30cm，检测角度35°，检测距离可以通过电位器进行调节，顺时针调电位器，检测距离增加；逆时针调电位器，检测距离减少。2、传感器主动红外线反射探测,因此目标的反射率和形状是探测距离的关键。其中黑色探测距离最小,白色最大;小面积物体距离小,大面积距离大。3、比较器采用LM393，工作稳定；4、可采用3-5V直流电源对模块进行供电。当电源接通时，红色电源指示灯点亮；5、OUT小板数字量输出接口（0和1）5、蓝牙模块一．特点：芯片采用工业级蓝牙2.0芯片，信号更加稳定，性能更强大，同时支持3.3V、5V电压供电。支持主机和从机模式，从设备可以与主设备配对连接通讯之外还可以与手机、电脑的蓝牙适配器、PDA等设备配对连接然后通讯。6设置AT指令时，不需要按键控制，只需通过串口发送AT指令即可，快速便捷，这是其他蓝牙模块做不到的。串口默认波特率为9600，配对密码：1234，默认名称：BOLUTEK二．应用领域：该模块主要用于短距离的数据无线传输领域。可以方便的和PC机的蓝牙设备相连，也可以两个模块之间的数据互通。避免繁琐的线缆连接，能直接替代串口线。6、主控电路主控芯片STC15F2K60S4简介：容量2048字节片内RAM数据存储器●高速：1个时钟/机器周期，增强型8051内核(STCY5)，速度比传统8051快7～12倍速度也比STC早期的1T系列单片机(如STC12/11/10系列)的速度快20%●宽电压：5.5～3.8V，2.4～3.6V(STC15L2K60S2系列)●低功耗设计：低速模式，空闲模式，掉电模式(可由外部中断或内部掉电唤醒定时器唤醒)内部高精度R/C时钟，±1%温飘(-40℃~+85℃)，常温下温飘5‰，可彻底省掉外部昂贵的晶体时钟，内部时钟从5MHz~35MHz可选●内部高可靠复位，ISP编程时8级复位门槛电压可选，彻底省掉外部复位电路●支持掉电唤醒的资源有：INT0/INT1(上升沿/下降沿中断均可)，-INT2/-INT3/-INT4(下降沿中断)；CCP0/CCP1/CCP2/RxD/RxD2/T0/T1/T2管脚；内部掉电唤醒专用定时器●工作频率：5～35MHz，相当于普通8051：60～420MHz●8/16/24/32/40/48/56/60/61K字节片内Flash程序存储器，擦写次数10万次以上7●大容量片内EEPROM（FLASH）功能，擦写次数10万次以上●ISP/IAP（在系统可编程/在应用可编程），无需编程器/仿真器●高速ADC，8通道10位，速度可达30万次/秒。3路PWM还可当3路D/A使用●3通道捕获/比较单元(CCP/PCA/PWM)----也可用来再实现3路D/A3个定时器或3个外部中断(支持上升沿/下降沿中断)●6个定时器，2个16位可重装载定时器T0和T1兼容普通8051的定时器，新增了一个16位的定时器T2，并可实现时钟输出，3路CCP/PCA可再实现3个定时器●可编程时钟输出功能(对内部系统时钟或外部管脚的时钟输入进行时钟分频输出)：①T0在P3.5输出时钟；②T1在P3.4输出时钟；③T2在P3.0输出时钟，以上3个定时器/计数器输出时钟均可1~65536级分频输出；④内部主时钟在P5.4/MCLKO对外输出时钟(STC15系列8-pin单片机的主时钟在P3.4/MCLKO对外输出时钟)●硬件看门狗(WDT)●SPI高速同步串行通信接口●双串口/UART，两个完全独立的高速异步串行通信端口，分时切换可当5组串口使用●先进的指令集结构，兼容普通8051指令集，有硬件乘法/除法指令●通用I/O口(42/38/30/26个)，复位后为：准双向口/弱上拉(8051传统I/O口)可设置四种模式：准双向口/弱上拉、强推挽/强上拉、仅为输入/高阻和开漏每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过120mA●如果I/O口不够用可以用3根普通I/O口线外接74HC595(￥0.21元)来扩展I/O口，并可多芯片级联扩展几十个I/O口，还可用A/D作按键扫描来节省I/O口单片机与各个模块连接介绍P2.7/CCP2_3，P2.6/CCP1_3，(PWM信号输出口第三组通道的通道2与通道1)与电机驱动的A组H桥的控制信号输入端IN1和IN2相连接；P3.7/CCP2_2，P3.6/CCP1_2，(PWM信号输出口第二组通道的通道2与通道1)与电机驱动的B组H桥的控制信号输入端IN3和IN4相连接；P3.0/RXD,P3.1/TXD分别与蓝牙模块的TXD和RXD接口相连接。P3.２／INT0与红外避障模块的输出口相连接，采用中断方式进行检测障碍物。8小车运动控制方法：小车的所有运动都是通过变换单片机输出的PWM信号来实现各种运动：前进、后退、左转、右转、原地旋转、调速。前进：从P2.7/CCP2_3第三组通道的通道2和P3.7/CCP2_2第二组通道的通道2两个输出口输出PWM信号，P2.6/CCP1_3第三组通道的通道1和P36/CCP1_2第二组通道的通道1输出低电平，从而使得小车前进。后退：与前进相反从P2.6/CCP1_3第三组通道的通道1和P3.6/CCP1_2第二组通道的通道1两个输出口输出PWM信号，P2.7/CCP2_3第三组通道的通道2和P3.7/CCP2_2第二组通道的通道2输出低电平，从而使得小车后退。左转：从P2.6/CCP1_3第三组通道的通道1和P3.7/CCP2_2第二组通道的通道2两个输出口输出PWM信号，P2.7/CCP2_3第三组通道的通道2和P3.6/CCP1-2第二组通道的通道1输出低电平，从而使得小车左转。右转：则与左转相反从P2.7/CCP2_3第三组通道的通道2和P3.6/CCP1-2第二组通道的通道1两个输出口输出PWM信号，P2.6/CCP1_3第三组通道的通道1和P3.7/CCP2_2第二组通道的通道2输出低电平，从而使得小车左转。调速：通过改变CCPnL和CCPnH两个寄存器的值来实现改变PWM信号占空比从而改变平均电压，达到变速的效果。六、下车设计方案对比1、底盘运动底盘一共有四种选择：1）、四轮四个电机控制（四驱）优点平稳单控制难度大；2）、四轮两个电机，优点平稳控制难度小但精度差；3）、三轮（一个万向轮）；两个电机，优点平稳，控制难度小但精度差；4）、履带式的底盘两个电机，优点平稳，控制难度小但精度差；2、驱动本文采用的是L298N电机驱动芯片，这也是组常用的驱动芯片，并且是双H桥驱动器，可以独立的驱动两个直流电机，输出电流2A、最大输出电流4A；LMD18200是单H桥驱动芯片，只能驱动一个直流电机，连续输出电流3A，峰值电流6A，适合用于大负载的机器人，而本次设计机器人负载较小，因此采用L298N驱动芯片足以驱动运行机器人，并且只需要一块驱动芯片即可。3、传感器传感器采用的是红外避障传感器，该传感