基于51单片机类人机器人智能巡线的设计与实现

毕业设计指导课类人机器人1基于51单片机类人机器人智能巡线的设计与实现摘要：针对类人机器人如何在规定的赛道上实现智能巡线行走的问题，提出采用利用灰度传感器识别赛道，并以51单片机为核心对机器人编程控制的方法，实现该类人机器人通过识别白色光敏带赛道，遇到转弯信号能及时反馈并准确转弯的功能。通过脱机运行、步态调试和现场模拟等实验表明，基本实现类人机器人在规定赛道智能巡线行走，但存在反应调整时间长、速度较慢等问题还未有效解决。经过适当改造之后，该机器人既能克服传统类人机器人结构复杂行走不稳的缺点，又可以在一定程度上模仿人类行走动作，实现在复杂外部环境地形内探测行走的问题。关键词：智能巡线；灰度传感器；51单片机；类人机器人DesignandImplementationofIntelligentRobotTrackingControlSystemBasedon51SinglechipAbstract:Forhowthehumanoidrobotintheprovisionsofthetracktoachieveintelligentpatrollinewalkingproblem,proposedtousethegraysensortoidentifythetrackand51single-chipasthecoreoftherobotprogrammingcontrolmethod,Toachievethetypeofhumanrobotthroughtheidentificationofwhitelight-sensitivetrack,encounteredturnsignalcanbetimelyfeedbackandaccurateturningfunction.Off-lineoperation,gaitdebuggingandfieldsimulationexperimentsshowthatthebasicrealizationofthehumanoidrobotintheprovisionsofthetrackintelligentpatrollinewalking,butthereisalongtimetoadjustthereaction,thespeedisslowandotherissueshavenotbeeneffectivelyresolved.Afterappropriatemodification,therobotcanovercometheshortcomingsofthetraditionalhumanoidrobotstructurecomplexmovementinstability,butalsotoacertainextent,imitatethehumanwalkingaction,inthecomplexexternalenvironmenttodetecttheproblemofwalkingwithintheterrain.Keywords:Intelligentinspectionline;Grayscalesensor;51singlechip;Humanoidrobot目录目录.......................................................................................................................................................1第一章引言.................................................................................................................................................21.1选题背景及意义............................................................................................................................3类人机器人21.2国内外研究现状............................................................................................................................31.3本文主要研究内容及章节安排......................................................................................................3第二章类人机器人的设计及控制..............................................................................................................32.1类人机器人的智能巡线系统设计.................................................................................................32.2系统的优越性................................................................................................................................4第三章硬件设计.........................................................................................................................................53.151单片机的电路设计.....................................................................................................................53.2灰度传感器的使用........................................................................................................................53.3C型足的设计..................................................................................................................................5第四章总结.................................................................................................................................................6参考文献.......................................................................................................................................................7第一章引言类人机器人31.1选题背景及意义机器人技术是一项有远大前景的技术，不仅在科学、军事、工业、生活领域变得越来重要，而且智能教育机器人的研究也越来越普及。在全国机器人比赛中，主要包括器人比赛、足球机器人比赛和篮球机器人比赛，这些比赛进一步说明国家对机器人发展技术的重视。循迹机器人是机器人研究中最重要最基本的一个研究。本实验就是从机器人循迹这一最基本的方面进行研究，不仅让机器人实现循迹功能，同时让其适应环境的多变性。1.2国内外研究现状我国从20世纪80年代中期才开始研究类人机器人，但国内类人机器人的研究在863计划和自然科学基金的支持下也持续开展了多年。我国一些高等院校和研究机构也在近几年投入了相当多的人力物力进行类人机器人的研制工作，如清华大学于2002年研制的类人机器人THBIP-1，上海交通大学于1999年研制的类人机器人SFHR，等等。在类人机器人的稳定性研究方面，美国的Hemami等人曾提出将双足步行系统的稳定性和控制的简化模型看作是一个倒立振子，从而可以将双足步行的前进运动解释为使振子直立移动的问题。为了减小控制的复杂性考虑，Hemami等人还曾就双足步行机器人的“降阶模型”问题进行了研究。类人机器人的研究虽然取得了很多的研究成果，但目前类人机器人的双足行走速度、稳定性及自适应能力仍不是十分理想。真正意义上的类人机器人不仅要做到形状与人类似，具有移动操作功能、感知功能，更要有记忆和自治能力，能够实现人—机交互，甚至表达感情和某些生态上的能力。1.3本文主要研究内容及章节安排本文主要研究类人机器人的智能巡线，通过对智能机器人如何在比较复杂的道路上实现自主行走，设计出了一种利用灰度传感器引导，以51单片机为核心的智能机器人系统。该系统的机器人利用51单片机和传感器，价格低廉。主要包括系统设计、51单片机电路设计[1]、灰度传感器使用、机器人稳态及步态等的设计。第二章类人机器人的设计及控制2.1类人机器人的智能巡线系统设计机器人的机械结构设计非常重要。由于本设计采用的是交叉足方式，所以采用了以下的结构设类人机器人4计。本设计使用的交叉足是由两个交叉的C型框组成，稳定相比窄足来说要高出一个等级，每个宽度约为10厘米。考虑到使用金属制作的C型框表面非常光滑，无法很好的在平常道路上行走。为了解决这个问题，我们先后用过纸、毛巾等摩擦力较大的东西粘在脚底，然而后来发现用纸太容易磨破，而毛巾摩擦力又大，对机器人的运动产生阻碍。最后，本方案选择了生活中常用而且价格便宜的鼠标垫作为粘在脚底的东西。将鼠标垫较为光滑的正面与脚底粘住，而摩擦力较大的背面与地面接触[2]。经过测试，粘有鼠标垫的机器人走路情况良好。腿部的设计主要是两腿之间的距离。不要小看两腿之间的距离，这距离也会影响机器人整体运动的效果。由于已知C型框的宽度约为10厘米，经过不断的尝试，本设计最后将两腿之间的距离确定为12厘米，这样走起来相对比较稳定，效果比较好。本设计使用4个舵机，其中上面两个舵机直立，下面两个舵机平躺。在这种方式下，下面两个舵机控制脚的上下运动，而通过上面两个舵机则可以控制舵机的前进和转弯。同时，为了节省空间，我们将电池放置在支架之下，机器人的两胳膊之间，利用粘布将其粘贴在支架之上，为了使粘贴更加牢固，我们又将其捆绑上胶带加以固定舵机要求电压为6V~7.4V，由于与电池标称电压一致，在中介模块上只需要设计一个转接插针即可[3]。传感器反馈模块、单片机核心控制模块需要5V的电压供电，本设计从电池连接一个LM7805三端稳压器将电压稳定到5V左右，然后并联一个电容，使电压稳压，连接到多个排针，为以上两个模块供电。为了控制方便，本设计在电容和排针之间设置了一个开关。舵机运动模块，是该机器人的功能实现模块。通过PWM占空比实现舵机的转动，进而实现机器人的前进和转向，这是机器人运动的关键。传感器反馈模块，可以说是机器人的“眼睛”，灰度传感器部分主要检测边界白线位置，为单片机核心控制模块判断是否调整机器人路线做出决定的依据。2.2系统的优越性智能巡线机器人开始运动的时候，机器人将严格按照所指定的路线前进。由于舵机的设计误差，可能会使机