毕业设计(论文)基于ARM的机器人套件控制系统设计.doc
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1、基于ARM的机器人套件控制系统设计学 院自动化学院专 业测控技术与仪器班 级04070101学 号2010040701021姓 名指导教师负责教师沈阳航空航天大学2014年6月摘 要智能遥控避障循迹小车是基于ARM的创新实验教学平台所开发出的一款产品,既可以作为家庭智能清洁机器人,也可以在工厂仓库中作为沿固定线路运货的货运机器人。采用先进的嵌入式系统开发,成为服务机器人里一个新的研究领域,具有很强的市场价值。本设计的智能小车采用基于ARM7架构的LPC2138微处理器,设计开发了智能小车的控制系统,通过对超声波测距原理、红外线NEC协议、PWM舵机调速原理和LPC2138内部寄存器知识的掌握和
2、合理配置,使小车集红外线遥控、超声波避障、红外对射管循迹三种功能于一体。利用逻辑分析仪对小车三种功能的时序进行采集,根据采集到的时序设计程序,实现了利用红外遥控器对这三种方式的手动切换。关键词:红外遥控;ARM7;超声波避障;红外对射管循迹Title of Paper (in English)AbstractIntelligent Remote obstacle avoidance tracking car is based on ARM innovative experimental teaching platform. either as a family intelligent clea
3、ning robot can also be used as cargo freight robot along a fixed line in warehouse, using advanced embedded systems technology, which become a new research field in service robots, with strong market value. The design of the intelligent car use LPC2138 ARM7 microprocessor architecture, through the p
4、rinciple of ultrasonic distance measurement, infrared NEC protocol, the principle of PWM and the reasonable configuration of LPC2138 internal registers, which also set three functions in one. I use a logic analyzer for collecting the sequence of time, according to the timing of the acquisition to ac
5、hieve the use of infrared manual remote switching of these three founctions.Keywords:Infrared remote control;ARM7;Ultrasonic obstacle avoidance;Infrared ray tube tracking目 录1 绪论11.1 课题背景及研究的意义11.2 课题的研究现状11.3研究内容和论文的结构安排22传感器工作原理32.1主控芯片简介32.2光电传感器的工作原理32.3超声波测距的原理42.4红外通信基本原理52.5 NEC协议52.6舵机工作原理53
6、总体方案设计73.1超声波自动避障小车73.2手动遥控小车83.3自动循迹小车93.4利用红外遥控器实现对三种方式的手动切换104 软件功能设计114.1高低电平持续时间的捕获模型:按键持续时间采集114.2 红外编码值捕获程序134.3 超声波测距捕获程序164.4 舵机驱动程序174.5 三种方式切换程序185.系统调试分析205.1系统设计中的注意事项205.1.1外部因素205.1.2内部因素205.2硬软件总体调试205.1.1硬件215.1.2软件21参考文献22致 谢23附录智能遥控循迹避障小车程序清单241 绪论1.1 课题背景及研究的意义基于ARM7的机器人套件教学实验平台是
7、一个专为学生提供的教学实验平台,鼓励学生亲自动手操作,按照自己的想法来设计硬件结构和软件编程,通过对机器人结构的不断设计、组装和对程序的不断修改、调试来使学生具有广阔的发挥余地并激发出学习热情和创造能力,能够广泛适用于机械、机电一体化、电气工程、自动化工程等方向的就业需求。巧妙的机械结构和高性能、多种类电子部件、软件平台的结合,可设计出独创的智能机器人。而智能车作为一个拥有感知环境、规划决策,自动驾驶等功能的综合系统,它集中地运用了计算机、传感、信息、通信、导航及自动控制等技术,是典型的高新技术综合体。在原有车辆系统的基础上,智能车添加了一些高新智能技术设备,如:1)用于完成来自外部传感器所获
8、取的道路信息的预处理、分析、识别等工作的计算机处理系统;2)传感器,用来获得道路实时状况信息的智能车眼睛;随着微电子技术的不断发展,单片机不但集成程度越来越高,已可以在一块芯片上同时集成CPU、存储器、定时器计数器、并行和串行接口、AD 转换器、DA 转换器等多种电路,而且体积越来越小,功耗越来越低,这就很容易将计算机技术与测量控制技术结合,组成智能化测量控制系统。这种技术促使机器人技术也有了突飞猛进的发展,目前的机器人技术发展异常迅速,已经出现了各种各式的用于各种用途的机器人了,机器人的设计与制造已经不是很高难度的事情了,已经具有普及性了。1.2 课题的研究现状从“七五”开始,我国的移动机器
9、人研究开始起步,经过多年来的发展,已经取得了一定的成绩。清华大学智能移动机器人涉及到五个方面的关键技术:基于地图的全局路径规划技术研究;基于传感器信息的局部路径规划技术研究;路径规划的仿真技术研究;传感技术、信息融合技术研究;智能移动机器人的设计和实现。香港城市大学智能设计、自动化及制造研究中心的自动导航车和服务机器人。中国科学院沈阳自动化研究所得AGV和防暴机器人。中国科学院自动化所自行设计、制造的全方位移动式机器人视觉导航系统。自主移动机器人的研究虽取得了很大的进展,国防科技大学在1992年成功研制出我国第一辆真正意义上的无人驾驶汽车。先后研制出四代无人驾驶汽车。第四代全自主无人驾驶汽车于
10、2000年6月在长沙市绕城高速公路上进行了全自主无人驾驶试验,试验最高时速达到75.6Km/h。在2004年10月12日的第六届高交会上,红旗无人驾驶汽车就引起了极大的轰动。它在高速公路上最高稳定无人驾驶速度为130公里/小时;峰值无人驾驶速度为170公里/小时。并同时具备安全超车和系统小型化两个主要指标。为如此,他们把它称为“中国汽车界的神舟五号”。智能小车作为移动式机器人的一个重要分支,随着机器人研究的深入受到越来越多人的关注。它是计算机控制与电子技术的融合,集传感器探测(光源、障碍物)、单片机自动控制、电机调速等于一体,可以说是计算机、传感器、信息、通讯、导航、人工智能及自动控制等技术的
11、一个综合体,为电子设备智能化提供了很好的实例。 现今社会智能小车发展很快,从智能玩具到其它各行业都有实质成果。基本可实现遥控、循迹、避障、寻光入库、避崖等基本功能,这几界的电子设计大赛智能小车又在向声控系统发展。比较出名的飞思卡尔智能小车更是走在前列。我此次的设计主要实现遥控循迹避障这三个功能的切换。根据实际设计制作基于LPC2138微处理器核心控制平台的智能小车,在智能小车的红外遥控、自动循线、测距、避障、显示等方面进行一定的的研究。1.3研究内容和论文的结构安排本文的研究内容是基于LPC2138微处理器开发出一款智能小车,它集红外遥控、超声波避障、红外对射管循迹这三种功能于一体并能利用红外
12、遥控来实现这三种功能的自由切换。文章结构包括下面几个内容: 1、综述小车的研究与现状,阐述文章的大致方向 2、对智能小车进行方案总设计,主要包括车体的选择、电驱模块驱动电机的选择、循迹模块和壁障模块传感器的选择控制系统模块和电源模块的选择 3、结合自己所学的专业知识,对小车进行软件设计,使得小车能自动的避障和循迹 5、对小车进行制作安装与调试,对测试的结果进行分析2传感器工作原理2.1主控芯片简介ARM核处理器LPC2138芯片具有丰富的片内集成功能,譬如GPIO接口、定时器、脉冲调制模块、A/D转换器、D/A转换器、UART、I2C、SPI和SSP、实时时钟、看门狗定时器及系统控制模块等。每
13、一种片内集成功能都具有相关控制寄存器,用户只要根据自己的需求对相关的寄存器进行必要的配置。就可以方便灵活地实现这些集成功能的应用。芯片引脚大多有一个以上的功能,可以通过引脚连接模块连接到不同的片内功能上,大部分引脚复位后默认为GPIO。图2.1 LPC2138原理图2.2光电传感器的工作原理光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。光电传感器在一般情况下,有三部分构成,它们分为:发送管、接收管和检测电路。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
14、平信号),可通过电位器旋钮调节检测距离,有效距离范围230cm,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。图2.2反射式光电管原理图2.3超声波测距的原理工作时超声波的频率比声波的高,在40khz左右。超声波传感器主要是由超声波发生器和接收器组成,当超声波测距时,超声波发射换能器振动并产生40khz的超声波,并让LPC2138开始计时,当超声波接收器接收到反射回来的波时,向主控芯片发送结束信号,主控芯片关闭定时器,并根据时间差计算出到障碍物的距离,并控制舵机的动作,
15、完成对障碍物的安全避障。图 2.3超声波传感器外部结构 图 2.4 超声波传感器内部结构图2.5时序图2.4红外通信基本原理红外通信是利用950nm近红外波段的红外线作为传递信息的媒介,发送端将基带二进制信号经过38khz时钟调制为一系列的脉冲串信号,通过红外发射管发射红外信号。接收端将接收到的光脉冲转换成电信号,再经过放大、滤波等处理后送给解调电路进行解调,还原为二进制数字信号后输出。常用的有通过脉冲宽度来实现信号调制的脉宽调制(PWM)和通过脉冲串之间的时间间隔来实现信号调制的脉时调制(PPM)两种方法。简言之,红外通信就是对二进制信号进行调制与解调。2.5 NEC协议遥控器的编码分好几种
16、,常见的有32位编码和42位编码,本课题采用NEC协议的32位脉宽调制的串行码,即由32位二进制形式的高低电平组成。具体由下图表示:用户码(8位)用户码(8位)键数据反码(8位)引导码键数据码(8位)图2.6 NEC协议引导码低电平持续时间(载波时间)为9000um左右,高电平持续时间为4500us左右。键码的数值信息通过一个高低电平持续时间来表示,“1”的持续时间大概是1680us高电平加上560us低电平,“0”的持续时间约为560us高电平加上560us低电平。接收到的数据按接收到的先后顺序从低到高位排列。2.6舵机工作原理在机器人机电控制系统中,舵机控制效果是性能的重要影响因素。舵机可
17、以在微机电系统和航模中作为基本的输出执行机构,其简单的控制和输出使得单片机系统非常容易与之接口。舵机是一种位置(角度)伺服的驱动器,适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。目前在高档遥控玩具,如航模,包括飞机模型,潜艇模型;遥控机器人中已经使用得比较普,其实是一种伺服马达。而舵机又分为标准舵机和圆周舵机,标准舵机的最大转动角度是固定的,而圆周舵机则可以360度旋转,类似于步进电机,但转动的角度更加精确。控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片,获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路,产生周期为20ms,宽度为1.5ms的基准信号,将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较,获得电压差输出。最
18、后,电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时,通过级联减速齿轮带动电位器旋转,使得电压差为0,电机停止转动。舵机的控制一般需要一个20ms左右的时基脉冲,该脉冲的高电平部分一般为0.5ms2.5ms范围内的角度控制脉冲部分。以180度角度伺服为例,那么对应的控制关系是这样的:0.5ms-0度;1.0ms-45度;1.5ms-90度;2.0ms-135度;2.5ms-180度;图2.7舵机控制时序图3 总体方案设计3.1超声波自动避障小车小车行进时能对前方障碍物距离进行测量并显示,当障碍物距离小于一定值时,小车转弯避开障碍物。超声波发射电路LPC2138超声波接收电路LE
19、D舵机图3.1系统设计框图初始化超声波发射超声波接收显示距离直走小于设定距离转弯否是开始图3.2超声波自动避障软件流程图3.2手动遥控小车红外线发射器和接收管,组成无线控制装置,可以控制小车的前进、后退、左转弯、右转弯等。LPC2138红外接收电路舵机图3.3系统设计框图初始化红外接收右转左转后退后退?左转?前进前进?是否接收到右转?是否是否是是是否否否开始图3.4 手动遥控小车软件流程图3.3自动循迹小车两对光电收发管组成一个简易的循迹小车,可以沿着黑线循迹前进。光电发射电路LPC2138光电接收电路舵机图3.5 系统设计框图 初始化直走左转右转左灯触线?右灯触线?是是否否开始图3.6 自动
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