基于Arduino的麦克纳姆轮绘图小车

南京师范大学电气与自动化工程学院毕业设计论文I摘 要智能小车是移动机器人学的一个重要分支，是当今从业余爱好者到研究人员中最受欢迎的项目之一，应用广泛，在文化与生活中也起到越来越大的作用。从长远来看，它未来不管在民用还是军事亦或是太空开发等领域有着不错的前景与发展空间，随着时代的发展，人工智能也日益受人们所青睐。本文主要设计任务的制作一辆基于 Arduino 的麦克纳姆轮绘图小车，并编写合适的程序使得用户可以通过安卓手机蓝牙来控制小车的移动以及笔架的升降，从而达到绘图目的。文章对小车的车体设计及整体框架进行了描述，对小车的各个模块也进行了相应介绍。文章介绍了本次所使用的 ATmega328 开发板与麦克纳姆轮的运动原理，通过对Arduino 平台和 keil 软件的使用编写了控制小车运作的主程序与控制笔架升降的 STC单片机程序。文章末尾为本次设计所遇到的问题以及对应心得的描写，也有对本次毕业设计的一些改进的想法。本次毕业设计所完成的智能小车基本达到预期所想，具有很大的推广价值，可以实现可靠的全向移动能力，性能可靠。关键词：Arduino 麦克纳姆轮 蓝牙控制 智能小车 南京师范大学电气与自动化工程学院毕业设计论文IIAbstractSmart car is an important branch of mobile robotics . It is todays researchers from amateur to one of the most popular items, widely used, in culture and also play a more and more important role in the life. In the long run, its future development both in civil and military or space, and other fields has a good prospects and development space, with the development of The Times, artificial intelligence is increasingly popular with people.In this paper, the main design task of making a glossy mu wheel drawing based on the Arduino car, and write the right program that allows users to android bluetooth to control the movement of the car and the rise and fall of pen rack, so as to achieve mapping purpose. This paper describes the vehicle body design and the overall frame, and introduces the module of the car.ATmega328 used by this article introduces the development board and the departments kinematic principle of wheel, through the use of the Arduino platform and keil software the write operation is to control the car pen rack main program and control of the elevator on STC microcontroller program. At the end of the article, there are some Suggestions for the design of this design.This graduate design complete intelligent car achieves the expected, has great popularization value, can realize omnidirectional mobile ability, reliable performance and reliability.Key words: Arduino Mecanum wheel bluetooth control smart car 南京师范大学电气与自动化工程学院毕业设计论文目 录第一章 绪论 .11.1 选题背景及意义 .11.2 国内外研究现状 .11.3 课题的主要研究内容 .2第二章 硬件介绍 .32.1 Arduino 介绍 .32.1.1 Arduino 开发板的选择 .32.1.2 Arduino 拓展板 .62.2 麦克纳姆轮介绍 .62.2.1 麦克纳姆轮原理 .72.2.2 麦克纳姆轮运动分析 .72.2.3 全向运动的实现 .92.3 蓝牙模块的选择 .122.4 L293 驱动控制板 .13第三章 程序的调用及编写 .143.1 类库的编写及调用 .143.1.1 简介 .143.1.2 库文件的改用 .143.2 Arduino 主程序的编写 .173.3 STC 单片机程序的编写 .20南京师范大学电气与自动化工程学院毕业设计论文第四章 程序的烧录 .254.1 Arduino 的烧录 .254.2 STC 单片机的烧录 .26第五章 小车模型及操作流程 .285.1 小车的最终成品 .285.2 流程示意 .29第六章 总结与不足 .306.1 课题总结 .306.2 问题与不足 .31致谢 .32参考文献 .33南京师范大学电气与自动化工程学院毕业设计论文第 1 页第 1 章 绪论1.1 选题背景及意义如今，多智能体系统（Multi-Agent System）已经被给予越来越多的研究和重视。智能小车作为其体系的重要组成部分，拥有广泛的应用前景和期望，成为了当前许多高校和电子竞赛所热衷的课题，可见其研究意义之大。本课题结合了当前热门的智能小车以及创客热衷的 Arduino 设计开发平台，再配合上将来拥有巨大商业和工业价值的 Mecanum 轮，通过蓝牙遥控实现无线控制进而达到全向绘图功能的智能小车。智能化是现代社会的产物，是未来的方向，是当前科技发展的目标，它可以起到比人为更为高效和安全的效果。自 1978 年，“智能模拟”就成为国家科学技术发展规划的主要研究课题。大力发展智能化，可以实现对资源的充分利用，进而获得最大收益，提高工业生产效率，还可以大大减少事故发生的概率，适合以后向慢慢从高端走向生活化。智能小车，是现代的先进技术的综合体，属于移动轮式机器人的一种。目前常见的轮式机器人遍布于医疗、军事、生活等各领域，发展面之广。然而目前常见的轮式机器人有其很多的弊端，在执行许多工作中往往会因为环境空间过于狭小进行无法移动，丧失机动性。近年来，全向移动的机器人以其特有的优越性越来越受到人们的关注及国内外研究机构的重视，Mecanum 轮能在狭隘的空间里快速完成多种作业，对轮式移动小车具有极大的研究价值。1.2 国内外研究现状基于 Mecanum 轮的全向机器人在国外已经发展多年，国内的研究还十分少见。在使用全向移动的技术后，可以显著提高小车的机动性和灵活性，在狭隘的空间作业时，有着显著的优势。在 Mecanum 轮发明后，世界许多发达国家诸如美国等大量应用于工业、民用、军事领域，包括叉车、运输车、竞赛智能车等。1996 年美国的 Airtrax 公司就作为第一个采用该技术公司，将其运用于车辆商业化。图 1-1 为 Airtrax 公司的Sidewinder 系列叉车，它们可以实现在狭窄的空间里全方位移动，灵活自由，极大的提高了企业生产效率，具有极大的经济效益。南京师范大学电气与自动化工程学院毕业设计论文第 2 页图 1-1 Airtrax 公司系列叉车同时，随着国外对 Mecanum 轮的研究及应用，诸多国内学者也对其进行了许多深入的研究及讨论。研究的领域包括运动学、运动效率的研究、全向轮的布局及原理探究等，并在此基础上提出了一系列的成果。其中，Patrick Muir 运用矩阵变换的方法建立了 Mecanum 运动学模型，并运用于反馈算法设计。1.3 课题的主要研究内容本课题的主要研究任务是研制一辆基于 Arduino 开发板的，Mecanum 轮由 4 个直流电机控制的，由 NMB 微型步进推杆电机驱动的笔架结构，从而实现绘图功能的智能小车。其中，小车由四轮底盘、Mecanum 全向轮设计、笔架结构、蓝牙模块、Arduino 开发板、电机驱动板等构成。本文内容一共分为六章，安排如下：第 1 章 绪论：介绍课题背景，并探讨智能小车以及 Mecanum 轮在国内外的研究现状，以此来讨论课题意义。第 2 章 硬件介绍：主要介绍本次设计所用到的硬件及一些简单的原理分析及使用介绍。第 3 章 程序的调用及编写：主要描写了本次小车所用到的主要程序及编写思路和构成的框架。南京师范大学电气与自动化工程学院毕业设计论文第 3 页第 4 章 程序的烧录：将本次设计所用到的一些软件部分进行使用说明，描述了我烧录程序的一些基本步骤。第 5 章 小车模型及操作流程：介绍了小车最终的成品以及操作小车的流程示意。第 6 章 总结与不足南京师范大学电气与自动化工程学院毕业设计论文第 4 页第二章 硬件介绍近年来单片机的种类众多，既有一直流行的 8 位机：51 单片机、AVR、PIC 等系列，还有日趋受欢迎的 16 位机、 MSP420 等系列，还有 ARM CortoxM 系列，这些的单片机都有其各自的优势，使用者可以根据自己的喜好，除此以外还有更接近 MCU 的 DSP系列。 而且我认为：关于所谓单片机的应用学习，最核心的是要去自己理解以个 MCU，然后再根据控制需求来分配 MCU 资源，编写对应程序，这样才是学习的关键所在。2.1 Arduino 介绍马西莫班兹原是意大利伊夫雷亚的一家设计学校的老师。他学校的学生们经常抱怨没有好用的微控制器。到 2005 年冬天，马西莫班兹与 David Cuartielles 一起说起了这个问题。于是 2 人开始一起设计电路板，三天后，电路板宣布完工。Massimo Banzi 根据自己喜欢去的一家叫做 di Re Arduino 的酒吧，这个酒吧是在 1000 年前以意大利国王 Arduin 的名字所命名的。他为了纪念这个就把，将这块电路板命名为Arduino，这就是 Arduino 名字的由来。后来 Banzi、Cuartielles 和 Mellis 将这个设计图发到了网上。那时版权法虽然可以监管许多开源软件，但却很难作用于硬件上面，所以他们后来便采用了一种叫做Creative Commons(CC)的方式来公开设计图来维持自己的自由开源理念。通过这样的授权，任何人都可以使用他们的设计板。人们可以自由的使用或者开发 Arduino 开发板，甚至都不需要开发团队的授权。但是，一旦你发布了自己的引用设计，那么你就需要声明原先的开发团队。如果你相应修改电路板。那么必须用一用的 CC 授权方式，这样就可以保证新的版本也可以有一用的自由和开发。Arduino 这个名字是被唯一所保留的，被注册成了商标，不允许在未经许可的情况下使用。随着 Arduino 的发展，今年来有了众多的衍生控制器产生，这也是 Arduino 的自由开放所带来的成果。2.1.1 Arduino 开发板的选择Arduino 控制器是一个在一个微控制器专为机器人应用。作用与 Arduino 开源平台，它支撑上千的开放源代码，并易于扩展与大多数 Arduino Shields。板上的微控制器使南京师范大学电气与自动化工程学院毕业设计论文第 5 页用 Arduino 编程语言编程（基于接线）和 Arduino 开发环境（基于处理）。 Arduino项目可以独立或他们可以在计算机上运行的软件进行通信 （例如 Flash，处理，MaxMSP 等）。本次设计小车采用的开发板型号是 Arduino Atmega 168/328，如图 2-1 所示图 2-1 Atmega 168/328Atmega 168 / 328 开发板具有 14 通道数字输入输出，6 通道的 PWM（PIN1 1，pin10，pin9，pin6，PIN3）8 通道 10 位模拟 I/O，也支持 USB 接口通信，有自动感应的开关电源输入，烧录方面也支持 ICSP 头程序直接下载，串行借口 TTL 电平，支持 AREF 和 male/female 针头，有着用于 APC220 射频模块集成插座。在直流电源方面支持 USB 供电或外部的 7v 交流电压，直流 12V 电压。直流输出：5V/3.3V DC 和外部电源输出尺寸：90x80mm。硬件简介：- 调节电动机的电源输入端（6v-12v）；- 不受管制的伺服电源输入端子（供给调节 4v-7.2V）；- 伺服输入功率选择跳线口；- 串行接口模块 headerforapc220 模块；南京师范大学电气与自动化工程学院毕业设计论文第 6 页- 两直流电机端子处理电机电流制定 2a；- IIC / TWI 端口SDA，SCL，5V，GND；- 模拟端口与 8 个模拟输入；- 输入与内部电源电压；- 通用 I/O 端口 13 个 I/O 线；- 4,5,6,7 可以用来控制电机；- 复位按钮。ATmega328 的微控