智能机器人功能开发与设计毕业设计

1、智能机器人功能开发与设计 北京理工大学 自动化学院 内内 容容 简简 介介 本书主要针对近几年应用比较广泛的智能机器人做了详细的分析介绍，全 面阐述了智能机器人的基本理论与应用。全书共分成了两大部分，第一部分着 重介绍智能机器人的软件和硬件；第二部分主要针对智能机器人的功能开发与 设计做了详细的介绍。 本书通过查阅大量的资料，在智能机器人的功能方面做出了进一步的开发 设计，拓展了智能机器人的应用范围。将功能比较齐全、应用广泛的几大类传 感器应用到智能机器人上，使智能机器人实现相应的功能。书中在第二部分做 了详细的阐述。 本书可以作为专业技能院校在传感器理论及应用方面的教科书，亦可供从 事智能机

2、器人研究的各专业工程技术人员自学参考。 图书编目数据 智能机器人功能开发与设计/姚小兰主编 . 北京：北京理工大学，2013 普通专业技能院校教材 智能机器人功能开发与设计g i 智 ii 姚 iii 智能机器人-专业技能院校-教材 北京理工大学 自动化学院g 智能机器人项目主要参加人员： 北京理工大学：姚小兰、李保奎、于蕾、张东洋、苗江涛、张家鑫、高 双 广州市公用事业技师学院：周俊林、李照勋、张瑞佳、陆天智 本书由北京理工大学自动化学院编辑 地址：北京市海淀区中关村南大街 5 号 邮编：100089 电话i 目目 录录 1. 智能机器人概述智能机器人概述.1 1

3、.1 智能机器人硬件介绍智能机器人硬件介绍.1 1.1.1 概述.1 1.1.2 电机的安装.2 1.1.3 lcd 显示屏的安装.2 1.2 智能机器人软件介绍智能机器人软件介绍.3 1.2.1 cpu 内程序.3 1.2.2 上位机界面.5 2. 功能介绍及测试功能介绍及测试.8 2.1 通讯设置通讯设置.8 2.2 超声波测距超声波测距.9 2.2.1 功能说明.9 2.2.2 操作说明.9 2.2.3 程序流程.11 2.3 红外线避障功能红外线避障功能.13 2.3.1 功能说明.13 2.3.2 操作说明.13 2.3.3 实现方法.15 2.3.4 程序流程.15 2.4 超声波

4、避障功能超声波避障功能.16 2.4.1 功能说明.16 2.4.2 功能试验操作说明.16 2.4.3 实现方法.18 2.4.4 程序流程.18 2.5 超声波超声波+红外线避障功能红外线避障功能 .19 2.5.1 功能说明.19 2.5.2 操作说明.19 ii 2.5.3 实现方法.21 2.5.4 程序流程.21 2.6 寻找火源寻找火源.22 2.6.1 功能说明.22 2.6.2 功能试验操作说明.22 2.6.3 实现方法.23 2.6.4 程序流程.23 2.7 灯光控制灯光控制.24 2.7.1 功能说明.24 2.7.2 功能试验操作说明.24 2.7.3 实现方法.2

5、6 2.7.4 程序流程.26 2.8 寻线功能寻线功能.27 2.8.1 功能说明.27 2.8.2 功能试验操作说明.27 2.8.3 实现方法.28 2.8.4 程序流程.28 附录：智能机器人传感器变量汇总附录：智能机器人传感器变量汇总.30 1 1. 智能机器人概述智能机器人概述 智能机器人系统采用三片 cpu，分别挂接不同传感器，配合相应程序，完 成不同功能。 1.1 智能机器人硬件智能机器人硬件介绍介绍 1.1.1 概述 系统主要由三片 cpu、电机、lcd 显示屏、若干传感器、接口、开关及辅 助电路构成。 与 cpu1 相连的接口及传感器主要有遥控接收器、lcd 显示屏、led

6、 指示 灯、程序下装口和通讯接口，配合程序完成遥控、编程、lcd 显示和通讯功能。 与 cpu2 相连的接口及传感器主要有超声波传感器、红外避障传感器、碰 撞开关、震动传感器、倾角传感器、温度传感器、温湿度传感器、led 指示灯、 程序下装口和通讯接口，配合程序完成超声波测距、红外避障、温湿度测量、 编程和通讯等功能。 与 cpu3 相连的接口及传感器主要有电机、三轴加速度计、灰度传感器、 火焰传感器、烟雾传感器、酒精传感器、光线传感器、颜色传感器、led 指示 灯、程序下装口和通讯接口，配合程序完成机器人移动、寻线、寻找火源、编 程和通讯等功能。 系统主要的硬件连接如图 1-1 所示，其中，

7、图 1-1(a)是未安装传感器时系统 硬件连接图，图 1-1(b)是整体硬件连接图。 图 1-1(a) 未安装传感器系统硬件连接 2 图 1-1(b) 整体硬件连接 1.1.2 电机的安装 智能机器人系统采用两个电机分别驱动两个轮子，用户可以对两个电机分 别进行控制，以完成前进、后退、转弯等多种动作。电机的安装如图 1-2 所示： 图 1-2 电机的安装 安装电机时，左侧电机连接线与 mot1 接口相连；电机连接线与 mot2 接 口相连；同时，注意三根连接线的颜色位置。 1.1.3 lcd显示屏的安装 智能机器人系统可采用 lcd 显示屏来显示各个传感器的数据，其通过连接 线与接口板相连，安

8、装如图 1-3 所示： 3 图 1-3 lcd 的安装 在安装 lcd 显示屏时，注意接口板上各个信号引脚与 lcd 上的各个信号 引脚要一一对应。 1.2 智能机器人软件介绍智能机器人软件介绍 系统软件部分包含 cpu 内程序部分和上位机界面两个部分。 1.2.1 cpu 内程序 cpu1 作为主 cpu，包含的程序如下： (1)lcd 显示程序，使数据在机器人上的显示； (2)与上位机通讯程序，实现接收上位机命令、处理分解命令以及向上位机 回送命令、传感器配置信息和实时数据的功能； (3)与 cpu2、cpu3 通讯程序，用来向从 cpu 发送与接收命令和数据； (4)遥控程序，读取遥控器

9、按键编码； (5)基本测试程序，通过向从 cpu 发送与接收的命令和数据，完成对传感 器各项功能的基本测试； (6)电机速度设定程序，用来设定机器人电机的目标速度； (7)各项功能程序，通过向从 cpu 发送与接收的命令和数据以及多种传感 器的配合，实现寻线、红外避障、超声波测距、红外+超声波避障、寻找火源等 功能； (8)开放程序，用户可通过调用从 cpu 的各项传感器数据，配合自身设计 的算法，实现相应的功能。 cpu2 作为从 cpu，包含的程序如下： 4 (1)与 cpu1 的通讯程序，接收来自 cpu1 的命令和数据、并向 cpu1 发送 请求数据； (2) 实现各种功能的程序，实现

10、检测传感器数据功能，以及各传感器的启 动、运行、读取数据的功能。 cpu3 作为从传感器，包含的程序如下： (1)与 cpu1 通讯程序，接收来自 cpu1 的命令和数据、并向 cpu1 发送请 求数据； (2) 实现各种功能的程序，实现检测传感器数据功能以及各传感器启动、 运行、读取数据的功能。 (3)电机控制程序，根据 cpu1 的命令，实现对电机目标速度的控制。 为了方便用户的自主开发，针对电机和 lcd 显示屏，可按照如下方式进行 控制： (1) 电机控制 使用变量 stmotor.speedleft 和 stmotor.speedright 对左右电机进行控制， 二者有四种取值： m

11、ot_spd_full、mot_spd_fast、mot_spd_slow、mot_spd_zero ，分别表示全速正转、高速正转、低速正转和静止。若需控制电机反转，则用 0 减去相应的取值即可。通过上述取值的不同组合，可以实现前进、后退、转 弯等运动方式。电机控制的具体语句为(以全速前进为例)： . stmotor.speedleft = mot_spd_full; stmotor.speedright = mot_spd_full; stmotor.speedcontrol = false; stuart2.cpu3sendmotorreq = true; 若用户在程序中对电机进行操作，那

12、么在程序的结尾处需要加入上述语句 中的最后两句，以使前述控制生效。 (2) lcd 显示 5 若用户需用 lcd 对结果等数据内容进行显示，可采用如下语句格式： . sprintf(stlcd.row1,格式,变量); /第一行显示内容，没有可删除 sprintf(stlcd.row2,格式,变量); /第二行显示内容，没有可删除 stlcd.showreq = 1; . 在上述语句中，变量 stlcd.showreq 控制显示方式，共有三种取值：一种 是只显示第一行，一种是只显示第二行，还有一种是显示两行。格式在使用 中用需要显示内容的输出格式代替，如$print distance:%dmm

13、n。 1.2.2 上位机界面 上位机界面分为通讯设置、传感器设置、演示实验和调试四个界面，如图 1-4、1-5、1-6 和 1-7 所示，用户可根据后续章节介绍了解上位机界面的操作。 图 1-4 通讯设置 6 图 1-5 传感器设置 图 1-6 演示实验 7 图 1-7 调试 8 2. 功能介绍及测试功能介绍及测试 2.1 通讯设置通讯设置 pc 机与智能机器人需要通过通讯接口来实施控制。因此，需要在pc机上 进行一定的配置。配置方法如下： （1）通过usb线连接pc机和智能机器人，将两个开关拨到合适的位置。 （2）在“计算机”上单击右键，点击“管理” ，双击“设备管理器” ，如图 2-1所示

14、。 图2-1 设备管理器 （3）在“端口（com和lpt） ”中查看与智能机器人连接的通讯端口号， 如图2-2所示，此处的端口号为com5（各pc机的端口号可能不同） 。 9 图2-2 通讯端口 （4）在pc机上打开parasetup软件。在通讯设置选择端口号，此处为 com5，并点击连接。此时窗口下方应显示“已连接com5” 。 图2-3 通讯配置 2.2 超声波测距超声波测距 2.2.1 功能说明 测量位于机器人前方障碍物距机器人的距离，并显示在计算机屏幕上，或 显示在机器人 lcd 显示屏上。 2.2.2 操作说明 (1) 安装传感器 10 该功能采用的传感器为超声波传感器，安装在接口板

15、”sr04”处，如图 2-4 所示： 图 2-4 超声波传感器与智能机器人的连接 (2) 勾选传感器设置中“超声波测距”hc-sr04”项,如图 2-5 所示，下装传感 器配置至机器人，打开“演示实验”中超声波测距显示，如图 2-6 所示。 图 2-5 超声波测距传感器配置 11 图 2-6 超声波测距显示功能选择 2.2.3 程序流程 图 2-7 超声波传感器测距程序流程图 图 2-8 数据转换程序流程图 图 2-9 显示距离程序流程图 12 开开始始 初始化计数器1 清零计数器寄存器 发射脉冲波，延时 20us 停止发射 判断是否接受到回波 有：保持计时 （等待回波） 无：停止计时 计算从

16、发射到接受回波 所用的时间 将时间换算成距离 并返回 距离值 结束 开始 将数据以分米 为单位，并将 整数部分和小 数部分分别存 储 将数据以分米 为单位，并将 整数部分和小 数部分分别存 储 判断超声传感器型号 结束 图 2-7 超声波传感器测距流程图 图 2-8 数据转换流程图 13 开始 所测数据是 否发生变化 开启lcd显示？ 更新要显示 的数据 将数据送往 计算机显示 结束 将数据显示 在lcd上 是 否 是 否 图 2-9 显示距离流程图 2.3 红外线避障功能红外线避障功能 2.3.1 功能说明 在行进过程中探测位于机器人左前方或右前方的障碍物并有效地避开障碍 物继续前进 2.3

17、.2 操作说明 (1) 安装传感器 该功能采用的传感器为两个红外线避障传感器，安装在接口板”ir1”、 ” ir2”处，如图 2-10 所示： 14 图 2-10 红外避障传感器与智能机器人的连接 (2) 在传感器设置中勾选“红外避障传感器（左） ” 、 “红外避障传感器（右） ” ，将设置下装到机器人中，如图 2-11 所示，并在“演示试验”界面打开”红外 避障“，运行机器人，如图 2-12 所示。 图 2-11 红外避障传感器配置 15 图 2-12 红外避障功能选择 2.3.3 实现方法 机器人左右两侧各装一个红外线传感器，分别控制左右两侧的电机，用于 探测左前方及右前方的障碍物，若左前

18、方有障碍物，则向左侧电机发送信号， 使左侧电机快速转动，右侧电机速度为零，机器人右转；若右前方有障碍物， 则向右侧点击发送信号，使右侧电机快速转动，左侧电机速度为零，机器人左 转；若左右两侧均有障碍物，则控制左侧电机速度为零，右侧电机快速转动， 机器人左转；若左右两侧均无障碍物则左右两侧电机均快速转动。 2.3.4 程序流程 程序流程图如图 2-13 所示： 16 开始 读取是否有障碍 物 左转 右转 左侧有障碍物？ 右侧有障碍物？ 左右都有 障碍物？ 左右都无 障碍物 结束 左侧电机速度为 零 两侧电机速 度均不为零 是 否 是 否 是 否 图 2-13 红外避障程序流程 2.4 超声波避障

19、功能超声波避障功能 2.4.1 功能说明 利用超声波传感器避开机器人前方 2.2m 以内的障碍物 2.4.2 功能试验操作说明 (1) 安装传感器 该功能采用超声波传感器和两个红外避障传感器，安装在接口板”sr04”处， 如图 2-14 所示： 17 图 2-14 超声波传感器与智能机器人的连接 (2) 在传感器设置中勾选“超声波测距 hc-sr04“，将设置下装到机器人 中，如图 2-15 所示，并在“演示试验”界面打开”超声波避障“，运行机器人， 如图 2-16 所示。 图 2-15 超声波避障传感器配置 18 图 2-16 超声波避障功能选择 2.4.3 实现方法 目的是利用超声波传感器

20、探测障碍物的距离。当障碍物的距离大于 200cm 时，保持小车原来的速度；当障碍物的距离小于 200cm 时，使左侧电机的速度 为零，右侧电机的保持不变，从而避开障碍物。 2.4.4 程序流程 程序流程图如图 2-17 所示 开始 障碍物是否在2米内 保持原速度前进右转 结束 否是 图 2-17 超声波避障程序流程 19 2.5 超声波超声波+红外线避障功能红外线避障功能 2.5.1 功能说明 同时启用超声波和红外线传感器，避开前方一定距离内的障碍物。 2.5.2 操作说明 (1) 安装传感器 该功能采用的传感器为超声波传感器和两个红外避障传感器，其安装位置 为接口板”sr04” 、 ”ir1

21、”、 ”ir2”处，如图 2-18(a)、(b)所示： 图 2-18(a) 超声波传感器与智能机器人的连接 图 2-18(b) 红外避障传感器与智能机器人的连接 (2) 在传感器设置中同时勾选“超声波测距 hc-sr04” 、 “红外避障传感器 （左） ” 、 “红外避障传感器（右） ” ，将设置下装到机器人中，如图 2-19 所示， 20 并在“演示试验”界面打开”超声+红外避障“，运行机器人，如图 2-20 所示。 图 2-19 红外+超声波避障传感器配置 21 图 2-20 红外+超声波避障功能选择 2.5.3 实现方法 利用超声波传感器探测障碍物的距离，当距离大于 220cm 时，保持

22、机器人 全速行进；当距离小于 220cm 时，利用红外线传感器探测障碍物的方位，若位 于左侧，使左侧电机快速转动，使右侧电机停止转动；若位于右侧，使右侧电 机快速转动，使左侧电机停止转动；若两侧均有障碍物，使左侧电机停止转动， 右侧电机快速转动；若障碍物位于正前方，使左右两侧电机慢速转动。 2.5.4 程序流程 程序流程图如图 2-21 所示 低速前进低速前进 是是 否否 是是 否否 是是 否否 是是 否否 是是 否否 是是 高速左转高速左转 结束 低速右转低速右转 障碍距离大于障碍距离大于 1.5m 且且 左右前方均无障碍左右前方均无障碍 障碍距离小于障碍距离小于 1.5m 且且 左右前方均

23、无障碍左右前方均无障碍 左右前方有障左右前方有障碍 高速左转高速左转 右前方有障右前方有障碍 全速前进全速前进 左前方有障左前方有障碍 高速右转高速右转 开始 障碍距离大于障碍距离大于 2.2m 且且 左右前方均无障碍左右前方均无障碍 否否 22 图 2-21 红外+超声波避障程序流程 2.6 寻找火源寻找火源 2.6.1 功能说明 使机器人寻找周围环境中的火源 2.6.2 功能试验操作说明 (1) 安装传感器 该功能采用两个火焰传感器，安装在接口板”fire1” 、 ”fire2”处，如图 2- 19 所示： 图 2-19 火焰传感器与智能机器人的连接 (2) 在传感器设置中同时勾选“火焰传

24、感器（左） “、 “火焰传感器（右） ”将 设置下装到机器人中，如图 2-20 所示，并在“演示试验”界面打开”寻找火源 “，运行机器人，如图 2-21 所示。 23 图 2-20 寻找火源传感器配置 图 2-21 寻找火源功能选择 2.6.3 实现方法 利用火焰传感器采集周围环境的信息，再将采集到的模拟信息通过 a/d 转 换器转换成数字量再进一步转换成距离。若两侧火焰传感器测得的距离均小于 0.45m，则两侧电机速度均为零找到火源；若两侧距离大于 0.45m，且两侧 24 距离差小于 0.1m，则两侧电机同速转动，使智能机器人直线前进；若两侧距离 大于 0.45m 且右侧距离小于左侧距离，

25、保持右侧电机转速为零，左侧电机保持 转动，机器人右转，靠近光源；若两侧距离大于 0.45m 且右侧距离大于左侧距 离，控制左侧电机转速为零，右侧电机保持转动，机器人左转，靠近光源。 2.6.4 程序流程 程序流程图如图 2-22 所示 开始 停止运动 找到火源 取两侧 距离差k 两侧距离火源 均小于0.45m? 两侧距离光源差 小于0.1m? 右侧距离火源 小于左侧？ 左侧距离火源 小于右侧？ 直线前进 右转 左转 结束 是 否 是 否 是 是 否 图 2-22 寻找火源程序流程 2.7 灯光控制灯光控制 2.7.1 功能说明 机器人根据周围环境的光线强度，控制灯光的亮度。 2.7.2 功能试

26、验操作说明 (1) 安装传感器 该功能采用光线传感器，安装在接口板”light”处，如图 2-23 所示： 25 图 2-23 光线传感器与智能机器人的连接 (2) 在传感器设置中同时勾选“光线传感器” ，将设置下装到机器人中，如 图 2-24 所示，并在“演示试验”界面打开“灯光控制” ，运行机器人，如图 2- 25 所示。 图 2-24 灯光控制传感器配置 26 图 2-25 灯光控制功能选择 2.7.3 实现方法 机器人采集周围环境中的光线强度，并将采集到的模拟量由 a/d 转换器转 换成数字量，通过比较环境光照强度和设定的阈值来控制各盏灯的亮灭。 2.7.4 程序流程 程序流程图如图

27、2-26 所示 开始 开启一盏灯 环境光线强度 大于10小于20 环境光线强度 大于20小于50 环境光线强度 小于10 同时开启三 盏灯 开启两盏灯 不开启灯光 结束 图 2-26 灯光控制程序流程 27 2.8 寻线功能寻线功能 2.8.1 功能说明 让机器人按照预定的轨迹行进。 2.8.2 功能试验操作说明 (1) 安装传感器 该功能采用灰度传感器，安装在接口板”gray”处，如图 2-27 所示： 图 2-27 灰度传感器与智能机器人的连接 (2) 在传感器设置中同时勾选“灰度传感器” ，将设置下装到机器人中， 如图 2-28 所示。并在“演示试验”界面打开“寻线” ，运行机器人，如图

28、 2-29 所示。 28 图 2-28 寻线功能传感器配置 图 2-29 寻线功能选择 29 2.8.3 实现方法 利用灰度传感器采集当下轨迹的灰度值，灰度传感器如图 2-30 所示。机器 人不断采集 5 个位置的灰度，根据 5 个位置的灰度值控制机器人的运动 。 图 2-30 灰度传感器位置图 2.8.4 程序流程 程序流程图如图 2-31 所示 否 是 是 开始 位置 3 为 黑 全速前进 位置 2 为 黑 高速左转 位置 4 为 黑 高速右转 位置 1 为黑 高速左转 位置 5 为黑 高速右转 正在高速左转 高速左转 正在高速右转 高速右转 正在全速前进 左转 结束 是 是 是 是 是 是 否 否 否 否 否 否 否 图 2-31 寻线程序流程图 30 附录：智能机器人传感器变量汇总 装置使用变量变量类型变量范围变量访问方式变量含义安装说明 温度传感器sttemp.t 浮点型，精确到 小数点后两位 只读 温度值，单位为摄氏 度 cpu2 p25 温湿度传感器 温度：sthumidity.t 湿度：sthumidi