智能机器人功能开发与设计-y

1、智能机器人功功能开发与设设计北京理工大学自动化学院内 容 简 介介本书主要针对近近几年应用比比较广泛的智智能机器人做做了详细的分分析介绍，全全面阐述了智智能机器人的的基本理论与与应用。全书书共分成了两两大部分，第第一部分着重重介绍智能机机器人的软件件和硬件；第第二部分主要要针对智能机机器人的功能能开发与设计计做了详细的的介绍。本书通过查阅大大量的资料，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。本书可以作为专专业技能院校校在传感器理理论及应用方方面的

2、教科书书，亦可供从从事智能机器器人研究的各各专业工程技技术人员自学学参考。图书编目数据智能机器人功功能开发与设设计/姚小兰兰主编 . 北京：北京京理工大学，22013普通专业技能院院校教材智智能机器人功能开发与与设计 = 1 * ROMAN I智 = 2 * ROMMAN II姚 = 3 * ROMAN III智能机机器人-专业业技能院校-教材北京理工大学自自动化学院智能机器人项目目主要参加人员： 北京理理工大学：姚姚小兰、李保保奎、于蕾、张张东洋、苗江江涛、张家鑫鑫、高双 广州市市公用事业技技师学院：周周俊林、李照照勋、张瑞佳佳、陆天智本书由北京理工工大学自动化化学院编辑地址：北京市海海淀区

3、中关村村南大街5号号邮编：1000089电话：010-689122467PAGE III目 录TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc361326711 1. 智能机器器人概述 PAGEREF _Toc361326711 h 1 HYPERLINK l _Toc361326712 1.1智能机器器人硬件介绍绍 PAGEREF _Toc361326712 h 1 HYPERLINK l _Toc361326713 1.1.1 概概述 PAGEREF _Toc361326713 h 1 HYPERLINK l _Toc361326714 1.1.2 电电机的安装 PAGER

4、EF _Toc361326714 h 2 HYPERLINK l _Toc361326715 1.1.3 LLCD显示屏屏的安装 PAGEREF _Toc361326715 h 2 HYPERLINK l _Toc361326716 1.2 智能机机器人软件介介绍 PAGEREF _Toc361326716 h 3 HYPERLINK l _Toc361326717 1.2.1 CCPU内程序序 PAGEREF _Toc361326717 h 3 HYPERLINK l _Toc361326718 1.2.2 上上位机界面 PAGEREF _Toc361326718 h 5 HYPERLINK

5、 l _Toc361326719 2. 功能介绍绍及测试 PAGEREF _Toc361326719 h 8 HYPERLINK l _Toc361326720 2.1 通讯设设置 PAGEREF _Toc361326720 h 8 HYPERLINK l _Toc361326721 2.2 超声波波测距 PAGEREF _Toc361326721 h 9 HYPERLINK l _Toc361326722 2.2.1功能能说明 PAGEREF _Toc361326722 h 9 HYPERLINK l _Toc361326723 2.2.2 操操作说明 PAGEREF _Toc3613267

6、23 h 9 HYPERLINK l _Toc361326724 2.2.3 程程序流程 PAGEREF _Toc361326724 h 11 HYPERLINK l _Toc361326725 2.3红外线避避障功能 PAGEREF _Toc361326725 h 13 HYPERLINK l _Toc361326726 2.3.1 功功能说明 PAGEREF _Toc361326726 h 13 HYPERLINK l _Toc361326727 2.3.2操作作说明 PAGEREF _Toc361326727 h 13 HYPERLINK l _Toc361326728 2.3.3 实实

7、现方法 PAGEREF _Toc361326728 h 15 HYPERLINK l _Toc361326729 2.3.4 程程序流程 PAGEREF _Toc361326729 h 15 HYPERLINK l _Toc361326730 2.4 超声波波避障功能 PAGEREF _Toc361326730 h 16 HYPERLINK l _Toc361326731 2.4.1 功功能说明 PAGEREF _Toc361326731 h 16 HYPERLINK l _Toc361326732 2.4.2 功功能试验操作作说明 PAGEREF _Toc361326732 h 16 HYP

8、ERLINK l _Toc361326733 2.4.3 实实现方法 PAGEREF _Toc361326733 h 18 HYPERLINK l _Toc361326734 2.4.4 程程序流程 PAGEREF _Toc361326734 h 18 HYPERLINK l _Toc361326735 2.5 超声波波+红外线避障障功能 PAGEREF _Toc361326735 h 19 HYPERLINK l _Toc361326736 2.5.1 功功能说明 PAGEREF _Toc361326736 h 19 HYPERLINK l _Toc361326737 2.5.2 操操作说明

9、 PAGEREF _Toc361326737 h 19 HYPERLINK l _Toc361326738 2.5.3 实实现方法 PAGEREF _Toc361326738 h 21 HYPERLINK l _Toc361326739 2.5.4 程程序流程 PAGEREF _Toc361326739 h 21 HYPERLINK l _Toc361326740 2.6 寻找火火源 PAGEREF _Toc361326740 h 22 HYPERLINK l _Toc361326741 2.6.1 功功能说明 PAGEREF _Toc361326741 h 22 HYPERLINK l _T

10、oc361326742 2.6.2 功功能试验操作作说明 PAGEREF _Toc361326742 h 22 HYPERLINK l _Toc361326743 2.6.3 实实现方法 PAGEREF _Toc361326743 h 23 HYPERLINK l _Toc361326744 2.6.4 程程序流程 PAGEREF _Toc361326744 h 23 HYPERLINK l _Toc361326745 2.7 灯光控控制 PAGEREF _Toc361326745 h 24 HYPERLINK l _Toc361326746 2.7.1 功功能说明 PAGEREF _Toc3

11、61326746 h 24 HYPERLINK l _Toc361326747 2.7.2 功功能试验操作作说明 PAGEREF _Toc361326747 h 24 HYPERLINK l _Toc361326748 2.7.3 实实现方法 PAGEREF _Toc361326748 h 26 HYPERLINK l _Toc361326749 2.7.4 程程序流程 PAGEREF _Toc361326749 h 26 HYPERLINK l _Toc361326750 2.8 寻线功功能 PAGEREF _Toc361326750 h 27 HYPERLINK l _Toc3613267

12、51 2.8.1 功功能说明 PAGEREF _Toc361326751 h 27 HYPERLINK l _Toc361326752 2.8.2 功功能试验操作作说明 PAGEREF _Toc361326752 h 27 HYPERLINK l _Toc361326753 2.8.3 实实现方法 PAGEREF _Toc361326753 h 28 HYPERLINK l _Toc361326754 2.8.4 程程序流程 PAGEREF _Toc361326754 h 28 HYPERLINK l _Toc361326755 附录：智能机器器人传感器变变量汇总 PAGEREF _Toc36

13、1326755 h 30PAGE 381. 智能机器器人概述智能机器人系统统采用三片CCPU，分别别挂接不同传传感器，配合合相应程序，完完成不同功能能。1.1智能机器器人硬件介绍绍1.1.1 概概述系统主要由三片片CPU、电电机、LCDD显示屏、若若干传感器、接接口、开关及及辅助电路构构成。与CPU1相连连的接口及传传感器主要有有遥控接收器器、LCD显显示屏、LEED指示灯、程程序下装口和和通讯接口，配配合程序完成成遥控、编程程、LCD显显示和通讯功功能。与CPU2相连连的接口及传传感器主要有有超声波传感感器、红外避避障传感器、碰碰撞开关、震震动传感器、倾倾角传感器、温温度传感器、温温湿度传感

14、器器、LED指指示灯、程序序下装口和通通讯接口，配配合程序完成成超声波测距距、红外避障障、温湿度测测量、编程和和通讯等功能能。与CPU3相连连的接口及传传感器主要有有电机、三轴轴加速度计、灰灰度传感器、火火焰传感器、烟烟雾传感器、酒酒精传感器、光光线传感器、颜颜色传感器、LLED指示灯灯、程序下装装口和通讯接接口，配合程程序完成机器器人移动、寻寻线、寻找火火源、编程和和通讯等功能能。系统主要的硬件件连接如图11-1所示，其其中，图1-1(a)是是未安装传感感器时系统硬件连连接图，图11-1(b)是整体硬件连连接图。图1-1(a) 未安装传传感器系统硬硬件连接图1-1(b) 整体硬件件连接1.1

15、.2 电电机的安装 智能机机器人系统采采用两个电机机分别驱动两两个轮子，用用户可以对两两个电机分别别进行控制，以以完成前进、后后退、转弯等等多种动作。电电机的安装如如图1-2所所示：图1-2 电机机的安装 安装电电机时，左侧侧电机连接线线与MOT11接口相连；电机连接线线与MOT22接口相连；同时，注意意三根连接线线的颜色位置置。1.1.3 LLCD显示屏屏的安装 智能机机器人系统可可采用LCDD显示屏来显显示各个传感感器的数据，其其通过连接线线与接口板相相连，安装如如图1-3所所示：图1-3 LCCD的安装 在安装装LCD显示示屏时，注意意接口板上各各个信号引脚脚与LCD上上的各个信号号引脚

16、要一一一对应。1.2 智能机机器人软件介介绍系统软件部分包包含CPU内程序序部分和上位位机界面两个个部分。1.2.1 CCPU内程序序CPU1作为主主CPU，包含含的程序如下下：(1)LCD显显示程序，使使数据在机器器人上的显示示；(2)与上位机机通讯程序，实实现接收上位位机命令、处处理分解命令令以及向上位位机回送命令令、传感器配配置信息和实实时数据的功功能；(3)与CPUU2、CPU3通讯讯程序，用来来向从CPUU发送与接收收命令和数据据；(4)遥控程序序，读取遥控控器按键编码码；(5)基本测试试程序，通过过向从CPUU发送与接收收的命令和数数据，完成对对传感器各项项功能的基本本测试；(6)

17、电机速度度设定程序，用用来设定机器器人电机的目目标速度；(7)各项功能能程序，通过过向从CPUU发送与接收收的命令和数数据以及多种种传感器的配配合，实现寻寻线、红外避避障、超声波波测距、红外外+超声波避障障、寻找火源源等功能；(8)开放程序序，用户可通通过调用从CCPU的各项项传感器数据据，配合自身身设计的算法法，实现相应应的功能。CPU2作为从从CPU，包含含的程序如下下：(1)与CPUU1的通讯程程序，接收来来自CPU1的命令和数数据、并向CCPU1发送送请求数据；(2) 实现各各种功能的程程序，实现检检测传感器数数据功能，以以及各传感器器的启动、运运行、读取数数据的功能。CPU3作为从从

18、传感器，包包含的程序如如下：(1)与CPUU1通讯程序序，接收来自自CPU1的命命令和数据、并并向CPU11发送请求数数据；(2) 实现各各种功能的程程序，实现检检测传感器数数据功能以及及各传感器启启动、运行、读读取数据的功功能。(3)电机控制制程序，根据据CPU1的命命令，实现对对电机目标速速度的控制。为了方便用户的的自主开发，针针对电机和LLCD显示屏屏，可按照如如下方式进行行控制：(1) 电机控控制使用变量stMMotor.SpeeddLeft和和stMottor.SppeedRiight对左左右电机进行行控制，二者者有四种取值：MOT_SSPD_FUULL、MOT_SSPD_FAAST

19、、MOOT_SPDD_SLOWW、MOT_SPD_ZZERO，分分别表示全速速正转、高速速正转、低速速正转和静止止。若需控制制电机反转，则则用0减去相应的取值值即可。通过过上述取值的的不同组合，可可以实现前进进、后退、转转弯等运动方方式。电机控控制的具体语语句为(以全全速前进为例例)：.stMotorr.SpeeedLeftt = MMOT_SPPD_FULLL;stMotorr.SpeeedRighht = MMOT_SPPD_FULLL;stMotorr.SpeeedConttrol = FALSSE;stUART22.CPU33SendMMotorRReq = TRUE;若用户在程序中中

20、对电机进行行操作，那么么在程序的结结尾处需要加加入上述语句句中的最后两两句，以使前前述控制生效效。(2) LCDD显示若用户需用LCCD对结果等等数据内容进进行显示，可采用如下下语句格式：.sprintff(stLCCD.Roww1,格式式,变量); /第一行显示示内容，没有有可删除 sprinttf(stLLCD.Roow2,格格式,变量量); /第二行显显示内容，没没有可删除 stLCD.ShowRReq = 1; .在上述语句中，变变量stLCCD.ShoowReq控控制显示方式式，共有三种种取值：一种种是只显示第第一行，一种种是只显示第第二行，还有有一种是显示示两行。格式在使用中用用需

21、要显示内容的的输出格式代代替，如$PRINTT Disttance:%dmmn。1.2.2 上上位机界面上位机界面分为为通讯设置、传传感器设置、演演示实验和调调试四个界面面，如图1-4、1-5、1-6和1-7所示，用用户可根据后后续章节介绍绍了解上位机机界面的操作作。图1-4 通讯讯设置图1-5 传感感器设置图1-6 演示示实验图1-7 调试试2. 功能介绍绍及测试2.1 通讯设设置PC 机与智能能机器人需要要通过通讯接接口来实施控控制。因此，需需要在PC机上进行行一定的配置置。配置方法法如下：（1）通过USSB线连接PC机和智能机器器人，将两个个开关拨到合合适的位置。（2）在“计算算机”上单

22、击右键键，点击“管理”，双击“设备管理器器”，如图2-1所示。 图2-1 设备备管理器（3）在“端口口（COM和LPT）”中查看与智能能机器人连接接的通讯端口口号，如图22-2所示，此处处的端口号为为COM5（各PC机的端口口号可能不同同）。 图2-2 通讯讯端口（4）在PC机机上打开paarasettup软件。在在通讯设置选选择端口号，此此处为COMM5，并点击连连接。此时窗窗口下方应显显示“已连接COMM5”。图2-3 通讯讯配置2.2 超声波波测距2.2.1功能能说明测量位于机器人人前方障碍物物距机器人的距距离，并显示示在计算机屏屏幕上，或显显示在机器人人LCD显示示屏上。2.2.2 操

23、操作说明 (1) 安装传感感器 该功能能采用的传感感器为超声波波传感器，安安装在接口板板”SR04”处，如图22-4所示：图2-4 超声声波传感器与与智能机器人人的连接 (2) 勾选选传感器设置置中“超声波波测距”HCC-SR044”项,如图2-5所示，下装传传感器配置至至机器人，打开“演示实验”中超声波测距距显示，如图2-6所示。图2-5 超超声波测距传传感器配置图2-6 超声声波测距显示示功能选择2.2.3 程程序流程图2-7 超超声波传感器器测距程序流流程图图2-8 数数据转换程序序流程图图2-9 显显示距离程序序流程图图 2-7 超超声波传感器器测距流程图图 图图2-8 数据转换流程程

24、图图2-9 显示示距离流程图图2.3红外线避避障功能2.3.1 功功能说明在行进过程中探探测位于机器器人左前方或右前前方的障碍物物并有效地避开障障碍物继续前前进2.3.2操作作说明 (1) 安装传感感器 该功能能采用的传感感器为两个红红外线避障传传感器，安装装在接口板”IR1”、 ”IR2”处，如图22-10所示：图2-10 红红外避障传感感器与智能机机器人的连接接(2) 在传感感器设置中勾勾选“红外避障传感器（左）”、“红外避障传感感器（右）”，将设置下装装到机器人中中，如图2-11所示，并在“演示试验”界面打打开”红外避障“，运行行机器人，如图2-12所示。图2-11 红外避障传感感器配置

25、图2-12 红红外避障功能能选择2.3.3 实实现方法机器人左右两侧侧各装一个红红外线传感器器，分别控制左左右两侧的电电机，用于探探测左前方及及右前方的障障碍物，若左左前方有障碍碍物，则向左侧电机机发送信号，使使左侧电机快快速转动，右侧电机速度为零，机机器人右转；若右前方有有障碍物，则向右侧点击击发送信号，使使右侧电机快速转动，左侧电机速度为零零，机器人左转转；若左右两两侧均有障碍碍物，则控制左侧侧电机速度为零零，右侧电机机快速转动，机器人左转转；若左右两侧侧均无障碍物物则左右两侧侧电机均快速转动。2.3.4 程程序流程 程序流流程图如图22-13所示：图2-13 红外避障程序序流程2.4 超

26、声波波避障功能2.4.1 功功能说明利用超声波传感感器避开机器器人前方2.2m以内的障碍物2.4.2 功功能试验操作作说明 (1) 安装传感感器 该功能能采用超声波波传感器和两两个红外避障障传感器，安装在接口板板”SR04”处，如图22-14所示：图2-14 超超声波传感器器与智能机器器人的连接(2) 在传感感器设置中勾勾选“超声波测距距HC-SRR04“，将设置下下装到机器人人中，如图22-15所示，并在“演示试验”界面打开”超声波避障障“，运行机器器人，如图2-16所示。图2-15 超超声波避障传传感器配置图2-16 超超声波避障功功能选择2.4.3 实实现方法目的是利用超声声波传感器探探

27、测障碍物的的距离。当障碍物的距距离大于200cm时，保持小车原来来的速度；当当障碍物的距距离小于2000cm时，使左侧电电机的速度为为零，右侧电电机的保持不不变，从而避开障障碍物。2.4.4 程程序流程 程序流流程图如图22-17所示图2-17 超声波避障程序流程2.5 超声波波+红外线避避障功能2.5.1 功功能说明同时启用超声波波和红外线传传感器，避开前方一一定距离内的的障碍物。2.5.2 操操作说明 (1) 安装传感感器 该功能能采用的传感感器为超声波波传感器和两两个红外避障障传感器，其其安装位置为为接口板”SR04” 、 ”IR1”、 ”IR2”处，如图图2-18(a)、(bb)所示：

28、图2-18(aa) 超声波波传感器与智智能机器人的的连接图2-18(bb) 红外避避障传感器与与智能机器人人的连接(2) 在传感感器设置中同同时勾选“超声波测距距HC-SRR04”、“红外避障传感感器（左）”、“红外避障传感感器（右）”，将设置下装装到机器人中中，如图2-19所示，并在“演示试验”界面打开”超声+红外避障“，运行机器器人，如图2-20所示。图2-19 红红外+超声波波避障传感器器配置图2-20 红外+超声波波避障功能选选择2.5.3 实实现方法利用超声波传感感器探测障碍碍物的距离，当距离大于220cm时，保持机器人全速行进；当距离小于220cm时，利用红外线传感器探测障碍物的方

29、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 程程序流程 程序流流程图如图22-21所示低速前进是否是否是否是否是否是高速左转低速前进是否是否是否是否是否是高速左转结束低速右转障碍距离大于1.5m且左右前方均无障碍障碍距离小于1.5m且左右前方均无障碍左右前方有障碍高速左转右前方有障碍全速前进左前方有障碍高速右转开始障碍距离大于2.2m且左右前方均无障碍否2.6 寻找火火源2.6.1 功功能说明使机器人寻找周周围环境中的的

30、火源2.6.2 功功能试验操作作说明 (1) 安装传感感器 该功能能采用两个火火焰传感器，安装在接口板”Fire1” 、 ”Fire2”处，如图2-19所示：图2-19 火火焰传感器与与智能机器人人的连接 (2) 在传传感器设置中中同时勾选“火焰传感器（左）“、“火焰传感器（右）”将设置下下装到机器人人中，如图22-20所示，并在“演示试验”界面打开”寻找火源“，运行机器器人，如图2-21所示。图2-20 寻寻找火源传感感器配置图2-21 寻寻找火源功能能选择2.6.3 实实现方法利用火焰传感器器采集周围环境境的信息，再再将采集到的的模拟信息通通过A/D转换器转换成成数字量再进进一步转换成成距

31、离。若两两侧火焰传感感器测得的距距离均小于0.445m，则两侧电电机速度均为为零找到火源源；若两侧距离大于0.455m，且两侧距离离差小于0.1m，则两侧电机同速速转动，使智智能机器人直直线前进；若若两侧距离大于于0.45m且右侧距离小小于左侧距离离，保持右侧电机转速为零，左左侧电机保持持转动，机器人右转转，靠近光源；若两侧距离离大于0.455m且右侧距离离大于左侧距距离，控制左左侧电机转速为零，右右侧电机保持持转动，机器人左转转，靠近光源源。2.6.4 程程序流程 程序流流程图如图22-22所示图2-22 寻找火源程序序流程2.7 灯光控控制2.7.1 功功能说明 机器人人根据周围环环境的光

32、线强强度，控制灯光的亮度。2.7.2 功功能试验操作作说明 (1) 安装传感感器 该功能能采用光线传感器，安装装在接口板”Lightt”处，如图2-23所示：图2-23 光光线传感器与与智能机器人人的连接 (2) 在传感器器设置中同时时勾选“光线传感器”，将设置下装装到机器人中中，如图2-24所示，并在“演示试验”界面打开“灯光控制”，运行机器器人，如图2-25所示。图2-24 灯灯光控制传感感器配置图2-25 灯灯光控制功能能选择2.7.3 实实现方法 机器人人采集周围环环境中的光线强度，并并将采集到的模模拟量由A/D转换器转转换成数字量量，通过比较环环境光照强度度和设定的阈阈值来控制各盏灯

33、的亮灭灭。2.7.4 程程序流程 程序流流程图如图22-26所示图2-26 灯灯光控制程序序流程2.8 寻线功功能2.8.1 功功能说明让机器人按照预预定的轨迹行行进。2.8.2 功功能试验操作作说明 (1) 安装传感感器 该功能能采用灰度传传感器，安装装在接口板”Gray”处，如图2-27所示：图2-27 灰灰度传感器与与智能机器人人的连接 (2) 在传传感器设置中中同时勾选“灰度传感器器”，将设置下装装到机器人中中，如图2-28所示。并在“演示试验”界面打开“寻线”，运行机器器人，如图2-29所示。图2-28 寻线功能传感感器配置图2-29 寻寻线功能选择择2.8.3 实实现方法利用灰度传感器器采集当下轨轨迹的灰度值值，灰度传感感器如图2-30所示。机机器人不断采集5个位置的灰度度，根据5个位置的灰度度值控制机器器人的运动 。图 2-30 灰度传感器位位置图2.8.4 程程序流程程序流程图如图图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为黑高速左转否是是开始位置3为黑全速前进位置2为