两轮机器人实验报告.pdf

《两轮机器人实验报告.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《两轮机器人实验报告.pdf（23页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、机电综合实验报告 两轮机器人 姓名：付文晖 班级：车辆工程二班 学号：20110402216 同组成员：张 彬 20110402203 平梦浩 20110402103 2014 年 12 月 1 目录 一、实验目的.-2-二、实验设备.-2-三、实验内容.-2-四、实验原理.-2-4.1、实验平台C51+AVR 控制板.-2-4.2、开发平台Keil Vision2.-4-4.3、开发辅助工具USBASP 程序下载器软件.-5-4.4、机器人定速巡航与日字行走.-6-4.5、机器人触须导航.-7-4.6、机器人红外导航.-8-五、实验过程及结果.-10-5.1、定速巡航与日字行走.-10-5.

2、1.1、直线向前行走.-10-5.1.2、向左转 1/4 圈.-10-5.1.3、向右转 1/4 圈.-10-5.1.4、向后退.-11-5.1.5、日字行走.-11-5.2、触须导航.-13-5.2.1、实验准备.-13-5.2.2、安装胡须.-13-5.2.3、测试胡须.-14-5.2.4、触须导航程序.-14-5.3、红外导航.-17-5.3.1、搭建 IR 发射和探测器对.-17-5.3.2、为何要使用三极管 9013.-18-5.3.3、测试红外发射探测器.-18-5.2.4、红外导航程序.-19-六、实验心得.-22-2 一、实验目的 1、掌握两轮机器人的工作方式、触觉开关及红外导

3、航的工作原理。2、学会两轮机器人开发环境 Keil C51、开发辅助工具 Progisp 的使用。3、掌握根据电路原理图连接电路的方法。4、使用 C 语言实现对机器人的控制，学会编写、调试机器人控制程序，并实现巡航、避障等功能。二、实验设备 实验用两轮机器人、触须避障套件、红外避障套件、Usbasp 下载器、计算机。三、实验内容 3.1、熟悉实验平台、开发环境，使用 Usbasp 下载器下载程序至单片机并正常运行。3.2、机器人定速巡航、实现日字行走。3.3、机器人触须导航。3.4、机器人红外导航。四、实验原理 4.1、实验平台C51+AVR 控制板 根据 C51+AVR 控制板介绍手册，如图

4、 4-1、图 4-2 所示，熟悉每个接口的功能及位置，特别需要注意与下载有关的 3 号接口、与复位有关的 24 号按键。3 图 4-1 图 4-2 4 1 电源插头：单片机供电 16 DB9 母头：PC 机和AVR 系列的单片机的异步串行通信 2 三档拨动开关:1、档关2、单片机供电 3、舵机供电 17 20pin 排母：AVRLCD 显示块的扩展接口 3 C51ISP 下载口：并口下载 HEX 文件 18 IO 扩展口舵机插口：舵机与AVR 单片机的连接 4 C51 单片机供电跳线 19 AVR 扩展口 5 三端稳压器：提供稳定的 5V 电源 20 扩展面包板 6 电源选择跳线：当跳线帽连接

5、到Vin 的 时候舵机的供电电源是输入电压电源，当跳线帽连接到Vcc，舵机的供电电源 是 5V 21 电源指示灯：显示控制板是否通电 7 舵机连接插头：舵机与C51 单片机的连 接 22 C51 单片机电源显示灯：用于C51 单片 机通电反馈 8 C51 单片机的 IO 扩展口 23 AVR 单片机电源显示灯：用于AVR 单片 机通电反馈 9 20pin 排母：C51LCD 显示块的扩展接口 24 轻触开关：用于 C51 单片机复位 10 MAX232 通信IC：用于PC 机与单片机进 行异步串行通信 25 晶振：给 C51 单片机提供时钟信号 11 DB9 母头：PC 机和C51 系列的单片

6、机的异步串行通信 26 晶振：给 AVR 单片机提供时钟信号 12 C51 系列单片机：AT89S52，TOFP 封装 27 轻触开关：用于 AVR 单片机复位 13 AVRISP 下载口：并口下载 HEX 文件 28 舵机和滚轮：宝贝车的运动执行器件 14 AVR 单片机供电跳线 29 宝贝车的支架 15 AVR 系列单片机 28 脚 PDIP 封装 4.2、开发平台Keil Vision2 在实验过程中，我们使用的是 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容单片机，而 Keil Vision2 是美国 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容单片机 C 语言软件

7、开发系统，使用接近于传统 C 语言的语法来开发，与汇编相比，C 语言易学易用,而且大大的提高了工作效率和项目开发周期。Keil Vision2 还能嵌入汇编，可以在关键的位置嵌入，使程序达到接近于汇编的工作效率。Keil C51 标准 C 编译器为 8051 微控制器的软件开发提供了 C 语言环境,同时保留了汇编代码高效,快速的特点。C51 编译器的功能不断增强，使你可以更加贴近 CPU 本身，及其它的衍生产品。5 C51 已被完全集成到 Vision2 的集成开发环境中，这个集成开发环境包含：编译器，汇编器，实时操作系统，项目管理器，调试器。Vision2 IDE 可为它们提供单一而灵活的开

8、发环境。由于所有 C51 单片机程序均由该环境编译及生成 HEX 文件，我们需要熟练掌握该软件的使用。4.3、开发辅助工具USBASP 程序下载器软件 图 4-3 所示为 USBASP 程序下载器软件 PROGISP V1.72，必须严格按照步骤执行操作，否则就会出现无法下载程序的情况。图 4-3 6 第一步.打开 PROGISP 软件,选择单片机类型与下载接口类型。软件自动识别编程状态。点击 Select Chip 选择芯片的下拉框，选择要下载的芯片型号。单片机类型选择 ATMEGA8。勾选：芯片擦除，编程 FLASH,校验 FLASH，编程熔丝。第二步.点击编程熔丝后面的地址框，进行熔丝位

9、设置。弹出对话框 Fuse&Lock 对话框，用位配置方式，设置为低位值为 EF,高位值为 C9，扩展位默认为 0，即（EF C9 FF）。设置完毕后关闭窗口即可。（有些单片机不需要此步骤）第三步 选择固件。点击“调入 Flash”按键。调入后，软件提示框提示提示调入 Flash 文件并显示其调入路径。第四步.编程熔丝并点击下载固件。确认 USBASP 下载器已经连接到 PC 机 USB 接口。点击“擦除”擦除芯片原有程序。在下面窗口显示“芯片擦除成功”。点击“自动”，即自动实现设定的“写 Flash”，校验 Flash，“写入熔丝”等，同样在软件下面窗口会有写入成功提示。等待下载完毕后，固件

10、下载完成。拔掉 USBASP 下载器 ISP 接口排线。4.4、机器人定速巡航与日字行走 图 4-4 所示是高电平持续 1.5ms 低电平持续 20ms，然后不断重复的控制脉冲序列。该脉冲序列发给经过零点标定后的伺服电机，伺服电机不会旋转。如果此时电机旋转，表明电机需要标定。从 4-5 中可知，控制电机运动转速的是高电平持续的时间，当高电平持续时间为 1.3ms 时，电机顺时针全速旋转；从 4-6 中可知，当高电平持续时间 1.7ms 时，电机逆时针速旋转。图 4-4 电机转速为零的控制信号时序图 图 4-5 1.3 ms 的控制脉冲序列使电机顺时针全速旋转 7 如图 4-7 所示，机器人向前

11、走时，从机器人的左边看，它向前走时轮子是逆时针旋转的；从右边看另一个轮子则是顺时针旋转的。发给单片机控制引脚的高电平持续时间决定了伺服电机旋转的速度和方向。for 循环的参数控制了发送给电机的脉冲数量。由于每个脉冲的时间是相同的，因而 for 循环的参数也控制了伺服电机运行的时间。4.5、机器人触须导航 许多自动化机械都依赖于各种触觉型开关，例如当机器人碰到障碍物时，接触开关就会察觉，通过编程让机器人躲开障碍物；旅客登机桥在靠近飞机时为了保护昂贵的飞机，在登机桥接口安装触须，当登机桥离飞机很近后触须就会碰到飞机，立即通知控制器提醒离飞机已经很近了，需要降低靠近速度；工厂利用触觉开关来计量生产线

12、上的工件数量；在工业加工过程中，也被用来排列物体。在所有这些实例中，触觉开关提供的输入通过计算机或者单片机处理后生成其它形式的程序化的输出。图 4-6 1.7ms 的连续脉冲序列使电机逆时针全速旋转 图 4-7 8 本次实验中，将在机器人前端安装并测试一个称为胡须的触觉开关。对机器人大脑编程来监视触觉开关的状态，决定当它遇到障碍物时如何动作。最终的结果就是通过触觉给机器人自动导航。实际上，当单片机启动或复位时，所有的 I/O 插脚缺省为输入。也就是说，如果将胡须连接到单片机某个 I/O 管脚时，该管脚会自动作为输入。作为输入，如果 I/O 脚上的电压为 5V，则其相对应的 I/O口寄存器中的相

13、应位存储 1；如果电压为 0V，则存储 0。布置恰当的电路，如图 4-8 所示，可以让胡须达到上述效果：当胡须没有被碰到时，使 I/O 脚上的电压为 5V；当胡须被碰到时，则使I/O 脚上电压为 0。然后，单片机就可以读入相应数据，进行分析、处理，控制机器人的运动。机器人向前走直到碰到障碍物。在这种情况下，机器人用它的一根或者两根胡须探测障碍物。一旦胡须探测到障碍物，使小车倒退或者旋转，然后再重新向前行走，直到遇到另一个障碍物。4.6、机器人红外导航 现在许多遥控装置和 PDA 都使用频率低于可见光的红外线进行通信，而机器人则可以使用红外线进行导航。本章使用一些价格非常便宜且应用广泛的部件，让

14、机器人的 C51 微控制器可以收发红外光信号，从而实现机器人的红外线导航。在许多情况下，我们希望不必接触物体就能探测到物体。许多机器人使用雷达（RADAR）或者声纳（SONAR）来探测物体而不需同物体接触。本次实验的方法是使用红外光来照射机器人前进的路线，然后确定何时有光线从被探测目标反射回来，通过检测反射回来的红外光就可以确定前方是否有物体。图 4-8 9 红外前灯 在机器人上建立的红外光探测物体系统在许多方面就象汽车的前灯系统。当汽车前灯射出的光从障碍物体反射回来时，人的眼睛就发现了障碍物体，然后大脑处理这些信息，并据此控制身体动作驾驶汽车。机器人使用红外线二极管 LED 作为前灯，如图

15、4-9 所示。红外线二极管发射红外光，如果机器人前面有障碍物，红外线从物体反射回来，相当于机器人眼睛的红外检测（接收）器，检测到反射回的红外光线，并发出信号来表明检测到从物体反射回红外线。机器人的大脑单片机 AT89S52 基于这个传感器的输入控制伺服电机。红外线（IR）接收/检测器有内置的光滤波器，除了需要检测的 980 nm 波长的红外线外，它几乎不允许其它光通过。红外检测器还有一个电子滤波器，它只允许大约 38.5 kHz 的电信号通过。换句话说，检测器只寻找每秒闪烁 38,500 次的红外光。这就防止了普通光源象太阳光和室内光对 IR 的干涉。太阳光是直流干涉（0Hz）源，而室内光依赖

16、于所在区域的主电源，闪烁频率接近 100 或 120 Hz。由于 120 Hz 在电子滤波器的 38.5 kHz 通带频率之外，它完全被 IR 探测器忽略。图 4-9 用红外光探测障碍物 图 4-10 新部件 10 五、实验过程及结果 5.1、定速巡航与日字行走 通过分析，要实现日字行走，机器人需要实现直线行走、原地转弯、行走时间控制这些功能。使用 C 语言，我们用以下程序段实现这些功能。5.1.1、直线向前行走 for(counter=1;counter=65;counter+)P1_1=1;delay_nus(1700);P1_1=0;P1_0=1;delay_nus(1300);P1_0

17、=0;delay_nms(20);5.1.2、向左转 1/4 圈 for(counter=1;counter=26;counter+)P1_1=1;delay_nus(1300);P1_1=0;P1_0=1;delay_nus(1300);P1_0=0;delay_nms(20);5.1.3、向右转 1/4 圈 for(counter=1;counter=26;counter+)P1_1=1;delay_nus(1700);11 P1_1=0;P1_0=1;delay_nus(1700);P1_0=0;delay_nms(20);5.1.4、向后退 for(counter=1;counter=

18、65;counter+)/P1_1=1;delay_nus(1300);P1_1=0;P1_0=1;delay_nus(1700);P1_0=0;delay_nms(20);最后，通过 while(1)来停止机器人的行驶。5.1.5、日字行走#include#include void Forward(void)P1_1=1;delay_nus(1700);P1_1=0;P1_0=1;delay_nus(1300);P1_0=0;delay_nms(20);void Left_Turn(void)int i;for(i=1;i=26;i+)P1_1=1;delay_nus(1300);P1_1=

19、0;P1_0=1;12 delay_nus(1300);P1_0=0;delay_nms(20);void Right_Turn(void)int i;for(i=1;i=26;i+)P1_1=1;delay_nus(1700);P1_1=0;P1_0=1;delay_nus(1700);P1_0=0;delay_nms(20);int main(void)uart_Init();printf(Program Running!n);Forward;Left_Turn;Forward;Left_Turn;Forward;Forward;Left_Turn;Forward;Left_Turn;Fo

20、rward;Left_Turn;Forward;While(1);13 5.2、触须导航 5.2.1、实验准备 首先必须安装并测试胡须。图 51 所示是安装机器人触觉胡须所需的硬件元件清单，包括：1 金属丝 2 根 2 平头 M322 盘头螺钉 2 个 3 13mm 圆形立柱 2 个 4 M3 尼龙垫圈 2 个 5 3-pin 公-公接头 2 个 6 220电阻 2 个 7 10k电阻 2 个 5.2.2、安装胡须 根据胡须安装步骤，完成胡须安装。拆掉连接主板到前支架的两颗螺钉 参考图5-2，进行下面操作 螺钉依次穿过M3尼龙垫圈、13mm圆形立柱 螺钉穿过主板上的圆孔之后，拧进主板下面的支架

21、中，但不要拧紧 把须状金属丝的其中一个钩在尼龙垫圈之上，另一个钩在尼龙垫圈之下，调整它们的位置使它们横向交叉但又不接触 图 5-1 胡须硬件 图 5-2 14 拧紧螺钉到支架上 参考接线图5-3，搭建胡须电路。注意：右边胡须状态信息输入是通过P1口的第4脚完成，而左边胡须状态信息输入是通过P2口的第3脚完成 确定两条胡须比较靠近，但又不接触面包板上的3-pin头。推荐保持3mm的距离。安装好电路图如图5-4所示。5.2.3、测试胡须 观察一下图 4-3 所示的胡须电路示意图，显然每条胡须都是一个机械式的、接地常开的开关。胡须接地（GND）是因为教学板外围的镀金孔都连接到 GND。金属支架和螺丝

22、钉提供电气连接给胡须。通过编程让单片机探测什么时候胡须被触动。由图 4-3 可知，连接到每个胡须电路的 I/O引脚监视着 10K 上拉电阻上的电压变化。当胡须没有被触动，连接胡须的 I/O 管脚的电压是5V；当胡须被触动时，I/O 短接到地，所以 I/O 管脚的电压是 0V。5.2.4、触须导航程序#include#include 图 5-3 图 5-4 15 int P1_4state(void)return(P1&0 x10)?1:0;int P2_3state(void)return(P2&0 x08)?1:0;void Forward(void)P1_1=1;delay_nus(170

23、0);P1_1=0;P1_0=1;delay_nus(1300);P1_0=0;delay_nms(20);void Left_Turn(void)int i;for(i=1;i=26;i+)P1_1=1;delay_nus(1300);P1_1=0;P1_0=1;delay_nus(1300);P1_0=0;delay_nms(20);void Right_Turn(void)int i;for(i=1;i=26;i+)P1_1=1;delay_nus(1700);P1_1=0;P1_0=1;delay_nus(1700);P1_0=0;delay_nms(20);16 void Backw

24、ard(void)int i;for(i=1;i=65;i+)P1_1=1;delay_nus(1300);P1_1=0;P1_0=1;delay_nus(1700);P1_0=0;delay_nms(20);int main(void)uart_Init();printf(Program Running!n);while(1)if(P1_4state()=0)&(P2_3state()=0)Backward();Left_Turn();Left_Turn();else if(P1_4state()=0)Backward();Left_Turn();else if(P2_3state()=0)

25、Backward();Right_Turn();else Forward();17 5.3、红外导航 5.3.1、搭建 IR 发射和探测器对 本次实验中，将搭建并测试红外线发射和检测器对。所需元件:(1)两个红外检测器(2)两个IR LED(3)四个470电阻(4)两个9013三极管 搭建红外线前灯 电路板的每个角安装一个IR组(IR LED和检测器)。断开主板和伺服系统的电源 参考实物图5-4，建立图5-5所示的电路 图 5-5 图 5-4 18 5.3.2、为何要使用三极管 9013 C51 的 IO 驱动能力较弱，加入三极管使其工作在开关状态。三极管是一种控制元件，主要用来控制电流大小，

26、简单地说，是用小电流去控制大电流。通过工艺的方法，把两个二极管背靠背地连接起来就组成了三极管。按 PN 结的组合方式不同分为 PNP 型和 NPN 型。本任务中用到的是 NPN 型三极管 9013，结构示意图及符号图如 5-6，管脚图如 5-7。5.3.3、测试红外发射探测器 下面你要用 P1_3 发送持续 1 毫秒的 38.5kHz 的红外光，如果红外光被小车路径上的物体反射回来，红外检测器将给微控制器发送一个信号，让它知道已经检测到反射回的红外光。让每个 IR LED 探测器组工作的关键是发送 1 毫秒频率为 38.5 kHz 的红外信号，然后立刻将 IR 探测器的输出存储到一个变量中。下

27、面是一个例子，它发送 38.5 kHz 信号给连接到P1_3 的 IR 发射器，然后用整型变量 irDetectLeft 存储连接到 P1_2 的 IR 探测器的输出。下面的代码是红多点发射探测器的检测程序 for(counter=0;counter38;counter+)P1_3=1;delay_nus(13);P1_3=0;delay_nus(13);irDetectLeft=P1_2state();这段代码给 P1_3 输出的信号高电平 13 微秒，低电平为 13 微秒，总周期为 26 微秒，即频率约为 38.5kHz。总共输出 38 个周期的信号，即持续时间约为 1 毫秒（38*26

28、约等于 1000 微秒）。图 5-6 图 5-7 19 当没有红外信号返回时，探测器的输出状态为高。当它探测到被物体反射的 38500Hz 红外信号时，它的输出为低。因红外信号发送的持续时间为 1 毫秒，因此 IR 探测器的输出如果处于低，其持续状态也不会超过 1 毫秒，因此发送完信号后必须立即将 IR 探测器的输出存储到变量中。这些存储的值会显示在调试终端或被机器人用来导航。5.2.4、红外导航程序#include#include#include#define LeftIR#define RightIR#define LeftLaunch#define RightLaunch void IR

29、Launch(unsigned char IR)int counter;if(IR=L)for(counter=0;counter38;counter+)LeftLaunch=1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();LeftLaunch=0;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();if(IR

30、=R)for(counter=0;counter38;counter+)RightLaunch=1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();RightLaunch=0;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();void Forward(void)P1_1=1;delay_nus(1700);20

31、P1_1=0;P1_0=1;delay_nus(1300);P1_0=0;delay_nms(20);void Left_Turn(void)int i;for(i=1;i=26;i+)P1_1=1;delay_nus(1300);P1_1=0;P1_0=1;delay_nus(1300);P1_0=0;delay_nms(20);void Right_Turn(void)int i;for(i=1;i=26;i+)P1_1=1;delay_nus(1700);P1_1=0;P1_0=1;delay_nus(1700);P1_0=0;delay_nms(20);void Backward(vo

32、id)int i;for(i=1;i=65;i+)P1_1=1;delay_nus(1300);P1_1=0;P1_0=1;delay_nus(1700);P1_0=0;delay_nms(20);21 int main(void)int irDetectLeft,irDetectRight;uart_Init();printf(Program Running!n);while(1)IRLaunch(R);irDetectRight=RightIR;IRLaunch(L);irDetectLeft=LeftIR;if(irDetectLeft=0)&(irDetectRight=0)Backw

33、ard();Left_Turn();Left_Turn();else if(irDetectLeft=0)Backward();Right_Turn();else if(irDetectRight=0)Backward();Left_Turn();else Forward();22 六、实验心得 很高兴学院能给我们开设一堂智能机器人的实验课，通过这次实验，我学到了许多新的知识，也对智能机器人有了更深入的理解，最重要的是，让我学会了如何更好地版主学习。虽然实验过程中我有很多的问题，但是指导老师都会为我们指导解决。以后进入工作岗位后，不会像有老师点点滴滴细致入微的指导我们的，更多的是需要我自己去观察学习。不具备这些能力就难以胜任未来的挑战。随着科学的迅猛发展，新技术的广泛应用，会有很多领域是我们未曾接触过的，也只有敢于去尝试才能有所突破有所创新。这次实验不仅仅是要求我们掌握那些操作技能，更多的则是需要我们每个人在实习结束后，根据自己的情况去感悟、去反思。勤自勉、有所收获，这才真正达到了此次实验的目的。这次实验更让我们体会到人生的意义世间无难事、只要功夫深、铁杵磨成针。