智能巡线机器人设计[毕业论文+CAD图纸]

机械设计毕业论文:智能巡线机器人设计含论文,CAD图纸,开题报告

智能巡线机器人设计[毕业论文+CAD图纸]

摘 要

近年来机器人的研究和应用已经不仅仅局限于军用领域。许多应用于军用机器人上的成功技术已经在民用机器人中得到了一定的应用。在工业机器人的基础上，运用了传感器技术和单片机智能控制技术，设计出了一种能自动运送货物的职能巡线机器人。

论文首先对智能巡线机器人总体设计方案进行叙述，阐述其各要素的工作原理，然后就整个智能巡线机器人系统划分为五个模块，分章节对各个模块设计制作进行阐述。

机器人机械结构部分，通过分析常用的车轮驱动配置方式，择优选择了前排安装两个万向轮、后排安装两个独立驱动轮的设计方案，充分考虑到了巡线的简易性和稳定性。

机器人传感器接口与驱动电路部分，详细阐述了光电传感器检测信号原理，叙述了设计所采用的光电传感器接口电路详细设计方案，分析了传感器采用该种布局方案的原因。针对机器人的机械特性和速度要求，选用了L298N驱动芯片驱动电机，分析了它的优缺点和可行性。

机器人主控系统硬件部分阐述了主控芯片选型，主控电路设计方案，以及相应的接口说明。软件部分在MSP430平台上实现了快速、稳定、准确的巡线方法。

关键词: 机器人；巡线；光电检测；PWM驱动。

Abstract

In recent years, research and design of robot has not been limited just in military field. Many technologies, which had been used in the military field cuccessfully, have been used in the field of civilian robot. Based on the industrial robot, and by applying sensor interface control and SCM intelligent control, this project has designed one kind of biranpower line walking robot that is able to carry the goods by itself.

In this thesis, the overall design of autonomous line-tracking robot and principle of each essential element have been described. The robot system has been divided into five parts as fellow.

The autonomous line-tracking arithmetic is the key of this project research. The relative position relationship between the robot and the leading line is divided into seven typical states; the adjustment strategy has been described respectively. An implementation principle to enable centerline approaching the leading-line gradually has been described by adjusting continuously chassis posture.

In mechanical structure part, by analyzing the normal wheel drive configurations, it has been choiced that two universal wheels are installed in the front and two independent driving wheels are installed in the rear, which takes fully into account the simplicity and stability of the line-tracking.

In sensor interface and drive circuit part, a detail explanation of photoelectric sensor and interface circuit has been discussed carefully. To adapt the robot mechanical properties and speed requirement, two motor driving circuits based on different principles have been designed and their advantages and feasibility analyied.

In robot control system part, hardware and software have been discussed such as CPU choosing, control circuit designing, and hardware interface assigning, etc. Based on the MSP430, the speed difference from left and right wheel created by the Pulse-Width Modulation adjusts the position of the robot and leading line, which carries out the autonomous runs along with the leading line quickly, stably and accurately.

Keywords: Robot; Line-tracking; Photoelectric Sensor; PWM.

前言

机电一体化是综合应用机械技术、微电子技术、信息技术、自动控制技术、传感测试技术、电力电子技术、接口技术及软件编程技术等，机器人则是机电一体化的显著代表。机器人根据系统功能目标和优化组织结构目标，以智力、动力、结构、运动和感知组成要素为基础，对各组成要素及其间的信息处理、接口耦合、运动传递、物质运动、能量变换机理进行研究，使得整个系统有机结合与综合集成，并在系统程序和微电子电路的有序信息流控制之下，形成物质和能量的有规则运动，在高功能、高质量、高精度、高可靠性、低能耗意义上实现各种技术功能组合以得到最佳功能价值的系统工程技术。

机器人技术作为20世纪人类最伟大的发明之一，自1960年代初问世以来，经历40年的发展已取得长足的进步。机器人的出现并高速发展是社会和经济发展的必然，是为了提高社会的生产水平和人类的生活质量，让机器人代替人干那些人干不了、干不好的工作。在现实生活中有些工作会对人体造成伤害，比如喷漆、重物搬运等；有些工作要求质量很高，人难以长时间胜任，比如汽车焊接、精密装配等；有些工作人无法身临其境，比如火山探险、深海探密、空间探索等；有些工作不适合人去干，比如一些恶劣的环境、一些枯燥单调的重复性劳作等；这些都是机器人大显身手的地方。服务机器人还可以治病保健、保洁保安；水下机器人可以帮助打捞沉船、铺设电缆；工程机器人可以上山入地、开洞筑路；农业机器人可以耕耘播种、施肥除虫；军用机器人可以冲锋陷阵、排雷排弹……。

可以说，机器人的应用范围非常之广。据国外专家预测，2l世纪将是机器人技术革命的世纪，机器人作为全面延伸和扩展人的体力和智力的手段将实现“当代最高意义上的自动化”。机器人的应用和普及正在改变人类的生产方式、生活方式和作战方式。

目 录

摘要 1
Abstract 2
前言 3
第1章 绪论 1
1．1 机电一体化技术简介 1
1. 2智能巡线机器人的概况 2
1. 3 课题的主要内容 2
第2章 自动巡线机器人总体方案设计 4
2．1 机器人要素分析 4
2．2 机器人总体分析 5
2.2.1 场地分析 5
2.2.2 机械结构分析 5
2.2.2控制系统框架设计 5
2.2.4运动姿态分析 5
第3章 机械结构设计 7
3．1 移动机器人的车轮驱动配置 7
3.1.1 机器人常用车轮驱动配置介绍 7
3.1.2 本系统所采用的车轮驱动方式配置 10
3．2 机器人机械尺寸设计 11
第4章 传感器接口电路设计 13
4．1 机器人对巡线传感器的要求 13
4．2 超声波传感器 13
4.2.1超声波传感器的原理 13
4.2.2 超声波的发射与接受电路 15
4．3 红外光电反射式传感器 15
4.3.1 红外光电反射式传感器原理 16
4.3.2 基于反射光强度测量的红外光电反射式传感器电路 17
4．4 红外光电反射式传感器布局 19
第5章 电机驱动电路设计 21
5．1 驱动电机的选用 21
5.1.1电机减速器的选择 22
5.1.2 所选电机性能校核 23
5．2 直流电机的转动控制 24
5．3 直流电机的速度控制 26
5．4基于L298的驱动电路 28
第6章 智能巡线机器人之态调整方法 31
6．1 总体分析 31
6．2 姿态分析 32
第7章 主控系统的设计 36
7．1 主控制芯片的选型 36
7.1.1 MSP430系列与89C51系列单片机 36
7.1.2 选用的MSP430F449的原因 38
7.1.3 MSP430F449的引脚 39
7．2 主控单元电路设计 39
7．3 MSP430实现巡线算法 43
7. 4巡线改进方法的实现 46
7. 5转弯分析 51
总结与展望 56
致谢 57
参考文献 58
附件一：程序 60
附件二：元件 76

第1章 绪论

本章首先从机器人的发展历程引出机器人研究的发展趋势，再具体到本次设计针对的任务要求，明确了设计任务的主要内容。

1.1 机电一体化技术简介

“机电一体化”源于“Mechatronic”,是一个新兴的边缘学科，国内外都处于发展阶段，她代表着机械工业技术革命的前沿方向。她是当代科学技术发展最为活跃的领域之一。机电一体化是综合应用机械技术、微电子技术、信息技术、自动控制技术、传感测试技术、电力电子技术、接口技术及软件编程技术等，根据系统功能目标和优化组织结构目标，以智力、动力、结构、运动、和感知组成要素为基础，对各组成要素及其间的信息处理、接口耦合、运动传递、物质运动、能量变换机理进行研究，使得整个系统有机结合与综合集成，并在系统程序和微电子电路有序信息流控制之下，形成物质和能量的有规则运动，在高功能、高精度、高可靠性、低能耗意义上实现各种技术功能组合以得到最佳功能价值的系统工程技术。机电一体化技术的产生与发展的根本原因在于社会的发展和科学技术的进步，系统工程、控制工程和信息论是机电一体化的理论基础，是机电一体化技术的方法论。半导体大规模集成电路制造技术的进步则为机电一体化奠定了物质基础，机电一体化技术的研究与应用融合于学科交叉。机电一体化依赖于相关技术的发展，同时也促进了相关技术的发展。

目前世界上普遍认为机电一体化可以分为两大类：生产过程机电一体化和机电产品一体化。机电产品的机电一体化是机电一体化的核心，是生产过程机电一体化的物质基础。传统的产品加上微机控制即可转变为新一代的产品，而新产品较之旧产品具有功能强、性能好、密度高、体积小、重量轻、更可靠、更方便、经济效益显著等优点。机电一体化产品小到儿童玩具、家用电器、办公设备，大到数控机床、机器人、自动化生产线、航空航天器，因此，可以说机电一体化技术几乎涉及到社会的各个方面。其中，生产过程的机电一体化包括产品设计、加工、装配、检测的自动化，生产过程自动化，经营管理自动化等。

当传统机电产品引入电子技术、计算机技术和自动控制