單片機(jī)開發(fā)
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智能輪式機(jī)器人設(shè)計(jì)
基于Arduino單片機(jī)的智能輪式機(jī)器人設(shè)計(jì)
輪式機(jī)器人在工業(yè)應(yīng)用方面可以完成自動(dòng)化搬運(yùn)作業(yè)的任務(wù)，當(dāng)今社會(huì),隨著生產(chǎn)條件日益現(xiàn)代化,勞動(dòng)生產(chǎn)率要求越來越高,企業(yè)更注重效率,機(jī)器人在社會(huì)各領(lǐng)域的作用越來越大,對(duì)機(jī)器人的研究成為熱門話題,各項(xiàng)機(jī)器人比賽也備受人們的關(guān)注。
如今在互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的背景之下，催生了網(wǎng)上購物等平臺(tái)，同時(shí)也為物流業(yè)的蓬勃發(fā)展注入了強(qiáng)大的動(dòng)力。在物流中心，快遞的分揀基本上還是依靠人工來實(shí)現(xiàn)，人工揀貨既效率低下而且又容易出錯(cuò)，隨著業(yè)務(wù)量的增加還得增加更多的人手，所以自動(dòng)分揀的建設(shè)是快遞發(fā)展的必然方向。因此智能分揀機(jī)器人的研究與創(chuàng)新應(yīng)用將很大程度的解決物流行業(yè)所面臨的一些問題，更重要的是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)的一些功能能被應(yīng)用于各行各業(yè)，充分體現(xiàn)出智能化為人們生活和生產(chǎn)帶來的便利。
本次機(jī)器人實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目采用輪式機(jī)器人的設(shè)計(jì)方式，即移動(dòng)機(jī)器人的一種。要求機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)將搬運(yùn)物通過指定路線搬運(yùn)到相應(yīng)位置，同時(shí)搬運(yùn)機(jī)器人能夠自動(dòng)躲避路線中的障礙，自主應(yīng)對(duì)復(fù)雜的道路環(huán)境。搬運(yùn)機(jī)器人能夠通過無線傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制，能夠更好的服務(wù)于人類。
一、智能輪式機(jī)器人方案開發(fā)思路
智能搬運(yùn)機(jī)器人通過四輪驅(qū)動(dòng)，每個(gè)車輪都由一個(gè)直流電機(jī)控制，通過控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來控制機(jī)器人的轉(zhuǎn)向。通過超聲波模塊或者紅外感應(yīng)模塊實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)障礙物的識(shí)別，并將模塊采集的信息傳送給單片機(jī)，由單片機(jī)判斷后對(duì)控制電機(jī)的IO口發(fā)送指令，使機(jī)器人完成相應(yīng)的轉(zhuǎn)向動(dòng)作。人工無線控制是通過藍(lán)牙模塊與手機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)?？梢詿o線控制機(jī)器人完成前進(jìn)，后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)的指令，從而讓機(jī)器人到達(dá)指定位置。
二、智能輪式機(jī)器人硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本次實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目采用Arduino控制板，此芯片負(fù)責(zé)控制電機(jī)狀態(tài)，并處理從各個(gè)模塊收集的信息，然后發(fā)出相應(yīng)指令。本次項(xiàng)目以實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新為主，由于干電池體積小，使用方便，可任意組合成所需電壓的直流電源，所以采用干電池供電。本實(shí)驗(yàn)采用2節(jié)3.7V大容量18650鋰電池供電，為系統(tǒng)中的各個(gè)模塊提供穩(wěn)定可靠的工作電壓。
機(jī)器人設(shè)計(jì)采用輪式機(jī)器人的設(shè)計(jì)概念，每個(gè)輪子配有一塊DC3-6V直流減速馬達(dá)電機(jī)，減速比為1：48，工作電壓為3-6V。合適的電機(jī)在實(shí)驗(yàn)中占有非常重要的位置，耐用、環(huán)保和屏蔽環(huán)境干擾等都是其要考慮的參數(shù)，并且好的電機(jī)在代碼的包容度上也有明顯的幫助。
本次實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目采用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案是TB6612FNG電路。TB6612FNG是雙驅(qū)動(dòng)，電機(jī)電源接口帶有反接保護(hù)電路。相對(duì)于傳統(tǒng)的L298N效率上提高好多，體積上也大幅減少。超聲波模塊由發(fā)射電路和接收電路組成。本次實(shí)驗(yàn)采用的超聲波傳感器是最常見的HC-SR04，使用電壓為DC5V，輸出5v高電平和0v低電平。靜態(tài)電流小于2mA,感應(yīng)角度不大于15度,探測距離為500cm,精度可達(dá)0.3cm。
SR04是利用超聲波特性檢測距離的傳感器，其帶有兩個(gè)超聲波探頭，分別用作發(fā)射和接收超聲波。先使用Arduino的數(shù)字引腳13向TRIG腳輸入至少10us的觸發(fā)信號(hào)，模塊將自動(dòng)發(fā)出8個(gè)40KHZ的超聲波脈沖，并自動(dòng)檢測是否有信號(hào)返回。一旦檢測到有回波信號(hào)則ECHO引腳會(huì)輸出高電平，根據(jù)高電平持續(xù)時(shí)間就可以獲得機(jī)器人與被測障礙物的距離，從而完成避障任務(wù)。
紅外傳感器尋線的基本原理是利用物體的反射性質(zhì)。本次實(shí)驗(yàn)是巡黑線行駛，采用的是四路紅外傳感器分別連接在Ar-duino主控板上的A1，A2，A3，A4口上，當(dāng)紅外線發(fā)射到黑線上時(shí)會(huì)被黑線吸收掉，發(fā)射到其它的顏色上將會(huì)反射到紅外的接收管上。以主控板上IO口高低電平的變化來判斷小車行駛軌跡。
三、智能輪式機(jī)器人軟件設(shè)計(jì)
在進(jìn)行微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，除了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)外，大量的工作就是如何根據(jù)每個(gè)生產(chǎn)對(duì)象的實(shí)際需要設(shè)計(jì)應(yīng)用程序。因此，軟件設(shè)計(jì)在微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中占重地位。對(duì)于本系統(tǒng)，軟件更為重要。
在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，大體上可分為數(shù)據(jù)處理、過程控制兩個(gè)基本類型。數(shù)據(jù)處理包括：數(shù)據(jù)的采集、數(shù)字濾波、標(biāo)度變換等。過程控制程序主要是使單片機(jī)按一定的方法進(jìn)行計(jì)算，然后再輸出，以便控制生產(chǎn)。
為了完成上述任務(wù)，在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，通常把整個(gè)過程分成若干個(gè)部分，每一部分叫做一個(gè)模塊。所謂“模塊”，實(shí)質(zhì)上就是所完成一定功能，相對(duì)獨(dú)立的程序段，這種程序設(shè)計(jì)方法叫模塊程序設(shè)計(jì)法。
模塊程序設(shè)計(jì)法的主要優(yōu)點(diǎn)是：單個(gè)模塊比起一個(gè)完整的程序易編寫及調(diào)試；模塊可以共存，一個(gè)模塊可以被多個(gè)任務(wù)在不同條件下調(diào)用；
模塊程序允許設(shè)計(jì)者分割任務(wù)和利用已有程序，為設(shè)計(jì)者提供方便。本系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，由主程序、定時(shí)子程序、避障子程序、中斷子程序顯示子程序、調(diào)速子程序、算法子程序構(gòu)成。
智能分檢機(jī)器人在承載物件后應(yīng)按照規(guī)劃路線行駛到指定的區(qū)域等待物件被卸載，不同顏色的物件將被運(yùn)送到不同的分類區(qū)域。然后機(jī)器人將回到初始區(qū)域開始下一輪的任務(wù)，如此循環(huán)往復(fù)。本項(xiàng)目系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括尋線運(yùn)動(dòng)子程序，避障子程序以及顏色識(shí)別子程序。智能分揀機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)整套的任務(wù)流程離不開各個(gè)模塊功能的配合。
本次實(shí)驗(yàn)采用的是Arduino單片機(jī)，設(shè)計(jì)出能實(shí)現(xiàn)分揀的機(jī)器人，具有尋線運(yùn)動(dòng)，顏色識(shí)別，避障等特點(diǎn)。
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