专业综合实验设计报告
班 级： 电131
姓 名：
学 号：
同组同学：
学 期： 2016-2017-1
1 实验目的和要求
1.1实验目的
自动循迹、智能避障机器人是一个与电气工程专业有着密切关系的实际工程装备，本综合实验以此为依托，把自动循迹避障轮式机器人能够沿着设置的道路路线运动作为控制目标，完成从模型建立、控制方案确定、控制参数仿真分析、硬件线路设计到实物机械安装、硬件安装调试、控制程序编写集成、系统调试等步骤过程的训练。 本实验涉及到《电路分析》、《电子技术》、《电力电子技术》、《电机学》、《电力拖动》、《自动控制原理》、《传感器与检测技术》、《电机控制技术》等课程的理论和实验知识。是学生接触实际电气工程专业复杂工程问题的重要及关键途径。通过实验培养学生实践动手能力，运用现代工程工具和信息技术工具的能力，分析和解决实际工程问题的能力。从而使学生初步能够解决主要涉及电气工程专业知识的复杂工程问题。
1.2实验要求
要求同学综合运用课程的理论和实验知识，以自动循迹避障轮式机器人能够以一定的速度沿着设置的道路路线运动作为控制目标（技术指标为：机器人行走速度≥1m/s，行走偏离导航的线速度≤2/3车身宽度），要求完成从模型建立、控制方案确定、控制参数仿真分析、硬件线路设计到实物机械安装、硬件安装调试、控制程序编写集成、系统调试等实验步骤。具体要求为：
1）检索资料，对自动循迹避障轮式机器人的发展状况，当前的研究热点，技术发展的现状，发展趋势有所了解，查阅工程规范文件、产品样本、使用说明，了解实际系统运行时必须遵守的工程规范和系统实现时所受到的商用产品的实际限制。
2）理解自动循迹避障轮式机器人的机械结构，用CAD软件绘制机械零部件的加工图纸，安装自动循迹避障轮式机器人。
3）综合运用物理特性分析法和实验参数测定法建立自动循迹避障轮式机器人的数学模型，必要时在工作点附近近似线性化，以获得线性数学模型。
4）设计自动循迹避障轮式机器人控制系统的硬件系统，包括控制芯片的选型，外围电路的设计，传感器类型型号的选择、功率驱动电路的选择、人机交互部件的选择，掌握所选择元器件、部件的性能、用法。用电子线路设计软件绘制硬件原理图，设计相应的PCB设计图，安装硬件并调试。
5）根据控制要求，设计控制系统的控制结构，选择合适的控制算法，结合具体数学模型，计算系统所能达到性能指标，利用MATLAB软件进行必要的系统仿真，通过仿真掌握控制参数的整定方法，使自动循迹避障轮式机器人系统满足性能指标。
6）掌握系统联调的步骤方法，调试参数的记录方法，动态曲线的测定记录方法。记录实验数据，采用数值处理方法和相关软件对实验数据进行处理并加以分析，记录实验曲线，与理论分析结果对比，得出有意义的结论。
2 实验仪器设备与器件
表1：设备与器件
器件名称 | 数量 |
双12V变压器 | 1 |
红外避障传感器直流电机 | 1 |
声音传感器 | 1 |
有源蜂鸣器 | 1 |
机器人拳击红外循迹传感器 | 1 |
稳压芯片7805/7812 | 5 |
继电器 | 1 |
红外避障传感器 | 1 |
LM298电机驱动 | 1 |
STC15W4K58S4单片机 | 1 |
四轮车模型 | 1 |
PC机 | 1 |
烙铁 | 1 |
焊锡 | 1 |
起子 | 无镍电镀1 |
按键 | 若干 |
| |
钢丝扣
软件平台：
window7操作平台
keil软件编程
protues软件
AD软件
AutoCAD软件
剖分轴承
Matlab软件
3 实验原理分析
3.1自动循迹避障轮式机器人的工作原理
智能车，又称为自动循迹避障轮式机器人，它是以轮子作为移动设备、实现自主行驶的移动机器人。智能车是一种基于计算机技术、电子技术、传感器技术、信息融合技术、通信
技术、网络技术、导航技术、智能控制技术及自动化控制技术等发展起来的现代智能控制系统，是一个集环境感知、规划决策、自主行驶与行为控制等功能于一体的高技术综合系统地理位置服务[1]，它可以在复杂环境下，通过计算机控制调节行驶方向、控制启停、实现速度的自主控制等。目前，智能车在各个领域都具有广泛的应用前景，如它可以代替人类对零部件、线路板等类似产品进行检测；可以为顾客提供导购帮助；可以帮助残疾人改善生活质量和生活自由度;可以用于水下、太空及远程的服务与探测；可以完成在各种恶劣环境下的货物搬运以及系统维护和监测等工作；可以代替人类在危险地带完成军事任务；可以帮助人类完成地质勘探；可以改善道路交通安全，提高道路网络利用率，降低能源消耗等等。
自动循迹避障轮式机器人要实现自动寻迹功能和避障功能就必须要感知导引线和障碍物，感知导引线相当给机器人一个视觉功能[2]。避障控制系统是基于自动导引自动循迹避障轮式机器人(avg—auto-guide vehicle)系统，基于它的自动循迹避障轮式机器人实现自动识别路线，判断并自动避开障碍，选择正确的行进路线.使用传感器感知路线和障碍并作出判断和相应的执行动作。
本设计自动循迹避障轮式机器人主要由主控模块的单片机开发板，遥控模块的遥控板，电
源模块，电机驱动模块，超声波模块，机械臂控制模块等组成。根据研究进展的深浅可基于单片机开发板增加声控模块，避障模块，循迹模块，跟踪模块等等。
3.2 数学模型的建立
3.2.1 运动数学模型的建立
采用的四轮结构，驱动系统采用两轮差速驱动方式，后两个为从动轮，只起到支撑平衡作用。假定左右两个驱动轮与地面之间没有滑动，也没有侧移，只是做纯粹的滚动，则机器人满足钢体运动规律。图3.1所示｛XW,YW,O｝为世界坐标系，｛X,Y,O｝为移动坐标系，PX为机器人前进方向。
图1坐标系图
智能循迹机器人运动学主要处理控制参数和系统在状态空间的运动两者之间的关系，它包括正运动学和逆运动学两个方面。正运动学解决如何根据智能循迹机器人的速度来计算它的位姿或运动轨迹，当机器人的位姿（，,）时，差动智能循迹机器人的正运动学就是利用这连个差动轮的速度（，）来计算其位置，通用公式计算如下
（1）
（2）
（3）
其中， 和分别为左右轮的驱动速度，是两个驱动轮之间的距离，为智能循迹机器人的驱动轮半径；智能循迹机器人逆运动学解决如何控制轮子的速度以达到智能循迹机器人所需的运动轨迹或位姿，即在已知位置（，，）时，如果根据以上公式，求出两轮差动速度（，）。由于差动轮式驱动属于非完整性约束问题，故智能循迹机器人逆运动学只有在特殊条件下求解，其解往往不唯一，根据系统的需求，本文对智能循迹机器人的运动学分析按照两种情况分别进行。
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