智能小车自动避障追踪声源.doc
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智能小车自动避障追踪声源.doc
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大连海事大学学士论文
大连海事大学
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毕业论文
二○一一年六月
29
29
大连海事大学学士论文
智能小车自动避障声音追踪智能小车自动避障追踪声源
专业班级:
2007级自动化三班
姓名:
李衍军
指导教师:
杨承恩
信息科学技术学院
摘要
智能技术是当今的前沿技术,并与人人的生活联系越来越紧密。
本来?
文以“创意之星”机器人套件为平台,开发了能自动避障、追踪声源的智能小车,这是智能技术很有意义的运用与研究。
首先本文对智能技术的相关背景与应用前景做了简要的介绍,其次系统地介绍了“创意之星”套件主要部件的结构、原理及使用注意事项,然后对智能小车的组装,基本功能的实现(主要有前进、停止、倒退及转向),自动避障和追踪声源功能的实现过程做了详细地描述。
最后总结在智能小车制作与开发过程中取得的成绩与不足,并对智能技术做出展望。
本文在“创意之星”机器人套件基础上开发出的智能小车能比较完美地实现小车的基本功能与自动避障功能,可用于智能小车走迷宫等。
对于追踪声源功能,由于传感器的限制,基本实现。
关键词:
智能技术“创意之星”机器人套件组装基本功能自动避障声音追踪
ABSTRACT
Smart technologyis today's cutting-edgetechnology,and everyone's life areincreasinglylinked. With the platformof"Creative STAR"Robot Kit , thepapersdevelopasmart carwhichcanautomatically avoid obstaclesand trackthe soundsource.Itis theverysignificantapplyingandresearchofsmarttechnology .
Firstofall,thepapersmakeabriefintroductionofthebackground and applicationprospectofsmarttechnology.Followed,itmakesthe systematicintroductionofthemaincomponents ofthe"Creative STAR"robotsuite,aboutstructure,principle andtheuseof attention,.Andthen theassemblingof thesmart car,theachievingofthebasic function (mainly forwarding,stoping,backing andsteering), thefunctionofautomaticobstacleavoidance andtracking thesoundsource,alloftheseprocessdetailswouldbedescribed. Atlast,itconclude theachievements andshortcomingsinthesmart carproducinganddevelopingprocess,and makeexpectationonsmarttechnology.
Inthispaper, the smartcar producedonthebasis of"Creative STAR"Robot Kit canperfectly achieve thebasiccarfunctionsandthe automaticobstacleavoidance whichcanusefor smartcar runningmaze andsoon. Thefunctionoftrackingthesoundsource , duetosensor limitations,isonlypartlyachieved
Keywords:
Intelligenttechnology;"CreativeSTAR"RobotSuite;basicfunctions;assembling;automaticobstacleavoidance;trackingthesoundsource
目录
第1章绪论 1
1.1智能技术研究的背景及意义 1
1.2智能技术的发展历史及现状 1
1.3智能技术的应用及发展趋势 2
1.4本文研究内容 2
第2章“创意之星”套件简介 3
2.1C51Multifilex控制卡简要说明 3
2.2直流电机 4
2.2.1直流电机概述 4
2.2.2直流有刷电机 5
2.3舵机 8
2.3.1舵机概述 8
2.3.2舵机伺服控制 10
第3章智能小车的组装与基本功能实现 11
3.1智能小车的组装 11
3.1.1直流电机的组装 11
3.1.2舵机的组装 12
3.1.3组装小车的最终成型照片 13
3.2智能小车基本功能实现 13
3.2.1小车前进、停止与倒退功能的实现 13
3.2.2小车转向功能的实现 14
第4章智能小车自动避障和追踪声源的实现 16
4.1自动避障和追踪声源功能的总体思路 16
4.2智能小车自动避障功能的实现 16
4.2.1光电开关传感器 16
4.2.2智能小车自动避障算法 18
4.3智能小车追踪声源的实现 20
4.3.1驻极体式电容麦克风 20
4.3.2智能小车声音追踪算法 22
第5章结论与展望 23
5.1结论 23
5.2展望 23
参考文献 24
致 谢 25
第1章绪论 1
1.1智能技术研究的背景及意义 1
1.2智能技术的发展历史及现状 1
1.3智能技术的应用及发展趋势 2
1.4本文研究内容 2
第2章“创意之星”套件简介 3
2.1C51Multifilex控制卡简要说明 3
2.2直流电机 4
2.2.1直流电机概述 4
2.2.2直流有刷电机 5
2.3舵机 8
2.3.1舵机概述 8
2.3.2舵机伺服控制 11
第3章智能小车的组装与基本功能实现 12
3.1智能小车的组装 12
3.1.1直流电机的组装 12
3.1.2舵机的组装 13
3.1.3组装小车的最终成型照片 14
3.2智能小车基本功能实现 14
3.2.1小车前进、停止与倒退功能的实现 15
3.2.2小车转向功能的实现 15
第4章智能小车自动避障和追踪声源的实现 17
4.1智能小车自动避障功能的实现 17
4.1.1光电开关传感器 18
4.1.2智能小车自动避障算法 20
4.2智能小车追踪声源的实现 21
4.2.1驻极体式电容麦克风 21
4.2.2智能小车声音追踪算法 24
第5章结论与展望 25
5.1结论 25
5.2展望 26
参考文献 27
致 谢 28
智能小车自动避障追踪声源大连海事大学学士论文
第1章绪论
1.1智能技术研究的背景及意义
随着科技的发展,对于未知空间和人类所不能直接到达的地域的探索逐步成为热门,这就使机器人的自动避障有了重大的意义。
在科学探索和紧急抢险中经常会遇到对与一些危险或人类不能直接到达的地域的探测,这些就需要用机器人来完成。
而在机器人在复杂地形中行进时自动避障是一项必不可少也是最基本的功能。
因此,自动避障系统的研发就应运而生。
我们的自动避障小车就是自动避障机器人中的一类。
自动避障小车可以作为地域探索机器人和紧急抢险机器人的运动系统,让机器人在行进中自动避过障碍物。
另外随着电子技术、计算机技术和制造技术的飞速发展,数码相机、DVD、洗衣机、汽车等消费类产品越来越呈现光机电一体化、智能化、小型化等趋势。
各种智能化小车市场玩具中也占一个很大的比例。
根据美国玩具协会的调查统计,近年来全球玩具销量增幅与全球平均GDP增幅大致相当。
而全球玩具市场的内在结构比重却发生了重大变化:
传统玩具的市场比重正在逐步缩水,高科技含量的电子玩具则蒸蒸日上。
美国玩具市场的高科技电子玩具的年销售额2004年2003年增长52%,而传统玩具的年销售额仅增长3%。
英国玩具零售商协会选出的2001圣诞最受欢迎的十大玩具中,有七款玩具配有电子元件。
从这些数字可以看出,高科技含量的电子互动式玩具已经成为玩具行业发展的主流。
而声音定位与生源追踪正是一种比较先进的电子互动方式,研究声音的定位与追踪具有实际意义。
智能小车,也称轮式机器人,是一种以汽车电子为背景,涵盖控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多学科的科技创意性设计,一般主要由路径识别、速度采集、角度控制及车速控制等模块组成。
本次课题准备设计一种能够实时采集传感器信号、智能分析外部环境以及定位声音方向、追踪声源等功能的智能小车。
1.2智能技术的发展历史及现状
在80年代中期,设计和制造机器人的浪潮已席卷全球,世界上一些著名的公司开始研制移动机器人(此时的移动机器人的主要用作大学实验室及研究机构的实验平台),并促进了移动机器人学多种研究方向的出现。
90年代以来,以研制高水平的环境信息传感器和信息处理技术、高适应性的移动机器人控制技术和真实环境下的规划技术为标志,开展了移动机器人的更高层次的研究。
现在机器人的应用越来越广,种类也越来越多,但大体上可分为轮式机器人和足式机器人。
智能小车就是轮式机器人的一种,虽然是最基本的机器人雏形,但其中已包含了大部分功能,综合国内外专家解释,可普遍认为机器人一般是具有如下功能的机器:
(1)动作机构具有类似于人或其他生物体某些器官(肢体、感官等)的功能;
(2)有通用性,工作种类多样,动作程序灵活易变;
(3)有一定程度的智能,如记忆、感知、推测、决策和学习等;
(4)有独立性,完整的机器人系统在工作时不依赖于人的操纵。
1.3智能技术的应用及发展趋势
如今知识工程、计算,机科学、机电一体化和工业一体化等许多领域都在讨论智能系统,人们要求系统越来越智能化。
显然传统的控制观念是无法满足人们的需求,而智能控制能与这些传统的控制有机的结合起来取长补短,提高整体的优势更好的满足人们的需求。
随着人工智能技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展,智能控制必将迎来它的发展新时代。
机器人领域近几年有如下几个发展趋势:
(1)性价比逐步提高,性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修),而单价不断下降。
(2)传感器的作用日益重要,除传统的位置、速度、加速度等传感器外,视觉、声觉、力觉等多种传感器的融合技术已用来进行环境建模及决策控制。
(3)虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制,加速遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操作机器人。
(4)当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统,而是致力于操作者与机器人的人机交互控制,即遥控加局部自主系统构成完整的操作系统,使智能机器人走出实验室走入使用化阶段。
1.4本文研究内容
做为毕业设计的论文,本文设计的是一个以“创意之星”套件为基础,以AT89C51ED2单片机为主控芯片,采用模块化的设计方案,运用红外传感器、声音强度传感器组成不同的检测电路,将检测结果送至单片机进行处理,实现小车在行驶中躲避障碍物、追踪声源等等功能的智能电动小车,研究的内容包括以下方面:
(1)小车的组装:
利用博创科技旗下“创意之星”套件的零件组装能实现功能的小车
(2)小车基本功能的实现:
小车前进、停止、后退以及小车左右转的实现。
(3)避障:
小车能发现和自动躲避障碍物
(4)定位声音方向:
小车能定位声音方向,自动跟踪声源。
第2章“创意之星”套件简介
2.1C51Multifilex控制卡简要说明
C51Multifilex控制卡是智能小车的主控板,该控制卡使用AT89C51ED2作为主控芯片,该芯片与传统的8051是完全相容的,脚位图也完全相容,也就是说如果没有用到一些特殊的功能,可以把AT89C51ED2当成一般的8051来使用。
主控芯片之外,C51Multifilex控制卡还集成了AD口、电机控制及舵机控制的硬件驱动,并提供部分可供调用的原始程序,方便了我们的设计与编程。
下面对其接口做详细说明图号图题
:
图2.1
(1)A:
电源接口,+5-6V电源(J6)
MultiFLEX控制卡使用5-6V的直流电源。
至少要求5A的电流输出能力。
(2)B:
控制板总线接口(J8)
MultiFLEX控制卡支持博创科技的标准总线,可以作为功能模块安装在博创科技的所有机器人产品上使用。
(3)C:
4路电机接口Ml-M4(J7)
4路PWM电机驱动输出。
最大允许电流2A,最高输出电压为供电电压。
可以支持各种小型直流有刷电机。
(4)D:
RS-232串口(J5)
友迅达(FriendCOMM)标准的5针RS-232串杼口。
标准RS-232电平。
需要在这里插入232通讯电缆。
(5)E:
7路模拟输入接口ADO-AD6(J2)
ADC输入口允许输入0~5V模拟信号,在MultiFLEX控制卡中可以转换为数字信号。
主要用于一些模拟电压输出的传感器信号采集。
其中靠近电路板内侧是信号输入线(对应图上字母S。
需要注意输入最低电压Ov,最大电压为MultiFLEX控制卡的电源电压,即5~6V),中间是电源(5~6V,对应图上“+”号),外侧是地线(GND,对应图上“-”号)。
(6)F:
12路PWM舵机控制PWO~PW11(CHO~CH11)(J4)
12路舵机的控制接口被分成了四组。
这是为了避免各个接口的接插件之间干涉。
舵机的引线有三根,其中黄色是信号线(对应图上字母S,靠近电路板内侧),橙色是电源(5~6V,对应图上“+”号),棕色是地线(GND,对应图上“一”号)
(7)G:
16路数字I/OI00-1015(J1,J3)
16路数字I/O可以在UP-MRcommander软件中被配置为输入或者输出。
如果配置为输入,每个I/O口能采集加在其上的电压是高电平
(1)还是低电平(0),主要用于检测开关、按钮、红外传感器等的状态。
如果配置为输出,每个I/O口可以输出高低电平(高电平为电源电压,低电平为Ov),可以用于驱动LED、微型电机等器件。
其中靠近电路板内侧是信号输入线(对应图上字母S。
需要注意输入最低电压0V,最大电压为MultiFLEX控制卡的电源电压,即5~6V),中间是电源(5~6V,对应图上“+”号),外侧是地线(GND,对应图上“一”号)。
(8)H:
51单片机在线编程接口(J6)
C51MultiFLEX拉制卡使用AT89C51ED2微控制器作为处理器,这款处理器具备在线编程(ISP)功能。
使用KeilC等PC机上的C语言编译环境交叉编译好的二进制文件可以通过该接口下载到处理器内置的FLASH存储器中运行。
2.2直流电机
2.2.1直流电机概述
采用直流电作为动力来源的各种电动机,统称为直流电动机,简称直流电机。
其工作原理都是利用带有数个起电磁铁作用的线圈转子,线圈转子通电后,与励磁单元(可以是励磁线圈或者永磁体)的磁场作用而运动;不断地按照合适的规律改变通电顺序,使得转子的远动一直持续,形成转动。
直流电机有定子和转子两大部分组成,定子上有磁极(绕组式或永磁式),转子有绕组,通电后,转子上也形成磁场(磁极),定予和转子的磁极之间有一个夹角,在定转子磁场(N极和S极之间)的相互吸引下,是电机旋转。
改变电刷的位子,就可以改变定转子磁极夹角(假设以定子的磁极为夹角起始边,转子的磁极为另一边,由转子的磁极指向定子的磁极的方向就是电机的旋转方向)的方向,从而改变电机的旋转方向。
直流励磁的磁路在电工设备中的应用,除了直流电磁铁(直流继电器、直流接触器等)外,最重要的就是应用在直流旋转电机中。
在发电厂里,同步发电机的励磁机、蓄电池的充电机等,都是直流发电机;锅炉给粉机的原动机是直流电动机。
此外,在许多工业部门,例如大型轧钢设备、大型精密机床、矿井卷扬机、市内电车、电缆设备要求严格线速度一致的地方等,通常都采用直流电动机作为
原动机来拖动工作机械的。
直流发电机通常是作为直流电源,向负载输出电能;直流电动机则是作为原动机带动各种生产机械工作,向负载输出机械能。
直流电机包括有刷电机、无刷电机、步进电机等种类,它们的原理都基本相同,都是利用电和磁的相互作用来实现机械能与电能的相互转换。
也有线圈固定不动,励磁装置旋转的,称为外转子电机。
许多电动模型上使用的大功率无刷电动机即为外转子电机。
其好处是惯量较大,运转平稳,并且由于外壳旋转,容易实现更好的散热性能。
通常线圈转子都是绕在铁芯上的。
也有没有铁芯,线圈本身做成杯状,励磁装置(永磁体)做成柱状放置在转子的内部的电动机,称为“空心杯电动机”。
外转子电机和空心杯电机属于新工艺的直流电机。
2.2.2直流有刷电机
在本次智能小车的实验中用到的是直流有刷电机。
图2.2
直流电机有定子和转子两大部分组成,定子上有磁极(绕组式或永磁式),转子有绕组,通电后,转子上也形成磁场(磁极),定子和转子的磁极之间有一个夹角,在定转子磁场(N极和S极之间)的相互吸引下,是电机旋转。
改变电刷的位子,就可以改变定转子磁极夹角(假设以定子的磁极为夹角起始边,转子的磁极为另一边,由转子的磁极指向定子的磁极的方向就是电机的旋转方向)的方向,从而改变电机的旋转方向.
直流电机是利用电和磁的相互作用来实现机械能与电能的相互转换。
图2.3
上图表示一台最简单的两极直流电机模型。
其中固定部分有磁铁,这里称作主磁极;固定部分还有电刷。
转动部分有环形铁心和绕在环形铁心上的绕组。
它的固定部分(定子)上,装设了一对直流励磁的静止的主磁极n和s,在旋转部分(转予)上装设电枢铁心。
定子与转子之间有一气隙。
在电枢铁心上放置了由a和x两根导体连成的电枢线圈,线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上,此铜片称为换向片。
换向片之间互相绝缘,由换向片构成的整体称为换向器。
换向器固定在转轴上,换向片与转轴之间亦互相绝缘。
在换向片上放置着一对固定不动的电刷bl和b2,当电枢旋转时,电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。
上面仅仅是一个理论上的直流有刷电机模型。
实际的直流有刷电机结构如下图所示:
图2.4
直流有刷电机的转速是与电压成正比的,而转矩是与电流成正比的。
对于同一台直流有刷电机,电压、电流、转矩这三者之间的关系大致可以用下图来表示:
图2.5
其中V1~V5代表5个不同的电压,Vl最低,v5最高。
可以看到,在相同的电压下,速度越低,转矩越大;在相同的转矩下,电压越高,速度越大;在相同的速度下,电压越高,转矩越大。
但是电压并非越高越好。
一般直流电机是额定电压从3V~24V。
再大一些是30V或更大。
“创意之星”机器人使用的电机工作在5~6V。
不能让你的额定6V的电机工作在100V,那样就可能会损坏电机了。
直流电机在额定电压下工作效率最高。
如果电压值过低,它就不会工作;如果电压过高,它将过热,线圈将会熔化。
因此一般尽可能采用接近电机额定的电压。
电流标题?
对于所有的电路来说,一定要注意到电流。
太小不能工作。
太大也会彻底毁坏。
在买电机时,你一定要注意两个电流额定值问题。
第一个是工作电流,这是电机工作在预期一般转矩时电流的平均值,该值乘以额定电压就得到电机运行的平均功率。
另一个需要注意的电流额定值是停转电流。
这就是你起动电机但转矩不足以致它停止转动。
这是电机工作的最大电流,因而也是最大功率。
所以你
设计好全部的电路,能处理这样的停转电流。
此外,如果你打算长时间运转电机,或者在高出额走电压时运行,最好给电机加上散热槽避免线圈熔化。
额定电压
我们的电机能承受多大的电压?
一般所有的电机受(或至少应该)一定的功率限制。
功率转换中的损失直接变为热量输出,太多的热量会使电机线圈(的绝缘部分)熔化。
所以优秀的电机制造商知道多大的电压会使电机失效,并且在电机性能表中给予说明。
峰值功率
对于直流电机在改变方向时的特殊情况。
为使电机反转,你必须同样反接电压。
可是电机己建立了抵抗这种电压改变的感应电动势。
因此在短时期内改变电机转向,将会有很大的功率峰值。
电压达到工作电压的两倍,电流也会至停转电流。
有必要考虑设计合适的机器人功率调节电路,处理任意的电压峰值。
转矩
在购买直流电机时,要注意有关转矩两个额定值。
第一个是工作转矩,这是电机设计时所决定的,一般是标称值。
另一个额定值是停转力矩,这是电机从转动到停止时的力矩。
一般仅考虑工作转矩,但是有些情况下,你可能想知道电机的极限转矩。
如果你设计一个轮式机器人,良好的转矩意味着加速性能好。
一个经验公式是,如果你的机器人有2个电机,那么尽量确保:
每个电机的堵转转矩>机器人的重量术轮子半径。
?
直流有刷电机的最大弱点就是有电流的换向问题,消耗有色金属或石墨较多,成本高,运行中的维护检修也比较麻烦。
因此,电机制造业中正在努力改善交流电动机、无刷电机的性能,并且大量代替直流有刷电机。
但是在移动机器人等场合,直流有刷电机由于其功率密度大、尺寸小、控制相对简单、不需要交流电等优点,仍然被大量使用。
2.3舵机
2.3.1舵机概述
舵机,顾名思义是控制舵面的电动机。
舵机的出现最早是作为遥控模型控制舵面、油门等机构的动力来源,但是由于舵机具有很多优秀的特性,在制作机器人时也时常能看到它的应用。
“创意之星”机器人套件中提供了4个大功率舵机,是套件的核心驱动元件。
下面是一些舵机的实物照片和分解图片:
图2.6
图2.7
舵机最早出现在航模运动中。
在航空模型中,飞行机的飞行姿态是通过调节发动机和各个控制舵面来实现的。
不仅在航模飞机中,在其他的模型运动中都可以看到它的应用:
船模上用来控制舵,车模中用来转向等等。
一般来讲,舵机主要由以下几个部分组成,舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计5k、直流电机、控制电路板等。
图2.8
舵机的输入线共有三条,红色中间,是电源线,一边黑色的是地线,这两根线给舵机提供最基本的能源保证,主要是电机的转动消耗。
电源有两种规格,一是4.8V,一是6.OV,分别对应不同的转矩标准;另外一根线是控制信号线,Futaba的一般为白色,JR的一般为桔黄色。
舵机的控制信号为周期是20ms的脉宽位置调制(PPM)信号,其中脉冲宽度通常从0.5ms-2.5ms(也有少量型号的脉冲宽度范围
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