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單片機開發

智能輪式機器人設計


基于Arduino單片機的智能輪式機器人設計

輪式機器人在工業應用方面可以完成自動化搬運作業的任務,當今社會,隨著生產條件日益現代化,勞動生產率要求越來越高,企業更注重效率,機器人在社會各領域的作用越來越大,對機器人的研究成為熱門話題,各項機器人比賽也備受人們的關注。

如今在互聯網發展的背景之下,催生了網上購物等平臺,同時也為物流業的蓬勃發展注入了強大的動力。在物流中心,快遞的分揀基本上還是依靠人工來實現,人工揀貨既效率低下而且又容易出錯,隨著業務量的增加還得增加更多的人手,所以自動分揀的建設是快遞發展的必然方向。因此智能分揀機器人的研究與創新應用將很大程度的解決物流行業所面臨的一些問題,更重要的是機器人實現的一些功能能被應用于各行各業,充分體現出智能化為人們生活和生產帶來的便利。

本次機器人實驗項目采用輪式機器人的設計方式,即移動機器人的一種。要求機器人能夠實現將搬運物通過指定路線搬運到相應位置,同時搬運機器人能夠自動躲避路線中的障礙,自主應對復雜的道路環境。搬運機器人能夠通過無線傳輸技術實現遠距離控制,能夠更好的服務于人類。

一、智能輪式機器人方案開發思路

智能搬運機器人通過四輪驅動,每個車輪都由一個直流電機控制,通過控制電機的轉動來控制機器人的轉向。通過超聲波模塊或者紅外感應模塊實現機器人對障礙物的識別,并將模塊采集的信息傳送給單片機,由單片機判斷后對控制電機的IO口發送指令,使機器人完成相應的轉向動作。人工無線控制是通過藍牙模塊與手機軟件實現。可以無線控制機器人完成前進,后退、左轉、右轉的指令,從而讓機器人到達指定位置。

二、智能輪式機器人硬件系統設計

本次實驗項目采用Arduino控制板,此芯片負責控制電機狀態,并處理從各個模塊收集的信息,然后發出相應指令。本次項目以實驗創新為主,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。本實驗采用2節3.7V大容量18650鋰電池供電,為系統中的各個模塊提供穩定可靠的工作電壓。

機器人設計采用輪式機器人的設計概念,每個輪子配有一塊DC3-6V直流減速馬達電機,減速比為1:48,工作電壓為3-6V。合適的電機在實驗中占有非常重要的位置,耐用、環保和屏蔽環境干擾等都是其要考慮的參數,并且好的電機在代碼的包容度上也有明顯的幫助。

本次實驗項目采用的電機驅動方案是TB6612FNG電路。TB6612FNG是雙驅動,電機電源接口帶有反接保護電路。相對于傳統的L298N效率上提高好多,體積上也大幅減少。超聲波模塊由發射電路和接收電路組成。本次實驗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。靜態電流小于2mA,感應角度不大于15度,探測距離為500cm,精度可達0.3cm。

SR04是利用超聲波特性檢測距離的傳感器,其帶有兩個超聲波探頭,分別用作發射和接收超聲波。先使用Arduino的數字引腳13向TRIG腳輸入至少10us的觸發信號,模塊將自動發出8個40KHZ的超聲波脈沖,并自動檢測是否有信號返回。一旦檢測到有回波信號則ECHO引腳會輸出高電平,根據高電平持續時間就可以獲得機器人與被測障礙物的距離,從而完成避障任務。

紅外傳感器尋線的基本原理是利用物體的反射性質。本次實驗是巡黑線行駛,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,當紅外線發射到黑線上時會被黑線吸收掉,發射到其它的顏色上將會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、智能輪式機器人軟件設計

在進行微機控制系統設計時,除了系統硬件設計外,大量的工作就是如何根據每個生產對象的實際需要設計應用程序。因此,軟件設計在微機控制系統設計中占重地位。對于本系統,軟件更為重要。

在單片機控制系統中,大體上可分為數據處理、過程控制兩個基本類型。數據處理包括:數據的采集、數字濾波、標度變換等。過程控制程序主要是使單片機按一定的方法進行計算,然后再輸出,以便控制生產。

為了完成上述任務,在進行軟件設計時,通常把整個過程分成若干個部分,每一部分叫做一個模塊。所謂“模塊”,實質上就是所完成一定功能,相對獨立的程序段,這種程序設計方法叫模塊程序設計法。

模塊程序設計法的主要優點是:單個模塊比起一個完整的程序易編寫及調試;模塊可以共存,一個模塊可以被多個任務在不同條件下調用;

模塊程序允許設計者分割任務和利用已有程序,為設計者提供方便。本系統軟件采用模塊化結構,由主程序、定時子程序、避障子程序、中斷子程序顯示子程序、調速子程序、算法子程序構成。

智能分檢機器人在承載物件后應按照規劃路線行駛到指定的區域等待物件被卸載,不同顏色的物件將被運送到不同的分類區域。然后機器人將回到初始區域開始下一輪的任務,如此循環往復。本項目系統軟件設計主要包括尋線運動子程序,避障子程序以及顏色識別子程序。智能分揀機器人能夠實現整套的任務流程離不開各個模塊功能的配合。

本次實驗采用的是Arduino單片機,設計出能實現分揀的機器人,具有尋線運動,顏色識別,避障等特點。

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