自动寻迹避障轮式机器人--综合实验设计报告

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1、专业综合实验设计报告项目：自动寻迹避障轮式机器人班级：电133姓名：学号：1312021067同组同学：学期：2016-2017-1一、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，把轮式机器人能够沿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

2、》、《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，以轮式机器人能够以一定的速度沿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，行走偏离导航线程度≤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

3、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。430）设计轮式机器人控制系统的硬件系统，包括控制芯片的选型

4、，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，

5、记录实验曲线，与理论分析结果对比，得出有意义的结论。二、实验仪器设备与器件表1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红外循迹传感器1稳压芯片7805/78125继电器1红外避障传感器1LM298电机驱动1STC15W4K58S4单片机1四轮车模型1PC机1烙铁1焊锡1起子1按键若干电阻若干电容若干杜邦线若干30三、实验原理分析本次实验设计的主要内容是一种基于单片机控制的自动寻迹避障智能循迹机器人的设计，该车以单片机为控制核心，利用传感器对前方障碍物信息及路面信息进行采集，并将障碍物检测信号和路面检

6、测信号反馈给单片机。单片机对采集到的信号予以分析判断，及时控制驱动电机以调整智能循迹机器人转向，从而使智能循迹机器人能够避开障碍物，沿着预定轨道自动行驶，实现智能循迹机器人自动寻迹避障的目的。3.1建立数学模型数学建模就是当需要从定量的角度分析和研究一个实际问题时，需要在深入调查研究、了解对象信息、作出简化假设、分析内在规律等工作的基础上，用数学的符号和语言做表述来建立数学模型。3.1.1模型建立原理建立数学模型的主要过程在于建立系统输入和输出之间的关系，主要方法有：（1）物理建模法（白盒法）：根据物理原理建立输入和输出模型；（2）基

7、于输入输出数据（黑盒法）：通过实验测量大量输入和输出之间的关系，采用曲线拟合近似输入和输出的函数关系；（3）混合法：结合物理原理基础和实验测量数据拟合共同建立输入和输出模型。本次实验采用混合法来进行建立系统输入和输出之间的关系。轮式机器人的传统导航方式有很多，包括惯性导航、视觉导航、传感器导航等。不同导航方式所适用的环境也有所不同，包括简单环境和复杂环境，室内环境和室外环境。环境信息包括待覆盖区域的地形、障碍物的形状、位置、大小甚至属性或者类别。1)惯性导航是一种最基本的导航方式。它利用机器人装配的光电编码器和陀螺仪，计算机器人航程，

8、从而推知机器人当前的位置和下一步目的地。这种导航方式的优点是硬件结构实现起来比较简单，缺点是导航系统存在常值漂移和随机漂移，导致导航信息精度随时间推移而降低，控制的精度很难提高。302)视觉导航是利用机器人自身装配的摄像