仿生机器龟设计DOC

仿生机器龟设计
1 设计主要内容及要求
1.1设计目的：
（1）了解机器人技术的基本知识以及有关电工电子学、单片机、机械设计、传感器等相关技术。

（2）初步掌握机器人的运动学原理、基于智能机器人的控制理论，并应用于所设计的机器人中。

（3）通过学习，具体掌握机器人的控制技术，并使机器人能独立执行一定的任务。

1.2基本要求：
（1）要求设计一个具有仿生功能的机器人；
（2）要求设计机器人的行走机构，控制系统、传感器类型的选择及排列布局。

（3）要求机器人具有趋光功能（龟喜欢晒太阳），避障功能（不能撞到障碍物上），知道饥饿（电池电量检测功能）。

1.3发挥部分：
自由发挥
2 设计过程及论文的基本要求：
2.1 设计过程的基本要求
（1）基本部分必须完成，发挥部分可任选；
（2）符合设计要求的报告一份，其中包括总体设计框图、电路原理图各一份；
（3）设计过程的资料、草稿要求保留并随设计报告一起上交；报告的电子档需全班统一存盘上交。

2.2 课程设计论文的基本要求
（1）参照毕业设计论文规范打印，包括附录中的图纸。

项目齐全、不许涂改，不少于3000字。

图纸为A4，所有插图不允许复印。

（2）装订顺序：封面、任务书、成绩评审意见表、中文摘要、关键词、目录、正文（设计题目、设计任务、设计思路、设计框图、各部分电路及相应的详细的功能分析和重要的参数计算、工作过程分析、元器件清单、主要器件介绍）、小结、参考文献、附录（总体设计框图与电路原理图）。

3 时间进度安排
一设计任务描述
1.1 设计题目：
仿生机器龟设计
1.2 设计要求
1.2.1 设计目的：
（1）了解机器人技术的基本知识以及有关电工电子学、单片机、机械设计、传感器等相关技术。

（2）初步掌握机器人的运动学原理、基于智能机器人的控制理论，并应用于所设计的机器人中。

（3）通过学习，具体掌握机器人的控制技术，并使机器人能独立执行一定的任务。

1.2.2 基本要求：
（1）要求设计一个具有仿生功能的机器人；
（2）要求设计机器人的行走机构，控制系统、传感器类型的选择及排列布局。

（3）要求机器人具有趋光功能（龟喜欢晒太阳），避障功能（不能撞到障碍物上），知道饥饿（电池电量检测功能）。

二设计思路
2.1 行走机构的设计
行走机构是行走机器人的重要执行部件，也称为机器人的下肢，是机器人的关键部分，主要用来承受体重和完成位移，它决定着机器人能否迅速灵活地移动，能否准确地按照作者的意愿到达指定地点。

机器人的行走机构首先要体现稳定性，其次是灵活性。

行走机器人的行走机构主要有车轮式行走机构、履带式行走机构和足式行走机构。

一般而言，在崎岖的山路上，适合选择履带式行走机构；在沙漠中，适合选用足步式行走机构；在相对平坦的道路上，适合选择车轮式行走机构。

由于轮式行走机构由滚动摩擦代替滑动摩擦，主要的特点式效率高，适合在平坦的路上移动，定位准确，而且重量较轻，制作简单。

因为设计的仿真小龟主要是针对陆地而言的，而且对小龟的重量上还有一定的限制，所以，在设计仿真龟时，选择车轮式行走机构。

2.2 执行器的设计
驱动机器人做出各种行为，包括发出各种信号（点亮发光二极管、发出声音）的部分，并且可以根据控制器部分的信号调整自己的状态。

对机器龟来说，最基本的就是轮子。

这部分就好比乌龟的四肢一样。

车轮型移动机构按车轮数可分为两轮式、三轮式和四轮式。

人们把非常简单、便宜的自行车或两轮摩托车用在机器人上的试验很早就进行了。

但是人们很容易的就认识到两轮车的速度、倾斜等物理量精度不高，而进行机器人化，所需简单、便宜、可靠性高的传感器也很难获得。

此外，两轮车制动时以及低速行走时也极不稳定。

而使用三个轮的优点是所有的轮子都会着地，不会产生悬空现象，控制稳定。

但当机器人重心偏移时，如转弯、相撞等，由于只有三个轮子支撑车体，稳定性不好。

较三轮车体来说，四个轮子可以更好地支撑龟体，行走稳定，当重心偏移时，左右晃动小。

所以在设计中我选择机器龟为四轮式。

2.3 驱动方式的选择
2.3.1 液压驱动
液压驱动的特点是，液压容易达到较高的压力，体积较小，可以获得较大的推力或转矩；液压系统介质的可压缩性小，工作平稳可靠，并可得到较高的位置精度；在液压传动中，力、速度和方向比较容易实现自动控制；液压系统由于采用油液作介质，具有防锈性和自润滑性，可以提高机械效率，使用寿命长。

但是，液压驱动方式也有不足之处，由于油液的粘度随着温度的变化而变化，影响工作性能，高温容易引起燃烧爆炸等危险；另外液体的泄露难于克服，要求液压元件有较高的精度和质量，故造价比很高。

总之这种驱动方式的输出力和功率很大，经常用于比较大型机器人关节的驱动，而且这种驱动方式还存在着危险性，所以对于仿生机器龟来说不适合选择液压驱动方式。

2.3.2 气压驱动
气压驱动的特点是，压缩空气粘度小，很容易达到高速；它不必添加动力设备；空气介质对环境无污染，使用安全，可直接应用于高温作业；气动元件工作压力低。

但是它的不足之处是若要获得较大的力，其结构就要相对的增大，而且空气压缩性大，工作平稳性差，速度控制困难，要想达到准确的位置控制很困难。

另外，还有一个严重的问题是，压缩空气的排水问题如果处理不当会使钢类零件生锈，导致机器人失灵。

此外，排气还会造成噪声污染。

总之，气压驱动多用于开关控制和顺序控制的机器人，且其体积较大和精确度不高等缺点也使其不适合作为仿生机器龟的驱动方式。

2.3.3 电动机驱动
经过以上的分析可知，液压式和气压式都不适合作为机器龟的驱动方式，所以就选择电动式作为机器龟的驱动方式。

电动机驱动又分为直流电动机、步进电动机和伺服电动机。

下面，分别介绍这三种电动机。

步进电动机：步进电机是利用电磁铁原理,将脉冲信号转换成线位移或角位移的电机。

每来一个电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移动一小段距离。

它的工作特点是给步进脉冲电机就转，不给步进脉冲电机就不转；步进脉冲频率高，步进电机转得快；步进脉冲频率低，步进电机转得就慢；改变各相的通电方式（叫脉冲分配）可以改变步进电机的运行方式；改变通电顺序，可以控制步进电机的正、反转。

伺服电动机：一个微型伺服马达内部包括了一个小型直流马达，一组变速齿轮组，一个反馈可调电位器，及一块电子控制板。

其中，高速转动的直流马达提供了原始动力，带动变速（减速）齿轮组，使之产生高扭力的输出，齿轮组的变速比愈大，伺服马达的输出扭力也愈大，也就是说越能承受更大的重量。

伺服电机容易与CPU连接，控制性能好，响应快，最大的优点是可以实现速度和位置的精确控制，适合于中小型机器人。

直流电动机：直流电机由定子、转子和换向器。

定子是固定在机身的圆桶状部分，一般由永磁材料或能产生磁场的线圈制成。

由于直流电机驱动是开环控制，所以行进速度一般固定，精度不高，直流电机控制的精确度虽然没有步进电机那样高，但完全可以满足本题目的要求。

但是直流电机控制起来简单，它只有两根线，一根是电源线，一根是接地线。

要想控制直流电机的转度，只要加大加在电源线上的电压即可，加大电压的方法是通过调节脉冲的占空比来实现的。

如果要想实现电机的正反转，那么就用H桥电路，通过H桥电路就可以实现直流电机的正反转。

综上所述，我选用方案三直流电机作为机器龟的驱动电机。

2.4 传感器的选择
2.4.1 趋光功能传感器的选择
由于乌龟喜欢晒太阳，它为了生存下去必须要保证不断电，为了保证当本身的电量要用完的时候它能够自动去寻找光源充电，所以在设计中要让小龟有寻光的功能，那么当小龟寻找到光源之后，还要准确的对准光源进行充电，所以在设计中还要让小龟有趋光的功能。

自然界中有很多信息是通过光辐射传播的，通过光电器件可获得这些信息。

光敏电阻是一种重要的光电转换器件，它是基于内光电效应的光电元件，在光照作用下能使物体的电导率发生变化的现象称为内光电效应。

当内光电效应发生时，固体材料吸收的能量使部分价带电子迁移到导带，同时在价带中留下空穴，由于材料中载流子数量增加，其电导率也增加,使电阻值减小。

光敏电阻便是利用这一原理，当有光照时,其电阻值很小减小，没有光照时电阻阻值很大，而且，光敏电阻灵敏度高、体积小、重量轻、电性能稳定、可以交直流两用，而且制造工艺简单，价格便宜等，所以在设计中，我选择了光敏电阻来完成小龟的寻光功能。

2.4.2 避障功能传感器的选择
避障可以说是各种机器人最基本的功能。

因此选择合适的测障传感器是非常重要的。

常用的避障传感器有以下几种:
接触式传感器—碰撞开关：碰撞开关的特点是电路为常开，碰到障碍物后连通，可以用来检测机器人是否发生碰撞。

碰撞开关价格便宜，使用简单，使用范围广，对环境条件没有什么限制。

但是，它也有缺点即必须在发生碰撞后才能检测到障碍，这在某些机器人比赛中是相当失分的。

并且使用时间较长后容易发生机械疲劳，无法继续正常工作。

超声波传感器：采用超声波传感器，如果传感器接收到反射的超声波，则通知单片机前方有障碍物，反之则通知单片机可以向前行驶。

经实验，使用超声波传感器探测信号时十分容易受到外界环境的影响，使单片机控制系统接收到许多错误的信息。

而且超声波传感器价格比较昂贵。

光敏传感器：直接根据光源的信号进行判断。

这需要光敏传感器能及时反馈可靠的信息，而光敏传感器拥有很高的灵敏度，为了抗干扰还可以把光敏传感器预先进行特殊处理，使其只有在光源正射时才能测到信号，这样就使光敏传感器的返回信号更加可靠，单片机一旦接到的光敏传感器返回的信息，便能作出正确的判断。

倘若测不到信号，说明光敏传感器被障碍物挡住，正前方不能通行,单片机控制电机绕开障碍物行驶。

红外传感器：机器人自主避碰运动规划只要求对障碍物存在或不存在进行判断。

所以，使用红外线传感器就可以满足要求。

其工作原理就是发射某种射线，遇到障碍物会被反射回来，这时传感器就认为发现了障碍物。

传感器由红外线发射电路和接受电路组成。

单片机通过接收红外传感器的信号,判断出传感器是否检测到障碍物,从而做出避障动作。

综合上述并结合实际，在本次设计中避障传感器我选择红外传感器。

2.5 主控制器的选择
主控制器用来接收传感器部分传递过来的信号，并根据事前写入的决策系统（软件程序），来决定机器人对外部信号的反应，将控制信号发给执行器部分，就好比人的大脑。

适合机器人的控制芯片有很多：单片机、DSP、甚至我们计算机上所用的CPU，都可以。

但是，在本次设计中我还是选用了我们最熟悉的，价格最便宜的单片机。

单片机是整个系统的核心，它作为冯诺依曼体系结构中的运算器、存储器和控制器的集成，是系统中其它所有输入输出信息的控制和处理中心，本设计中采用的单片机是我们学过的C8051系列单片机。

2.6 软件功能的实现
当外界的传感器传送给单片机后，接下来就需要进行软件编程了，来对机器龟的各种行为进行控制。

在本次设计中，机器龟的控制系统采用汇编语言编程，整个软件程序主要由主程序、初始化程序、躲避障碍物子程序、寻光子程序、充电子程序和转弯子程序，还有前进子程序等组成。

主程序主要起到导向和决策的功能,决定什么时候该做什么，机器龟的各种功能主要是通过调用具体的子程序模块来实现的。

2.7 电机驱动芯片的选择
在自制机器人的时候，选择一个合适的驱动电路也是非常重要的。

在我的设计中我选择直流电动机，直流电机最常用的驱动电路是H桥电路，但是考虑如果用硬件来完成H桥电路的搭建非常麻烦，而且所占的空间也大，所以在我的设计中选择了集成的驱动芯片LM298，这款芯片内部集成了H桥电路，就不用再自己搭配了。

给我的设计带来了很大的方便。

三设计方框图
图3—1仿真机器龟硬件设计方框图
四硬件设计
4.1 单片机模块
4.1.1 电源电路
在电源电路中，SPX1117-3.3是稳压芯片将输入电压5V转换成3.3V作为C8051F020单片机的主要供电电源。

S2为输入电源开关按钮，在下载完数据后可用此按键来更新下载数据。

其电路图如图4—1单片机电源电路所示。

图4—1单片机电源电路
4.1.2复位电路
当开发板上电时，C14经充电后复位端电压相当于低电平实现上电复位：当断电后通过1N4148形成放电回路。

其电路图如图4—2单片机复位电路所示。

图4—2单片机复位电路
4.1.3液晶显示（LCD）接口电路
单片机留有一个LCD液晶接口，相对应的液晶为MzL05-12864，它是一款仅写入的串行SPI接口方式的液晶，给液晶仅需5个控制口即可完成对其控制。

单片机使用模拟SPI 的方式对液晶进行操作。

其电路图如图4—3单片机液晶接口电路所示。

图4—3单片机液晶接口电路
4.1.4晶振电路
Y1为晶体振荡器，其振荡频率为22.11842MHZ，为单片机提供其工作所需要的时钟，C16、C17起到帮助晶振的作用。

电路图如图4—4单片机晶振电路所示。

图4—4单片机晶振电路
4.2 系统模块
4.2.1 电源电路
在本次设计中我选用LM7805集成稳压电路，它的输出电压为5V，输出电流可达1.5A。

由LM7805集成稳压器组成的5V电压源主要由变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路组成。

如图4—5稳压电源电路所示。

T1
220V
图4—5稳压电源电路
4.2.2 复位电路
复位可分为外部复位和看门狗复位，通常复位都选择外部复位方式，外部复位又叫硬件复位，硬件复位电路的工作原理是，系统正常工作时，RESET引脚通过4.7K电阻接到电源正极，所以应为高电平，若按下复位按钮按钮，则REAET引脚通过100姐地位低电平，源正极，芯片复位。

如图4—6复位电路图所示。

1 2 3 4
JP?
4 HEAD ER
图4—6复位电路
4.3 趋光模块
4.3.1 光敏电阻传感器
光敏电阻是根据半导体的光电导效应制成的。

它所用的材料主要有：硒、硫化镉、硫化铝、硫化铋、硒化镉、硒化锌、砷化镓、硅等。

其中对可见光敏感的硫化镉光敏电阻是最有代表性的一种。

光敏电阻在使用时，可以加直流偏压，也可以加交流偏压，它的电流随电压呈线性变化。

光敏电阻在无光照时，其暗阻值一般大于1500 kΩ，在有光照时，其亮阻值为几千欧，两者相差较大。

光敏电阻的主要特点是：灵敏度高、体积小、重量轻、电性能稳定、可以交直流两用，而且制造工艺简单，价格便宜等。

在实际使用中一般都选择硫化镉光敏电阻。

以硫化镉（CdS）为主要成分的光敏电阻是应用广泛的一种光敏，它是利用半导体的光电效应，即当光照射在硫化镉半导体表面上时，半导体内的载流子增加，使其电导率增加。

CdS通常都是制成薄膜结构的，以便收集和吸收更多的光线。

光敏电阻与其他半导体光电器件相比，有以下特点，光谱响应范围相当宽，工作电流大，所测得光电强度范围宽，既可测强光也可测弱光，灵敏度高，无选择极性之分。

4.3.2 光敏电阻的数量和布局
光敏电阻硫化镉在黑暗环境中的阻值大约为100 kΩ，在明亮环境中阻值为10 kΩ，不同的硫化铅电阻的阻值相差很大，在机器龟的设计中我选择使用两个光敏电阻，并且需要尽量使两个硫化镉光敏电阻的阻值相等或接近。

由于硫化镉光敏电阻的电阻值变化较大，因此，在设计中最好多买几个硫化镉光敏电阻，使购买的数量多于需要使用的数量，然后对这些硫化镉电阻进行测量，从中选择一对电阻值最接近的硫化镉光敏电阻。

把筛选出来的两个硫化镉光敏电阻，分别放在机器龟前方的两侧位置，当这两个光敏电阻传感器接收光线的强度近似相等时，机器龟向前运动，如果一个硫化镉光敏电阻接收的光线强度比另一个强时，小龟则进行左转或者是右转。

4.3.3 光敏电阻的测量电路
机器龟的寻光电路如图4—7寻光电路所示。

在设计中采用桥电路，通过左右两边光强的照射，经过电压比较器来比较反馈光强度，并选择相应行走方向。

该电路的工作原理如下：两只光敏电阻通过下拉电阻连接到电压比较器的输入端，两只下拉电阻的阻值相等，因为两只光敏电阻的阻值不可能完全相等，所以在设计中又添加了一个滑动变阻器。

光敏电阻1是安装在小龟的左侧，光敏电阻2安装在右侧的。

当左侧的光强大于右侧的光强时，光敏电阻1的阻值将变小，所分的电压也将变小，那么与它相连的固定电阻R9所分的电压将变大，这时电压比较器将会输出一个低电平信号。

当右侧的光强大于左侧的光强时，光敏电阻2的阻值将变小，所分的电压也将变小，那么与它相连的固定电阻R10所分的电压将变大，这时电压比较器将会输出一个高电平信号。

把转化之后的数字量送入单片机进行处理，来驱动机器龟转弯。

GND
RP?
16PIN 图4—7寻光电路
4.4 避障模块
4.4.1 红外传感器
把红外辐射转换成电量变化的装置，称为红外传感器。

红外式接近觉传感器的基本工作原理：它包括两个组成部分——发送器与接收器。

发送器往往为红外发光二极管，而接收器一般为光敏晶体管。

发送器向某物发出一束红外光后，该物体发射红外光，并被接收器所接收。

通过反射与接收达到判断物体的存在的目的，经过信号处理与解算，又可获得其相对距离，从而确定其位置。

红外式接近传感器的明显优点是在于它的发送器与接收器都很小，因此可以方便安装在机器人的各个部位。

且它的应答性好，维修方便，是目前应用较多的—种接近觉传感器。

一般把它用于移动机器人的路径探测和躲避障碍物。

红外传感器主要分为光电型和热敏型。

红外传感器由两个红外发射管和一个红外接收管组成。

红外发射管发出红外线，红外线在遇到障碍物后被反射回来，红外接收管收到被反射回来的红外线后，通过A/D转换送入单片机进行处理，并电量发光二极管LED。

告诉机器龟前方有障碍物，不能直线前进了，要转弯。

4.4.2 红外传感器的测量电路
传感器由红外线发射电路和检测器组成。

发射电路使用555时基电路组成的脉冲发生器，其工作频率为38kHz ，占空比为60%。

其震荡频率为：
1.44
(122)*1
f R R C =
+ （4-1）
由式（4-1）可知，当ln C f =、38f Hz =时，(2Ra Rb +) =37.97K 。

选定Rb =15K ，Ra 通过一个可变电阻调节得到。

555产生的脉冲波由OUT 脚输出，经电阻加到驱动三极管的基极上，由三极管驱动红外发光二极管发射红外线。

检测器使用一个标准的38kHz 的电视遥控接收器。

由非门74HC14将信号整形，可以得到稳定的方波信号。

在实验中发现，当前方没有障碍物时检测器也发生电平变化。

经分析认为是红外发光二极管发出的红外线中的一部分直接被检测器检测到所造成的。

在红外发光二极管和检测器之间加装金属隔板后，问题得到解决。

如图4—8红外发射电路所示。

图4—8红外发射电路
4.5 觅食模块
本设计采用4.8V 镍氢充电电池为系统供电。

太阳能电池板正负极通过一个三极管与电池正负极相连。

有一个电压比较器比较电池电压与太阳能板的压差，如果压差高于某值，比较器控制三极管导通，太阳能电池板对充电电池充电。

充电电池电压上升，当高于某值时控制三极管关断，结束充电。

为使太阳能板能对电池组充电，要求太阳能板在阳光直射下输出电压高于8V。

4.6 电机驱动模块
4.6.1 LM298简介
LM298是双通道直流电动机驱动芯片，它可以满足机器龟正反转控制的需要。

LM298是一块单片集成电路，有两种封装形式，它是双H桥高电压大电流功率集成电路，可以用来驱动2个直流电动机，也可以驱动感性负载，如继电器、电动阀、步进电动机等。

采用LM298作为电动机驱动电路，可靠性高，可以方便地控制电动机的正反转。

LM298内部包含2个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器接收标准逻辑电平信号，可以驱动46V、2A以下的电机。

LM298可驱动两个电机，OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接两个电动机，5、7、10、12脚接输入控制电平，控制电机的正反转，ENA、ENB接控制使能端，控制电机的停转，这些特性使得L298很适合作直流电机控制芯片。

4.6.2 H桥原理简述
所谓 H 桥驱动电路是为了直流电机而设计的一种常见电路，它主要实现直流电机的正反向驱动，其典型电路形式如右图4—9H桥所示：
图4—9H桥
（1）开关 S1、S4接通，电机为正向转动；
（2）开关S2、S3接通时，直流电机将反向转动；
（3）刹车——将B 、D开关（或A、C）接通，则电机惯性转动产生的电势将被短路，形成阻碍运动的反电势，形成“刹车”作用；
（4）惰行——4个开关全部断开，则电机惯性所产生的电势将无法形成电路，从而也就不会产生阻碍运动的反电势，电机将惯性转动较长时间。

4.6.3 驱动电路的设计
由于从单片机出来的信号太小，不能驱动电动机正常运转，所以在单片机与电动机之间添加一个驱动电路。

如图4—9驱动电路所示。

采用专用芯片LM298作为电机驱动芯片。

LM298采用由达林顿管组成的H型PWM电路。

其中，M1、M2是直流电动机，VD4～VD11是整流二极管。

LM298的输入输出关系：使能控制端ENA接单片机的端口，当这个端口为高电平时，通过PWM信号输入端IN1和IN2可以控制电动机的正反转和速度（输入端IN1为PWM信号，输入端IN2为低电平，电动机正传；输入端IN2为PWM信号，输入端IN1为低电平，电动机反转）；当它为低电平时，驱动电桥上的4个晶体管全部截止，使正在运行的电动机电枢电流反向，电动机自由停止。

该驱动电路的工作过程是，单片机的两个PWM输出口P1.0和P1.2分别用于控制左右两个直流电机，分别连到LM298的IN1和IN3两个输入端，主要用来控制电机的转速。

P1.1和P1.3是控制电机的正反转的，分别连在LM298的IN2和IN4两个输入端。

这样，就可以实现LM298输出端对电机的控制了。

图4—9驱动电路。