自动搬运小车的设计Word格式文档下载.docx
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从那以后,研究者们发展了众多理论和原理,人工智能的概念也随之扩展。
人工智能是一门极富挑战性的科学,从事这项工作的人必须懂得计算机知识,心理学和哲学。
人工智能是包括十分广泛的科学,它由不同的领域组成,如机器学习,计算机视觉等等,总的说来,人工智能研究的一个主要目标是使机器能够胜任一些通常需要人类智能才能完成的复杂工作。
但不同的时代、不同的人对这种“复杂工作”的理解是不同的。
例如繁重的科学和工程计算本来是要人脑来承担的,现在计算机不但能完成这种计算,而且能够比人脑做得更快、更准确,因之当代人已不再把这种计算看作是“需要人类智能才能完成的复杂任务”,可见复杂工作的定义是随着时代的发展和技术的进步而变化的,人工智能这门科学的具体目标也自然随着时代的变化而发展。
它一方面不断获得新的进展,一方面又转向更有意义、更加困难的目标。
目前能够用来研究人工智能的主要物质手段以及能够实现人工智能技术的机器就是计算机,人工智能的发展历史是和计算机科学与技术的发展史联系在一起的。
除了计算机科学以外,人工智能还涉及信息论、控制论、自动化、仿生学、生物学、心理学、数理逻辑、语言学、医学和哲学等多门学科。
人工智能学科研究的主要内容包括:
知识表示、自动推理和搜索方法、机器学习和知识获取、知识处理系统、自然语言理解、计算机视觉、智能机器人、自动程序设计等方面。
智能机器人根据其智能程度的不同,又可分为三种:
传感型机器人:
又称外部受控机器人。
机器人的本体上没有智能单元只有执行机构和感应机构,它具有利用传感信息(包括视觉、听觉、触觉、接近觉、力觉和红外、超声及激光等)进行传感信息处理、实现控制与操作的能力。
受控于外部计算机,在外部计算机上具有智能处理单元,处理由受控机器人采集的各种信息以及机器人本身的各种姿态和轨迹等信息,然后发出控制指令指挥机器人的动作。
目前机器人世界杯的小型组比赛使用的机器人就属于这样的类型。
交互型机器人:
机器人通过计算机系统与操作员或程序员进行人-机对话,实现对机器人的控制与操作。
虽然具有了部分处理和决策功能,能够独立地实现一些诸如轨迹规划、简单的避障等功能,但是还要受到外部的控制。
自主型机器人:
在设计制作之后,机器人无需人的干预,能够在各种环境下自动完成各项拟人任务。
自主型机器人的本体上具有感知、处理、决策、执行等模块,可以就像一个自主的人一样独立地活动和处理问题。
机器人世界杯的中型组比赛中使用的机器人就属于这一类型。
全自主移动机器人的最重要的特点在于它的自主性和适应性,自主性是指它可以在一定的环境中,不依赖任何外部控制,完全自主地执行一定的任务。
适应性是指它可以实时识别和测量周围的物体,根据环境的变化,调节自身的参数,调整动作策略以及处理紧急情况。
交互性也是自主机器人的一个重要特点,机器人可以与人、与外部环境以及与其他机器人之间进行信息的交流。
由于全自主移动机器人涉及诸如驱动器控制、传感器数据融合、图像处理、模式识别、神经网络等许多方面的研究,所以能够综合反映一个国家在制造业和人工智能等方面的水平。
因此,许多国家都非常重视全自主移动机器人的研究。
智能机器人的研究从60年代初开始,经过几十年的发展,目前,基于感觉控制的智能机器人(又称第二代机器人)已达到实际应用阶段,基于知识控制的智能机器人(又称自主机器人或下一代机器人)也取得较大进展,已研制出多种样机。
自动搬运车是一种无人操纵的物料搬运设备,是自动化工厂重要的运输工具之一。
随着全球经济的飞速发展,现代化生产观念日益受到企业的重视,这也为无人搬运车产业的发展提供了契机。
自动搬运车是以微控制器为控制核心、蓄电池为动力、装有非接触导引装置的无人驾驶自动导引运载车,其自动作业的基本功能是导向行驶、认址停准和移交载荷。
作为当代物流处理自动化的有效手段和柔性制造系统的关键设备,无人搬运车已经得到了越来越广泛的应用,对无人搬运车的研究也具有十分重要的理论意义和现实意义。
同时要检测道路需要传感器的帮助。
随着科学技术的发展,传感器种类越来越多,其中视觉传感器成为自动行走和驾驶的重要部件。
视觉传感器的典型应用领域为自主式智能导航系统,对于视觉的各种技术而言图像处理技术已相当发达,而基于图像的理解技术还很落后,机器视觉需要通过大量的运算也只能识别一些结构化环境简单的目标。
视觉传感器的核心器件是摄像管或CCD,但其价格、体积和使用方式上并不占优势,因此在不要求清晰图像只需要粗略感觉的系统中考虑使用红外接近传感器是一种实用有效的方法。
1.2设计任务与要求
本课题是结合科研项目而确定的设计类课题。
主要设计任务是完成小车的自动循迹,取物功能。
要求小车能够在无人操作状态下自动行驶到A后能够检测是否有铁片,并自动取物后小车行驶到B点放下铁片。
当没有铁片时,小车能够自动行驶到C点停止。
在整个工作过程中,记录时间及铁片个数。
1.3本文内容安排
根据题目要求所设计系统主要由两部分组成,即硬件部分和软件部分。
硬件部分是围绕主控芯片AT89C51展开设计的硬件电路板,主要包括小车各个功能模块的硬件电路。
软件部分主要是对各个功能模块的编程,并通过专门的写入器下载到硬件部分的主控芯片中执行。
文章首先给出了无人搬运车系统的研究背景和设计思想,然后给出了整个系统的硬件、软件的设计思路及实现方法,并对其中的技术要点进行深入的分析,最后将各个功能模块进行整合从而实现自动循迹取物功能。
2方案论证
通过对课题理解,可以初步拟定设计方案,并对该方案进行论证分析。
以下为具体的方案论证。
2.1系统工作
该课题研究的主要内容是围绕自动搬运展开的。
首先要自动搬运小车要实现自动寻迹功能,按照一定的轨迹行驶,从而使小车从任意一点出发到达A点,达到小车到达固定位置的要求。
然后在A点检测到货物,并自动拾起后按规定路线行驶到目标地点B后放下货物。
然后循环以上操作。
当在A点检测不到货物时,小车会自动行驶到一点C停靠,在这里货物用铁片来模拟。
在小车工作过程中,不需要任何人为操作。
当出现故障时,操作人员需要手动将系统复位。
同时,在工作过程中,还要自动记录下搬运数量及所用时间。
2.2方案设计
此次设计分为软件设计与硬件设计两部分。
单片机是整个小车的大脑,是整个小车运行的核心部件,起着控制小车所有运行状态的作用。
此次设计的主控芯片选择AT89C51,负责检测传感器的状态并控制电机。
其系统的原理框图,如图2.1所示。
图2.1原理框图
通过以上框图可以知道,首先小车完全是在自动的情况下工作,所以要采用AT89C51单片机作为整机的控制单元。
通过单片机的控制,使得小车完成各种功能。
而要达到小车自动循迹功能,和铁片探测功能就必须要检测黑带和识别铁片,所以选择正确的传感器是相当重要的。
而智能循迹是基于光电传感器实现小车寻找黑线,从而实现按轨迹行驶,并利用电感式接近开关探测铁片并用电磁铁将铁片捡起。
当没有铁片可以拾起时,通过软件程序控制则使小车要自动行驶到固定位置。
在整个工作过程中要通过LED数码管显示出拾起铁片的数量及时间。
同时,为了能够准确实现运行,及取物功能,所以可以采用图2.2所示程序流程图进行设计。
图2.2总程序流程图
通过对硬件方案和软件方案的介绍,可以初步设计出小车的运行轨迹,图2.3为小车搬运原理图具体实现。
图2.3小车搬运原理图
由上图可以看出,首先要在用黑带制作出的小车轨迹上分别用小灯放置在A,B,C三点,通过光敏电阻检测光源确定A,B,C点。
根据要求,A点为起始点,并且小车需要运输的货物也放在A点。
小车行驶到B后,需要把货物卸下,然后再行驶回A点。
当A点没有货物可以取的时候,小车行驶到C后停止。
3硬件设计
为了能够实现小车的自动寻迹取物功能,则需要周密的考虑硬件选择问题。
可以说,在这个课题中每个部分都可以是独立实现的,所以在设计中,每个小部分上要充分实现题目要求。
只有这样才能够使整个课题所要求的效果得到充分展示。
3.1元器件选择
根据题目要求,知道小车主要实现的功能有自动循迹,检测物体及拾取,放下物体并检测固定地点,并且实现记录时间,数量。
则为完成以上功能,下面逐步介绍器件的选择。
3.1.1核心控制单元电路的选择
方案一:
采用数字逻辑电路制作,用IC拼凑焊接实现。
其特点是直接用现成的IC组合而成,简单方便,但由于使用的器件较多,连线复杂,体积大,功耗大,且灵活性不高,效率低,不利于小车智能化的扩展,对各路信号处理比较困难。
焊点和线路较多将使成品稳定度与精确度大打折扣。
方案二:
采用FPGA(现场可编程门列阵)技术。
FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能,规模大,密度高,利用EDA软件编程,下载烧制实现。
将所有器件集成在一块芯片上,体积大大减小的同时还提高了稳定性,并且可应用EDA软件仿真,调试,易于进行功能扩展,但是其成本高,芯片引脚较多,实物硬件电路板布线复杂,硬件制作难度较大。
方案三:
采用单片机AT89C51来作为整机的控制单元。
此系统比较灵活,采用软件方法来解决复杂的硬件电路部分,使系统硬件简洁化,各类功能易于实现,能很好地满足题目的要求。
基于以上分析拟定方案三。
正确选用单片机作为小车的核心控制单元,本设计的主控芯片选择AT89C51,负责检测传感器的状态并控制电机。
在这里也可以选用AT89C52,但AT89C52的E2prom是8K而此次设计系统只需要4K就能够完成设计需要所以选择AT89C51。
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压,高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器,为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
如图3.1所示。
图3.1AT89C51
如图3.2为AT89C51的引脚图。
图3.2AT89C51引脚图
下面简单介绍下AT89C51的各引脚的功能。
1)电源引脚
VCC:
外接+5V;
GND:
电源地线。
2)时钟引脚
XTAL1、XTAL2为内部振荡器的两条引出线。
3)控制引脚
(1)ALE/PROG:
地址锁存控制信号/编程脉冲输入端。
ALE:
在系统扩展时,ALE用于控制P0口输出的低8位地址锁存,以实现低8位地址和数据的隔离。
PROG:
在EEPROM或EPROM编程期间,该引脚用来输入一个编程脉冲。
(2)PSEN:
片外程序存储器读选通有效信号。
在CPU向片外程序存储器读取指令和常数时,每个机器周期PSEN两次低电平有效。
(3)EA/VPP:
访问程序存储器控制信号/编程电源输入端。
EA=0时,只访问片外程序存储器。
EA=1时,单片机访问片内程序存储器。
(4)RST/VPD:
复位/掉电保护信号输入端。
RST为复位信号输入端。
当RST保持两个机器周期的高电平时,可对单片机实现复位操作。
VPD为该引脚的第二功能,是作为内部备用电源的输入端。
4)I/O引脚
P0口(P0.0~P0.7):
8位双向并行I/O接口。
扩展外部存储器或I/O口时,作为低8位地址总线和8位数据线的分时复用接口,为双向三态。
P1口(P1.0~P1.7):
8位准双向并行I/O接口。
P2口(P2.0~P2.7):
扩展外部数据、程序存储器时,作为高8位地址输出端口。
P3口(P3.0~P3.7):
P3口除了具有通用I/O口的功能外,同时它的每一个引脚还具有第二功能。
:
(1)P3.0:
RXD(串行口输入端)
(2)P3.1:
TXD(串行口输出端)
(3)P3.2:
INT0(外部中断0请求输入端,低电平有效)
(4)P3.3:
INT1(外部中断1请求输入端,低电平有效)
(5)P3.4:
T0(定时器/计数器0计数脉冲输入端)
(6)P3.5:
T1(定时器/计数器1计数脉冲输入端)
(7)P3.6:
WR(外部数据存储器写选通信号输出端,低电平有效)
(8)P3.7:
RD(外部数据存储器读选通信号输出端,低电平有效)
3.1.2传感器的选择
根据要求,小车要能够自动沿轨迹行驶,在循迹时需要使用的传感器。
所以要了解传感器的种类,并选择出适合该课题的传感器。
目前各行业应用的传感器品种有很多,但没有一个统一的分类标准。
现在较为流行的分类方法有以下三种:
按输出信号的性质:
输出为开关量(“1”和"
0”或“开”和“关”)的开关型传感器;
输出为模拟型传感器;
输出为脉冲或代码的数字型传感器。
按工作原理分类:
电阻传感器、电容传感器、电感传感器、电压传感器、霍尔传感器、光电传感器、光栅传感器、热电偶传感器等。
按物理量分类:
位移传感器、力传感器、速度传感器、温度传感器、流量传感器、气体传感器等.
所以在黑带检测方面可以有以下三种方案。
采用热探测器。
热探测器是利用所接收到的红外辐射后,会引起温度的变化,温度的变化引起电信号输出,且输出的电信号与温度的变化成比例,温度变化是因为吸收热辐射能量引起的,与吸收红外辐射的波长没有关系,即对红外辐射吸收没有波长的选择。
但热探测器对其吸收的红外辐射波长没有选择性,受外界环境的影响比较大。
采用发光二极管发光,用光敏二极管接收。
由于光敏二极管受可见光的影响较大,稳定性差。
利用红外线发射管发射红外线,红外线二极管进行接收。
即利用红外线在不同颜色的物理表面具有不同的反射性质的特点。
在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光,当红外光遇到白色地面时发生漫发射,反射光被装在小车上的接收管接收;
如果遇到黑线则红外光被吸收,则小车上的接收管接收不到信号。
本方案也易于实现,比较可靠,因此采用方案三。
这里选用的是市面上常见的TCRT5000,如图3.3所示。
图3.3TRCT5000
TCRT5000是一种一体化反射型光电探测器,其发射器是一个砷化镓红外发光二极管,而接收器是一个高灵敏度,硅平面光电三极管。
采用TCRT5000完全可以有效的降低干扰,而且方便可行,能够准确的实施检测。
TCRT5000采用DIP4封装,其具有如下特点:
塑料透镜可以提高灵敏度。
内置可见光过滤器能减小离散光的影响。
体积小,结构紧凑。
且当发光二极管发出的光反射回来时,三极管导通输出低电平。
此光电对管调理电路简单,工作性能稳定。
3.1.3铁片检测及拾取的器件选择
物体检测方面,可以首先采用市面易购的电感式接近开关,本系统采用市面比较通用LJ12A3-4-Z/BX来完成铁片检测的任务。
虽然电感式接近开关占的体积大,对本系统是可以接受,且输出信号较可靠,受外界的干扰小;
但其输出高电平只有0.7V,所以应使用电压比较器与一个0.3V的电压进行比较,产生标准TTL电平信号,0.3V小电压可以使用普通电阻串联分压获得,稳定性较好。
电感式接近开关由三大部分组成:
振荡器、开关电路及放大输出电路。
振荡器产生一个交变磁场。
当金属目标接近这一磁场,并达到感应距离时,在金属目标内产生涡流,从而导致振荡衰减,以至停振。
振荡器振荡及停振的变化被后级放大电路处理并转换成开关信号,触发驱动控制器件,从而达到非接触式之检测目的。
在铁片拾取方面,选择控制简单,使用灵活的电磁铁。
3.1.4车体及驱动电路选择
对于小车车体的要求有以下两种选择。
第一,履带式小车,该小车的主体部分是两条履带,分别由两个主电动机驱动。
当两条履带的速度相同时小车实现前进或后退移动;
当两条履带的速度不同时,小车实现转向运动。
这种小车,性能好,稳定性高,但小车的成本偏高,不适于简单的题目。
第二,选用小车车体为三轮小车,小车采用两轮驱动,两轮各用一个直流电机执行,后轮为一万向轮。
这种小车所实现的效果完全能够达到题目要求,且价格便宜,所以选用这种小车。
根据方案要求,通过不断筛选,所选出的三轮小车如图3.4所示。
图3.4三轮小车
同时,在设计小车行驶时,使用L298N作为电机的驱动芯片。
L298N的内部包含4通道逻辑驱动电路。
可以方便的驱动两个直流电机,或一个两相步进电机。
如图3.5所示。
图3.5L298N
3.1.5显示器件的选择
根据课题要求,在方案设计中需要有显示部分,该部分的作用是,显示单次运货所用时间及所运货物的数量。
所以在选择显示部分所用器件时,有以下两种方案。
采用LCD显示,用单片机可实现显示数据,但显示亮度和字体大小在演示时不尽人意,价格也比较昂贵。
采用LED七段数码管,采用经典电路译码和驱动,电路结构简单,并且可以实现单片机I/O口的并用,显示效果直观,明亮,调试容易。
故采用LED数码管显示。
LED数码管分共阳极与共阴极两种,其工作特点是,当字段电极接低电平,公共阳极接高电平时,相应字段可以发光。
共阴极LED数码管则与之相反,它是将发光二极管的阴极(负极)短接后作为公共阴极。
当驱动信号为高电平、Ө端接低电平时,才能发光。
LED的输出光谱决定其发光颜色以及光辐射纯度,也反映出半导体材料的特性。
常见管芯材料有磷化镓(GaP)、砷化镓(GaAs)、磷砷化镓(GaAsP)、氮化镓(GaN)等,其中氮化镓可发蓝光。
发光颜色不仅与管芯材料有关,还与所掺杂质有关,因此用同一种管芯材料可以制成发出红、橙、黄、绿等不同颜色的数码管。
其他颜色LED数码管的光谱曲线形状与之相似,仅入,值不同。
LED数码管的产品中,以发红光、绿光的居多、这两种颜色也比较醒目。
LED数码管等效于多只具有发光性能的PN结。
当PN结导通时,依靠少数载流子的注人及随后的复合而辐射发光,其伏安特性与普通二极管相似。
在正向导通之前,正向电流近似于零,字段不发光。
当电压超过开启电压时,电流就急剧上升,字段发光。
因此,LED数码管属于电流控制型器件,其发光亮度L(单位是cd/m2)与正向电流IF有关,用公式表示:
式(3.1)
即亮度与正向电流成正比。
LED的正向电压U,则与正向电流以及管芯材料有关。
使用LED数码管时,工作电流一般选10mA左右/段,既保证亮度适中,又不会损坏器件。
在此次设计中,选用共阴极的四位数码管,从而显示搬运时间及个数。
如图3.6所示。
图3.6四位数码管
3.2各单元电路设计
通过以上器件的介绍及选择可以知道,此次课题所设计的系统主要需要的器件,并通过不断设计实现课题要求的功能。
下面具体介绍下器件引脚图或设计的电路原理图。
3.2.1传感器及调理电路的设计
在上一部分已经介绍了所选用的传感器为TCRT5000,为了把传感器连接到实物中,所以还要了解TCRT5000各个引脚的作用。
如图3.7所示,蓝色小灯为红外发射端,黑色小灯为红外接收端,而引脚1,2,3,4分别为:
Anode,Cathode,Colector,Emitter。
蓝灯黑灯
213
4
图3.7TCRT5000引脚图
在了解传感器引脚后,则就可以针对课题要求设计出检测黑带的电路,如图3.8所示。
VCC
10k10k10k
434343
121212
图3.8循迹电路图
通过以上的电路图,可以了解到,由发射管4发射的红外光线照射在地面上后,光线经反射后被接受管3接受。
传感器正常工作时,输出电平为高电平,当传感器接受不到反射信号时,则输出低电平,此时低电平信号会通过P3.5或P3.7输送给AT89C51单片机处理,从而判断执行哪一种预先编制的程序来控制小车的行驶状态。
红外传感器的安装位置如图3.9所示。
图3.9传感器安装位置
根据上图安装后,小车在行驶过程中,如果小车向右偏离轨迹,安装在左侧的传感器则接受不到反射光线,中间的红外传感器则能够接受到反射光线,此时进过程序控制,使得小车重新回到轨迹上行驶。
小车向左偏离时原理相同。
3.2.2小车运行位置确定电路的设计
为完成小车能够运行到固定位置的执行任务的要求,在这里选用光敏电阻来确定A,B,C三点。
本设计主要通过光敏电阻和单片机内部的A/D来完成。
当光敏电阻接收到不同强度
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