单片机的智能机器人小车的设计
目录
引言 1
一、概述 2
（一）机器人的定义和发展 2
（二）单片机的组成和分类 2
二、小车机械结构 3
（一）整体分析 3
（二）框架结构的设计 3
（三）驱动结构的设计 4
（四）检测结构的设计 5
三、小车控制结构 6
（一）控制器 6
（二）AVR单片机 7
（三）AVR单片机的特点 7
四、小车的调试 7
（一）调试的一般步骤 7
（二）舵机的调试 7
（三）电机的调试 8
（四）传感器的调试 8
（五）调试时的注意事项 8
五、小车的程序 9
（一）NorthStar编程环境 9
（二）推棋子程序 9
（三）推重物程序 10
总结 12
致谢 13
参考文献 14
附录 15
引言
机器人是一种自动执行工作的装置，它可以听从人类指挥，也可执行预先编排的程序，还可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。机器人的工作是协助或者替代人类的工作，本次设计所介绍的机器人小车，就是为了更加熟悉机器人的构造和机器人的控制方法、调试方法，也是为了锻炼自我创新的能力。
小车一共有两部分组成，硬件和软件。小车搭建时，以作为小车四肢的直流电机为基础，电机安装在一块主板上，再以此主板为根基，进行四周水平方向的传感器的搭建，接着在不超出比赛规定的尺寸范围内进行小车外部保护框架的搭建，其中包括小车前铲和钳子的搭建，接着还有四个检测边缘的传感器的搭建。软件就是写好程序之后一 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
遍又一遍的调试，一遍又一遍的修改。本次设计选用ATmega128单片机作为主处理器，它具有运行速度快，操作简单等优点，它和传感器系统一起保证了小车的反应速度。使用了直流电机而非舵机作为轮子，首先舵机的功率太小，在擂台上没有优势，其次电机的机械性能也比舵机好很多。而且用于检测小车是否到达擂台边缘的传感器的位置，也是花费了好长时间才确定下来。小车自动运行的原理是提前将程序输入控制器里保存，然后单片机下达指令，电机和舵机做出动作。
一、概述
（一）机器人的定义和发展
1.机器人的定义
恩格尔伯格先生被誉为世界机器人之父，他认为，虽然机器人目前还没有准确的定义，但有一点可以确定，机器人不一定像人，但能代替人的工作。
2.机器人的发展
在1921年捷克斯洛伐克剧作家恰佩克在他的幻想剧《罗萨目万能机器人公司》中塑造了一位诚实勤劳的机器人名叫罗伯特，此后robot成为了国际公认的机器人代名词；在1954年真正意义上的机器人被创造出来；再后来科技不断发展，人类不断把新鲜元素注入到机器人中，不仅给它加上了“四肢”，还赋予了它“感觉”，最重要的是给予了它“智慧”。
如今的机器人有如下三个特点：一是有类人的功能，比如说行走、感知等；二是根据人的编程可以自动工作；三是它最显著的特点即编程，通过编程它可以应对一切要求。
何为智能机器人？就是因为它有相当于“大脑”的单片机，智能机器人通过控制器才能与人类联系。最主要的是，机器人可以执行为达到目标而安排的动作。所以这种机器人才是真正意义上的机器人，虽然他们有着不同的外表，如图1-1所示的电脑鼠和机械手臂。
图1-1 电脑鼠和机械手臂
（二）单片机的组成和分类
1.单片机的组成
单片机就是制作在一块集成电路芯片上的计算机。单片机包括中央处理器、用RAM构成的数据寄存器、用ROM构成的程序寄存器、定时器/计数器、各种输入/输出接口和时钟电路，可独立的进行工作。他们通过控制总线、数据总线和地址总线连接，通过输入/输出口与外部设备及外围芯片相连。
2.单片机的分类
按单片机机器字长分：4位（很少用），8位，16位，32位
按单片机内核可分为：MCS51、AVR、PIC、MSP、HT、ARM等等
按单片机生产厂商分：Motorola、Microchip、三星、富士通、Philips等
二、小车机械结构
（一）整体分析
机械部分的设计主要包括：框架部分、驱动部分和检测部分。每一部分的设计都很重要，都会对比赛的结果产生影响。首先对框架部分进行合理设计不仅有利于保护小车上的零部件，还有利于小车的进攻；然后电机功率的大小会影响机器人在擂台上的运动状态；最后传感器的灵敏度对机器人在场地上的灵活性和反应能力有直接影响。
（二）框架结构的设计
整个小车是以正方体为基本构架，是以一块主板为基础搭建起来的。当然要想小车能动起来，必须要在这块主板下面装上轮子，然后就要把控制器装上去，接着就是搭建小车的整个框架，原则是巩固小车的稳定性，调节小车比重，以及保护传感器。要想把棋子和重物推出场地，最好在小车前端安装一个类似于铲子的结构如图2-1所示。
图2-1 小车的前铲和钳子
本设计采用一块被截掉三分之一的主板，再通过螺丝把两个1*2和一个1*1的结构件组合起来，再与另外一块主板连接而成。铲子放下时，与地面成45°角，重物受到重力，小车在推重物时，重物会与地面产生摩擦力，阻碍小车的运动。加了铲子小车就容易铲起重物的一端，这样小车所受的重力就会被分解。一部分力仍为产生阻碍小车运动的摩擦力，另一部分则加在小车上，使小车所受竖直方向的力增大，这样就相当于增加小车所受重力，随之小车轮子与地面摩擦力也将增加，在直流电机功率一定的情况下，小车速度降低，扭矩输出增大，更容易将重物移除。小车四周还布置了各种用连接件连接起来的结构件，这是为了增加小车的稳定性，提高小车的刚性强度；也是为了增加小车的抗打击能力，还为了方便传感器的安装。例如小车右侧的传感器被藏进舵机壳中，就是为了防止传感器收到撞击而影响小车的灵敏度。
（三）驱动结构的设计
驱动部分需要四个直流电机，分别装在四个轮子内侧，固定在主板上。还用到了六个数字舵机，其中两个舵机是用来控制前面的大铲子的抬起与落下，如图2-2所示；另外两个用来控制最前面的的一对大钳子的收起与展开；另外在小车的尾部还分布有两个舵机，这是为了配重，提高小车的稳定性。
图2-2 电机和舵机
1.舵机
本设计采用的CDS5516数字舵机，其标准统一，控制比较简单，只需要一个IO口就能进行控制，而且价格低廉，运行速度比较快。机器人舵机具有自动记录位置、速度等参数的功能，并且舵机的位置可以由操作者自行控制。设置参数后不需要再观察角度是否到位以及参数是否合适。由于在实际比赛中，对小车的投影尺寸有限制，但是比赛开始以后，可以随意变形（不可以人工遥控）。为了小车在尺寸检测时过关，采用一对舵机控制铲子，另外一对舵机控制钳子的方法。于是在检测时它呈现的是如图2-3所示左侧的图片，铲子收到垂直方向，钳子也收到中间；而在场地上完全展开时，如图2-3右侧所示。由于在一次一次的试验中发现，只依靠铲子，无法把所有的棋子都推下擂台，或是因为小车旋转的角度不够，或是因为小车在前进过程中，由于棋子是圆形的而被推出铲子的范围，所以决定在铲子的前端，加上一对钳子。首先钳子张开的角度更大，辐射范围更广，弥补了转向不足的缺点，然后钳子有一定的宽度，这就能保证，只要棋子进入囊中，就可以把它推下擂台。
引言 1
一、概述 2
（一）机器人的定义和发展 2
（二）单片机的组成和分类 2
二、小车机械结构 3
（一）整体分析 3
（二）框架结构的设计 3
（三）驱动结构的设计 4
（四）检测结构的设计 5
三、小车控制结构 6
（一）控制器 6
（二）AVR单片机 7
（三）AVR单片机的特点 7
四、小车的调试 7
（一）调试的一般步骤 7
（二）舵机的调试 7
（三）电机的调试 8
（四）传感器的调试 8
（五）调试时的注意事项 8
五、小车的程序 9
（一）NorthStar编程环境 9
（二）推棋子程序 9
（三）推重物程序 10
总结 12
致谢 13
参考文献 14
附录 15
引言
机器人是一种自动执行工作的装置，它可以听从人类指挥，也可执行预先编排的程序，还可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。机器人的工作是协助或者替代人类的工作，本次设计所介绍的机器人小车，就是为了更加熟悉机器人的构造和机器人的控制方法、调试方法，也是为了锻炼自我创新的能力。
小车一共有两部分组成，硬件和软件。小车搭建时，以作为小车四肢的直流电机为基础，电机安装在一块主板上，再以此主板为根基，进行四周水平方向的传感器的搭建，接着在不超出比赛规定的尺寸范围内进行小车外部保护框架的搭建，其中包括小车前铲和钳子的搭建，接着还有四个检测边缘的传感器的搭建。软件就是写好程序之后一 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
遍又一遍的调试，一遍又一遍的修改。本次设计选用ATmega128单片机作为主处理器，它具有运行速度快，操作简单等优点，它和传感器系统一起保证了小车的反应速度。使用了直流电机而非舵机作为轮子，首先舵机的功率太小，在擂台上没有优势，其次电机的机械性能也比舵机好很多。而且用于检测小车是否到达擂台边缘的传感器的位置，也是花费了好长时间才确定下来。小车自动运行的原理是提前将程序输入控制器里保存，然后单片机下达指令，电机和舵机做出动作。
一、概述
（一）机器人的定义和发展
1.机器人的定义
恩格尔伯格先生被誉为世界机器人之父，他认为，虽然机器人目前还没有准确的定义，但有一点可以确定，机器人不一定像人，但能代替人的工作。
2.机器人的发展
在1921年捷克斯洛伐克剧作家恰佩克在他的幻想剧《罗萨目万能机器人公司》中塑造了一位诚实勤劳的机器人名叫罗伯特，此后robot成为了国际公认的机器人代名词；在1954年真正意义上的机器人被创造出来；再后来科技不断发展，人类不断把新鲜元素注入到机器人中，不仅给它加上了“四肢”，还赋予了它“感觉”，最重要的是给予了它“智慧”。
如今的机器人有如下三个特点：一是有类人的功能，比如说行走、感知等；二是根据人的编程可以自动工作；三是它最显著的特点即编程，通过编程它可以应对一切要求。
何为智能机器人？就是因为它有相当于“大脑”的单片机，智能机器人通过控制器才能与人类联系。最主要的是，机器人可以执行为达到目标而安排的动作。所以这种机器人才是真正意义上的机器人，虽然他们有着不同的外表，如图1-1所示的电脑鼠和机械手臂。
图1-1 电脑鼠和机械手臂
（二）单片机的组成和分类
1.单片机的组成
单片机就是制作在一块集成电路芯片上的计算机。单片机包括中央处理器、用RAM构成的数据寄存器、用ROM构成的程序寄存器、定时器/计数器、各种输入/输出接口和时钟电路，可独立的进行工作。他们通过控制总线、数据总线和地址总线连接，通过输入/输出口与外部设备及外围芯片相连。
2.单片机的分类
按单片机机器字长分：4位（很少用），8位，16位，32位
按单片机内核可分为：MCS51、AVR、PIC、MSP、HT、ARM等等
按单片机生产厂商分：Motorola、Microchip、三星、富士通、Philips等
二、小车机械结构
（一）整体分析
机械部分的设计主要包括：框架部分、驱动部分和检测部分。每一部分的设计都很重要，都会对比赛的结果产生影响。首先对框架部分进行合理设计不仅有利于保护小车上的零部件，还有利于小车的进攻；然后电机功率的大小会影响机器人在擂台上的运动状态；最后传感器的灵敏度对机器人在场地上的灵活性和反应能力有直接影响。
（二）框架结构的设计
整个小车是以正方体为基本构架，是以一块主板为基础搭建起来的。当然要想小车能动起来，必须要在这块主板下面装上轮子，然后就要把控制器装上去，接着就是搭建小车的整个框架，原则是巩固小车的稳定性，调节小车比重，以及保护传感器。要想把棋子和重物推出场地，最好在小车前端安装一个类似于铲子的结构如图2-1所示。
图2-1 小车的前铲和钳子
本设计采用一块被截掉三分之一的主板，再通过螺丝把两个1*2和一个1*1的结构件组合起来，再与另外一块主板连接而成。铲子放下时，与地面成45°角，重物受到重力，小车在推重物时，重物会与地面产生摩擦力，阻碍小车的运动。加了铲子小车就容易铲起重物的一端，这样小车所受的重力就会被分解。一部分力仍为产生阻碍小车运动的摩擦力，另一部分则加在小车上，使小车所受竖直方向的力增大，这样就相当于增加小车所受重力，随之小车轮子与地面摩擦力也将增加，在直流电机功率一定的情况下，小车速度降低，扭矩输出增大，更容易将重物移除。小车四周还布置了各种用连接件连接起来的结构件，这是为了增加小车的稳定性，提高小车的刚性强度；也是为了增加小车的抗打击能力，还为了方便传感器的安装。例如小车右侧的传感器被藏进舵机壳中，就是为了防止传感器收到撞击而影响小车的灵敏度。
（三）驱动结构的设计
驱动部分需要四个直流电机，分别装在四个轮子内侧，固定在主板上。还用到了六个数字舵机，其中两个舵机是用来控制前面的大铲子的抬起与落下，如图2-2所示；另外两个用来控制最前面的的一对大钳子的收起与展开；另外在小车的尾部还分布有两个舵机，这是为了配重，提高小车的稳定性。
图2-2 电机和舵机
1.舵机
本设计采用的CDS5516数字舵机，其标准统一，控制比较简单，只需要一个IO口就能进行控制，而且价格低廉，运行速度比较快。机器人舵机具有自动记录位置、速度等参数的功能，并且舵机的位置可以由操作者自行控制。设置参数后不需要再观察角度是否到位以及参数是否合适。由于在实际比赛中，对小车的投影尺寸有限制，但是比赛开始以后，可以随意变形（不可以人工遥控）。为了小车在尺寸检测时过关，采用一对舵机控制铲子，另外一对舵机控制钳子的方法。于是在检测时它呈现的是如图2-3所示左侧的图片，铲子收到垂直方向，钳子也收到中间；而在场地上完全展开时，如图2-3右侧所示。由于在一次一次的试验中发现，只依靠铲子，无法把所有的棋子都推下擂台，或是因为小车旋转的角度不够，或是因为小车在前进过程中，由于棋子是圆形的而被推出铲子的范围，所以决定在铲子的前端，加上一对钳子。首先钳子张开的角度更大，辐射范围更广，弥补了转向不足的缺点，然后钳子有一定的宽度，这就能保证，只要棋子进入囊中，就可以把它推下擂台。
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