摘 要
随着社会发展和科技进步，机器人在当前生产生活中得到了越来越广泛的应用。尤其是一种具有道路记忆功能、使用灵活方便、应用范围较广的轮式移动机器人。本研究是一种基于瑞萨H8单片机的自循迹轮式智能车的设计与实现，研究具有人类认知机理的环境感知、信息融合、规划与决策、智能控制等理论与方法，本文所述的智能车控制系统可以分为两个大的子控制系统，它们分别是方向控制系统和速度控制系统。其核心控制单元为瑞萨公司H8 系列8位单片机H8/3048F-ONE，系统采用反射式红外传感器检测赛道白线，在运行过程中能够识别赛道的不同情况，并能够根据信息反馈即时控制智能车的方向和速度，在预定的路径上进行快速移动。智能车的设计要达到竞速和巡线的目的，竞速环节主要包括动力提供，速度控制两部分；巡线环节包括路面信息，转向控制两部分。通过对智能车运动模型的建立与分析，本文详细阐述了方向控制系统与速度控制系统等重要控制系统的实现方法，使智能车能够完整通过直道、弯道、坡道和换道的过程，快速稳定的寻白线行驶。
关键词： H8单片机 自循迹 运动模型 控制系统
I
Abstract
With the social development and scientific and technological progress, Robot in the current production and life has been more widely used. In particular, the wheeled mobile robotis with memory function, used of flexible, wide range of application.This study is based on Renesas H8 MCU wheeled self-tracking design and realization of intelligent vehicle, Research of the theories and methods about environmental perception, information fusion, planning and decision-making and intelligent control which like Mechanism of human cognition. This intelligent vehicle control system described can be divided into two major sub-control system, They are the direction and speed control system. The core control unit for the Renesas H8 series of 8-bit microcontroller H8/3048F-ONE. System uses infrared sensors to detect track reflective white lines, during operation to identify the different circumstances circuit. And according to the feedback control the direction and speed of smart cars real-time. Fast moving on the predetermined path. Intelligent vehicle design to achieve the purpose of racing and the transmission line. Racing links include power provided and Speed control; Transmission line links including road information and steering control. Through the movement modeling and analysis on smart vehicle. This paper describes the direction and speed control system and other important realization. So the intelligent vehicle can through the straight, curved, ramp and lane changing process. Fast and stable searching the white lane.
Key words： H8MCU self-tracking motion model control system
II
目 录
摘要 ....................................................................................................................................... I Abstract .................................................................................................................................................. II 绪论 ...................................................................................................................................... 1 1 课题要求及总体设计方案 ............................................................................................ 2 1.1 课题要求 ..................................................................................................................................... 2 1.2 课题主要内容及设计方案 ..................................................................................................... 2 1.2.1 课题主要内容 ....................................................................................................................... 2 1.2.2 总体设计方案 ....................................................................................................................... 2 2 系统硬件设计及实现 .................................................................................................... 4 2.1 硬件组成及各部分作用 ......................................................................................................... 4 2.2 舵机的工作原理及驱动 ......................................................................................................... 5 2.2.1 舵机的工作原理 ................................................................................................................... 5 2.2.2 舵机的驱动 ............................................................................................................................ 6 2.2.3 舵机的标定和修正 .............................................................................................................. 7 2.3 传感器的工作原理及控制 ..................................................................................................... 8 2.3.1 传感器的工作原理 .............................................................................................................. 8 2.3.2 传感器的采集及处理 ......................................................................................................... 8 2.4 电机的工作原理及驱动 ......................................................................................................... 9 2.4.1 电机的选择 ............................................................................................................................ 9 2.4.2 电机的工作原理 ................................................................................................................ 10 2.4.3 电机驱动 ............................................................................................................................. 10 2.5 车体结构 ................................................................................................................................... 11 2.5.1 硬件电路板的功能需求分析 .......................................................................................... 11 2.5.2 结构需求分析 .................................................................................................................... 12 2.5.3 赛道基本要求 .................................................................................................................... 14 3 系统软件设计 .............................................................................................................. 15
III
3.1 智能车的数学模型及其控制算法的实现目标 .............................................................. 16 3.2 方向计算算法 ......................................................................................................................... 16 3.2.1 弯道处理 ............................................................................................................................. 16 3.2.2 换道处理 ............................................................................................................................. 17 3.2.3 坡道处理 ............................................................................................................................. 17 3.2.4 过渡处理部分 .................................................................................................................... 17 3.3 方向控制算法 ......................................................................................................................... 18 3.4 速度控制算法 ......................................................................................................................... 20 3.4.1 赛道分析 ............................................................................................................................. 20 3.4.2 行驶策略 ............................................................................................................................. 20 3.4.3 速度给定算法 .................................................................................................................... 21 3.4.4 速度闭环 ............................................................................................................................. 21 4 智能车调试与注意事项 .............................................................................................. 22 4.1 智能车的硬件调试 ................................................................................................................ 22 4.2 系统的软件调试 .................................................................................................................... 22 4.2.1 单元调试 ............................................................................................................................. 22 4.2.2 系统的组装调试 ................................................................................................................ 22 4.2.3 系统调试 ............................................................................................................................. 22 4.3 注意事项 .................................................................................................................................. 23 结论 .................................................................................................................................... 24 致谢 .................................................................................................................................... 25 参考文献 ............................................................................................................................ 26 附录 .................................................................................................................................... 27
IV
绪 论
智能机器人具有识别、推理、规划和学习等智能机制，它可以把感知和行动智能
化结合起来，因此能在非特定的环境下作业。智能化机器人具有感知功能与识别、判断及规划功能。而感知本身，就是人类和动物所具有的低级智能。因此机器人的智能分为两个层次：具有感觉、识别、理解、和判断功能；具有总结经验和学习的功能。
随着社会进步的步伐日益加快，对自动化的需求正在从制造业向工程、社会、生活等广泛领域扩展。原来在工厂结构化环境下工作的自动化机器或工业机器人，适合于大规模、较少柔性和变动的生产环境，对智能程度并无过高要求，而在广泛领域内所需的自动机器，则要满足不同的非结构环境下的不同需求，必须具有综合集成和自主的能力，向以技术集成为特征的智能机器人发展。
信息技术需要载体，用信息化改造传统工业和各行各业，最后都要落实到用自动机器去完成信息的物化，机器人就是其载体之一。另一方面，信息技术的发展，特别是高性能计算机、通讯网络和电子器件、模式识别和信号处理、软件等技术的进展，又可促进机器人本身‘智力’和‘体质’的增强，为机器人向智能化、多样化发展创造条件，机器人技术与信息技术的这种互动发展在信息技术飞速发展的今天更为突出，这种机器人的高科技含量不断得到提升，始终处于高科技的前沿。
机器人由于本身具有无限的想像空间，历来是概念创新、技术创新的源泉，可根据需要设想出具有对应功能的智能机器人，而且这种想象空间由低到高，永无止境。当前，由于自动化的概念正在急速向广泛领域扩展，而信息技术的发展又极大的提高了机器人的在智能程度，使这种想象空间的扩展有了需求和实现的可能，从而会更加激励围绕机器人的概念创新和技术创新，并蕴含着产生各种竞争前核心技术的可能性，从而必然是国际科技创新的重要竞争点。
[1]
未来的智能机器人技术将沿着自主性、智能通信和适应性三个方向发展。本课题主要是研究在瑞萨单片机Renesas H8/3048F-ONE MCU作为控制单元，RY3048F-ONE作为底板的基础上进行自循迹轮式移动机器人控制系统设计。
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