1 课题要求及总体设计方案
1.1 课题要求
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。此次设计是针对一种具有道路识别功能、使用灵活方便、应用范围较广的轮式移动机器人。该模型由四轮驱动，运行过程中能够自动识别路径，并由电机、舵机、红外传感器及编码器协调控制速度和方向。
1.2 课题主要内容及设计方案
1.2.1 课题主要内容
本课题的主要内容是设计并制作一个具备自循迹功能的四轮移动机器人，在预
定的路径上进行快速移动。在不移动预定路径的前提条件下能够快速稳定地从起点到终点的运动控制，速度能够达到2m/s。具体技术要求如下： （1） 采用Renesas H8/3048F-ONE MCU作为主版微控制单元。
（2） 电源采用5号碱性电池或者5号（镍氢、镍镉、锂电子等）充电电池来 充当电源，数量不可超过8节。
（3） 轮式机器人的外形尺寸要控制在：宽300mm、高150mm以内。
（4） 识别的路径表面，由黑白灰三色组成。由内至外为：白色中心线宽20mm、 两侧灰线宽10mm、外侧黑色宽100mm、最外侧的路肩白线宽30mm。 （5） 路径由直道、弯道、连续S弯、直角弯、变道、坡道等构成。 1.2.2 总体设计方案
本设计最终实现的是一个自循迹轮式机器人，设计采用Renesas公司的8位单片机H8/3048F-ONE为核心控制器，由电源模块、路径识别模块、车速检测模块、转向控制模块和电机驱动模块组成。
为处理好决策与运动控制之间的关系，采用了三级控制的策略，即将控制系统分为组织级、协调级和执行级对机器人进行控制。组织级根据传感器提供的信息，对机器人自身状态和所处环境进行分析，运算后给出机器人的运动规划；协调级根据组织级发出的动作指令，结合机器人自身的运动特性、电机特性及码盘信息，向执行级发出指令和数据；执行级则根据协调级输出的期望值驱动电机工作，完成机
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器人的行走与动作控制。组织级的软件设计包括硬件初始化、传感信号的采集与处理、系统状态判断、运动决策等；协调级的软件则包括码盘信号的处理及速度控制等。在组织级采用了模糊控制的策略,协调级则采用PID算法对驱动电机进行速度控制。
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智能车控制系统总体结构如图1-1所示；智能车安装包括电池部分的安装，舵机的安装，传感器的安装以及车速检测模块的安装，智能车结构如图1-2所示。
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图1-1 智能车控制系统总体结构
图1-2 模型车结构示意图
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2 系统硬件设计及实现
2.1 硬件组成及各部分作用
机器人的系统硬件主要包括单片机、运动控制芯片、传感器、直流电机、舵机及编码器。单片机主要对传感器检测的各种信息进行处理并按照程序对其他外围器件进行协调控制，运动控制芯片则根据编码器的反馈信息专门对驱动电机进行精确控制。
单片机：采用瑞萨8位单片机H8/3048F-ONE为控制核心芯片，其主要特点是片内硬件资源非常丰富、高速、低耗、大容量、易于拓展、支持C语言编程，H8/3048 系列特别适合电池供电设备的使用。是主控制模块的主要器件，可以利用PWM模块产生PWM调制信号来控制电机和舵机，通过A/D 转换器获取位置传感器的信息和车速传感器的信息。
电源：电源是电源模块的构成，是一个系统正常工作的基础，因此电源的设计至关重要。智能车中接受供电的部分包括：路径识别模块、转向舵机模块、电机驱动模块、车速检测模块。寻迹智能车使用8节5号2000mAh 充电电池作为系统主电源。由于系统各模块所需电压和电流容量不同，因此需要通过不同的DC-DC 转换电路实现电压调节。为防止电机和舵机等大功率器件在反复启动状态下对系统产生干扰，主要功能模块均采用单独供电。微控制器的工作电压由LM2940稳定在5V，舵机的工作电压由可调集成稳压器LM350调节在6V，而驱动电机电源为电池组电压。 传感器：智能车路径识别模块的设计是整个智能车设计中的重要的一部分,而此部分就是靠传感器来实现，其作用相当于人的眼睛和耳朵。考虑到要使车辆的行驶过程稳定，寻迹智能车采用8对反射式红外传感器作为路径识别元件。每对传感器由红外发射管和红外接收管组成，水平均匀分布在智能车前部的传感器板上,传感器间距约为20mm 。系统针对红外路径识别前瞻能力较弱的缺点，将传感器板前伸至距车头30cm 处，使得智能车的“预判”性能大大增强。这样不仅能保证车有足够的前瞻性，还可以牢牢“钳”住白线，使车在跑直线时快速平稳，不会摇晃。 编码器：车速的检测是对车速进行闭环控制的基础，直接影响到将来控制的效果。本设计采用的是在后轴中点位置再增设一个均匀分布有黑白条纹的编码盘的测速轮的方法，根据光电反射原理，在车轮转动时，红外接收管接收到反射光强弱高
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低变化，通过A/D传感器将车速信息传递到单片机相应接口。车速检测模块检测模型车在前进和后退不同行驶方向时速度的大小和方向。
舵机：转向控制系统中最重要的部分就是舵机。舵机的主要作用是控制智能车的转向，其过程是单片机首先通过A/D转换器将传感器采集的路面信息进行处理，再通过PWM技术对智能车的舵机进行适时的控制。本文所述的智能车采用较为独特的前轴转向方式，将舵机输出盘固定在智能车前轴的中点上，利用舵机转动带动智能车转向。智能车舵机的转向是由PWM 来控制的，当红外传感器检测到的信号满足舵机脉冲占空比要求时，舵机就会使前轮转动一定的角度，8个红外传感器在智能车前对称排开。舵机对每个传感器做出的反应也是不一样的，中间的起到正舵的作用是使智能车沿着跑道行驶，越靠近对称轴的传感器要求智能车的转向角度越小，越远离对称轴的传感器要求智能车的转向角度越大。
电机：寻迹智能车采用四轮驱动方式，由四个RC-260 型直流电机分别对每个车轮进行独立驱动。在智能车行驶的过程中，由于四个车轮能够同时提供抓地力，因此智能车的动力性和行驶稳定性得到大大增强。对于电机的控制采用了基于“H”桥驱动电路的PWM 控制。电机驱动模块选用大功率场效应晶体管IRL3803 作为H 桥开关元件。经测试，当IRL3803 的栅源电压VGS 为16V 时，其导通电阻仅有6mΩ左右，因此可以管压降显著降低，电机的驱动功率得到有效提高。系统对电机采用全桥驱动，因此可以在智能车速度过快时对电机实施反向制动，从而迅速降低车速。实验证明，当智能车车速由70%降至40%时（PWM 占空比），采用全桥驱动方式，电机响应时间仅为0.2s 左右，减速效果十分显著。
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2.2 舵机的工作原理及驱动
2.2.1 舵机的工作原理
舵机简单的说就是集成了直流电机、电机控制器和减速器等，并封装在一个便于安装的外壳里的伺服单元。能够利用简单的输入信号比较精确的转动给定角度的电机系统。舵机的主体结构主要有以下几个部分：外壳、减速齿轮组、电机、电位器、控制电路。
舵机的工作原理是：PWM信号由接收通道进入信号解调电路进行解调，获得一个直流偏置电压。该直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出送入电机驱
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动集成电路，以驱动电机正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转直到电压差为O，电机停止转动。舵机的控制信号是PWM信号，利用占空比的变化改变舵机的位置。减速齿轮组是由马达驱动，其终端(输出端)带动一个线性的比例电位器作位置检测，该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给控制线路板，控制线路板将其与输入的控制脉冲信号比较，产生调整脉冲，并驱动马达正向或反向地转动，使齿轮组的输出位置与期望值相符，将调整脉冲趋于为0，从而达到使舵机精确定位的目的。典型20ms周期性脉冲的正脉冲宽度与舵机的输出轴转角关系如图 2-1所示。舵机的原理如图2-2所示。
图2-1 舵机输出轴转角与输入信号脉冲宽度的关系
比例电压
图2-2 舵机的原理图
2.2.2 舵机的驱动
本方案采用单片机产生PWM来达到对舵机的控制，PWM(Pulse Width Modulation)是脉冲宽度调制的英文缩写，利用大功率晶体管的开关作用，将恒定的直流电源电压变成一定频率的方波电压，并加在直流电机的电枢上，通过对脉冲宽
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