机电综合实验两轮智能移动机器人实验报告书
机电综合实验 之
机电一体化综合控制实验报告书
题 目：两轮智能移动机器人
实 验 者：
学 号：
班 级：
日 期：2013.12.29
目录
一、实验目的.............................................................................3
二、实验对象.............................................................................3
三、设计原理..............................................................................3
四、实验过程.............................................................................7
五、实验设备.............................................................................7
六、实验步骤及报告...................................................................7
1、实验前的安装调试..........................................................................7
2、小车按预定路线行走..............................................................................9
3、小车匀加速/减速运动..............................................................................11
4、小车触须避障..........................................................................................13
5、小车红外避障............................................................................................22
七、心得...................................................................................25
八、本实验对社会发展的影响...................................................26
一、实验目的
1、掌握机器人机械工作方式、触觉开关及红外导航工作原理，掌握机器人尾随行走所需的闭环控制算法
2、学会运用 C 语言初次编写少量的程序，运用编译器编译生成可执行文件，然后下载到单片机上，通过串口观察机器人上的单片机教学板的执行结果
二、设计对象
本项目是使用典型的机器人工程对象，采用STC8952单片机作为大脑，行走机构为两个车轮，采用伺服电机控制。触觉导航采用触觉开关，红外导航采用发射红外线遇障碍反射技术导航。
三、设计原理
运用STC8952单片机，采用C语言对其进行编程，控制机器人伺服电机以不同速度运动是通过让单片机输入、输出接口输出不同的脉冲序列来实现的。
如
控制机器人伺服电机以不同速度运动是通过让单片机的输入/输出（I/O）口输出不同的脉冲序列来实现的。51 系列单片机是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。使用 Atmel 公司高密度非 易失性存储器技术制造，与工业 80C51产品指令和引脚完 全兼容。片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash.
单片机各 I/O 接口的内部结构有关，而且每个 8 位并行 I/O 口的使用方式也不太一样。AT89S52 引脚如图所示，AT89S52 共有44 根引脚，其中 32 根是 I/O 端口引脚。在这 32 根引脚中，有29 根具备两种用途，既可作为I/O 端口，也可作为控制信号或地址及数据线。
机器人伺服电机控制信号
电机转速为零的控制信号时序图
图 1所示是高电平持续 1.5ms 低电平持续 20ms，然后不断重复的控制脉冲序列。该脉冲序列发给经过零点标定后的伺服电机，伺服电机不会旋转
程序段：
while(1)
{
P1_0=1; //P1_0输出高电平
delay_nus(1500); //延时1.5ms
P1_0=0; //P1_0输出低电平
delay_nus(20000); //延时20ms
}
图 2所示是高电平持续 1.3ms 低电平持续 20ms，然后不断重复的控制脉冲序列。该脉冲序列发给经过零点标定后的伺服电机，伺服电机顺时针全速旋转。
程序段：
while(1)
{
P1_0=1; //P1_0输出高电平
delay_nus(1300); //延时1.3ms
P1_0=0; //P1_0输出低电平
delay_nus(20000); //延时20ms
}
图 3所示是高电平持续 1.7ms 低电平持续 20ms，然后不断重复的控制脉冲序列。该脉冲序列发给经过零点标定后的伺服电机，伺服电机逆时针全速旋转。
程序段：
While（1）
{
P1_0=1; //P1_0输出高电平
delay_nus(1700); //延时1.7ms
P1_0=0; //P1_0输出低电平
delay_nus(20000); //延时20ms
}
从图 1、2和3可知，控制电机运动转速的是高电平持续的时间，当高电平持续时间为 1.3ms 时，电机顺时针全速旋转，当高电平持续时间1.7ms 时，电机逆时针速旋转。
四、实验内容
按时间顺序，实验主要有以下内容：
1、安装软件并调试，电机调零
2、基本巡航动作
3、让小车行走一定的形状（本次实验设计路线是一个“口”字）
4、完成简单触觉导航
5、实现红外导航避障
五、实验步骤及报告
（一）软件和硬件的安装调试
1、硬件连接
机器人大脑需要连接电源以便运行，同时也需要连接到PC机（或笔记本电脑）以便编程和交互。以上接线完成后，就可以用编辑器软件来对系统进行测试。
（1）串口的连接
机器人教学板通过串口电缆连接到PC
机（或笔记本电脑）上以便与用户交互。
（2）下载线的连接
机器人程序通过连接到PC机或者笔记本电脑的并口上的ISP下载线来下载到教学板上的单片机内。
（3）电池的安装
本实验机器人采用五号碱性电池给机器人电机和教学板供电，先检查机器人底部电池盒内是否已经装好电池，并是否有正常的电压输出。
2、软件部分
在本实验学习中，反复用到三款软件：Keil uVision2 IDE集成开发环境、下载软件、串口调试软件等。
（1）Keil uVision2 IDE集成开发环境
该软件是德国 KEIL 公司出品的 51 系列单片机 C 语言集成开发系统。如果你已经学习过《基础机器人制作与编程》，并掌握了 PBASIC 语言编程思想和基本技能，你将会发现，C语言在语法结构上更加灵活，功能更加强大。
（2）SL ISP软件下载工具
使用该软件你可以将可执行文件下载到你的机器人单片机上。该软件的使用需要计算机有并行口。
（3）串口调试软件
此软件是用来显示单片机与计算机的交互信息的。在硬件上，计算机至少要有串口或USB接口来与单片机教学板的串口连接。
3、电机调零
启动Keil uVision IDE 程序，建立项目文件，选择正确的芯片类型，创建与编辑一个调零程序，编译后产生可执行文件，并下载可执行文件到STC8952单片机，然后观察电机是否转动，若转动，用螺丝起子手动调零。
调零程序如下：
#include<BoeBot.h>
#include<uart.h>
int main(void)
{
int counter;
uart_Init();
printf("Program Running!\n");
for(counter=0;counter<130;counter++)//运行3 秒
{
P1_1=1;
delay_nus(1500);
P1_1=0;
P1_0=1;
delay_nus(1500);
P1_0=0;
delay_nms(20);
}
while(1);
}
}
二、基本巡航动作
下面的程序片段可以使其向前走：
P1_1=1;
delay_nus(1700);
P1_1=0;
P1_0=1;
delay_nus(1300);
P1_0=0;
delay_nms(20);
下面的程序片段可以使其向后走：
P1_1=1;
delay_nus(1300);
P1_1=0;
P1_0=1;
delay_nus(1700);
P1_0=0;
delay_nms(20);
下面的程序片段可以使你的机器人原地左转：
P1_1=1;
delay_nus(1300);
P1_1=0;
P1_0=1;
delay_nus(1300);
P1_0=0;
delay_nms(20);
下面的程序可以使你的机器人原地右转：
P1_1=1;
delay_nus(1700);
P1_1=0;
P1_0=1;
delay_nus(1700);
P1_0=0;
delay_nms(20);
实现一定形状行走：
实验设计路线是一个“口”字，类似电机调零的相关操作，把程序导入单片机内，实现调试。
程序如下：
#include<BoeBot.h>
#include<uart.h>
int main(void)
{
int counter;
uart_Init();
printf("Program Running!\n");
for(counter=1;counter<=65;counter++)//向前
{
P1_1=1;
delay_nus(1700);
P1_1=0;
P1_0=1;
delay_nus(1300);
P1_0=0;
delay_nms(20);
}
for(counter=1;counter<=26;counter++)//向左转
{
P1_1=1;
delay_nus(1300);
P1_1=0;
P1_0=1;
delay_nus(1300);
P1_0=0;
delay_nms(20);
}
While（1）;
}
（二）匀加速/减速运动
匀加速运动程序：
for(pulseCount=10;pulseCount<=200;pulseCount=pulseCount+1)
{
P1_1=1;
delay_nus(1500+pulseCount);
P1_1=0;
P1_0=1;
delay_nus(1500-pulseCount);
P1_0=0;
delay_nms(20);
}
匀减速运动程序：
for(pulseCount=200;pulseCount>=0;pulseCount=pulseCount-1)
{
P1_1=1;
delay_nus(1500+pulseCount);
P1_1=0;
P1_0=1;
delay_nus(1500-pulseCount);
P1_0=0;
delay_nms(20);
}
两轮机器人加速减速走程序：
#include<BoeBot.h>
#include<uart.h>
int main(void)
{
int pulseCount;
uart_Init();
printf("Program Running!\n");
for(pulseCount=10;pulseCount<=200;pulseCount=pulseCount+1)
{
P1_1=1;
delay_nus(1500+pulseCount);
P1_1=0;
P1_0=1;
delay_nus(1500-pulseCount);
P1_0=0;
delay_nms(20);
}
for(pulseCount=1;pulseCount<=75;pulseCount++)
{
P1_1=1;
delay_nus(1700);
P1_1=0;
P1_0=1;
delay_nus(1300);
P1_0=0;
delay_nms(20);
}
for(pulseCount=200;pulseCount>=0;pulseCount=pulseCount-1)
{
P1_1=1;
delay_nus(1500+pulseCount);
P1_1=0;
P1_0=1;
delay_nus(1500-pulseCount);
P1_0=0;
delay_nms(20);
}
while(1);
}
（三）触须避障
编程让机器人通过触觉胡须导航之前，首先必须安装并测试胡须，安装机器人触觉胡须所需的硬件元件清单，包括：
（1）金属丝2根
（2）平头M3×22盘头螺钉2个
（3）13mm圆形立柱2个
（4）M3尼龙垫圈2个
（5）3-pin公-公接头2个
（6）220Ω电阻2个
（7）10kΩ电阻2个
安装胡须：
1 拆掉连接主板到前支架的两颗螺钉
2 参考图4-2，进行下面操作
3 螺钉依次穿过M3尼龙垫圈、13mm圆形立柱
4 螺钉穿过主板上的圆孔之后，拧进主板下面的支架中，但不要拧紧
5 把须状金属丝的其中一个钩在尼龙垫圈之上，另一个钩在尼龙垫圈之下，调整它们的位置使它们横向交叉但又不接触
6 拧紧螺钉到支架上 图4-2 安装机器人胡须
7 参考接线图4-3，搭建胡须电路。
注意：右边胡须状态信息输入是通过P1口的第4脚完成，而左边胡须状态信息输入是通过P2口的第3脚完成
8 确定两条胡须比较靠近，但又不接触面包板上的3-pin头。推荐保持3mm的距离。
9图4-4所示是实际的参考接线图。
10 安装好触觉胡须的机器人如图4-5所示
观察一下图4-3所示的胡须电路示意图，显然每条胡须都是一个机械式的、接地常开的开关。胡须接地（GND）是因为教学板外围的镀金孔都连接到GND。金属支架和螺丝钉提供电气连接给胡须。
通过编程让单片机探测什么时候胡须被触动。由图4-3可知，连接到每个胡须电路的I/O引脚监视着10K上拉电阻上的电压变化。当胡须没有被触动，连接胡须的I/O管脚的电压是5V；当胡须被触动时，I/O短接到地，所以I/O管脚的电压是0V。
胡须测试程序：
#include<BoeBot.h>
#include<uart.h>
int P1_4state(void)
{
return (P1&0x10)?1:0;
}
int P1_7state(void)
{
return (P1&0x80)?1:0;
}
int main(void)
{
uart_Init();
printf("WHISKER STARTES\n");
while(1)
{
printf("右边胡须的状态:%d ",P1_4state());
printf("左边胡须的状态:%d\n",P1_7state());
delay_nms(150);
}
}
2、通过胡须导航
程序如下：
#include<BoeBot.h>
#include<uart.h>
int P1_4state(void）
{
return (P1&0x10)?1:0;
}
int P1_7state(void)
{
return (P2&0x80)?1:0;
}
void Forward(void)
{
P1_1=1;
delay_nus(1700);
P1_1=0;
P1_0=1;
delay_nus(1300);
P1_0=0;
delay_nms(20);
}
void Left_Turn(void)
{
int i;
for(i=1;i<=19;i++)
{
P1_1=1;
delay_nus(1300);
P1_1=0;
P1_0=1;
delay_nus(1300);
P1_0=0;
delay_nms(20);
}
}
void Right_Turn(void)
{
int i;
for(i=1;i<=19;i++)
{
P1_1=1;
delay_nus(1700);
P1_1=0;
P1_0=1;
delay_nus(1700);
P1_0=0;
delay_nms(20);
}
}
void Backward(void)
{
int i;
for(i=1;i<=38;i++)
{
P1_1=1;
delay_nus(1300);
P1_1=0;
P1_0=1;
delay_nus(1700);
P1_0=0;
delay_nms(20);
}
}
int main(void)
{
int counter=1;
int old2=1;
int old3=0;
uart_Init();
printf("Program Running!\n");
while(1)
{
if(P1_4state()!=P1_7state())
{
if((old2!=P1_4state())&&(old3!=P1_7state()))
{
counter=counter+1;
old2=P1_4state();
old3=P1_7state();
if(counter>4)
{
counter=1;
Backward();//向后
Left_Turn();//向左
Left_Turn();//向左
}
}
else
counter=1;
}
if((P1_4state()==0)&&(P1_7state()==0)) //两胡须同时碰到
{
Backward(); //向后
Left_Turn();//向左
Left_Turn();//向左
}
else if(P1_4state()==0) //右胡须碰到
{
Backward();//向后
Left_Turn();//向左
}
else if(P1_7state()==0) //左胡须碰到
{
Backward();//向后
Right_Turn();//向右
}
else //胡须没有碰到
Forward();//向前
}
}
带着胡须机器人怎样行走？
主程序中的语句首先检查胡须的状态。如果两个胡须都触动了即P1_4state()和
P2_3state()都为0，调用Backward()，紧接着调用Left_Turn ()两次；如果只是右胡须被触
动即只有P1_4state()==0，程序调用Backward()，然后再调用Left_Turn ()；如果左胡须被
触动即只有P2_3state()==0，程序调用Backward()，然后再调用Right _Turn()；如果两个
胡须都没有触动，在这种情况下，在else中调用Forward()语句。
函数Left_Turn()，Right_Turn()以及Backward()看起来应该相当熟悉，但是函数
Forward()有一个变动。它只发送一个脉冲，然后返回。这点相当重要，因为机器人可以在
向前行走中的每两个脉冲之间检查胡须的状态。意味着，机器人在向前行走的过程中，每秒
检查触须状态大概43次（1000ms/23ms ≈ =43）。
因为每个全速前进的脉冲都使得机器人前进大约半厘米。只发送一个脉冲，然后回去检
查胡须的状态是一个好主意。每次程序从Forward()返回后，程序再次从while循环的开始处
执行，此时if…else 语句会再次检查胡须的状态。
（五）红外避障
1、实验器材：
(1) 两个红外检测器
(2) 两个IR LED
(3) 四个470□电阻
(4) 两个9013三极管
2、搭建红外线前灯
? (1)断开主板和伺服系统的电源
? (2)建立下图所示的电路，
2、测试程序
（1）测试左边程序：
#include<BoeBot.h>
#include<uart.h>
int P1_2state(void)
{
return (P1&0x04)?1:0;
}
int main(void)
{
int counter;
int irDetectLeft;
uart_Init();
printf("Program Running!\n");
while(1)
{
for(counter=0;counter<38;counter++)
{
P1_3=1;
delay_nus(13);
P1_3=0;
delay_nus(13);
}
irDetectLeft=P1_2state();
printf("irDetectLeft=%d\n",irDetectLeft);
delay_nms(100);
}
}
（2）测试右边程序：
#include<BoeBot.h>
#include<uart.h>
int P1_7state(void)
{
return (P1&0x04)?1:0;
}
int main(void)
{
int counter;
int irDetectRight;
uart_Init();
printf("Program Running!\n");
while(1)
{
for(counter=0;counter<38;counter++)
{
P1_6=1;
delay_nus(13);
P1_6=0;
delay_nus(13);
}
irDetectRight=P1_7state();
printf("irDetectRight=%d\n",irDetectRight);
delay_nms(100);
}
}
（3）步骤：
² 打开教学板的电源
² 输入、保存并运行测试程序
² 保持机器人与串口电缆的连接，因为你需用调试终端来测试你的IR组
² 放一个物体，比如手或一张纸，距离左侧IR组大约2到3厘米，
² 验证当你放一个物体在IR组前时，调试终端是否会显示“0”；当你将物体移开时，它是否显示“1”
² 如果调试终端显示的是预料的值，没发现物体显示1，发现物体显示0，说明测试完成，红外发射探测器安装成功
² 如果调试终端显示的不是预料的值，试试排错部分里的步骤进行排错排错，并检查电路和输入的程序，或者调整红外发射器角度，直到测试正常
² 
3、红外避障程序
#include<BoeBot.h>
#include<uart.h>
#include<intrins.h>
#define LeftIR P1_2 //左边红外接收连接到P1_2
#define RightIR P1_7 //右边红外接收连接到P3_2
#define LeftLaunch P1_3 //左边红外发射连接到P1_3
#define RightLaunch P1_6 //右边红外发射连接到P3_3
void IRLaunch(unsigned char IR)
{
int counter;
if(IR=='L') //左边发射
for(counter=0;counter<38;counter++) //发射时间比胡须长
{
LeftLaunch=1;
_nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_();
_nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_();
LeftLaunch=0;
_nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_();
_nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_();
}
if(IR=='R') //右边发射
for(counter=0;counter<38;counter++)
{
RightLaunch=1;
_nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_();
_nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_();
RightLaunch=0;
_nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_();
_nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_();
}
}
void Forward(void) //向前行走子程序
{
P1_1=1;
delay_nus(1300);
P1_1=0;
P1_0=1;
delay_nus(1700);
P1_0=0;
delay_nms(20);
}
void Left_Turn(void) //左转子程序
{
int i;
for( i=1;i<=26;i++)
{
P1_1=1;
delay_nus(1300);
P1_1=0;
P1_0=1;
delay_nus(1300);
P1_0=0;
delay_nms(20);
}
}
void Right_Turn(void) //右转子程序
{
int i;
for( i=1;i<=26;i++)
{
P1_1=1;
delay_nus(1700);
P1_1=0;
P1_0=1;
delay_nus(1700);
P1_0=0;
delay_nms(20);
}
}
void Backward(void) //向后行走子程序
{
int i;
for( i=1;i<=65;i++)
{
P1_1=1;
delay_nus(1700);
P1_1=0;
P1_0=1;
delay_nus(1300);
P1_0=0;
delay_nms(20);
}
}
int main(void)
{
int irDetectLeft,irDetectRight;
uart_Init();
printf("Program Running!\n");
while(1)
{
IRLaunch('R'); //右边发射
irDetectRight = RightIR;//右边接收
IRLaunch('L'); //左边发射
irDetectLeft = LeftIR;//左边接收
if((irDetectLeft==0)&&(irDetectRight==0))//两边同时接收到红外线
{
Backward();
Left_Turn();
Left_Turn();
}
else if(irDetectLeft==0)//只有左边接收到红外线
{
Backward();
Right_Turn();
}
else if(irDetectRight==0)//只有右边接收到红外线
{
Backward();
Left_Turn();
}
else
Forward();
}
}
七、心得体会
通过本门课程实验，以下能力得到了较大的提高：
1、了解机电一体化原理和应用，以及单片机使用的注意事项
2、 培养具有综合应用相关知识来解决实验问题的基础理论；
3、 培养在实践中研究问题，分析问题和解决问题的能力；
我们必须坚持理论联系实际的思想，以实践证实理论，从实践中加深对理论知识的理解和掌握。实验是我们快速认识和掌握理论知识的一条重要途径。
通过本实验加深我们对机器人的了解，更进一步的掌握了各部件之间的功能特性。让我们在以后更多的实验中能灵活应用探究方法和操作能力。除此，我们在机器人教学中培养了我们的兴趣，创新能力分析能力和动手操作能力，激发了我们学习、探索、掌握和运用智能机器人技术的兴趣，提高我们爱科学、学科学、用科学的积极性，丰富我们的课余文化生活，增强我们的探究意识、进取意识、团队意识和竞争意识。特别是在机器人的编程和调试方面，我们通过亲手装配、实验、编程和实施机器人项目、直至达到我们所需要的结果。这过程使们们获得发自内心的快乐，同时也培养了我们的动手实践能力、创新思维能力、综合应用能力和团结协作能力。通过机器人实验我们觉得自己变得更从容、更自信、更具有成就感。通过实验操作，我们的能力在动手操作和探究方面都得到较大的提升。同时我们也体会到了团队合作的重要性。
八．实验对社会的意义：
在二十一世纪科技社会时代，人类社会将全面进入以智能机器人为代表的智能时代。相信在不久的将来有关机器人的研究与应用水平将取得重大突破。机器人的广泛应用将极大促进社会生产力的发展与产业结构的调整。机器人的制造与销售将成为一个新的经济增长点。这必将会推进中国在世界的发展脚步。因此实施基础教育领域开展智能机器人的教育，是为了让中国的学生能够有准备地迎接属于我们的明天——智能机器人时代的到来。虽然我们的机器人不能在生产中得以利用和开发，但是它将是开发设计高智能机器人的雏形和创新的源泉。
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