摘 要

随着科学技术的进步，对工业机器人尤其是特种机器人技术发展越来越快，其应用领域越来越广泛。自主移动轮式机器人属于特种机器人的一个重要分支，在工作人员不宜进入的危险和恶劣的工作环境中，可代替人工而完成一些简单重复性的工作，因此在生产生活中具有一定的应用价值。本文针对诸如核电厂的极端环境下对机器人技术的应用需求，选用Arduino UNO开发平台，融合多传感器的检测信息，设计一款轮式循迹机器人监控系统，在自主移动的基础上可完成对机器设备的工作环境的实时监控及阈值通知功能。主要研究内容和成果包括：

（1）分别阐述轮式循迹监控机器人的功能需求，提出轮式循迹监控控制系统开发的总体方案；采用模块化思想，分析各个模块功能，合理选型硬件控制系统，并搭建运动监控系统架构。

（2）建立循迹机器人的运动学模型，考虑机器人本体距离参数不为零的情况，讨论在非完整约束系统中，将机器人位姿作为输入控制信号函数，分析其随时间变化的响应曲线。分析传统底层速度反馈PID算法，结合建立的运动学模型，添加历史运行参数，进一步优化开发的自主循迹控制算法，实现速度调控的准确性和可靠性。

（3）采用ATmega328为处理器的Arduino UNO开发平台，分析设计外围电路及系统软件。硬件设计由稳压电路、各传感器电路及无线通信电路等组成；程序开发主要有主程序设计、传感器I/O程序、自主循迹程序及串口通讯等。

（4）搭建试验平台，调试分析循迹监控机器人的各个模块。对比多组移动速度、位移等参数，校正循迹控制算法，提高其转向性能；将环境数据上传云空间，生成实时设备监测曲线，对比历史数据，并进行阈值报警通知设定。

关键词： 轮式机器人；运动学模型；循迹；控制算法

Abstract

With the development of science and technology, the robot technology has become a research hotspot in the field of Opto-Mechatronics technology, especially the development and application of industrial robots and special robots. The autonomous wheeled mobile robot is an important branch of the special robot, and its range of application areas is wide, especially in the dangerous and harsh working environment the staff can not reach, it can replace the artificial and do some simple repetitive work, so it has a certain application value in production and life. In extreme environments such as nuclear power plants, using Arduino UNO development platform, detecting of multi sensor information fusion, we design a wheeled robot tracking monitoring system. The robot having real-time monitoring and notification threshold function based on autonomous mobile can be completed on machinery and equipment working environment. The main research contents and achievements of this paper include:

(1) The paper analysis functional requirements of wheeled robot tracking monitoring, puts forward the design scheme of the control system of the whole; The function of each module is analyzed based on a modular method, the reasonable selection of hardware control system and a motion control system architecture is set up.

(2) The kinematics model of the mobile robot is built, considering the distance parameters of the robot is not zero. In the nonholonomic constraint system, the robot’s pose as input of control signal function, analysis of the time-varying curves of the response.By analysing of traditional motion control PID algorithm, combining with the kinematics model of the robot, adding the historical operating parameters, and optimizing tracking control algorithm of robot, the accuracy and reliability of motion control is achieved.

(3) On the Arduino UNO development platform using ATmega328 as the processor, it analysis and design of peripheral circuits and system software. The hardware design includes voltage regulator circuit, sensor circuit and wireless communication circuit; software design includes main program design, I/O program, self tracking sensor and serial communication program.

(4) By building the test platform, each function tracking monitoring robot is tested and analysed. Comparing with Group velocity, displacement and other parameters is helpful to correct tracking control algorithm to improve the robot steering performance; Other features include: uploading environmental data to cloud space, generating real-time monitoring curve, compared to historical data, and seting the threshold alarm notification.

Key Words：a wheeled robot; kinematics model; tracking; control algorithm

目录

1绪论 1

1.1 研究的背景 1

1.2 国内外研究现状分析 1

1.3 研究的目的及意义 3

2轮式循迹机器人系统分析与总体设计 4

2.1系统需求分析 4

2.2系统总体设计 4

2.2.1系统组成部分 4

2.2.2控制系统的模块及设计 5

2.2.3 机械系统的结构及设计 6

3轮式循迹机器人运动控制算法研究 10

3.1 PID算法及PWM调速原理 10

3.1.1 PID算法控制原理 10

3.1.2 直流电机PWM调速原理 12

3.2循迹算法的设计 13

3.2.1路径识别算法 13

3.2.2基于运动学模型的循迹算法 15

4轮式循迹机器人控制系统硬件设计 19

4.1电源供电模块 19

4.2主控模块 20

4.2.1主控芯片介绍 20

4.2.2最小系统介绍 21

4.3传感器模块 22

4.3.1红外循迹模块 22

4.3.2测速模块 23

4.3.3环境监测模块 25

4.4电机驱动模块 26

4.5无线通信模块 27

5轮式循迹机器人控制系统软件设计 30

5.1主程序设计 30

5.2循迹子程序设计 31

5.3无线通信子程序设计 32

6系统试验与测试分析 36

6.1 循迹机器人测试平台 36

6.2 速度参数测试 37

6.3 循迹算法测试 39

6.4 无线通信测试 41

7总结与展望 45

参考文献 47

附录 49

1主程序 49

2.电路图 54

致谢 56

1绪论

机器人是一个可以感知周围环境、逻辑推理和决策、行为控制与执行的自动化机械装置^[1]。它是融合机械学、材料学、控制工程学和计算机技术等于一体，形成的一门综合性的新技术学科。随着信息水平和人工智能水平地提高，机器人技术也得到了迅猛发展，其应用范围也不断地扩展，除了工业机器人外，出现了服务机器人、医疗机器人等特种机器人，而且在环境监测、路径规划指引、宇航航天和特种环境等危险场合得到很好的应用^[2]。因此，机器人的研究是当今光机电一体化的重要方向。

1.1 研究的背景

随着工业的发展，大量的生产设备投入使用，并且机械设备的工作环境影响其生产质量和使用寿命，从而对工作环境的智能监测日趋迫切。目前主要的监测方法有人工巡逻监测和多点固定监测，多点监测具有花费高、设备复杂、数据易丢包等缺点，普遍不被采用；特别像是核电厂这种高压高辐射的特种环境，工人无法直接进入，需要使用自动化的监测系统。这两种监测方案已经不能满足在复杂环境下的工作要求，因此将监控系统和机器人技术相结合，采用轮式循迹监控机器人在预设的轨迹上不间断流动式地实时监测及阈值报警通知更好地解决了这个问题。

其中，轮式机器人也称为智能车，是特种机器人学科中的重要分支之一^[3]。轮式机器人在实际应用中体现出了结构简单、速度可调控等优点，是一种对周围环境高度开放的系统，其可以预先设定任务指令，并且能够在执行过程中，在工作中实时不断地感知周围局部环境信息，智能地做出各种决策，自主地行为运动，完成目标任务^[4-5]。轮式机器人已经具有一定的实际使用案例，像加工车间不同机床之间的物料配送机器人，银行的机器人经理，游乐场的导游机器人等。特种环境下轮式监控机器人，要求可以在大范围的全局环境中进行指定路径运动，这对循迹技术提出了更高的要求。

1.2 国内外研究现状分析

像美国、欧盟、日本等国家，在轮式机器人的技术研究方面起步较早，目前仍拥有机器人主要核心技术。其起源要追溯到1950年前后，西欧科学家W．Grey Walter提出了叫做“ELSIE”的轮式循迹机器人^[6]，它的引导传感器为光敏元件，可以根据光线的强弱来进行自主引导，具有一定的推理决策及执行能力。