毕业设计（论文）-基于STM32智能导游机器人研究
福州大学至诚学院
本科生毕业设计(论文)
题 目: 基于STM32智能导游机器人研究
姓 名:
学 号:
系 别: 电气工程系
专 业: 电气工程及其自动化
年 级: 2012级
指导教师:
2016 年 1 月 10 日
独创性声明
本毕业设计(论文)是我个人在导师指导下完成的。文中引用他人研究成果的部分已在标注中说明;其他同志对本设计(论文)的启发和贡献均已在谢辞中体现;其它内容及成果为本人独立完成。特此声明。
论文作者签名: 日期:
关于论文使用授权的说明
本人完全了解福州大学至诚学院有关保留、使用学位论文的规定，即:学院有权保留送交论文的印刷本、复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅;学院可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印、数字化或其他复制手段保存论文。保密的论文在解密后应遵守此规定。
论文作者签名: 指导教师签名: 日期:
基于STM32智能导游机器人研究
摘要
国家经济的飞速发展，外出旅游的人不断增加，但是景区的导游却无法满足游客的需要。有些人喜欢独自旅游，单独一人去请导游的费用相对而言是很贵的，所以一些景区也需要智能机器人作为导游来减轻人工的负担。人工智能已被我国广泛运用，智能机器人渐渐深入人心，其类型也越来越多。而本课题的设计是为了让更多游客享受导游服务而设立的，以STM32微处理器作为核心控制器，设计一个类人型的小型轮式机器人，要求机器人根据游客投币数量能够去选择最合理的路线带领游人在最短的时间内参观景区，并向游人解说景点的人文地理，参观完毕后自动返回景区门口等待下一个游客投币。
本设计研究的导游机器人系统分为八个模块:主控模块、投币模块、语音模块、稳压模块、驱动模块、循迹模块、避障模块以及辅助模块。投币模块是为了检测游人投币的数量，将信号传给主控来选择所去的景点;语音模块为游客解说相应景点的人文地理;为机器人提供稳定的能源供应的是稳压模块;而带动机器人行走和控制它的运行方式靠的是电机驱动模块;寻找已经设计好的路线需要用循迹模块去识别白线;避障模块主要负责识别障碍物，以便躲避障碍选择好线路;辅助模块则是负责协助路面识别应对特殊地形。
关键词:导游机器人，避障，语音，LCD，循迹
I
The Research of intelligengt Guiding robot which
based On STM32
Abstract
With the rapid development of national economy, the number of traveling people gradually increases, but the scenic spot tour guide cannot meet the needs of tourists. Some people like to travel alone, the cost of hiring a guide individual is relatively expensive, so some scenic spot also need some intelligent robots as a tour guide to reduce the burden of artificial. Artificial intelligence has been widely used in China, the intelligent robot gradually deep into people’s heart, it has more and more types. And this topic is designed to let more visitors enjoy the tour guide service and a equipment, with STM32 microprocessor as the core controller, design a humanoid small wheeled robots, askeing the robot be able to choose the most reasonable route according to the number of visitors’ payment and guide the visitors to visit the scenic spots in the shortest possible time , and explan to tourists the of human geography about attractive scenic, after the visit robots can return to the scenic spot doorway automatically and waiting for the next tourists to pay.
This design study guide robot system is divided into eight modules: master module, coin-operated module, voice module, voltage regulator module, drive module, tracking module, obstacle avoidance module and auxiliary module. Coin module is to detect the number of visitors’payment, then go to master control signals to choose the attractions; Voice module definite to commentary the human geography accordingly of tourist attractions; providing the stable energy supply for robots is the voltage regulator module; And drive the robots to walk and control the robots is its operation mode by motor driver module; Search the route which is designed need to use tracking module to identify white line; Obstacle avoidance module is mainly responsible for identify obstacles, in order to avoid obstacles to choose good lines; Auxiliary module is responsible for assisting the road recognition deal with special terrain.
Keywords: Guiding robot, Obstacle avoidance, Voice, LCD , Tracking
II
目 录
第1章 绪论................................................................................................................................... 1 1.1 研究背景 .............................................................................................................................. 1 1.2 研究现状及意义 .................................................................................................................. 2 1.3 研究内容 .............................................................................................................................. 3 1.4 论文组织 .............................................................................................................................. 3 第2章 系统
方案
气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载
设计................................................................................................................... 4 2.1 任务要求 .............................................................................................................................. 4
2.1.1 设计任务....................................................................................................................... 4
2.1.2 导游机器人功能设计................................................................................................... 5 2.2 导游机器人方案设计 .......................................................................................................... 5 第3章 机器人整体构造设计....................................................................................................... 7 3.1 机器人底盘设计 .................................................................................................................. 7 3.2 机器人主体设计 .................................................................................................................. 9 第4章 导游机器人系统模块设计............................................................................................. 11 4.1 主控模块设计 .................................................................................................................... 11 4.2 电机驱动模块 .................................................................................................................... 12 4.3 循迹模块 ............................................................................................................................ 14 4.4 红外避障模块 .................................................................................................................... 16 4.5 电源稳压模块 .................................................................................................................... 17 4.6 语音模块 ............................................................................................................................ 18 4.7 辅助模块 ............................................................................................................................ 19 第5章 系统软件设计................................................................................................................. 20 5.1 软件开发平台简介 ............................................................................................................ 20 5.2 机器人程序基本流程 ........................................................................................................ 21 5.3 循迹模块程序设计 ............................................................................................................ 22 第6章 系统硬件测试及
分析
定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析
..................................................................................................... 24 结论............................................................................................................................................... 26 参考文献....................................................................................................................................... 27 谢辞............................................................................................................................................... 28
III
附录 部分关键程序及解释......................................................................................................... 29
IV
基于STM32智能导游机器人研究
第1章 绪论
1.1 研究背景
(1) 国外背景
如今科技的不断发展，越来越多的科学技术被广泛应用在我们的日常生活中，而机器人技术发展也越来越成熟。智能移动机器人可以说是智能导游机器人的前身，其最早在60年代末期就开始了研究，在1966年至1972年间，一台自主移动机器人名为Shakey在斯坦
[1]福研究院SRI的查尔斯和尼尔斯等人的研究下横空出世了。70年代随着研究的不断深入，所研制的最早操作式步行机器人也成功实现了，从而开始了对机器人在不平整地域内运动问题的研究，其中最著名的是名为General Electric Quadruped的步行机器人。 80年代生产技术不断地高度集成化和自动化，机器人的发展不断进步，美国通用汽车公司在装配线上为机器人装备了视觉系统，从而第二代机器人的感知类型机器人就这样问世了。第三代机器人是自治机器人正在各国研制和发展，它可按任务编程，具有一定决策规划功能和感知能力。现在的机器人技术其应用领域在不断扩大，其种类在日趋增多，性能也在不断提高，并逐步向着更加智能化的方向发展。服务机器人是机器人研究中一个新的研究对象，到目前为止它的定义还不是很严格，每个国家对它的认识也各不相同。在国际机器人联合会上科学家们对服务机器人做了一个简要而准确的描述:能够完成对人类有帮助的一种半自主或者是全自主工作的机器人才是服务机器人，而从事生产的设备不包括在内。
(2) 国内背景
虽然我国的机器入学研究开发工作起步较晚，但如今也已在特种机器人、智能机器人和工业机器人等方面取得了明显的成绩，为我国机器人学研究的进一步发展奠定良好的基础。从“七五”
计划
项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载
开始，智能机器人技术已被列入了我国国家重点科研规划内容内，国家很重视科技的发展，不惜拨巨款建立了全国工程基地，基本完成了成套的机器人技术开发，
[2]全面展开了对机器人的各项研究。1986年，高技术研究的发展计划国家已开始实施，取
得了科研成果成功研制出了一批特种机器人。在八五期间，1995年第一辆大型自主式地面车辆“7B8军用智能机器人” 通过鉴定，它是我国自行研制的地面自主移动机器人。我国机器人技术经过了几十年的发展有了很大的进步，自主移动式机器人和类人形机器人的研究逐步得到了重视，开放式网络机器人的开发也成为了如今发展的热点。近年“十一五”期间，上海交通大学在863计划先进制造技术领域的支持下，在服务机器人的感知、控制和人机交互等关键技术领域取得重要进展，研制了“蛟龙”智能轮椅和“蛟龙”导游机器人并在上海世博会和福利院投入了服务。“蛟龙”智能机器人集成了轮式移动下肢和仿人型双臂上肢，配备高精度的自定位和自主导航系统，具有一定的环境感知和导航能力，能够在人员
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流动的复杂动态环境中应付自如，提供大范围可移动式的陪护、导游和导购服务，展现出了机器人技术在提高残疾人、老年人的独立生活、工作能力等方面的发展前景。 1.2 研究现状及意义
20世纪人类科学技术的重大成就之一就是机器人的出世和机器人学的建立。在不到40年的时间里，机器人的技术从无到有，以飞速的形式发展着，如今已遍布在世界经济的各个领域，在人们生活等众多方面为人类忠诚无私地服务，作出了永垂不朽的贡献。展望奔向未来的现代，人类更需要与机器人的和谐相处，我们已越来越离不开机器人这类可靠的助手和朋友。随着机器人技术的巨大进步，人们已适应了与机器人的互助共处，共同发展。
九十年代，在哈尔滨工业大学诞生了一台酷似科教片中外星机器人的导游机器人，它会四国语言，可以为游客提供导游、导购及招徕顾客等服务，这是由哈尔滨工业大学机器
[3]人研究所研究开发的一台自主工作的导游机器人。在人们的生活、工作等各个方面，智能机器人将会有着很大的影响。在农业生产方面的影响，智能机器人的运用将会产生新的农业生产模式和新技术的应用，因此农业机械将会得到进一步的发展和更新。如今在加入智能机器人的运用下，农业机械技术逐渐的成熟起来，智能机器人技术的发展在很大程度上解放了劳动力，同时也提高了生产效率，增加了生产的总值，为社会创造了很大的经济效益。在医学上的影响，智能机器人可以重复做很复杂的医疗手术，还可以更好的治疗患者，能够最大限度的减小因为手术带来的不良反应。
据上所述，智能机器人已经在工业、农业、医学、航天、甚至军事上等诸多领域的应用，很大程度的提高了生产效率，还有其高效、高精度的作业过程是人类无法完成的，同时也解放了很大一部分的劳动力，让人们能够更好的完成指定的工作，还可以去做人类无法完成的高危险的工作。如果你仔细的去观察，就会发现智能机器人已经为我们这个社会创造很大的价值。
[4]如今，服务机器人是当今智能控制领域的一个研究热点，而智能导游机器人的研究也归于这一类，智能导游机器人的前身是移动机器人，作为各种类型机器人的基础技术平台，它能通过各种传感器、定位系统等来进行识别，从而去感觉周围的情况，了解自身所处的状态，实现在复杂的环境中去躲避障碍物自主向指定的目标运动，继而实现一定功能、完成一连串任务的系统。经济的不断发展给旅游行业带来了越来越多的机遇，特别是导游这个职业越来越热门，但是这个职业所从事的工作是不断重复的，拥有很小的创新性，如
[5]果将导游和机器人结合在一起将是一个创新，因此就有了智能导游机器人。有了智能导游机器人，将会提高导游这一行业的工作效率减轻人工导游工作的负担，也为我们出行旅游带来了方便，这样有有益于人民群众的机器人值得我们去研究开发。
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1.3 研究内容
本设计研究的内容有设计光电循迹模块进行循迹寻找景点，根据导游机器人的需要去设计主控模块，还有通过语音模块实现人机交互进行自动解说，利用keil进行程序的开发，使用Altium Designer软件设计导游机器人的硬件电路，通过AutoCAD软件对导游机器人进行整体结构的设计。通过对景区景点路线的进行规划，再通过对电机的控制实现对导游机器人行走，而壁障等模块的设计可以判断自身及景点的位置。
通过本设计可以达到的目标是:游客投币确认后自动带领他去参观景区，游客通过语音模块实现与机器人进行简单的交流，并自动解说。
1.4 论文组织
本文共分为6个章节，各章内容如下:
第1章为绪论，介绍了本设计研究的背景和意义，分析国内外导游机器人的发展情况。同时，介绍了本设计的研究内容和实现的设计目标。
第2章介绍了导游机器人系统的方案设计，包括规划模拟景区场景图、给出机器人要实现的功能，针对该需求提出解决方案设计。
第3章详细介绍了导游机器人整体架构的设计，包括底盘和身体结构部分，并全面分析设计过程中出现的问题及其改进方案。
第4章在分析整个系统方案的基础上对导游机器人系统的各个硬件进行设计，包括主控模块、循迹模块、红外避障模块、语音模块、电源稳压模块等的工作原理和硬件电路的详细设计。
第5章对介绍了导游机器人软件方面的设计，给出了系统的主程序及部分模块的流程图，分析模块工作过程。
第6章对系统硬件测试，并对结果进行分析。
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第2章 系统方案设计
2.1 任务要求
2.1.1 设计任务
本设计研究的导游机器人在模拟场地中设置多个景点，每个景点有设置相应的价格，智能导游机器人会根据游客投币的数量然后选择景点，当游客确认投币数量后，导游机器人便开始带着他以最优化的路线参观景区并解说。当游客参观完后，导游机器人会自己回到出发位置等待下一个游客的投币。
在去各个景点的路上都设有不同的路障，这些障碍物是用来模拟现实环境中所会遇到的一些阻碍，然后让机器人自行判断然后通过路障，模拟景区场景图如图2-1所示。
图2-1 模拟景区场景图
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2.1.2 导游机器人功能设计
智能导游机器人稳定的运行首先要保证电源能够稳定供应，因为电力输配设备的老化、供电不足等原因造成电压的不稳定波动，对用电设备特别是对电压要求严格的高新科技和精密设备会造成致命伤害或误动作，影响正常工作。还要实现对电机的灵活操作，对电机的操作主要是利用主控对驱动进行操作，从而控制电机的运转模式。更重要的是要能实现循迹功能、对路面情况及障碍物的识别、到达景点后自动解说。如能够在偏离路线后自动矫正，准确的判断跷跷板、门槛、减速带、陡坡、路障等。然后完成相关程序的设计，对路径的选择、对路面情况的处理、还有语音解说等程序的编写。
2.2 导游机器人方案设计
本设计对智能导游机器人要不同功能进行模块化设计，充分发挥每个模块的功能，最后将它们组成系统，即模块化设计思路。根据这种设计想法，我们可以把整个系统的每个
[6]模块单独地划分出来。智能导游机器人系统可以分为九个模块:电源稳压模块、电机驱动模块、光电循迹模块、红外避障模块、语音模块、主控模块、投币模块、按键模块、LCD模块。其中投币模块、按键模块、LCD模块和E18-D50NK光电传感器可合并为辅助模块。这九个模块的作用是缺一不可，组合在一起就能够成为一个以主控模块为核心的系统，除主控以外的其它模块都可以实现各自的功能，主控模块只需要从其它模块那儿获取信号再经过处理给其它模块下达指令信号，如此形成一个闭环系统。
智能导游机器人系统中，各个模块相辅相成每个模块都是不可缺少的。电源稳压模块为主控模块及其他模块提供稳定的电源，让其能够稳定的工作;主控模块通过循迹模块采集路面线路信息，通过红外壁障模块采集障碍物等信息，然后再传递信号给电机驱动模块对电机进行操作，如此来实现导游机器人准确的行走和自动壁障等功能;语音模块通过主控模块可以实现简单的人机交互功能，解说景点的人文地理;投币模块在本设计是一个光电传感器模拟而成，以挥手来代表投币，游客投币结束后通过按键模块确认，然后将信号传给主控模块进行处理;LCD模块将主控模块处理的部分信息显示给游客观看。
智能导游机器人先解决各个模块的问题，然后结合机器人整体结构将所有模块进行组合，再通过软件不断的调试改善来完成智能导游机器人的制作。
智能导游机器人控制系统框如图2-2所示。
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投币模块
(拟用光电传感器)
语音模块按键模块
STM32循迹模块LCD模块控制系统
红外避障电机驱动模块模块
电源稳压模块
图2-2 智能导游机器人控制系统框图
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第3章 机器人整体构造设计
3.1 机器人底盘设计
基于导游是由人来完成的工作，因此本设计研究的智能导游机器人外观是一个人形或者近似人形，初步设计想法是一个人站在小车上，肩膀到地面的高度要有一定的比率，有
[7]可以分别独立运动的左右手臂;有可以独立运动的头。在该思路的基础上对底盘进行了多次的改进设计，分为三个过程为底盘的前期设计，底盘改进设计，底盘优化设计等。
(1) 底盘前期设计
机器人的整个底盘采用亚克力板加工而成，用AutoCAD软件进行设计板块，四周为直角，整体比较简洁，长为15cm，宽为8cm。如图3-1所示为前期底盘结构设计图。
图3-1 前期底盘结构设计图
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(2) 底盘改进设计
由于前期底盘设计过于简洁，没有考虑到电池、循迹板及主控板等各个模块的安装位置，因此对底盘进行改进设计，长为30cm，宽为21.5cm。底盘材料仍采用亚克力板，这次设计四周仍采用直角，有一点点弧度，中间部分有一个长方形的洞用于放置电池。由于电池重量较重，在此位置放置电池有助于降低机器人的重心，重心越低机器人行走过程中越稳定。主控板设计位于电池上方，便于供电，更方便与其他模块的连接及操作。中期设计将很多问题都考虑进去了，如各个模块安装位置及电机的安装位置等因素等已经考虑周到，能够很好的保证机器人稳定的行走。如图3-2所示为底盘改进设计图。
图3-2 底盘改进设计图
(3) 底盘优化设计
底盘的改进设计已经很好的解决了稳定性问题，但是经过检测才知道亚克力板的硬度不够，在面临一些路障的碰撞和高出摔下时容易破碎。在测试过程中还发现亚克力板因为是透明的，导致光照直接照射时会严重影响到循迹模块的运行，经多因素考虑和实际检测发现，将底盘亚克力材料改为玻纤板，并喷上黑漆可以很大程度上减小光照对循迹模块的影响，而玻纤板的硬度够硬，碰撞或者从高出掉落不易损坏。后期底盘设计还将四周改为
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弧形，弧形可以让机器人在行走过程中遇到阻碍物时受到很小的阻力，从而使机器人能够更稳定的运行。通过中期的测试还发现电机的位置需要修正，前后轮的轴距不能过长，也不能过短，所以综合考虑后将前后轮的轴距设计为肩部到底部距离的1.5倍，如此安排将会使它的整体结构更加稳定。如图3-3所示为底盘优化设计图。
图3-3 底盘优化设计图
3.2 机器人主体设计
机器人的上身设计也需要考虑很多因素，我们研究的是智能导游机器人，所以机器人的上身必须为人形或者类人形，刚开始考虑使用创意之星套件的塑料原件组装成上身，但是塑料虽轻，但是搭建的结构不稳定，而且塑料也会占用大量空间，所以放弃了这个想法。最后采用铜柱支撑，外加三小块薄玻纤板构造，将最上一层玻纤板的中间镂空，然后用热熔胶固定一个小舵机，然后加上装饰，智能导游机器人的头部结构就制成了。在第一层和第二层玻纤板之间再竖直放两个大舵机，再用螺丝和热熔胶将其固定牢固加以装饰就是两个可以活动的手臂了。如图3-4所示为导游机器人主体结构图。
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图3-4 导游机器人主体结构图
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第4章 导游机器人系统模块设计
4.1 主控模块设计
STM32系列为了挺高性能、降低成本、降低功耗的嵌入式应用而设计的ARM Cortex-0内核。经多方面考虑，智能导游机器人需要足够处理信息的能力，本设计采用STM32F103ZET6微处理器作为核心控制器，而主控模块由自己设计，将STM32F103ZET6需要使用的接口引出来与外围设备进行连接。主控实物图如图4-1所示。
图4-1 主控实物图
作为核心的主控模块，它是智能导游机器人的大脑，它的主要功能就是对其它模块反馈的信息进行处理，然后根据程序对各个模块进行控制，如避障模块检测到障碍、循迹模
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块检测到岔路口、检测到到达景点后，反馈给主控，主控根据程序命令调节电机驱动模块和语音模块，使得机器人可以进行转弯、调速及解说等功能。
基于Cortex-M3内核的STM32F103系列芯片是最新型的32位嵌入式微处理器，它也是不需要操作系统的ARM，性能高于51系列单片机，操作与单片机一样简便，所以在很
[8]多场合开始使用它。STM32F103xx增强型系列使用高性能的ARM/Cortex-M3/32位的RISC内核，其工作的频率是72Mhz，内置高速存储器，具有许多增强的I/O端口与联接到两条APB总线的外设。每个型号的芯片都含有2个12位的ADC、3个通用的16位定时器，还有一个PWM定时器。其中也含有
标准
excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载
和先进的通信接口:多达2个I2C和SPI、3个USART、一个USB和一个CAN。STM32F103xx的增强型系列芯片的工作温度范围是-40?至+105?，而它的需要的供电电压范围在2.0V到3.6V之间，通过这些省电方式可以满足低功耗应用所需的要求。
4.2 电机驱动模块
该模块是两个部分组成的，一个是驱动模块，另一个是电机;其主要功能是为智能导机器人通过驱动模块对电机进行调速控制，从而控制机器人的运行以及对特殊路面情况游
[9]的相应动作。
驱动模块采用的是上海未来伙伴机器人的能力风暴Abilix驱动器。该模块是主控系统和电机的连接纽带，主控通过驱动模块控制电机的正反转等操作，通过改变与驱动模块连接的通道口电平的高低来控制电机的运行状态。如图4-2所示为电机驱动实物图。
图4-2 电机驱动实物图
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驱动模块的极限参数如表4-1所示。
表4-1 驱动模块极限参数
参数 最大值 最小值 单位
9 2.5 V 电机电源输入电压
5 3.3 V 信号输入电压
2 A 电机通道输出电流
7500 1000 Hz PWM频率
100 0 % PWM占空比
可连接电机数:2+2 通道数
电机采用未来伙伴制作的28JX5K19G4特殊直流减速电机4个。直流减速电机即齿轮减速电机，电机结合国际技术要求制造，内部装有减速齿轮组，提供较低的转速, 功率可达95KW以上，能耗低，节省空间，有较大的力矩;具有很高的科技含量。软件上主控可以采用PWM调速法通过驱动模块控制电机的转速，即由主控系统通过对程序的编程，改变一系列频率输出固定方波的占空比，从而改变加在电机的平均电压，通过功率放大器驱动电机，可改变电机的转速，实现机器人的前进、后退、转弯等功能。电机实物图如图4-3所示。
图4-3 电机实物图
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4.3 循迹模块
光电循迹模块的主要是由16个光电二极管、8个光敏三极管、 2个LM339M芯片、
[10]16个LED灯组合而成。其功能是对白线进行识别，使智能导游机器人可以按规划好的路线前进到达方案所设计的目的地，并能分辨交叉路口以便按程序选择路径进行调整。光电循迹模块原理图如图4-4所示。
图4-4 光电循迹模块原理图
该模块主要采用的两个元件是3DU5C硅光敏三极管、LM339电压比较器。
(1) 3DU5C硅光敏三极管:
它是具有放大能力的光-电转换三极管，NPN分散型，广泛应用于各种光控电路中，光敏三极管的集电极接入正极，其发射极接入负极。该三极管工作原理是当照射光线的反射不足时，基区激发产生电子-空穴对，电流只等于其余两极的穿透电流，光敏三极管处于截止状态，无电信号输出;当光线放射到了基区增加了少数载流子的浓度，增大了发射电流，光敏三极管将导通，从其余两极反馈回放大后的电信号给主控从而进行循迹控制。
(2) LM339电压比较器:
LM339集成芯片的内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的共模范围不但大，而且失调电压小;差动输入电压范围比较大;电源电压范围较宽，双电源电压为?1V-?18V，单电源为2-36V，对比于信号源的内阻限制较宽，输出端电位可灵活选用。LM339其实类似于增益不可调的运算放大器，其内部是用4个独立的运算放大器组合而成，每个放大器有两个正反输入端、一个输出端。两个输入端其中一个是同相输入端，用“+”
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表示，另一个是反相输入端，用“-”表示。当用作电压比较时，随便一个输入端都可以加一个固定的电压作为参考电压，在另一端要加一个需要进行比较的信号电压。由于LM339的输出端相当于不接集电极电阻的晶体三极管，当同相端电压比反相端高时，输出管截止，相当于输出端断路。相反的，当反相电压比正相电压高时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。在使用的过程中，输出端与电源间须接上拉电阻，而当输出的晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上是上拉电阻与负载的值决定的，所以输出端高电位的值会受到所选取上拉电阻阻值的影响。当两个输入端的电压差别大于10mV时，就可以保证输出能从一种状态向另外一种状态转变，所以LM339适合在弱信号的检测等场合使用。LM339芯片原理如图4-5所示。
图4-5 LM339芯片原理图
由图可知，LM339电压比较器是用4个运算放大器组成，其中比较器的输出脚是1、2、13、14号管脚分别连接主控IO口处;反向输入脚4、6、8、10号管脚，用于为正向输入脚提供参考电压，因此将反相脚短接在一起后与电位器的中点位置连接，电位器上端接V，下端接GND，通过改变电位器阻值来改变供给反向输入脚的参考电压;而正向输入CC
脚5、7、9、11号管脚与循迹传感器连接，接收循迹模块的电信号反馈，由于其信号的反馈在3.8V左右，因此将比较电压设置调节为3.7V;针对线路的识别，当光电检测到白线时，电信号反馈3.8V，信号电压高于3.7V比较器输出端输出稳定电信号;而当没有检测到白线时，反馈的电信号低于3.7V，这时比较器输出端输出低电平，这样高低电平不同的反馈信号让主控检测白线识别路线。循迹模块共2个，前后各一个，根据信号反馈的情况，判别智能导游机器人在线路上所处的状况。
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4.4 红外避障模块
该模块采用的是E18-D80NK光电传感器，它是一种漫反射式光电传感器，集发射与
[11]接收于一体，其主要目的是实现对障碍物的识别。由于红外光的特性，所能探测的最大距离，会因物体颜色的不同而不同;白色物体探测的最远，而黑色物体则最近。该传感器的工作原理是像光源一样发散出红外光线束，发射光经过调制后发出，为避免可见光的干扰，接收头对反射光进行解调输出;当物体进入设定的范围内时光束照射到物体就会漫反射回传感器，根据需求通过尾部的电位器旋钮调节检测障碍物的距离，传感器接收到光束的反馈输出低电平，若无反射则输出高电平，根据不同的反馈情况就可以实现对障碍物的
[12]识别，从而进行程序上的控制。
这个传感器所能探测的有效距离在3-80cm可调;电流消耗小，受可见光干扰小;响应时间短且灵敏度高;塑料外壳包装易于装配;使用方便、价格便宜;通常在流水线的计件、机器人的避障等众多场合被应用。避障实物图如图4-6所示。
图4-6 避障实物图
本次设计需要实现的避障功能有:对路障的识别、对陡坡的识别以及在特定情况下帮助循迹模块识别路径和确定车身位置;所以，按照其实现不同功能的需要，安置不同位置的传感器。
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4.5 电源稳压模块
由于智能导游机器人各个模块的工作元件和工作回路都不相同，其工作电压也就有所不同。根据不同的用电情况，电源稳压模块分为三种情况进行，设置稳压模块将20V的电源电压稳定在12V为电机供电，电机要在稳定的工作电压下才能稳定运行;主控芯片需要3.3V供电，用电量不大，采用降压方式将20V电压降至3.3V;其他的用电模块需要用到5V供电，然而用电量也不大，所以也是采用降压方式将20V电压降至5V为各模块供电。
本次设计采用的是LM2596开关电压调节器，它是一种降压开关型集成稳压芯片，由美国的半导体公司生产的，集成了频率补偿和固定频率发生器，能够输出3A的驱动电流;其内含有固定频率振荡器和基准稳压器，具有完善的限流、过温保护电路，同时还有很好的线性和负载调节特性，只需极少的外围器件就可构成高效稳压电路。根据下列公式进行元件的配比，可以挑选元件并输出所需的稳定电压。可调电源稳压原理图如图4-7所示，5V电源稳压原理图如图4-8所示。
V=V(1 + R/ R) 公式 (4-1) OUTREF2 1
R=R(V/V-1) 公式 (4-2) 21OUTREF
图4-7 可调电源稳压原理图
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图4-8 5V电源稳压原理图
4.6 语音模块
ASR M08-A是一个语音识别模块，串口与单片机相连时，模块GND连接单片机GND、
[13]模块TXD连接单片机RXD、模块RXD连接单片机TXD。同时也完美的集成看MP3、WAV的硬解码。它在软件上也可以支持工业级别以上的串口通信
协议
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，存储介质以SPIFLASH作为媒介，减小了生产的成本，还可以改变产品的稳定性。只需要简单的串口指令就可以做到播放我们要说的话，而且这些功能的使用不需要很复杂的底层操作，用起来方便且稳定是它较大的特点。这个模块也是一款深度定制的产品，它集成了3W的功放，可以直接连上喇叭就能播放。ASR M08-A语音模块如图4-9所示。
图4-9 ASR M08-A语音模块实物图
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4.7 辅助模块
辅助模块包括投币模块、按键模块、LCD模块与E18-D50NK光电传感器。其中 E18-D50NK光电传感器，和红外避障一样也是一种集发射与接收于一体的漫反射式光电传感器，然而其功能并不是识别障碍物，而主要是对特殊路面状况的识别从而进行处理做出相应动作。该传感器的工作原理是像光源一样发散出红外光线束，发射光经过调制后发出，为避免可见光的干扰接收头对反射光进行解调输出;当机器人接近特殊路面进入一定范围时光束照射到路面的状况就会漫反射回传感器，可以根据需求通过尾部的电位器旋钮进行调节检测距离，传感器接收到光束的反馈输出低电平，若无反射则输出高电平，根据不同的反馈情况就可以实现对特殊路面的识别，从而在程序上处理进行相应的控制。
智能导游机器人在场地错综复杂时，路面状况各式各样，要通过这样复杂的路面必须进行特殊处理，增设特定功能的传感器进行检测判断，结合循迹模块共同反馈信息，供主
[14]控进行分析判断，进行相应的处理。
投币模块采用光电传感器进行模拟，在研究中我们挥一次手代表投币一次，然后传递信号给主控模块，主控模块处理完毕后再下达指令信号给LCD模块，然后LCD模块显示出投币数，当投币结束后再通过按键模块确认。当主控模块收到按键模块的确认信号后开始处理投币模块返回的数据，根据数据选定去景点的方案后再给各个模块下达指令。
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第5章 系统软件设计
5.1 软件开发平台简介
目前使用Keil uVision4的产品有Keil MDK-ARM、Keil C51、Keil C166和Keil C251。Keil uVision4于2009年2月公布，这一版的Keil的窗口管理系统很灵活，开发人员可以根据自己的习惯爱好去改变窗口的位置，即完全实现了使用者对窗口位置的控制。在这个版本里，用户可以很好的利用屏幕空间，也可以有效地使用多窗口，为用户提供了了整洁、高效的开发环境。ARM公司在2011年3月公布了集成的开发环境RealView MDK，在这个开发工具里集成了新版版本的Keil uVision4。此版本里，它的编译器、调试的工具和ARM元件达到了很完美的匹配。而STM32F103系列作为新一代的嵌入式ARM处理器，它有着丰富的网上资源，只要你想学习可以找到一大堆学习资料，这也是选用此芯片的原因之一。
[15]根据大量的网上资源，我们可以利用开发所需的所有硬件和软件。软件平台界面如图5-1所示。
图5-1 软件平台界面图
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5.2 机器人程序基本流程
(1) 主程序流程图
主程序的主要作用是是对外设进行初始化，然后等待游客投币，开始判断投币数量，
确认完毕后选择所去景点的路线，然后启动语音模块，再带游客去景点，到达景点解说完
毕后自动回到起始点。主程序流程图如图5-2所示。
开始
初始化
否
判断游客投币
是否完成
是
处理投币模块数据
选择景点
前往景点
解说
返回景区
起点处
结束
图5-2 主程序流程图
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(2) 各功能模块初始化程序
Stm32_Clock_Init(9); //系统时钟
delay_init(72); //延时初始化
Ioinit(); //IO配置初始化
LCD_Init(); //OLED屏幕初始化
GUI_Init(); //屏幕GUI初始化
PWM_Init(500,71); //电机PWM配置初始化
string_PWM_Init(20000,71); //舵机PWM配置初始化
string1_PWM_Init(20000,71); //舵机PWM配置初始化
dongzuo_Iint(); //动作初始化
POINT_COLOR=BLACK;
IIC_Init(); //IIC初始化
Init_HMC5883(); //HMC5883指南针初始化
InitMPU6050(); //MPU6050 初始化 5.3 循迹模块程序设计
为了实现其识别线路的功能，2个循迹模块分布于智能导游机器人底盘的下方，为了循迹模块编程所需，特将循迹模块的光电传感器定义为0至15的编号。前方从右侧第一个开始为0，最左边为7;后方从左侧第一个开始为8，最右侧为15。如图5-3所示为循迹传感器分布图。
76543210
89101112131415
图5-3 循迹传感器分布图
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(1) 直线循迹
为了循迹模块编程程序流程所需，设0至2的光敏传感器响应前右，5至7的光敏传感器响应前左，8至10的光敏传感器响应前左，13至15的光敏传感器响应后右。循迹程序基本流程图如图5-4所示。
开始
右转是左=1,
否
右=1,是左转
否
前进
结束
图5-4 循迹程序基本流程图
(2) 圆形循迹
由于实际的地形复杂，线路格式各样的弯转交错，直线的循迹方式已无法满足各式各
样的大弧度曲线，因为光敏传感器的位置不同，反馈时所需要转向的距离也不同，因此在
直线循迹上要设置更大不同的电机转速，从而形成左右的电机转速差，保持白色线路在机
器人的中心位置，实现机器人的曲线循迹或者转弯。圆形线路如图5-5所示。
图5-5 圆形路线图
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第6章 系统硬件测试及分析
硬件需要完成的功能总共有五个，主控模块、稳压模块、循迹模块、语音模块与机器人移动的驱动。
主控模块的测试，主控模块焊接完后，首先在未通电的时候检查芯片及其他外设焊接是否短路。主控模块短路最严重的地方是在管脚83、84位置，管脚84接3.3V电源、管脚83接GND，做此处短路则芯片会受到损坏，故此处需要重点检查。如没有短路则进行下一步通电，通电后开始检测是否可以下载程序，当程序可以成功下载则主控模块就已经检测完毕。 稳压模块需要检测较简单，5V稳压接通电源检测输出电压是否为5V、可调稳压需通过电位器是否可以改变电压值。循迹模块上共有八个指示灯，通电后用白纸挡住硅光敏管，观察指示灯是否会亮，若不亮则需改变电位器的阻值到指示灯亮为止。
硬件检测表如表6-1所示。
表6-1 硬件检测表
功能名 实现功能 检测结果 存在问题
主控模块不一定试主控模块 控制其他模块 完成
用于其他开发
输入电压过大则无5V稳压 输出电压值5V 完成 法改变电压值
可调稳压 可改变输出电压值 完成 只能降低电压
会受到光线的影响循迹模块 实现白线循迹 完成 导致不稳定
语音模块 解说 完成 解说声音僵硬
机器人移动的高速移动控制紧急控制机器人自由移动 完成 驱动 停止有误差
智能导游机器人在循迹过程中会受到光线的影响，所以本设计底盘采用黑色，黑色吸光可以减少光线对循迹的影响。机器人高速移动过程中不易控制紧急停止，所以本设计机器人移动的速度不高，低速可以在遇到障碍物等情况方便处理。智能导游机器人实物图如图6-1所示。
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图6-1 智能导游机器人实物图
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结论
本设计是基于STM32研究的智能导游机器人，通过对它的设计与制作的过程，了解到当前导游机器人的现状，以及机器人发展的趋势。在研究过程中完成了机器人的硬件电路以及机械结构上的制作，在硬件方便满足功能的需要;完成了对机器人循迹、灵活移动的程序设计;通过主控模块连接其他模块，实现各个模块间的相互配合。
在研究的过程中让我深切的体会到科技力量的魅力，让我对科技有了重新的认识，只要你仔细观察就会发现科技就在我们生活中。相信未来科技会与我们的出行越来越紧密，会有更多的机器人走进我们的生活中，我们的生活将会因为机器人而更加便捷。
对于机器人的学习研究，对我来说已是大学生涯的全部，无论是专业课程的学习，机器人协会里的课外自学，还是各种比赛的学习经验，都在于此了。甚至于如今的毕业设计，从最初的查阅大量相关资料，对机器人有了一定的认识;其次在组装机器人的实践中，学习了解其基本结构及相应的功能运作;再其次扩充知识自学结合专业课内所学，了解了一系列的传感器及软件的控制;最后学习软、硬件的结合设计，软件、硬件相互配合，实现功能，不断调试优化，完成设计。最后智能导游机器人实现了准确的循迹、判断是否到达景点以及解说的功能。
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参考文献
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谢辞
经过这几个月的不懈努力，我的毕业论文终于完成了，写作毕业论文是一次再系统学习的过程，毕业论文的完成，同样也意味着新的学习生活的开始。时光飞逝，大学真是个令人成长的地方，无论在学习上和思想上都受益非浅，除了自身的努力外，这与各位老师、同学的悉心指导和无私的关怀是分不开的。
毕业设计是一次综合知识的考核和实践能力的检验，更是一种意志的磨练。它是对我在大学生涯的学习和思想的总结，在此要感谢我的指导老师，在您的的悉心指导和无私的关怀下，我才能顺利的完成毕业论文。同时我还要感谢在我学习期间给我极大关心和支持的各位老师以及关心我的同学和朋友，感谢你们辛勤的汗水和心血。老师的严谨治学的态度和无私奉献的精神使我深受启迪，同学、朋友的热心帮助让我深受感动。大学里，我不仅学到了扎实、宽广的专业知识，也学到了做人的道理。相信通过这次的毕业设计对我今后的工作一定有很大的帮助。再次我要向我的导师致以最衷心的感谢和深深的敬意。
大学真是个令人成长的地方，离别时才知道不舍，失去时才懂得珍惜，感谢学校的精
心栽培，我将铭记我永远是学院的一份子，母校永远是最美好的。
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附录 部分关键程序及解释
部分循迹程序:
void trackingmyself(int k,int speed)
//k为正反向控制 1为正向循迹 -1为反向循迹 speed
{ u16 A;
u16 B;
int n=8;
if(speed==20){n=3;speed=21;}
if(speed==30){n=4;speed=31;}
if(speed==40){n=5;speed=41;}
if(speed==50){n=6;speed=51;}
if(speed==60){n=7;speed=61;}
if(speed==70){n=8;speed=71;}
if(speed==80){n=8;speed=81;}
if(k==1)
{ B=GPIOG->IDR>>1;
A=B|0XFF00;
switch(A)
{ case 0xffe7: //1110 0111
{ if(S11==0&&S12==0) run(speed,speed);
else if(S8==0) run(speed,speed-9-n);
else if(S9==0) run(speed,speed-9-n);
else if(S10==0) run(speed,speed-4-n);
else if(S11==0) run(speed,speed-1-n);
else if(S12==0) run(speed-1-n,speed);
else if(S13==0) run(speed-4-n,speed);
else if(S14==0) run(speed-9-n,speed);
else if(S15==0) run(speed-9-n,speed);
else run(speed,speed); break; }
case 0xfff7: //1111 0111
{ if(S12==0 && S11==0) run(speed,speed-1-n);
else if(S11==0) run(speed,speed-2-n);
else if(S12==0) run(speed,speed-1-n);
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else if(S10==0) run(speed-2-n,speed);
else if(S13==0) run(speed-3-n,speed);
else if(S8==0 || S9==0) run(speed,speed-9-n);
else if(S14==0 || S15==0) run(speed-9-n,speed);
else run(speed,speed); break;}
case 0xffef: //1110 1111
{ if(S12==0 && S11==0) run(speed-1-n,speed);
else if(S11==0) run(speed-1-n,speed);
else if(S12==0) run(speed-3-n,speed);
else if(S10==0) run(speed,speed-3-n);
else if(S13==0) run(speed-6-n,speed);
else if(S8==0 || S9==0) run(speed,speed-9-n);
else if(S15==0 || S14==0) run(speed-9-n,speed);
else run(speed-1-n,speed); break;}
}
30
浙公网安备 33021202002483