摘 要

移动机器人循迹是智能机器人和无人驾驶中非常关键的技术之一。对移动机器人循迹系统进行研究设计，可以为无人驾驶提供硬件控制设备和软件设计思想，具有一定的参考意义。智能小车作为移动机器人的典型代表，本文以智能小车为研究对象，基于市面上最流行的AVR指令集的单片机开发平台Arduino作为主控设备，采用传感器技术研究分析设计移动机器人循迹系统。

本文首先对循迹系统进行方案的比较与论证，循迹系统主要由五大模块组成，分别是：主控设备模块、系统供电模块、驱动模块、避障模块、循迹模块。然后对移动机器人循迹系统进行了部分硬件的设计，采用红外探测法和超声波测距对道路信息进行采集，实现多传感器的有效融合。接下来，在完成系统硬件之后对系统进行了软件设计，采用PWM原理对小车的速度加以调节，还包括循迹、避障模块的软件设计等。最后，对系统进行了测试与分析。在规定的道路环境下，小车能够沿着轨迹自主循迹。循迹过程中遇到障碍物时能够提前感知从而停止避障，障碍物消失之后继续循迹。本次设计实现了有效安全的循迹，达到预期功能。

关键词：Arduino；循迹；传感器；PWM

Abstract

Mobile robot tracking is one of intelligent robots and unmanned in critical technologies. Mobile robot tracking system research designed to provide hardware and software design control equipment, has a certain reference value for the unmanned. Smart car as a mobile robot is a typical representative of this paper, the smart car for the study, Arduino microcontroller development platform based on the market's most popular AVR instruction set as the master device, the use of sensor technology research analysis and design of mobile robot tracking system.

This article first tracking system to compare and demonstration programs, tracking system consists of five modules, namely: master module, the system power supply module, a drive module, obstacle avoidance module, tracking module. Then the mobile robot tracking system was part of the hardware design, the use of infrared detection and ultrasonic distance of road information collection, to achieve effective integration of multiple sensors. Next, after the completion of the hardware of the system software design, using PWM principle of the car speed to be adjusted, further comprising tracking, obstacle avoidance module software design. Finally, the system was tested and analyzed. Under the provisions of the road conditions, the car can autonomously tracking along the track. Tracking process encounters an obstacle to sense in advance to stop avoidance, after the disappearance of the obstacle to continue tracking. The design and implementation of an effective security tracking, to achieve the desired function.

Keywords: Arduino; tracking; sensors; PWM

目 录

第1章 绪论 1

1.1课题研究背景及意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1国外研究现状 1

1.2.2国内研究现状 2

1.3本文的主要研究内容以及组织结构 2

1.3.1本文的主要研究内容 2

1.3.2本文的组织结构 3

第2章 系统总体方案设计 4

2.1系统总体方案分析 4

2.2 控制模块方案 4

2.2.1 Arduino与51单片机性能的比较分析 4

2.2.2 Arduino介绍 5

2.2.3 Arduino的优势 6

2.3系统供电方案 6

2.4驱动方案 7

2.5循迹方案 8

2.5.1循迹方案比较与论证 8

2.5.2循迹原理 8

2.5.3红外探测法原理 8

2.6超声波避障方案 9

2.6.1超声波简介 9

2.6.2超声波测距原理 9

第3章 移动机器人循迹系统硬件设计 10

3.1主控单元选型 10

3.1.1 Arduino的硬件型号 10

3.1.2 Arduino开发板介绍 11

3.2系统供电设计 13

3.3驱动电路设计 13

3.4循迹模块设计 14

3.5 HC-SR04超声波测距模块 15

第4章 移动机器人循迹系统软件设计 18

4.1 软件系统总体设计 18

4.2 运动控制软件设计 19

4.2.1 PWM调速原理 19

4.2.2 方向控制 21

4.3 超声波测距模块的软件设计 21

4.4 循迹的软件设计 22

4.4.1循迹状态的分析 22

4.4.2循迹程序的设计 23

第5章 系统实现和测试 25

5.1系统实现 25

5.1.1实物制作 25

5.1.2程序调试 25

5.2系统测试环境的搭建 26

5.3系统测试 26

第6章 总结与展望 29

6.1 总结 29

6.2 展望 29

参考文献 30

附录A 31

附录B 32

致谢 37

第1章 绪论

1.1课题研究背景及意义

移动机器人是一种融合了多种特性于一体的综合系统，它具有很强的自主性和适应性。同时移动机器人涉计多种技术，例如自动控制，多种传感器技术的结合与运用，信息的融合；同时还涉及到计算机等相关学科。

随着科技水平的不断创新与发展，移动机器人的相关研究在现如今已经变得十分热门，移动机器人在我们的生活中发挥的作用也越来越大^[1]。

移动机器人的循迹是移动机器人技术中的基础和关键部分之一。移动机器人循迹技术可以对很多方面有着参考的意义，在很多方面都有所体现。例如：移动机器人能够代替人们完成许多工作任务，在我们的军事活动中和多种复杂恶劣的环境中，移动机器人可以替代人类在不方便时进入危险地段作业。在民用生活方面，可以代替人们在工厂里实现物料的搬运；商场里和银行里移动机器人还可以帮助人们实现自助式服务，节约了人力。

此外，随着汽车工业的发展，它与电子信息的融合也变得十分紧密了，开始向着智能化的方向发展。移动机器人循迹的研究对于无人驾驶具有一定的参考意义，因此对移动机器人循迹的研究也会变得更加热门和具有现实意义。移动机器人循迹是移动机器人和无人驾驶中非常关键的技术之一。对移动机器人循迹系统进行研究设计，可以为无人驾驶提供硬件控制设备和软件设计思想，具有一定的参考意义。智能小车作为移动机器人的典型代表，本文以移动机器人的模型智能小车为研究对象^[2]。基于市面上最流行的AVR指令集的单片机开发平台Arduino作为主控设备，采用传感器技术研究分析设计移动机器人循迹系统。