1389.智能机器人的研究与设计——自动循轨和语音控制的实现论文.doc

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1、毕 业 设 计智能机器人的研究与设计 自动循轨和语音控制的实现 姓 名 院（系） 信息学院专业班级 学 号 指导教师 职 称 论文答辩日期 农业技术学院教务处制II摘 要本文介绍了一种智能机器人的设计原理。利用红外传感器光电转换特性，以STC89C52单片机作为核心控制单元对检测信号进行处理，完成了智能机器人控制系统的设计。设计中使用STC89C52单片机来控制语音合成芯片，此芯片无须A/D转换和压缩就可以直接储存，没有A/D转换误差。ISD4004片内集成了晶体震荡器,麦克前置放大器,自动增益控制等，只要很少的外围器件，就可以构成一个完整的声音录放系统。因此避免了一般固体语音电路因为量化和压

2、缩造成的量化噪声和失真现象。文章详细介绍了系统构成、软硬件设计方法。该机器人控制系统基于红外技术、单片机等技术，采用控制方式为单向PWM的直流电机，以与地面颜色有较大差别的线条作引导，实现了步行、步伐调整、语音、声控、地面探测等功能。系统在智能性、准确性、实时性方面达到了较高的要求。具有较好的应用前景。关键词：单片机 语音芯片 红外传感器 智能机器人目 录1 绪论11.1 智能机器人的发展状况11.2 研究的目的和意义21.3 智能机器人设计的总体描述22 红外反射光电传感器22.1 红外反射光电传感器22.2 红外光电传感器GP2A2542.3 红外循轨的基本原理62.3.1 工作原理62.

3、3.2 测试精度的影响因素62.4 智能机器人的路径跟踪技术73 语音录放芯片83.1 语音芯片ISD4004简介83.2 ISD4004的工作原理103.3 ISD4004指令114 单片机 STC89C52114.1 主要芯片STC89C52特性分析114.2 单片机并行I/O口电路结构及其特性114.2.1 中断寄存器114.2.2 计数器115 硬件电路设计115.1 自动循轨115.2 语音录放115.3 电机驱动116 软件设计116.1 设计思想116.2 流程图117 结果与总结117.1 智能机器人能够实现的基本功能117.2 总结11参 考 文 献11英 文 摘 要11附录

4、 总体电路图11致 谢11农业技术学院毕业论文(设计)成绩评定表111 绪论1.1 智能机器人的发展状况 机器人是自动执行工作的机器装置。机器人可接受人类指挥，也可以执行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。机器人能力的评价标准包括：智能，指感觉和感知，包括记忆、运算、比较、鉴别、判断、决策、学习和逻辑推理等；机能，指变通性、通用性或空间占有性等；物理能，指力、速度、连续运行能力、可靠性、联用性、寿命等。因此，可以说机器人是具备一些与人或生物相似的智能能力的空间三维坐标机器，是一种具有高度灵活性的自动化机器。展望未来，机器人技术可从下列几个方面进行研究与开发：（1）开发恶

5、劣有害工况下的机器人除了在传统应用领域改进设计，以提高机器人功能和性能外，应大力开辟新的应用领域。除了电子、家用电器、食品和钟表等工业外，还要特别注意开发在恶劣有害工况下应用的机器人，如原子能、冶金、化学、化纤、建筑、高空、海洋和水下以及矿山等工业。这些部门，许多工作无法或不宜由人工去完成，而且往往要求有一定程度的智能。从劳动保护角度来看，使用机器人也是必要的。（2）巩因和扩大机器人在制造业中的应用，实现高级自动化制造自动化正向组合柔性自动化的方向发展。许多先进工业国家都在这方面开展大量研究并付诸应用。例如，日本和美国的汽车工业，都先后建立了柔性制造生产线，在FMS和CIMS中，各类工业机器人

6、和智能机器人各显神通，大有用武之地。（3）加强康复机器人的研究与应用为广大伤残人员研制各种康复机器人是一项十分有意义的工作，它将为伤残人员解除或减轻痛苦，提高他们的生活自理能力，甚至可能帮助他们重返劳动岗位。可以在假肢、矫形、遥控和导盲等方面开展研究和设计、研制出新一代康复机器人。（4）发展家用和护理机器人机器人已开始进入家庭、办公室和医院等处，这方面发展潜力很大。可以预期，用于清扫、洗刷、守卫、煮饭、娱乐和照料小孩的机器人将进入千家万户；在办公室，机器人能够从事接待、接电话、打印文件，甚至处理一般问题；在医院，护理机器人能够护理病人、为病人量体温、送药送水、打针、挽扶，甚至与病人谈天、为病人

7、唱歌等。这些机器人的开发包含许多重要的考虑，因为它们是直接与人打交道和为人服务的。（5）研制太空和军用机器人人类在征服宇宙空间方面已多次使用机器人、机械手协助进行太空探索研究。然而，这些机器人的功能有待扩大与提高。在国防上，各种军用机器人也在研究之中。把高科技成果用于军事目的，本来是应该反对的，但是既然别人搞了，我们为了国防现代化，研制一些防御性的军用机器人也是必要的和可以理解的。1.2 研究的目的和意义1当代科学技术发展的特点之一，就是机械技术和电子技术、信息技术的有机结合，智能机器人就是这种结合的产物之一。现代机器人都是由机械发展而来，它们首先是一种机器。与传统机器的区别在于，智能机器人有

8、计算机控制系统，因而具有一定的“智力水平”，人类可以籍此编制相应的动作程序，使它们完成各种不同的活动。智能机器人是具有感知、思维和行动的机器，它可以获取、处理和识别多种信息，自主地完成较为复杂的操作任务。智能机器人作为新一代生产和服务工具，在制造领域和非制造领域具有更广泛、更重要的地位。一些“激进”的科学家们认为，在不远的将来，智能机器人将同计算机和网络一样，成为人们工作生活中不可缺少的重要组成部分，工厂有机器人，家庭、医院、商店、学校都将有机器人，机器人无处不在，这不仅会革命性地改变着人们生活方式，而且许多传统的行业也会因它而重新进行定位。1.3 智能机器人设计的总体描述本设计预期可以实现的

9、基本功能：（1）循轨：采用与地面颜色有较大差别的线条作引导，使用传感器感知导引线，利用STC89C52单片机和单向PWM的直流电机，实现机器人的自动循轨导航。（2）语音：利用语音录放芯片事先录入声音，再以单片机作为控制，命令播放语音，实现其语音功能。 2 红外反射光电传感器 2.1 红外反射光电传感器（1）特性与工作原理反射式光电传感器的光源有多种，常用的有红外发光二极管，普通发光二极管，以及激光二极管，前两种光源容易受到外界光源的干扰，而激光二极管发出的光的频率较集中，传感器只接收很窄的频率范围信号，不容易被干扰但价格较贵2。理论上光电传感器只要位于被测区域反射表面可受到光源照射同时又能被接

10、收管接收到的范围就能进行检测，然而这是一种理想的结果。因为光的反射受到多种因素的影响，如反射表面的形状、颜色、光洁度，日光、日光灯照射等不确定因素。如果直接用发射和接收管进行测量将因为干扰产生错误信号，采用对反射光强进行测量的方法可以提高系统的可靠性和准确性。红外反射光强法的测量原理是将发射信号经调制后送红外管发射，光敏管接收调制的红外信号，原理如图1所示。发 射接收电路vout 反 4 射 表 面 10 x/mm图1 红外发射接收原理 图2 光强度相应曲线 反射光强度的输出信号电压Vout 是反射面与传感器之间距离x的函数，设反射面物质为同种物质时，x与Vout 的响应曲线是非线性的，如图2

11、所示。设定输出电压达到某一阈值时作为目标，不同的目标距离阈值电压是不同的。（2）基本结构 红外线光电传感器是利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，由同步回路选通而检测物体的有无，其物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均可检测3。其基本结构如图3。图3 红外光电传感器2.2 红外光电传感器GP2A254 (1) GP2A25的特性a、光模块化系统防止外部光线干扰；b、与3-pin连接器输出类型协定；c、长焦距类型；d、可直接连接TTL。（2）注意事项a、为了得到稳定的电源，在接近器件的地端和电源端之间接上一个大于0.33uF的旁路电容；b、因为该器件的透镜零件是丙烯酸树脂，所以不要进行垂度清洁

12、或超声净化；c、用鼓风机或者沾有洗涤剂的软布清洁灰尘或污迹。(3)测试高峰脉冲值Iccp的情况 图4 高峰脉冲值（4）测试探测距离属性的情况 图5 探测距离属性（5） 测试电路的反应时间 图6 测试电路的反应时间 （6）轻微的外在干扰IIIuminance的试验条件 图（a） 在不探测的时候 图（b）在探测的时候 图7 试验条件2.3 红外循轨的基本原理 2.3.1 工作原理 反射取样式光电传感器的工作原理是传感器红外发射管发射出红外光，接收管根据反射回来的红外光强度大小来计数的，故被检测的工件或物体表面必须有黑白相间的部位用于吸收和反射红外光，这样接收管才能有效的截止和饱和达到计数的目的5。

13、所以在选择工作点、安装及使用中最关键的一点是接收管必须工作于截止区和饱和区。 2.3.2 测试精度的影响因素 （1）使用中光电传感器的前端面与被检测的工件或物体表面必须保持平行，这样光电传感器的转换效率最高。（2）光电传感器的前端面与反光板的距离保持在规定的范围内。（3）光电传感器必须安装在没有强光直接照射处，因强光中的红外光将影响接收管的正常工作。（4）光电传感器的红外发射管的电流在210mA之间时发光强度与电流的线性最佳，所以在电流取值一般不超过这个范围，若取值太大发射管的光衰也大长时间工作影响寿命；若在电池供电的情况下电流取值应小，此时抗干扰性下降，在结构设计时应考虑这点，尽量避免外界光干扰等不利因素。（5）安装焊接时，光电传感器的引脚根部与焊盘的最小距离不得小于5mm，否则焊接时易损坏管芯。或引起管芯性能的变化。焊接时间应小于4秒。（6）光电传感器在具体的工作环境中最佳工作状态的参数选择方法：根据实际的检测距离选取光电传感器的型号。 安装好传感器，做好工件或物体表面的取样标