臺灣博碩士論文加值系統

本論文是探討超音波感測之自走車避障實務設計。自走車的控制器是使用單晶片(89C51)，車上硬體包括感測器避障部分與馬達驅動部分。感測避障部分是以超音波感測器為主要感測元件，架設在自走車左右的前端；驅動部分是以直流馬達作為自走車的動力來源。其速度控制是以脈寬寬度調變技術(PWM)來達成，另外再搭配直流伺服機，來控制前進方向的轉換。自走車避障控制是由前方的超音波感測器，來偵測障礙物的存在，並將訊號傳回主控制器中，藉由多機通訊來聯繫副控制器，進而執行速度與方向的控制，直到前方的障礙物完全避開為止。所有的控制動作都由單晶片上的程式直接計算處理，包括PWM、避障方向控制。而經過實際的測試與實驗，可以確定自走車在未知的環境中可以自行避開障礙物。

The purpose of this dissertation is to explore obstacle-avoiding mobile robot and the design was based on ultrasonic sensors. The controller of mobile robot uses signal chip (89C51). Hardware on mobile robot includes the obstacle-avoiding sensing part and the motor driving part. The obstacle-avoiding sensing part is assembled by two ultrasonic sensors. The two sensors were mounted on both right-front and left-front sides of the mobile robot. The driving part is assembled by DC motor as the power resource of the mobile robot. Its speed control is done through the Pulse Width Modulation (PWM). Besides, the mobile robot configures with DC servomotor to change the direction of advance. As for the obstacle-avoiding part, the ultrasonic sensors in the front sides of the mobile robot detect where is there any obstacle and deliver the signals to the main controller and then communicate with sub controllers by multiprocessor communication. It enforces control of speed and direction until avoiding front obstacles completely. All of the above movements which includes PWM, obstacle- avoiding, are directly handled by the program in the chip. After some real implementations and experiments, it’s sure that the mobile robot can avoid obstacles by itself in unknown environments. The goal is set.

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第一章 序論．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．-1-
1.1 前言．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．-1-
1.2 實驗架構．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．-4-
1.3 研究目的．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．-5-
1.4 論文章節介紹．．．．．．．．．．．．．．．．．．．-5-
第二章 微處理機(89C51)控制器．．．．．．．．．．．．．．．-7-
2.1 89C51單晶片之介紹．．．．．．．．．．．．．．．．-7-
2.1.1 89C51單晶片方塊圖．．．．．．．．．．．．．．-7-
2.2.2 89C51之外部結構．．．．．．．．．．．．．．．-10-
2.2 89C51控制模組．．．．．．．．．．．．．．．．．．-13-
2.3 89C51串列埠功能．．．．．．．．．．．．．．．．．-19-
第三章 直流馬達之基本構造原理與驅動方式．．．．．．．．．-27-
3.1 直流馬達之基本構造．．．．．．．．．．．．．．．．-27-
3.2 直流馬達數學型．．．．．．．．．．．．．．．．．．-29-
3.3 直流馬達驅動方式．．．．．．．．．．．．．．．．．-30-
3.3.1 繼電器切換之正反轉控制電路．．．．．．．．．-30-
3.3.2 H電橋電路．．．．．．．．．．．．．．．．．-34-
3.3.3馬達控制用橋式驅動IC TA7291P．．．．．．．．-36-
3.4 馬達轉速控制．．．．．．．．．．．．．．．．．．．-38-
3.4.1 類比方式．．．．．．．．．．．．．．．．．．-38-
3.4.2 數位方式．．．．．．．．．．．．．．．．．．-42-
3.4.3 微處理機方式．．．．．．．．．．．．．．．．-46-
第四章 直流伺服機轉向機制．．．．．．．．．．．．．．．．-47-
4.1 伺服機的介紹．．．．．．．．．．．．．．．．．．．-47-
4.2 伺服機驅動方式．．．．．．．．．．．．．．．．．．-50-
第五章 超音波感測電路．．．．．．．．．．．．．．．．．．-57-
5.1 超音波感測的認識．．．．．．．．．．．．．．．．．-57-
5.2 超音波感測之等效電路．．．．．．．．．．．．．．．-60-
5.3 超音波驅動電路．．．．．．．．．．．．．．．．．．-63-
5.3.1 超音波發射器．．．．．．．．．．．．．．．．-63-
5.3.2 超音波接收器．．．．．．．．．．．．．．．．-65-
第六章 實驗結果討論與未來展望．．．．．．．．．．．．．．-68-
6.1 車體架構設計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．-68-
6.2 電源供應電路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．-70-
6.3 實驗測試結果與討論．．．．．．．．．．．．．．．．-72-
6.4 未來展望．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．-77-

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圖1.1 本田生產之ASIMO機器人 ．．．．．．．．．．．．．-03-
圖1.2 吸塵器機器人、電子狗及視覺機器人．．．．．．．．．-03-
圖2.1 89C51系統方塊圖．．．．．．．．．．．．．．．．．-08-
圖2.2 89C51接腳圖．．．．．．．．．．．．．．．．．．．-10-
圖2.3 89C51主控制板電路圖．．．．．．．．．．．．．．．-14-
圖2.4 89C51主控制板實品圖．．．．．．．．．．．．．．．-15-
圖2.5 89C51主控制板LAYOUT圖．．．．．．．．．．．．．-15-
圖2.6 89C51副控制板電路圖．．．．．．．．．．．．．．．-17-
圖2.7 89C51副控制板實品圖．．．．．．．．．．．．．．．-18-
圖2.8 89C51副控制板LAYOUT圖．．．．．．．．．．．．．-18-
圖2.9 多處理機通訊之流程圖．．．．．．．．．．．．．．．-21-
圖2.10 主控制器程式流程圖．．．．．．．．．．．．．．．．-24-
圖2.11 速度副控制器程式流程圖．．．．．．．．．．．．．．-25-
圖2.12 方向副控制器程式流程圖．．．．．．．．．．．．．．-26-
圖3.1 rotor的構造．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．-27-
圖3.2 rtator的構造．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．-28-
圖3.3 直流馬達剖面構造圖．．．．．．．．．．．．．．．．-28-
圖3.4 馬達簡化模型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．-29-
圖3.5 繼電器切換之正反轉控制電路．．．．．．．．．．．．-32-
圖3.6 馬達正反轉驅動電路板．．．．．．．．．．．．．．．-33-
圖3.7 馬達正反轉驅動電路Layout圖．．．．．．．．．．．．-33-
圖3.8 H電橋電路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．-35-
圖3.9 TA 7219P結構圖．．．．．．．．．．．．．．．．．．-37-
圖3.10 TA 7219P外觀圖．．．．．．．．．．．．．．．．．．-37-
圖3.11 類比方式產生PWM訊號．．．．．．．．．．．．．．-39-
圖3.12 DAC0800轉換電路．．．．．．．．．．．．．．．．．-40-
圖3.13 鋸齒波產生器．．．．．．．．．．．．．．．．．．．-41-
圖3.14 PWM產生器．．．．．．．．．．．．．．．．．．．-43-
圖3.15 PWM產生器電路板．．．．．．．．．．．．．．．．-44-
圖3.16 PWM產生器Layout圖．．．．．．．．．．．．．．．-44-
圖3.17 不同Duty Cycle的PWM波形．．．．．．．．．．．．-45-
圖4.1 伺服機外觀圖．．．．．．．．．．．．．．．．．．．-47-
圖4.2 伺服機內部結構圖．．．．．．．．．．．．．．．．．-49-
圖4.3 伺服機內部零件．．．．．．．．．．．．．．．．．．-50-
圖4.4 伺服機右邊轉向實測圖．．．．．．．．．．．．．．．-54-
圖4.5 伺服機中間轉向實測圖．．．．．．．．．．．．．．．-55-
圖4.6 伺服機左邊轉向實測圖．．．．．．．．．．．．．．．-56-
圖5.1 超音波感測的應用組合．．．．．．．．．．．．．．．-59-
圖5.2 超音波感測器等效電路．．．．．．．．．．．．．．．-60-
圖5.3 超音波感測器阻抗特性圖．．．．．．．．．．．．．．-61-
圖5.4 超音波發射器電路圖．．．．．．．．．．．．．．．．-64-
圖5.5 超音波接收器電路圖．．．．．．．．．．．．．．．．-66-
圖5.6 超音波感測模組障礙物偵測比較．．．．．．．．．．．-67-
圖6.1 自走車外觀圖．．．．．．．．．．．．．．．．．．．-68-
圖6.2 自走車後輪驅動設計．．．．．．．．．．．．．．．．-69-
圖6.3 自走車前輪轉向設計．．．．．．．．．．．．．．．．-69-
圖6.4 自走車電源供應電路圖．．．．．．．．．．．．．．．-70-
圖6.3 5V及12V電源供應器實品圖．．．．．．．．．．．．-71-
圖6.4 自走車左轉避障．．．．．．．．．．．．．．．．．．-72-
圖6.5 自走車右轉避障．．．．．．．．．．．．．．．．．．-73-
圖6.6 近距離起動未停止狀況下避障．．．．．．．．．．．．-75-
圖6.7 遠距離起動未停止狀況下避障．．．．．．．．．．．．-76-
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表2.1 P3接腳特殊功能 ．．．．．．．．．．．．．．．．．-11-
表2.2 串列埠控制暫存器SCON．．．．．．．．．．．．．．-20-
表2.3 一對二通訊之動作步驟 ．．．．．．．．．．．．．．．-22-
表3.1 H電橋馬達動作真值表．．．．．．．．．．．．．．．-34-
表4.1 直流伺服機S03T規格表．．．．．．．．．．．．．．-48-
表5.1 物質的音波傳送速度．．．．．．．．．．．．．．．．．-62-

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