寻迹机器人设计

寻迹机器人设计 寻迹机器人设计 摘要 寻迹是机器人的一种简单视觉在机器人的运动中起着非常重要的作用为 机器人运动过程中的位置的准确性提供了保障为了机器人能在任意区域内沿寻 迹线行走自动绕开障碍能停在指定地点并且具有在复杂环境下对象识别 自主推理路径规划及控制功能随着现代计算机技术的发展和应用以及传感 器技术的发展移动机器人的研究又出现新的高潮由于机器人在很多方面的准 确性可靠性和精确性上大大超过了人类机器人技术己经在很多领域里得到了 很好的发展并取得了很好的效果 本文详细介绍了寻迹机器人的设计设计的主要内容包括硬件部分设计和软 件部分设计硬件部分包括一些零件的计算和选择软件部分即控制部分包括电 动机的驱动模块 最后通过对寻迹机器人的技术经济分析显示了其诸多优势如利用柔性生产 系统可以降低生产成本提高生产效率并能改善人的劳动环境充分体现了研究的 意义 关键词寻迹机器人红外传感器 I 寻迹机器人设计 Abstract Tracing the robot is a simple vision the movement in robots playing a very important role for robot movement position in the process has provided a guarantee of accuracy To robot can find any trace within the region along the line walking automatic bypass obstacles can be parked in designated locations And in a complex environment object recognition independent reasoning path planning and control functions With the development of modern computer technology and applications and the development of sensor technology the mobile robot research and the emergence of new high tide As in many aspects of robot accuracy reliability and accuracy of much more than human Robot technology has been in many fields has developed steadily and have achieved good results This paper describes the tracing robot design The main elements of the design including hardware design and software design hardware components including some of calculation and choice Part of that is part of the software including control of the motor drive module Finally the robot found traces of the techno-economic analysis shows that the use of its many advantages such as flexible production system can reduce production costs and increase production efficiency to improve the working environment fully embodies the research significance Keywords tracing robotics infrared sensors II 寻迹机器人设计 目 录 第一章 前 言1 11 选题背景及其研究意义1 12 国内外发展现状及其发展趋势2 13 整体设计思路5 第二章 寻迹机器人总体设计6 21 设计依据6 22 详细设计7 第三章 机械部分设计11 31 控制部分硬件设计11 32 轨迹采样及逻辑控制部分硬件设计13 33 电机驱动部分硬件设计15 第四章 控制部分设计19 41电动机驱动模块软件设计19 42电机pwm驱动22 第五章电机测速及转速控制27 51 转速测量27 52 行走距离控制28 53 电机pid调速控制28 第六章 技术经济分析30 61 前景分析30 62 济效益分析31 63 社会分析31 第七张 结论及展望32 71 结论32 72 展望32 参 考 文 献33 致 谢35 III 寻迹机器人设计 声 明35 IV 寻迹机器人设计 V 寻迹机器人 第一章 前言 11 选题背景及其研究意义 从机器人研究发展来看机器人 Robot 这个词最早出现在2O世纪20年代美 国科幻小说家阿西莫夫的科幻小说中1959年美国英格伯格和德沃尔制造出世界 上第一台工业机器人UNIMATE使机器人从文学幻想变成了现实机器人的历史 才由此开始在几十年的发展过程中机器人技术的研究和发展过程大致经历了 3个阶段第一代是宗教再现机器人第二代是有感觉的机器人 第三代是智能 型机器人机器人技术是近三十年特别是近的十年间有了很大的发展之所以 得到快速的发展是因为其有着广阔的应用前景在诸如制造系统服务行业 [1] 国防及其它社会生活方面都有使用要求 现在对于机器人的研究已成为热门话题其中寻迹机器人就是一种被广泛研 究的机器人各国对该项技术也十分重视而且国内外有许多重要的比赛对这 一领域的研究已经成为国际前沿研究热点之一并显示出强大的生命力和广阔的 应用前景是机器人应用发展最快的领域之一如今在机器人研发领域寻迹机 器人已成为衡量一个国家在机器人制造领域技术水平高低的之一[2]之所 以各国如此重视机器人的研发是因为寻迹机器人具有其独特的优势它可以使 操作人员远离危险的现场被用来进行隧道的掘进军事探测爆炸和危险物的 排除特别是放射性的危险环境中 随着现代计算机技术的发展和应用以及传感器技术的发展移动机器人的 研究又出现新的高潮由于机器人在很多方面的准确性可靠性和精确性上大大 超过了人类机器人技术己经在很多领域里得到了很好的发展并取得了很好的 效果例如在无人驾驶机动车无人工厂仓库服务机器人等领域智能巡迹 机器人有着广泛的应用前景寻迹机器人也已经广泛进入了人们的生活领域为 人类的生产生活带来了诸多方便并且大大提高了工作效率寻迹机器人在仓储 业实现出入库货物的自动搬运在制造业它们生产线中大显身手高效准 确灵活地完成物料的搬运任务[3]目前世界的主要汽车厂如通用丰田 克莱斯勒大众等汽车厂的制造和装配线上得到了普遍应用在邮局图书馆 港口码头和机场物品的运送存在着作业量变化大动态性强作业流程经常调 1 寻迹机器人 整以及搬运作业过程单一等特点寻迹机器人的并行作业自动化智能化和 柔性化的特性能够很好的满足上式场合的搬运要求在烟草医药食品化工 生产加工业对于搬运作业有清洁安全无排放污染等特殊要求它们也能很 好地完成任务在危险场所和特种行业更是寻迹机器人大显身手的领域在军 事上自动驾驶为基础集成其他探测和拆卸设备可用于战场排雷和阵地侦察 在核电站和利用核辐射进行保鲜储存的场所机器人用于物品的运送避免了 危 险的辐射危害人[4]在胶卷和胶片仓库机器人可以在黑暗的环境中准确可靠 的运送物料和半成品我国在水下机器人开发研究方面已达到国际先进水平无 人无缆自主水下机器人的开发和应用都取得重要成果 综上诸多方面可见寻迹机器人的前景将是非常广阔的 12 国内外发展现状及其发展趋势 com发展现状 根据我国机器人技术的发展基础和国家要求已经制订出我国智能机器人的 发展战略即围绕经济结构战略性调整和可持续发展要求突出国家目标确定 特种机器人智能机器与系统先进制造工艺与装备为三大重点发展方向研究 与开发先进制造自动化理论技术和装备促进传统机器的智能化与制造装备自 动化提高我国机器人技术与自动化装备的总体水平力争主要技术跟上世界先 进水平缩小差距部分具有相对优势的技术达到国际先进水平局部重要技术 实现跨越式发展基于上述发展战略提出了发展高级机器人的指导方针包括 以信息化带动工业化和以高新技术改造传统产业占领具有战略性前沿性前 瞻性的高技术制高点缩小主导产业中制造技术与国外的差距以创新为基础实 现突破与跨越式发展建立创新体系有利于可持续发展等在国家高技术研究 发展国家自然科学基金研究计划和国家攻关计划的支持下我国的智能机 [5] 器人研究开发开始进入一个新的时期 近年来国内的很多企业己经意识到物流自动化及即时化生产组织管理的重 要性纷纷酝酿建立自动化物流系统无线导引式机器人作为柔性运输的理想工 具和无人化生产的典型代表愈来愈受到重视和推广应用研究不断深入领域 不断扩展[6]对寻迹机器人的研究有很多方面其中导向与定位技术的研究越来 2 寻迹机器人 越受到重视 海尔集团于 2000 年投产运行的开发区立体仓库中9 台寻迹机器人组成了 一个柔性的库内自动搬运系统成功地完成了每天的出入库货物和零部件的搬运 任务中国在 1990 年于上海邮政枢纽开始使用寻迹机器人完成邮品的搬运工 作许多卷烟企业如青岛颐中集团玉溪红塔集团红河卷烟厂淮阴卷烟厂 应用激光引导式机器人完成托盘货物的搬运工作[7] 寻迹机器人在我国的研究及应用起步较晚20 世纪 70 年代后期国内寻迹 机器人的雏形诞生了北京起重运输机械研究所研制了三轮式AGV[ 自动导航小 车 Automarted Guided Vehicles 是指装有自动导引装置能够沿规定的路径行驶 在车体上还具有编程和停车选择装置安全保护装置以及各种物料移载功能的搬 运车辆] 80 年代后期北京机械工业自动化研究所为二汽研制了应用在立体化 仓库中的AGV 沈阳自动化研究所为金杯汽车公司研制了汽车发动机装配用的 AGV 90 年代清华大学国家CIMS工程中心将从国外引进的寻迹机器人AGV 成功地应用于CIMS 的实验研究清华大学计算机技术应用系研制了用于邮政中 心的AGV 昆明船舶设备研究所研制了激光导向式寻迹机器人AGV 以及吉林 工业大学智能车辆课题组为汽车装配线研制了视觉导向寻迹机器人AGV 等 寻迹机器人的显著特点是无人驾驶其上装备有自动导向系统可以保障系统在 不需要人工引航的情况下就能够沿预定的路线自动行驶将货物或物料自动从起 [8] 始点运送到目的地 世界各国特别是西方发达国家都争先将最新的高技术用于寻迹机器人的研 究和发展并先后在医学界科学技术界工业界制定了各种研究计划许多产 品已经走向市场走向生产应用[9]中国市场潜在巨大的商机并且前景广阔国 外具有高新技术寻迹机器人正以十分昂贵的价格进入并冲击国内市场严重影响 和抑制了我国自己高技术寻迹机器人工业的发展我国政府也非常重视寻迹机器 人技术的研究和发展并在国家自然科学基金863等研究项目中予以重点支持 目前已取得了一定的成果但是与国外先进机器人设备技术相比还存在较 大的差距[10]因此开展基于机器人技术的寻迹机器人及其相关技术研究具有重 大的理论意义和显著的社会及经济效益 com器人发展趋势 3 寻迹机器人 首先导航技术是移动机器人的一项核心技术之一它是指移动机器人通过 传感器感知环境信息和自身状态实现在有障碍的环境中面向目标的自主运动 目前移动机器人主要的导航方式包括磁导航惯性导航GPS导航环境地 图模型匹配导航路标导航视觉导航味道导航声音导航神经网络导航等 上述导航技术各有利弊随着科学技术的不断发展导航技术也将随之提高从 而在抗干扰能力时间分辨率方面得到增强实用性实时性可变性可维护 性等性能得到提高导航技术的提高才能使寻迹机器人变得更加灵敏可靠从 而更好的为人类服务 其次是路径规划技术路径规划是按照某一性能指标搜索一条从起点到目标 点的最优或次最优的无碰路径机器人路径规划的研究始于70年代目前国内外 对这一问题的研究仍然十分活跃根据环境信息掌握程度路径规划可分为环 境信息完全已知的全局路径规划环境信息不完全或未知的基于传感器的局部路 径规划近年来人们研究的热点是环境信息不完全或未知的局部路径规划技术 全局路径规划常用方法有可视图法栅格法自由空间法等可视图法适用于 多边形障碍物对于圆形障碍物该法失效栅格大小的选择直接影响着控制算法 的性能栅格选得大抗干扰能力强环境信息存储量小搜索速度快但分辨 率低在密集障碍物环境中发现路径能力减弱反之栅格选得小抗干扰能力 减弱环境信息存储量大搜索速度慢但分辨率高自由空间法的优点是灵活 起始点和目标点的改变不会造成连通图重构但算法的复杂度与障碍物的多少成 正比且不是任何情况下都能获得最优路径一种可靠准确而又简便的路径算法 [11] 也成了寻迹机器人发展的瓶颈 第三它的研究始于20世纪80年代多传感器信息融合技术是移动机器人的 关键技术之一信息融合是指将多个传感器所提供的环境信息进行集成处理形 成对外部环境的统一表示[12]它融合了信息的互补性信息的冗余性信息的实 时性和信息的低成本性因而能比较完整地精确地反映环境特征从而做出正 确的判断和决策保证了机器人系统快速性准确性和稳定性如何在实际应用 中应根据实际情况选择合适的融合方法从而体现多传感器信息融合方法的优越 性这是多感应器信息融合技术需要攻克的难点 在未来导航技术路径规划技术多感应器信息融合技术三个核心技术的 4 寻迹机器人 提高甚至核心技术的变革决定了寻迹机器人的未来发展趋势 13 整体设计思路 首先对系统进行整体认识通过实验对该机器人的运动过程有一个初步 的了解从而加深对各个元件功能的认识 然后对各个元件进行测绘理解它们的功能并对每个部件进行设计 和选型设计 其次对控制部分硬件部分进行设计包括硬件选择电路图的绘制等 最后对机器人的软件部分进行设计包括控制程序的编写等等 以上是本次设计的一个大致思路具体细节将在后续章节中依次介绍 5 寻迹机器人 第二章寻迹机器人总体设计 21 设计依据 车体尺寸必须在 1010cm 范围内而且对车的运动灵活性要求较高基本 不能考虑模型汽车的转向机制所以将利用模型底盘改制的可能排除了必须 使 用两轮转向机制的结构 底盘设计为了便于制作日后在上面安装其它东西方便同时具有一定的 重量使小车运行稳定所以采用 10mm 厚的聚氯乙烯板材制作此材料便宜 加工特性好可以直接打孔攻丝不像有机玻璃那样易碎只是美观差一些外 形设计成圆型主要是为了不至于频繁的互相卡死 电机电机的选择是最困难的既要便宜又要容易使用还要有改进提高 的可能四驱车的130电机应当是最好的选择此种电机有便宜到几块钱的也 可以花费上百元改制使之性能大大提高如果选择带减速机构的电机驱动方 式是很方便直接将轮子固定在齿轮箱的输出轴上即可但不足是其一是价格 高通常一只在30元以上其二是改变电机性能比较困难所以还是选择了130 电机 驱动方式因为选择了130电机驱动方式就相对麻烦开始受到纽扣电池 小车的启发才决定采用130电机的因为他那种摩擦传动方式比较容易实现 后初步尝试了一下效果不好主要是压紧了之后电机轴与轴套间的摩擦损耗 太大压松了打滑后改用皮带传动才得以实现之所以没有选择齿轮传动主 要是因为没有选到合适的齿轮而且觉得难以得到不同规格的齿轮想改变传动 比就很困难用皮带传动只需改变传动轮的大小即可得到所需的传动比而传动 轮制作比齿轮方便许多 为了简单且不受制约轮子自制轮胎用 O 型密封圈轮毂和皮带传动轮 合并采用尼龙棒车制传动皮带也是用 O 型密封圈这种方式可以按照自己 的需求随意改变轮子的大小和宽窄比较灵活O 型密封圈规格较多取材方便 价格也便宜通常在一元以下一只 6 寻迹机器人 车体采用了两轮驱动方式后另外一个支撑点就成了问题多数万向轮对于 这个 10cm 的小车来说太大了我为此设计了一个使用 10mm 钢珠的球形支点 在摩擦小的时候是滑动摩擦大时滚动性能基本能满足要求且价格很便宜 总共不到 2 元钱 22 详细设计 车体中底盘轮毂小传动皮带轮安装在电机轴上的球形支撑座采用 自制方式详见所附设计图纸 固定电机采用最常见的固定管线夹规格20mm 的大部分五金电器店均 有 目前设计的传动比为81轮胎选用内径 30mm粗 5mm 的 O 型密封圈 传动皮带选用内径 35mm 粗 18mm 的 O 型密封圈 为了轮子转动灵活中心嵌入了一个内径 3mm外径 10mm厚度4mm 的 滚珠轴承轮子安装结构见附图 之所以将车轮设计为直径约 40mm 是为了底盘下有一定的高度便于安装 光电头用于检测轨迹以及以后的检测是否到边 其它就是一些螺丝螺母垫圈等通用件了 这样的小车底盘虽说不十分完善但是相对来说基本满足了多数要求且在 上面比较容易构建自己的结构目前底盘上所设计的四个 M3 的螺丝孔就是为了 安装 25mm 的垫柱构成2 层平面以安装控制部分还可以升到 3 层安装 自己需要的东西关键是取材容易便于自制价格不高除去几个自制件和电 机其它的东西购买不超过 15 元 以下是我在验证设计可行性过程中制作的原型及一些选用的标准件供参考 22(1 小车车体原型 寻迹机器人整体图建模 1 在参考面上画草图 2 主要用拉伸倒角切削等命令建立模型 3 装配完成 7 寻迹机器人 图 1 底座 图 2 固定管线夹 图3 控制器固定盒 图4 整体装配图 图5 130电机 com明 把130电机装配入线圈固定夹内电机和轮用皮带连接将控制 器放入控制器固定盒固定在寻迹机器人底座 第三章 控制部分硬件设计概述及电机驱动部分设计 31 控制部分硬件设计 com思 因为这个项目的主要目的是通过实施学习单片机的使用并且主要是自用而 非有针对的参加某项比赛所以最好所制作的硬件电路能够为进一步学习提供帮 助或者可以作为自己其它项目的实施基础 为此我将系统框架设计为 其中电机驱动逻辑控制部分均为独立的单片机系统这样设计主要出于 单片机已十分便宜可以像普通 IC 那样使用 8 寻迹机器人 电机驱动逻辑比较简单但是实时性要求较高所以独立出来编程较为 容易 电机驱动部分通常会有较大的干扰尤其是驱动普通的直流有刷电机电 刷的火花干扰很强单独使用简单但抗干扰能力强的单片机可使系统更 加可靠 对于走轨迹项目而言逻辑部分并不十分复杂完全可以将电机控制部分融 入其中但是这样系统就不容易修改为其它用途编程难度也增加了 采用独立的逻辑控制模块便于学习者随时根据学习需要替换为所要学 习 的单片机目前我所采用的可能是 51 系列的而日后如需要可以随时 替换为 ARM 或其它我所关注的型号这些新的单片机通常都有成品模块 出售具有完善的数字模拟以及通讯接口这样设计就十分容易接入 达到学习评估的目的 com 单片机的选型依据 因为项目的目标是学习单片机的应用所以我还是选用了 51 系列的单片机 因为 51 的架构十分典型便于初学者理解同时其公共资源是最多的 选择用于学习的单片机我认为主要考虑以下方面 价格便宜 开发手段便宜 自己动手焊接相对容易最好不选用BGA 封装的或是脚距小于 05mm 的 基于上述考虑我选择了宏晶科技的 STC12C5410AD 单片机价格仅 10 元左右它可以使用简单的串口编程ISP不需要专门的编程设备自制一 个串口适配器最多 10 元如果选用现成的 USB 转串口产品也只要 40-50 元 注意不是每种USB 转串口产品都可用下载软件厂家免费提供开发成 本很低封装有 SMD 及 DIP 模式SMD 也是 127mm 脚距的很好焊接 很多人排斥 51 系列的原因是认为 51 资源较少也比较慢这实际上是最 早的 8051 给人留下的印象也是多数教材中所描述的而实际上 51 架构已发 生了很大变化其资源已十分丰富速度也有很大提高以此款 STC12C5410AD 9 寻迹机器人 来说其资源为10K FlashROM 512 字节 RAM8 路 10 位 AD 4 个 PCA 可实现PWM脉冲捕捉等定时功能速度也十分快详情可上该公司的网 站上查询 其它还有许多 51 架构的单片机具有优异的特性和特点如 TI 的 MSC 系列具有一个 24 位 AD 十分适合做高精度的仪器 SiliconLAB 公司的 51F 系列单片机速度极快功耗低体积小资源丰 富有各种不同的规格最快的达 100MPS 引脚还可编程确定功能 ST 公司的 uPSD3xxx 系列有较大的内存可以内置汉字库还集成了 片内 PLD Chipcon 公司现归属 TI 的CC2430 芯片将 ZigBee 无线通讯协议和 51 核集成可构成 ZigBee 无线节点 Nodic 公司的 nRF24E1 芯片将 24GHz 的无线收发模块与 51 核集成 可方便的实现短距离无线通讯 还有很多类似的产品此处就不一一例举主要是想51 架构还是有 其优势的否则不会有如此多的公司基于 51 架构开发出这么多产品至于可靠 性性价比等指标在学习时可忽略但设计产品时才需要考虑这些因素 从另一个角度来说由于目前编程通常使用 C 语言所以对单片机的依附 已不十分紧密只是在设计硬件线路及程序中对硬件初始化时要涉及器件而程 序的逻辑部分几乎与硬件无关所以选择什么单片机学习没有什么绝对的好与 坏关键看自己可利用的资源 32 轨迹采样及逻辑控制部分硬件设计 轨迹采样部分没有考虑采用独立方式主要是因为控制过程中需要一些过渡 信息以便于编程者实现自己独特的控制逻辑 由于寻迹小车逻辑不太复杂所以逻辑控制仍使用STC12C410AD 单片机 实际上电机控制部分目前并未用到 AD 功能主要是为了和逻辑控制部分统一 便于采购所以均选用了带 AD 的芯片对应有不带AD 的价格只便宜 1 元 同时为了逻辑控制部分可以单独工作比如作为 RCX 的输入扩展器实 现类似我以前发表过的LEGO 用轨迹传感器的功能所以在设计上做了考虑 10 寻迹机器人 由于采样部分和逻辑控制部分合并后无法排入一块可以放在前述小机壳中 的 PCB所以也采用的双板结构这样又多出一部分空间就增加了一个小电 流的驱动电路以便可以实现一个简易的小车 com 详细硬件设计 STC12C54xxAD 系列单片机有 8 路 10 位 AD 转换器虽说采用的是扫描 方式逐个完成但其一个通道的 AD 转换时间在 221184MHz 主频下只需约 10us加上通道间的切换时间4 个通道采样时间不到 60us所以可以满足4 通道轨迹采样的要求由于 P10P11 有可能要作为 ISP 编程的控制引脚所 以用 P14 – P17 四个通道作为轨迹采样通道 MCU 资源分配汇总 IO 口 P10 P11 ISP 控制口 兼作通用模拟输入口 P12 P13 通用模拟输入口 P14 P17 4 路光电采样信号输入 P20 P23 马达 1 的4 个驱动使用 PCA2 控制 P24 P27 马达 2 的4 个驱动使用 PCA3 控制 P30 P31 TXDRXD 端作为 ISP 使用兼作为通用的串口 P32 P33 通用的开关量输入口 P34 工作指示灯 P35 用 PWM 输出模拟信号给 RCX P37 控制光电采样器的背景采样4 路共用 内部资源 T0 系统时基 T1 串口波特率 PCA0 生成背景采样控制编程时看是用时基程序控制还是 PWM 硬件 控制 PCA1 DA 输出给 RCX PCA2 马达 1 的 PWM 控制 11 寻迹机器人 PCA3 马达 2 的 PWM 控制 INT0INT1 保留给开关量输入 采样电路中第一级作为电压跟随器提高输入阻抗减少后级电路对光电管 的影响同时增加驱动能力保证在Tx1 截止Tx2 导通状态下能可靠的对 Cx1 充电实现对背景光强度的记忆 第二级是一个减法器同时兼作放大采样时Tx1 导通点亮 LEDTx2 截止第二级的输入实际上为此时的光电信号减去刚才电容上记忆的信号达到 了去除背景光的目的 PCA1 设计为 DA 输出用的 PWM以提供 RCX 输入所需的模拟信号由 于单片机采用的是 33 V 电源输出使用 LMV358 做了电平转换同时使用一个 全桥电路实现与 RCX 的无极性连接为了降低二极管带来的电压损失使用 了4 个肖特基二极管其正向压降约为 015V而普通整流管约为 06V 电源采用 NCP1402 开关型升压芯片所需器件较少电路简单输出电流 约 200 mA 详查NCP1402 电机驱动部分使用的是长电的SS8050 和 SS8550 作为功率驱动标称最 大电流 15A为了便于使用不同的电压驱动电机电路上将电机驱动电压分开 其中的电阻值需要根据所使用的电压确定由于空间有限没有设计短路防护 在编程时要十分注意而且只设计了 H 桥下臂的两个二极管作为 PWM 调功 必须的续流通路省去了上臂的保护二极管所以在软件编写时须注意尽量避 免同时切断所有桥臂导致电机线圈产生高压击穿三极管 发光二极管的设置主要是为了便于监测程序的运行状态可以根据需要 改变 LED 闪烁的方式达到调试或状态检测的目的 电路设计上为了便于作为其他用途PCB 上留出了可以扩充的 IO 口包括 4 路可作为模拟输入的 IO 口接内部AD 转换器 2 路数字 IO接内部外部中断可灵活作为各种用途的监测 TXDRXD 串口既作为编程的接口也可在执行用户程序时作为通用 的数据接口 提供了 33V 和 5V 两种电源便于扩充需要 12 寻迹机器人 为了增加灵活性减小 PCB仍然采用软线引出使用空中对接插头连接 插头资料见之二的附件这样可以方便的按照自己的需要接出所需的信号 而不会受制于直接设计在 PCB 上的插座的约束 从 PCB 的设计上可以看出如果需要更复杂可靠的轨迹采样可以再接一 块采样板使用保留的 4 路 AD 通道实现 8 个轨迹采样或者其他特殊的需求 33 电机驱动部分硬件设计 因为考虑到做好后的驱动电路最好可用于其它场合所以硬件设计上预留了 许多功能 com 需求 可驱动一个直流电机驱动电压范围 5 – 12 V 电流 10 - 20 A 电机驱动要支持4 种工作模式正转反转惰走制动 控制信号可接受UARTSPI 控制标准的宽度 1 – 2 ms 周期 20ms 的 PWM 控制 可支持脉冲反馈实现调速而非调功 可根据脉冲计数控制行走距离 可检测转动方向 支持第二路反馈的脉冲信号以实现转速跟踪 com 概要设计 使用 STC12C54XX 系列 51 单片机控制使用 MOSFET 管构成 H 桥驱 动并使用门电路实现互锁避免造成 MOSFET 短路驱动管设计为可双管 并联以便于扩充驱动电流 采用独立模块方式一个模块驱动一个电机为了能实现多个电机的连锁 提供一个跟踪通道捕获需要跟踪的电机轮子 的转速自动调整自己的速 度以实现准确的直线行走或其它类似的目的 13 寻迹机器人 com 详细硬件设计 以STC12C54XX 单片机为控制核心该芯片具有 4 个通道的 PCA可以 方便的实现转速脉冲测量和方向判断同时也便于接受 PWM 控制信号同时此 款单片机为 1T 的高速工作模式可以使用定时中断控制 MOSFET因为需要 实现 4 种电机工作模式所以使用了 4 个 IO 独立控制 H 桥的 4 个 MOSFET 不能使用简单的 PWM 输出控制 因为用 4 个 IO 独立控制所以必须避免 MOSFET 出现短路使用2 块 4-2 与非门构成互锁逻辑保证不出现同侧上下 MOSFET 同时导通的情况借 此也可以隔离电机的噪声对单片机的影响 因为需要支持 5 – 12 V 的电机工作电压而且互锁逻辑输出还差一级反向 所以控制 MOSFET 使用双极性三极管 9013这样可使用普通的 MOSFET便 于购买如果不使用 9013 则需要选用逻辑电平控制的 MOSFET 在线路及 PCB 的设计上考虑 MOSFET 的双管并联工作以便于日后需 要提高驱动能力 供给电机的电压直接接 MOSFET同时经稳压器 SPX1117-33V 稳压输出 后供单片机和门电路单片机选择 3V 的门电路选用 74HCxx 这样电机 的工作电压可以低到 5 V 4 节充电电池 单片机硬件资源分配 P24 – P27 用于驱动 H 桥 PCA3 用于电机的 PWM 输出工作在定时器模式 PCA2P20用于主测速脉冲输入工作在捕获模式边沿触发 P21 主脉冲输入方向辅助输入用于判断转动的方向 PCA1P35 用于跟踪脉冲输入工作在捕获模式边沿触发 P34 跟踪脉冲的辅助输入用于判断方向 PCA0P37 用于 PWM 控制信号输入工作在捕获模式边沿触发 P14 – P17 用于 SPI 控制输入 P12 P13P22P23INT0INT1用于连接无线模块 PTR4000以便 实现无线控制 P10P11 保留作为 ISP 的控制口 14 寻迹机器人 P30 – P31 用于 UART 控制输入 T1 用于产生 UART 的波特率 T0 系统时基 因为希望体积小一些可以装入一个 59 X 35 X15 mm 的标准小机壳中 元器件采用的是表贴器件将控制和 H 桥驱动分开做成两块 PCB这样可以 灵活一些既可以使用独立的驱动器驱动也可以用逻辑控制部分直接驱动体 积因此也缩小了 两块 PCB 之间采用直针连接形成类似于 4 层板的结构抗干扰性有所改 善PCB 采用 1mm 厚板材 为了便于自行扩充同时减少 PCB 的面积所有输入输出均采用空中对接 插头 如果实在不愿意使用表贴器件也可以采用DIP 封装的用一块试验线路板 作为第二层平台直接在上面焊接元器件试验线路板有双面和单面的双面的 略贵约 10 元块单面的只要 1-2 元块但是这样做出来的东西只能用于这 个小车了在其它场合使用将会横不方便 详细电原理图和 PCB 图见附件 15 寻迹机器人 第四章 控制部分设计 41 电机驱动模块软件设计 根据前面的硬件设计电机驱动模块可以独立成为一个智能的功率驱动 器使 用在硬件的设计中考虑了可以支持多种控制信号但在目前的项目中拟使用 串口控制方式以下的软件设计是基于这个前提的 com 软件要实现的功能 1 接收并解析控制命令 2 使电机有良好的驱动特性可正反转动且转动平稳有力 3 可靠的获取转速反馈信号 4 根据反馈信号使用有效的控制策略使电机达到所需的转速 5 利用码盘的反馈信号控制行走距离 6 可以根据命令实现电机的特殊运行状态刹车惰行 在上述功能中真正影响驱动器性能的是第二项驱动特性和第四项控 制策略虽然通常认为控制策略最重要在自动控制中所着笔墨最多但是在 我们这个项目中因为电机特性不是十分理想驱动又是通过软件完成的这两 部分组成的执行机构如果没有良好的特性那有再好的控制算法策略也无法 实 现良好的电机驱动 com 概要设计 16 寻迹机器人 根据要实现的功能软件分为以下几个部分 1 命令接收解析 完成命令接收命令内容解析 2 电机 PWM 驱动 根据电机控制参数产生驱动信号使电机进入期望 的运转状态 3 速度反馈 读取码盘信号计算出速度数据兼完成计数功能实现 行走距离控制 4 控制策略 根据命令给出的数据和反馈得到的数据计算出电机控 制 参数实现速度控制 电机驱动实际上构成了一个典型的自动控制系统 其中的PID 调节器 由软件的控制策略部分实现驱动器硬件只提供了电流 的开关放大功能而主要的驱动特性实现是由软件中电机 PWM 驱动完成 这样设计使得系统的灵活性增强同时便于学习者掌握控制的实质领会其 中的奥妙 软件总体框架采用消息驱动方式根据消息作相应的处理消息多数由中断 产生如接收到串口数据码盘光电采样中断等对于没有中断源的信号由 系统的时基产生的中断定时查询处理 电机驱动所需的 PWM 信号在中断服务程序中完成因为需要比较准确的脉 冲宽度和周期 程序的流程如下 多个子程序流程图 主流程图 17 寻迹机器人 42 电机 pwm 驱动 根据《电动机的单片机控制》中对直流电机驱动的描述同样的H桥电路 使 用不同的控制信号可以实现两种不同的控制方式其一是双极性可逆PWM驱 动其二是单极性受限可逆PWM驱动 对于双极性可逆 PWM 驱动方式电机在一个 PWM 周期中通过相反的电 流正转停止反转取决于两个方向电流的持续时间如果相等则为停止这 个方式的好处是低速稳定启动快但是耗电大 对于单极性受限 PWM 驱动方式电机在一个 PWM 周期中的电流是同方向的 驱动电机的功率大小取决于电流的持续时间也就是说在一个 PWM 周期中电 机的电流有为0的时候称之为断流现象无疑这种方式在 PWM 值较小时 断流的时间就较长电机运行就不稳定也就是低速性能不好但是由于没有反 向电流消耗所以耗电少 基于这样的原理拟采用如下控制方式 在 PWM 控制值小于 30 此值调式时再作调整时采用双极性可逆驱 动大于 30 则采用单极性受限可逆驱动 为了可以获得最好的电机驱动特性将 PWM 周期设计为可变这样在调 试 中可以找到合适的工作参数 具体实现方法为 设置如下变量 FirstHalf 位前半周标志为0表示处在 PWM 周期的后半周 FirstOut 字节前半周电机控制输出字控制 H 桥的导通和截止 SecondOut 字节前半周电机控制输出字控制 H 桥的导通和截止 FirstTime 字2 字节前半周持续时间 SecondTime 字2 字节后半周持续时间 在程序中设置计算电机控制参数标志当 PWM 的数据变化时则建立此 标志根据 PWM 的值及 PWM 的周期计算出上述数据 先根据 PWM 的值判断应当处于哪种驱动模式 如果是单极性受限 PWM 驱动模式则直接根据 PWM 值和 PWM 的频率 即可计算出前后半周期持续时间然后再根据转动方向给出电机输出控制字 18 寻迹机器人 如果是双极性可逆 PWM 驱动模式根据 PWM 值转动方向PWM 频率计 算出钱后半周的持续时间其前后半周的电机输出控制字不随转动方向变化 其转动方向由前后半周持续时间的比例决定 基于前面设计的硬件电路控制引脚对应关系如下 P24 - CTL 2 H 桥的左下臂1 电平输出导通 0 电平输 出截止 P25 - CTL 1 H 桥的左上臂0 电平输出导通 1 电平输出截止 P26 - CTL 3 H 桥的右上臂0 电平输出导通 1 电平输出截止 P27 - CTL 4 H 桥的右下臂1 电平输出导通 0 电平输出截止 注上面的12 顺序颠倒是由于 PCB 排版造成的桥臂的位置描述是根据 原理图的位置表述的 电机控制逻辑 电机输出控制字根据上述控制逻辑产生 电机的控制输出用 PCA3 的中断产生将 PCA3 设为16 位软件定时器模式 通过在中断中不断加载比较器的内容实现 PWM 输出因为对应最高2000Hz 的 PWM 频率一个周期持续时间只有 500us时间很短所以将 PCA 置为高级 中断以消除中断响应滞后带来的偏差同时简化中断的处理使中断服务时间 尽量短以保证其它程序功能正常 计算电机控制参数标志的建立有两个来源一个是串口所发的开环控制命令 二是闭环模式下 PID 控制所产生这样设计可以方便的使电机驱动器工作于 不 同的模式 具体实现细节见程序 主程序 void main void 19 寻迹机器人 init_hardware init_var EA TRUE 启动中断开始正常工作 while 1 if gb_Up_CaptureOk calSpeed 计算正跳脉冲得 到的速度 proc_Stop 处理行走脉冲计 数 gb_Up_CaptureOk FALSE if gb_Down_CaptureOk calSpeed 计算正跳脉冲得 到的速度 gb_Down_CaptureOk FALSE if gb_SpeedOkgb_EnablePID proc_PID_Ctrl 根据速度值计算 PID 控制值 20 寻迹机器人 gb_SpeedOk FALSE if gb_CalOutValue TRUE 根据变化后的参数计算电机输出控制数据 gb_CalOutValue FALSE calOutValue if gi_ucGetPtr gi_ucSavePtr 处理数据接收 rcvdata_proc if gb_DataOK 从数据帧中提取命令数据 gb_DataOK FALSE getCommandData if gb_10msFlag TRUE gb_10msFlag FALSE gc_uc10msCnt-- if gc_uc10msCnt 0 21 寻迹机器人 gc_uc10msCnt WDTTIME_C feed_watchdog 第五章 电机测速及转速控制 51 转速测量 测速选择了简易码盘作为速度反馈信号使用反射式采样由于担心反射式 采样的分辨率有限所以只设计 10 个黑印我所选择的反射采样器是 Sharp 的 GP330其特点是反射距离远受自然光干涉少作为轨迹采样十分适合但 作为码盘采样有些粗了建议有意尝试者改用其它的小体积近距离的反射采 样器这样分辨率会高一些可以多印一些黑印以提高转速测量的速度和精度 最好使用透射式码盘但是那样结构就相对复杂一些但测量的分辨率可以 大大提高 因为是反射式采样输入信号不会很好所以在硬件设计时就做了考虑线 路如下 输入电路设计一个回差较大的比较器以避免信号不好带来的误脉冲而且回差 可以通过R7R10来调整还可以通过改变R12R14来改变输入信号幅度 通过改变R5和R6R8和R9的比值来改变比较的门槛电平这样设计的目的 是 a 弥补反射式采样器安装带来的偏差 22 寻迹机器人 b 尽量使输出的脉冲信号接近50的占空比为倍速测量提供可能 52 行走距离控制 这是测速功能的一个副产品利用对码盘的脉冲计数可以方便的实现对行 走距离的控制按目前的码盘精度可以控制到 13 cm 左右轮子周长约 13 cm 一圈 10 个分割因为占空比不能保证所以只能取一个边沿信号计数 程序中设计为正跳沿处理脉冲计数因为是控制行走距离所以应当在结束 时采用刹车控制使轮子尽快停下 这个功能还是有些作用的比如预先知道轨迹的情况下提前在转弯处减速 以保证寻迹的可靠 53 电机 PID 调速控制 PID 控制算法源于模拟控制方式其控制的结果和反馈是连续不断的可以 用一个数学模型来表示而数字式的 PID 控制算法如果要接近模拟的效果采 样的间隔必须足够小也就是要求有足够快的采样速度否则会由于数据反馈的 滞后带来较大的偏差导致系统不稳定 由于目前所用的简易码盘方式不可能有快速的采样而且还会由于速度的变 化使采样间隔发生变化相当于在控制回路中增加了一个较大的滞后环节所 以 系统的特性不会很好只是能够借此学习一下 PID 控制的算法体会一下 PID 控制的感觉由于控制对象的不确定不理想倒是增加了学习的挑战性 从这里分析可以看出要想得到好的电机控制效果良好的速度采样机构是 必须的所以在 FIRA 足球机器人中所用的电机多为 Fanhaimer 的空心杯电机 且带有 512 线直接连在电机输出轴上一圈 512 个脉冲的码盘由于它的 电机转速较高其减速比也较大综合后相当于我们这个的 1000 倍这样的采 样分辨率就可以采用定间隔频率采样方式了 基于学习的目的这里还是参照《电动机的单片机控制》书中所介绍的算法 对 PID 控制做一个尝试至少可以让转速作相应变化不至于出现以下现象 23 寻迹机器人 因为电机的负载太轻尤其是经过减速的电机即使供给最小的 PWM 值 电机还是以全速转动但是负载加大一点电机又不转了失去了调速的功能 书中介绍了两种数字 PID 算法对于直流电机的控制应当采用位置式 PID 控制从便于实现的角度考虑采用通过增量式控制算法递推得到 24 寻迹机器人 第六章 技术经济分析 61 前景分析 机器人技术是科技教育和产业化三位一体的事业从技术的角度看机器 人的直接应用领域是各种智能机器人包括家用机器人医用机器人工业机器 人和军用机器人等最大的应用领域是网络信息处理未来网络信息空间中的软 件代理将以类似于足球队员的方式通过合作在竞争环境中完成预定任务此外 预期在不远的将来还将形成一个独立的产业 62 经济效益分析 众所周知由于目前大部分机器人所涉及到许多高新技术丛而耗资大成本 高寻迹机器人是人工智能和机器人学新的标准问题是连接基础研究与实际应 用的中介和桥梁是展示信息自动化前沿研究成果的窗口和促进产学研结合 的新途径相应的各种产品已经开发出来在国外市场上已经很流行中小学生 可以自由组装自己的机器人而且其价位即使对国内消费者也是可接受的初级 组比赛对于培养中小学生的科技素养创新能力和实践能力具有十分重要的作 用对于改变我国中小学教育的落后状况具有重大的现实意义因此在我国 开展初级组比赛及相关的教学必将得到社会各界的普遍欢迎也将得到国家有关 领导人和部门的充分支持 可以预计这将是一个非常重大的市场但目前国内仍是一片空白各种机 器人比赛既是高科技的竞争又具有一定的观赏性和娱乐性另外随着普及程 度的提高越来越多的非专业人员可以参与非专业性的机器人比赛特别是仿真 组比赛可以预期寻迹机器人的开发将产生巨大的吸引力由于我国在机器人 研究方面与世界最高水平的差距远远小于世界先进水平而会对社会产生更大的 吸引力所以机器人研究本身将可以形成一个产业在上述教育普及和"职业 联赛"的带动下有望形成一系列新的市场需求和相关的产品如面向非专业人 25 寻迹机器人 员的网络比赛环境网络直播和收看软件自动评论员各种硬件机器人的产品 和配件高性能电源电机传感器无线通讯设备等 63 社会效益分析 世界各国特别是西方发达国家都争先将最新的高技术用于寻迹机器人的研 究和发展并先后在医学界科学技术界工业界制定了各种研究计划许多产 品已经走向市场走向生产应用中国市场潜在巨大的商机并且前景广阔国外 具有高新技术寻迹机器人正以十分昂贵的价格进入并冲击国内市场严重影响和 抑制了我国自己高技术寻迹机器人工业的发展我国政府也非常重视寻迹机器人 技术的研究和发展并在国家自然科学基金863等研究项目中予以重点支持 目前已取得了一定的成果但是与国外先进机器人设备技术相比还存在较 大的差距因此开展基于机器人技术的寻迹机器人及其相关技术研究具有重大 的理论意义和显著的社会效益 26 寻迹机器人 第七章 结论及展望 71 结论 在本次设计中我主要完成了以下几分内容 第一总体的确定经过大量阅读参考文献确定了设计的总体方案 第二寻迹机器人的硬件设计这部分包括对机器人所用到的主要部件的选取 第三寻迹机器人的软件及控制部分设计这部分包括对控制部分的电路设计及 控制程序的设计 72 展望 机器人的应用越来越广泛几乎渗透到所有领域移动机器人是机器人学中的一个重要 分支寻迹机器人又是移动机器人的一个重要组成部分它将有广阔的研究前 景寻迹机器 人想要在未来有更好地的发展在几大核心技术上必须有所突破也就是导航技术路径规 划技术多感应器信息融合技术三大核心技术掌握了寻迹机器人未来的发展趋势 27 寻迹机器人 参考文献 [1] 金周英(关于我国智能机器人发展的几点思考[J](机器人技术与应用2001 4 5-7( [2] 桑恩方庞永杰卞红雨(水下机器人技术[J](机器人技术与应用2003 3 8(13( [3] 张禹邢志伟 黄俊峰等(远程自治水下机器人三维实时避障方法研究[J](机器人 200325 6 481485( [4] 燕奎臣李一平(袁学庆(远程自治水下机器人研究[J](机器人208>0224 4 299(303( [5] 车远吴敏陈鑫 自动化理论技术与应用 第 8 卷 解放军出版社 200 1 261, 264 [6] 马旭东(处理技术为机器人注入生机国外科技动态2002 4 1720( [7] 丁伯成(关于中国机器人发展前景(机器人技术2001 6 1315( [8] 甘小明徐滨士董世运等(管道机器人的发展现状[J](机器人技术与应用2003( 6 51O( [9] 胡泓姚伯威等 机电一体化原理及应用[M] 北京国防工业出版社 1999 [10] 佟晖 足球入门技术图解(农村读物出版社 20019 [11] 戴皓 RoboCup 中型组机器人控制体系研究和驱动系统设计与实现[硕士学位论文] 北京北方工业大学2004 [12] 张福学 传感器的信号处理[J] 传感器技术 1993 3 [13] 陈鑫吴敏车迅 足球机器人决策子系统设计与分析 计算技术与自动化 2001 [14] 王水平等 PWM 控制与驱动器使用指南及应用电路西安西安电子科技大学出版社 2004122,125 [15]Kawaguchi Y(Yoshida IKumatani Het a1(Development of an inpipe inspection robot for iron pipes[J](Jounal of Robotics Society ofJapan199614 1 137 143( [16]Roman H TPellegrino B ASigrist W R(Pipe crawling inspectionrobotsan 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