輪式機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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1、 本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)、創(chuàng)作） 題目： 輪式機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名：學(xué)號：081002100 所在院系：專業(yè)： 電氣工程及其自動化 入學(xué)時(shí)間： 2010 年 9 導(dǎo)師姓名：職稱/學(xué)位： 副教授/碩士 導(dǎo)師所在單位： 完成時(shí)間： 2014 年 5 月 安徽三聯(lián)學(xué)院教務(wù)處 制 輪式機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘 要：隨著社會的發(fā)展，機(jī)器人逐漸受到了人們的重視，可移動輪式機(jī)器人的研

2、究具有極其重要的意義。其關(guān)鍵的問題就是要解決機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境下系統(tǒng)的正常運(yùn)行和控制，因此輪式機(jī)器人的驅(qū)動系統(tǒng)顯得尤為重要。本文設(shè)計(jì)了一款智能輪式機(jī)器人的驅(qū)動系統(tǒng)，此系統(tǒng)的核心是STC89C52單片機(jī)，通過系統(tǒng)產(chǎn)生的寬帶調(diào)制信號，加上L298N驅(qū)動芯片控制直流電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的基本動作：前進(jìn)、后退、左右轉(zhuǎn)向、速度控制以及避障循跡功能。此次系統(tǒng)研究為機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展與創(chuàng)新積累了經(jīng)驗(yàn)，對機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究發(fā)展具有理論與實(shí)踐價(jià)值。 關(guān)鍵詞：驅(qū)動； PMW； 單片機(jī)； 速度控制； 方向控制 Wheeled Robot Drive System Design Abstrac

3、t: With the development of the society,robot has gradually become more popular. It is more important to research the removable wheeled robot .The key problem is that how to operate and control the robot in complicated situation, so the drive system of it plays an important role. This dissertation is

4、 dedicated to showing a new design of intelligent removable wheeled robot whose kernel lies at the STC89C52 Single Chip Micyoco.The signal of PMW produced by that system and also the operating parameter of direct-current machine controlled by L298N drive chip could realize the basic movement of the

5、robot ,such as advance, back ,turn, speed control,and the function of avoiding obstacles and following previous track. This research gathers experience for the development and creation of robot drive system ,and it also has a high theoretical and practical value of the development of the robot contr

6、ol system. Key words:drive; PMW; Single Chip Micyoco; speed control; direction control 目錄 1 緒論1 1.1引言1 1.2研究背景和意義1 1.3研究內(nèi)容2 2 驅(qū)動系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)3 2.1主控系統(tǒng)3 2.2電機(jī)驅(qū)動模塊3 2.3機(jī)械系統(tǒng)4 2.4電源模塊4 3主要零部件及技術(shù)分析5 3.1單片機(jī)的介紹5 3.1.1 時(shí)鐘電路6 復(fù)位6 3.1.3 STC89C52主要功能6 3.2驅(qū)動模塊方案的分析7 3.2.1 H型橋式驅(qū)動電路7 3.2.2 L298N驅(qū)動模

7、塊組成及各部分功能9 3.3PWM控制12 PWM調(diào)速簡介12 3.3.2 PWM控制電機(jī)的特點(diǎn)12 PWM輸出波形和計(jì)算13 3.4直流電動機(jī)特性簡介13 4機(jī)器人運(yùn)動控制介紹16 4.1總體設(shè)計(jì)概括16 4.2外圍電路拓展16 避障模塊16 4.3控制流程圖錯誤！未定義書簽。 5 總結(jié)20 致謝21 參考文獻(xiàn)22 1 緒論 1.1 引言 當(dāng)今社會發(fā)展迅速，人民生活水平提高，自動化設(shè)備充實(shí)了我們的生活，方便了我們的生活，提高了人們的生活和工作質(zhì)量。機(jī)器人的發(fā)展也及其迅速，從以前的國家高端軍事航空領(lǐng)域滲透到我們生活中的每個角落。小至樓宇辦公、餐醫(yī)療，大到航

8、空航天、軍事武器、重工業(yè)生產(chǎn)，大量的各種各樣的機(jī)器人充實(shí)著我們的生活，其環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，能夠完成人類不能完成的任務(wù)。隨著現(xiàn)代化的逼近，人們都機(jī)器人的需求越來越高，機(jī)器人的種類需求越來越大，機(jī)器人所肩負(fù)的使命越來越重要，使機(jī)器人的控制變得越來越復(fù)雜。現(xiàn)在整體機(jī)器人研究方向朝三個目標(biāo)發(fā)展：一是機(jī)器人的高智能化。二是讓機(jī)器人更像人。三是讓機(jī)器人更小，能夠勝任更精細(xì)的工作。因此需要在機(jī)器人的驅(qū)動控制系統(tǒng)以及算法上深入研究。 1.2研究背景和意義 進(jìn)入21世紀(jì)，經(jīng)濟(jì)全球化及多元化快速發(fā)展，人類進(jìn)入智能化信息化時(shí)代。人們對信息的獲取量、信息的傳遞周期、人們的生活水平、工作質(zhì)量提出了更高的要求。更多信息

9、，更舒適的生活環(huán)境，更方便快捷的工作方式是現(xiàn)代每個人所共同期望的。機(jī)器人在各個領(lǐng)域發(fā)展極為迅速，在各個技術(shù)難題上都有了很大的突破。生活類的機(jī)器人走進(jìn)了普通家庭，如安保、教育、清潔、服務(wù)、娛樂、康復(fù)、治療等智能機(jī)器人獲得了極高的評價(jià)和社會實(shí)用價(jià)值，為廣大人們所歡迎。 機(jī)器人技術(shù)是眾多學(xué)科知識交叉融匯的結(jié)晶，對人工智能、模式識別、自動控制、電子電氣、機(jī)械設(shè)計(jì)電子電路等多個學(xué)科提出了很高的要求，復(fù)雜條件下運(yùn)動控制系統(tǒng)是機(jī)器人完成智能化多功能化中最基礎(chǔ)的研究內(nèi)容，它涉及自動控制，電子電氣，電子電路等多個領(lǐng)域；機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)的研究是機(jī)器人智能化進(jìn)程中的關(guān)鍵所在，對自動控制、電子電氣相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展意

10、義重大。 現(xiàn)代工業(yè)、軍事裝備、航空航天以及民用領(lǐng)域無處不依賴機(jī)器人，其對我國現(xiàn)代化建設(shè)提高人民工作生活質(zhì)量意義重大。機(jī)器人可歸結(jié)為三個大類，第一種是一代機(jī)器人，亦可稱作示教再現(xiàn)型機(jī)器人，是通過一臺計(jì)算機(jī)來控制一個可自由調(diào)整工作角度的機(jī)械，將程序和信息存儲進(jìn)入示教，機(jī)器運(yùn)行時(shí)隨時(shí)調(diào)取數(shù)據(jù)信息發(fā)出指令。如此便可重復(fù)的根據(jù)實(shí)時(shí)示教結(jié)果，再現(xiàn)出種動作，例如點(diǎn)焊機(jī)器人，它只要首次完成點(diǎn)焊示教，以后便重復(fù)這種工作，但是其不能感知外界環(huán)境，所以此種機(jī)器人不能獨(dú)自判斷用力大小工件是否存在以及焊點(diǎn)的好壞，因此第一代機(jī)器人存在很多缺陷。自20世紀(jì)70年代末期，第二代機(jī)器人的研究相繼開始，稱作帶感覺的機(jī)器人，這種

11、帶感覺的機(jī)器人能模仿人類的某些感覺，如力度的大小、觸碰、滑落、視覺成像、聽力和人進(jìn)行相類比，有了這些基礎(chǔ)感知能力，當(dāng)機(jī)器人抓一個物體的時(shí)候，它實(shí)時(shí)用力大小就能感覺出來，亦能夠通過視覺成像，去感受和識別它的形狀、大小、顏色。拿一只雞蛋，其能通過特種觸覺實(shí)時(shí)測算力矩和滑動的情況。 第三代機(jī)器人，是現(xiàn)代對機(jī)器人研究中所要攀登的最高階段，稱為智能機(jī)器人，此種機(jī)器人可人工聲控，只需下達(dá)命令機(jī)器人就能以特種方式完成任務(wù)，也就是其能自主思考將要如何完成任務(wù)。能像人一樣去思考一件事情該怎么去做，該不該做，此種概念型機(jī)器人還局限在某些領(lǐng)域內(nèi)能夠達(dá)到這種智能水平，完全具備像人腦這樣的思維境界的機(jī)器人還不存在，但

12、是我們相信科技的發(fā)展進(jìn)步，更多智能概念的豐富，將會向著這種概念型機(jī)器人無限趨近。。 1.3研究內(nèi)容 對于工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)可分為三部分：執(zhí)行部件、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)包括決策、策略構(gòu)思和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。決策層可實(shí)時(shí)識別環(huán)境，構(gòu)建模型概念，將將要執(zhí)行的任務(wù)分割成最基礎(chǔ)動作序列；策略層將基本動作轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)節(jié)坐標(biāo)協(xié)調(diào)變化的規(guī)律，分配給各關(guān)節(jié)的伺服系統(tǒng)；執(zhí)行機(jī)構(gòu)將某種特定序列及坐標(biāo)變化規(guī)律分配給不同的關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)。一般對機(jī)器人的研究有對機(jī)器人在運(yùn)動中平穩(wěn)性的研究；有在復(fù)雜環(huán)境下自主運(yùn)行及自我診斷的研究；有對機(jī)器人在不同環(huán)境下的通訊能力的研究；還有對機(jī)器人小型化甚至微型化的研究。 本設(shè)計(jì)的是一種基于

13、單片機(jī)最小系統(tǒng)的輪式移動機(jī)器人的驅(qū)動系統(tǒng)。此系統(tǒng)選用STC89C52單片機(jī)為核心，通過其產(chǎn)生的PWM信號控制驅(qū)動芯片；系統(tǒng)連接完成，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的起停調(diào)速控制。因此我們需要研究驅(qū)動電路的控制原理以及實(shí)現(xiàn)方法，了解何為PWM及其產(chǎn)生方法、工作原理，單片機(jī)對機(jī)器人的控制原理，控制算法，討論使用何種電源。了解機(jī)器人的電源分配、穩(wěn)壓、電路保護(hù)方法，選擇合適的電機(jī)種類為其動力裝置，保障機(jī)器人的靈活性。 2 驅(qū)動系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及論證 2.1主控系統(tǒng) 依據(jù)設(shè)計(jì)內(nèi)容的要求可知此系統(tǒng)輸入變量多，系統(tǒng)控制復(fù)雜，因此可草擬兩種設(shè)計(jì)構(gòu)思進(jìn)行整體比較論證，論點(diǎn)如下： 方案一： 選用一片CPLD（如EPM7128L

14、C84-15）作為系統(tǒng)的核心部件，實(shí)現(xiàn)控制與處理的功能。CPLD運(yùn)算速度快、編程較為簡單、可用資源頗為豐富、開發(fā)實(shí)現(xiàn)周期短等優(yōu)點(diǎn)，編程可用VHDL語言。但CPLD在控制上不如單片機(jī)，其運(yùn)算速度極快，機(jī)器人的運(yùn)轉(zhuǎn)速度不需要很高，所以其整個系統(tǒng)不需要過高的信息處理能力，按照此種要求，MCU就足能完成處理任務(wù)。所以此種方案會給控制問題帶來很多不必要的麻煩，不優(yōu)先考慮此種構(gòu)思。 方案二： 以單片機(jī)為系統(tǒng)核心，實(shí)現(xiàn)對運(yùn)行中的機(jī)器人實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集處理，達(dá)到需要的性能指標(biāo)。實(shí)際上此系統(tǒng)關(guān)鍵是要對機(jī)器人運(yùn)動控制實(shí)現(xiàn)，重點(diǎn)放在這上面的話，不難發(fā)現(xiàn)單片機(jī)具有很大的優(yōu)勢，控制簡單快捷，這樣一來，資源極其豐富、控制

15、能力極強(qiáng)以及可位尋址的優(yōu)點(diǎn)顯露無疑。因此此種構(gòu)思較為理想 此設(shè)計(jì)內(nèi)容具有如下特點(diǎn)：開關(guān)量輸入量多，系統(tǒng)控制較為復(fù)雜，因此不宜使用精簡版的點(diǎn)數(shù)極少的單片機(jī)。為此可選用STC89C52單片機(jī)作為系統(tǒng)的核心，因?yàn)槠渚哂泻軓?qiáng)的位操作功能，輸入輸出口也可四線位尋址，此系列單片機(jī)擁有8K可用資源，足以滿足系統(tǒng)要求，其次51單片機(jī)低廉的價(jià)格也是其不可掩埋的優(yōu)勢。 兩種方案對比中選擇51系列單片機(jī)更適合此系統(tǒng)，故決定采用STC89C52為此設(shè)計(jì)的核心處理器。 2.2電機(jī)驅(qū)動模塊 方案一： 用繼電器控制電機(jī)的運(yùn)行和停止,利用開關(guān)檔的切換控制小車的速度，這樣設(shè)計(jì)出來的電路極為簡單易懂容易實(shí)現(xiàn),但是長時(shí)間

16、的高頻率的開關(guān)降低了繼電器的使用壽命，而且繼電器響應(yīng)時(shí)間慢可靠性不高。 方案二： 電機(jī)速度和運(yùn)行狀態(tài)的調(diào)節(jié)可使用電阻網(wǎng)絡(luò)或者數(shù)字電位器。關(guān)鍵在于電阻網(wǎng)絡(luò)不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)速，可靠性不高，性能指標(biāo)不易實(shí)現(xiàn)。數(shù)字電位器價(jià)格代價(jià)過高，在此系統(tǒng)使用不夠理想。電機(jī)阻值較小且電流又比較大，效率很低難以實(shí)現(xiàn)分壓。 方案三： 直流電動機(jī)的控制可用功率三極管。由達(dá)林管可組成H型橋式電路，線性驅(qū)動電路不僅電路和原理簡單而且其具有較強(qiáng)的加速能力，采用此種H橋電路只要工作在占空比可調(diào)的狀態(tài)便可實(shí)時(shí)精確調(diào)節(jié)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，而且此電路運(yùn)行效率可觀，調(diào)節(jié)精度高，控制簡單穩(wěn)定性好，是很常用的PWM調(diào)速技術(shù)。根據(jù)以上分析，此

17、系統(tǒng)可選用L298N電機(jī)驅(qū)動芯片。 2.3機(jī)械系統(tǒng) 此種機(jī)器人要求機(jī)械系統(tǒng)穩(wěn)定，運(yùn)動靈活簡單，可采用兩輪式前驅(qū)方式，兩輪各由一部直流電機(jī)帶動，利用前兩輪差速控制其轉(zhuǎn)向，后輪可采用雙輪亦可采用萬向輪從動，亦起到支撐作用使整個硬件系統(tǒng)穩(wěn)定平衡。 由于機(jī)器人裝有兩個電機(jī)、電池包、電路板等電子器件，使整個機(jī)械系統(tǒng)較重，為了能輕松完成機(jī)器人的啟動，平穩(wěn)運(yùn)行，可在電機(jī)和輪軸之間裝上三級調(diào)速齒輪。 可將電池包安裝在整個機(jī)械系統(tǒng)的前方，保證整體重心較低，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，也增加了前輪的抓地能力，不會因?yàn)榇蚧瓜到y(tǒng)失控。 2.4電源模塊 用兩塊分別為6V和12V的電池包分別為電動機(jī)和驅(qū)動芯片供電，既

18、保證了的可持續(xù)性，又可保證芯片的不受電機(jī)波動對電流的影響。 3主要零部件及技術(shù)分析 3.1單片機(jī)的介紹 STC89C52具有一個8K的只讀存儲器，且可編程可擦除，性能很高，通常簡稱為單片機(jī)。此種單片機(jī)制造技術(shù)先進(jìn)，價(jià)格低廉，并且兼容于MCS-51指令集和輸出管腳。 圖1 STC89C52實(shí)物圖 圖2 STC89C52引腳圖 3.1.1 時(shí)鐘電路 STC89C52單片機(jī)有兩種時(shí)鐘產(chǎn)生方式，其內(nèi)部振蕩器是有兩只反向放大器構(gòu)成。采用內(nèi)部方式產(chǎn)生震蕩時(shí)只需外界定時(shí)原件便可在內(nèi)部產(chǎn)生自激震蕩。采用外部時(shí)鐘電路時(shí)只需保證脈沖寬度即可，正常采用12MHz一下方波信號。 3.1.2復(fù)位

19、復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作。執(zhí)行此復(fù)位操作可將PC值置0。當(dāng)進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)將進(jìn)行正常情況下的初始化，如果出現(xiàn)系統(tǒng)鎖死時(shí)也可手動按鍵復(fù)位重啟。復(fù)位操作也會對其他寄存器產(chǎn)生影響，其復(fù)位值如下表所示。 表1 寄存器 復(fù)位狀態(tài) 寄存器 復(fù)位狀態(tài) PC 0000H TCON 00H ACC 00H TL0 00H PSW 00H TH0 00H SP 07H TL1 00H DPTR 0000H TH1 00H P0-P3 FFH SCON 00H IP XX000000B SBUF 不確定 IE 0X000000B PCON 0XXX

20、0000B TMOD 00H RST引腳是復(fù)位信號的輸入端。復(fù)位信號是高電平有效，其有效時(shí)間應(yīng)持續(xù)24個振蕩周期(即二個機(jī)器周期)以上。 3.1.3 STC89C52主要功能如下表： 表2 STC89C52主要功能 兼容MCS51指令系統(tǒng) 8K可反復(fù)擦寫Flash ROM 32個雙向I/O口 256x8bit內(nèi)部RAM 3個16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷 時(shí)鐘頻率0-24MHZ 2個串行中斷 可編程UART串行通道 2個外部中斷源 共6個中斷源 2個讀寫中斷口線 3級加密位 低功耗/掉電模式 睡眠/喚醒 3.2驅(qū)動模塊方案的分析 機(jī)器人的工作可持

21、續(xù)性以及穩(wěn)定性的指標(biāo)，電池包的性能起到?jīng)Q定性作用，其次取決于電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的效率。電動機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)可細(xì)分為控制器、功率變換器及電機(jī)。高轉(zhuǎn)矩、較大的寬帶調(diào)速范圍、較高的可靠性是電動輪式機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)的基本要求。本系統(tǒng)采用的是直流電動機(jī)，此電機(jī)控制簡單，性能好，而且直流電源在移動物體上容易實(shí)現(xiàn)。 3.2.1 H型橋式驅(qū)動電路 因?yàn)榇蓑?qū)動電路的形狀很像字母H，所以簡單稱其為H橋驅(qū)動電路，現(xiàn)在直流電機(jī)的驅(qū)動電路多采用此種H型全橋，此種電路可很容易的實(shí)現(xiàn)電機(jī)基本運(yùn)行方式，如正反轉(zhuǎn)和正反制動。它的基本原理如圖3所示： 圖3 H橋驅(qū)動電路 當(dāng)Q1、Q4工作在導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，電流就從正極經(jīng)過Q1三極管流

22、經(jīng)電機(jī)到達(dá)Q4，直到流回負(fù)極形成回路電流，如下圖4所示，粗的黑色箭頭標(biāo)明的是電流流動軌跡，細(xì)的環(huán)形箭頭標(biāo)明的是電機(jī)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)方向。 圖4 H橋電路驅(qū)動電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動 同理，圖5標(biāo)明了另外兩只三極管導(dǎo)通時(shí)的電機(jī)及電流運(yùn)行軌跡。 圖5 H橋驅(qū)動電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動 圖6 具有使能控制和方向邏輯的H橋電路 值得注意是必須要保證電機(jī)正常運(yùn)行，就要控制同側(cè)的兩個管子不能同時(shí)工作在導(dǎo)通狀態(tài)。如果三極管Q1和Q2同時(shí)導(dǎo)通，那么電流就會從正極穿過兩個三極管直接回到負(fù)極。因?yàn)榇穗娐分杏秒娖鞅容^少，電流很大從而燒壞三極管，所以在實(shí)際應(yīng)用時(shí)要通過電路來控制三極管開關(guān)。 如上圖6所示，通過電路的進(jìn)一步改

23、進(jìn)，在此電路上加了四個與門兩個非門，便可保證H橋的同側(cè)最多只有一個三極管可以導(dǎo)通。 綜上所述，控制兩個方向信號及一個始能信號便可控制電動機(jī)的運(yùn)行，DIR-L=0則DIR-R=1，始能信號=1，電機(jī)正傳；反之電機(jī)反轉(zhuǎn)，如圖7所示。 圖7 使能信號與方向信號的使用 3.2.2 L298N驅(qū)動模塊組成及各部分功能 此種驅(qū)動芯片是SGS公司旗下的產(chǎn)品，內(nèi)含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機(jī)和步進(jìn)電動機(jī)、繼電器線圈等感性負(fù)載；標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號控制；有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作有一個邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接

24、檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。使用L298N芯片可以驅(qū)動一臺兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī)，也可以驅(qū)動兩臺直流電機(jī)。二相及四相電機(jī)專用其作為驅(qū)動器，可驅(qū)動46V、2A以下電機(jī)，其實(shí)物及引腳圖如下圖8和圖9所示： 圖8 L298N芯片實(shí)物圖 圖9 管腳圖 表3 L298N參數(shù) 尺寸 80mmX45mm 工作電壓 控制信號直流5V，電機(jī)電壓直流3V-46V 最大工作電流 2.5A 額定功率 25W 特點(diǎn) 具有信號指示，轉(zhuǎn)速可調(diào)，抗干擾能力強(qiáng)，具有電壓和電流保護(hù)，可獨(dú)控制兩臺直流電機(jī)，PWM脈寬平滑調(diào)速，可實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。 圖10 管腳連接示意圖 接口連接說明： +5

25、V：芯片電壓5V。 VCC：電機(jī)電壓12V。 GND：共地接法。 IN1-IN4接單片機(jī)。 ENA\ENB接單片機(jī)高電平有效。 L298N邏輯功能如下表： 表4 L298N邏輯功能表 IN1 IN2 ENA 電機(jī) X X 0 停止 1 0 1 順時(shí)針 0 1 1 逆時(shí)針 0 0 0 停止 1 1 0 停止 3.3PWM控制 3.3.1PWM調(diào)速簡介 PWM控制技術(shù)是一種脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，采用該技術(shù)可等效獲得想要的波形。通過控制電路通斷來獲得所需脈沖。用此方式輸出的波形平滑諧波少，再按特定規(guī)則進(jìn)行脈寬調(diào)制

26、，獲得所需電壓大小和輸出頻率。 要控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，通常采用脈寬調(diào)制（PWM），基本方法是在特定頻率下向電機(jī)提供脈沖方波，利用不同占空比的方波信號對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。其原因是電機(jī)線圈會產(chǎn)生很大的感抗，阻礙了輸入電流和電壓的突變能力，這樣的話脈沖輸入信號就被分配到作用時(shí)間上，通過改變始能端輸入方波的占空比來改變電機(jī)兩端的電壓大小，從而達(dá)到精調(diào)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。以下介紹兩種方法實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制： （1）用軟件方式來實(shí)現(xiàn)：編寫延時(shí)程序，當(dāng)執(zhí)行程序時(shí)交替改變端口輸出狀態(tài)，即可獲得脈寬調(diào)制信號。要獲得不同的占空比只要改變延時(shí)時(shí)間。 （2）采用硬件獲得調(diào)制信號，無需CPU參與，減小CPU處理周期。 3.3.2

27、PWM控制電機(jī)的特點(diǎn) 電機(jī)在靜止?fàn)顟B(tài)下突然啟動時(shí)會有一個很大的靜態(tài)摩擦力，電機(jī)轉(zhuǎn)子與負(fù)載質(zhì)量會產(chǎn)生摩擦力，電動機(jī)本身也會產(chǎn)生很大的摩擦力，可簡單概括為電機(jī)啟動時(shí)的阻力力矩，當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩小于阻力力矩時(shí)電機(jī)無法啟動，且會因此系統(tǒng)會產(chǎn)生大量的熱量，但是這種方法也有其優(yōu)點(diǎn)，就是控制原理簡單輸出波動小，線性好，對其他電路干擾小。 只要半導(dǎo)體功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)便可通過寬帶調(diào)制控制電機(jī)出入電壓，進(jìn)一步控制電機(jī)運(yùn)行速度。開關(guān)驅(qū)動方式可調(diào)節(jié)功率半導(dǎo)體工作在此狀態(tài)，當(dāng)開關(guān)管的驅(qū)動信號為高電平時(shí)，開關(guān)管導(dǎo)通，直流電動機(jī)電樞繞組兩端有電壓U。在連續(xù)的兩個時(shí)間區(qū)間內(nèi)驅(qū)動信號高低電平切換，以此重復(fù)即可。 3.3

28、.3 PWM輸出波形和計(jì)算 圖11電壓波形圖 電樞繞組兩端電壓平均值U為： U =（t1×U）/（t1＋t2） =( t1×U)/T=D*U 式中D為占空比，D=t/T，D為一個周期T內(nèi)的開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間t與T的比值。D在0 ≤D≤1區(qū)間內(nèi)變化，占空比D的大小決定著電壓平均值U，通過改變D的值改變輸出電壓的值，實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)速?？捎脤掝l調(diào)速、調(diào)款調(diào)頻、定頻調(diào)寬法調(diào)整占空比，通常采用的是定頻調(diào)寬。占空比越大則輸出平均電壓越大，電機(jī)轉(zhuǎn)動的也就越快，反之越慢。 3.4直流電動機(jī)特性簡介 直流電動機(jī)的機(jī)械特性方程式為： 式中 UN 、ΦN ——額定電樞電壓、額定磁通量； Ke 、Kt

29、—— 與電機(jī)有關(guān)的常數(shù)； Rad、Ra——電樞外加電阻、電樞內(nèi)電阻； n0、△n——理想空載轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速降； n---電動機(jī)轉(zhuǎn)速。 分析上式可得，當(dāng)分別改變 UN和 Rad時(shí)，可以得到不同的轉(zhuǎn)速 n，從而實(shí)現(xiàn)對速度的調(diào)節(jié)。由于Φ =F(If)，當(dāng)改變勵磁電流If時(shí)，可以改變磁通量ΦN的大小，從而達(dá)到變磁通調(diào)速的目的。但由于勵磁線圈發(fā)熱和電動機(jī)磁飽和的限制，電動機(jī)的勵磁電流 If和磁通量 ΦN只能在低于其額定值的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，故只能弱磁調(diào)速。而對于調(diào)節(jié)電樞外加電阻 Rad 時(shí)，會使機(jī)械特性變軟，導(dǎo)致電機(jī)帶負(fù)載能力減弱。于他勵直流電機(jī)來說，當(dāng)改變電樞電壓 UN時(shí)，分析人為機(jī)械特性方程式

30、，得到人為特性曲線如圖16所示： 圖12 直流電機(jī)機(jī)械特性曲線 如圖15所示，理想空載轉(zhuǎn)速n0隨電樞電壓升降而發(fā)生相應(yīng)的升降變化。不同電樞電壓的機(jī)械特性曲線相互平行，說明硬度不隨電樞電壓的變化而改變，電機(jī)帶負(fù)載能力恒定。當(dāng)我們平滑調(diào)節(jié)他勵直流電機(jī)電樞兩端電壓時(shí)，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無級調(diào)速?；谝陨咸匦裕淖冸姌须妷?，實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)速度調(diào)節(jié)的方法被廣泛采用。 4 機(jī)器人運(yùn)動控制介紹 4.1總體設(shè)計(jì)概括 根據(jù)以上技術(shù)及專業(yè)知識分析，此系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為核心，采用兩塊L298N驅(qū)動芯片分別驅(qū)動兩個直流電機(jī)，通過PWM脈寬調(diào)速控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速。整體采用三輪機(jī)械設(shè)計(jì)，前面設(shè)計(jì)兩輪差速控

31、制方向，后輪可采用兩輪從動，也可采用萬向輪做支撐。電源采用分開供電方式，用兩塊電池包分別為電機(jī)和單片機(jī)供電。 4.2 外圍電路拓展 要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動控制，就要求其要具備基本的前進(jìn)后退，左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)以及避開障礙物的能力，這些功能要求其自主完成。下面介紹機(jī)器人避障功能的實(shí)現(xiàn)。 4.2.1避障模塊 機(jī)器人避障有一下三種基本情況。第一種正前方障礙避障；第二種左側(cè)障礙避障；第三種右側(cè)障礙避障。所以要實(shí)現(xiàn)以上三種避障功能，需要在小車上至少安裝三組紅外對管，一個安裝在正前方，另外兩個安裝在小車前方，方向向外偏30度到45度角，具體角度需要實(shí)物調(diào)試。 1.機(jī)器人啟動后正常運(yùn)行軌跡應(yīng)該是直線運(yùn)行，當(dāng)前方

32、暈倒障礙物時(shí)，可設(shè)定其規(guī)律性左轉(zhuǎn)避障，左轉(zhuǎn)一定的角度，前進(jìn)一定的距離，如此重復(fù)運(yùn)動，當(dāng)前方不在有障礙物時(shí)，再按照之前轉(zhuǎn)動的角度和次數(shù)右轉(zhuǎn)，成功避開障礙物時(shí)再按照原始方向前進(jìn)。 2.正常運(yùn)行時(shí)，前方左側(cè)紅外探頭檢測到障礙物時(shí)，可設(shè)定其規(guī)律定右轉(zhuǎn)一定角度，再前進(jìn)一定距離，若不再檢測到障礙物時(shí)，再讓機(jī)器人按照原來轉(zhuǎn)動的角度和次數(shù)左轉(zhuǎn)，以便回到以前的方向運(yùn)行。 3.當(dāng)右側(cè)紅外探頭檢測到障礙物時(shí)，設(shè)定其一律左轉(zhuǎn)。左轉(zhuǎn)前進(jìn)交替進(jìn)行，直到不再檢測到障礙信號為止，再按照左轉(zhuǎn)的角度和次數(shù)右轉(zhuǎn)，回到原來的方向上運(yùn)動。 實(shí)際上除了以上三種情況，還有可能兩個或者三個紅外對管都檢測到障礙信號。若左側(cè)和前方

33、對光管同時(shí)檢測到信號，則規(guī)定其按照第2中情況作出相應(yīng)動作。若右側(cè)和前方同時(shí)檢測到信號，則按照第三種情況處理。若三個管子同時(shí)檢測到信號，則程序控制機(jī)器人停止前進(jìn)，并后退一一段距離至信號消失，再按照情況3處理。 如下圖13所示為紅外對管發(fā)射和接收管實(shí)物圖。紅外發(fā)射管發(fā)射紅外光信號，當(dāng)遇到障礙物時(shí)，其發(fā)射的紅外光會反射給接收管，此時(shí)電力路接收到障礙物信號，信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘査徒o單片機(jī)處理，做出相應(yīng)動作。 圖13 紅外發(fā)光和接收對管 4.3控制流程圖 Stc89c52 時(shí)鐘電路 復(fù)位電路 電機(jī)驅(qū)動電路路diandianlu 避障紅外對管 圖14 主板設(shè)計(jì)框圖 啟動

34、 前進(jìn) 障礙？ 停止 壁障? 停止? Y N N Y 圖15 機(jī)器人運(yùn)動控制流程圖 表5元器件清單 原件 數(shù)量 原件 數(shù)量 原件 數(shù)量 直流電機(jī) 2只 電阻 若干 L298N 2只 單片機(jī) 一塊 二極管 若干 電容 若干 紅外對管 3只 電位器 若干 12MHz晶振 1只 玩具車框架 一個 排針 若干 固定綁線 若干 圖16 電機(jī)驅(qū)動電路圖 5 總結(jié) 此系統(tǒng)是以STC89C52單片機(jī)為核心的輪式機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)。采用L298N電機(jī)驅(qū)動芯片及PWM技術(shù)基本實(shí)現(xiàn)機(jī)器人啟停轉(zhuǎn)向速度控制，另外通過對外圍電路的拓展

35、增加了系統(tǒng)的循跡和避障功能，使整個系統(tǒng)功能更加完善。通過此次設(shè)計(jì)我掌握了以前不熟悉的知識，認(rèn)識了很多新的東西。使我認(rèn)識了自己在很多方面的欠缺不足。 致謝 經(jīng)過查閱眾多專家老師的文獻(xiàn)資料，整理編寫了這樣一篇輪式機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)論文。在構(gòu)思過程中，指導(dǎo)老師和同學(xué)給予了很多寶貴的意見和建議，在設(shè)計(jì)過程中，陳老師教會了我思考問題解決問題的方法，在設(shè)計(jì)所需資料及環(huán)境上給與了大力支持和幫助。在此我對陳老師表示真摯的感謝！同時(shí)感謝所有幫助過我的同學(xué)！感謝老師抽出寶貴的時(shí)間對本文評閱！ 參考文獻(xiàn) [1]郭惠.吳迅. 單片機(jī)C語言程序設(shè)計(jì)完全自學(xué)手冊[M]

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