0093-智能巡線機器人設計

0093-智能巡線機器人設計,智能,機器人,設計 前 言 智能巡線機器人設計 任務書 設計（論文）題目： 智能巡線機器人設計 1．畢業(yè)設計（論文）的主要內容及基本要求 1.總體方案設計； 2機械整體設計； 3.控制設計； 4編寫設計說明書； 2．指定查閱的主要參考文獻 1.《機器人控制電子學》 2.《機器人探索》 3.《機器人的創(chuàng)意設計與實踐》 4．《MSP430系列——FLASH型超低功耗16位單片機》 （電子和機械方面的書） 3．進度安排 設計（論文）各階段名稱 起 止 日 期 1 查閱和搜集設計資料，在此基礎上指定設計方案 2 進行整體方案設計 3 機械整體設計 4 控制設計 5 編寫設計說明書 6 檢查 前 言 第3頁 摘 要 近年來機器人的研究和應用已經不僅僅局限于軍用領域。許多應用于軍用機器人上的成功技術已經在民用機器人中得到了一定的應用。在工業(yè)機器人的基礎上，運用了傳感器技術和單片機智能控制技術，設計出了一種能自動運送貨物的職能巡線機器人。 論文首先對智能巡線機器人總體設計方案進行敘述，闡述其各要素的工作原理，然后就整個智能巡線機器人系統(tǒng)劃分為五個模塊，分章節(jié)對各個模塊設計制作進行闡述。 機器人機械結構部分，通過分析常用的車輪驅動配置方式，擇優(yōu)選擇了前排安裝兩個萬向輪、后排安裝兩個獨立驅動輪的設計方案，充分考慮到了巡線的簡易性和穩(wěn)定性。 機器人傳感器接口與驅動電路部分，詳細闡述了光電傳感器檢測信號原理，敘述了設計所采用的光電傳感器接口電路詳細設計方案，分析了傳感器采用該種布局方案的原因。針對機器人的機械特性和速度要求，選用了L298N驅動芯片驅動電機，分析了它的優(yōu)缺點和可行性。 機器人主控系統(tǒng)硬件部分闡述了主控芯片選型，主控電路設計方案，以及相應的接口說明。軟件部分在MSP430平臺上實現了快速、穩(wěn)定、準確的巡線方法。 關鍵詞: 機器人；巡線；光電檢測；PWM驅動。 Abstract In recent years, research and design of robot has not been limited just in military field. Many technologies, which had been used in the military field cuccessfully, have been used in the field of civilian robot. Based on the industrial robot, and by applying sensor interface control and SCM intelligent control, this project has designed one kind of biranpower line walking robot that is able to carry the goods by itself. In this thesis, the overall design of autonomous line-tracking robot and principle of each essential element have been described. The robot system has been divided into five parts as fellow. The autonomous line-tracking arithmetic is the key of this project research. The relative position relationship between the robot and the leading line is divided into seven typical states; the adjustment strategy has been described respectively. An implementation principle to enable centerline approaching the leading-line gradually has been described by adjusting continuously chassis posture. In mechanical structure part, by analyzing the normal wheel drive configurations, it has been choiced that two universal wheels are installed in the front and two independent driving wheels are installed in the rear, which takes fully into account the simplicity and stability of the line-tracking. In sensor interface and drive circuit part, a detail explanation of photoelectric sensor and interface circuit has been discussed carefully. To adapt the robot mechanical properties and speed requirement, two motor driving circuits based on different principles have been designed and their advantages and feasibility analyied. In robot control system part, hardware and software have been discussed such as CPU choosing, control circuit designing, and hardware interface assigning, etc. Based on the MSP430, the speed difference from left and right wheel created by the Pulse-Width Modulation adjusts the position of the robot and leading line, which carries out the autonomous runs along with the leading line quickly, stably and accurately. Keywords: Robot; Line-tracking; Photoelectric Sensor; PWM. 前言 機電一體化是綜合應用機械技術、微電子技術、信息技術、自動控制技術、傳感測試技術、電力電子技術、接口技術及軟件編程技術等，機器人則是機電一體化的顯著代表。機器人根據系統(tǒng)功能目標和優(yōu)化組織結構目標，以智力、動力、結構、運動和感知組成要素為基礎，對各組成要素及其間的信息處理、接口耦合、運動傳遞、物質運動、能量變換機理進行研究，使得整個系統(tǒng)有機結合與綜合集成，并在系統(tǒng)程序和微電子電路的有序信息流控制之下，形成物質和能量的有規(guī)則運動，在高功能、高質量、高精度、高可靠性、低能耗意義上實現各種技術功能組合以得到最佳功能價值的系統(tǒng)工程技術。 機器人技術作為20世紀人類最偉大的發(fā)明之一，自1960年代初問世以來，經歷40年的發(fā)展已取得長足的進步。機器人的出現并高速發(fā)展是社會和經濟發(fā)展的必然，是為了提高社會的生產水平和人類的生活質量，讓機器人代替人干那些人干不了、干不好的工作。在現實生活中有些工作會對人體造成傷害，比如噴漆、重物搬運等；有些工作要求質量很高，人難以長時間勝任，比如汽車焊接、精密裝配等；有些工作人無法身臨其境，比如火山探險、深海探密、空間探索等；有些工作不適合人去干，比如一些惡劣的環(huán)境、一些枯燥單調的重復性勞作等；這些都是機器人大顯身手的地方。服務機器人還可以治病保健、保潔保安；水下機器人可以幫助打撈沉船、鋪設電纜；工程機器人可以上山入地、開洞筑路；農業(yè)機器人可以耕耘播種、施肥除蟲；軍用機器人可以沖鋒陷陣、排雷排彈……。 可以說，機器人的應用范圍非常之廣。據國外專家預測，2l世紀將是機器人技術革命的世紀，機器人作為全面延伸和擴展人的體力和智力的手段將實現“當代最高意義上的自動化”。機器人的應用和普及正在改變人類的生產方式、生活方式和作戰(zhàn)方式。 第11頁 目 錄 摘要 1 Abstract 2 前言 3 第1章 緒論 1 1．1 機電一體化技術簡介 1 1. 2智能巡線機器人的概況 2 1. 3 課題的主要內容 2 第2章 自動巡線機器人總體方案設計 4 2．1 機器人要素分析 4 2．2 機器人總體分析 5 2.2.1 場地分析 5 2.2.2 機械結構分析 5 2.2.2控制系統(tǒng)框架設計 5 2.2.4運動姿態(tài)分析 5 第3章 機械結構設計 7 3．1 移動機器人的車輪驅動配置 7 3.1.1 機器人常用車輪驅動配置介紹 7 3.1.2 本系統(tǒng)所采用的車輪驅動方式配置 10 3．2 機器人機械尺寸設計 11 第4章 傳感器接口電路設計 13 4．1 機器人對巡線傳感器的要求 13 4．2 超聲波傳感器 13 4.2.1超聲波傳感器的原理 13 4.2.2 超聲波的發(fā)射與接受電路 15 4．3 紅外光電反射式傳感器 15 4.3.1 紅外光電反射式傳感器原理 16 4.3.2 基于反射光強度測量的紅外光電反射式傳感器電路 17 4．4 紅外光電反射式傳感器布局 19 第5章 電機驅動電路設計 21 5．1 驅動電機的選用 21 5.1.1電機減速器的選擇 22 5.1.2 所選電機性能校核 23 5．2 直流電機的轉動控制 24 5．3 直流電機的速度控制 26 5．4基于L298的驅動電路 28 第6章 智能巡線機器人之態(tài)調整方法 31 6．1 總體分析 31 6．2 姿態(tài)分析 32 第7章 主控系統(tǒng)的設計 36 7．1 主控制芯片的選型 36 7.1.1 MSP430系列與89C51系列單片機 36 7.1.2 選用的MSP430F449的原因 38 7.1.3 MSP430F449的引腳 39 7．2 主控單元電路設計 39 7．3 MSP430實現巡線算法 43 7. 4巡線改進方法的實現 46 7. 5轉彎分析 51 總結與展望 56 致謝 57 參考文獻 58 附件一：程序 60 附件二：元件 76 第1章 緒論 本章首先從機器人的發(fā)展歷程引出機器人研究的發(fā)展趨勢，再具體到本次設計針對的任務要求，明確了設計任務的主要內容。 1．1 機電一體化技術簡介 “機電一體化”源于“Mechatronic”,是一個新興的邊緣學科，國內外都處于發(fā)展階段，她代表著機械工業(yè)技術革命的前沿方向。她是當代科學技術發(fā)展最為活躍的領域之一。機電一體化是綜合應用機械技術、微電子技術、信息技術、自動控制技術、傳感測試技術、電力電子技術、接口技術及軟件編程技術等，根據系統(tǒng)功能目標和優(yōu)化組織結構目標，以智力、動力、結構、運動、和感知組成要素為基礎，對各組成要素及其間的信息處理、接口耦合、運動傳遞、物質運動、能量變換機理進行研究，使得整個系統(tǒng)有機結合與綜合集成，并在系統(tǒng)程序和微電子電路有序信息流控制之下，形成物質和能量的有規(guī)則運動，在高功能、高精度、高可靠性、低能耗意義上實現各種技術功能組合以得到最佳功能價值的系統(tǒng)工程技術。機電一體化技術的產生與發(fā)展的根本原因在于社會的發(fā)展和科學技術的進步，系統(tǒng)工程、控制工程和信息論是機電一體化的理論基礎，是機電一體化技術的方法論。半導體大規(guī)模集成電路制造技術的進步則為機電一體化奠定了物質基礎，機電一體化技術的研究與應用融合于學科交叉。機電一體化依賴于相關技術的發(fā)展，同時也促進了相關技術的發(fā)展。 目前世界上普遍認為機電一體化可以分為兩大類：生產過程機電一體化和機電產品一體化。機電產品的機電一體化是機電一體化的核心，是生產過程機電一體化的物質基礎。傳統(tǒng)的產品加上微機控制即可轉變?yōu)樾乱淮漠a品，而新產品較之舊產品具有功能強、性能好、密度高、體積小、重量輕、更可靠、更方便、經濟效益顯著等優(yōu)點。機電一體化產品小到兒童玩具、家用電器、辦公設備，大到數控機床、機器人、自動化生產線、航空航天器，因此，可以說機電一體化技術幾乎涉及到社會的各個方面。其中，生產過程的機電一體化包括產品設計、加工、裝配、檢測的自動化，生產過程自動化，經營管理自動化等。 當傳統(tǒng)機電產品引入電子技術、計算機技術和自動控制技術時，就形成所謂的新一代機電一體化產品。典型的機電一體化產品體現了機械技術、電子技術、計算機技術等的有機結合，幾種多種高新技術，并把多種功能集成在一起，在市場上具有極強的競爭能力。機電一體化是機械、微電子、控制、計算機、信息處理等多學科的交叉融合，起發(fā)展和進步有賴于相關技術的進步與發(fā)展。其主要發(fā)展方向為數字化、智能化、模塊化、網絡化、人性化、微型化、集成化、帶源化和綠色化。機電產品高性能一般包含高速、高精度、高效率和高可靠性，人工智能在機電一體化技術中的研究日益得到重視，機器人與數控機床的智能化就是機電一體化技術的重要應用。 1.2智能巡線機器人的概況 智能巡線機器人的產生已有20多年的歷史，它被人們關注于機器人賽事?，F在各種機器人賽事，范圍普及世界。截止到2000年共有20余項公認的機器人賽事，如機器人足球世界杯比賽、微機器人世界杯錦標賽、日本相撲機器人大賽、機器鼠比賽等。這些機器人賽事有些就是巡線機器人。把比賽的尋線機器人和玩具機器人進行一定的改進，使它具有一定的承載能力，能夠被運用于工業(yè)的機器人。 1.3 課題的主要內容 針對機器人的巡線特征，設計出能夠自動巡線的智能巡線機器人，內容包括機器人機械外形的設計、傳感器設計、驅動電路設計、智能巡線的控制設計。 具體工作是： 1、 根據一定要求設計出機器人的機械結構。該機器人可以用于不同場合的循跡，但是必須是引導線的顏色與地面的顏色成鮮明對比。由于考慮到傳感器的使用比較多，所以該次設計的機器人主要是用于10cm～50cm寬的引導線循跡。 2、選擇辨色傳感器，必須可靠地識別出淺色引導線和深色地板。傳感器是機器人的眼睛，需要選擇幾種效果很好的傳感器，通過比較，擇優(yōu)選擇當前條件下最好的傳感器，才能給機器人一雙明亮的眼睛。辨色傳感器需要識別淺色引導線和深色地板，能夠很好將檢測到的高低電平傳送給控制系統(tǒng)。 3、傳感器的布局策略制定。在布置傳感器的過程中，需要考慮到機器人底盤的外形和驅動方法，充分考慮到機器人在行進時可能遇到的各種情況，在調整過程中是否可能會讓所有傳感器偏離出檢測物體，使得巡線失敗。要考慮機器人直走和轉彎等狀態(tài)可能產生的各種情況。 4、選擇合適的電機。由于是載重機器人，電機不僅要有足夠大的力矩驅動機器人動作，速度也要快。 5、選擇驅動芯片。芯片要求能夠同時驅動兩臺電機，且能夠實現速度控制。 6、選擇適合本次設計的單片機型號，設計制作性能良好的主控制板。選型是根據單片機輸入量的個數和輸出量的個數，還要合理留出備用端口方便擴展使用。輸入量除了用于巡線的光電傳感器信號以外，還包括用超聲波傳感器檢測有無障礙物和是否到達目的地；輸出量主要是所有電機需要提供的控制信號的個數。除了端口選擇的要求外，還應該滿足單片機的運行速度較高，處理信息及時穩(wěn)定，友好的開發(fā)環(huán)境，易于在市場上購得等條件。采用主--從式控制或是單--單片機控制都需要在試驗中驗證可靠性和簡易性。 7、設計穩(wěn)定準確快速的巡線方法。這是本設計的關鍵技術問題，在傳感器檢測機器人所在位置的基礎上，制定穩(wěn)定、快速的行進方法。 第2章 智能巡線機器人總體方案設計 完整的機器人系統(tǒng)就是一個移動的測控系統(tǒng)，包括檢測部分、控制部分以及相應的驅動部分。這幾個部分是彼此相互關聯的，檢測部分根據機械結構選擇合理的檢測手段，驅動部分根據任務要求和機械結構設計相應的驅動電路，控制部分則需從機械結構、檢測手段、驅動方法綜合考慮。 2．1 機器人要素分析 智能巡線機器人裝備包含以下幾個要素：機械機構、動力與驅動單元、執(zhí)行機構、傳感測試單元以及信息處理與控制單元五個部分。 這五個基本組成要素可以與人體的五大要素進行對比，如圖2-1所示。 圖2-1 機器人設備與人體五大要素比較圖 機械機構的作用類似于人體的骨骼。包括工作模塊以及裝備所有功能元素的機械支持結構以及機身、框架、連接等。機械機構要在結構、材料、加工工藝性以及幾何尺寸等方面可靠、小型、輕量、美觀等要求。 傳感與測試單元的作用相當于人體的五官，對裝備本身和外界環(huán)境的各種參數及狀態(tài)進行檢測，并將其變換成可識別信號，傳輸到信息處理單元。它由各種類型的傳感器和信號處理電路或測試儀表構成。傳感器與測試單元的主要問題在于提高可靠性、靈敏度和精密度。而提高可靠性的關鍵在于提高抗干擾能力。傳感器包括光電傳感器（巡線和計數）、超聲波傳感器（檢測是否到達目標和有無障礙物）。 執(zhí)行機構相當于人體的手和足。它根據控制單元的指令，快速高精度地完成要求的動作。目前常用的執(zhí)行機構是電磁式、液壓式和氣動式機構。此外，還有一些新型的執(zhí)行機構如超聲波驅動器、形狀記憶合金驅動器等。執(zhí)行機構需要根據機器人裝備的匹配性要求，考慮改善性能，如何提高精度和快速性，減輕重量，實現組件化、標準化和系列化，提高系統(tǒng)整體的可靠性。 動力和驅動單元相當于人體的內臟或肌肉。它在控制單元作用下，提供動力驅動和各種執(zhí)行機構完成要求的動作和功能。機器人裝備一方面要求驅動的高效率和快速反應特性，同時要求對水、油、溫度、塵埃等外部環(huán)境的適應性和可靠性。智能巡線機器人的動力單元包括步進和直流電機。 信息處理與控制單元相當于人體中的頭腦。將來自傳感器與測試單元的檢測信息和外部輸入命令進行集中、存貯、分析、加工，根據信息處理結果和預設的控制算法，發(fā)出相應的指令控制整個系統(tǒng)有目的地運行。一般由計算機、可編程控制器（PLC）和計算機外部設備等組成。機器人系統(tǒng)對控制和信息處理單元的基本要求是：提高信息處理速度，提高可靠性，增強抗干擾能力以及完善系統(tǒng)自我診斷功能，實現信息處理智能化和小型、輕量、標準化等。 2．2 機器人總體分析 2．2．1 場地分析 智能巡線機器人是在針對特定的場地，找到適合自身機械特點的定位方法，通過不斷調整到達目標，最終完成設定的任務。如何采用簡潔、快速、穩(wěn)定的控制方法和檢測設備是機器人的關鍵。它是在深色地板上放置白色引導線，特點是地面必須與引導線呈鮮明對比。機器人通過傳感器循跡，實時反映巡線信息直到CPU發(fā)出中斷請求停止循跡。一般的工廠不可能絕對無障礙物，為了避免機器人碰撞損傷，機器人需具有蔽障能力和終點停止的功能。 2．2．2 機械結構分析 智能巡線機器人是用于運送貨物，它的承載能力為150kg。將機器人設計為小車形式，這樣運送貨物就更加的方便。為滿足運動的準確性，避免在轉彎的時候因慣性而偏出路線導致巡線失敗，所以機器人的自身重量<=50kg。裝貨箱的尺寸和形狀可以根據實際情況來定，這樣既能充分的滿足設計的要求，又能使控制的原理更加的簡單可靠。底盤是設計的關鍵，因為底盤車輪配置方式決定著巡線算法的簡易程度和可靠程度。 2．2．3 控制系統(tǒng)框架設計 對于控制系統(tǒng)模塊，光電傳感器獲取機器人位置姿態(tài)信息，超聲波傳感器判斷是否到達目的地和前面是否有障礙物。機器人行走或做其它運動都需要電機將電能轉化為機械能。 如圖2-2所示，CPU根據傳感器檢測發(fā)送的信號，控制電機轉動，便可調整機器人運動。由此構成了機器人測控系統(tǒng)。 圖2-2 控制系統(tǒng)框架圖 2．2．4 運動姿態(tài)分析 機器人的性能好與壞，通常都是指它能不能快捷的完成指定的任務，智能巡線機器人則是要求它能夠準確的按照指定的路線行走，不會現出相晃動或偏移。分析它在運行的過程可能出現的狀態(tài)，設計出相應的策略， 就可以解決這些問題。 第3章 機械結構設計 機械部分是機器人運行的載體，設計性能良好的機械結構，將有利于簡化機器人控制算法的設計，并且機構在執(zhí)行過程中可以很好的實現控制精度。在這一章里，將分別論述了車輪配置方式、底盤和尺寸。 3．1 智能機器人的車輪驅動配置 機器人的運動方式有輪式、履帶式和步行方式。輪式和履帶式機器人適合于條件較好的路面，而步行機器人則適合條件較差的路面。為了適應各種路面的情況，可采用輪、腿、履帶并用。在本節(jié)中主要討論各種方式的車輪驅動配置類別的特點，并且根據本課題的需要選擇恰當的驅動配置方式。 3．1．1 機器人常用車輪驅動配置介紹 1、獨輪驅動配置方式 其原理上不僅可以在平地行走，也可以在不平整的地面和傾斜的地面上行走。車體的轉彎可以利用伴隨陀螺儀加速、減速的反力矩。由于其在穩(wěn)定性方面的弊病，將獨輪機構應用于機器人上面基本沒有實用性。 2、兩輪驅動配置方式 兩輪驅動配置的簡圖如下圖3-1所示： 圖3-1 兩輪車簡圖 將自行車或摩托車用于機器人的試驗很早就有人進行了。主要依靠手的操作和體重的移動力求穩(wěn)定行走，這種陀螺兩輪車，把車體傾斜成比例的力矩作用在軸系上，利用陀螺效果使車體穩(wěn)定。但是這種結構的機器人的速度、傾斜等物理量檢測、控制精度很難提高。另外在這種機器人上使用相對簡單，可靠性高的傳感器也很難，而且制動或者低速時的穩(wěn)定性極難保證，所以目前的研究基本上提留在提高穩(wěn)定性能力的試驗上面。 3、三輪配置的驅動方式 從理論上講，三點決定一個平面，因此輪式移動載體的平穩(wěn)運動至少需要3個輪子支撐，所以3輪配置的驅動方式是輪式機器人的基本移動機構。三輪配置驅動主要方式如下圖3-2所示： 圖3-2 三輪移動配置方式 典型三輪移動機器人通常采用1個中心輪和2個后輪的車輪布置，要解決的主要問題是移動方向和速度的控制。3個車輪配置與功能的不同組合又可以將3輪機器人分為圖3-2所示的若干類型。 圖3-2(a)所示為雙輪驅動移動機器人，其組合是前輪 1 為可以任意方向滾動的小腳輪，小腳輪的作用是使車體穩(wěn)定，但會給車體帶來力學上的干擾沖突，后輪 2 和后輪 3 為獨立驅動輪，利用它們的轉速差實現轉向。這種組合的特點是機構組合容易，而且當兩個驅動輪以相同速度、相反方向轉動時車體能繞兩個驅動輪連線的中點自轉，但自轉中心與車體中心不一致。 圖3-2(b)的組合是操舵機構和驅動機構集中在前輪 1 上，2個后輪只起支撐從動的作用。與圖 3-2(a)相比，該機構也能繞 2個后輪連線的中點自轉，但其前輪驅動集中，結構比較復雜。 圖3-2(c)的車輪配置組合是前輪 1操舵輪，后輪 2 和后輪 3 中一個為驅動輪，另一個為從動輪。這種車輪機構的特點是結構簡單，組成容易，但單邊驅動的驅動性差，穩(wěn)定性不好，不能自轉。 圖3-2(d)的車輪組合將圖3-2(c)的單輪驅動改為雙后輪差動驅動，提高了驅動性，但加了一個差動齒輪裝置，使結構更復雜，也增加了質量。 三輪結構比較簡單，能夠滿足一般的需要，應用也比較廣泛。其轉向裝置的結構通常有兩種方式：（1）鉸軸轉向式：轉向輪裝在轉向鉸軸上，轉向電機通過減速器和機械連桿機構控制鉸軸從而控制轉向輪的轉向。（2）差速轉向式：在移動裝置的左右輪上分別裝上兩個獨立的驅動電機，通過控制左右輪的速度比來實現車體的轉向。在這種情況下，非驅動輪應為自由輪。 4、四輪配置的驅動方式 四輪移動機構的典型配置形式如下圖3-3所示。 圖3-3 四輪移動機構的典型配置 圖3-3(a)的組合是前后輪均為萬向腳輪或球形輪，左右兩輪為獨立的驅動輪。與圖3-2(a)的三輪車體相比，其自轉中心與車體中心重合，當兩個驅動輪以相反速度方向轉動時，車體能繞自身的中心自轉，所以便于在狹長的場所改變方向，這種車輪布置方式在靈活性和穩(wěn)定性上都是比較好的，但它的缺點是前后輔助腳輪有時不能同時著地支撐，在高速啟動和剎車時車體會產生俯仰和前沖。 圖3-3(b)是常見的汽車車輪配置方式。它與圖3-2(d)所示的三輪車驅動方式類似，只是將前面一個操舵機改為兩個輪子，提高了車體的穩(wěn)定性。兩個操舵輪需要同一個操舵機構來協調轉向，此外為了減少后輪的摩擦損耗，配備了差動齒輪裝置，增加了機構的復雜性。 四輪配置方式的轉向方式和三輪配置方式的方法基本相同。 3．1．2 本系統(tǒng)所采用的車輪驅動方式配置 在參考常用車輪驅動方式配置的基礎上，結合具體系統(tǒng)的實際情況做出適合本系統(tǒng)的最佳選擇，當然這種選擇不是一個方面的最優(yōu)，但是它必須是在考慮到各種實際情況（如機器人車體的載重、材質、控制方法以及加工手段）之后的一個最優(yōu)方案。在本設計中，機器人在搬運物塊過程中的穩(wěn)定性是我們要考慮的另外一個最為重要的因素。 從以上分析的關于機器人車體設計的兩個關鍵問題著手，我們知道三輪移動機構配置的方式雖然簡單而且在實際應用中比較多，但是結合本課題的具體實際情況，由于機器人的總重量比較大、重心較高，如果采取三輪移動機構配置的方式，前面只有一個萬向輪，而萬向輪將和后面的驅動輪共同承擔機器人本身的重量，這將導致在轉向的過程中前面的萬向輪因為承重的原因摩擦力過大而不能靈活的完成轉向。而且從穩(wěn)定性的角度考慮，雖然三點可以決定一個平面，但是如果采用三輪的移動機構配置方式，機器人在巡線時不斷調整車身以及轉彎時車體擺動是很大的，難免將機器人的重心改變到前輪和其中一個驅動輪中心的連線以外，這樣很容易造成機器人的側翻。綜合上面的考慮，在本系統(tǒng)中我們采用了四輪移動機構的配置方式?？紤]圖3-3(a)所示，如果采用這種移動機構配置方式，它的靈活性和穩(wěn)定性都是相當好的，而且能夠使機器人在比較狹長的空間內實現轉向。綜合圖3-3所示的兩幅四輪驅動配置圖，我們可以利用它們的優(yōu)點，去除它們的缺點，最終我們設計的機器人四輪移動機構配置如下圖3-4所示。 圖3-4 本系統(tǒng)所用的四輪移動配置方式 本次機器人使用如上圖3-4所示的四輪移動配置方式，它充分綜合了圖3-2和圖3-3所示的四輪移動配置方式的優(yōu)點，既避免了使作用力過多的作用在一個輪子上，又有效防止了三個輪子配置所帶來的側翻問題，而且使生產加工更為方便，從多個方面解決了我們前面提到的要使機器人系統(tǒng)有很好的承重性能和穩(wěn)定性的問題。 3．2 機器人機械尺寸設計 1、設計要求： 底盤是安裝輪子和上層機構的重要聯機部件，要求其十分牢固，與輪子和上層機構可以緊密配合 2、結構： 采用兩層機構:：第一層底盤裝萬向輪和驅動輪電機等；第二層底盤用于連接上層機構。兩層之間用角鋁連接，采用了在同一連接處緊固兩個螺釘的方法來加強強度。結構如圖3-5和圖3-6所示： 圖3-5 兩層底盤 圖3-6 萬向輪和驅動輪的安裝圖 3、尺寸及分析： 第一層底盤的尺寸為：700mm×850mm 第二層底盤的尺寸為：680cm×750mm 兩層底盤間間距為： 100mm. 選擇兩層底盤間距離為100mm，主要是為了有足夠的空間安裝輪子，電路板布線和電機，防止兩者產生干擾。這樣，也使上層構建更牢固。 寬度方向上選擇為750mm，在保證運行穩(wěn)定的情況下，為了減小體積和重量。 第31頁 第4章 傳感器接口電路設計 機器人需要感知外界的環(huán)境和自身的狀態(tài)信息，從而做出正確的判斷并告知CPU獲取相應的信息。針對要求選用的傳感器類型有：超聲波傳感器、紅外光電反射式傳感器。紅外光電傳感器檢測巡線軌跡，超聲波傳感器檢測障礙物。 4.1機器人對巡線傳感器的要求 機器人對巡線傳感器的要求大致如下： 抗干擾性：不同的環(huán)境可能存在各種形式的強光干擾、電磁干擾、顏色干擾，必須有較好的抗干擾能力。 可調性：比賽場地上機器人的運行環(huán)境可能有別于當初調試的環(huán)境，可能出發(fā)位置、燈光光照角度、日光光照情況均會變化，必須留有調節(jié)各種參數的環(huán)節(jié)，使得傳感器工作在最佳狀態(tài)。 穩(wěn)定性和快速性：一旦傳感器移動到引導條帶邊緣，傳感器應當及時、快速、穩(wěn)定地觸發(fā)，不允許有狀態(tài)的抖動，否則會引起機器人的搖晃。 成本低廉：對于機器人通用性來說，價格是一個重要的因素。盡管市售產品中有性能良好的光電傳感器，但是一般還是以自己開發(fā)制作為宜。 4．2 超聲波傳感器 4.2.1超聲波傳感器的原理 在相撲機器人之類的格斗型機器人中超聲波傳感器是經常采用的傳感器之一，用來檢測對方的機器人的有無和距離。本次用到超聲波傳感器的目的是為了檢測是否有障礙物和有沒有到達目的地。其原理有如蝙蝠，它的嘴發(fā)出超聲波，當超聲波遇到小昆蟲的時候，蝙蝠的耳朵能夠接受和反射回波，從而判斷餌食的位置和距離并給與捕殺。超聲波傳感器的工作方式是通過發(fā)送器（相當于蝙蝠的嘴）發(fā)射出來的超聲波被物體反射后傳到接收器（相當于蝙蝠的耳朵）接受來判斷是否檢測到物體。 超聲波傳感器的實物照片如圖4-1： 圖4-1 超聲波傳感器的實物 人的聽覺所能感覺的頻率范圍往往因人而異，大約為20Hz～20kHz。所謂超聲波，即空氣中傳播的超過人類聽覺頻率極限的聲波。kHz（千赫）代表一個頻率單位，20kHz即在1秒鐘內來回振動2萬次的頻率狀態(tài)。眾所周知，超聲波的傳播速度V可以用以下式表示： V=331.5+0.6T（m/s） （4.1） 式中T(°C)為環(huán)境溫度，在23°C的常溫下超聲波的傳播速度為345.3m/s。超聲波傳感器一般就是利用這樣的超聲波來檢測物體的。 具體到超聲波傳感器的結構，一般它的內部都有一個振子，所謂振子是一塊金屬片上貼著壓電陶瓷，通過給壓電陶瓷加上電壓，它就會根據電壓的大小產生相應的機械變形，進而產生機械振動，這就是所謂的壓電現象。超聲波傳感器就是利用這中原理實現超聲波的發(fā)射與接收的。 如圖4-2和圖4-3所示： 圖4-2 超聲波傳感器的結構 圖4-3 振動模擬 超聲波傳感器也有透過式和反射式之分。超聲波傳感器不但可以檢測到物體，還可以通過發(fā)射器的回波返回接收器所需要的時間來測量距離。 4.2.2 超聲波的發(fā)射與接受電路 圖4-4是超聲波的發(fā)送和接受電路，將接受的信號通過運算直接輸送CPU芯片。 圖4-4 超聲波發(fā)送和接受電路 4．3 紅外光電反射式傳感器 機器人到達目標可以選擇幾種方法： 1、根據起點與終點的位置關系，編制機器人行走路徑（通過制定步進電機轉動的步數或者通過直流電機編碼盤反饋控制電機轉動步數）。這種方法在工業(yè)機器人控制中比較普遍，可以非常精確的控制機器人關節(jié)運動位置和軌跡，但它對機械尺寸和穩(wěn)定性要求相當高，機器人在制作中的同軸度、平行度、具體尺寸等必須滿足設計要求，不允許有偏差。 2、采用巡線的方法。所謂巡線指在白色引導條帶深色地板的環(huán)境下，沿條帶指示的路徑實現跟蹤運動的過程。 由于底盤安裝精度和后排左右驅動輪子之間的轉動速度在制作時并不能保證完全一致，一些關鍵部件的尺寸在手工制作時也不是嚴格遵循設計尺寸，因此即使驅動板向左右驅動電機輸出的功率相同，也會使機器人的中心線偏離引導線。所以，采用巡線是比較符合要求的。 巡線光電傳感器就是基于對場地及線路反射光的處理結果來識別路線的一類光電傳感器。根據巡線采用的光電傳感器原理不同，可分為兩種類型： 1、紅外光電反射式傳感器：根據反射光強度巡線。光電傳感器由一個發(fā)射光源和一個接收器（光敏二極管）組成?；诎拙€與場地底色反射光強的差異，導致輸出電壓不同，從而識別白線。 2、辨色傳感器：根據線路顏色巡線。當條帶與場地底色的反射性能區(qū)別不明顯時，根據反射光強識別線路的效果不會很好，這時可以通過色彩識別來巡線。辨色傳感器的功能比較強，應用面廣，工作穩(wěn)定，識別效果好，但是元件多，電路復雜，成本較高。 4．3．1 紅外光電反射式傳感器原理 紅外線的波長介于可見光和無線電波之間，大約0.76～1000 um。一般紅外光電反射式傳感器都選擇工作在近紅外區(qū)，即0.76～2.5 um段內。大多數發(fā)光器件為880 nm、930nm兩個系列。880 nm較易受到外界光的干擾。 紅外發(fā)光管的材料一般為砷化鉀（GaAS）半導體。發(fā)光波長范圍0.76～1.5 um。小功率（小于100 mW）的管壓降為1.0～1.3 V，平均工作電流20～50 mA。紅外發(fā)光管有指向角、光軸、波長、輝度等性能指標。 光敏元件常用光電二極管（也稱光敏二極管）與光電三極管（也稱光敏三極管），均為近紅外線接收管。它們接收到光的變化之后造成電流的改變，再經過放大及相關處理，用于各種控制目的。 光電二極管是一種光電變換器件，當光照到PN結上時，它能吸收光能將之轉變?yōu)殡娔?。它有兩種工作狀態(tài)： 加反向電壓時，二極管中的電流隨光照強度的大小而改變，光照強度越大，反向電流越大； 不加電壓時，PN結受光照射作用，產生正向電壓，可充當微型光電池。 在無光照情況下，光電二極管的正向電阻約10 kΩ，反向電阻為 ∞；有光照時，反向電阻隨光照強度增加而減小，阻值可達幾kΩ 或1 kΩ以下。無反壓時，正向電壓與光照強度成比例，一般可達0.2～0.4 V。 4．3．2 基于反射光強度測量的紅外光電反射式傳感器電路 如圖4-5所示，光電二極管工作在反向電壓下，當無反射光照射或光照較弱時（即檢測到深色底色），電阻為 ∞。比較器的負端由于上拉了電阻，與地之間有阻值為∞的光電二極管隔開，所以此時2端的電壓值較高；當反射光較強時（檢測到白色引導線），阻值下降到幾kΩ，在R6和D構成的回路中，比較器的輸入端2口分得電壓，這時的電壓值較小。可見在檢測白色和深色時2端的電壓值是不同的，因此在比較端3口調整輸入一個合適的比較值就可以根據檢測的顏色在1端輸出相應的信號值了。即當檢測到深色時，通過比較器輸出低電平，經過反向器輸出高電平，用于表示檢測到深色底色的指示燈亮；當檢測到白色時，通過比較器輸出高電平，經過反向器輸出低電平，指示燈滅。為了使辨色性能更好，采用增強光來加強效果，即每個接收管周圍放置四個紅色發(fā)光二極管，讓發(fā)射的光線中心部分好在接收管中心。經試驗證明，這種增強光起到了很好的改善效果。 圖4-5 紅外光電反射式傳感器電路 在實際設計中，根據擺放位置和分模塊設計的需要，將光電二極管單獨布置于兩塊PCB板上如圖4-6，只輸出光電二極管是否導通的信號；后排同理，也至于另一塊PCB板上，可調電阻和比較器布置在另一塊PCB板上(圖4-7)，將光電二極管是否導通的信號轉化成相應的高低電平。然后用扁線把他們連接起來，這樣達到了分模塊的構想，也使得在不同的場地情況下，很方便快速地調節(jié)可調電阻部分。 圖4-6 置于板上光電二極管檢測電路 圖4-7 置于板上傳感器調節(jié)電路 4．4 紅外光電反射式傳感器布局 光電傳感器應盡量靠近地面，以便減少外界光源對傳感器的入侵。一般垂直高度為5～10 mm。離地面過遠，光反射效果差，信號不強；離地面過近，會導致反射角度太大，加劇光漫射干擾的影響，故應適當，以保證傳感器具有最佳的反應。 實際使用過程中總會遇到意想不到的問題，因此調試環(huán)節(jié)很重要。實際調試時可以先讓傳感器分別在兩種不同顏色的區(qū)域工作，觀察其正常電壓輸出，應當調整到兩種電壓有明顯區(qū)別的效果；然后讓傳感器在工作狀態(tài)下反復通過兩種顏色的邊界區(qū)，即由一個顏色區(qū)進入另一個顏色區(qū)，觀察輸出變化的幅度和響應的靈敏度。通過調整發(fā)射光強度、各個傳感器距地面的距離和位姿、輸出放大倍數或增加調制電路，以獲取最佳效果。比賽現場調定也是改善光電傳感器性能重要的一步，因為實際場地與模擬現場的條件總會存在差別，要在電路中備留臨時可調整環(huán)節(jié)，這就是為什么要把調節(jié)電路單獨布置在一塊PCB上的原因。 光電傳感器的布置及線路設置與使用傳感器的目的有關。若只是要求機器人不偏離路線，在行走方向的兩側各安一個或一組（3～5個）傳感器以控制機器人的左右偏轉就可；若要求機器人時刻紀錄巡線信息，可將光電傳感器排成一條線（直線形或弧線形皆可），由傳感器的返回信息可以判斷哪個在線上，通過計算就可以求出偏離的大概方位；若要求機器人從一個或多個方向接近路線時都能計算出位置信息，則可將傳感器安裝成圓形，結合機器人的旋轉角度就可計算出相對于路線的位置。 當光電傳感器檢測到的顏色是路面底色(深色)時向單片機輸出高電平；當檢測到的顏色是引導線顏色（白色）時向單片機輸出低電平。這些向單片機輸入的高低電平實際是底盤與引導線的相對位置的表征量，單片機根據這些表征量來做出調整輸出，通過電機驅動電路控制直流電機的起或停。 由于機器人的底盤整體較大，所以布置在底盤的傳感器應盡量多，這樣可以檢測到底盤的多個位置，做出相應位置的快速響應。 圖4-8傳感器布局圖 如圖4-8所示傳感器布置方法，傳感器采用20個，其中18個用于機器人姿態(tài)定位，2個為超聲波傳感器檢測有無障礙和是否到達目的地。前后兩排傳感器分別居于前后輪的中心線上.在這種排布方式下，某排傳感器檢測到水平白色引導線時，對應該排的輪中心剛好在白色引導線上，可方便轉彎和在交叉引導線處及時調整。每排每兩個傳感器的間距為30 mm。對其標號為～。 第5章 電機驅動電路設計 驅動部分是機器人運動的源動力，控制著機器人的運動方向和速度。設計性能穩(wěn)定、快速響應CPU信號的電機驅動電路是機器人運動精度的重要保證。 5．1 驅動電機的選用 移動機器人的主動輪有多種驅動方式，其中采用電機加必要的傳動裝置應用最為廣泛。驅動電機為小車移動提供動力源泉，傳動裝置具有調速、改變運動方式、方向等作用。利用電壓、電流、頻率（包括指令脈沖）等控制方式，可以實現定速或變速驅動、反復起停的增量驅動以及復雜驅動。 目前常用的控制電機有：電壓控制感應電動機（制動電動機或兩相伺服電動機）、電壓控制直流電動機（DC伺服電動機）、頻率控制同步（SM）電動機（步進型伺服電動機）、頻率控制感應(IM)電動機（感應型伺服電動機）、頻率控制磁阻電動機（步進電動機）等，每種電機又衍生出不同的小類型，不同電機的控制方式、特點和應用場合也不相同。 本設計中考慮使用電機驅動車輪，且盡力縮小車體的體積，所以帶減速器的電機成為首選，這樣只需要將電機輸出軸和驅動輪連接起來即可。 目前移動機器人領域應用較多的是步進電機和直流無刷電機（BLDC）兩種。步進電機是一種將電脈沖信號轉換成機械角位移模擬量的控制電機，其輸出的位移大小與輸入脈沖個數成正比且時間上與脈沖同步，通過改變脈沖頻率調節(jié)步進電機轉速。步進電機一般分為反應式（VR）、用磁式（PM）和混合式（HM）三種。反應式結構簡單、工作可靠、運行頻率高但轉子阻尼大、噪聲大，步距角一般在1.50～150之間；永磁式功率小、效率高、價格低，步距角一般在7.50～180之間；混合式介于二者之間，具有步距角小、頻率高、功率小的有點，但結構相對來說比較復雜，步距角一般在0.360～3.60之間。 直流無刷電動機（BLDC）通過位置傳感器檢測磁鋼位置后，控制相電流通斷實現電子換向，避免換向火花，且不產生電磁干擾，具有壽命長、運行可靠、維修簡便、變速不受換向條件限制、高速運行、調速范圍寬等優(yōu)點。如果采用PWM控制，只需要通過軟件改變PWM波的占空比就可實現調速，這對提高移動機器人在運動中的靈活性非常有用。另外，隨著具有PWM輸出的單片機在機器人控制器中的廣泛應用，采用直流無刷電動機（BLDC）作為驅動電動機的越來越多。 對比二者的特點，尤其是考慮到使用單片機作為控制器時設計的可靠性，本設計的驅動電機就選用帶減速器的直流無刷電動機（BLDC）電機。 直流電機的優(yōu)點表現在以下方面： 1、 具有較大的轉矩，從而能夠克服傳動裝置的摩擦轉矩和負載轉矩； 2、 具有快速響應能力，可以適應復雜的速度變化和控制信號的變換； 3、 電機的負載特性硬，有較大的過載能力，確保運行速度不受負載沖擊的影響，增加的系統(tǒng)的可靠性； 4、 直流電機的空載力矩大，在控制系統(tǒng)發(fā)出停轉的同時可以立刻響應，并且可以產生相當大的力矩阻止機器人由于慣性繼續(xù)向前移動； 5、 直流電機具有很好的環(huán)境適應能力。 除此之外，DC直流電機相對其他電機來說運動起來平穩(wěn)，而且噪聲小。 5.1.1電機減速器的選擇 這里選用上海朗能機電設備有限公司生產的ZYT60-JB80永磁直流電機。其主要技術參數是： Unom=24V； Inom=4.8A ； nnom=2500r/min；Pnom=90W，Gnom =1:5～1:230。 具體的實物形狀如下圖所示 圖5-1 機器人巡線驅動用的直流電機及減速器 直流電機的低速性能是偏軟的，為使電機工作在穩(wěn)態(tài)下，必須根據巡線機器人的實際運行需要，選擇合適的減速器。另外電機的轉速比較高，對于巡線機器人來說，容易在轉彎的時候因慣性而循跡失敗，所以它的速度在6km/小時左右就可以滿足要求。 根據機器人中一些主要零件的參數，對其電機減速器的減速比計算如下： 后輪驅動輪的直徑：; 驅動輪走一周所滿足的路程：； （5.1） 速度V轉化為：； 由得：； （5.2） 減速比為：； 選取減速器的減速比為10，針對所選的減速器，對巡線機器人的移動速度進行再計算： 減速后輪子的轉速：； 輪子的轉速 ： ；（5.3） 經過上面的校核計算，得知選用減速比為1：10的減速器滿足這次設計的需要。 經過以上對電機和減速器相關分析計算后，我們可以最后確認電機和減速器的型號。由于電機、減速器，輪子都要安裝在機器人的下面，當機器人的體積和底面的面積是一定時，電機和輪子的尺寸也相應地受到一定限制。為此采取的辦法是去掉電機到輪子中間的齒輪傳動機構，取而代之的是與電機相配的小型減速器，該減速器安裝在電機上后，整個尺寸不過280作用長，直徑90mm左右，其質量比較輕，大概為1.5kg，效率η取0.8，轉動慣量Ｊr取0.8=0.00011（kg·m·m）。 5.1.2 所選電機性能校核 在智能巡線機器人機構中，由于需要一定側承重量以及加工制造的方便，驅動部分以及支持部分都采用扁鋼為材料，機器人結構重量約為50kg，所承受貨物的上限為150kg,因而整車載重極限N為200kg。該載重極限由兩個萬向輪與兩個驅動輪共同分擔，機器人驅動輪受力如圖所示。 圖5-2 輪子的受力 驅動輪在減速器的驅動下，克服與地面間的摩擦力F1 旋轉前進，同時兩個轉向分別與地面間同樣在機體重力及貨物重力的作用下存在一定的摩擦力F2。當F1 > F2 時,驅動輪才不至于打滑或空轉。初定驅動機構雙輪承受重力的60%，兩個萬向輪承受其余的40%，取驅動輪輪胎與地面間的摩擦系數?=0.02，驅動輪直徑=15cm,支撐輪直徑D2=4cm. 單個驅動輪承受的正壓力： （5.4） 單個支撐輪承受的正壓力： （5.5） 單個驅動輪克服的摩擦力： （5.6） 單個支撐輪承受的摩擦力： （5.7） 在一定的轉矩作用下驅動輪克服摩擦力，則轉向輪處于從動狀態(tài)。而在轉彎的狀態(tài)下，一個驅動輪將推動兩個萬向輪運動，從而在這種要考慮兩個驅動輪的摩擦阻力。 機器人在運動時承受的最大阻力： （5.8） 機器人驅動所需的電機的功率： （5.9） Pnom>P，故所選電機滿足要求。 5．2 直流電機的轉動方向控制 驅動系統(tǒng)是機器人的手和腳，即運動機構和執(zhí)行機構的基本組成部分，它的任務不僅是向機器人傳遞動力，而且要提供準確的運動定位和靈活的操作。通常機器人驅動有電氣、液壓、氣壓三種方式。本設計采用電氣驅動直流電機。 將直流電機與直流電源或電池連接就可以實現轉動。不過作為機器人的動力使用時，必須對電機進行轉動的開關（ON/OFF）和轉動方向等控制。 使直流電機轉動，必須將它與電池等直流電源連接，如圖5-3所示。 圖5-3直流電機與電源的連接 以恒定的速度轉動時DC電機的等效電路如圖5-4。這里，R0是轉子線圈的電阻，E0表示轉子線圈在定子磁場中轉動時產生的反電動勢。 圖5-4 DC電機的等效電路 若用公式表示，則有V=RaIa+Ec(V)。這里忽略了電刷與整流子之間的接觸電壓。 通常采用半導體或繼電器來驅動直流電機。繼電器電路比較簡單，缺點是由于利用機械觸點，所以易產生噪聲，反應速度也比較慢。半導體主要是受溫度變化影響很大，不易控制輸出電壓值。 常用的晶體管一般都是大功率型的，分為以下幾種方式： （a）集電極驅動 （b）發(fā)射極驅動 （c）大功率MOSFET 圖5-5直流電機驅動電路 圖5-5（a）是常用的電路，三極管的集電極與直流電機連接，改變基極的電壓可以控制與集電極的電機的電流。由于驅動力大，所以這種方式可用于電機的開關（ON/OFF）控制。 圖5-5（b）把三極管的發(fā)射極與直流電機連接，改變