0093-智能巡線機(jī)器人設(shè)計(jì)

0093-智能巡線機(jī)器人設(shè)計(jì),智能,機(jī)器人,設(shè)計(jì) 前 言 智能巡線機(jī)器人設(shè)計(jì) 任務(wù)書 設(shè)計(jì)（論文）題目： 智能巡線機(jī)器人設(shè)計(jì) 1．畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的主要內(nèi)容及基本要求 1.總體方案設(shè)計(jì)； 2機(jī)械整體設(shè)計(jì)； 3.控制設(shè)計(jì)； 4編寫設(shè)計(jì)說明書； 2．指定查閱的主要參考文獻(xiàn) 1.《機(jī)器人控制電子學(xué)》 2.《機(jī)器人探索》 3.《機(jī)器人的創(chuàng)意設(shè)計(jì)與實(shí)踐》 4．《MSP430系列——FLASH型超低功耗16位單片機(jī)》 （電子和機(jī)械方面的書） 3．進(jìn)度安排 設(shè)計(jì)（論文）各階段名稱 起 止 日 期 1 查閱和搜集設(shè)計(jì)資料，在此基礎(chǔ)上指定設(shè)計(jì)方案 2 進(jìn)行整體方案設(shè)計(jì) 3 機(jī)械整體設(shè)計(jì) 4 控制設(shè)計(jì) 5 編寫設(shè)計(jì)說明書 6 檢查 前 言 第3頁 摘 要 近年來機(jī)器人的研究和應(yīng)用已經(jīng)不僅僅局限于軍用領(lǐng)域。許多應(yīng)用于軍用機(jī)器人上的成功技術(shù)已經(jīng)在民用機(jī)器人中得到了一定的應(yīng)用。在工業(yè)機(jī)器人的基礎(chǔ)上，運(yùn)用了傳感器技術(shù)和單片機(jī)智能控制技術(shù)，設(shè)計(jì)出了一種能自動(dòng)運(yùn)送貨物的職能巡線機(jī)器人。 論文首先對(duì)智能巡線機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行敘述，闡述其各要素的工作原理，然后就整個(gè)智能巡線機(jī)器人系統(tǒng)劃分為五個(gè)模塊，分章節(jié)對(duì)各個(gè)模塊設(shè)計(jì)制作進(jìn)行闡述。 機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)部分，通過分析常用的車輪驅(qū)動(dòng)配置方式，擇優(yōu)選擇了前排安裝兩個(gè)萬向輪、后排安裝兩個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)輪的設(shè)計(jì)方案，充分考慮到了巡線的簡(jiǎn)易性和穩(wěn)定性。 機(jī)器人傳感器接口與驅(qū)動(dòng)電路部分，詳細(xì)闡述了光電傳感器檢測(cè)信號(hào)原理，敘述了設(shè)計(jì)所采用的光電傳感器接口電路詳細(xì)設(shè)計(jì)方案，分析了傳感器采用該種布局方案的原因。針對(duì)機(jī)器人的機(jī)械特性和速度要求，選用了L298N驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，分析了它的優(yōu)缺點(diǎn)和可行性。 機(jī)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(shè)計(jì)方案，以及相應(yīng)的接口說明。軟件部分在MSP430平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了快速、穩(wěn)定、準(zhǔn)確的巡線方法。 關(guān)鍵詞: 機(jī)器人；巡線；光電檢測(cè)；PWM驅(qū)動(dòng)。 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(jī)電一體化是綜合應(yīng)用機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感測(cè)試技術(shù)、電力電子技術(shù)、接口技術(shù)及軟件編程技術(shù)等，機(jī)器人則是機(jī)電一體化的顯著代表。機(jī)器人根據(jù)系統(tǒng)功能目標(biāo)和優(yōu)化組織結(jié)構(gòu)目標(biāo)，以智力、動(dòng)力、結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)和感知組成要素為基礎(chǔ)，對(duì)各組成要素及其間的信息處理、接口耦合、運(yùn)動(dòng)傳遞、物質(zhì)運(yùn)動(dòng)、能量變換機(jī)理進(jìn)行研究，使得整個(gè)系統(tǒng)有機(jī)結(jié)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(zhì)和能量的有規(guī)則運(yùn)動(dòng)，在高功能、高質(zhì)量、高精度、高可靠性、低能耗意義上實(shí)現(xiàn)各種技術(shù)功能組合以得到最佳功能價(jià)值的系統(tǒng)工程技術(shù)。 機(jī)器人技術(shù)作為20世紀(jì)人類最偉大的發(fā)明之一，自1960年代初問世以來，經(jīng)歷40年的發(fā)展已取得長(zhǎng)足的進(jìn)步。機(jī)器人的出現(xiàn)并高速發(fā)展是社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然，是為了提高社會(huì)的生產(chǎn)水平和人類的生活質(zhì)量，讓機(jī)器人代替人干那些人干不了、干不好的工作。在現(xiàn)實(shí)生活中有些工作會(huì)對(duì)人體造成傷害，比如噴漆、重物搬運(yùn)等；有些工作要求質(zhì)量很高，人難以長(zhǎng)時(shí)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(xiǎn)、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(diào)的重復(fù)性勞作等；這些都是機(jī)器人大顯身手的地方。服務(wù)機(jī)器人還可以治病保健、保潔保安；水下機(jī)器人可以幫助打撈沉船、鋪設(shè)電纜；工程機(jī)器人可以上山入地、開洞筑路；農(nóng)業(yè)機(jī)器人可以耕耘播種、施肥除蟲；軍用機(jī)器人可以沖鋒陷陣、排雷排彈……。 可以說，機(jī)器人的應(yīng)用范圍非常之廣。據(jù)國外專家預(yù)測(cè)，2l世紀(jì)將是機(jī)器人技術(shù)革命的世紀(jì)，機(jī)器人作為全面延伸和擴(kuò)展人的體力和智力的手段將實(shí)現(xiàn)“當(dāng)代最高意義上的自動(dòng)化”。機(jī)器人的應(yīng)用和普及正在改變?nèi)祟惖纳a(chǎn)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(jī)電一體化技術(shù)簡(jiǎn)介 1 1. 2智能巡線機(jī)器人的概況 2 1. 3 課題的主要內(nèi)容 2 第2章 自動(dòng)巡線機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì) 4 2．1 機(jī)器人要素分析 4 2．2 機(jī)器人總體分析 5 2.2.1 場(chǎng)地分析 5 2.2.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)分析 5 2.2.2控制系統(tǒng)框架設(shè)計(jì) 5 2.2.4運(yùn)動(dòng)姿態(tài)分析 5 第3章 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7 3．1 移動(dòng)機(jī)器人的車輪驅(qū)動(dòng)配置 7 3.1.1 機(jī)器人常用車輪驅(qū)動(dòng)配置介紹 7 3.1.2 本系統(tǒng)所采用的車輪驅(qū)動(dòng)方式配置 10 3．2 機(jī)器人機(jī)械尺寸設(shè)計(jì) 11 第4章 傳感器接口電路設(shè)計(jì) 13 4．1 機(jī)器人對(duì)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(qiáng)度測(cè)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(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 21 5．1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選用 21 5.1.1電機(jī)減速器的選擇 22 5.1.2 所選電機(jī)性能校核 23 5．2 直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)控制 24 5．3 直流電機(jī)的速度控制 26 5．4基于L298的驅(qū)動(dòng)電路 28 第6章 智能巡線機(jī)器人之態(tài)調(diào)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(shè)計(jì) 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(jī) 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(shè)計(jì) 39 7．3 MSP430實(shí)現(xiàn)巡線算法 43 7. 4巡線改進(jìn)方法的實(shí)現(xiàn) 46 7. 5轉(zhuǎn)彎分析 51 總結(jié)與展望 56 致謝 57 參考文獻(xiàn) 58 附件一：程序 60 附件二：元件 76 第1章 緒論 本章首先從機(jī)器人的發(fā)展歷程引出機(jī)器人研究的發(fā)展趨勢(shì)，再具體到本次設(shè)計(jì)針對(duì)的任務(wù)要求，明確了設(shè)計(jì)任務(wù)的主要內(nèi)容。 1．1 機(jī)電一體化技術(shù)簡(jiǎn)介 “機(jī)電一體化”源于“Mechatronic”,是一個(gè)新興的邊緣學(xué)科，國內(nèi)外都處于發(fā)展階段，她代表著機(jī)械工業(yè)技術(shù)革命的前沿方向。她是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展最為活躍的領(lǐng)域之一。機(jī)電一體化是綜合應(yīng)用機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感測(cè)試技術(shù)、電力電子技術(shù)、接口技術(shù)及軟件編程技術(shù)等，根據(jù)系統(tǒng)功能目標(biāo)和優(yōu)化組織結(jié)構(gòu)目標(biāo)，以智力、動(dòng)力、結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)、和感知組成要素為基礎(chǔ)，對(duì)各組成要素及其間的信息處理、接口耦合、運(yùn)動(dòng)傳遞、物質(zhì)運(yùn)動(dòng)、能量變換機(jī)理進(jìn)行研究，使得整個(gè)系統(tǒng)有機(jī)結(jié)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(zhì)和能量的有規(guī)則運(yùn)動(dòng)，在高功能、高精度、高可靠性、低能耗意義上實(shí)現(xiàn)各種技術(shù)功能組合以得到最佳功能價(jià)值的系統(tǒng)工程技術(shù)。機(jī)電一體化技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展的根本原因在于社會(huì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，系統(tǒng)工程、控制工程和信息論是機(jī)電一體化的理論基礎(chǔ)，是機(jī)電一體化技術(shù)的方法論。半導(dǎo)體大規(guī)模集成電路制造技術(shù)的進(jìn)步則為機(jī)電一體化奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)，機(jī)電一體化技術(shù)的研究與應(yīng)用融合于學(xué)科交叉。機(jī)電一體化依賴于相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)也促進(jìn)了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。 目前世界上普遍認(rèn)為機(jī)電一體化可以分為兩大類：生產(chǎn)過程機(jī)電一體化和機(jī)電產(chǎn)品一體化。機(jī)電產(chǎn)品的機(jī)電一體化是機(jī)電一體化的核心，是生產(chǎn)過程機(jī)電一體化的物質(zhì)基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的產(chǎn)品加上微機(jī)控制即可轉(zhuǎn)變?yōu)樾乱淮漠a(chǎn)品，而新產(chǎn)品較之舊產(chǎn)品具有功能強(qiáng)、性能好、密度高、體積小、重量輕、更可靠、更方便、經(jīng)濟(jì)效益顯著等優(yōu)點(diǎn)。機(jī)電一體化產(chǎn)品小到兒童玩具、家用電器、辦公設(shè)備，大到數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、自動(dòng)化生產(chǎn)線、航空航天器，因此，可以說機(jī)電一體化技術(shù)幾乎涉及到社會(huì)的各個(gè)方面。其中，生產(chǎn)過程的機(jī)電一體化包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工、裝配、檢測(cè)的自動(dòng)化，生產(chǎn)過程自動(dòng)化，經(jīng)營管理自動(dòng)化等。 當(dāng)傳統(tǒng)機(jī)電產(chǎn)品引入電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)時(shí)，就形成所謂的新一代機(jī)電一體化產(chǎn)品。典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品體現(xiàn)了機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等的有機(jī)結(jié)合，幾種多種高新技術(shù)，并把多種功能集成在一起，在市場(chǎng)上具有極強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)能力。機(jī)電一體化是機(jī)械、微電子、控制、計(jì)算機(jī)、信息處理等多學(xué)科的交叉融合，起發(fā)展和進(jìn)步有賴于相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展。其主要發(fā)展方向?yàn)閿?shù)字化、智能化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化、人性化、微型化、集成化、帶源化和綠色化。機(jī)電產(chǎn)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(jī)電一體化技術(shù)中的研究日益得到重視，機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床的智能化就是機(jī)電一體化技術(shù)的重要應(yīng)用。 1.2智能巡線機(jī)器人的概況 智能巡線機(jī)器人的產(chǎn)生已有20多年的歷史，它被人們關(guān)注于機(jī)器人賽事?，F(xiàn)在各種機(jī)器人賽事，范圍普及世界。截止到2000年共有20余項(xiàng)公認(rèn)的機(jī)器人賽事，如機(jī)器人足球世界杯比賽、微機(jī)器人世界杯錦標(biāo)賽、日本相撲機(jī)器人大賽、機(jī)器鼠比賽等。這些機(jī)器人賽事有些就是巡線機(jī)器人。把比賽的尋線機(jī)器人和玩具機(jī)器人進(jìn)行一定的改進(jìn)，使它具有一定的承載能力，能夠被運(yùn)用于工業(yè)的機(jī)器人。 1.3 課題的主要內(nèi)容 針對(duì)機(jī)器人的巡線特征，設(shè)計(jì)出能夠自動(dòng)巡線的智能巡線機(jī)器人，內(nèi)容包括機(jī)器人機(jī)械外形的設(shè)計(jì)、傳感器設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、智能巡線的控制設(shè)計(jì)。 具體工作是： 1、 根據(jù)一定要求設(shè)計(jì)出機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)。該機(jī)器人可以用于不同場(chǎng)合的循跡，但是必須是引導(dǎo)線的顏色與地面的顏色成鮮明對(duì)比。由于考慮到傳感器的使用比較多，所以該次設(shè)計(jì)的機(jī)器人主要是用于10cm～50cm寬的引導(dǎo)線循跡。 2、選擇辨色傳感器，必須可靠地識(shí)別出淺色引導(dǎo)線和深色地板。傳感器是機(jī)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(dāng)前條件下最好的傳感器，才能給機(jī)器人一雙明亮的眼睛。辨色傳感器需要識(shí)別淺色引導(dǎo)線和深色地板，能夠很好將檢測(cè)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(jī)器人底盤的外形和驅(qū)動(dòng)方法，充分考慮到機(jī)器人在行進(jìn)時(shí)可能遇到的各種情況，在調(diào)整過程中是否可能會(huì)讓所有傳感器偏離出檢測(cè)物體，使得巡線失敗。要考慮機(jī)器人直走和轉(zhuǎn)彎等狀態(tài)可能產(chǎn)生的各種情況。 4、選擇合適的電機(jī)。由于是載重機(jī)器人，電機(jī)不僅要有足夠大的力矩驅(qū)動(dòng)機(jī)器人動(dòng)作，速度也要快。 5、選擇驅(qū)動(dòng)芯片。芯片要求能夠同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)電機(jī)，且能夠?qū)崿F(xiàn)速度控制。 6、選擇適合本次設(shè)計(jì)的單片機(jī)型號(hào)，設(shè)計(jì)制作性能良好的主控制板。選型是根據(jù)單片機(jī)輸入量的個(gè)數(shù)和輸出量的個(gè)數(shù)，還要合理留出備用端口方便擴(kuò)展使用。輸入量除了用于巡線的光電傳感器信號(hào)以外，還包括用超聲波傳感器檢測(cè)有無障礙物和是否到達(dá)目的地；輸出量主要是所有電機(jī)需要提供的控制信號(hào)的個(gè)數(shù)。除了端口選擇的要求外，還應(yīng)該滿足單片機(jī)的運(yùn)行速度較高，處理信息及時(shí)穩(wěn)定，友好的開發(fā)環(huán)境，易于在市場(chǎng)上購得等條件。采用主--從式控制或是單--單片機(jī)控制都需要在試驗(yàn)中驗(yàn)證可靠性和簡(jiǎn)易性。 7、設(shè)計(jì)穩(wěn)定準(zhǔn)確快速的巡線方法。這是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)問題，在傳感器檢測(cè)機(jī)器人所在位置的基礎(chǔ)上，制定穩(wěn)定、快速的行進(jìn)方法。 第2章 智能巡線機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì) 完整的機(jī)器人系統(tǒng)就是一個(gè)移動(dòng)的測(cè)控系統(tǒng)，包括檢測(cè)部分、控制部分以及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)部分。這幾個(gè)部分是彼此相互關(guān)聯(lián)的，檢測(cè)部分根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)選擇合理的檢測(cè)手段，驅(qū)動(dòng)部分根據(jù)任務(wù)要求和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路，控制部分則需從機(jī)械結(jié)構(gòu)、檢測(cè)手段、驅(qū)動(dòng)方法綜合考慮。 2．1 機(jī)器人要素分析 智能巡線機(jī)器人裝備包含以下幾個(gè)要素：機(jī)械機(jī)構(gòu)、動(dòng)力與驅(qū)動(dòng)單元、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感測(cè)試單元以及信息處理與控制單元五個(gè)部分。 這五個(gè)基本組成要素可以與人體的五大要素進(jìn)行對(duì)比，如圖2-1所示。 圖2-1 機(jī)器人設(shè)備與人體五大要素比較圖 機(jī)械機(jī)構(gòu)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(jī)械支持結(jié)構(gòu)以及機(jī)身、框架、連接等。機(jī)械機(jī)構(gòu)要在結(jié)構(gòu)、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(cè)試單元的作用相當(dāng)于人體的五官，對(duì)裝備本身和外界環(huán)境的各種參數(shù)及狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，并將其變換成可識(shí)別信號(hào)，傳輸?shù)叫畔⑻幚韱卧?。它由各種類型的傳感器和信號(hào)處理電路或測(cè)試儀表構(gòu)成。傳感器與測(cè)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(guān)鍵在于提高抗干擾能力。傳感器包括光電傳感器（巡線和計(jì)數(shù)）、超聲波傳感器（檢測(cè)是否到達(dá)目標(biāo)和有無障礙物）。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)相當(dāng)于人體的手和足。它根據(jù)控制單元的指令，快速高精度地完成要求的動(dòng)作。目前常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是電磁式、液壓式和氣動(dòng)式機(jī)構(gòu)。此外，還有一些新型的執(zhí)行機(jī)構(gòu)如超聲波驅(qū)動(dòng)器、形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器等。執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要根據(jù)機(jī)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(shí)現(xiàn)組件化、標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，提高系統(tǒng)整體的可靠性。 動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)單元相當(dāng)于人體的內(nèi)臟或肌肉。它在控制單元作用下，提供動(dòng)力驅(qū)動(dòng)和各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成要求的動(dòng)作和功能。機(jī)器人裝備一方面要求驅(qū)動(dòng)的高效率和快速反應(yīng)特性，同時(shí)要求對(duì)水、油、溫度、塵埃等外部環(huán)境的適應(yīng)性和可靠性。智能巡線機(jī)器人的動(dòng)力單元包括步進(jìn)和直流電機(jī)。 信息處理與控制單元相當(dāng)于人體中的頭腦。將來自傳感器與測(cè)試單元的檢測(cè)信息和外部輸入命令進(jìn)行集中、存貯、分析、加工，根據(jù)信息處理結(jié)果和預(yù)設(shè)的控制算法，發(fā)出相應(yīng)的指令控制整個(gè)系統(tǒng)有目的地運(yùn)行。一般由計(jì)算機(jī)、可編程控制器（PLC）和計(jì)算機(jī)外部設(shè)備等組成。機(jī)器人系統(tǒng)對(duì)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(qiáng)抗干擾能力以及完善系統(tǒng)自我診斷功能，實(shí)現(xiàn)信息處理智能化和小型、輕量、標(biāo)準(zhǔn)化等。 2．2 機(jī)器人總體分析 2．2．1 場(chǎng)地分析 智能巡線機(jī)器人是在針對(duì)特定的場(chǎng)地，找到適合自身機(jī)械特點(diǎn)的定位方法，通過不斷調(diào)整到達(dá)目標(biāo)，最終完成設(shè)定的任務(wù)。如何采用簡(jiǎn)潔、快速、穩(wěn)定的控制方法和檢測(cè)設(shè)備是機(jī)器人的關(guān)鍵。它是在深色地板上放置白色引導(dǎo)線，特點(diǎn)是地面必須與引導(dǎo)線呈鮮明對(duì)比。機(jī)器人通過傳感器循跡，實(shí)時(shí)反映巡線信息直到CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求停止循跡。一般的工廠不可能絕對(duì)無障礙物，為了避免機(jī)器人碰撞損傷，機(jī)器人需具有蔽障能力和終點(diǎn)停止的功能。 2．2．2 機(jī)械結(jié)構(gòu)分析 智能巡線機(jī)器人是用于運(yùn)送貨物，它的承載能力為150kg。將機(jī)器人設(shè)計(jì)為小車形式，這樣運(yùn)送貨物就更加的方便。為滿足運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性，避免在轉(zhuǎn)彎的時(shí)候因慣性而偏出路線導(dǎo)致巡線失敗，所以機(jī)器人的自身重量<=50kg。裝貨箱的尺寸和形狀可以根據(jù)實(shí)際情況來定，這樣既能充分的滿足設(shè)計(jì)的要求，又能使控制的原理更加的簡(jiǎn)單可靠。底盤是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，因?yàn)榈妆P車輪配置方式?jīng)Q定著巡線算法的簡(jiǎn)易程度和可靠程度。 2．2．3 控制系統(tǒng)框架設(shè)計(jì) 對(duì)于控制系統(tǒng)模塊，光電傳感器獲取機(jī)器人位置姿態(tài)信息，超聲波傳感器判斷是否到達(dá)目的地和前面是否有障礙物。機(jī)器人行走或做其它運(yùn)動(dòng)都需要電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。 如圖2-2所示，CPU根據(jù)傳感器檢測(cè)發(fā)送的信號(hào)，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，便可調(diào)整機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。由此構(gòu)成了機(jī)器人測(cè)控系統(tǒng)。 圖2-2 控制系統(tǒng)框架圖 2．2．4 運(yùn)動(dòng)姿態(tài)分析 機(jī)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(wù)，智能巡線機(jī)器人則是要求它能夠準(zhǔn)確的按照指定的路線行走，不會(huì)現(xiàn)出相晃動(dòng)或偏移。分析它在運(yùn)行的過程可能出現(xiàn)的狀態(tài)，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的策略， 就可以解決這些問題。 第3章 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)械部分是機(jī)器人運(yùn)行的載體，設(shè)計(jì)性能良好的機(jī)械結(jié)構(gòu)，將有利于簡(jiǎn)化機(jī)器人控制算法的設(shè)計(jì)，并且機(jī)構(gòu)在執(zhí)行過程中可以很好的實(shí)現(xiàn)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(jī)器人的車輪驅(qū)動(dòng)配置 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式有輪式、履帶式和步行方式。輪式和履帶式機(jī)器人適合于條件較好的路面，而步行機(jī)器人則適合條件較差的路面。為了適應(yīng)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(qū)動(dòng)配置類別的特點(diǎn)，并且根據(jù)本課題的需要選擇恰當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)配置方式。 3．1．1 機(jī)器人常用車輪驅(qū)動(dòng)配置介紹 1、獨(dú)輪驅(qū)動(dòng)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(zhuǎn)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(dú)輪機(jī)構(gòu)應(yīng)用于機(jī)器人上面基本沒有實(shí)用性。 2、兩輪驅(qū)動(dòng)配置方式 兩輪驅(qū)動(dòng)配置的簡(jiǎn)圖如下圖3-1所示： 圖3-1 兩輪車簡(jiǎn)圖 將自行車或摩托車用于機(jī)器人的試驗(yàn)很早就有人進(jìn)行了。主要依靠手的操作和體重的移動(dòng)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(jié)構(gòu)的機(jī)器人的速度、傾斜等物理量檢測(cè)、控制精度很難提高。另外在這種機(jī)器人上使用相對(duì)簡(jiǎn)單，可靠性高的傳感器也很難，而且制動(dòng)或者低速時(shí)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(yàn)上面。 3、三輪配置的驅(qū)動(dòng)方式 從理論上講，三點(diǎn)決定一個(gè)平面，因此輪式移動(dòng)載體的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)至少需要3個(gè)輪子支撐，所以3輪配置的驅(qū)動(dòng)方式是輪式機(jī)器人的基本移動(dòng)機(jī)構(gòu)。三輪配置驅(qū)動(dòng)主要方式如下圖3-2所示： 圖3-2 三輪移動(dòng)配置方式 典型三輪移動(dòng)機(jī)器人通常采用1個(gè)中心輪和2個(gè)后輪的車輪布置，要解決的主要問題是移動(dòng)方向和速度的控制。3個(gè)車輪配置與功能的不同組合又可以將3輪機(jī)器人分為圖3-2所示的若干類型。 圖3-2(a)所示為雙輪驅(qū)動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人，其組合是前輪 1 為可以任意方向滾動(dòng)的小腳輪，小腳輪的作用是使車體穩(wěn)定，但會(huì)給車體帶來力學(xué)上的干擾沖突，后輪 2 和后輪 3 為獨(dú)立驅(qū)動(dòng)輪，利用它們的轉(zhuǎn)速差實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。這種組合的特點(diǎn)是機(jī)構(gòu)組合容易，而且當(dāng)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪以相同速度、相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)車體能繞兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪連線的中點(diǎn)自轉(zhuǎn)，但自轉(zhuǎn)中心與車體中心不一致。 圖3-2(b)的組合是操舵機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)集中在前輪 1 上，2個(gè)后輪只起支撐從動(dòng)的作用。與圖 3-2(a)相比，該機(jī)構(gòu)也能繞 2個(gè)后輪連線的中點(diǎn)自轉(zhuǎn)，但其前輪驅(qū)動(dòng)集中，結(jié)構(gòu)比較復(fù)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(gè)為驅(qū)動(dòng)輪，另一個(gè)為從動(dòng)輪。這種車輪機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，組成容易，但單邊驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)性差，穩(wěn)定性不好，不能自轉(zhuǎn)。 圖3-2(d)的車輪組合將圖3-2(c)的單輪驅(qū)動(dòng)改為雙后輪差動(dòng)驅(qū)動(dòng)，提高了驅(qū)動(dòng)性，但加了一個(gè)差動(dòng)齒輪裝置，使結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，也增加了質(zhì)量。 三輪結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，能夠滿足一般的需要，應(yīng)用也比較廣泛。其轉(zhuǎn)向裝置的結(jié)構(gòu)通常有兩種方式：（1）鉸軸轉(zhuǎn)向式：轉(zhuǎn)向輪裝在轉(zhuǎn)向鉸軸上，轉(zhuǎn)向電機(jī)通過減速器和機(jī)械連桿機(jī)構(gòu)控制鉸軸從而控制轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向。（2）差速轉(zhuǎn)向式：在移動(dòng)裝置的左右輪上分別裝上兩個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過控制左右輪的速度比來實(shí)現(xiàn)車體的轉(zhuǎn)向。在這種情況下，非驅(qū)動(dòng)輪應(yīng)為自由輪。 4、四輪配置的驅(qū)動(dòng)方式 四輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)的典型配置形式如下圖3-3所示。 圖3-3 四輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)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(dú)立的驅(qū)動(dòng)輪。與圖3-2(a)的三輪車體相比，其自轉(zhuǎn)中心與車體中心重合，當(dāng)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪以相反速度方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，車體能繞自身的中心自轉(zhuǎn)，所以便于在狹長(zhǎng)的場(chǎng)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(diǎn)是前后輔助腳輪有時(shí)不能同時(shí)著地支撐，在高速啟動(dòng)和剎車時(shí)車體會(huì)產(chǎn)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(qū)動(dòng)方式類似，只是將前面一個(gè)操舵機(jī)改為兩個(gè)輪子，提高了車體的穩(wěn)定性。兩個(gè)操舵輪需要同一個(gè)操舵機(jī)構(gòu)來協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)向，此外為了減少后輪的摩擦損耗，配備了差動(dòng)齒輪裝置，增加了機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性。 四輪配置方式的轉(zhuǎn)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(qū)動(dòng)方式配置 在參考常用車輪驅(qū)動(dòng)方式配置的基礎(chǔ)上，結(jié)合具體系統(tǒng)的實(shí)際情況做出適合本系統(tǒng)的最佳選擇，當(dāng)然這種選擇不是一個(gè)方面的最優(yōu)，但是它必須是在考慮到各種實(shí)際情況（如機(jī)器人車體的載重、材質(zhì)、控制方法以及加工手段）之后的一個(gè)最優(yōu)方案。在本設(shè)計(jì)中，機(jī)器人在搬運(yùn)物塊過程中的穩(wěn)定性是我們要考慮的另外一個(gè)最為重要的因素。 從以上分析的關(guān)于機(jī)器人車體設(shè)計(jì)的兩個(gè)關(guān)鍵問題著手，我們知道三輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)配置的方式雖然簡(jiǎn)單而且在實(shí)際應(yīng)用中比較多，但是結(jié)合本課題的具體實(shí)際情況，由于機(jī)器人的總重量比較大、重心較高，如果采取三輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)配置的方式，前面只有一個(gè)萬向輪，而萬向輪將和后面的驅(qū)動(dòng)輪共同承擔(dān)機(jī)器人本身的重量，這將導(dǎo)致在轉(zhuǎn)向的過程中前面的萬向輪因?yàn)槌兄氐脑蚰Σ亮^大而不能靈活的完成轉(zhuǎn)向。而且從穩(wěn)定性的角度考慮，雖然三點(diǎn)可以決定一個(gè)平面，但是如果采用三輪的移動(dòng)機(jī)構(gòu)配置方式，機(jī)器人在巡線時(shí)不斷調(diào)整車身以及轉(zhuǎn)彎時(shí)車體擺動(dòng)是很大的，難免將機(jī)器人的重心改變到前輪和其中一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪中心的連線以外，這樣很容易造成機(jī)器人的側(cè)翻。綜合上面的考慮，在本系統(tǒng)中我們采用了四輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)的配置方式。考慮圖3-3(a)所示，如果采用這種移動(dòng)機(jī)構(gòu)配置方式，它的靈活性和穩(wěn)定性都是相當(dāng)好的，而且能夠使機(jī)器人在比較狹長(zhǎng)的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。綜合圖3-3所示的兩幅四輪驅(qū)動(dòng)配置圖，我們可以利用它們的優(yōu)點(diǎn)，去除它們的缺點(diǎn)，最終我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)器人四輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)配置如下圖3-4所示。 圖3-4 本系統(tǒng)所用的四輪移動(dòng)配置方式 本次機(jī)器人使用如上圖3-4所示的四輪移動(dòng)配置方式，它充分綜合了圖3-2和圖3-3所示的四輪移動(dòng)配置方式的優(yōu)點(diǎn)，既避免了使作用力過多的作用在一個(gè)輪子上，又有效防止了三個(gè)輪子配置所帶來的側(cè)翻問題，而且使生產(chǎn)加工更為方便，從多個(gè)方面解決了我們前面提到的要使機(jī)器人系統(tǒng)有很好的承重性能和穩(wěn)定性的問題。 3．2 機(jī)器人機(jī)械尺寸設(shè)計(jì) 1、設(shè)計(jì)要求： 底盤是安裝輪子和上層機(jī)構(gòu)的重要聯(lián)機(jī)部件，要求其十分牢固，與輪子和上層機(jī)構(gòu)可以緊密配合 2、結(jié)構(gòu)： 采用兩層機(jī)構(gòu):：第一層底盤裝萬向輪和驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)等；第二層底盤用于連接上層機(jī)構(gòu)。兩層之間用角鋁連接，采用了在同一連接處緊固兩個(gè)螺釘?shù)姆椒▉砑訌?qiáng)強(qiáng)度。結(jié)構(gòu)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(qū)動(dòng)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(jī)，防止兩者產(chǎn)生干擾。這樣，也使上層構(gòu)建更牢固。 寬度方向上選擇為750mm，在保證運(yùn)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(shè)計(jì) 機(jī)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(yīng)的信息。針對(duì)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(cè)巡線軌跡，超聲波傳感器檢測(cè)障礙物。 4.1機(jī)器人對(duì)巡線傳感器的要求 機(jī)器人對(duì)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(qiáng)光干擾、電磁干擾、顏色干擾，必須有較好的抗干擾能力。 可調(diào)性：比賽場(chǎng)地上機(jī)器人的運(yùn)行環(huán)境可能有別于當(dāng)初調(diào)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(huì)變化，必須留有調(diào)節(jié)各種參數(shù)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(dòng)到引導(dǎo)條帶邊緣，傳感器應(yīng)當(dāng)及時(shí)、快速、穩(wěn)定地觸發(fā)，不允許有狀態(tài)的抖動(dòng)，否則會(huì)引起機(jī)器人的搖晃。 成本低廉：對(duì)于機(jī)器人通用性來說，價(jià)格是一個(gè)重要的因素。盡管市售產(chǎn)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(jī)器人之類的格斗型機(jī)器人中超聲波傳感器是經(jīng)常采用的傳感器之一，用來檢測(cè)對(duì)方的機(jī)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(cè)是否有障礙物和有沒有到達(dá)目的地。其原理有如蝙蝠，它的嘴發(fā)出超聲波，當(dāng)超聲波遇到小昆蟲的時(shí)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(dāng)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(dāng)于蝙蝠的耳朵）接受來判斷是否檢測(cè)到物體。 超聲波傳感器的實(shí)物照片如圖4-1： 圖4-1 超聲波傳感器的實(shí)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(gè)頻率單位，20kHz即在1秒鐘內(nèi)來回振動(dòng)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(cè)物體的。 具體到超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)，一般它的內(nèi)部都有一個(gè)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(huì)根據(jù)電壓的大小產(chǎn)生相應(yīng)的機(jī)械變形，進(jìn)而產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，這就是所謂的壓電現(xiàn)象。超聲波傳感器就是利用這中原理實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu) 圖4-3 振動(dòng)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(cè)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(shí)間來測(cè)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(hào)通過運(yùn)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(jī)器人到達(dá)目標(biāo)可以選擇幾種方法： 1、根據(jù)起點(diǎn)與終點(diǎn)的位置關(guān)系，編制機(jī)器人行走路徑（通過制定步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的步數(shù)或者通過直流電機(jī)編碼盤反饋控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)）。這種方法在工業(yè)機(jī)器人控制中比較普遍，可以非常精確的控制機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)位置和軌跡，但它對(duì)機(jī)械尺寸和穩(wěn)定性要求相當(dāng)高，機(jī)器人在制作中的同軸度、平行度、具體尺寸等必須滿足設(shè)計(jì)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(dǎo)條帶深色地板的環(huán)境下，沿條帶指示的路徑實(shí)現(xiàn)跟蹤運(yùn)動(dòng)的過程。 由于底盤安裝精度和后排左右驅(qū)動(dòng)輪子之間的轉(zhuǎn)動(dòng)速度在制作時(shí)并不能保證完全一致，一些關(guān)鍵部件的尺寸在手工制作時(shí)也不是嚴(yán)格遵循設(shè)計(jì)尺寸，因此即使驅(qū)動(dòng)板向左右驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出的功率相同，也會(huì)使機(jī)器人的中心線偏離引導(dǎo)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(duì)場(chǎng)地及線路反射光的處理結(jié)果來識(shí)別路線的一類光電傳感器。根據(jù)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(jù)反射光強(qiáng)度巡線。光電傳感器由一個(gè)發(fā)射光源和一個(gè)接收器（光敏二極管）組成?；诎拙€與場(chǎng)地底色反射光強(qiáng)的差異，導(dǎo)致輸出電壓不同，從而識(shí)別白線。 2、辨色傳感器：根據(jù)線路顏色巡線。當(dāng)條帶與場(chǎng)地底色的反射性能區(qū)別不明顯時(shí)，根據(jù)反射光強(qiáng)識(shí)別線路的效果不會(huì)很好，這時(shí)可以通過色彩識(shí)別來巡線。辨色傳感器的功能比較強(qiáng)，應(yīng)用面廣，工作穩(wěn)定，識(shí)別效果好，但是元件多，電路復(fù)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(zhǎng)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(nèi)。大多數(shù)發(fā)光器件為880 nm、930nm兩個(gè)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(dǎo)體。發(fā)光波長(zhǎng)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(zhǎng)、輝度等性能指標(biāo)。 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(jīng)過放大及相關(guān)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(dāng)光照到PN結(jié)上時(shí)，它能吸收光能將之轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。它有兩種工作狀態(tài)： 加反向電壓時(shí)，二極管中的電流隨光照強(qiáng)度的大小而改變，光照強(qiáng)度越大，反向電流越大； 不加電壓時(shí)，PN結(jié)受光照射作用，產(chǎn)生正向電壓，可充當(dāng)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(shí)，反向電阻隨光照強(qiáng)度增加而減小，阻值可達(dá)幾kΩ 或1 kΩ以下。無反壓時(shí)，正向電壓與光照強(qiáng)度成比例，一般可達(dá)0.2～0.4 V。 4．3．2 基于反射光強(qiáng)度測(cè)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(dāng)無反射光照射或光照較弱時(shí)（即檢測(cè)到深色底色），電阻為 ∞。比較器的負(fù)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(shí)2端的電壓值較高；當(dāng)反射光較強(qiáng)時(shí)（檢測(cè)到白色引導(dǎo)線），阻值下降到幾kΩ，在R6和D構(gòu)成的回路中，比較器的輸入端2口分得電壓，這時(shí)的電壓值較小。可見在檢測(cè)白色和深色時(shí)2端的電壓值是不同的，因此在比較端3口調(diào)整輸入一個(gè)合適的比較值就可以根據(jù)檢測(cè)的顏色在1端輸出相應(yīng)的信號(hào)值了。即當(dāng)檢測(cè)到深色時(shí)，通過比較器輸出低電平，經(jīng)過反向器輸出高電平，用于表示檢測(cè)到深色底色的指示燈亮；當(dāng)檢測(cè)到白色時(shí)，通過比較器輸出高電平，經(jīng)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(qiáng)光來加強(qiáng)效果，即每個(gè)接收管周圍放置四個(gè)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(jīng)試驗(yàn)證明，這種增強(qiáng)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(shí)際設(shè)計(jì)中，根據(jù)擺放位置和分模塊設(shè)計(jì)的需要，將光電二極管單獨(dú)布置于兩塊PCB板上如圖4-6，只輸出光電二極管是否導(dǎo)通的信號(hào)；后排同理，也至于另一塊PCB板上，可調(diào)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(dǎo)通的信號(hào)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的高低電平。然后用扁線把他們連接起來，這樣達(dá)到了分模塊的構(gòu)想，也使得在不同的場(chǎng)地情況下，很方便快速地調(diào)節(jié)可調(diào)電阻部分。 圖4-6 置于板上光電二極管檢測(cè)電路 圖4-7 置于板上傳感器調(diào)節(jié)電路 4．4 紅外光電反射式傳感器布局 光電傳感器應(yīng)盡量靠近地面，以便減少外界光源對(duì)傳感器的入侵。一般垂直高度為5～10 mm。離地面過遠(yuǎn)，光反射效果差，信號(hào)不強(qiáng)；離地面過近，會(huì)導(dǎo)致反射角度太大，加劇光漫射干擾的影響，故應(yīng)適當(dāng)，以保證傳感器具有最佳的反應(yīng)。 實(shí)際使用過程中總會(huì)遇到意想不到的問題，因此調(diào)試環(huán)節(jié)很重要。實(shí)際調(diào)試時(shí)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(yīng)當(dāng)調(diào)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(fù)通過兩種顏色的邊界區(qū)，即由一個(gè)顏色區(qū)進(jìn)入另一個(gè)顏色區(qū)，觀察輸出變化的幅度和響應(yīng)的靈敏度。通過調(diào)整發(fā)射光強(qiáng)度、各個(gè)傳感器距地面的距離和位姿、輸出放大倍數(shù)或增加調(diào)制電路，以獲取最佳效果。比賽現(xiàn)場(chǎng)調(diào)定也是改善光電傳感器性能重要的一步，因?yàn)閷?shí)際場(chǎng)地與模擬現(xiàn)場(chǎng)的條件總會(huì)存在差別，要在電路中備留臨時(shí)可調(diào)整環(huán)節(jié)，這就是為什么要把調(diào)節(jié)電路單獨(dú)布置在一塊PCB上的原因。 光電傳感器的布置及線路設(shè)置與使用傳感器的目的有關(guān)。若只是要求機(jī)器人不偏離路線，在行走方向的兩側(cè)各安一個(gè)或一組（3～5個(gè)）傳感器以控制機(jī)器人的左右偏轉(zhuǎn)就可；若要求機(jī)器人時(shí)刻紀(jì)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(gè)在線上，通過計(jì)算就可以求出偏離的大概方位；若要求機(jī)器人從一個(gè)或多個(gè)方向接近路線時(shí)都能計(jì)算出位置信息，則可將傳感器安裝成圓形，結(jié)合機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)角度就可計(jì)算出相對(duì)于路線的位置。 當(dāng)光電傳感器檢測(cè)到的顏色是路面底色(深色)時(shí)向單片機(jī)輸出高電平；當(dāng)檢測(cè)到的顏色是引導(dǎo)線顏色（白色）時(shí)向單片機(jī)輸出低電平。這些向單片機(jī)輸入的高低電平實(shí)際是底盤與引導(dǎo)線的相對(duì)位置的表征量，單片機(jī)根據(jù)這些表征量來做出調(diào)整輸出，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路控制直流電機(jī)的起或停。 由于機(jī)器人的底盤整體較大，所以布置在底盤的傳感器應(yīng)盡量多，這樣可以檢測(cè)到底盤的多個(gè)位置，做出相應(yīng)位置的快速響應(yīng)。 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(gè)，其中18個(gè)用于機(jī)器人姿態(tài)定位，2個(gè)為超聲波傳感器檢測(cè)有無障礙和是否到達(dá)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(cè)到水平白色引導(dǎo)線時(shí)，對(duì)應(yīng)該排的輪中心剛好在白色引導(dǎo)線上，可方便轉(zhuǎn)彎和在交叉引導(dǎo)線處及時(shí)調(diào)整。每排每?jī)蓚€(gè)傳感器的間距為30 mm。對(duì)其標(biāo)號(hào)為～。 第5章 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)部分是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的源動(dòng)力，控制著機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向和速度。設(shè)計(jì)性能穩(wěn)定、快速響應(yīng)CPU信號(hào)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)精度的重要保證。 5．1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選用 移動(dòng)機(jī)器人的主動(dòng)輪有多種驅(qū)動(dòng)方式，其中采用電機(jī)加必要的傳動(dòng)裝置應(yīng)用最為廣泛。驅(qū)動(dòng)電機(jī)為小車移動(dòng)提供動(dòng)力源泉，傳動(dòng)裝置具有調(diào)速、改變運(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)定速或變速驅(qū)動(dòng)、反復(fù)起停的增量驅(qū)動(dòng)以及復(fù)雜驅(qū)動(dòng)。 目前常用的控制電機(jī)有：電壓控制感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（制動(dòng)電動(dòng)機(jī)或兩相伺服電動(dòng)機(jī)）、電壓控制直流電動(dòng)機(jī)（DC伺服電動(dòng)機(jī)）、頻率控制同步（SM）電動(dòng)機(jī)（步進(jìn)型伺服電動(dòng)機(jī)）、頻率控制感應(yīng)(IM)電動(dòng)機(jī)（感應(yīng)型伺服電動(dòng)機(jī)）、頻率控制磁阻電動(dòng)機(jī)（步進(jìn)電動(dòng)機(jī)）等，每種電機(jī)又衍生出不同的小類型，不同電機(jī)的控制方式、特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合也不相同。 本設(shè)計(jì)中考慮使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪，且盡力縮小車體的體積，所以帶減速器的電機(jī)成為首選，這樣只需要將電機(jī)輸出軸和驅(qū)動(dòng)輪連接起來即可。 目前移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用較多的是步進(jìn)電機(jī)和直流無刷電機(jī)（BLDC）兩種。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移模擬量的控制電機(jī)，其輸出的位移大小與輸入脈沖個(gè)數(shù)成正比且時(shí)間上與脈沖同步，通過改變脈沖頻率調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速。步進(jìn)電機(jī)一般分為反應(yīng)式（VR）、用磁式（PM）和混合式（HM）三種。反應(yīng)式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、運(yùn)行頻率高但轉(zhuǎn)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(jià)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(diǎn)，但結(jié)構(gòu)相對(duì)來說比較復(fù)雜，步距角一般在0.360～3.60之間。 直流無刷電動(dòng)機(jī)（BLDC）通過位置傳感器檢測(cè)磁鋼位置后，控制相電流通斷實(shí)現(xiàn)電子換向，避免換向火花，且不產(chǎn)生電磁干擾，具有壽命長(zhǎng)、運(yùn)行可靠、維修簡(jiǎn)便、變速不受換向條件限制、高速運(yùn)行、調(diào)速范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。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(shí)現(xiàn)調(diào)速，這對(duì)提高移動(dòng)機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)中的靈活性非常有用。另外，隨著具有PWM輸出的單片機(jī)在機(jī)器人控制器中的廣泛應(yīng)用，采用直流無刷電動(dòng)機(jī)（BLDC）作為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的越來越多。 對(duì)比二者的特點(diǎn)，尤其是考慮到使用單片機(jī)作為控制器時(shí)設(shè)計(jì)的可靠性，本設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)就選用帶減速器的直流無刷電動(dòng)機(jī)（BLDC）電機(jī)。 直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在以下方面： 1、 具有較大的轉(zhuǎn)矩，從而能夠克服傳動(dòng)裝置的摩擦轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩； 2、 具有快速響應(yīng)能力，可以適應(yīng)復(fù)雜的速度變化和控制信號(hào)的變換； 3、 電機(jī)的負(fù)載特性硬，有較大的過載能力，確保運(yùn)行速度不受負(fù)載沖擊的影響，增加的系統(tǒng)的可靠性； 4、 直流電機(jī)的空載力矩大，在控制系統(tǒng)發(fā)出停轉(zhuǎn)的同時(shí)可以立刻響應(yīng)，并且可以產(chǎn)生相當(dāng)大的力矩阻止機(jī)器人由于慣性繼續(xù)向前移動(dòng)； 5、 直流電機(jī)具有很好的環(huán)境適應(yīng)能力。 除此之外，DC直流電機(jī)相對(duì)其他電機(jī)來說運(yùn)動(dòng)起來平穩(wěn)，而且噪聲小。 5.1.1電機(jī)減速器的選擇 這里選用上海朗能機(jī)電設(shè)備有限公司生產(chǎn)的ZYT60-JB80永磁直流電機(jī)。其主要技術(shù)參數(shù)是： Unom=24V； Inom=4.8A ； nnom=2500r/min；Pnom=90W，Gnom =1:5～1:230。 具體的實(shí)物形狀如下圖所示 圖5-1 機(jī)器人巡線驅(qū)動(dòng)用的直流電機(jī)及減速器 直流電機(jī)的低速性能是偏軟的，為使電機(jī)工作在穩(wěn)態(tài)下，必須根據(jù)巡線機(jī)器人的實(shí)際運(yùn)行需要，選擇合適的減速器。另外電機(jī)的轉(zhuǎn)速比較高，對(duì)于巡線機(jī)器人來說，容易在轉(zhuǎn)彎的時(shí)候因慣性而循跡失敗，所以它的速度在6km/小時(shí)左右就可以滿足要求。 根據(jù)機(jī)器人中一些主要零件的參數(shù)，對(duì)其電機(jī)減速器的減速比計(jì)算如下： 后輪驅(qū)動(dòng)輪的直徑：; 驅(qū)動(dòng)輪走一周所滿足的路程：； （5.1） 速度V轉(zhuǎn)化為：； 由得：； （5.2） 減速比為：； 選取減速器的減速比為10，針對(duì)所選的減速器，對(duì)巡線機(jī)器人的移動(dòng)速度進(jìn)行再計(jì)算： 減速后輪子的轉(zhuǎn)速：； 輪子的轉(zhuǎn)速 ： ；（5.3） 經(jīng)過上面的校核計(jì)算，得知選用減速比為1：10的減速器滿足這次設(shè)計(jì)的需要。 經(jīng)過以上對(duì)電機(jī)和減速器相關(guān)分析計(jì)算后，我們可以最后確認(rèn)電機(jī)和減速器的型號(hào)。由于電機(jī)、減速器，輪子都要安裝在機(jī)器人的下面，當(dāng)機(jī)器人的體積和底面的面積是一定時(shí)，電機(jī)和輪子的尺寸也相應(yīng)地受到一定限制。為此采取的辦法是去掉電機(jī)到輪子中間的齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，取而代之的是與電機(jī)相配的小型減速器，該減速器安裝在電機(jī)上后，整個(gè)尺寸不過280作用長(zhǎng)，直徑90mm左右，其質(zhì)量比較輕，大概為1.5kg，效率η取0.8，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Ｊr取0.8=0.00011（kg·m·m）。 5.1.2 所選電機(jī)性能校核 在智能巡線機(jī)器人機(jī)構(gòu)中，由于需要一定側(cè)承重量以及加工制造的方便，驅(qū)動(dòng)部分以及支持部分都采用扁鋼為材料，機(jī)器人結(jié)構(gòu)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(gè)萬向輪與兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪共同分擔(dān)，機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪受力如圖所示。 圖5-2 輪子的受力 驅(qū)動(dòng)輪在減速器的驅(qū)動(dòng)下，克服與地面間的摩擦力F1 旋轉(zhuǎn)前進(jìn)，同時(shí)兩個(gè)轉(zhuǎn)向分別與地面間同樣在機(jī)體重力及貨物重力的作用下存在一定的摩擦力F2。當(dāng)F1 > F2 時(shí),驅(qū)動(dòng)輪才不至于打滑或空轉(zhuǎn)。初定驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)雙輪承受重力的60%，兩個(gè)萬向輪承受其余的40%，取驅(qū)動(dòng)輪輪胎與地面間的摩擦系數(shù)?=0.02，驅(qū)動(dòng)輪直徑=15cm,支撐輪直徑D2=4cm. 單個(gè)驅(qū)動(dòng)輪承受的正壓力： （5.4） 單個(gè)支撐輪承受的正壓力： （5.5） 單個(gè)驅(qū)動(dòng)輪克服的摩擦力： （5.6） 單個(gè)支撐輪承受的摩擦力： （5.7） 在一定的轉(zhuǎn)矩作用下驅(qū)動(dòng)輪克服摩擦力，則轉(zhuǎn)向輪處于從動(dòng)狀態(tài)。而在轉(zhuǎn)彎的狀態(tài)下，一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪將推動(dòng)兩個(gè)萬向輪運(yùn)動(dòng)，從而在這種要考慮兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的摩擦阻力。 機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)時(shí)承受的最大阻力： （5.8） 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)所需的電機(jī)的功率： （5.9） Pnom>P，故所選電機(jī)滿足要求。 5．2 直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向控制 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)器人的手和腳，即運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的基本組成部分，它的任務(wù)不僅是向機(jī)器人傳遞動(dòng)力，而且要提供準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)定位和靈活的操作。通常機(jī)器人驅(qū)動(dòng)有電氣、液壓、氣壓三種方式。本設(shè)計(jì)采用電氣驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。 將直流電機(jī)與直流電源或電池連接就可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。不過作為機(jī)器人的動(dòng)力使用時(shí)，必須對(duì)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)的開關(guān)（ON/OFF）和轉(zhuǎn)動(dòng)方向等控制。 使直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，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(jī)與電源的連接 以恒定的速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)DC電機(jī)的等效電路如圖5-4。這里，R0是轉(zhuǎn)子線圈的電阻，E0表示轉(zhuǎn)子線圈在定子磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)。 圖5-4 DC電機(jī)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(dǎo)體或繼電器來驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。繼電器電路比較簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是由于利用機(jī)械觸點(diǎn)，所以易產(chǎn)生噪聲，反應(yīng)速度也比較慢。半導(dǎo)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(qū)動(dòng) （b）發(fā)射極驅(qū)動(dòng) （c）大功率MOSFET 圖5-5直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 圖5-5（a）是常用的電路，三極管的集電極與直流電機(jī)連接，改變基極的電壓可以控制與集電極的電機(jī)的電流。由于驅(qū)動(dòng)力大，所以這種方式可用于電機(jī)的開關(guān)（ON/OFF）控制。 圖5-5（b）把三極管的發(fā)射極與直流電機(jī)連接，改變