V直流四驱工程车设计书.docx

错误!使用“开始”选项卡将 章标题 应用于要在此处显示的文字。贵 州 大 学机械综合创新实验报告设计题目12V直流四驱工程车学科专业：班 级：学 号：指导教师：学 生：年 月I机电系统综合创新实验实验报告目 录1 设计任务12 结构分析12.1 系统介绍32.2 任务目标42.3 机械结构实现及结果分析42.3.1 装有电机驱动轮的底盘结构4 2.3.2 自由度机械手臂结构63 控制系统分析及实现83.1 控制功能及系统组成分析8 3.1.1 小车的运动控制功能.8 3.1.2 机械手臂的运动控制功能.83.2 控制系统功能实现（硬件）.8 3.2.1 BigFish扩展简介.8 3.2.2 各控制硬件.104 系统实现过程125 系统测试136 总结与反思14参考文献15附录：源代码161 设计任务我们组的实验任务是12V直流四驱工程车，我们采用直流四轮驱动小车主题与自由度机械手臂主题相结合，并用控制系统实现控制小车的运动和机械手臂的上下运动和机械手的张合。首先是组装好小车的底盘结构和自由度机械手臂，然后通过编程实现小车和机械手臂运动的程序，将程序烧录到Bigfish扩展板中，用一块Bigfish扩展板连接摇杆模块控制小车的运动及运动方向，再用另一块Bigfish扩展板连接舵机模块实现控制机械手臂上下运动和机械手的张合。2 结构分析机器人具有4个直流电机，分别驱动4个后轮轮子。是机器人最常见的四驱底盘方案。由于同侧的电机转动方向始终相同，因此为了控制方便，可使用1 拖2 电源线将同侧电机接在2个直流电机接口上。主要结构：（1）装有电机驱动轮的底盘结构（如图1所示）：底盘上装有电机驱动轮，依靠电机驱动小车运动，并且需要在底盘上安装机械手臂，扩展板等结构。图1（2）自由度机械手臂结构（如图2和图3所示）：这个部分由2个舵机串联构成，其中手臂部分1自由度，主要实现手臂的上下运动，手爪1 自由度，主要实现手爪的张合。图2图3（3）控制部分结构：两块Bigfish扩展板，一块Bigfish扩展板连接摇杆模块控制小车的运动及运动方向，另一块Bigfish扩展板连接舵机模块实现控制机械手臂上下运动和机械手的张合。图42.1 系统介绍我们这组用到的机械器材是RobotMX02-02器材箱，器材中有机械零件部分和控制系统部分，另外还有一些机械零件安装的器械。我们的实验实验分为两个阶段，第一个阶段是训练和组装机器人的硬件结构，主要通过机械方式搭建好小车的四驱轮胎、电机、舵机、底盘、机械手等，第二个阶段主要是编制程序及程序烧录，这个阶段通过程序烧录，完成小车的运动测试和机械手臂的测试，并最终完成小车的控制与运行完善的结合，完成任务目标。机械零件如下图5和图6所示，组装完成的整体图如图7和图8所示。 图5图6 图7 图82.2 任务目标我们通过固定小组的合作方式完成时实验，小组人员通过合理分配，有序并带有创新的完成机器人结构组装和机器人调试，最终能够很好的实现控制小车的运动和机械手臂的上下运动和机械手爪的张合。并从实验中熟悉Digital - 控制数字IO 口接法及Bigfish扩展板、舵机模块、摇杆模块等的运用。2.3 机械结构实现及结果分析2.3.1 装有电机驱动轮的底盘结构1、直流电机的安装找到相应零部件，给直流电机装上输出头、支架。图92、组装的驱动轮 如下图10、图11、图12、图13所示，分别是单个驱动轮的安装、从动轮的安装、主动轮安装和最终完成的安装。 图10 图11 图12 图13结果分析：由以上的安装完成电机驱动轮的底盘结构，分析了电机的运行情况，及轮子的转动运行情况，经过分析和调试后，不断改善轮子的安装情况和电机的选用，最终得出运行良好的轮子和可靠的电机。2.3.2,自由度机械手臂结构1、组装关节模块关节模块是使用较多的一种模块，机构设计时思路比较直观，可以直接为机器人增加更多的自由度。可扩展出机械臂、多自由度足型、多足型、蛇形、人形等机器人。 图132、标准舵机输出头的安装 圆周舵机的输出头可以按随意角度安装； 标准舵机处于初始角度位置的情况下，用户可以根据机器人设计功能的需要选择输出头的安装方向。一般情况下，输出头的长边应该与电机的长边保持平行，安装后锁上螺丝。大标准舵机也同样处理。 图143、手臂手爪的连接安装参照视频安装机械手臂主题的过程，将组装关节模块按照图15、图16、图17所示完成手臂手爪的安装。 图15 图16图17结果分析：这部分的组装选用了两个舵机，调试舵机的运转角度，最终知道通过舵机传动角度，调试和分析连接的情况，改善舵机运动机械臂和机械手爪的运动。以便编程时，设置准确的旋转角度，使要求的运动合乎结构要求。3 控制系统分析及实现我们的目标是实现小车的运动、机械手臂的上下移动及并控制其机械手的张合。小车要进行运动分别用电机和摇杆模块连接Bigfish扩展板对小车的运动和运动方向进行了控制；用Bigfish扩展口连接两个标准舵机模块，各实现一个自由度，控制小车的机械手臂实现上下移动，和机械手爪的张合。3.1 控制功能及系统组成分析3.1.1 小车的运动控制功能小车的控制功能主要由一块Bigfish扩展板、两个直流电机、一个摇杆模块、直流电源、若干接口线组成，通过烧录好摇杆模块程序的Bigfish扩展口与摇杆模块连接，控制小车运动的方向。直流电源连接Bigfish扩展口再通过扩展板连接两个直流电机，驱动小车运动。3.1.2 机械手臂的运动控制功能机械手臂的控制功能主要由两个标准01舵机，一块Bigfish扩展板、一个直流电源、若干接口线。通过将编辑好的程序绕录到Bigfish扩展板中，舵机连接好程序设定好的相应接口，实现控制机械手臂的上下移动和手爪的张合。3.2 控制系统功能实现（硬件）3.2.1 BigFish扩展简介arduino是开源的控制板，非常适合爱好电子制作的朋友制作互动作品，但对于一些不熟悉电子技术的爱好者，要在arduino控制板上添加电路是一个比较麻烦是事，所以我们设计了一个专用于简单机器人的扩展板，能将大部分传感器轻松地和arduino控制板连接。通过BigFish扩展板（结构原理如图18）连接的电路可靠稳定，上面还扩展了伺服电机接口、8*8Led点阵、直流电机驱动以及一个通用扩展接口，可以说是arduino控制板的必备配件.。 图18 图193.2.2 各控制硬件1、摇杆模块系统控制实现小车的运动方向硬件如图20：图202、 控制直流电机实现小车驱动的硬件如图21：图213、 系统控制装有电机驱动轮的底盘结构硬件，如图22：图224、控制舵机硬件，如图23图235、需要舵机的机械手结构硬件，如图24图244 系统实现过程4.1 Analog - 模拟输入输出（如图25）1、 摇杆模块简介：采用原装优质金属PS2摇杆电位器制作，具有(X,Y)2轴模拟输出，1路按钮数字输出。配合控制板可以制作遥控器等互动作品。 2、参数电源要求：+3.3-5V；2轴模拟输出(X，Y)；1个数字按键输出(Button)。图25将程序烧录到控制板中，打开Serial Monitor，左右摇动摇杆，观察显示小车的运动的方向是相反的发生变化。4.2 Motor - 控制直流电机将直流电机连接到BigFish扩展板的直流电机接口上（如图26）图26这个例程的内容是控制连接在D9端口的LED实现一个呼吸灯的效果，原理是通过analogWrite语句给D9赋予不同的电压输出值来实现。这个原理和控制电机调速完全一样。将程序uploading到控制板中，观察电机的转动速度的变化。注意，如果要实现电机的反转，对D10端口analogWrite即可，但在此之前必须需要将D9端口置为低电平，以防电机堵转损坏。另外，在有舵机的情况下，由于芯片内定时器的冲突，analogWrite()失效，无法通过该函数对直流电机进行调速。只能通过digitalWrite()来给直流电机的端口设高低电平来控制直流电机正转或反转。BigFish的两个直流电机接口的端口号分别D9/D10和D5/D6，与4个舵机接口的端口相同。这表示，如果连接了直流电机，那么相应端口就不能连接舵机等任何外设。如果对应端口连接了舵机，则直流电机无法工作。4.3 Servo - 控制舵机按下图示意将舵机连接到BigFish扩展板的舵机接口上，注意舵机连接线的黑线与GND端口相连。图275 系统测试经过实验最后的演示，设计组装的机器人的整个运行流程顺利，实现了控制机器人小车的运动及运动方向和控制机械手臂手爪的任务要求功能。6 总结与反思这次的综合性创新实验大大开拓了我的视野、拓宽了我们的知识面。在自己动手基础之上，我们认真思考，进行实验的设计和规划、策划，这锻炼了我们的独立思考能力和实际动手操作能力。而且，我们还不断的向老师、学长请教，与同学进行交流，无形中增强了我们的学习能力和交流能力。它不仅是课堂教学的延伸和补充，而且对于激发我们的学习兴趣，开阔我们的视野，培养我们的探究精神，了解最新的科技动态，提高我们的分析、解决问题的能力，都是十分有意义的。这次试验给我们带来了许多收获，增强了我们对相关知识的了解，锻炼了我们的合作协调能力。实验机械结构部分组装让我们实际的动手操作，不仅增加了我们的实践能力，同时我们在组装的过程中，也了解了一些机构传动的知识，对我个人来说，这次实验使我对机械的模块组装和程序编制方面有了很大的收获。在这次试验中，我们组也遇到了一些关于结构和程序的问题，但是在老师的指导和我们组同学的努力下都一一克服了，最终取得了一个不错的成果。这让我特别感觉到一个团队更需要的是团结，一个团队就是一个集体，大家的力量才是真正的力量。只有团结，才能克服困难，走向成功。 参考文献1 门鹏, 段振华. 一种基于Petri网的自动Web服务组合算法J. 西安电子科技大学学报. 2008, 35(4): 609-613.2 谭浩强. C程序设计M. 第3版. 北京: 清华大学出版社. 2005.3 孙昌爱, 尚岩, 李飞. 事务感知的Web服务开发框架C. 全国软件与应用学术会议. 2011: 6-11.4 邓水光. Web服务自动组合与形式化验证的研究D. 杭州: 浙江大学, 2007: 15-28.5 W3C. OWL Web Ontology Language Overview. 2004: /TR/2004/REC-owl-features-20040210.6 范玉顺, 倪悦. 语义Web服务组合的模型转换及形式化验证方法P. 中国: ZL200910236364.9, 2009-10-20.7 G. Behrmann, A. David, and K. G. Larsen. A Tutorial on Uppaal4.0R. 2006.23附录：源代码1、Analog - 模拟输入输出其程序如下：const int analogInPin = A0; / Analog input pin that the potentiometer is attached toconst int analogOutPin = 9; / Analog output pin that the LED is attached toint sensorValue = 0; / value read from the potint outputValue = 0; / value output to the PWM (analog out)void setup() Serial.begin(9600); void loop() / read the analog in value: sensorValue = analogRead(analogInPin); / map it to the range of the analog out: outputValue = map(sensorValue, 0, 1023, 0, 255); / change the analog out value: analogWrite(analogOutPin, outputValue); / print the results to the serial monitor: Serial.print(sensor = ); Serial.print(sensorValue); Serial.print(t output = ); Serial.println(outputValue); / wait 10 milliseconds before the next loop / for the analog-to-digital converter to settle / after the last reading: delay(10); 2、Motor - 控制直流电机的程序如下：int ledPin = 9; / LED connected to digital pin 9void setup() / nothing happens in setup void loop() / fade in from min to max in increments of 5 points: for(int fadeValue = 0 ; fadeValue = 0; fadeValue -=5) / sets the value (range from 0 to 255): analogWrite(ledPin, fadeValue); / wait for 30 milliseconds to see