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机械毕业设计1372探测机器人系统的设计,机械毕业设计论文
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1 摘要 本设计采用模块化设计，以便根据要求选择和定制配置，并在需要的时候方便更换和添加其他模块，而且给出了两种移动方式的设计方案，即履带式移动方式和轮式的设计，两者都有各自的特点，但主要以研究设计履带式为主，它具有良好的机动性，在越障、跨沟、攀爬方面具有明显优势。该机器人的最大优点是具有良好的越障性能、环境适应性能、防摔抗冲击性能并具备全地形通过能力。而轮式探测机器人则机动性能比较好。除了设计探测机器人的总体结构外，还给出了移动控制方案。 机器人最重要的机构是运动底盘的设计，即使软件设计的再好，移动方式没 有设计好，那么机器人也不会很好的执行任务。轮式，腿式，履带式的移动方式在设计过程中已经给出， 可以根据自己设计的要求进行选择如果地形比较平缓，或是有沟壑的地形，可以选择履带的移动方式；如果是平缓没有沟壑的地形，就选用轮式的移动方式；如果地形成阶梯状，而且地形比较复杂，最好选用腿式的方法。 本设计可以采用两种控制系统，即通过上位机直接通过总线对机器人进行控制或是通过无线电台对机器人进行控制。 关键词 ： 探测机器人 ； 模块化设计； 履带移动方式； 机器人的控制系统； nts 2 Abstract The design is modular in design so that in accordance with requirements of options and custom configuration, and when needed to facilitate the replacement and add other modules, and is given two mobile forms of design options, that is, tracked and wheeled mobile way of design , Both have their own characteristics, but mainly to crawler-based research and design, it has good mobility in the barrier, the inter-ditch, climbing has obvious advantages. The robot is the greatest advantage of the barrier has a good performance, adapt to environmental performance, Fangshuai impact resistance and have all-terrain capacity. The wheeled robot will detect mobility is better。 In addition to detecting robot design the overall structure, but also gives a mobile control ways。 Robot is the most important bodies of the sports chassis design, even the best software design, mobile design means no good, then the robot will not be very good mission. Wheeled, legged, tracked the movement of way in the design process has been given, Can be designed in accordance with the requirements of their own choice if the relatively flat terrain, or a gully of the terrain, can choose to track the movement; If the gully is not flat terrain, on the choice of wheeled mobile way, if formed ladder, and More complex terrain, the best choice legged approach。 This design uses two types of control systems, through the PC directly through the bus to control the robot through the radio or to control the robot。 Keywords： Detecting robot; modular design； tracked mobile； robots control system； nts 3 目 录 摘要 I Abstract II 第一章 概述 1.1 机器人的应用范围 1.2 探测机器人的先状及发展趋势 1.3 研究内容 第二章 机械系统的设计 2.1 计 算机模块的设计 2.2 传感器模块的设计 2.3 电源及驱动模块的设计 2.4 底盘运动模块的设计 2.5 各模块的连接 11 第三章 能源驱动的设计选择 14 3.1 能源的供给 14 3.2 电机的选择 14 3.3 电机驱动的选择 15 第四章 传感器系统的设计 17 4.1 视觉传感器 17 4.2 超声波传感器 17 4.3 红外传感器 19 第五章 探测机器人的硬件系统 20 5.1 传感器采集系统 20 5.2 保护电路 20 5.3 红外传感器的接线 21 5.4 超声波传感器的接线 21 5.5 罗盘处理流程 21 5.6 RS485-RS232 转换电路 22 第六章 探测机器人计算机硬件系统 23 6.1 无线电台通讯系统 23 6.2 电子罗盘 23 第七章 探测机器人软件系统的开发 25 移动控制系统的设计 25 演示控制程序 25 结束语 29 参考文献 30 nts 4 第一章 概述 出于重要的战略意义，资源领域已成为各科技强国相互竞争的一个焦点，出于安全性等因素的考虑，对探测机器人的研究设计也成为了开发资源的重要硬件之一，探测机器人可以帮助人类完成一些 不能完成的任务。 1.1 机器人的应用范围 1） 行星探测移动机器人 行星探测移动机器人的研究对于发展行星科学、提高国防能力、提高国家的国际地位等方面均有重要意义，因为 :移动机器人是行星科学研究中着陆探测和取回样品到实验室分析的有力工具。人类在太空中停留数月之久会严重丢失钙和磷，这似乎意味着人类不可 能在重力为零的状态下飞行 6一 9个月或更长一点时间。但机器人不存在这个问题。因此，行星探测移动机器人的研究是对行星进行长期实地考察的需要。大大节省探测成本。以月球探测为例，根据粗略的估计，一次有人驾驶的飞行所花费的钱要比无人驾驶飞行多 50一 100倍。因此，光就科学上的探索来说，用机器人执行无人驾驶飞行任务是合算的。有利于提高国家国防自动化的水平和国际地位。因此，行星探测移动机器人的研究受到世界各国的高度重视。 2）海洋探测机器人 海洋探测机器人人已经广泛应用于海洋开发的许多领域，随着海洋开发的不断深入，续航力大、探测范围广、能执行多种复杂任务的大型机器人需求也越来越大。主要用于海洋石油开发、海底管道光缆巡查检修以及其他各种复杂任务。为了使机器人能更好的完成指定任务，水下机器人的运动性能预报就成为了一个重要的研究课题。 3）油井故障探恻机器人 探测仪器的送进是油田上测井、修井等井下作业中的一项重要技术。 4) 履带式井下探测机器人 中国作为世界产煤大国，也是世界煤矿事故高发国家，需要非常重视煤矿生产的安全。这种探测机器人可在灾害发生前对隐患进行准确及时的检测与预防，灾后进行施救等重要的危险任务。 关于 探测机器人应用范围比我们想象的要广泛的多，在军事方面，已经研究出了反坦克雷探测机器人；还有医学探测机器人等。 2006年，中国政府制定的国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要和国家中长期科学和技术发展规划纲要（ 2006 2020年），将发展航天事业置于重要地位。根据上述两个规划纲要，中国政府制定了新的航天事业发展规划，明确了未来五年及稍长一段时期的发展目标和主要任务。按照这一发展规划，国家将启动并继续实施载人航天、月球探测、高分辨率对地观测系统、新一代运载火箭等重大航天科技工程，以及一批重点领域的优 先项目，加强基础研究，超前部署和发展航天领域的若干前沿技术，加快航天科技的进步和创新 。要发展航空事业，对月球进行探索，那么研究设计探测机器人是必不可少的过程。 1.2 探测机器人的 现状及发展趋势 nts 5 1） 在行星探测机器人的研制方面，美国和俄罗斯处于世界领先地位。从 20世纪 60年代开始，美、苏向月球以及金、火、水、木、土等星球发射了许多探测器。格林威治时间 1997年 7月 4日 17时 07分，美国国家航空航天局困 ASA)发射的火星探路者号宇宙飞船成功地在火星表面着陆。探路者登陆器上带有各种仪器及“索杰纳”火星车团。 这是上世纪自动化技术最高成就之一。 日本对机器人的设计也处于领先地位。日本京都大学科研人员已经开发出一种新型机器人 ,能在强烈地震发生后到废墟中探测被埋人员。还专门进行了实用演示。这种机器人外表象是一条粗大的节足昆虫 ,长 1 43 m,由 7 节组成 ,有人的小腿一般粗细 ,每节周身都缠满纵向履带。它可以在遥控下从瓦砾的夹缝中蜿蜒穿行 ,装在头部的摄像机镜头会随时传输观察到的影像和搜集到的声音 ,从而供控制者判断里面是否有需要救助的存活人员。 未来的空间探测任务要求机器人系统能够在预先未知或非结构化的环境中执行变化的任务， 机器人移动平台应具备良好的几何通过性、越障性、抗倾覆性、行驶平顺性、牵引控制特性和能耗特性。基于不同的原理和性能侧重点，国内外提出并试验了多种类型的空间探测机器人移动机构。 2）探测机器人移动系统的发展趋势如下 : (1)轮腿式，履腿式等复合型结构的移动机器人是一个研制方向 。 (2)由于航天器技术、尺寸、质量和费用的限制 ,微小型行星探测机器人是目前发展的主流 。 (3)由于通信时延和微重力作用的缘故 ,中低速移动机器人是研制的主流 。 (4)机械结构设计与控制方案相结合是研制灵活可靠的行星探测机器人的设计方向 。 3）设计探测机器人所面临的问题 尽管国内外已经研制出了轮式、腿式、轮腿式、履带式和其它特殊形式的移动机器人 ,但到目前为止 ,无论国内还是国外 ,同时具备以下性能的移动机器人还没有出现 :(1)能跨越大于轮子直径的壕沟和高于轮子半径的台阶 ;(2 机器人陷入软土壤中时 ,能自动脱离软土壤区 ,恢复正常的行驶能力 ;(3)整机的可密封性和可压缩性良好 ;(4)克服倾翻对机器人行驶能力的不良影响 ;(5)行驶的高速高效性 ;(6)容积可进行扩充，而这些又是行星探测等领域移动机器人运动系统所应具备的重要性能 ,因此 ,研制出新型的、综合性能更 好的行星探测机器人是行星探测机器人移动系统研究中有待解决的问题之一 。 1.3 研究内容 本设计 采用模块化设计，以便根据要求选择和定制配置，并在需要的时候方便更换和添加其他模块， 而且给出了两种移动方式的设计方案，即履带式移动方式和轮式的设计，两者都有各自的特点，但主要以研究设计履带式为主，它 具有良好的机动性， 在越障、跨沟、攀爬方面具有明显优势。该机器人的最大优点是具有良好的越障性能、环境适应性能、防摔抗冲击性能并具备全地形通过能力 。而轮式探测机器人则机动性能比较好。 除了设计探测机器人的总体结构外，还给出了移动 控制方案 。 其具体研究内容如下： 1、 研究探测机器人系统的设计原则。 依据运动学原理，对机器人进行性能指标分析，动态分析，使机器人能够自适应路面，即具有抗倾覆性、爬坡性能、越障性能、跨沟性能等功能。 nts 6 2、 确定探测机器人的移动方式，并对整个探测机器人的整体进行规划设计。 1）移动方式的确定 ； 2）总体结构设计 ； 3）传动系统设计 。 3、给出移动控制系统的设计方案。 1）监测方法； 2）计算机硬件系统的设计； 3）计算机软件系统的设计。 4、探测机器人的拟定工作流程如图 1-1。 图 1-1 机器人工作流程 接通通讯电缆 打开控制界面 点击所需运动 机器人开始运行 nts 7 第二章 机械系统的设计 设计对探测机器人采用了模块化设计，总 体分为四个模块，即计算机模块，传感器模块，电源及驱动模块，运动底盘模块。模块化 设计的探测机器人结构比较明了，而且在一些模块预留了一些空间，可以在需要的时候更换或添加其他 模块。 其简图如图 2-1 图 2-1 测机器人简图 其 性能参数的基本要求 如表 所示 2-1 表 2-1 机器人性能参数基本要求 性能 参数 额定电压 24VDC 工作电流 2A 驱动方式 直流电机驱动 电池 铅酸蓄电池组 最大速度 3m/s 最小速度 0.01m/s 最大负载 30kg 工作时间 6 小时 爬地能力 15 度 越障能力 3cm 2.1 计算机模块的设计 计算机模块 分为两部分结构，上端为 度支撑架， 下端是计算机的保护架。其中支撑架是用来控制摄像头的监测方向，将摄像头安装在支撑架的套筒里，此设计是为减小外界环境对摄像头表面 和线路 的影响，如水，阳光的腐蚀等，虽然不能完全隔离外界的影响，但尽量增加了摄像头的使用寿命。 在支撑 架的右方和下方安装两个舵机，使套筒具有上下 ， 左右两个自由度，从而使摄像头 可以 全方位的监测周围的环境 。保护架是用来防止计算机受到外界环境的撞击，另外，保护架提高了摄像设备的高度，可以看的更远一些。 控制计算机模块 传感器模块 电源驱动模块 底盘运动模块 nts 8 其简图如图 2-2 所示 图 2-2探测机器人摄像云台简图 2.2 传感器模块的设计 传感器就像人类的感觉器官， 探测机器人必需要有这方面的设计 ，视觉传感器也有他的局限性，实现视觉的功能是需要光的，如果在夜间 执行任务时就很难实现其功能，为更好的使机器人完成认为，再加一 组 超声波传感器。 传感器模块 是一个由金属材料板组成的 圆柱体，这种结构是根据主板的形状设计的， 传感器模块虽然结构简单，但里边所安装的电路主板是机器人的枢纽，机器人个部分的电路板都在这里，所以密封工作一定要做好。 传感器块周围安装了 24 路红外传感器和超声波传感器。当人遥控机器人执行任务且视频效果较好时可以关闭红外和超声波传感器，当视频效果不好或是机器人自行执行任务时，红外和超声波传感器 都要开启。 传感器与箱体板安装如图所示： 2.3 电源及驱动模块的设计 电源及驱动模块是为机器人提供能源的部分， 安装有电池组和左右电机驱动器， 因为电池组喝驱动部分有一些重量，所以采用铸铁 作为箱体。 2.4 底盘运动模块 2.4.1 移动方式的选择 机器人的移动方式主要有轮式、履带式、腿足式三种，另外还有步进移动式、混合移动式、蛇行移动式等，各种移动方式的机动性能对比如表 2-2 表 2-2 车轮式、轮、履、腿式移动机构性能比较： 移动机构方式 轮式 履带式 腿式 移动速度 快 较快 慢 越障能力 差 一般 好 机构复杂程度 简单 一般 复杂 能耗量 小 较小 大 机构控制难易程度 易 一般 复杂 nts 9 探测器需要一个良好的工作性能，要想较好的完成任务，需要平稳的移动方式。很明显，履带式 移动机构的性能居于轮式和腿式移动机构之间，在地面适应性能、越障性能方面有良好表现。履带移动机构地面适应性能好，在复杂的野外环境中能通过各种崎岖路面以及沟壑等，它的活动范围广，性能可靠，使用寿命长，轮式移动机构无法与其比拟，适合作为探测机器人的推进系统。所以采用履带式的移动方式。 另外，考虑到履带移动方式的机动性能比较差，所以，本章节也设计了 2轮 +1个万向轮的移动方案，这样可以根据地形的不同，才用不同的移动方式，在平缓的地形中，可以采用轮式，在有沟壑的地形中采用履带式。这样就增加了探测机器人的工作效率。 2.4.2 履带的选择 根据探测机器人性能参数表可知，要求的移动速度不高，但移动距离应该精准，根据这些要求，履带选用梯形齿同步带 ，其特点如下： 结构简图 如图 2-3 图 2-3 履带简图 结构：工作面为梯形 齿，承载层为玻璃纤维绳芯、钢丝绳等环形带，有氯丁胶和聚氨酯橡胶两 种。 特点：靠啮合传动，承载层保证带齿啮合齿距不变，传动比较准确，轴压力小，结构紧凑，耐油，耐磨性好，但安装制造要求较高。 应用： v50m/s P300kw i10要求同步的传动，也可用于低速传动。 2.4.3 履带、 齿轮的 设计计 算 常见的行走机构形式就是同步带 /齿形带。同步带 /齿形带传动具有带传动，链传动和齿轮传动的优点。同步带传动由于带与带轮是靠啮合传递运动和动力，故带与带轮间无相对滑动，能保证准确的传动比。同步带通常以钢丝或玻璃纤维为抗拉体，氯丁橡胶或聚氨酯为基体，这种带薄而且轻，故可以用于较高速度。传动的线速度 可达 50m/s，传动比可达 10，效率可达 98% 。传动噪音比带传动，链传动和齿轮传动小，耐磨性好，不需有润滑，寿命比摩擦带长。其主要缺点是制造和安装精度要求较高，中心距要求较严格。所以同步带广泛应用于要求传动比准确地中 ，小功率传动中，如家用电器，计算机，仪器及机器人，机床，化工，石油等机械。 同步带的设计计算 1 选择设计功率 0 .3dAdp k pp kw选 择(1) nts 10 2 选择带型和节距 选取带型为 H 型 (2) 3 根据带型 H 和小带轮转速 n1 查得最小齿轮 m in 1 4 ,z 此 处 取 16min 14Z ，此处取 Z=20 小带轮节圆直径 d1 11 2 0 1 3 8 2 . 8bzpd (3) 查表得其外径 82.85d mm 设计 Z2=Z1=20 21218 0 . 8 57 9 . 4 8aad d m md d m m4 带速 v= 11 8 2 . 8 5 4 7 . 5 2 0 . 2 /6 0 1 0 0 0 6 0 1 0 0 0dn ms (4) 5 定轴间距0a=400mm 6 带长及其齿数 210 0 1 20()2 ( )248 0 0 8 2 . 8 51 0 6 0 . 1 4 9ddL a d damm (5) 7 查表应选用带长代号为 420 的 H 型同步带，其节线长 1070pL mm，节线上的齿数Z=84 8 实际轴间距 a= 001 0 7 0 1 0 6 0 . 1 4 9 4 0 0 4 0 9 . 2 622pLLa m m (6) 9 小带轮啮合齿数 11212 ( ) 1 022 bm pzzz e n t z za (7) 10 基本额定功率 20()1000aT m v vp (8) 查得02 1 0 0 . 8 50 . 4 4 8 /( 2 1 0 0 . 8 5 0 . 4 4 8 0 . 1 6 2 ) 0 . 1 610000 . 3 4aTNm k g mP k wkw 13bp mmnts 11 所需带宽 01 .1 420dss pbb kp (9) 查表得： H 型带01 .1 44 0 .2 51010 .2 67 6 .20 .4 24 0 .2 5mzsb s m mzkbmm查表得应选带宽代号为 150 的 H 型带，其 38.1sb mm11 带轮结构和尺寸 传动选用同步带为 H150 带轮 Z1=Z2=20， d1=d2=80.85mm,da1=da2=79.48mm 采用同步带作为履带的优点是：效率高，最高效率能达到 90%以上；设计简单，只须根据 标准规格选择节矩，齿数，长度，宽度就可以了。但是同步带一旦选定，长度，宽度就是固定的，因此基本属于定制，设计不同的履带式平台就需要不同的同步带。这个特点限制了同步带应用的灵活性。 本设计还附加了轮式底盘的移动方式， 2轮加 万向轮， 因为尽管履带移动方式的稳定性比较强，但机动性比较差，所以，在必要的时候，可以根据地形的不同，装配不同的移动方式。轮式底盘的装配图在附录中，其他模块不便。 2.4.4 锥齿轮的设计 这是轮式移动方式中，传动是通过锥齿轮来实现的。锥齿轮的计算如下： 齿轮比 u=1 大端分度圆直径 de1=20mm 齿数 Z1=Z2=30 大端模数 me1=de1/Z1=6.67 分锥角 1=45 外锥距 Re=de1/2sin 1=141.4 齿宽 b1= RRe=42.42 齿宽系数 R=b/Re=0.3 平均分度圆直径 dm1=de1 (1-0.5 R)=170 中锥距 Rm=Re(1-0.5 R)=120.19 平均模数 Mm=me1 (1-0.5 R)=5.6695 切向变位系数 Xt=0 径向变位系数 X =0.46（ 1-cos 2/ucos 1） =0 齿顶高 ha1=me（ 1+x1） =6-67 齿根高 hf1=me（ 1+c -x1） =8.004 nts 12 顶隙 c= c m 齿距角 a1= f2= f1 齿根角 f1=arctan(hf1/Re)=3.24 顶锥角 a1= 1+ f2=48.24 根锥角 f1= 1- f1=41.76 齿顶圆直径 da1=de1+2ha1cos 1=209.43 安装距 A1 冠顶距 Ak1=de2/2-ha1sina 1=95.285 轮冠距 =H1=A1-Ak1 大端分度圆齿厚 S1=me（ /2+2x1tan +xt1） 端 面当量齿数 Zv1=z1/cos 1=42.43 锥齿轮在这个设计中的作用是连接电机转轴和车轮转轴，采用的两个 90 度锥齿轮进行连接，这样既可以保证两个转轴之间的传动，有可以很好的黏合。 2.5 各 模块的连接 2.5.1 计算机模块与传感器模块的连接 如图 2-4所示 图 2-4 计算机模块与传感器模块的连接 计算机模块与传感器模块的 连接很简单，设计的原则就是模块化设计，各模块的拆装应该简单明了 。其中连接计算机模块与盖 板的是 8颗 M3内六角 沉头螺钉 ，图中显示的是其中的两个，其它 6颗都与这两个对称。 注意，这里的螺钉式直接连接到盖板上的，并且计算机固定架仅仅靠着几颗螺钉连接。因此，安装时务必装紧，避免由于震动等造成螺钉的松动。 传感器上的盖板则是用 8颗 M5内六角沉头螺钉固定的，一个连接机构需两个螺钉，其它六个与这两个均匀分布，这样的拆卸非常方便。从图中可以看出， 8颗内六角沉头螺钉都固定在了计算机模块的外部，很明显，这样连接即使不拆除计算机模块 ，也可以打开盖板看到传感器模块里的情况， 为 排查故障等提供了方便 ，还有就是，盖板要比传感器的箱体要大，因为，传感器箱体里放的是几乎所有机器人所需要的电路板，防止大量灰尘进入到里边影响电路的正常工作。 在传感器模块与盖板之间有一条扁平电缆连接，在末端分成两个插头，其中一个是插在传感器主板上，是 24V电源插头，为传感器层顶的用电设备提供 24V电源插头；另一个插在传感器主板上的一个扩展卡上。作用是将机器人底层的 RS-485总线转换为方便连接计算机的计算机模块 传感器盖板 传感器箱体 连接件 nts 13 RS-232电 平。 2.5.2 传感器模块与电源驱动模块的部分连接 连接方法如图 2-5 图 2-5 传感器模块与电源驱动模块的连接 如图所示 ， 这里盖板的连接方式与传感器盖板的连接方式相同，用 8 颗 M5 内六角沉头螺钉固定。 由于传感器箱体底部安装了电路主板 等，所以是封闭的，用计算机架的连接方式就不能实现拆卸方便的原则， 所以采用途中所示的方法，两个模块分别固定各自的连接快，然后结合到一块儿，然后用一颗 M5 内六角圆柱头螺钉进行紧固，螺钉头朝外，这样拆装就相当简单了，两个模块之间共有四组这样的连接方式，分布在盖板的四周。 2.5.3 电源驱动模块与底盘运动模块的连接 图 如图 2-6 所示， 1 为电源及驱动模块， 2 为减振机构， 3 为连接架， 4 位履带当板。这两个模块连接较其它模块有所不同，电源及驱动模块与运动底盘连接，它的稳定性直接影响机器人的工作效率，为了减小底盘移动产生的震动，在与电源及驱动模块的连接中，加进一个减震机构，如图所示，这个结构刚性比较好，可以消除一些由于路面不平产生的震动。连接架的下端用四颗 M5 螺栓进行固定。机器人共有四组这样的减振机构，左右各两组。 传感器箱体 两模块连接件 电源及驱动模块盖板 电源及驱动模块 减震机构 连接架 运动底盘 nts 14 图 2-6 电源驱动模块与底盘运动模块的连接 第三 章 能源驱动的设计选择 机器人 运行条件不同消耗的电能 如表 3-1 表 3-1 机器人消耗电能量 运行条件 电流（ A） 机器人待机（传感器处于休眠状态） 0.5A 机器人静止（所有传感器工作） 2A 机器人前进（最大 3m/s 速度） 3.5A 机器人旋转（ 1m/s 速度） 4.5A 从表中可以看出，机器人的功耗控制的较低，并且散热系统的设计有效的利用了金属壳作为散热器 。在正常工作环境下， 机器人长时间工作也不会过热，所以可以放心使用。 3.1 能源的供给 本机器人的能源装置配置了两单元 铅酸蓄电池，其参数如下： 容量： 24V17Ah(2 单元 12V 串联，单元容量 12V17Ah),408Wh 重量： 11kg 放电能力： 10-20,170-340A 连续电路 能量密度： 39Wh/kg 循环寿命： 500 次 工作时间： 4-6 小时 3.2 电机的选用 驱动装置的选择 按照能源的不同 ，可分为液动，气动，电动三大类。电驱动器由于电能易于获取，容易传输，没有污垢，易于维修等优点而被广泛采用。在机器人使用的电驱动器中，步进电机与数字电子计算机的结合上，表现出很好的发展前景。 根据第二 章计算结果和机器人性能要求，配置了乐日本三洋公司生产的 Super_L 直流 电机，外观如图 3-1 所示： 图 3-1 Super L 三洋直流电机 nts 15 电机参数如下： 额定电压 24V 额定功率 60W 额定转速 3000n/min 减速比 1:5 编码盘线数 512-1024 3.3 电机驱动的选择 直流电机将轴的旋转运动输入到齿轮箱，然后齿轮箱的输出轴控制轮子转动，从而驱动整个机器人运动。直流电机上的电压大小影响它的转速和扭矩。 探测机器人的调速是通过直流运动控制器来实现的，此探测机器人配置了瑞士FAULHABER 公司的 MCDC2805，如图 3-2 所示： 图 3-2MCDC2805 驱动器 MCDC2805 运动控制器是专为直流电机而量身定做的，配合性能优异的 SANYOSuperL电机及集成编码器，即使在转速非常低的情况下，也能到达 0.18 度的定位控制精度。 MCDC 2805 运动控制器由功能强大的 16 位处理器和性能卓越的数字滤波器组成智能化的 MCDC 2805 能实现以下功能： 1速度控制：在绝大多数应用中，均能达到优异的速度同步性能，同时 转矩波动最小内置 PI 调节器能准确到达指定位置。 2速度模式可以方便实现谐波，三角形，梯形及更复杂的复合运动速度图运行模式。 3位置控制 ：采用限位开关，参考令位及高分辨率的编码器，可以实现高精度定位控制。 4附加控制模式：可以通过步进控制模式同步控制多个电机工作。 5转矩控制：通过调节电流实现转矩控制 6保存和运行程序：可以完全脱离 PC 主机独立运行，实现所有控制功能。 7输入输出： 给定信号输入：可以用模拟方式或数字方式输入给定 速度，此书如也可以作为参考信号用。根据不同的工作模式，又是需要频率信号输入。 nts 16 故障输出端 （集成极开路输出）：可以设置成旋转方向输入，数字输入或参考输入 口。 RS232 串口：用于与 PC 主机通讯和控 制程序运作。 MDCD2805 接线口如表 3-2 表 3-2 MDCD2805 的接线表如下： 电源侧 9 针 D 型串口 电机侧 接线端 功能 接线端 功能 接线端 功能 V1 RS-232 TXD (RS-232 发送端 ) 2 RS-232RXD(RS-232 接收端 ) M1 InputNo.5(第三输入端 ) V2 RS-232RXD (RS-232 接收端 ) 3 RS-232TXD(RS-232 发送端 ) M2 InputNo.4(第三输入端 ) V3 AnalogGND (模拟地 ) 5 GND(地 ) M3 Channel A (编码器 A 通道 ) V4 Fault Ouput (故障输出端 ) M4 Channel B (编码器 B 通道 ) V5 Analog Input（模拟输入端） M5 VCC(+5)(系统提供 +5V) V6 +24V(点源正极 ) M6 Signal GND (信号地 ) V7 GND(地 ) M7 MOTOR+(接电机正极 ) V8 Input No.3 (第三输入端 ) M8 MOTOR_（接电机负极） nts 17 第四 章 传感器系统的设计 首先，机器人的传感器就像人体上 的感觉器官，它 可以探测到周围的环境，然后经过综合性的测量、计算，对他的行为进行 选择判断。其中，视觉是最重要的，因为，即使只 有视觉的时候，也能根据看到的进行前行或是改变行为 方式，但如果失去了 视觉，即使其他的感觉功能都存在，也很难判断周围的环境，很难对行为 方式进行判断。所以首先应选择视觉传感器。 4.1 视觉 传感器 因为在设计过程中，为了保护好摄像设备的连接线以及防止设备被环境腐蚀等，已经设计了用舵机控制自由度的摄像云台，安装摄像头的部位可以在控制下朝向任何的方向 ， 所以只需一个 USB 摄像头即可。 如图 3-3 所示； 具体视觉参数如表 4-1 图 4-1 表 4-1 视觉 具体参数如下： 传感器类型 Ccd 感光器 传感器像素 130 最高分辨率 (dpi) 1280*960 最大帖数 (FPS) 30 色彩位数 (bit) 24 对焦方式 /范围 自动对焦 摄像头压缩比 5:1 兼容操作系统 Windows 2000/Windows XP PC 接口类型 USB 2.0 颜色 银灰色 其它 内置麦克风，用 Rightsound 技术，清晰，无回音的语音系统。 为了使机器人更好地执行任务，配置了 24 路超声波传感器和 PSD 红外传感器。两种测nts 18 距传感器可以互补，例如有些不反射红外的物体（像黑色塑料等）却能很好地反射超声波，反之，很多超声波传感器无法检测到的物体（像纤细的织物）很容易被红外测距传感器检测到。 4.2 超声波传感器 超声波传感器安装如图 -2 图 4-2 超声波传感器安装图 超声波传感器就是被两个螺钉固定在了箱体上，共配置了 24 路超声波传感器安装到了传感器的箱体周围的壁上。 超声波传感器的测距工作原理：超声波传感器激发出一束很窄的超声波在空气中传播，当遇到障碍物时，超声波返回。根据超声波的传递时间就能准确地计算 出障碍物的相对距离。 原理如图 4-3 图 4-3 超声波检测距板原理图 本设计采用的使集成的超声测距传感器，使用简单。首先将超声波传感器的 INIT 信号拉到高电平，此时超声波传感器换能器的将激发超声波。 INIT 信号高电平的时间与需要测量的最长距离有关。当超声波遇到障碍物时，超声波将返回，超声波传感器检测到回波信号后，将 ECHO 置为高电平。当 INIT 信号为低电平时， ECHO 同时也变为低电平。因此可以计算障碍物的距离： 障碍物的距离 S=（ INIT 高电平时间 T1-ECHO 高电平的时间） *声速 /2。超声波传感定时器 控制 显示器 调制器 计时器 接受检验 振荡器 超声波接收器 超声波发生器 nts 19 器工作的时序如图 4-4 所示 图 4-4 超声波传感器工作时序图 4.3 红外传感器的配置 除了超声波传感器，还为探测机器人配置了 24 路红外传感器参数的型号为 E18-B0，规格数据为： VCC: 6V-36V(典型 12V) 工作电流 : 小于 300mA 输出形式 : NPN 三极管 OC 输出 封装形势 : 工程材料 安装方式 : 直径 17mm 壳体螺纹，带锁紧螺母 光电开关输出是开关量，只能判断在测量距离内有无障碍物，不成给 出障碍物的实际距离，而且其开关的临界距离要受外界光环境的影响。因此仅作为超声波传感器的补充，以测量超声波传感器的补充，以测量超声波传感器的盲区内有无障碍物。另外，该传感器有一个灵敏度调节旋钮，可以调节传感器触发的距离。随供电电压不同，最远探测距离在 5-60cm可调。 虽然红外传感器的功能有限，但恰恰与超声波的功能互补，所以为了使探测机器人更好的执行任务，红外传感器是必不可少的。 nts 20 第 五 章 探测机器人的硬件系统 5.1 传感器采集系统 5.1.1 传感器主板如图 5-1 图 5-1 传感器主板 图 中只显示了一个超声波传感器，其他 24 路沿主板均匀排列，将收集到的信息存到采集卡里，并传输给计算机。 5.1.2 电源输入以及简单保护电路 ： 传感器主板电源输入如图 5-2：由两针接口 POWER 输入之后分成两路，一路经过可恢复保险管与 TVS 管（用于反接与过压保护）为传感器系统提供 24V 电源，另一路直接为 PC提供电源。其中 LED01 与 LED02 分别是传感器系统与 PC 系统电源指示电源电路。 nts 21 图 5-2 传感器主板电源输入 5.2 电源保护电路 电源保护电路 如图 5-3 为了便于用扩展，对各扩展卡的每一路电源以及信号 都进行可靠的保护 如图 ，即使用出现把短路，接反，信号混乱也不会导致整个系统崩溃。 图 5-3 电源保护电路 5.3 红外传感器 的接线 红外传感器输入接口 如图 5-4 传感器供电为 5V,HY_OUT 为输入端。 nts 22 图 5-4 红外传感器输入接口图 5.4 超声波传感器的接线 超声波传感器输入接口 如图 5-5 传感器主板上 24 路超声波传感器接口，其定义如图所是： POWER,GND 是 12V 供电接口 ECHO_OUT 是超声波传感器回波信号输出 INT_IN 是超声波传感器使能输入 图 5-5 超声波传感器接口图 5.5 罗 盘处理 基本工作原理： 在接收到 PC 查询指令后读取罗盘数据，并按标准协议发送到 PC. 程序基本流程图 5-6 nts 23 图 5-6 罗盘数据基本流程图 5.6 RS485-RS232 转换电路 基本工作原理： 通过 MAX491 将 +12V-17V 的 RS485 差分电平转化为 0-5V 的 CMOS电平，然后通过 MAX232 将 CMOS 电平转化为 PC 的 +12-7 的 VRS232 电平，实现 PC 与模块设备的通信 。如图 5-7 所示 初始化 发送 总指令为查询罗盘？ 向罗盘发出读指令 罗盘返回数据？ 加入数据包头和校验 十次连续查询 是 是 否 否 是 是 nts 24 图 5-7 RS485-RS232 转换电路 第六 章 探测机器人计算机硬件系统 nts 25 在机器人的研究中，机器人的系统结构一直是人们关注的热点。通用开放式机器人系统是今后发展的趋势 。首先，开放机器人应具备以下特征： 1 使用基于非专用局算机平台的开发系统； 2 使用标准的操作系统和标准的控制语言； 3 硬件基于标准总线结构，能够与各种外围设备和传感器接口； 4 能与分布式系统中其他单元共享数据，并允许远程操作； 5 机器人系统的性能和功能可以根据使用需求很方便地增减。 本人设计的探测机器人符合上述条件，是开放式的机器人。本设计采用笔记本电脑架构，集成 Windows 操作系统和 VC 开发环境。基于架构的机器人系统的优点是： 1 通用的机器人系统，开放性好； 2 良好的通讯功能； PC 很容易与其他设备 实现通讯，因此很容易扩展其他硬件设备； 3 具有成熟的标准总线结构，能够与各种外围设备和传感器接口； 4 系统的处理能力强，容易实现复杂的算法； 5 机器人系统的性能和功能可以根据实用需求很方便的增减。 基于操作系统和开发环境的机器人系统有点是： 1 友好的人机界面； 2 广泛的用户基础； 3 完备的软件开发环境； 4 丰富的软件资源； 6.1 无线电台通讯系统 无线电台通讯系统通过 USB 与笔记本或 PC 上的接口连接 。此特定的 USB 最好不要用随意改变，否则需要重新安装驱动。目前无线电台通讯的波特率 19200。 6.2 电子罗盘 所选三 轴 电子罗盘的参数为： 1 主要用于自主机器人定位和导航，以及姿态测量 ； 2 三轴电子罗盘可以进行机器人自身的滚转，俯仰姿态测量，峰 峰值（最大误差）精度可高达 1 度，典型精度 0.5 度，分辨率 0.度。 3 带有电子常平架的罗盘即使倾斜达 40 度，也能给出精度的航向。 4 完善的罗盘自动标定程序将修正平台的磁影响。磁场计的宽度范围（正负 1G或 100）允许工作在当地较大的磁场。 6 3 电机 调速系统控制 原理 如图 6-1 图 6-1 电机调速系统控制原理 调速系统的硬件原理是以 MCS51-8051 弹片机为控制核心，包括测速电路， PWM 波形发生器和 PWM 功放电路。 其电路图在附件中。 显示电路 脉冲整形 PWM 功放电路 编码盘 键盘 MCS51-8051 PWM 波形发生器 M nts 26 主程序 流程图如图 6-2 图 6-2 主程序流程图 第七章 探测机器人软件系统的开发 显示速度 送入控制系统 偏差 =即时速度 -键值 开外不中断 读取键值 系统初始化 开始 按键 S 是否按下 nts 27 机器人的 控制系统是指机器人的信息处理装置，在本设计项目中，选择数字电子计算机。这是一个依据事先和事后的信息而产生对机器人的控制命令的系 统。信息主要来自人 -机对话和感觉系统。机器人执行任务前。在计算机重要贮存好一个运动模型，一个环境模型，一些与执行任务有关的数据及一定数量的执行任务的策略和算法，在执行任务过程中，计算机接受来自传感器的机器人目前状态的信息和涉及到目前包括工作对象在内的环境状况的信息。依据上述的所有数字模型，原始数据，感受的信息，利用控制策略和算法，以及过去执行任务的经验等，计算机产生一个对机器人的控制命令。 7.1移动控制系统的设计 一个在实际工作中的机器人，他的运动由驱动器系统实现，任务的具体执行有 终端机具完成。在执行任务的过程中，感觉系统将内感受和外感受的信息反馈给控制系统，有控制系统对整个机器人的活动作决策和付诸实施。系统的控制部分的工作方式要适合于执行的任务。采用某一种工作方式，例如，人进行的干预很少 -自由方式；人的干预很多 -手动方式；断断续续干预 -监督管理方式等，都要按任务的需求而定。 在控制机器人执行任务过程中涉及三方面： 信息 -机器人自身及环境的信息。他们来自感觉系统即感知的机器人自身状态。 决定 -产生执行任务的行动方式，任务的程序设计。 行动 -控制信号的产生和实施。 如图 7-1所示 图 7-1 控制系统结构图 需要注意的是 ,传感器能帮助机器人采集到周围的环境情况， 在机器人采集到信息进行处理后 ,不是所有行动都由他自己来决定 ,因为机
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