超声波导航履带式移动机器人小车设计（论文加CAD图纸）
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本科毕业设计说明书（论文） 1 摘 要 本设计的研究内容是超声波导航履带式移动机器人小车的研究设计，其核心内容是应用单片机控制电机实现机器人小车的左转弯、右转弯、前进和停止等动作。 论文内容包括四个部分：简要介绍了移动机器人研究背景、意义、现状及发展前景，超声波导航履带式移动机器人小车的设计原理及方案，机械部分的结构设计，控制系统设计和视觉系统设计。论文详细地介绍了移动机器人机械部分的结构设计。 设计小车利用履带式底盘作为机械装置，采用双驱控制，加装超声波传感器、控制电机，编码器等装置实现对电动车的速度、位置、运行状况的实 时测量，并将测量数据传送至单片机进行处理，然后由单片机根据所检测的各种数据实现对电动车的智能控制。 主要设计内容包括： 器人采用两轮独立驱动的履带结构，动力源采用直流无刷电机，减速和传动装置采用齿轮传动，利用差速移动平台实现机器人的转向，选用增量式光电编码器进行对机器人速度的检测，实现机器人的定位。 制部分采用 号单片机进行接受命令和产生驱动信号，电机的驱动部分采用 制芯片，芯片利用接受到的单片机发出的信号来控制电机的转速。 3. 传感器部分：利 用超声波传感器，送至上位机进行声波处理 关键词： 移动机器人，运动控制，单片机控制，超声波系统 本科毕业设计说明书（论文） 2 he of of of of is of in of a to as of by to of of 1 by dc by s to of 2 CM to to 3 ey 科毕业设计说明书（论文） 3 目录 摘 要 . 1 . 2 目录 . 3 1 绪 论 . 5 器人的研究背景及意义 . 5 器人的研究背景 . 5 研究机器人的意义 . 5 动机器人的发展现状 . 6 2 总体方案的确定 . 7 械部分 . 7 动机的选择 . 7 传动装置的确定 . 9 控制部分的确定 . 10 传感器类型的确定 . 12 3 机械部分设计 . 14 数的确定 . 14 速系统的设计 . 14 轮的设计 . 15 轴的设计 . 17 4 控制与传感装置的设计 . 29 制与运动思路 . 29 机器人控制的总体思路 . 29 机器人运动的总体思路 . 29 单片机控制系统 . 30 片机 . 30 复位电路设计 . 30 稳压芯片 . 31 机驱动电路系统 . 31 电机驱动芯片 . 31 2 电机驱动电路 . 32 声波测距算法 . 32 超声波应用的可行性 . 32 超声波的产生和接收 . 33 超声波的产生 . 33 超声波的接收 . 34 超声波的传输特性 . 35 超声波测距原理 . 35 计算超声波传播时间 . 36 本科毕业设计说明书（论文） 4 测渡越时间测量法 . 36 结论 . 37 致 谢 . 38 参考文献 . 39 附 录 . 40 英文资料 . 40 中文翻译 . 46 本科毕业设计说明书（论文） 5 1 绪 论 器人的研究背景及意义 器人的研究背景 机器人技术的发展是一个国家高科技水平和工业自动化程度的重要标志和体现。机器人在当前生产生活中的应用也越来越广泛，因此几乎每一个领域都应用到了机器人。移动机器人是机器人学中的一个重要分支，早在 60 年代，就已经开始了关于移动机器人的研究。关于移动机器 人的研究涉及以下几个方面： 1 移动机器人的移动方式，可以是轮式的或履带式的。根据负载大小、移动灵活性要求等方面确定移动方式。 2 移动机器人导航和路径规划，对于后者有更多的方面要考虑如特征提取。 3 移动机器人驱动器的控制，以使机器人达到期望的行为。各种控制器（如单片机、等）作为控制装置应用于移动机器人，对移动机器人的驱动器进行控制。 因此，移动机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统。对移动机器人的研究，提出了许多新的或挑战性的理论与工程技术课题，引起 越来越多的专家学者和工程技术人员的兴趣。 目前许多高校和科研单位对移动机器人的导航与定位进行了深入的研究，并且随着传感器技术的迅速发展，移动机器人的导航、避障能力也不断得到提高，常用的传感装置主要应用红外传感器或超声波传感器做为传感检测装置，本毕业设计中移动机器人就采用了超声波传感器做传感检测装置。 研究机器人的意义 研究移动机器人的意义是重大的，除了提高生产或工作效率外还有其它方面的意义，例如： 1 机器人可以把人从有毒的、有害的、高温的或危险的环境中解放出来。 2 不知疲倦的重复做 乏味的工作，同时保证工作效率。 3 在人类不能进入的环境（太空、深海）做一些人类不能做的工作。 由此看来，大力发展机器人技术是将人从各种恶劣工作条件下解放出来的一条必由之路。 本科毕业设计说明书（论文） 6 动机器人的发展现状 移动机器人的发展经历了三个阶段：第一阶段为可编程示教再现型机器人，其特征是机器人能够按照事先教编制的程序进行重复工作，第二阶段是具有一定的感觉功能和自适应能力的离线编程机器人，第三阶段是智能机器人，这种机器人带有多种传感器，能够将多种传感器得到的信息进行融合，能够有效的适应变化的环境，具有很强的自适应能 力、学习能力和自治功能。 就目前移动机器人的发展来看，国内外的主要研究对象为智能型的移动机器人，这些智能机器人在移动能力、自主性、专业性和对环境的适应性等方面非常先进，但这些方面的提高依赖于其控制系统和传感检测系统性能的提高。 国外对智能机器人的研究主要有着几个方面，管道机器人、水下机器人、空中机器人、仿人机器人等。 管道机器人是一种可沿细小管道内部或外部自动行走、携带一种或多种传感器即操作机械，在工作人员的遥控操作或计算机自动控制下进行一系列管道作业的机电一体化系统。 水下机器人是以进行水下搜救或海底探测 为目的的机器人，通过工作人员的远程遥控对其进行控制，它想一艘微型的探测潜艇进入水下，利用各种传感装置收集所需信息。 空中机器人大致分为两类，仿昆虫型的飞行器和微型飞行器。它们在通信、气象、灾害监测、军事等方面的应用的非常广泛。目前，日本和美国在空中机器人的研究技术上走在前列。 仿人机器人是一种模拟人智能型移动机器人，它不仅模仿人的生理特征，而且模拟人的思维推理方式，此外，国外许多研究机构也对机器人如何拥有人的情感进行了研究。 我国对于现代机器人研究和开发始于 20 世纪 70 年代，从 80 年代中期进入快速发展阶段， 但总体上仍然处于一个非常落后的水平。现在国家科技攻关计划、国家高技术研究与发展计划等都将机器人的研究和开发列为重点。相信在不远的将来，我国的机器人技术将会有一个非常大的飞跃。 本科毕业设计说明书（论文） 7 2 总体方案的确定 械部分 动机的选择 控制电动机是移动机器人的动力部件，它是将电能转化为机械能的一种能量转换装置。控制电动机有着在很宽的速度和负载范围内进行连续、精确控制的能力，因而能用于移动机器人的驱动装置。常用的控制电动机有步进电动机、交流伺服电动机、直流伺服电动机，现将各电动机进行介绍 和比较。 1、各电动机的介绍 （ 1） 步进电动机 步进电动机是将电脉冲控制信号转换成机械角位移的执行元件。每接受一个电脉冲，在驱动电源的作用下，步进电动机转子就转过一个相应的步距角。转子角位移的大小及转速分别于输入的控制电脉冲数及其频率成正比，并在实践上与输入脉冲同步，只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电机绕组的通电相序即可获得所需的转角、转速及转向，所以用微机很容易实现步进电动机的开环数字控制。步进电动机的特点： 1）转速可由脉冲信号的的频率控制，输出角位移和脉冲数成正比。 2）转向可由通电相序改变 3）步进电动机工作状态不易受各种干扰因素影响。 4）易于直接与微机的 I/O 接口。 5）步进电动机具有自锁功能，只要维持绕组通电电动 机就可以保持在 固定位置。 采用步进电动机作动力部件，通过控制装置对其转速和转向进行控制，通过功率放大器或其它装置将其弱电信号放大来驱动步进电动机。 （ 2）交流电动机 交流伺服电动机采用了全封闭无刷结构以适应实际生产环境，它不需要定期检查和维修，其定子省去了铸件客体、结构紧凑、外形小、重量轻（只有同类直流电动机重量的 75%90%）。定子 铁心较一般电动机开槽都且深，围绕在定子铁心上，绝缘可靠，磁场均匀。可对定子铁芯直接冷却，散热效果好，因而传给机械部分的热量小，提高了整个系统的可靠性。转子采用具有精密磁极形状的永久磁铁，因而可实现高转矩 /惯量比，动态响应好，运行平稳。转轴安装有高精度的脉冲编码器作检测元件。因此交流伺服电本科毕业设计说明书（论文） 8 动机以其高性能、大容量日益受到广泛的重视和应用。 （ 3）直流电动机 直流伺服电动机是用直流供电的电动机，当它作为机器人的动力部件时，其功能是将输入的受控电压 /电流能量，转换为电枢轴上的角位移或角速度输出。 直流伺服电动 机的特点： 1）稳定性好 直流伺服电动机具有下垂的机械性，能在较宽的速度范围内稳定运行。 2）可控性好 直流伺服电动机具有线性的调节特性，能使转速正比与控制电压的大小；转向取决于控制电压的极性（或相位）；控制电压为零时，转子惯性很小，能立即停止。 3）响应迅速 直流伺服电动机具有较大的启动转矩和较小的转动惯量，在控制信号增加、减小或消失的瞬间，直流伺服电动机能快速启动、快速增速、快速减速和快速停止。 4) 转矩大 直流伺服电动机广泛应用在宽调速系统和精确位置控制系统中，其输出功率一般为 1600W，也有达数千瓦。电压有 6V、 9V、 12V、 24V、 27V、 48V、110V、 220V 等。转速可达 15001600r/5）控制功率低、损耗小。 直流伺服电动机用直流供电的电动机，为调节电动机转速和方向需要对其直流电压的大小和方向进行控制。 2、比较交流电机和步进电机 (1)步进电动机和交流伺服电动机在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能进行比较： 1）、低频特性不同 步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负 载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。 交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（ 可检测出机械的共振点，便于系统调整。 2）、矩频特性不同 步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在 300 600流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为 2000 3000内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。 3）、过载能力不同 步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电动机具有较强的过载能力。 本科毕业设计说明书（论文） 9 (2)步进电动机相对于直流电动机有着几个明显的缺点： 1）步进电机在低速时易出现低频振动现象 , 这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。 2）步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会 急剧下降。 3）步进电机一般不具有过载能力。 4）步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象。 5）步进电机从静止加速到工作转速用时较长，不易用于要求快速启停的控制场合。 通过以上比较，相对于步进电动机，交流伺服电动机更适于做超声波机器人的动力部件，但是，直流伺服电动机具有和交流伺服电动机相似的优点，并且对于本机器人应用较方便，如用交流电动机则需在机器人只上安置一根电源线，这对移动性机器人是一个极大的累赘，不仅限制其移动范围而且对机器人的速度和转向 有一定影响，所以经过比较， 选用直流电动机作为移动机器人的驱动装置较为合适。所选用的直流电动机输出功率为 50W，额定电压 24V，转速时 600r/定电流为 该电动机可以使用电池作电源，适用于普通传动力及机械设备的驱动，该电动机具有一下特点： 1、改变供电电压的方法来调节转速，可以使用较低于技术指标内的电压以获得较低的转速。 2、电机可以正、反转，一般红色线接正极，黑色线接负极。如果需反方向旋转，只需将红色线接负极，黑色线接正极即可。 传动装置的确定 在机械传动装置中，常见 的有齿轮传动、带传动和链传动，各种传动的特点如下： 1、齿轮传动 齿轮传动包括直齿传动、斜齿传动和锥齿传动。齿轮传动具有以下以下特点： (1)效率高。在常用的机械传动中，一齿轮的传动效率为最高。如一级圆柱齿轮传动的效率可达 99%。这对大功率传动十分重要，因为即使效率只提高 1%，也有很大的经济意义； (2)工作可靠、寿命长。设计制造正确合理、使用维护良好的齿轮传动，工作十分可靠，寿命可长达一、二十年，这也是其他机械传动所不能比拟大； (3)传动比稳定。传动比稳定往往是对传动性能的基本要求。齿轮传动获得广泛的 应用，也就是由于具有了这一特点； (4)机构紧凑。在同样的使用下，齿轮传动所需的空间尺寸一般较小； 齿轮传动主要用于中心距较小的两平行轴或交叉轴间的传动，传动效率高，结构紧凑，其瞬时传动比和平均传动比在传动中都保持不变，特别适于尺寸有限制的减速装置中。 本科毕业设计说明书（论文） 10 2、链传动 链传动是一种挠性传动，它由链条和链轮组成。通过链轮轮齿与链条的啮合来传递运动和动力。链传动按用途的不同可以分为传动链、输送链和起重链。传动链可以分为滚子链、齿形链等。 链传动缺点是不适于急速方向，频繁启动，急速加速或减速的传动中，主要应用于中心 距较大的两平行轴间的传动，由于小车本身尺寸应较小，所以不应用链做为传动装置，此外较小的链条亦不易于传动。 3、带传动 带传动也是一种挠性传动，带基本组成零件为带轮和传动带。传动带按工作原理不同又可分为摩擦型带传动和啮合型带传动。摩擦型带传动按截面又可分为平带传动，圆带传动， V 带传动和多楔带传动。其中以 V 带传动应用最广泛。摩擦型带传动具有下列优点： 啮合型带传动一般也称为同步带传动。它通过传动带内表面上等距分布的横向齿和带轮上的相应齿槽的啮合开传递运动。与摩擦型带传动比较，同步带的带轮和传动带之间没有相对滑动 ，能够保证严格传动比。但相对于摩擦型带其对中心距及其尺寸的稳定性要求较高。 带传动亦是主要用于中心距较大的两平行轴间的传动，若中心距较小，带单位时间内的回转次数就会增大，加速其疲劳破坏，同时转角增大不宜于传动，此外中心距较小不能传递大的传动比，这对减速装置没有大的实际意义。 综上所诉，齿轮传动更适于小型移动机器人的传动装置，由于小车底盘的尺寸限制，齿轮更适于做移动机器人的减速传动装置。 控制部分的确定 目前，各种机器人的控制系统主要是用单片机或 主要的控制器，也有一些智能化程度很高的机器 人是用性能较高的 进行实时控制。根据机器人任务的不同合理的选择控制系统，不仅可以节省设计制造成本而且节省设计时间，同时避免浪费控制装置的性能。 基于超声波的移动机器人鉴于其功能的单一性和简单性，其控制部分不需要用性能相对较高的微处理器，单片机或 可以完全满足其控制需要，因此就其控制系统的选择有两个方案： 方案一： 使用单片机做控制器 单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管它的大部分功能集成在本科毕业设计说明书（论文） 11 一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件，单片机也被称为微控制器（ 单片机具有体积小、质量轻、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，结合不同类型的传感器，可实现各种控制功能，并且使控制更数字化、智能化、微型化。 它是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，有较强的抗干扰能力。单片机的程序是可以修改，通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。 目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹，特别是自动控制领域的机器人。 使用单片机作为基于超声波机器人的控制系统是一种可行的方案，通过单片机对直流电动机的转速和转向进行控制来实现该移动机器人的速度和行进方向的控制，同时处理超声波传感器反馈的信息。 方案二：使用 控制器 可编程控制器（ 是指以计算机技术为基础的新型控制装置。 以下特点： 1 可靠性高，抗干扰能力强 2 功能完善，适用性强 3 体积小，重量轻，能耗低 4 系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造 为控制装置可实现的功能有 : 1 开关量的逻辑控制。这是 基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，从而实现逻辑控制和顺序控制。 2 模拟量控制。在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量， 配有的 A/D 和 D/可编程控制器实现模拟量（ 数字量（ 间的 A/D 和 D/A 转换。 3 运动控制。 以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺 服电机的单轴或多轴位置控制模块。 4 过程控制。过程控制室指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。 5 数据处理。现代 有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。 使用 超声波机器人的控制系统也是一个可行的方案，和单片机一样通过对直流电动机的转速和转向进行控制来实现该移动机器人的速度和行进方向的控制，同时处理超声波传感器反馈的信息。 本科毕业设计说明书（论文） 12 以上两个方案都是可行的，但相比较之下单片机和 间还有一些区别： 1、应用场合 ， 要应用在工业干扰性强、可靠性要求高的环境，单片机商业和一般工业的环境。 2、 作电压一般较高，可以控制较高的电压而不易受干扰，单片机工作电压一般较低，控制较高电压时得加可靠的驱动器件。 总的说来， 靠性较高，但价格昂贵；单片机相对较低。在一定场合，单片机可以代替 基于超声波移动机器人的控制较简单，使用单片机足以满足其控制要求，并且 制较单片机复杂，所以其不宜用于基于超声波移动机器人的控制装置。单品机除具有体积小、质量轻、功耗低、控制功能强、扩展灵 活、微型化和使用方便等优点外，它还易于与超声波传感器结合实现控制，工作电压低，抗干扰能力强等诸多优点，综上所诉，单片机更适于做该移动机器人的控制装置。 目前较常用的单片机是 51 结构的 且使用 够满足移动机器人的控制要求。 传感器类型的确定 移动机器人是一种在复杂的环境下工作的具有自规划、自组织、自适应能力的机器人。在移动机器人的相关技术研究中，导航技术可以说是其核心技术，也是其实现真正的智能化和完全的自主移动的关键技术。导航研究的目标就是在没有人干预下使机器人有 目的地移动并完成特定任务，进行特定操作。机器人通过装配的信息获取手段，获得外部环境信息，实现自我定位，判定自身状态，规划并执行下一步动作。 移动机器人的导航方式很多，有惯性导航、视觉导航、基于传感器数据导航，卫星导航等。这些导航方式分别适用于各种不同的环境，包括室内和室外环境，结构化环境与非结构化环境 . 本毕业设计中采用基于传感器数据导航的方式对移动机器人的工作环境进行探测，常用的传感器导航有超声波传感器和红外传感器两种，利用这些传感器亦可以实现移动机器人的导航，因此本毕业设计有两种较为合适的方案： 方案一 ：使用红外传感器导航 任何物质，只要它本身具有一定的温度（高于绝对零度），都能辐射红外线。红外线传感器是利用红外线的物理性质来进行测量的传感器，红外线传感器测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且有灵敏度高，响应快等优点。但是红外传感器在测距和探障过程中易受可见光的影响，特别在一些光线较强以及环境温度基本一样的条本科毕业设计说明书（论文） 13 件下，其性能下降迅速，此外，使用红外传感器还需预先设定好轨迹，不宜于移动机器人的自主移动。 方案二：使用超声波传感器导航 超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率 高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学、机器人导航等方面。 超声波传感器应用于移动机器人中主要起探测和测距的作用 ,相对于红外传感器其工作性能稳定，对环境要求低，适应性强，抗干扰能力好，非常适于做移动机器 人的导航装置，所以我选超声波传感器作为机器人的传感装置。 超声波测距有两种方式即反射法和强度法。 强度法是利用声波在空气中的传输损耗值来测量被测物的距离，被测物越远其反射信号越弱，根据反射信号的强弱就可以知道被测物的远近，但在使用这种方法时由于换能器之间的直接耦合信号很难消除，在放大器增益较高时这一直接耦合信号就可使放大器饱和从而使整套系统失效。反射时间法是利用检测声波发出到接收到被测物反射回波的时间来测量距离对于距离较短和要求不高的场合我们可认为空气中的声速为常数，我们通过测量回波时间 2 其中， 12T T T ），可以计算出路程，这种方法不受声波强度的影响，因此这种方法非常适合较远距离的测距，如果对声速进行温度修订，其精度还可 进一步提高。所以使用发射时间法更适于作为移动机器人的测距方法。 本科毕业设计说明书（论文） 14 3 机械部分设计 数的确定 齿轮传动时本设计中要采用的传动方式，但需要进行多少级的减速传动则需根据 电动机的转速、车轮的直径和机器人的移动速度确定。 电动机转度已知为 n=600r/器人行进最大速度为 v=s,车轮直径为d=100可求得总的传动比。 电动机的角速度为 w=2 n/60 /s =s 车轮的角速度为 w d =2v/d /s =6 /s 总的传动比为 i=w/ w d=此可知需二级传动，有因为高速级传动比应是低速级的 ，所以高速级的传动比为 速级的传动比应为 减速箱各轴用深沟球做支撑支撑，输入轴与电动机转轴用形面进行连接，齿轮与轴之间用 A 型普通平键进行连接，键的材料为铸铁，电动机功率为 P= 沟球的传动效率为2=轮间的传动效率为1=此可得各轴的一些参数。 输入轴：1 6 0 0 / m 间轴：1211 6 9 / m i 低速轴：2325 7 . 1 / m i i 2各轴输入功率： 输入轴：1 0 . 0 5 kp p W中间轴：2 1 1 2 2 0 . 0 4 7p p k W 输出轴：3 2 1
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