精品毕业论文机器人超声波测距系统设计

第第 1 页页 摘 要 由于现代科学技术的进步，使得人工智能、计算机科学、传感器技术及其它相关 学科的长足进步，由此机器人的研究也有了空前的发展。人们根据现代工业发展的需要设 计了具有开放式结构的机器人控制器而且在设计过程中要尽可能做到模块化基于多自 主体概念设计的新型控制器就是按模块化方法设计的，系统由数据库模块、通讯模块、传 感器信息模块、人机接口模块、调度模块、规划模块、伺服控制模块等 7 个模块构成。 本系统是以 P89LPC935 单片机为核心设计的机器人主控制系统，该系统充分利用了 P89LPC935 单片机的多种功能，例如：硬件 PWM 输出功能，A/D 转换功能，输入捕获功能， I2C 通信。通过上述主要功能对机器人进行自动控制，使其完成各项规定的动作，进而完 成比赛要求。 一个理想的，完善的智能人移动系统通常要由 3 个功能模块组成： （1）获取环境信息的感知功能、 （2）实现自主导航的规划功能 （3）完成预期目标或任务的执行功能 本课题是根据 2005 年第四届 CCTV 全国大学生机器人大赛的规则来进行设计的，相 应的内容有以下几个方面： (1)中央处理器 （2）数据信息采集模块 （3）运动控制模块（4）人机接口 本课题设计了以 P89LPC935 菲利浦单片机为核心的机器人主控制系统，结合红外线 寻迹、颜色探测、超声波探测及电子指南针定位等模块，对机器人进行自动控制，使其完 成各项规定的动作，从而完成比赛要求。 该系统充分利用了 P89LPC935 单片机的高性能部件，如硬件 PWM 输出功能、脉冲输 入捕获功能、A/D、D/A 转换功能及 SPI、I2C 数据通信功能，从而简化了系统电路，并获 得理想的控制效果。 结合本课题的实际要求及课题组的分工，我主要负责系统的超声波探测模块设计， 在本文中将分章节对整个系统及超声波探测模块进行分析与论述，同时将给出系统的电路 图、软件流程与源程序代码。 关键字：机器人关键字：机器人 单片机单片机 红外线红外线 驱动系统驱动系统 超声波超声波 电子指南针电子指南针 第第 2 页页 AbstractAbstract Because of modern industrial development, artificial intelligence, computer science, sensor technology and other relevant disciplines have achieved considerable progress; therefore research of the robot has got unprecedented progress too. People have designed the robot controller with open structure according to the needs of modern industrial development, and have accomplished the modularization as much as possible in the course of designing. The new-type controller based on the concept of multi-0iposndependent body is designed according to the scheme of modularization, the system consists of 7 pieces, database module, communication module, sensor information module, man-machine interface module, dispatcher module, plan module, and servo module. If you want to design an ideal, perfect intellectual robot moving system, usually it should be made up of 3 functional modules: (1) The aesthesia functions of obtaining environmental information. (2) The planning function that realizes navigation independently. (3) The execution functions of accomplishing the anticipated target or the task. This project is designed according to the rule of the forth CCTV national university man robot competition of 2005. And the corresponding contents have the following several aspects: (1)Central processing unit. (2)Data information gather module. (3)Sport control. (4)Man-machine interface module. Combined with the actual requests of this project and the division of labor made by the faculty adviser, I am mainly responsible for the ultrasonic- telemeter system design. The whole system and ultrasonic-telemeter modules will be expounded and analyzed in the different chapters of this article. All program block diagrams, original program code and circuit diagrams of the system are available at the same time. KEYKEY WORDS:WORDS: RobotRobot ； MCUMCU ；InfraredInfrared rayray； DriveDrive thethe systemsystem； UltrasonicUltrasonic； 第第 3 页页 序言 01 机器人技术发展概况 随着科学技术的不断发展，机器人从无智能走向智能化发展。具有智能的机器人应 用于工业生产中，极大地提高了劳动生产率。此外智能机器人在社会服务、海洋开发、宇 宙空间作业、矿山、军事等领域都有着广泛的应用，代替人在那些人类无法工作的特殊环 境条件下完成任务作业。这将极大地扩展人类生产和研究活动的范围，提高人类创造性劳 动的能力。 目前，世界上所有发达国家都把机器人技术或智能自动化技术摆在科技发展战略中 最优先的地位加以推动。美国对机器人技术给予了特别的关注，尤其在军事和太空探索 方面投入了很大比例的研究经费，对可能应用的项目进行探讨和概念设计。日本工业机 器人应用也已相当普遍，而且技术也非常成熟。目前日本对机器人的研究重点集中在提 高可靠性及速度、视觉及触觉、移动功能、学习功能等。尤其是在视觉和触觉传感器的 研究，因为这是机器人实现人工智能的先决前提。同时正在大力开展极限条件下作业的 机器人研究，主要研究开发的为核电站内用的机器人、进行水下作业的机器人、救火救 灾保安的机器人等。此外，日本也积极投入太空机器人的研究。欧洲其他国家和许多发 展中国家也在积极制定自己的机器人研究与发展计划。 当今，在发达国家的工业机器人技术已经日趋成熟，并在许多场合的应用中体现出 了良好的效果。随着产业的发展，迫切需要大量适用于各种环境中作业的各式各样的机器 人。世界上许多国正在大力加强机器人的研究，力争在不久的将来，推出大量实用的机器 人，以使自己的机器人技术和产品在国际上占有一席之地。 在我国发展机器人技术起步于上个世纪 70 年代末，但是，机器人技术的发展引起我 国科技界的高度重视。许多项目已被列入“863” 、 “八五” 、 “九五”科技发展计划中。被 列入国家重点工程的“机器人示范工程”已由中国科学院沈阳自动化所完成，于 1990 年 通过国家验收后向全国开放。他们已研制出多种型号的工业机器人、水下机器人、移动机 器人等，已成为我国机器人研究、开发及国内外机器人技术交流的基地。另外，我国高等 院校，如国防科技大学、哈尔滨工业大学、上海交通大学、清华大学等在步行机器人、移 动机器人等前沿领域的研究取得了可喜的成绩。国防科技大学在 1990 年成功研制出我国 第一台两足步行机器人的基础上，经过十年攻关，于 2000 年 12 月 29 日研制成了我国第 一台类人机器人“先行者” ，实现了机器人技术的重大突破。哈尔滨工业大学成功研 第第 4 页页 制壁面清洗爬壁机器人，可以用于瓷砖壁面和玻璃壁面的清洗作业。 现在我国已经拥有 700 多家机器人用户，3500 多台机器人（不包括台湾的 6000 余台） ，这标志着我国的机器人工业前进了一大步,正在朝机器人工业大国迈进。 0.20.2 RobocoNRobocoN 机器人大赛的历史机器人大赛的历史 RobocoN(Robot Contest)发端于日本。RobocoN 组委会由两个主要的组织即 NHK 和 NHK Enterprise21 组建，同时还包括日本机器人学会、日本机械工程师协会以及各技术 学院和大学代表。RobocoN 定位在想象力和创造力即创意的较量。它为学生提供了一个实 现原创性设计的机会，也架设一座学校与学校间沟通的桥梁。 RobocoN 主要包括三个组别的赛事：1） 、日本全国职业技术学院机器人比赛；2） 、国 际大学生机器人设计比赛；3） 、世界锦标赛。 第第 5 页页 第一章第一章 系统总体设计综述系统总体设计综述 1.1 制定比赛策略 根据比赛规则，应制作两种机器人：自动机器人和手动机器人。自动机器人有两种： 搬贵重礼品自动机器人和搬礼品自动机器人。分析自动机器人工作的两种情况，发现工作 的策略基本一样，因此硬件框图基本一样。 采用策略为：利用手动机器人尽可能多的捡球。自动机器人的目的是把所载的球送入火炬， 实现登顶。自动机器人和手动机器人都应尽量得分。 1.2 总体设计思想 一个理想化完善的智能人系统通常由 3 个功能模块组成：获取环境信息的感知功能、 实现自主导航的规划功能和完成预期目标或任务的执行功能。因此一般智能机器人框图如 下： 图 1-3 智能机器人框图 本主控制系统是用于参加第四届全国大学生机器人电视大赛的。主控制系统要求简单 实用，力求用简单的器件和原理完成比赛的各项动作。所以主控制系统只有几个模块组成， 但是能很好的完成比赛的各项动作。 本着简单可行的原则，硬件电路设计尽量求其简化，总体设计思想如下：首先主控制 系统是+5V 和+24V 电源双电源，所以为防止相互干扰就用光耦将两部分电路隔离。整个主 控制系统分为两个部分，一部分是单片机控制部分，相对于电机驱动部分是弱电部分，另 一部分是电机驱动部分。电压相对较高。其次，直流电机驱动电路不是采用专用电机驱动 第第 6 页页 芯片，而是采用简单可靠的继电器和功率三极管组合的驱动电路。完全适合系统要求。 电源 电路 图 1-7 主控制系统整体设计框图 总体来说，它是由传感器模块，主控制模块，电源模块，功率放大模块，电机驱动模 块，通信模块组成。主要完成对电机的控制，单片机间的相互通信。 传感器模块：机器人在行进中，需不断了解两类信息：一类是环境信息，即机器人在 赛场上的位置以及与其它物体之间的状况；另一类是机器人自身各部分之间的相互关系信 息。所有这些信息都来自于传感器。 主控制模块：采用的芯片是 PHILIPS 公司生产的 P89LPC935 单片机，此款单片机功能 强大，除了可以胜任电机的驱动，还可以完成 8 位的 A/D，D/A 的转换和进行 I2C，RS232，SPI 的通信。 电源模块：由于主控制系统的主要任务之一是完成对电机的控制，但是直流电机是强 干扰的器件。假如主控制模块与电机共用一个电源模块，当电机启动或电机大电流导致内 阻压降增加而使驱动电源本身电压下降时，会对主控制芯片带来强大的干扰，正在运行的 程序可能跑飞，或单片机突然复位。这些问题是比赛过程中不允许发生的。鉴于以上特点， 机器人一般需要准备两类电源。一类是供给数字 IC，单片机，传感器工作的电源，通常 为+5V，约数十至数百毫安。另一类是电机驱动电源，根据电机不同，电压在 3-24V，电 流在数百至数安之间。 功率放大模块：此模块主要由功率放大模块组成，采用的芯片是 MC1413 驱动芯片。 MC1413 驱动器是七输入和七输出，可以同时驱动七路信号。将 PWM 信号放大。在通过光 电隔离器传送给电机，对电机进行控制。 传 感 器 接 收 电 路 控制电路 通信电路 驱 动 电 路 光 电 隔 离 电 路 电 机 驱 动 电 路 第第 7 页页 电机驱动模块：此模块作用是驱动电机转动，所采用的元件是欧姆龙继电器，TIP122 功率三极管。当三极管有 PWM 信号通过时，使得继电器通电和失电，通电和失电的时间由 PWM 的高电平和低电平时间来决定。 通信模块：在主控制板上集成了多种通信方式，如 I2C 通信，RS232 通信，SPI 通信。 可以进行单片机和 PC 机的通信，单片机间的通信。 I2C通信：P89LPC933/934/935 器件提供字节方式的I2C接口。它支持4 种工作模式： 主发送模式、从接收模式、从发送模式和从接收模式。 I2C总线配置： 图 1-4 I2C 总线配置框图 P89LPC933/934/935 CPU通过下面6 个特殊功能寄存器实现接口：I2CON（I2C控制寄 存器）、I2DAT（I2C数据寄存器）、I2STAT（I2C状态寄存器）、I2ADR（I2C从地址寄存 器）、I2SCLH（SCL占空比寄存器高字节）和I2SCLL（SCL占空比寄存器低字节）。 RS232通信：这种通信方式是最常用的一种通信方式，使用也最为普遍。 P89LPC933/934/935 具有一个增强型的UART。它和传统的80C51 UART 兼容，但有一 点除外，即定时器2 的溢不能用波特率。P89LPC933/934/935 还带有一个独立的波特率发 生器。波特率可以选择由振荡器（由一个常数分频），定时器1 溢出或者独立的波特率发 生器产生。除了产生波特率以外，在标准80C51 UART 基础上还增加了帧错误检测、间隔 检测、自动地址识别、可选的双缓冲以及几个中断选项。 SPI通信：P89LPC933/934/935 还提供另一种高速串行通信接口SPI 接口。SPI 是一种全双工、高速、同步的通信总线，有两种操作模式：主模式和从模式。在主模式和 第第 8 页页 从模式中均支持高达3Mbit/s 的速率。还具有传输完成标志和写冲突标志保护。 SPI框图： 图1-5 SPI框图 图1-6 SPI配置图 第第 9 页页 1.3 手动机器人的设计 手动机器人是由人操纵的，人是关键的，只要通过手柄来实现速度的控制、机器人的 转向及其他动作。 硬件设计： 图 1-8 手动机器人操作手柄示意图 手动机器人主要是确定当前时刻的速度及转向，速度和转向是通过手柄的位置确定的， R1、R2 两个电位器是控制速度和转向的手柄。当 R1、R2 移动到某个位置时，输出一个电 压，代表操作要求。采用了 P89LPC935 的 A/D 转换功能，对手柄电位器所产生的电压进行 A/D 转换，得到控制要求，调整 PWM 值实现电机调速及方向控制。其它按钮动作由输入口 检测，实现转动机械滚筒、转盘、门挡等的控制 图 1-9 ADC 原理框图 第第 10 页页 P89LPC933/934/935 包含 2 个 8 位、4 路逐步逼近式模数转换模块，共用一个控制逻 辑。A/D 转换器的原理框图见图 9。每个 A/D 转换器由一个 4 输入多路转换器组成。多路 器的输出通过采样-保持电路，为两个比较器提供一个输入信号。控制逻辑连同逐次逼近 式寄存器（SAR）来驱动一个数模转换器，为比较器提供另外一个输入。比较器的输出又 回到 SAR。 1.4 自动机器人设计框图 基于上述自动机器人的整体设计构思及比赛规则，设计的机器人的构成主要由机体框 架、拾取贵重礼品机构、人机交互界面、超声波探测系统、红外巡线系统、驱动控制及运 动机构、智能决策系统等。系统组成如下： 红外检 测系统 超声波 检测 捡球动作机体结构 驱动控制 人机交 互界面 检测 系统 智能决 策系统 自动机 器 人 显示器 数码管运动机构 PID 控制 光码盘 电子指 南针 路径 规划 算法 设计 第第 11 页页 图 1-10 自动机器人系统组成 1)机体框架和投球机构 自动机器人车身设计主要包括结构框架、执行机构以及驱动设计。本学院设计的机器 人车身结构框架具有一体化结构、小型化造型的特点。车身结构是由几种不同的不锈钢条 焊接而成，有几根斜向上支撑着。各个部件是放在车身上面的，车身质量配置的原则是增 加变速移动的稳定性。采取的具体措施是上轻下重，将整个撤退的重心下移，以及对称配 重，使两各主动轮所受分力大致相同，产生的地面摩擦力大致相同，减少不平衡颠覆力矩。 拾取礼品机构是由一个直流电机作为动力源，通过移动到目标位置，夹紧礼品，提升动作 来拾取礼品的。驱动系统是配置双轮驱动小车的方案，其中左右轮用直流电机分别驱动， 前后轮为万向从动轮，其中一个由弹簧支撑。这样只需对两个直流电机分别进行闭环控制 就可以满足前进、后退、转弯、斜向行进等全部运动要求。 2)人机交互界面 人机交互界面是人和机器人交流的界面，是使人对机器人的运行情况更好的了解，出 现意外情况采取相应的对策。本机是用数码管 LED 制作显示器，是动态扫描显示，是利用 人的视觉暂留性的功能来看到整个显示，但是必须保证扫描速度足够快，字符才不闪烁。 电路时序是通过单片机程序模拟的，是通过串行一位一位发送数据的。电路原理如下图所 示： 第第 12 页页 图 1-11 显示电路 数据是用软件模拟同步串行口(SPI)送出的，它由数据脚、时钟脚、控制脚组成。控 制脚用来控制 595 芯片 G 非脚，移位时控制脚为高电平，这时移入数不送 595 芯片输出脚。 当数据和位码全部移出后控制脚置为低电平。两个段码分别存储在两个 74LS164 中，位码 存储在 595 中，通过位码循环显示。 3)检测系统 检测系统分为两部分：红外巡线系统和超声波探测系统。 红外巡线系统是光电传感器将反射光强信号转换为电信号来识别颜色的，用二进制的 “1”和“0”表示传感器是否在引导白线上。对于依靠巡线方式来引导定位的机器人来说， 巡线器的重要性是不言而喻的。竞赛机器人巡线系统的目的是确定机器人在场地中的准确 位置。给场地定义参考坐标系，以某两条引导白线的十字交叉点为原点坐标，选一条引导 白线为 x 轴，另外一条为 y 轴，根据光电传感器输出的信息以及机器人相对于场地的转动 角度 可以计算以下项目： 1.机器人在沿引导白线行进中，底盘中心偏离白线的距离和偏离方向。 2.机器人定位于网格节点时，底盘中心相对于节点的坐标。 3.机器人接近引导白线时，接近的是哪一条坐标方向。 红外巡线系统是机器人的定位系统，是确定位置和方向的，是整个系统的指挥的坐标。 超声波探测系统是利用超声波在同种媒质中以恒定速率传播的特性，而在不同的媒质 界面处会产生反射现象，利用这一特性在同种媒质中以恒定速率传播的特性，而在不同的 媒质界面处会产生反射现象，就可以测量发射波与反射波之间的时间间隔，从而达到测量 距离的作用。其具体计算公式如下： （1-3）2/tvS 这就是所谓的时间差测距法，其中，为被测物体与超声波发射探头之间的距离；为从St 发射超声波到接收到超声波所经历的时间；为声波在空气中的传播速度。v 第第 13 页页 定时器 振荡器驱动超声波发射 显示 计时器接收检测超声波接收 障 碍 物 控制器 图 112 测距原理框图 为了将超声波信号发射出去，通过单片机引脚给超声波发射头（两路超声波中的一路） 施加一频率为 40kHz 的脉冲，才能驱动超声波换能器发射出超声波信号。超声波发射脉冲 如下所示。 200us 50ms 盲区 虚假反射波 中断申请 接收电路 输出波形 T1计数 超声波发 射脉冲 图 113 超声波发射脉冲 接收到的返回超声波信号幅值非常小，为 mV 级信号，而且随距离的增加，在背景噪 声较为严重时，可能出现信号的幅度几乎与噪声的幅度相当，甚至淹没在噪声中的情形。 此时要保证测量的成功，就必须采取合适的手段来增强信号和消除噪声的影响，超声波的 接收框图如下： 超声波返回 波信号 限幅，带通放 大电路 电压比较 电路 单片 机 图 114 超声波信号接收原理框图 4)驱动控制及运动机构 驱动系统是机器人的手脚，即运动机构和执行机构的基本组成部分。驱动系统的设计 与制作是比赛机器人创意与实践的重要内容。它任务不仅是向机器人传递动力，而且要提 供准确的运动定位和灵活的超作，是机器人制胜法宝之一，因此其重要性是不言而喻的。 通常机器人驱动有电气、液压、和气压三种方式。其中以电气驱动最常见，它按供电的方 式又可以分为直流电机和交流电机。机器人比赛规则是用电池供电，即直流电。采用直流 第第 14 页页 电的电机按照其内部结构又可分为直流电机和步进电机。根据实际情况我们选择直流电机。 自动控制机器人是用 PWM 功率放大器驱动直流电机，同时使用 PID 控制来调节直流电 机的速度。 比例 积分 微分 受控对象 Y（t ） U（t ） R（t ） E（t） + + + + - 图 115 PID 控制系统原理 PID 控制器的规律为： (1-4) )( )( 1 )()( 0 dt tde Tdtte T teKtu d t I p 式中，Kp 为比例系数，Ti 为积分常数，Td 为微分常数。 使用 PID 控制规律控制左右电机的转速，达到对机器人预定路径的实现，走直线，转弯等 机器人的动作。 5)智能决策系统 自动机器人一旦开始运行，智能决策系统开始主导机器人的行为，它是机器人的神经 系统，是自动机器人的灵魂。智能决策的作用是判断整体攻防的形势，决定着最佳目标礼 品、选择策略方式。整个程序是由几个功能模块组成，主要由检测程序功能模块、显示按 键功能模块、驱动 PID 控制规律功能模块、信息融合及路径算法功能模块、其他功能模块 等。 第第 15 页页 图 116 自动机器人的智能决策程序框图 第第 16 页页 第二章第二章 机器人驱动控制系统设计机器人驱动控制系统设计 关于移动机器人的研究涉及许多方面，首先，要考虑移动方式，可以是轮式的、履带 式的、腿式的，对于水下机器人，则是推进器。其次，必须考虑驱动器的控制，以使机器 人达到期望的行为。第三，必须考虑导航和路径规划，对于后者，有更多的方面要考虑， 如传感信息融合、特征提取、避碰及环境映射。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动态系统。 (1)(1)机器人结构机器人结构 机器人机械结构形式的选型和设计，应当根据实际需要进行。当前，对足式步行机器 人、履带式和特种机器人研究较多，但大多仍处在试验阶段，而轮式移动机器人由于其控 制简单，运动稳定和能源利用率高等特点，正在向实用化迅速发展。 (2)(2)体系结构体系结构 机器人的智能系统具有以下特点:信息密集，多层次的信息与知识表达方式，与环境 交互丰富多样，信息与知识分布存储等。所以，它是一个高智能、多系统的复杂系统工程， 不是单元技术的简单连接，系统的总功能是由各种分系统在多层次的协调和分工中集成的。 因此，机器人的总体集成技术是一个核心问题，其主要内容是机器人的体系结构研究。 (3)(3)运动规划运动规划 运动规划是移动机器人的一个重要问题，它的目标是在一个存在障碍物的环境中，为 移动机器人寻找一条无碰撞的最优路径。 运动规划耗时较多，一个重要的解决办法就是并行化。一旦在线、实时运动规划实现， 运动规划就可以融入运动控制算法的闭环之中。另外，复杂环境下的路径规划问题一直是 一个没有很好解决的难题，人们尝试用遗传算法来进行路径规划问题并取得一定成功。 (4)导航与定位 在移动机器人的应用中，精确的位置知识是一个基本问题。位置的测量可分为两大类:相 对和绝对位置测量。使用的方法可分 7 种:里程计、惯性导航、磁罗盘、主动灯塔、全球 定位系统、路标导航和地图模型匹配。最近开发了一种基于自然路标导航的技术，用于动 态环境中进行学习和位置识别。根据大赛规则设计驱动系统的框图如下： 第第 17 页页 P89LPC932 左轮驱动电路 左轮光码盘电路 左轮驱动电路 左轮光码盘电路 图 21 机器人驱动系统功能框图 2.1 驱动控制硬件电路设计驱动控制硬件电路设计 跟据实际情况选用直流电动机作为驱动的系统的核心部分。采用 PWM 的控 方式来进行驱动系统的速度、方向的控制。 2.1.12.1.1 PWMPWM 功率放大及其调速原理功率放大及其调速原理 (1)直流电机的驱动 在直流电机的电枢上加上一定幅度的直流电压,电机便开始旋转;改变电方向,电机转向也 随之改变. (2)PWM 功率放大原理 移动机器人在运动中必须不断地改变速度、方向和精确的定位，往往需要采用直流 电机，并相应的要求电机的功率放大器具有良好的电压特性。与传统的线性放大器相比， 现在多采用晶体管和 MOS 管放大器，由此构成的 PWM 功率放大器具有功耗低、效率高、体 积小、价格低、工作可靠、易于克服电机的静摩擦等优点，因而得到了广泛的应用。近年 随着功率 MOS-FET 的发展，由于其驱动简单，开关速度快，控制灵活，所以采用功率 MOS-FET 管作为 PWM 功率放大器，效果很好。并在比赛中得到了很好的应用. 最常用的 PWM 功率放大器是桥式 PWM 功放电路，又称 H 型功放电路，图 4.2 是由晶 体管构成的双极性桥式 PWM 功放电路的结构图。图 4.2 中的晶体管 T1、T2、T3 和 T4 组成 了 PWM 的开关功率放大电路，它们呈桥式结构，也像 H 型结构，故起名为桥式或 H 型 PWM 电路。H 型结构的功率管 T1/T4 和 T2/T3 配对工作。T1/T4 导通，T2/T3 截止；反之 T2/T3 导通，T1/T4 截止。在实际工作时靠晶体管上施加不同占空比的脉冲信号来控制电机的正 反转。很显然，T1 和 T3、T 2 和 T4 不能同时导通，因此，T1/T4 和 T2/T3 两组功放管上 所加脉冲频率相同，方向相反。伺服电机接在 PWM 的两端，即图 4.2 中的 A 和 B 两端， 如果 T1/T4 导通时间比 T2/T3 导通时间长，则电机正转；反之则反转；如果导通时间相等， 则电机停止不动，即在两组晶体管上加对称方波，则电机会在某一点高频振动，保持相对 静止，电机仍旧消耗能量。PWM 功放电路有单极性、双极性之分。双极性指在一个 PWM 周 第第 18 页页 期内，电机的电枢电压正、负极性改变一次；单极性指 PWM 功放管工作时有一个 PWM 信号 端和一个方向控制端，在电机正转或反转时，仅有对应的一对功放管导通，另一对功放管 截止。因此，电枢电压在正转或反转时，正、负极性是固定的，即是单极性的。 图 2-2 双极性桥式 PWM 功放 若忽略晶体管的管压降，可以认为 PWM 功率放大管的输出电平等于电源电压，即 。电枢的电压波形和电流波形如图 2-3 所示。在图 2-3 中为 PWM 脉冲周 CCCAB VUU |T 期，为正脉冲宽度，为负脉冲宽度。从图 2-2 可以看出，电枢两端的电流是一个脉 p T h T 动的连续电流，加快 PWM 的切换频率，电流的脉动就变小，结果近似于直流信号的效果， 使电机均匀旋转。 同时，如果改变 PWM 脉冲的宽度，电枢中的平均电流也将变化，电机 转速便随之改变，这就是 PWM 调速原理。 图 2-3 电机电枢电压与电流波形 第第 19 页页 2.1.22.1.2 直流电机驱动电路设计直流电机驱动电路设计 双极性控制的优点是电机启动时响应速度快，但是电机在停止状态时也消耗能量。 本课题节能是主要因素，因此采用单极性桥式 PWM 功放电路来驱动直流伺服电机。电机驱 动电路如图 24 所示。图 2-4 中，Q7、Q8、Q15 和 Q16 组成桥式驱动电路，Q6 和 Q14 分 别控制 Q7-Q16 和 Q8-Q15 导通与截止，DIR 控制直流电机的正反转，PWM1 控制电机的转速， D3、D4、D8 和 D10 作为续流用。 图 2-4 直流电机驱动电路 正转 DIR 为低电平，Q5 截止，Q13 导通，则 Q14 的基极电压为 0(接近于 0)，Q8- Q15 截止，PWM1 输入控制 Q7-Q16，电机转动，其电流方向为从左到右，电机正传，转速 受 PWM1 的脉冲宽度控制。 反转 DIR 为高电平，Q5 导通，Q13 截止，则 Q16 的基极电压为 0(接近于 0)，Q7- Q16 截止，PWM1 输入控制 Q8-Q15，电机转动，其电流方向为从右到左，电机反传，转速 受 PWM1 的脉冲宽度控制。 停止 PWM1、DIR 均为为低电平，Q6 和 Q14 截止，Q7-Q16 和 Q8-Q15 均截止，电机 不转。Q7、Q8、Q15、Q16 选择功率对管（PNP 及 NPN 型） 。 驱动直流电机有两种方式，一种是采用专用直流电机驱动芯片，如美国国家半导体公 司的 LMD18245 来做功率驱动. LMD18245 是采用 DMOS 工艺的 H 桥 PWM 集成功放电路芯片,专供直流电机或步进电机 驱动,共有 15 个引脚,T-220 封装.下图是该芯片的外形和引脚图.电源电压范围 1255V, 额定电流 3A,峰值电流 6A. 第第 20 页页 图 2-5 LMD18245 外型和引脚 下图是 LMDl8245 的内部结构图。BRAKE 和 DIRECTION 两个控制信号的组合决定芯片 工作于单极性 PWM 还是双极性 PWM。图 26 描述了这两种组合应的 DMOS 管的导通情况. MONO 为电流监测信号,如不考虑它的影响,在 BRAKE 端加上一固定电平,则 LMD18245 工作 于单极性 PWM 方式;反之,如果在 BRAKE 端加上低电平,在 DIRECTION 端加上 PWM 脉冲,则 LMD18245 工作于双极性 PWM 方式.从其内部结构来看,该芯片内部带有电流反馈控制电路, 为保证电流反馈电路正常工作,必须在 CS OUT 端接一个电流取样电阻到地,该电阻值 R 决 定了电压比较器-端的电压值 V-. 图 2-6 LMD18245 内部结构原理图 下表中 MONO 表示单稳态触发器的状态,若电机电枢超过用户设定值,MONO 变为低电 平;正常工作时,MONO 为高电平. 第第 21 页页 图 27 LMD18245 开关逻辑真值表 另一种方法是我们的主控制板上所采用的继电器和功率三极管组合方式。此种方法 简单可行，控制直流电机的 PWM 信号通过控制功率三极管导通和关断来控制直流电机的运 行。继电器负责电机的换向。如图 2-8 所示。 图 2-8 电机驱动电路 第第 22 页页 2.2 驱动控制软件设计驱动控制软件设计 2.2.12.2.1 机器人车体的驱动算法机器人车体的驱动算法 在图 2-8 中，设机器人前进速度为 、车体绕质心的转动角度速度为、车轮半径v 、左右车轮转速、对应的角速度分别为、，则如下运动关系成立： w R l N r N l r (2-1) v R T R R T R ww ww r l 2 1 2 1 且转弯半径为 (2-2) 2 T R lr lr 有图 2-8 可知，2 个单独驱动的后论控制车体跟踪目标直线时的控制量应当分别是它 们的转动角速度、。此时，需要传感器事先检测并提供、，以及的当 l r )(t 前值，以便按（2-3）式计算下一控制周期（）控制量：tt (2-3)tkkkttt ref )()()( 其中，、均为常数。 k k k 或者改写成用车体的直线运动目标值、车体绕质心转动的角速度来表示： ref v ref (2-4) ref ref ww ww ref r ref l v R T R R T R 2 1 2 1 第第 23 页页 l r v 2 / T2 / T R 转弯 中心 小圆弧 周长 大圆弧 周长 ) 2 ( T R ) 2 ( T R 图 2-8 机器人车体转向 由以上算法，对机器人车体驱动轮的控制框图如图 2-9 所示。 式（3-3） 式（3-4） 左轮速度 控制 左轮 电机 右轮速度 控制 右轮 电机 ref v ref ref r ref l r l ref l ref r 图 2-9 车体驱动机器人直线跟踪 在求解出前进速度目标值、左右驱动轮的角速度和（为方便计，统一表 ref v ref l ref r 示为）后，采用 PI 电机控制方式控制电机，如图 2-10 所示。首先须计算（） ， ref z ref zz 再比例放大成，与积分求和得到电机应该输出的控制力矩。)( ref P zzk t ref I dtzzk 0 )( ref 它是调节电机电流的依据。 第第 24 页页 力矩控 制器 电 机 ref z目标量 z实际量 P k I kdtzz t ref 0 )( ref i 图 2-10 电机 PI 控制方式 2.2.22.2.2 车体转速检测及控制车体转速检测及控制 为了得到轮子的转速，在给定的时间内(本课题的转速采样时间为 100mS),累加光码 盘发出的脉冲数，利用下式计算出轮子的转速。N (2-5)tPnN/ 其中，为光码盘的线径数；为在给定的时间内光码盘发出的脉冲数。Pnt 由于 P89LPC932 刚好有两个通道的硬件捕获和 4 个 PWM 通道(PWM 调速用了 OCA、OCB 两个通道)，故只需初始化好 CCU（捕获/比较）单元，就可以通过捕获脉冲边沿中断来累 加脉冲个数，进而求出转速和控制转速。下面给出 CCU（捕获/比较）单元初始化程序源 码和捕获脉冲边沿中断来累加脉冲个数的程序源码及 PID 控制算法。 第第 25 页页 Di 初始化CCU单元 CCU中断入口 ICA中断 ICB中断 定时器中断 采集转速数据 数据滤波 驱动PID控制 数据送去显示 转速A累加 转速B累加 Do Y Y N N N Y 图 211 速度控制程序框图 第第 26 页页 第三章第三章 红外检测传感器的设计红外检测传感器的设计 3.1 红外光电式巡线传感器红外光电式巡线传感器 所谓巡线指在白色引导条带深色地板（或相反）的环境下，沿条带指示的路径实现跟踪运 动的过程。检测赛场界线、引导条带等是比赛机器人的重要感知项目。其基本原理是采用 光电传感器，通过反射信号的有无来控制移动载体的运动。机器人比赛场地一般粘贴白色 条带（宽 3050 mm） ，与场地的底色（绿色、浅绿色、黑色、棕色等）行成反差，以便 将场地划分成若干区域，易于识别，引导机器人行进。巡线光电传感器就是基于对场地及 线路反射光的处理结果来识别路线的一类光电传感器（见图 3-l） 。根据巡线采用的光电 传感器原理不同，可分为两种类型。红外光电反射式传感器：根据反射光强度巡线。光电 传感器由一个发射光源和一个接收器（光敏二极管）组成。基于白线与场地底色反射光强 的差异，导致输出电压不同，从而识别白线。辨色传感器：根据线路颜色巡线。当条带与 场地底色的反射性能区别不明显时，根据反射光强识别线路的效果不会很好，这时可以通 过色彩识别来巡线。辨色传感器的功能比较强，应用面广，工作稳定，识别效果好，但是 元件多，电路复杂，成本较高。 图 3-1 光电传感器 比赛机器人对巡线传感器的要求大致如下。 1抗干扰性：比赛场地可能存在各种形式的强光干扰、电磁干扰、颜色干扰，必须 有较好的抗干扰能力。 2可调性：比赛场地上机器人的运行环境可能有别于当初调试的环境，即使同是赛 场，可能出发位置、灯光光照角度、日光光照情况均会变化，必须留有调节各种参数的环 节，使得传感器工作在最佳状态。 3稳定性和快速性：一旦传感器移动到引导条带边缘，传感器应当及时、快速、稳 定地触发，不允许有状态的抖动，否则会引起机器人的摇晃。 4成本低廉：对于比赛机器人，价格是一个重要的因素。 第第 27 页页 3.1.13.1.1 红外光电反射式传感器红外光电反射式传感器 (1)原 理 红外线的波长介于可见光和无线电波之间，大约 0.761000 um。一般红外光电反射 式传感器都选择工作在近红外区，即 0.762.5um 段内。大多数发光器件为 880 um、930 um 两个系列。880 um 较易受到外界光的干扰。 红外发光管的材料一般为砷化钾（GaAs）半导体。发光波长范围 0.761.5 um。小 功率（小于 100 mW）的管压降为 1.01.3 V，平均工作电流 2050 mA。红外发光管有 指向角、光轴、波长、辉度等性能指标。 光敏元件常用光电二极管（也称光敏二极管）与光电三极管（也称光敏三极管） ，均 为近红外线接收管。它们接收到光的变化之后造成电流的改变，再经过放大及相关处理， 用于各种控制目的。 光电 M 极管是一种光电变换器件，当光照到 PN 结上时，它能吸收光能将之转变为电 能。它有两种工作状态： 加反向电压时，二极管中的电流随光照强度的大小而改变，光照强度越大，反向电流 越大； 不加电压时 IN 结受光照射作用，产生正向电压，可充当微型光电池。 在无光照情况下，光电二极管的正向电阻约 10，反向电阻为；有光照时，反向k 电阻随光照强度增加而减小，阻值可达几或 1以下。无反压时，正向电压与光照强kk 度成比例，一般可达 0.20.4V。 光电三极管也是靠光的照射量来控制电流的器件，可等效为一个光电二极管与一只晶体三 极管的结合，具有放大作用。详情可查阅光传感器的相关资料。光电二极管最常用。 (2)基于反射光强度测量的红外光电反射式传感器电路 大部分光电传感器电路都是基于反射光强度测量原理工作的。具体的应用场合，例如 有距离、平面倾斜度、反射率和透射率参数的测量等。图 3.2 介绍了一种简单的巡线光电 传感器电路。光电二极管工作在反压下，当无反射光照射或光照较弱时，电阻为，此时 三极管工作在放大区，输出电压很小；而当在反射光照射使电阻下降到几时，三极管k 工作在截止区，输出电压接近于 5V。调节电阻可以得到更好的区分效果。市面上所出 2 R 售的光电传感器的电路基本与此相同，由于其简单、容易购得，因此在机器人比赛中得到 广泛应用。图 33 是另外一种使用光电三极管的简单光电传感器电路，它采用带运算放 第第 28 页页 大器的放大电路，稳定性、线性度及增益误差等均比晶体管放大电路好。图 34 给出一 种使用运算放大器的放大电路，在光电二极管下方连接了一个接地的电阻，有利于消除暗 电流的影响，由于采用电容耦合，无法对直流成分放大。 图 3-2 简单光电传感器电路一 图 3-3 简单光电传感器电路二 图 3-4 运算放大器电 路 (3)调制型光电传感器电路 光电传感器抗外界光干扰的能力对保证机器人正常可靠地工作是很关键，为此可附加 调制电路来抑制传感器中暗电流（无照电流）的变化。使用调制型的反射型光传感器时， 抗干扰光能力变强。电路的基本原理：发射部分采用一块四与非门集成电路 CD4011，构 成一个多谐振荡器（振荡频率可微调） ，并对脉冲进行整形放大，然后接到三极管 1P R 9013 上驱动红外发射管。接收部分由红外接收管 VD2 和运放 LM393、LM567 组成。VD2 接 收红外控制信号并进行光电转换后，由耦合到运放 LM393 做电压放大。运放输出的信 2 C 号由耦合至 LM567 进行音频译码（选频） 。及决定 LM567 的谐振频率。当 LM567 3 C 3P R 6 C 的引脚 3 输人与其自身的振荡频率相同的信号时，引脚 8 输出低电平，否则输出高电平。 LM393 的另一个运放用来构成施密特比较器，将 LM567 的引脚 8 的信号接入比较后输出。 3.1.23.1.2 辨色传感器辨色传感器 半导体辨色传感器由 3 个光电二极管和 3 种颜色的滤光器构成。各个光电二极管上分 别装有红（R） 、绿（G） 、篮（B）滤色器，将来自物体的反射光分解为 3 种颜色。色信号 经过放大电路处理，根据不同组合做逻辑处理后得到实际的颜色输出。图 3-6 和图 3-7 分 别是色信号放大电路和一个辨色电路实例。 更为精确的颜色识别方法是三基色测量方法。其原理是根据三基色的波长特性（波长、 峰值、位置各不相同） ，借助峰值波长滤色器和硅光电二极管（光谱灵敏度覆盖整个可见 第第 29 页页 光域）将输出经过多级放大并进行 AD 转换得到最终结果。 在辨色传感器实际使用中最重要的问题是照明电源和聚光系统，且辨色元件的面积应 尽可能小，以便有效地在物体上形成照明点。用白炽灯作光源最为方便。至于聚光系统， 则必须注意聚光镜的焦距以及照明点的直径。 目前在市场上还很少见到辨色传感器的商品，价格也比较昂贵，因此在大学生机器人 的制作和比赛中不推荐这种传感器来进行巡线条带的识别。从实践来看，红外光电反射式 传感器完全可以满足使用要求。 图 3-5 色信号放大电路 图 3-6 辩色电路实例 第第 30 页页 3.23.2 红外传感器巡线系统软件设计红外传感器巡线系统软件设计 通过红外反射式传感器感知机器人的位置，是否偏离预定路径？是否在按照程序设定 的的目标前进。程序设定 P0 口为输入方式，读取 P0 的数值，判断现在的位置情况，作出 相应的动作。 读取P0口位置数据 Hi 在一号