【毕业论文】寻迹机器人设计

寻迹机器人设计 摘要 寻迹是机器人的一种简单视觉，在机器人的运动中起着非常重要的作用，为机器人运动过程中的位置的准确性提供了保障。为了机器人能在任意区域内沿寻迹线行走，自动绕开障碍，能停在指定地点。并且具有在复杂环境下，对象识别，自主推理，路径规划及控制功能。随着现代计算机技术的发展和应用，以及传感器技术的发展，移动机器人的研究又出现新的高潮。由于机器人在很多方面的准确性、可靠性和精确性上大大超过了人类。机器人技术己经在很多领域里得到了很好的发展，并取得了很好的效果。 本文详细介绍了寻迹机器人的设计。设计的主要内容包括硬件部分设计和软件部分设计，硬件部分包括一些零件的计算和选择。软件部分即控制部分包括电动机的驱动模块。 最后通过对寻迹机器人的技术经济分析，显示了其诸多优势如利用柔性生产系统可以降低生产成本提高生产效率并能改善人的劳动环境，充分体现了研究的意义。 关键词：寻迹，机器人，红外传感器。 I 寻迹机器人设计 is a in a in a of To be in in a of of of As in of of in of of of is of of of of as to 迹机器人设计 目 录 第一章 前 言.题背景及其研究意义.内外发展现状及其发展趋势.体设计思路.二章 寻迹机器人总体设计.计依据.细设计.第三章 机械部分设计.制部分硬件设计.11 迹采样及逻辑控制部分硬件设计.机驱动部分硬件设计.四章 控制部分设计.动机驱动模块软件设计.机 动.五章电机测速及转速控制.27 速测量.走距离控制.机.28 第六章 技术经济分析.30 景分析.效益分析.会分析.31 第七张 结论及展望.论.望.32 参 考 文 献. 谢.迹机器人设计 声 明.迹机器人设计 V 寻迹机器人 第一章 前言 题背景及其研究意义 从机器人研究发展来看，机器人(个词最早出现在2959年美国英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台工业机器人机器人从文学幻想变成了现实，机器人的历史才由此开始。在几十年的发展过程中，机器人技术的研究和发展过程大致经历了3个阶段：第一代是宗教再现机器人；第二代是有感觉的机器人 ；第三代是智能型机器人。机器人技术是近三十年，特别是近的十年间有了很大的发展，之所以得到快速的发展，是因为其有着广阔的应用前景，在诸如制造系统、服务行业、国防及其它社会生活方面都有使用要求1。 现在对于机器人的研究已成为热门话题。其中寻迹机器人就是一种被广泛研究的机器人，各国对该项技术也十分重视，而且国内外有许多重要的比赛，对这一领域的研究已经成为国际前沿研究热点之一，并显示出强大的生命力和广阔的应用前景，是机器人应用发展最快的领域之一，如今在机器人研发领域，寻迹机器人已成为衡量一个国家在机器人制造领域，技术水平高低的标准之一2。之所以各国如此重视机器人的研发，是因为寻迹机器人具有其独特的优势，它可以使操作人员远离危险的现场。被用来进行隧道的掘进、军事探测、爆炸和危险物的排除，特别是放射性的危险环境中。 随着现代计算机技术的发展和应用，以及传感器技术的发展，移动机器人的研究又出现新的高潮。由于机器人在很多方面的准确性、可靠性和精确性上大大超过了人类。机器人技术己经在很多领域里得到了很好的发展，并取得了很好的效果。例如：在无人驾驶机动车、无人工厂、仓库、服务机器人等领域智能巡迹机器人有着广泛的应用前景。寻迹机器人也已经广泛进入了人们的生活领域，为人类的生产生活带来了诸多方便，并且大大提高了工作效率。寻迹机器人在仓储业，实现出入库货物的自动搬运；在制造业，它们生产线中大显身手，高效、准确、灵活地完成物料的搬运任务3。目前，世界的主要汽车厂，如通用、丰田、克莱斯勒、大众等汽车厂的制造和装配线上得到了普遍应用；在邮局、图书馆、港口码头和机场，物品的运送存在着作业量变化大，动态性强，作业流程经常调1寻迹机器人 整，以及搬运作业过程单一等特点，寻迹机器人的并行作业、自动化、智能化和柔性化的特性能够很好的满足上式场合的搬运要求。在烟草、医药、食品、化工生产加工业，对于搬运作业有清洁、安全、无排放污染等特殊要求，它们也能很好地完成任务；在危险场所和特种行业，更是寻迹机器人大显身手的领域，在军事上，自动驾驶为基础集成其他探测和拆卸设备，可用于战场排雷和阵地侦察。在核电站和利用核辐射进行保鲜储存的场所，机器人用于物品的运送，避免了危险的辐射危害人4。在胶卷和胶片仓库，机器人可以在黑暗的环境中，准确可靠的运送物料和半成品。我国在水下机器人开发研究方面已达到国际先进水平，无人无缆自主水下机器人的开发和应用都取得重要成果。 综上诸多方面可见寻迹机器人的前景将是非常广阔的。 内外发展现状及其发展趋势 根据我国机器人技术的发展基础和国家要求，已经制订出我国智能机器人的发展战略，即围绕经济结构战略性调整和可持续发展要求，突出国家目标，确定特种机器人、智能机器与系统、先进制造工艺与装备为三大重点发展方向；研究与开发先进制造自动化理论、技术和装备，促进传统机器的智能化与制造装备自动化，提高我国机器人技术与自动化装备的总体水平，力争主要技术跟上世界先进水平，缩小差距；部分具有相对优势的技术达到国际先进水平；局部重要技术实现跨越式发展。基于上述发展战略，提出了发展高级机器人的指导方针，包括以信息化带动工业化和以高新技术改造传统产业，占领具有战略性、前沿性、前瞻性的高技术制高点，缩小主导产业中制造技术与国外的差距，以创新为基础实现突破与跨越式发展，建立创新体系，有利于可持续发展等。在国家高技术研究发展计划、国家自然科学基金研究计划和国家攻关计划的支持下，我国的智能机器人研究开发开始进入一个新的时期5。 近年来，国内的很多企业己经意识到物流自动化及即时化生产组织管理的重要性，纷纷酝酿建立自动化物流系统。无线导引式机器人作为柔性运输的理想工具和无人化生产的典型代表，愈来愈受到重视和推广应用，研究不断深入，领域不断扩展6。对寻迹机器人的研究有很多方面，其中导向与定位技术的研究越来2寻迹机器人 越受到重视。 海尔集团于 2000 年投产运行的开发区立体仓库中，9 台寻迹机器人组成了一个柔性的库内自动搬运系统，成功地完成了每天的出入库货物和零部件的搬运任务。中国在 1990 年于上海邮政枢纽开始使用寻迹机器人，完成邮品的搬运工作。许多卷烟企业，如青岛颐中集团、玉溪红塔集团、红河卷烟厂、淮阴卷烟厂，应用激光引导式机器人完成托盘货物的搬运工作7。 寻迹机器人在我国的研究及应用起步较晚。 20 世纪 70 年代后期，国内寻迹机器人的雏形诞生了，北京起重运输机械研究所研制了三轮式 动导航小车(是指装有自动导引装置， 能够沿规定的路径行驶，在车体上还具有编程和停车选择装置、安全保护装置以及各种物料移载功能的搬运车辆 。80 年代后期，北京机械工业自动化研究所为二汽研制了应用在立体化仓库中的沈阳自动化研究所为金杯汽车公司研制了汽车发动机装配用的90 年代， 清华大学国家程中心将从国外引进的寻迹机器人（成功地应用于 清华大学计算机技术应用系研制了用于邮政中心的昆明船舶设备研究所研制了激光导向式寻迹机器人（以及吉林工业大学智能车辆课题组为汽车装配线研制了视觉导向寻迹机器人（等。寻迹机器人的显著特点是无人驾驶，其上装备有自动导向系统，可以保障系统在不需要人工引航的情况下就能够沿预定的路线自动行驶，将货物或物料自动从起始点运送到目的地8。 世界各国，特别是西方发达国家都争先将最新的高技术用于寻迹机器人的研究和发展，并先后在医学界、科学技术界、工业界制定了各种研究计划，许多产品已经走向市场、走向生产应用9。中国市场潜在巨大的商机并且前景广阔，国外具有高新技术寻迹机器人正以十分昂贵的价格进入并冲击国内市场，严重影响和抑制了我国自己高技术寻迹机器人工业的发展。我国政府也非常重视寻迹机器人技术的研究和发展，并在国家自然科学基金、863等研究项目中予以重点支持，目前，已取得了一定的成果，但是与国外先进机器人设备、技术相比，还存在较大的差距10。因此，开展基于机器人技术的寻迹机器人及其相关技术研究具有重大的理论意义和显著的社会及经济效益。 迹机器人发展趋势 3寻迹机器人 首先，导航技术是移动机器人的一项核心技术之一。它是指移动机器人通过传感器感知环境信息和自身状态，实现在有障碍的环境中面向目标的自主运动。目前，移动机器人主要的导航方式包括：磁导航，惯性导航，境地图模型匹配导航，路标导航，视觉导航，味道导航，声音导航，神经网络导航等。上述导航技术各有利弊。随着科学技术的不断发展，导航技术也将随之提高，从而在抗干扰能力，时间分辨率方面得到增强，实用性，实时性，可变性，可维护性等性能得到提高。导航技术的提高才能使寻迹机器人变得更加灵敏，可靠，从而更好的为人类服务。 其次是路径规划技术，路径规划是按照某一性能指标搜索一条从起点到目标点的最优或次最优的无碰路径。机器人路径规划的研究始于70年代，目前国内外对这一问题的研究仍然十分活跃。根据环境信息掌握程度，路径规划可分为：环境信息完全已知的全局路径规划；环境信息不完全或未知的基于传感器的局部路径规划。近年来人们研究的热点是环境信息不完全或未知的局部路径规划技术。全局路径规划常用方法有：可视图法，栅格法，自由空间法等。可视图法适用于多边形障碍物，对于圆形障碍物该法失效。栅格大小的选择直接影响着控制算法的性能，栅格选得大，抗干扰能力强，环境信息存储量小，搜索速度快，但分辨率低，在密集障碍物环境中发现路径能力减弱。反之，栅格选得小，抗干扰能力减弱，环境信息存储量大，搜索速度慢，但分辨率高。自由空间法的优点是灵活，起始点和目标点的改变不会造成连通图重构，但算法的复杂度与障碍物的多少成正比，且不是任何情况下都能获得最优路径。一种可靠准确而又简便的路径算法也成了寻迹机器人发展的瓶颈11。 第三，它的研究始于20世纪80年代，多传感器信息融合技术是移动机器人的关键技术之一，信息融合是指将多个传感器所提供的环境信息进行集成处理，形成对外部环境的统一表示12。它融合了信息的互补性，信息的冗余性，信息的实时性和信息的低成本性。因而能比较完整地，精确地反映环境特征，从而做出正确的判断和决策，保证了机器人系统快速性，准确性和稳定性。如何在实际应用中应根据实际情况选择合适的融合方法，从而体现多传感器信息融合方法的优越性。这是多感应器信息融合技术需要攻克的难点。 在未来，导航技术，路径规划技术，多感应器信息融合技术三个核心技术的4寻迹机器人 提高，甚至核心技术的变革决定了寻迹机器人的未来发展趋势。 体设计思路 首先，对系统进行整体认识，通过实验，对该机器人的运动过程有一个初步的了解，从而加深对各个元件功能的认识。 然后，对各个元件进行测绘，理解它们的功能。并对每个部件进行设计 和选型设计。 其次，对控制部分硬件部分进行设计。包括硬件选择，电路图的绘制等。 最后，对机器人的软件部分进行设计。包括控制程序的编写等等。 以上是本次设计的一个大致思路，具体细节将在后续章节中依次介绍。 5寻迹机器人 第二章寻迹机器人总体设计 计依据 车体尺寸必须在 10*10围内。而且对车的运动灵活性要求较高，基本不能考虑模型汽车的转向机制，所以将利用模型底盘改制的可能排除了，必须使用两轮转向机制的结构。 底盘设计：为了便于制作，日后在上面安装其它东西方便，同时具有一定的重量，使小车运行稳定，所以采用 10的聚氯乙烯板材制作，此材料便宜，加工特性好，可以直接打孔攻丝，不像有机玻璃那样易碎，只是美观差一些。外形设计成圆型，主要是为了不至于频繁的互相卡死。 电机：电机的选择是最困难的，既要便宜，又要容易使用，还要有改进提高的可能。四驱车的 130 电机应当是最好的选择，此种电机有便宜到几块钱的，也可以花费上百元改制，使之性能大大提高。如果选择带减速机构的电机，驱动方式是很方便，直接将轮子固定在齿轮箱的输出轴上即可，但不足是：其一是价格高，通常一只在 30 元以上。其二是改变电机性能比较困难。所以还是选择了 130电机。 驱动方式：因为选择了 130 电机，驱动方式就相对麻烦。开始受到纽扣电池小车的启发，才决定采用 130 电机的，因为他那种摩擦传动方式比较容易实现。后初步尝试了一下，效果不好，主要是压紧了之后，电机轴与轴套间的摩擦损耗太大，压松了打滑。后改用皮带传动才得以实现。之所以没有选择齿轮传动，主要是因为没有选到合适的齿轮，而且觉得难以得到不同规格的齿轮，想改变传动比就很困难。用皮带传动只需改变传动轮的大小即可得到所需的传动比，而传动轮制作比齿轮方便许多。 为了简单且不受制约，轮子自制，轮胎用 O 型密封圈，轮毂和皮带传动轮合并，采用尼龙棒车制。传动皮带也是用 O 型密封圈。这种方式可以按照自己的需求随意改变轮子的大小和宽窄，比较灵活。 O 型密封圈规格较多， 取材方便，价格也便宜，通常在一元以下一只。 6寻迹机器人 车体采用了两轮驱动方式后，另外一个支撑点就成了问题，多数万向轮对于这个 10小车来说太大了。我为此设计了一个使用 10珠的球形支点，在摩擦小的时候是滑动，摩擦大时滚动，性能基本能满足要求，且价格很便宜，总共不到 2 元钱。 细设计 车体中底盘、轮毂、小传动皮带轮（安装在电机轴上的）、球形支撑座采用自制方式，详见所附设计图纸。 固定电机采用最常见的固定管线夹，规格 20，大部分五金电器店均有。 目前设计的传动比为 8：1 ，轮胎选用内径 30 5 O 型密封圈。 传动皮带选用内径 35粗 O 型密封圈。 为了轮子转动灵活，中心嵌入了一个内径 3径 10度 4滚珠轴承，轮子安装结构见附图。 之所以将车轮设计为直径约 40为了底盘下有一定的高度，便于安装光电头，用于检测轨迹以及以后的检测是否到边。 其它就是一些螺丝、螺母、垫圈等通用件了。 这样的小车底盘虽说不十分完善，但是相对来说基本满足了多数要求，且在上面比较容易构建自己的结构，目前底盘上所设计的四个 螺丝孔就是为了安装 25垫柱，构成 2 层平面，以安装控制部分。还可以升到 3 层，安装自己需要的东西。关键是取材容易，便于自制，价格不高，除去几个自制件和电机，其它的东西购买不超过 15 元。 以下是我在验证设计可行性过程中制作的原型及一些选用的标准件，供参考。 小车车体原型： 寻迹机器人整体图建模 1 在参考面上，画草图 2 主要用拉伸，倒角，切削等命令建立模型 3 装配完成。 7寻迹机器人 图 1 底座 图 2 固定管线夹 图 3 控制器固定盒 图 4 整体装配图 图5 130电机 130电机装配入，线圈固定 夹内，电机和轮用皮带连接，将控制器放入控制器固定盒，固定在寻迹机器人底座。 第三章 控制部分硬件设计概述及电机驱动部分设计 制部分硬件设计 为这个项目的主要目的是通过实施学习单片机的使用，并且主要是自用而非有针对的参加某项比赛，所以最好所制作的硬件电路能够为进一步学习提供帮助，或者可以作为自己其它项目的实施基础。 为此，我将系统框架设计为： 其中电机驱动、逻辑控制部分均为独立的单片机系统，这样设计主要出于： 单片机已十分便宜，可以像普通 样使用； 8寻迹机器人 电机驱动逻辑比较简单，但是实时性要求较高，所以独立出来，编程较为容易； 电机驱动部分通常会有较大的干扰，尤其是驱动普通的直流有刷电机，电刷的火花干扰很强，单独使用简单、但抗干扰能力强的单片机可使系统更加可靠； 对于走轨迹项目而言逻辑部分并不十分复杂，完全可以将电机控制部分融入其中，但是这样系统就不容易修改为其它用途，编程难度也增加了； 采用独立的逻辑控制模块便于学习者随时根据学习需要替换为所要学习的单片机，目前我所采用的可能是 51 系列的，而日后如需要，可以随时替换为 其它我所关注的型号，这些新的单片机通常都有成品模块出售，具有完善的数字、模拟以及通讯接口，这样设计就十分容易接入，达到学习、评估的目的。 片机的选型依据 因为项目的目标是学习单片机的应用，所以我还是选用了 51 系列的单片机，因为 51 的架构十分典型，便于初学者理解，同时其公共资源是最多的。 选择用于学习的单片机我认为主要考虑以下方面： 价格便宜； 开发手段便宜； 自己动手焊接相对容易（最好不选用 装的，或是脚距小于 基于上述考虑，我选择了宏晶科技的 片机，价格仅 10元左右。它可以使用简单的串口编程（，不需要专门的编程设备，自制一个串口适配器最多 10 元，如果选用现成的 串口产品，也只要 40（注意：不是每种 串口产品都可用）。下载软件厂家免费提供，开发成本很低。封装有 式，是 距的，很好焊接。 很多人排斥 51 系列的原因是认为 51 资源较少，也比较慢，这实际上是最早的 8051 给人留下的印象，也是多数教材中所描述的，而实际上 51 架构已发生了很大变化，其资源已十分丰富，速度也有很大提高，以此款 说，其资源为： 10K 512 字节 8 路 10 位 4 个 实现 冲捕捉等定时功能），速度也十分快；详情可上该公司的网站上查询。 其它还有许多 51 架构的单片机具有优异的特性和特点，如： 列具有一个 24 位 分适合做高精度的仪器； 司的 51F 系列单片机速度极快、功耗低、体积小、资源丰富，有各种不同的规格，最快的达 100引脚还可编程确定功能； 司的 列，有较大的内存，可以内置汉字库，还集成了片内 司（现归属 片将 线通讯协议和51 核集成，可构成 线节点； 司的 片将 无线收发模块与 51 核集成，可方便的实现短距离无线通讯。 还有很多类似的产品，此处就不一一例举。主要是想说明，51 架构还是有其优势的，否则不会有如此多的公司基于 51 架构开发出这么多产品。至于可靠性、性价比等指标在学习时可忽略，但设计产品时才需要考虑这些因素。 从另一个角度来说，由于目前编程通常使用 C 语言，所以对单片机的依附已不十分紧密，只是在设计硬件线路及程序中对硬件初始化时要涉及器件，而程序的逻辑部分几乎与硬件无关，所以选择什么单片机学习没有什么绝对的好与坏，关键看自己可利用的资源。 迹采样及逻辑控制部分硬件设计 轨迹采样部分没有考虑采用独立方式，主要是因为控制过程中需要一些过渡信息，以便于编程者实现自己独特的控制逻辑。 由于寻迹小车逻辑不太复杂，所以逻辑控制仍使用 片机。实际上电机控制部分目前并未用到 能，主要是为了和逻辑控制部分统一，便于采购，所以均选用了带 芯片（对应有不带 ，价格只便宜 1 元）。 同时，为了逻辑控制部分可以单独工作，比如作为 输入扩展器，实现类似我以前发表过的“轨迹传感器” 的功能，所以在设计上做了考虑。 10寻迹机器人 由于采样部分和逻辑控制部分合并后，无法排入一块可以放在前述小机壳中的 以也采用的双板结构，这样又多出一部分空间，就增加了一个小电流的驱动电路，以便可以实现一个简易的小车。 细硬件设计 列单片机有 8 路 10 位 换器，虽说采用的是扫描方式逐个完成，但其一个通道的 A/D 转换时间在 频下只需约10上通道间的切换时间，4 个通道采样时间不到 60以可以满足 4通道轨迹采样的要求。由于 可能要作为 程的控制引脚，所以用 个通道作为轨迹采样通道。 源分配汇总： I/O 口： 制口, 兼作通用模拟输入口； 通用模拟输入口； 4 路光电采样信号输入； 马达 1 的 4 个驱动，使用 制; 马达 2 的 4 个驱动，使用 制; ，作为 用，兼作为通用的串口； 通用的开关量输入口， 工作指示灯 用 出模拟信号给 控制光电采样器的背景采样，4 路共用！ 内部资源： 系统时基 串口波特率 生成背景采样控制，编程时看是用时基程序控制，还是 件控制。 D/A 输出给 马达 1 的 制 11寻迹机器人 马达 2 的 制 保留给开关量输入。 采样电路中第一级作为电压跟随器，提高输入阻抗，减少后级电路对光电管的影响，同时增加驱动能力，保证在 止、 通状态下，能可靠的对电，实现对背景光强度的记忆。 第二级是一个减法器，同时兼作放大。采样时， 通，点亮 止，第二级的输入实际上为此时的光电信号减去刚才电容上记忆的信号，达到了去除背景光的目的。 计为 出用的 提供 入所需的模拟信号，由于单片机采用的是 电源，输出使用 了电平转换，同时使用一个全桥电路实现与 “ 无极性” 连接。为了降低二极管带来的电压损失，使用了 4 个肖特基二极管，其正向压降约为 普通整流管约为 电源采用 关型升压芯片，所需器件较少，电路简单，输出电流约 200 查 册）。 电机驱动部分使用的是长电的 为功率驱动，标称最大电流 了便于使用不同的电压驱动电机，电路上将电机驱动电压分开，其中的电阻值需要根据所使用的电压确定。由于空间有限，没有设计短路防护，在编程时要十分注意。而且只设计了 H 桥下臂的两个二极管，作为 功必须的续流通路，省去了上臂的保护二极管，所以在软件编写时须注意，尽量避免同时切断所有桥臂，导致电机线圈产生高压，击穿三极管。 发光二极管的设置主要是为了便于监测程序的运行状态，可以根据需要改变烁的方式，达到调试或状态检测的目的。 电路设计上为了便于作为其他用途，留出了可以扩充的 I/O 口，包括： 4 路可作为模拟输入的 I/O 口，接内部 A/D 转换器； 2 路数字 I/O，接内部外部中断，可灵活作为各种用途的监测； 口，既作为编程的接口，也可在执行用户程序时作为通用的数据接口； 提供了 5V 两种电源，便于扩充需要。 12寻迹机器人 为了增加灵活性、减小 然采用软线引出，使用空中对接插头连接（插头资料见之二的附件），这样可以方便的按照自己的需要接出所需的信号，而不会受制于直接设计在 的插座的约束。 从 设计上可以看出，如果需要更复杂可靠的轨迹采样，可以再接一块采样板，使用保留的 4 路 A/D 通道，实现 8 个轨迹采样或者其他特殊的需求。 机驱动部分硬件设计 因为考虑到做好后的驱动电路最好可用于其它场合，所以硬件设计上预留了许多功能。 求 可驱动一个直流电机，驱动电压范围 5 12 V ， 电流 10 - 20 A ； 电机驱动要支持 4 种工作模式：正转、反转、惰走、制动； 控制信号可接受： 制，标准的宽度 1 2 周期 20制； 可支持脉冲反馈，实现调速而非调功； 可根据脉冲计数控制行走距离。 可检测转动方向； 支持第二路反馈的脉冲信号，以实现转速跟踪； 要设计 使用 列 51 单片机控制，使用 构成 H 桥驱动，并使用门电路实现互锁，避免造成 路。驱动管设计为可双管并联，以便于扩充驱动电流。 采用独立模块方式，一个模块驱动一个电机，为了能实现多个电机的连锁，提供一个跟踪通道，捕获需要跟踪的电机（轮子） 的转速，自动调整自己的速度，以实现准确的直线行走，或其它类似的目的。 13寻迹机器人 细硬件设计 以 片机为控制核心，该芯片具有 4 个通道的 以方便的实现转速脉冲测量和方向判断，同时也便于接受 制信号。同时此款单片机为 1T 的高速工作模式，可以使用定时中断控制 为需要实现 4 种电机工作模式，所以使用了 4 个 立控制 H 桥的 4 个 不能使用简单的 出控制。 因为用 4 个 立控制，所以必须避免 现短路，使用 2 块4非门构成互锁逻辑，保证不出现同侧上下 时导通的情况。借此也可以隔离电机的噪声对单片机的影响。 因为需要支持 5 12 V 的电机工作电压，而且互锁逻辑输出还差一级反向，所以控制 用双极性三极管 9013，这样可使用普通的 于购买。（如果不使用 9013 ，则需要选用逻辑电平控制的 在线路及 设计上，考虑 双管并联工作，以便于日后需要提高驱动能力。 供给电机的电压直接接 时经稳压器 压输出后供单片机和门电路，单片机选择 3V 的，门电路选用 74这样，电机的工作电压可以低到 5 V （4 节充电电池）。 单片机硬件资源分配： 用于驱动 H 桥； 用于电机的 出，工作在定时器模式； 于主测速脉冲输入，工作在捕获模式，边沿触发； 主脉冲输入方向辅助输入，用于判断转动的方向； 用于跟踪脉冲输入，工作在捕获模式，边沿触发； 跟踪脉冲的辅助输入，用于判断方向； 用于 制信号输入，工作在捕获模式，边沿触发； 用于 制输入； 于连接无线模块 便实现无线控制； 保留作为 控制口； 14寻迹机器人 用于 制输入 用于产生 波特率 系统时基； 因为希望体积小一些，可以装入一个 59 X 35 标准小机壳中，元器件采用的是表贴器件，将控制和 H 桥驱动分开，做成两块 样可以灵活一些，既可以使用独立的驱动器驱动，也可以用逻辑控制部分直接驱动，体积因此也缩小了。 两块 间采用直针连接，形成类似于 4 层板的结构，抗干扰性有所改善。用 1板材。 为了便于自行扩充，同时减少 面积，所有输入输出均采用空中对接插头。 （如果实在不愿意使用表贴器件，也可以采用 装的，用一块试验线路板作为第二层平台，直接在上面焊接元器件，试验线路板有双面和单面的，双面的略贵，约 10 元/ 块，单面的只要 1。但是这样做出来的东西只能用于这个小车了，在其它场合使用将会横不方便。） 详细电原理图和 见附件。 15寻迹机器人 第四章 控制部分设计 机驱动模块软件设计 根据前面的硬件设计，电机驱动模块可以独立成为一个智能的功率驱动器使用，在硬件的设计中考虑了可以支持多种控制信号。但在目前的项目中，拟使用串口控制方式，以下的软件设计是基于这个前提的。 件要实现的功能 1. 接收并解析控制命令； 2. 使电机有良好的驱动特性，可正、反转动，且转动平稳、有力； 3. 可靠的获取转速反馈信号； 4. 根据反馈信号使用有效的控制策略使电机达到所需的转速； 5. 利用码盘的反馈信号控制行走距离； 6. 可以根据命令实现电机的特殊运行状态：刹车、惰行。 在上述功能中，真正影响驱动器性能的是第二项（驱动特性）和第四项（控制策略）。虽然通常认为控制策略最重要，在自动控制中所着笔墨最多，但是在我们这个项目中，因为电机特性不是十分理想，驱动又是通过软件完成的，这两部分组成的执行机构如果没有良好的特性，那有再好的控制算法、策略也无法实现良好的电机驱动。 要设计 16寻迹机器人 根据要实现的功能，软件分为以下几个部分： 1. 命令接收解析 完成命令接收，命令内容解析； 2. 电机 动 根据电机控制参数产生驱动信号，使电机进入期望的运转状态； 3. 速度反馈 读取码盘信号，计算出速度数据，兼完成计数功能，实现行走距离控制； 4. 控制策略 根据命令给出的数据和反馈得到的数据计算出电机控制参数，实现速度控制； 电机驱动实际上构成了一个典型的自动控制系统： 其中的“节器” 由软件的控制策略部分实现，驱动器硬件只提供了电流的开关、放大功能，而主要的驱动特性实现是由软件中电机 动完成。 这样设计使得系统的灵活性增强，同时便于学习者掌握控制的实质，领会其中的奥妙。 软件总体框架采用消息驱动方式，根据消息作相应的处理，消息多数由中断产生，如：接收到串口数据、码盘光电采样中断等，对于没有中断源的信号，由系统的时基产生的中断定时查询、处理。 电机驱动所需的 号在中断服务程序中完成，因为需要比较准确的脉冲宽度和周期。 程序的流程如下： 多个子程序流程图 主流程图 17寻迹机器人 机 动 根据 电动机的单片机控制 中对直流电机驱动的描述，同样的H 桥电路，使用不同的控制信号，可以实现两种不同的控制方式，其一是“ 双极性可逆动” ，其二是“ 单极性受限可逆动” 。 对于“ 双极性可逆 动” 方式，电机在一个 期中通过相反的电流，正转、停止、反转取决于两个方向电流的持续时间，如果相等则为停止。这个方式的好处是低速稳定，启动快，但是耗电大。 对于“ 单极性受限 动” 方式， 电机在一个 期中的电流是同方向的，驱动电机的功率大小取决于电流的持续时间，也就是说在一个 期中，电机的电流有为“0” 的时候，称之为 “断流” 现象。无疑，这种方式在 较小时断流的时间就较长，电机运行就不稳定，也就是低速性能不好，但是由于没有反向电流消耗，所以耗电少。 基于这样的原理，拟采用如下控制方式： 在 制值小于 30%（此值调式时再作调整）时，采用“ 双极性可逆驱动” ，大于 30% 则采用“ 单极性受限可逆驱动” 。 为了可以获得最好的电机驱动特性，将 期设计为可变，这样在调试中可以找到合适的工作参数。 具体实现方法为： 设置如下变量： 位，前半周标志，为“0” 表示处在 期的后半周； 字节，前半周电机控制输出字，控制 H 桥的导通和截止； 字节，前半周电机控制输出字，控制 H 桥的导通和截止； 字（2 字节），前半周持续时间； 字（2 字节），后半周持续时间； 在程序中设置“ 计算电机控制参数” 标志，当 数据变化时，则建立此标志，根据 值及 周期计算出上述数据： 先根据 值判断应当处于哪种驱动模式。 如果是“ 单极性受限 动” 模式，则直接根据 和 频率即可计算出前、后半周期持续时间。然后再根据转动方向给出电机输出控制字。 18寻迹机器人 如果是“ 双极性可逆 动” 模式，根据 、转动方向、率计算出钱后半周的持续时间，其前、后半周的电机输出控制字不随转动方向变化，其转动方向由前、后半周持续时间的比例决定。 基于前面设计的硬件电路，控制引脚对应关系如下： , H 桥的左下臂，1 电平输出导通， 0 电平输出截止 , H 桥的左上臂，0 电平输出导通， 1 电平输出截止 , H 桥的右上臂，0 电平输出导通， 1 电平输出截止 , H 桥的右下臂，1 电平输出导通， 0 电平输出截止 （注：上面的 1、2 顺序颠倒是由于 版造成的。桥臂的位置描述是根据原理图的位置表述的。） 电机控制逻辑: 电机输出控制字根据上述控制逻辑产生。 电机的控制输出用 中断产