计划书(7).doc

中国科学技术大学第十一届RoboGame机器人大赛参赛计划书 队伍名称： 若搏者 系别（全称+代号）： 电子工程与信息科学系（006） 类别： 杂技表演类 家庭服务类 说明1参赛队应在认真阅读此说明各项内容后按要求详细填写。2参赛队在填写本表时只需根据所报项目填写A1（杂技表演类）或A2（家庭服务类）表。3计划书提交截止时间2011年6月12日。4电子版发送至。5 纸质版打印交至西区力学三楼311室黄铭处（进门左边第一个桌子）承 诺 书组委会承诺：我们组委会保证及时解决各参赛队就比赛相关问题提出的疑问，为各参赛队的制作计划等保密，公正处理机器人比赛相关事务，选拔优秀成员担任比赛裁判，保证裁判的公正。组委会负责人（签字）：2011年6月12日参赛者承诺：我们队承诺对本人填写的各项内容保证是本队的原创，没有抄袭他人。我们保证以本承诺为有约束力的协议，遵守中国科学技术大学第九届robogame组委会的有关规定，认真进行机器人的设计制作等工作，就比赛相关问题积极与组委会交流，服从组委会的活动安排与最终裁判。对于由本队引发的一切不良后果由本队承担相应责任。参赛队员（签字）：年 月 日A2家庭服务类队员组成及分工姓名学号个人简历主要任务队长：张冬青PB09210270来自河南省开封市，责任心很强，也很勤快，为人很踏实，有很好的组织能力，主要负责计划书的电路部分。协调各个队员的工作、把握若搏者队整体工作进度，与系参赛负责人做好沟通，及时与组委会进行汇报。负责算法程序与电子电路控制的编程部分。副队长：郭凤茂PB09210202来自山西省沂州市，为人和善，不拘小节，有较强的空间想象能力，对机械方面十分感兴趣，计划书中主要负责机械部分。主要负责机械部分的基本设计及部件的组装。以及一些程序的调试。队员：孙麟PB09210239来自四川省广安市，性格略显内敛，虽然话语不多但团队意识很强，很认真负责，对robogame有很强的激情与信息，与郭凤茂共同负责机械部分。主要负责机械部分的基本设计及部件的组装，以及电路的设计。队员：张旭PB09000680来自山东省淄博市，性格很随和，乐意聆听别人的意见和建议，也很努力的去学习与机器人有关的知识，负责计划书的控制部分。主要负责电路与程序的设计，使用C语言编写程序。队员：张玥PB09210312来自安徽省亳州市，作为唯一的一个女生，她很外向，喜欢与人交流，也喜欢去学习新的知识，并且有很多新奇的想法。主要机械部分与电子元件部分的结合。也会和张旭一起负责程序部分。机器人的基本设计思路（想法）及创新性思路：我们选择了制作家庭服务型机器人。在经过查阅丰富的资料和激烈的讨论之后，我们决定我们的机器人-“若若”将来要当个老人陪护员。她可以帮助老人端水送药，还可以拿送物品。并且，考虑到老人一般都会记性不好，若若还可以提醒老人用药呢！ 爸爸妈妈会提前会把用药种类和剂量以及用药时间输入到若若的“大脑”里，并把喝药的水放在一定的位置。爷爷由于身体不好会经常坐在椅子上。当每天早上爸爸妈妈出门上班后，若若就会在家静静的计时，等着爷爷吃药的时间。突然，若若停住了一下，呀！到爷爷吃药的时候了，若若急忙向放着药品和水的桌子走去，她用她的抓手把药品抓到她用来载物的托盘上，然后她向爷爷屋里走去。走到爷爷跟前，若若用清脆的声音说：“爷爷，吃药喽！”待爷爷转过身来，若若又说：“蓝色瓶里吃2粒，黄色瓶里吃3粒，红色瓶里吃1粒。”若若说的很慢也很清楚，爷爷听起来一点也不费劲。当爷爷吃好药后，爷爷把水杯递到若若手里，感受到水杯的重量后，若若说：“爷爷好好休息，若若先走了。”然后她原路返回，把药和水放在原来的桌子上。这样，完成了一件任务，能帮助爸爸妈妈，若若很高兴！创新：我们在设计机器人的时候一直坚持两个宗旨：实用+新颖，首先，若若能实现端水送药和拿送东西以及提醒老人吃药这几个功能。当吃药时间与老人要拿送东西的时间冲突时，若若会优先选择吃药这项任务。第二，若若手上的压力传感器可以让她判断老人是否已经喝药，然后把水放回原处。此外，我认为若若的亮点就在于她可以提醒老人用药。这样，老人家和他们的儿女就不用担心老人的吃药问题了。机器人的实用性描述我们的机器人主要是为儿女工作比较忙而老人身体不适，不经常运动的家庭设计的。机器人可以提醒帮老人拿取物品，还可以提醒老人吃药时间和剂量。这样，对于记性不好是老人，就算是解决了一个大问题。此外，在有余力的情况下，我们还打算给机器人加一个MP3功能，这样就能更好的娱乐老人，让在外工作的子女更加放心。 机器人的智能性描述1. 机器人可以提醒老人吃药时间2. 当吃药时间与老人要拿送东西的时间冲突时，若若会优先选择吃药这项任务。3. 机器人可以根据手里压力传感器的读书判断老人是否已经用药，并把药品与水放回原处。机器人的道具及场地设计老人位置场地说明：1. 场地为正方形 4m4m，黑色边界为场地范围。2. 场地内的地面使用绿色填充，表面使用白色贴纸做成网格线供机器人巡线识别。3. 右下角设定为老人位置，由于老人行动不便，在此情景下看做老人静止。4. 场中A、B、C为三个固定位置，其中A，B用于放置和存取物品，C用于机器人固定位置。机器人的具体技术实现机械部分（可附图）整体效果图一 设计上,主要难点在于机械臂的实现,为了实现取物,递物的要求,机械臂拥有五个自由度,由舵机实现,这保证了机器人能够轻松获取物品置于托盘上,并且能将托盘上的物体递向合适的方向,舵机的位置分别在:机械手,腕关节,肘关节,以及肩部,肩部通过两个舵机能实现机械臂的前方一百八十度范围内的物品获取。底座安装四个轮子，以实现机器人的平稳移动。考虑到实际需要,主要零件如下:一.机械臂主要零件:手掌1连接部分边沿半圆形,避免活动时受阻手掌2舵机图像实现手掌2和舵机的固定以上零件通过金属杆固定,实现机械手部分的设计:手部舵机,实现物体抓取手掌1,手腕和舵机的连接处机械手特写图手部舵机安装在手掌2上，通过转动可使手掌2向手掌1合拢，从而实现对手掌范围内的物体的抓取。实际制作时可在手掌内侧粘一层摩擦系数较大的材料使抓取物品更加容易，同时还要安装压力传感装置，用以判断对物品是否抓牢。腕部舵机,实现手部的上下转动腕部结构特写图肘部舵机腕部舵机加固杆肘部特写图肩部连接件图该零件上安装两个舵机，用以实现整个机械臂的前后,左右两个自由度。肩部肘部腕部手部 肩部固定件连杆机械臂整体示意图车轮设计图整体效果图二整体效果图三整体效果图四机器人的具体技术实现电路部分（可附图）第1节 单片机1 单片机的选取由于单片机最终由不同的系别统一购买，至今为止选用何种单片机，考虑各方面的因素，暂时使用ATMEL公司生产的ATmega16。AVR单片机是1997年由ATMEL公司研发出的增强型内置Flash的RISC精简指令集高速8位单片机，具有高可靠性、功能强、高速度、低功耗等特点。AVR单片机比51单片机的运行速度快得多，其内部还集成了多路A/D转换器、电压比较器、ISP、I2C、JTAG总线电路、UART串口、大功率I/O口、看门狗等实用电路，并且很多AVR单片机型号有EEPROM、FLASH、SRAM三种存储器，可以实现实时修改程序存储器中的内容，即AVR单片机可以自己修改自己的程序。同时，AVR单片机一般能工作在宽电压范围（2.76.0V），有的居然可以在1.8V电压下工作。虽然以上这些性能只是AVR众多性能中的一部分，然而已经让51系列单片机望尘莫及了。如此高性能的单片机，价格居然和51单片机差不多，比如ATmega8价格为8元左右，ATmega16在13元左右，这是AVR有极高性价比的真实写照。AVR家族人丁兴旺，包括ATinyAVR（微小型）、低功耗类、ATmegaAVR高、中、低档5类单片机。它们都基于同一核心技术，但在内部集成的电路多少上有所不同。不论你要做电子手表，还是进行视频处理，都有一款合适的AVR单片机能满足你的需要。AVR的I/O口能输出20mA和吸收40mA的电流，不仅可直接驱动LED，甚至可直接驱动微型直流减速电机，而且AVR的I/O口可编程设置成输入、输出、高阻态，是真正的3态I/O口。根据任务具体需要，选择最合适的单片机，使单片机资源充分利用，使系统性价比达到最高，同时兼顾未来扩展要求，不要一味选用高性能单片机，这就是单片机的选型原则。鉴于AVR单片机的指令系统比较精简，总线结构也与51单片机不同，因此速度比51更快，这对于我们提高魔方算法的工作效率更为有利。所以我们选择AVR而不是51系列的单片机。 另外，ATmega16是性价比最高的AVR芯片之一，16K的FLASH，满足绝大部分的实验需要。同时，其内置丰富，具有强大的功能，几乎涉及AVR芯片的所有功能，直插封装，方便实验焊接。因此，经过队内讨论与分析，我们决定采用高可靠性、强功能、高速度、低功耗，和低价位的高档ATmega16单片机。2 AVR单片机的最大特点 哈佛结构，具备1MIPS / MHz的高速运行处理能力； 超功能精简指令集（RISC），具有32个通用工作寄存器，克服了如8051 MCU采用单一ACC进行处理造成的瓶颈现象； 快速的存取寄存器组、单周期指令系统，大大优化了目标代码的大小、执行效率，部分型号FLASH非常大，特别适用于使用高级语言进行开发； 作输出时与PIC的HI/LOW相同，可输出40mA（单一输出），作输入时可设置为三态高阻抗输入或带上拉电阻输入，具备10mA-20mA灌电流的能力； 片内集成多种频率的RC振荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时等功能，外围电路更加简单，系统更加稳定可靠； 大部分AVR片上资源丰富：带 E2PROM，PWM，RTC，SPI，UART，TWI，ISP，AD，Analog Comparator，WDT等； 大部分AVR除了有ISP功能外，还有IAP功能，方便升级或销毁应用程序。3 ATmega16引脚功能VCC 电源正；GND电源地端口A(PA7.PA0) 端口A 做为A/D 转换器的模拟输入端。端口A 为8 位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口A 处于高阻状态。 端口B(PB7.PB0) 端口B 为8 位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口B 处于高阻状态。 端口B 也可以用做其他不同的特殊功能. 端口C(PC7.PC0) 端口C 为8 位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口C 处于高阻状态。如果JTAG接口使能，即使复位出现引脚 PC5(TDI)、 PC3(TMS)与 PC2(TCK)的上拉电阻被激活。端口C 也可以用做其他不同的特殊功能. 端口D(PD7.PD0) 端口D 为8 位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口D 处于高阻状态。端口D 也可以用做其他不同的特殊功能. RESET 复位输入引脚。持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。门限时间见P36Table 15。持续时间小于门限间的脉冲不能保证可靠复位。 XTAL1 反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。 XTAL2 反向振荡放大器的输出端。 AVCC AVCC是端口A与A/D转换器的电源。不使用ADC时，该引脚应直接与VCC连接。使用ADC时应通过一个低通滤波器与VCC 连接。 AREF A/D 的模拟基准输入引脚。 4 单片机对舵机的控制原理首先说明一下舵机的工作原理。控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。舵机内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。舵机的控制信号是PWM信号，利用占空比的变化改变舵机的位置。用单片机作为舵机的控制单元，使PWM信号的脉冲宽度实现微秒级的变化，从而提高舵机的转角精度。单片机完成控制算法，再将计算结果转化为PWM信号输出到舵机，由于单片机系统是一个数字系统，其控制信号的变化完全依靠硬件计数，所以受外界干扰较小，整个系统工作可靠。单片机系统实现对舵机输出转角的控制，必须先完成两个任务。第一是产生基本的PWM周期信号，通常情况下是产生20ms的周期信号；第二是脉宽的调整，即单片机模拟PWM信号的输出，并且调整占空比。 这里单片机的主要工作任务是控制多舵机，使用的舵机工作周期均为20ms时，要求硬件产生的多路PWM波的周期也相同。使用51单片机的内部定时器产生脉冲计数，一般工作正脉冲宽度小于周期的1/8，再利用定时器中断T0确定各路PWM波的输出宽度，定时器中断T1控制20ms的基准时间。对机器人舵机控制的测试表明，舵机控制系统工作稳定，PWM占空比 (0.52.5ms 的正脉冲宽度)和舵机的转角(-9090)线性度较好。第2节 无线模块1 无线模块的选取鉴于实现剧情的取药送水机器人采用半自动遥控方式，我们决定使用nRF24L01无线单片射频收发器件，它工作于2.4GHz2.5GHz ISM频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块,并融合了增强型ShockBurst技术。其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。图 无线模块结构图NRF24L01功耗低,在以-6 dBm的功率发射时，工作电流也只有9 mA；接收时，工作电流只有12.3 mA，多种低功率工作模式(掉电模式和空闲模式)使节能2 nRF24L01的各引脚介绍nRF24L01的各引脚功能如下：CE：使能发射或接收；CSN，SCK，MOSI，MISO： SPI引脚端，微处理器可通过此引脚配置nRF24L01；IRQ：中断标志位; VDD：电源输入端; VSS：电源地： XC2，XC1：晶体振荡器引脚; VDD_PA：为功率放大器供电，输出为1.8 V; ANT1,ANT2：天线接口IREF：参考电流输入。3 舵机的选用 在讲述单片机时已经对多级的工作原理做了比较详细的介绍，此处不再赘述，本机器人选用MG945型号的舵机其各项参数如下所示。 MG945舵机辉胜MG945金属齿舵机是国产普及型舵机中的精品，外部采用高强度ABS外壳配以内部高精度全金属齿轮组，加上精准的数码控制电路使该标准尺寸舵机的扭矩达到了惊人的10kg，而且全金属齿轮组让您不必担心因舵机负荷过重而扫齿的危险。一样的外观，一样的性能，低廉的价格以及高性价比成为入门级直升机飞机、车辆模型以及大比例TOC飞机的控制首选！MG945大扭矩舵机参数：外形尺寸（mm）：40.7 X19.7 X 42.9重量（g）：55转矩（kg/cm）：10（4.8V）/12（6.0V）速度（sec/60deg）：0.20（4.8V）/0.16（6.0V）工作电压（V）：4.87.2V死区宽度（us）：5第3节 巡线电路由于机器人被设计成巡线行走，我们找来了巡线小车电路图，巡线电路主要分为4部分：检测电路，电源驱动电路，芯片电路，电机驱动电路 电源驱动电路 芯片电路 电机驱动电路H桥 第4节 红外传感器由于希望机器人通过红外传感器来识别前方是否有目标并停下处理，我们找到了红外传感器的相关资料及电路图。RE200B红外传感器红外传感系统是用红外线为介质的测量系统，按照功能可分成五类, 按探测机理可分成为光子探测器和热探测器. 红外传感技术已经在现代科技、国防和工农业等领域获得了广泛的应用。机器人的具体技术实现控制部分（可附图）一 运动部分1.设计原理机器人采用轮式设计，由程序控制车轮移动，巡线完成移动命令，原理图如下：基本原理 机器人在贴有白色贴纸的绿色路面上行走时，由于反射光强的差异，可以使用红外光电发射接收二极管进行检查，判断车轮所在位置，将检测信号进行A/D转换后给单片机，从而为单片机控制提供信息。 控制和驱动 使用单片机控制，调节加在电机两端的平均电压，实现对直流电机的控制。采用推挽式四通道驱动器L293D作为驱动电机的驱动元件。L293D为带二极管的推挽式四通道驱动器, 它是一个单片集成的高电压、高电流驱动器。通过控制L293D的使能端控制电机的启动和停止。当使能端为低电平时, 电机停止; 当使能 端为高电平时, 电机启动。通过控制使能端的脉冲宽度, 而达到调整电动机转速的目的。控制IN1和IN2的逻辑电平就可以控制OUT1和OUT2的输出电平。OUT1和OUT2与直流电机的输入两端相连,可带动电机转动。改变IN1和IN2的逻辑电平, 就可以改变电机转动的方向, 从而控制车轮的转动。算法 采用模糊控制算法, 将地面检测到的反馈信号与设定的轨迹标准比较, 求出偏离轨迹的偏差信号与偏差信号的变化率, 并将其作为模糊控制器的输入, 将偏差信号按照 “分档法” 分为七档, 再通过查询由 “分档法” 和模糊推理合成算法得到的控制作用表来获得模糊控制器的输出, 从而进一步设定转速值。2. 运动与转弯问题：我们的机器人装有四个轮子，前面的两个轮子为从动导轮，后面的两个轮子各配一步进电机提供动力，来实现运动，进行直线运动比较简单，要求两个电机同步工作即可完成。步进电机介绍：步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。 在不超过额定载荷的范围内，上电自锁，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，控制方便。 只有周期性误差而无累积误差。 步进电机有三种驱动方式： 整步驱动：一个脉冲一个步距角 。半步驱动：一个脉冲半个步距角 。细分驱动：一个脉冲1/8，1/16个步距角，正弦、余弦电流细分。 步进电机区别于其他控制用途电机的最大特点是，它可接受数字控制信号（电脉冲信号）并转化成与之相对应的角位移或直线位移，因而本身就是一个完成数字模拟转化的执行元件。而且它能进行开环位置控制，输入一个脉冲信号就得到一个规定的位置增量。步进电机拖动负载高速移动一定距离并精确定位时，一般来说都应包括“启动加速高速运行（匀速）减速停止”五个阶段，速度特性通常为梯形，如果移动的距离很短则为三角形速度特性，如些图所示： 图：步进电机的速度曲线 图：步进电机控制系统转向部分：转弯部分相对来说比较复杂，转弯可以使用差动装置来实现，通过单片机控制两个电机的转速不同，来实现机器人的转弯等一系列动作，若左驱动轮电机的转速大于右驱动轮的电机转速，则实现机器人的右转弯，反之可以实现左转，另外可以通过控制两个轮子转速差的大小实现不同半径的转弯，具体转弯实现见下表。驱动轮的转向和机器人运动状态的关系左驱动轮右驱动轮自动机器人停止停止停止停止向前转动绕着左轮逆时针转动停止向后转动绕着左轮顺时针转动向前转动停止绕着右轮顺时针转动向前转动向前转动向前运动向前转动向后转动原地顺时针旋转向后转动停止绕着右轮逆时针转动向后转动向前转动原地逆时针旋转向后转动向后转动向后运动一抓取控制对于机械部分各部件的详细控制可见机械部分的分析，此处主要介绍对于各个抓取状态和条件的判断部分： 需求分析： 首先，在预定情境中，要求我们的机器人在取送物品环节，机器人能够通过对物品摆放位置的计算，确定物品的位置。具体实现上通过的场地上网格点建立坐标，并对物品编号，取物品时通过单片机计算编号对应位置，生成移动控制信号，到达相应位置，实现物品定位。其次， 到达位置后控制，车轮动机停止，此时控制机械臂运动的舵机开始运动。在使用单片机控制机械爪准确抓取物品时，要求比较高的精度，所以我们使用红外探测技术探测物品准确位置，通过红外传感器发射信号再接收反射信号，利用三角测量原理，就可以用来定位物品位置，同时判断机械臂的位置，并据此校正机械爪角度，位置合适时，就可以实现抓取物品。抓取后还需将物品放置在托盘中，操作步骤和抓取基本相同，只是托盘位置固定，判断其位置的步骤可以省略，同时可以记录物品在托盘上放置的位置。在递送物品环节要求送到老人手附近，同样使用红外探测，用来确定人手位置，校正机械臂，准确递送物品。由于一般红外探测器范围是1080cm，由于探测距离的原因，我们的机器人移动主要是由巡线模块控制，而只有在物品附近使用红外传感器以探测位置。机器人探测的原理同蝙蝠相似，红外探测是根据反射发出特定频率的红外线确定物体距离的，具体测量过程是这样的，在机器人运动过程中先调节距离旋钮使其探测距离达到所用超声波探测器的盲区最大值，用程序控制探头发射信号，然后捕捉反射信号，若无反射信号说明无障碍，如有反射信号说明有障碍，信号从上拉电阻的OC门取出。三角测量原理。红外发射器按照一定的角度发射红外光束，当遇到物体以后，光束会反射回来，如图1所示。反射回来的红外光线被CCD检测器检测到以后，会获得一个偏移值L，利用三角关系，在知道了发射角度a，偏移距L，中心矩X，以及滤镜的焦距f以后，传感器到物体的距离D就可以通过几何关系计算出来了。最后，当机器人手臂的机械爪碰到所要抓取的物品时，需要判断是否抓取成功，我们使用压力传感器来完成控制，即感知到手触碰到小球后，由压力传感器感知抓取的压力，通过压力传感器将压力值转为电信号，将触碰信号反馈给处理器，将球抓起。设计方案：1. 在机器人的机械臂下方固定2 只红外发射管（970nm）和一只红外接收模块构成红外传感系统，由于机器人长大于10cm，可以用来检测前方、左前方和右前方的物品。可以通过调节两个电位器来调节左右两个红外的检测距离，顺时针红外发射强，测距离远，逆时针红外发射弱，检测距离近。 图：红外传感器的电路原理图2. 将两个压力传感器分别安在两个机械爪的触手上，通过压力传感器的压电材料产生电信号，当压力到达一定范围值，电信号反馈给正在进行控制的单片机，然后单片机发出指令，使控制抓取的动作继续或停止。机器人基本流程主要几个分流程包括取、送物品流程，抓、递物品流程和运动流程。1.主流程无线控制信号判断是否到吃药时间？备选过程到达指定位置C初始化N取物品信号Y送物品信号确定相应位置取送物品递 物品（水）播放吃药提醒执行取物品流程执行送物品流程递 药返回位置C递物品播放提示返回位置C分流程如下：取物品流程取物品流程主要用于通过利用无线遥控装置