智能小车设计的文献综述.doc

智能小车的设计智能小车的设计摘要：随着工业机械化和自动化的发展以及工业智能化的优点，智能小车在工业智能化上得到广泛的应用。本文就智能小车的设计构造以及机械智能化未来的应用与发展前景。关键词：智能小车/设计构造/应用与发展1 智能小车的设计构造智能小车是集理论力学、机械结构、数字电路、模拟电路、传感器、单片机、控制理论和算法等多门学科为一体的综合系统。其内容涵盖机械、电子、自动控制原理、计算机、传感技术等多个学科和领域。该小车的车体由基于VB和串口无线通信的直流电机控制模块、L298N电机驱动模块、C8051F单片机控制模块以及车载机械手组成。可用于无人驾驶、自动抓取物体等人工智能领域。1.1 基于VB和串口无线通信的直流电机控制模块利用VB6.0语言编程实现对机器人上直流伺服电机的控制，从而实现机器人的加速和恒速运行。分别将两块接口为标准的RS-232接口、型号为ZT-TR43C的无线数传模块，接到发、收的两台PC机上，并利用VB通信控件MSCommon实现串口无线通信，从而实现机器人的远程无线控制。近年来，在机器人与外部的通信方式选择上，由于机器人具有广阔运动空间，因而无线通信成为其所必须具备的通信方式之一。本文以一种轮简单的四轮智能小车作为研究对象，通过VB编程和无线模块通信实现远程控制；通过对智能小车后轮的两个驱动电机速度控制，使智能小车完成直线运行、转弯运行等动作。目前，直流伺服电机有着很广泛的应用前景，如在印刷机械、造纸机械、纺织机械、工业机器人、高速电梯、数控机床等重要行业中，均得到了普遍的应用。本文提到的智能小车本身对位置伺服要求比较高，对速度也有一定的控制要求，而对小车的控制可以说最根本的就是对电机进行控制。VB是一种易学习、功能强、效率高的可视化编程语言，用它来做可视化人机界面有着很好的应用前景。利用面向对象的可视化VB语言对其进行编程控制，避免VC、C语言编程的繁琐与难阅读性。另外，利用Visual Basic 6.0 版本的可实现串行通信的MSCommon控件，实现了串口通信；通过无线传输模块实现了两台PC机之间的通信，为对小车进行远程控制搭建了很好的实验平台。同时，利用VB的Timer 控件对程序进行触发，使控制电机能够缓慢加减速；通过改变加速度的大小，使电机运转平稳，避免了PWM控制的不稳定。通过PC机的RS-232串行接口与外部设备进行通信，是许多控制系统中常用的一种通信解决方案。在本小车控制中，通信采用的都是RS-232通信方式。VB提供的串行通信控件为MSCommon控件，此控件用于支持VB对串行口的访问。在串口通信过程中当发送数据、接收数据或者发生通信错误时，均触发该控件的OnComm事件，进行相应的数据处理。MSCommon 控件相应的属性为:CommPort属性，设置并返回通信端口号；Settings属性，以字符串的形式设置并返回波特率、奇偶校验、数据位、停止位；PortOpen属性，设置并返回通信端口的状态，也可以打开和关闭端口；InputLen属性，说明Input属性从接收缓冲区中读取的字符数；MSCommon控件的PortOpen属性决定了通信开始和结束。1.2 L298N电机驱动模块1.2.1 L298N与电机驱动模块电机驱动模块主要采用L298N，L298N可直接的对电机进行控制，无须隔离电路。通过单片机的I/O输入改变芯片控制端的电平，即可以对电机进行正反转，停止的操作，非常方便，亦能满足直流减速电机的大电流要求。L298N是专用驱动集成电路，属于H桥集成电路，与L293D的差别是其输出电流增大，功率增强。其输出电流为2A，最高电流4A，最高工作电压50V，可以驱动感性负载，如大功率直流电机，步进电机，减速电机，伺服电机，等，特别是其输入端可以与单片机直接相联，从而很方便地受单片机控制。当驱动直流电机时，可直接控制步进电机，并可以实现电机正转与反转，实现此功能只需改变输入端的逻辑电平。1.2.2 L298N型驱动器的原理及应用 L298N是SGS公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片，内部包含4通道逻辑驱动电路，是一种二相和四相电机的专用驱动器。该芯片采用15脚封装。主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；额定功率25W。内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。使用L298N芯片驱动电机，该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机。1.3 C8051单片机控制模块Cygnal公司的C8051单片机使用Cygnal的专利CIP-51微控制器内核。以下介绍C8051单片机的一些重要技术以及在本系统中的应用。C8051单片机使用Cygnal的专利CIP-51微控制嚣内核，采用流水线指令结构；70指令的执行时间为1个或2个系统时钟周期；速度可达25 MIPS(时钟频率为25 MHz时)。这样就可以应用复杂的控制算法提高控制精度。C8051单片机内部有4个通用16位计数器定时器和专用的看门狗定时器(WDT)，这样就不再需要附加外部计数器件和外部看门狗电路。本系统中定时器0和定时器2用作小车左右轮反馈脉冲计数，定时器1配置成自动重装载的8位计数器定时器。用于波特率发生器。C8051单片机引入r数字交叉开关，允许将内部数字系统资源分配给端口IO引脚。通过设置优先权交叉开关控制寄存器，将片内的计数器定时器、串行总线、硬件中断、ADC转换启动输入、比较器输出以及微控制器内部的其他数字信号配置为出现在端口IO引脚。C805l单片机内部有一个可编程计数器阵列(PCA)，由一个专用的16位计数器定时器和5个16位捕捉比较模块组成。通过设置特殊功能寄存器PCA0CPM将捕捉比较模块0和1(CEX0和CEXl)设置成8位脉冲宽度调制器(PWM)驱动左右轮电机转动。C805l单片机内部有12位逐次逼近型ADC，可以在不增加外围电路的前提下方便地检测模拟信号。本系统从电机电枢回路中引出电流信号送入单片机，实现电流环控制。C805l单片机具有片内JTAG和调试电路，通过4脚JTAG接口并使用安装在最终应用系统中的器件就可以进行全速、非侵入式的在系统调试而且支持断点、单步、观察点、堆栈监视器，支持观察修改存储器和寄存器。由以上介绍可以看出，在小车子系统中选用C8051单片机是非常合适的，由于可以硬件生成PWM，占用CPU资源很少；高性能的指令系统以及和VB语言之间进行交叉汇编，为设计各种控制算法提供了广阔的空间。1.4 车载机械手1.4.1 机械手的简单介绍机械手是典型的机电一体化装置，它综合运用了机械与精密机械、微电子与计算机、自动控制与驱动、传感器与信息处理以及人工智能等多学科的最新研究成果，随着经济的发展和各行各业对自动化程度要求的提高，机器人技术得到了迅速发展，出现了各种各样的机械手产品。手爪的应用环境干差万别，抓取可靠、环境适应性好、控制简单、自适应性强、自主能力高是衡量机器人手爪设计水平的重要标志。性能优良的机器人手爪可以实现可靠、快速和精确地抓取。近年来机器人技术得到大力的发展，手爪的研究也步入一个良好的发展时期，机器人手爪正由简单发展到复杂，由笨拙发展到灵巧，其中的仿人灵巧手已经发展到可以与人手媲美。机械手对目标物体抓取的稳定性研究是一个值得长期探讨的课题。1.4.2 车载机械手的总体结构体系搭载机械手的移动机器人本体为四轮万向轮小车，它具备自主导航能力。在遇到物体时，可远程控制并操作机械手抓取。车载机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统3大部分组成。执行机构是机械臂、机械手爪与基座的总称。驱动机构有液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。目前专用机械手采用电气驱动方式的较多，而本设计运用的是舵机控制方式的二指机械手。1.4.3 车载机械手的执行机构1.4.3.1 手部手部安装与手臂前端是用来抓持工件(或工具)的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。它模仿人类手指，分为无关节型，固定关节型和自由关节型3种。手指的数量又可分为二指、三指、四指等，本次设计采用的为二指形手爪。1.4.3.2 手臂手臂的作用是引导手指精确地抓住目标物体，并运送到所需要的位置上去，故手臂的位置需精确定位。手臂分为有关节臂和无关节臂，以前主流设计几乎都是无关节手臂。而目前设计多为有关节手臂，本次设计的小型侦察车车载机械手即为有关节手臂。手臂由以下几部分组成：动作元件，带动手臂运动的动力装置，在本车载机械手中为两台直流无刷伺服电机，驱动手臂运动；导向装置，保证手臂的正确方向及承受由于目标物体重量所产生的弯曲和扭转力矩；手臂，承接和承受外力作用的部件，手臂上的零部件都装在手臂上。1.4.3.3 关节与基座关节部分是非常关键，要求其既能保证电机轴固定到连接手臂，又要满足不同臂长需要，即在一定范围内可灵活更换臂长，手臂套筒长度可自由调节。机械手通过基座安装固定在小型车的仪器舱上，基座是用以承受机械手全部重量的构件，对其结构的要求是刚性好、占地面积小、操作维修方便和造型美观。2 机械智能化的应用与发展前景随着现代科学技术的迅速发展，机器智能化技术的应用几乎扩展到整个工业领域，并在工业生产中发挥了巨大作用。但对于未知或特殊的任务，作为机械智能化的代表-机器人还不能独立完成，而且缺少必要的柔性。为了提高整个系统的效能，需要研究如何使人与机器人相互配合，共同完成作业任务。搭载于机器人上的机械手能模仿人手臂的某些动作功能，可以按固定程序抓取、搬运物件或对工具的自动操作，代替人的繁重劳动以实现工作的机械化和自动化，业已成为机器人系统中非常重要的组成部分。特别是近年来机械手已逐渐应用于易燃易爆品的装配、拆卸、搬运，以及消防、反恐、防爆等高度危险环境，代替人类完成力所不及的工作，这类机械手因此也被称为“专用机械手”。世界各国对专用机械手的研究愈加重视，纷纷投入大量的人力、物力加以研究和应用。从目前情况看，我国“专用机械手”还处在研究、跟踪、试验阶段，其主要原因在于这类机械手不仅需要载体平台的稳定移动，而且还要求机械手稳定执行操作。针对污染与核辐射环境的应急处理需要，笔者设计出小型3自由度机械手，搭载于已开发出来的小型移动机器人平台上。在机器人侦察各种污染和辐射环境、人员不便进入的情况下，车载机械手的出现，可以代替人员进行手工操作、抓取、采集样品等，大大改善了工作条件，提高了工作效率，保障了人员安全。参考文献1 张晓红.VB中如何利用MSCommon控件实现串口通信J福建电脑， 2004（3）：37-38.2 姚军光.基于VB的电机驱动监控系统设计J青岛科技大学学报，2004，25（3）：261-264.3 Holt C,Fumo J.Visual BASIC environment yields advanced navigationC.OCEANS,2001.MTS/IEEE Conference and Exhibition Volume 1.2001：331-336.4 薛园园.USB应用开发实例详解M北京：人民邮电出版社2007.5 邱 丹，王 东，高振东.直流电机PWM 闭环调速系统J青岛大学学报，2000，15(1)：10-11.6 孟红英，等.用L297、L298组成步进电机驱动电路J仪器仪表学报，2003，(2).7 51单片机C语言应用程序设计实例精讲M北京：电子工业出版社。20078 王晓明.电动机的单片机控制M北京：北京航空航天大学出版社。20029 刘宝廷，程树康.步进电动机及其驱动控制系统M哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，199710 韩全力.单片机控制技术及应用M北京：电子工业出版社，200411 刘字红，张明路，孟宪春，等移动机械手的稳定性及补偿方法现状与发展趋势J机电产品开发与创新，2008，21(2)：5-7.12 杨武，蒋梁中.排爆机器人机械手运动规划J机械设计与制造，2008，(5)13 慧明.关节型机械手的结构创新设计J煤矿机械，2007，28(10)：17-19.14 Huang L，Yu W，Jhajharia S KSpee