智能巡线机器人设计.doc

智能巡线机器人设计77第1章 绪论本章首先从机器人的发展历程引出机器人研究的发展趋势，再具体到本次设计针对的任务要求，明确了设计任务的主要内容。11 机电一体化技术简介“机电一体化”源于“Mechatronic”,是一个新兴的边缘学科，国内外都处于发展阶段，她代表着机械工业技术革命的前沿方向。她是当代科学技术发展最为活跃的领域之一。机电一体化是综合应用机械技术、微电子技术、信息技术、自动控制技术、传感测试技术、电力电子技术、接口技术及软件编程技术等，根据系统功能目标和优化组织结构目标，以智力、动力、结构、运动、和感知组成要素为基础，对各组成要素及其间的信息处理、接口耦合、运动传递、物质运动、能量变换机理进行研究，使得整个系统有机结合与综合集成，并在系统程序和微电子电路有序信息流控制之下，形成物质和能量的有规则运动，在高功能、高精度、高可靠性、低能耗意义上实现各种技术功能组合以得到最佳功能价值的系统工程技术。机电一体化技术的产生与发展的根本原因在于社会的发展和科学技术的进步，系统工程、控制工程和信息论是机电一体化的理论基础，是机电一体化技术的方法论。半导体大规模集成电路制造技术的进步则为机电一体化奠定了物质基础，机电一体化技术的研究与应用融合于学科交叉。机电一体化依赖于相关技术的发展，同时也促进了相关技术的发展。目前世界上普遍认为机电一体化可以分为两大类：生产过程机电一体化和机电产品一体化。机电产品的机电一体化是机电一体化的核心，是生产过程机电一体化的物质基础。传统的产品加上微机控制即可转变为新一代的产品，而新产品较之旧产品具有功能强、性能好、密度高、体积小、重量轻、更可靠、更方便、经济效益显著等优点。机电一体化产品小到儿童玩具、家用电器、办公设备，大到数控机床、机器人、自动化生产线、航空航天器，因此，可以说机电一体化技术几乎涉及到社会的各个方面。其中，生产过程的机电一体化包括产品设计、加工、装配、检测的自动化，生产过程自动化，经营管理自动化等。当传统机电产品引入电子技术、计算机技术和自动控制技术时，就形成所谓的新一代机电一体化产品。典型的机电一体化产品体现了机械技术、电子技术、计算机技术等的有机结合，几种多种高新技术，并把多种功能集成在一起，在市场上具有极强的竞争能力。机电一体化是机械、微电子、控制、计算机、信息处理等多学科的交叉融合，起发展和进步有赖于相关技术的进步与发展。其主要发展方向为数字化、智能化、模块化、网络化、人性化、微型化、集成化、带源化和绿色化。机电产品高性能一般包含高速、高精度、高效率和高可靠性，人工智能在机电一体化技术中的研究日益得到重视，机器人与数控机床的智能化就是机电一体化技术的重要应用。1.2智能巡线机器人的概况智能巡线机器人的产生已有20多年的历史，它被人们关注于机器人赛事。现在各种机器人赛事，范围普及世界。截止到2000年共有20余项公认的机器人赛事，如机器人足球世界杯比赛、微机器人世界杯锦标赛、日本相扑机器人大赛、机器鼠比赛等。这些机器人赛事有些就是巡线机器人。把比赛的寻线机器人和玩具机器人进行一定的改进，使它具有一定的承载能力，能够被运用于工业的机器人。1.3 课题的主要内容针对机器人的巡线特征，设计出能够自动巡线的智能巡线机器人，内容包括机器人机械外形的设计、传感器设计、驱动电路设计、智能巡线的控制设计。具体工作是：1、 根据一定要求设计出机器人的机械结构。该机器人可以用于不同场合的循迹，但是必须是引导线的颜色与地面的颜色成鲜明对比。由于考虑到传感器的使用比较多，所以该次设计的机器人主要是用于10cm50cm宽的引导线循迹。2、选择辨色传感器，必须可靠地识别出浅色引导线和深色地板。传感器是机器人的眼睛，需要选择几种效果很好的传感器，通过比较，择优选择当前条件下最好的传感器，才能给机器人一双明亮的眼睛。辨色传感器需要识别浅色引导线和深色地板，能够很好将检测到的高低电平传送给控制系统。3、传感器的布局策略制定。在布置传感器的过程中，需要考虑到机器人底盘的外形和驱动方法，充分考虑到机器人在行进时可能遇到的各种情况，在调整过程中是否可能会让所有传感器偏离出检测物体，使得巡线失败。要考虑机器人直走和转弯等状态可能产生的各种情况。4、选择合适的电机。由于是载重机器人，电机不仅要有足够大的力矩驱动机器人动作，速度也要快。5、选择驱动芯片。芯片要求能够同时驱动两台电机，且能够实现速度控制。6、选择适合本次设计的单片机型号，设计制作性能良好的主控制板。选型是根据单片机输入量的个数和输出量的个数，还要合理留出备用端口方便扩展使用。输入量除了用于巡线的光电传感器信号以外，还包括用超声波传感器检测有无障碍物和是否到达目的地；输出量主要是所有电机需要提供的控制信号的个数。除了端口选择的要求外，还应该满足单片机的运行速度较高，处理信息及时稳定，友好的开发环境，易于在市场上购得等条件。采用主-从式控制或是单-单片机控制都需要在试验中验证可靠性和简易性。7、设计稳定准确快速的巡线方法。这是本设计的关键技术问题，在传感器检测机器人所在位置的基础上，制定稳定、快速的行进方法。第2章 智能巡线机器人总体方案设计完整的机器人系统就是一个移动的测控系统，包括检测部分、控制部分以及相应的驱动部分。这几个部分是彼此相互关联的，检测部分根据机械结构选择合理的检测手段，驱动部分根据任务要求和机械结构设计相应的驱动电路，控制部分则需从机械结构、检测手段、驱动方法综合考虑。21 机器人要素分析智能巡线机器人装备包含以下几个要素：机械机构、动力与驱动单元、执行机构、传感测试单元以及信息处理与控制单元五个部分。这五个基本组成要素可以与人体的五大要素进行对比，如图2-1所示。图2-1 机器人设备与人体五大要素比较图机械机构的作用类似于人体的骨骼。包括工作模块以及装备所有功能元素的机械支持结构以及机身、框架、连接等。机械机构要在结构、材料、加工工艺性以及几何尺寸等方面可靠、小型、轻量、美观等要求。传感与测试单元的作用相当于人体的五官，对装备本身和外界环境的各种参数及状态进行检测，并将其变换成可识别信号，传输到信息处理单元。它由各种类型的传感器和信号处理电路或测试仪表构成。传感器与测试单元的主要问题在于提高可靠性、灵敏度和精密度。而提高可靠性的关键在于提高抗干扰能力。传感器包括光电传感器（巡线和计数）、超声波传感器（检测是否到达目标和有无障碍物）。执行机构相当于人体的手和足。它根据控制单元的指令，快速高精度地完成要求的动作。目前常用的执行机构是电磁式、液压式和气动式机构。此外，还有一些新型的执行机构如超声波驱动器、形状记忆合金驱动器等。执行机构需要根据机器人装备的匹配性要求，考虑改善性能，如何提高精度和快速性，减轻重量，实现组件化、标准化和系列化，提高系统整体的可靠性。动力和驱动单元相当于人体的内脏或肌肉。它在控制单元作用下，提供动力驱动和各种执行机构完成要求的动作和功能。机器人装备一方面要求驱动的高效率和快速反应特性，同时要求对水、油、温度、尘埃等外部环境的适应性和可靠性。智能巡线机器人的动力单元包括步进和直流电机。信息处理与控制单元相当于人体中的头脑。将来自传感器与测试单元的检测信息和外部输入命令进行集中、存贮、分析、加工，根据信息处理结果和预设的控制算法，发出相应的指令控制整个系统有目的地运行。一般由计算机、可编程控制器（PLC）和计算机外部设备等组成。机器人系统对控制和信息处理单元的基本要求是：提高信息处理速度，提高可靠性，增强抗干扰能力以及完善系统自我诊断功能，实现信息处理智能化和小型、轻量、标准化等。22 机器人总体分析221 场地分析智能巡线机器人是在针对特定的场地，找到适合自身机械特点的定位方法，通过不断调整到达目标，最终完成设定的任务。如何采用简洁、快速、稳定的控制方法和检测设备是机器人的关键。它是在深色地板上放置白色引导线，特点是地面必须与引导线呈鲜明对比。机器人通过传感器循迹，实时反映巡线信息直到CPU发出中断请求停止循迹。一般的工厂不可能绝对无障碍物，为了避免机器人碰撞损伤，机器人需具有蔽障能力和终点停止的功能。222 机械结构分析智能巡线机器人是用于运送货物，它的承载能力为150kg。将机器人设计为小车形式，这样运送货物就更加的方便。为满足运动的准确性，避免在转弯的时候因惯性而偏出路线导致巡线失败，所以机器人的自身重量 F2 时,驱动轮才不至于打滑或空转。初定驱动机构双轮承受重力的60%，两个万向轮承受其余的40%，取驱动轮轮胎与地面间的摩擦系数=0.02，驱动轮直径=15cm,支撑轮直径D2=4cm.单个驱动轮承受的正压力： （5.4）单个支撑轮承受的正压力： （5.5）单个驱动轮克服的摩擦力： （5.6）单个支撑轮承受的摩擦力： （5.7）在一定的转矩作用下驱动轮克服摩擦力，则转向轮处于从动状态。而在转弯的状态下，一个驱动轮将推动两个万向轮运动，从而在这种要考虑两个驱动轮的摩擦阻力。机器人在运动时承受的最大阻力： （5.8）机器人驱动所需的电机的功率： （5.9）PnomP，故所选电机满足要求。52 直流电机的转动方向控制驱动系统是机器人的手和脚，即运动机构和执行机构的基本组成部分，它的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操作。通常机器人驱动有电气、液压、气压三种方式。本设计采用电气驱动直流电机。将直流电机与直流电源或电池连接就可以实现转动。不过作为机器人的动力使用时，必须对电机进行转动的开关（ON/OFF）和转动方向等控制。使直流电机转动，必须将它与电池等直流电源连接，如图5-3所示。图5-3直流电机与电源的连接以恒定的速度转动时DC电机的等效电路如图5-4。这里，R0是转子线圈的电阻，E0表示转子线圈在定子磁场中转动时产生的反电动势。图5-4 DC电机的等效电路 若用公式表示，则有V=RaIa+Ec(V)。这里忽略了电刷与整流子之间的接触电压。 通常采用半导体或继电器来驱动直流电机。继电器电路比较简单，缺点是由于利用机械触点，所以易产生噪声，反应速度也比较慢。半导体主要是受温度变化影响很大，不易控制输出电压值。常用的晶体管一般都是大功率型的，分为以下几种方式：（a）集电极驱动 （b）发射极驱动 （c）大功率MOSFET图5-5直流电机驱动电路图5-5（a）是常用的电路，三极管的集电极与直流电机连接，改变基极的电压可以控制与集电极的电机的电流。由于驱动力大，所以这种方式可用于电机的开关（ON/OFF）控制。图5-5（b）把三极管的发射极与直流电机连接，改变基极电压可以控制与发射极连接的电机的电压。由于三极管起到可变电阻的作用，所以它会造成电压降并损耗一定的电能。在低速工作的场合，电压降较大，导致电能的使用效率下降，所以常用于速度控制。图5-5（c）与图5-5（a）相似，但是改用大功率MOSFET。大功率MOSFET是电压驱动元件，仅仅施加门电压即可动作，因此电路简单，可在高速下工作。此外，此类元件工作的热特性稳定，最近使用得越来越多。不过上面介绍的电路只能使电机沿一个固定的方向转动，不大符合机器人的实际要求，因为它不仅需要前进，也需要后退。这时，可以改成5-6所示的桥式驱动电路。该电路可实现电机的正转、反转。在图5-6中开关可以采用三极管或FET。（a）正转 （b） 反转图5-6桥式电路的动作原理（1）图5-7借助对角线方向的一对开关的开闭组合来控制电机的转向，而图5-7（a）表示还能利用开关的开闭实现电机的制动功能。其原理是由于电机线圈两端处于短路状态，当外力企图使电机转动时，产生的反电动势将起到制动的作用。（a）制动 （b）短路图5-7桥式电路的动作原理（2）可是，在桥式电路中，当同侧开关处于图5-7（b）所示的闭合状态时，电源实际上将被短路，电路中将出现过大的电流。这时，原来担负开关的任务的三极管或FET将被损坏，因此必须注意避免这种情况的发生。53 直流电机的速度控制用开关（ON/OFF）控制直流电机，只能控制起转动或停止。实际应用的场合，根据任务的要求，需要控制直流电机的速度。两种典型的控制电机速度的方法是改变施加在电机上的电压以及PWM（脉宽调制）。第一种方法，如果使用的使三极管，那么控制电路（发射极 跟踪电路）基本上与电机的开关控制差不多（参加图5-8）。与控制电压相比，施加在电机上的端电压仅仅低出（三极管基极与发射极之间的电压降）。由于基本上不变，所以化也就是的变化。图5-8改变电压实现速度控制图5-8的电路中，电源电压在三极管的集电极和发射极之间产生电压降，会造成集电极发热加剧，因此需要对三极管采取散热措施。特别地，在低电压、低速转动区段，三极管中的电压降低很大，电源效率会显著降低。第二种方法，即PWM控制就是给DC电机输入高速的开关脉冲信号，通过改变脉冲信号开关的比例，达到速度控制的效果，如图5-10所示。图5-10 基于PWM的速度控制施加给电机的电压呈图6-8所示的脉冲波形，它的占空比，即信号中ON和OFF的比例也是可以改变的。图5-11 PWM控制采用的波形简单的解释是，由于在ON的时间内施加电压，OFF的时间内切断电压，因此电机的转动将是断续的。不过在脉冲波形的OFF区段，电机线圈内部存储的能量能够产生沿续流二极管流动的电压（参见图5-10），因此得以继续维持转动。由此可见，脉冲波形的比例（占空比）和储存在电线圈中的能量，以及二极管释放的能量三者均可以任意改变，这个作用与上面改变电压的方法类似，同样能实现速度控制。实际上，为了使电机能平稳地工作，脉冲的重复周期应该具有相当程度的快速性。PWM控制的基本电路与ON/OFF控制相同，电路构成也很简单。施加在电机上的PWM信号一般为几千赫至几十千赫。在电机的PWM速度控制方法中还可以区分若干种方法，如将脉冲发生电路与电机驱动电路组合、PWM控制专用芯片的硬件控制、以及借助软件产生脉冲等等。54基于L298N的驱动电路图5-12是专用的电机驱动芯片L298N，如果选用这样的驱动芯片，电路设计就变得非常简单了。图5-12电机驱动芯片L298N图5-13 L298N的管脚功能分布L298N的操作电压可以高到46V，最大电流可达到4A，有温度过载保护，即使输入电压在1.5V，也可认为是逻辑“0”。L298N有15个管脚的集成电路，有直插和贴片两种封装。双通道全桥驱动设计可以获取标准TTL逻辑电压并可驱动电磁感应负载例如继电器、螺线管、直流和步进电机。它的两个使能端可以控制芯片与外部输入信号的通断。L298N是可独立控制两路电机。L298N的逻辑如下图所示：图5-14 L298N的逻辑原理图正是由于L298N每一路都有单独的使能控制端，就将外部输入的PWM信号加在使能端上，就可以很方便的控制电机供电了。图5-15 采用L298N驱动电机电路图L298N的5（INA1）和7（INA2）脚控制电机的转向，PWM_1是供电使能端，采用PWM控制输出电压的有效值，即控制电机转速。见图5-14 L298N的逻辑原理图和图5-15采用L298N驱动电机电路图，原理如下：在PMW_1=1的前提下：若INA1=1，INA2=0则OUTA1=VS，OUTA2=0，电机两端有相对电势差产生转动（假设正转）；若INA1=0，INA2=1则OUTA1=0，OUTA2=VS，电机两端有相对电势差产生转动，较上一次输入反转； 若INA1=0，INA2=0则OUTA1=0，OUTA2=0，电机两端均为0，电机不转动；若INA1=1，INA2=1则OUTA1=VS，OUTA2=VS，虽然电机两端都有正向电压，但是电势差为0，所以不转动。在PMW_1=0时，所有输出均为0，电机不转动。同理，对于另一个通道也是一个道理。在输出端加上大功率续流二极管，可以使电机线圈内部储存的能量维持起继续转动。这样，一片L298N刚好可以控制两路电机的起停和转速，就直接可以将其用于控制机器人底盘的后排两个驱动轮。通过单片机向驱动电路输入控制信号继而控制驱动轮的起停和转速，便可以控制机器人的速度、方向了。如果不需要控制电机转速，则可以将PWM控制口直接接在+5V，减少对单片机端口的需求。 学院毕业设计 第57页第6章 智能巡线机器人姿态调整方法为了使机器人的巡线更加准确，针对特定场地的情况下，采用适合机器人自身机械特性的算法让机器人实现准确行走定位是关键。 下面，首先根据机器人的机械特性，分析了通过直流电机的起或停控制机器人调整的可能性，然后把传感器监测到的机器人底盘与引导线的相对位置划分为典型的7种状态，做出相应调整方法。最后改进了这种一动一停的校正方法，提出了一个新方法，用PWM控制左右电机的转速产生速度差，由于左右驱动轮的速度差值小了，因此可使机器人在调整过程中减轻晃动，并使行走加快。6.1 总体分析根据机器人的机械特征，分析了通过直流电机的起或停控制机器人调整的可能性，然后把传感器检测到的机器人底盘与引导线的相对位置划分为典型的7种状态，做出相应的调整策略。改进了一停一动的校正方法，提出了一个新方法，用PWM控制左右电机的转速产生速度差（图6-1），由于左右驱动轮的速度差值小了，因此可使机器人在调整的过程中减轻晃动，并使行走加快。机器人底盘长700 mm，宽850 mm。如图6-2所示，后排左右轮是两个独立的由直流电机驱动的轮子，前排放置两个万向轮。直流电机空载力矩大，可以很好地控制所驱动的轮子起或停，万向轮在任何方向都可以实现运动，因此整个机器人的行走方向是依靠后排两个驱动轮的起动或者停止来改变的。图6-1 巡线原理图由于底盘安装精度和后排左右驱动轮子之间的转动速度不可能完全一致，因此即使驱动板向左右驱动电机输出功率相同，也会使机器人的中心线偏离引导线。如图6-2所示，机器人通过后排左右轮起或停从而调整底盘姿态，目的是保持底盘中心线与白色引导线重合，从而让机器人沿着引导线行进到达目的地。所采用的传感器是自制的光电传感器，当检测到的颜色是路面底色（深色）时向单片机输出高电平；当检测到的颜色是引导线颜色（白色）时向单片机输出低电平。这些向单片机输入的高低电平实际是底盘与引导线的相对位置的表征量，单片机根据这些表征量来做出调整输出，通过电机驱动板控制直流电机的起或停。机器人的底盘整体较大，所以布置在底盘的传感器应尽量多，这样可以检测到底盘的多个位置，做出相应位置的快速响应。如图6-2所示传感器布置方法，传感器18个用于机器人姿态定位。前后两排传感器分别居于前后轮的中心线上。在这种排布方式下，某排传感器检测到水平白色引导线时，对应该排的轮中心刚好在白色引导线上，可方便转弯和在交叉引导线处及时调整。每排每两个传感器的间距为30mm。对其标号。图6-2 传感器布局图（、是转动轮中心）6.2 姿态分析根据18路传感器各自所在位置与引导线的相对关系表征量，可以确定此时底盘与引导线的偏移情况。通过不同的优先级处理这些状态量校正底盘的偏移。核心思想是让底盘中心线上的传感