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毕业设计论文
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基于步进电机驱动的越障车设计,毕业设计论文
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- 1 - 目 录 摘 要 ABSTRACT 第 1 章 绪论 6 1.1 移动机器人发展概述 6 1.1.1 国内移动机器人发展概况 6 1.1.2 国外移动机器人发展概况 6 1.1.3 移动机器人发展中的关键技术 9 1.1.4 移 动 机 器 人 的 发 展 趋势 10 1.2 课 题 来 源 及 简介 11 1.2.1 本课题研究的主要内容 11 1.2.2 本 课 题 的 意 义 和 解 决 手段 12 1.3 本章小结 12 第 2 章 系 统 总 体 方 案 设计 13 2.1 系 统 概 述 及 设 计 思想 13 2.2 机械本体方案设计 13 2.2.1 主 传 动 机 构 的 选择 14 2.2.2 机 器 人 移 动 方 式 的 选择 14 2.2.3 越 障 机 构 的 设计 15 2.3 控制部分方案设计 17 nts - 2 - 2.3.1 控 制 器 的 选择 17 2.3.2 单 片 机 的 选型 17 2.3.3 控 制 系 统 功 能 划分 18 2.3.4 超声波传感器的选型 18 2.3.5 无线通信模块的选型 19 2.4 本章小结 19 第 3 章 机 械 部 分 设计 20 3.1 步 进 电 机 的 选型 20 3.1.1 步 进 电 机 的 选型 21 3.1.2 L 型 连 接 块 设计 21 3.1.3 键的选择及强度校核 21 3.2 带传动设计 22 3.3 车轮的设计 24 3.3.1 前 车 轮 的 驱 动 方式 24 3 3 2 螺 栓 组 的 设计 26 3.4 弹簧的设计 26 3.4.1 弹 簧 刚 度 K 的计算 27 3.5 本章小结 28 第 4 章 硬 件 电 路 设计 29 4.1 总 体 方 案 设 计 及 功 能 划nts - 3 - 分 29 4.2 AT89C51 简介 29 4.2.1 AT89C51 的 功 能 特 点 及 引 脚 说明 29 4.2.2 时 钟 电 路 设计 31 4.2.3 复 位 电 路 设计 32 4.3 步 进 电 机 的 控制 33 4.3.1 步 进 电 机 简介 33 4.3.2 步进电机的工作原理 33 4.3.3 步进电机的控制电路 34 4.3.4 脉冲分配器 35 4.3.5 功 率 放 大 电路 36 4.3.6 单 稳 延 时 电路 38 4.4 555 定时器 39 4.4.1 555集成定时器介绍 40 4.4.2 机 器 人 速 度 的 调 节 和 转 弯 的 控制 42 4.5 超声波传感器控制电路 43 4.5.1 压 电 式 超 声 波 传 感 器 的 工 作 原理 43 4 5 2 超 声 波 传 感 器 的 驱 动 电路 44 4.5.3 LM567内部结构及工作原理 45 4 5 4 超声波接 收回路参数的计算 46 4 6 无 线 收 发 模 块 的 控 制 电 路 设nts - 4 - 计 46 4.6.1 PTR2000 模块简介 46 4 6 2 无 线 通 信 电 路 设计 49 4 7 二 极 管 、 三 极 管 的 选型 49 4 8 电路原理图及 PCB板绘制 50 4.9 本章小结 51 结 论 52 参考文献 54 nts - 5 - 摘 要 本文介绍了一款具有前进、后退、转弯及障碍物探测等功能的六轮机器人。它由前车体和后车体组成。 通过 步进电机驱动，采用轮履结合的方式行走。具体来讲，本论文的研究主要有以下几个方面：首先，对机械本体进行设计，特别是越障结构的设计，然后在 SOLIDWORKS 软件下进行实体的三维造型；其次，对硬件电路进行设计，主要包括无线通信电路、超声波传感器驱动电路、步进电机驱动电路的设计，再进行元器件的选型、参数的计算；最后，绘制总体原理图和PCB(Printed Circuit Board，印刷电路板 )。所设计的机器人有两种工作状态：人工遥控状态和自动驾驶状态。在人工遥控状态下，机器人能根据遥控器的指令完成所要求的动作。 在自动驾驶过程中能探测前方障碍物的大致高度，从而实现避障或越障的动作。总体来说，所设计的机器人具备一定的智能。 关键词：步进电机；六轮机器人；超声波；无线通信 nts - 6 - ABSTRACT A six-wheeled mobile robot which can implement advancing, backing off, turning and obstacles-detecting is introduced in this paper. It is composed by the front car body and the latter car body. This mobile robot is driven by step-motor, traveled by wheel-petrial. The research in this paper mainly has following aspects: first, the design of the mechanical, specially the design of obstacle crossing structure, then carries on the three dimensional modeling under the SOLIDWORKS software; next, carries on the design to the hardware circuit which mainly includes the wireless communication circuit, the diving circuit of ultrasonic sensor and the driving circuit of step-motor; then chooses the electronics, calculates the parameter; finally, carries on the design of schematic diagram and PCB (Printed Circuit Board). The robot designed in this paper has two kind of working operation: manual remote control condition and self-piloting condition. Under the manual remote control condition, it can perform the requested movement according to orders discharged by remote controller. Under self-piloting condition, it can detect the approximate altitude of obstacle and then keeping away from obstacle or crossing the obstacle. Generally speaking, the robot introduced in this paper has certain intelligence. Keywords: step-motor; six-wheeled robot; ultrasonic; wireless communication nts - 7 - 第 1 章 绪论 1.1 移动机器人发展概述 早 在 60 年代，就已经开始了关于移动机器人的研究，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、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，必须考虑导航或路径规划，对于后者，有更多的方面要考虑，如传感融合，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系统 1。进入 90 年代以来， 智能移动 机器人获得较为迅速的发展。两年前，中国智能机器人专业委员会成立时， 蔡自兴 曾说过：“无论从国际或国内的角度来看，复苏和继续发展机器人产业的一条重要途径就是开发各种智能机器人，以求提高机器人的性能，扩大其功能和应用领域，这正是从事智能机器人研究和应用的广大科技工作者施展才干的大好时机 2。” 对移动机器人的研究，提出了许多新的或挑战性的理论与工程技术课题，引起越来越多的专家学者和工程技术人员的兴趣，更由于它在军事侦察、扫雷排险、防核化污染等危险与恶劣环境以及民用中的物料搬运上具有广阔的应用前景，使得对它的研究在世界各国受到普遍关注。 1.1.1 国内移动机器人发展 概况 国内在移 动机器人的研究起步较晚 ,大多数研究尚处于某个单项研究阶段 ,主要的研究工作有 3: nts - 8 - 清华大学智能移动机器人于 1994 年通过鉴定。涉及到五个方面的关键技术：基于地图的全局路径规划技术研究 (准结构道路网环境下的全局路径规划、具有障碍物越野环境下的全局路径规划、自然地形环境下的全局路径规划 )；基于传感器信息的局部路径规划技术研究 (基于多种传感器信息的“感知一动作”行为、基于环境势场法的“感知一动作”行为、基于模糊控制的局部路径规划与导航控制 )；路径规划的仿真技术研究 (基于地图的全局路径规划系统的仿真模拟、室外 移动机器人规划系统的仿真模拟、室内移动机器人局部路径规划系统的仿真模拟 )；传感技术、信息融合技术研究 (差分全球卫星定位系统、磁罗盘和光码盘定位系统、超声测距系统、视觉处理技术、信息融合技术 )；智能移动机器人的设计和实现 (智能移动机器人 THMR III 的体系结构、高效快速的数据传输技术、自动驾驶系统 )。 2001 年，清华大学推出了月球车概念。 2004 年，计算机系开始研发 6 轮式探测车。 图 1-1 清华大学研制的移动机器人 香港城市大学智能设计、自动化及制造研究中心的自动导航车和服务机器人。 中国科学院沈阳自动化研究所的 AGV 和防爆机器人。 中国科学院自动化所自行设计、制造的全方位移动式机器人视觉导航系统。 哈尔滨工业大学于 1996 年研制成功导游机器人。 哈工大目前已经研制出“ 远征 ” 一号深空探测器以及 3种月球探测车。其中的六轮摇臂转向式设计是仿造美国 JPL/NASA 的产品 Sojourner（索杰纳）。另外一种两轮并列式月球车则是哈工大自行研制的 4, 5。 nts - 9 - 图 1-2 哈工大研制的月球车模型 1.1.2 国外移动机器人发展概况 美国国家科学委员会曾预言：“ 20 世纪的核心武器是坦克， 21世纪的核心武器是无人作战系统，其中 2000 年以后遥控地面无人作战系统将连续装备部队 ,并走向战场 6, 7。”为此，从 80 年代开始，美国国防高级研究计划局 (DARPA)专门立项，制定了地面无人作战平台的战略计划 8, 9, 10。从此，在全世界掀开了全面研究室外移动机器人的序幕，如 DARPA 的战略计算机。计划中的自主地面车辆 (ALV)计划 (1983 1990)，能源部制订的为期 10 年的机器人和智能系统计划(RIPS)(1986 1995)，以及后来的空间机器人计划；日 本通产省组织的极限环境下作业的机器人计划；欧洲尤里卡中的机器人计划等。 初期的研究，主要从学术角度研究室外机器人的体系结构和信息处理，并建立实验系统进行验证。虽然由于 80 年代对机器人的智能行为期望过高，导致室外机器人的研究未达到预期的效果，但却带动了相关技术的发展，为探讨人类研制智能机器人的途径积累了经验，同时，也推动了其它国家对移动机器人的研究与开发。进入 90 年代，随着技术的进步，移动机器人开始在更现实的基础上，开拓各个应用领域，向实用化进军 11。 由美国 NASA 资助研制的“丹蒂 II”八足行走机器 人，是一个能提供对高移动性机器人运动的了解和远程机器人探险的行走机器人。它与其他机器人，如NavLab，不同之处是它于 1994 年在斯珀火山的火山口中进行了成功的演示，虽然在返回时，在一陡峭的、泥泞的路上，失去了稳定性，倒向了一边，但作为指定的探险任务早己完成 。 其它机器人在整个运动过程中，都需要人参与或支持。nts - 10 - 丹蒂计划的主要目标是为实现在充满碎片的月球或其它星球的表面进行探索而提供一种机器人解决方案。 美国 NASA 研制的火星探测机器人索杰那于 1997年登上火星，这一事件向全世界进行了报道。为了在火星上进行长 距离探险，又开始了新一代样机的研制，命名为 Rocky7，并在 Lavic 湖的岩溶流上和干枯的湖床上进行了成功的实验。 德国研制了一种轮椅机器人，并在乌尔姆市中心车站的客流高峰期的环境和1998 年汉诺威工业商品博览会的展览大厅环境中进行了实地现场表演。该轮椅机器人在公共场所拥挤的、有大量乘客的环境中，进行了超过 36 个小时的考验，所表现出的性能是其它现存的轮椅机器人或移动机器人所不可比的。这种轮椅机器人是在一个商业轮椅的基础上实现的。 国外还研制了一种独轮机器人，它与具有静态稳定性的多轮移动机器人相比，具有 很好的动态稳定性，对姿态干扰的不敏感性 ,高可操作性 ,低的滚动阻力，跌倒的恢复能力和水陆两用性。这是运动性的一种新概念。 1.1.3 移动机器人发展中的关键技术 移动机器人是一个组成结构非常复杂的系统，它不仅具有加速、减速、前进、后退以及转弯等常规的汽车功能，而且还具有任务分析、路径规划、路径跟踪、信息感知、自主决策等类似人类智能行为的人工智能。 因此，按其功能划分，移动机器人可以看作是由机械装置、行为控制器、知识库及传感器系统组成的相互联系、相互作用的复杂动态系统。移动机器人的研究涉及机械、控制、传感器、人工智能等技术，但主要集中在若干关键技术的研究与突破。这些关键技术主要包括机器人控制体系结构、路径规划与车体控制技术、车体的定位系统、机器人视觉信息的实时处理技术以及多传感器信息的集成与融合等 12, 13。 (1) 机器人控制体系结构 移动机器人控制体系结构是实施控制的策略与方法。目前采用的体系结构主要有功能式 (水平式 )结构和行为式 (垂直式 )结构以及混合式结构。 nts - 11 - a)功能 式 控制结构 b)行为式控制结构 图 1-3 智能移 动机器人的控制体系结构 (2)路径规划与车体控制技术 车体控制是移动机器人的根本目的与核心技术，而路径规划是移动机器人导航与控制的基础。移动机器人的行为控制系统必须根据给定的任务和变化的环境实施对车体的控制。目前研究的内容主要集中在车体模型和车体控制算法。常用的控制算法有最优控制算法、 PID路径跟踪算法、预瞄控制算贩、预测控制算法、模糊控制算法和神经网络控制算法等等。实际控制时，通常是采用多种算法综合，以达到最佳控制效果。 (3)车体的定位系统 移动机器人的准确定位是保证其正确完成导航、控制任务的关键之一。 目前移动机器人常用的定位方法有 GPS、光码盘、惯性陀螺、磁罗盘、路标匹配、广义路标匹配等。上述每一种方法均各有优点及局限性，因而移动机器人实际采用几种方法结合使用，以充分发挥各自优点而避免各自的缺陷，从而提高定位系统的精度和可靠性。如清华机器人 THMR2V 采用了 GPS、光码盘和磁罗盘等定位技术，在进行局部路径规划和导航时，以光码盘和磁罗盘定位为主；在全局路径规划和导航时，利用 GPS 定位对光码盘 2磁罗盘定位所产生的累积误差进行修正，从而保证了 THMR2V 的定位系统精度和可靠性。 (4)机器人视觉信息的实 时处理技术 视觉信息的处理技术是移动机器人研究中最关键的技术之一。 目前视觉信息处理的内容主要包括：视觉信息的压缩和滤波、道路检测和障碍物检测、特定交通道路标志的识别、三维信息感知与处理。其中道路检测和障碍物检测是视觉信息处理中最重要的过程，也是最困难的过程。视觉信息的获取是局部路径规划和导航的基础，道路检测的成功与否决定了机器人能否正确识别当前的道路环境，能否正确作出局部路径规划并执行路径跟踪。 (5)多传感器信息的集成与融合 室外移动机器人在行驶时，必须持续不断地感知周围环境信息及自身状态信息，由于室外 移动机器人工作环境的复杂性、机器人自身状态的不确定性和单一传感器的局限性，只靠一种传感器难以完成对外部环境的感知。为完成在复杂、nts - 12 - 动态及不确定性环境下的自主性，机器人通常装有多种传感器。多传感器信息融合的常用方法有：加权平均、贝叶斯估计、卡尔曼滤波、 Demp ster-Shafer 证据推理、模糊推理以及人工神经网络等。 1.1.4 移动机器人的发展趋势 通过分析， 可以 看到，随着电子技术的飞速发展，机器人用传感器正走向成熟，计算机的计算能力正得到显著提高，移动机器人的关键技术得到深入而广泛的研究 ，并且部分已 经走向成熟，移动机器人领域正处于一个激动人心的时刻-正一步一步走向人们生活的各个领域。当前，移动机器人系统及其关键技术研究的趋势 14, 15, 16包括： 现场与服务机器人：继续开拓新的应用领域，研制新的机型，进行更多、更复杂、更符合实际的现场试验，积累更多的经验，吸取更多的教训，为实用化奠定坚实的基础。 高完整性机器人：机器人工作时，不仅要与周围的设备共同工作，而且要与人一同工作，所以研制高完整性的机器人，有可能使其早日实用化。 多移动机器人系统：多移动机器人系统的理论研究和工程实现已经成 为机器人学的研究热点，这也是移动机器人发展的必然趋势。 主动环境：目前制造一个完全自主的机器人是很困难的。就象人一样，需要帮助，需要借助外界的力量来完成自己的使命。因此，提出主动环境的概念，即环境能为机器人提供所需的信息。所以，研究移动机器人与环境之间的有机结合，将会使其早日走向实用。 人与机器人融合：人本身的智能，到今天也没有完全明白，机器人也就难以直接进化了。充分发挥人的智能，发展监控技术和良好的人机交互技术，甚至人机融入一体，是移动机器人走向实用的又一个途径。 智能技术：应用于移动机器人研究的各 个方面，涉及传统人工智能和新的人工智能。由于关于人的智能到目前还没有揭开它的面纱，所以，没有一个理论可以用来完全指导研究智能的实现技术。当前开发的各种智能技术，可用于不同的各个方面。今后的发展，除了继续寻找新的智能技术之外，主要是各种技术的综合运用，相互补充。移动机器人要走向人类的日常生活，必须综合运用智能技术。包括智能运动控制技术、智能规划技术、智能行为技术以及它们的学习机制。这是机器人学中的关键基础研究。 nts - 13 - 1.2 课题来源及简介 1.2.1 本课题研究的主要内容 设计一台基于步进电机驱动六轮驱动机 器人 (以下简称六轮机器人 )，要求所设计的机器人具有前进、后退、转弯及障碍物探测等功能；结构设计合理、性能可靠。具体包括： (1)查阅相关文献，制定总体设计方案； (2)机械总体设计及指定零件设计； (3)控制电路设计； (4)程序设计； (5)完成控制系统的模拟实验，分析结果，并提出改进方案； 1.2.2 本课题的意义和解决手段 毕业设计的总 体 任务是设计一 台 六轮驱动机器人，其中包括总体设计、机械系统设计和控制系统的设计。课题的类型为工程设计类，来源于生产实际题。所设计的六轮机器人，由于其具有越障的功能，它 可以作为完成某工作的一个载体，如可以用此机器人来进行行星表面探测、矿产资源探测等。 对于本课题，首先要 是 总体方案的确定，如传动方式的选择、机器人的驱动方式选择、单片机选型、系统功能划分等。对于机械部分，重点是机器人越障部分的设计。机械本体， 首先是 在 SOLIDWORKS软件下进行三维造型，然后在 AUTOCAD下完成工程图和零件图的绘制。控制部分 可以 分为硬件电路设计和软件设计。其中，电路原理图在 PROTEL99SE 软件绘制，然后生成相应的 PCB 板；软件部分在Keil uVision2下编写，调试。 1.3 本章小结 本章首先对移动机器人的发展历史、发展现状、未来的发展趋势以及移动机器人 发展 中的一些关键技术进行了较详细的 阐述 。从 以上的综述 中可以看到，尽管移动机器人所能达到的智能化水平和自主化水平还比较低，还远未达到实用化程度， 但目前所取得研究成果仍就是令人兴奋的。随着人工智能、智能控制技术和计算机技术的不断发展和前述各项关键技术的提高与突破，智能移动机器人的研究与应用呈现出广阔的美好前景。 接着 对本课题要研究的主要内容 ,课题的意义进行了说明，并简要介绍了完成本课题要采用的方法和使用到的软件。 nts - 14 - 第 2 章 系统总体 方案 设计 2.1 系统概述及设计思想 本论文中设计的机器人具有前进、后退、 障碍物探测 等基本功能。 整个 系统由 机械本体及执行器、动力装置、检测装置、控制与信息处理系统等要素组成。 要使机器人具有上述功能，机械本体要具有越障的功能。一般的四轮车只对平稳路面有很好的适应性， 为了 使机器人对不同状况的路面具有良好的适应性，系统中采用 六轮越障车。 六轮机器人 主要由四个行走轮和二个爬行轮构成，其中构成 后车体的四个 车 轮 直接由电机驱动 。当前方没有障碍物时，机器人摆起 前车体 ，以普通的四轮方式行 走； 当前方有障碍物时，先通过超声波传感器对障碍物进行探测，再由单片机对其高度 进行大致分析，根据 障碍物高度的不同，实行绕障或避障 不同的动作 。 当障碍物的高度在越障范围内时，机器人将通过协调两个摆臂，并在两个爬行轮和履带的 作用下，调整自身形态，翻越障碍物；在遇到较高障碍物时，则 控制步进电机进行转弯，绕开障碍物。越障过程见 图 2-1所示： nts - 15 - 1) 2) 3) 4) 5) 图 2-1 小车越过障碍物时的不同 姿态 越障过程具体分析如下： 1、当障碍物高度minhH时，机器人将通过行走轮直接越过障碍物。 2、当m in m a xH h H时，机器人向前行驶，两个前车轮首先接触障碍物，由于力的作用，此时伸缩缸内的弹簧被压缩，但在重力的作用下，前车轮会始终紧贴路面，中间的车轮 2会在力的作用下被悬空。此时，小车在轮 1、 3的作用下前进。 当机器人的后车体（履带）接触到障碍物时，轮 2、轮 3 被悬空，此时，在轮 1和后车体履带的作用下，机器人继续爬越障碍物。由于轮 1和履带的驱动，使得nts - 16 - 机器人最终爬上障碍物。 越障之后，延迟一断时间，机器人便恢复原状，准备继续越障。 3、当障碍物高度maxhH时，机器人无法越过障碍物，此时，通过 单片机 控制 ，使左右两 边步进电机的转速不等，机器人会 因此 而转向，使其成功绕开障碍物。如图 2-2所示： 图 2-2 机器人无法越 过障碍物时 的情况 2.2 机械本体方案设计 通过对 六轮 机器人的结构和功能的分析，系统 整体 设计 可以 分为机械系统设计、硬件控制 电路设计和软件设计三大部分。其中，机械系统设计包括机械本体及执行器，动力装置的选择与设计。硬件控制电路设计包括单片机选型、障碍物探测电路设计、无线通信电路设计等。 2.2.1 主传动机构的选择 方案 1: 采用步进电机作为动力源，前后车体通过普通 V带传动。 方案 2： 采用直流伺服电机作为动力源，前后车体通过普通 V带传动。 主传动机构方案比较： 方案 1采用的步进电机有如下特点： 输出转角与输入脉冲严格成比例，且在时间上与输入脉冲同步。 转子惯量小，启动、停止时间短， 一般在信号输入几时毫秒到十几毫秒后，就能电机达到同步转速，信号切断后电机立即停止转动。 输出转角的精度高，虽有相邻误差，但无累积误差。 可实现平滑无级调速，且调速范围相当宽。 借助控制电路，可获得正、反转动及间歇运动等特殊功能。 方案 2 采用直流伺服电机是一种使用较早，应该较广的执行元件。在性能要求较高的系统中多采用直流伺服电机。调整、控制较步进电机复杂。 主传动机构设计结论： 在本系统中，经常会对六轮 机器人 有不同动作的控制。在对速度 的大小 要求不是很高的情况下，选择响应快、体积小、启停机频率高的步进电机较为合适，nts - 17 - 而且其驱动电路也较为简单。 2.2.2 机器人移动方式的选择 目前，越障机器主要分为 为腿式、轮式和履带式移动机器人。这三种机器人各有其优缺点和特定的应用场合。 腿式移动机器人不仅能在平坦地面上而且能在崎岖的地面上步行，可以跨越沟壑、上下台阶，还可以做无滑动的完整和单向运动，并能为其上的传感器提供稳定的动态平台，因此有广泛的适应性 (Terrain adaptability)。缺点是较难实现其稳定步态规划和稳定平衡控制，运动速度 (Speed in locomotion)和能量效率 (Energy efficiency)较低，另外，腿式移动机器人一般较重，结构也更为复杂 。 轮式移动机器人自动操作简单、动作稳定，特别适合在平坦的地面上运动，有更大的运动速度和能量效率，是目前应用最多的一种机器人，但与腿式移动机器人相比轮式机器人地形适应性较差，若没有特殊机构就无法跨越高度或者爬楼梯。 图 2-5 履带式移动机器人 履带式移动机器人 其机动性能较优越，能够攀爬较高的障碍物。它对地形的适应和 越障能力比较强。缺点是其灵活性、机动性能要相对差一些。 图 2-3 腿式移动机器人 图 2-4 轮式移动机器人 nts - 18 - 表 2-1 不同移动方式的优缺点对比 移动方式 优点 缺点 腿式 地形适应能力强 速度低，效率低，控制十分复杂 轮式 高速 高效 越障能力较差 履带式 地形适应能力强，动载荷小，结构紧凑 重量大，能耗大 灵活性差 为了克服上述三种 移动方式 的缺点， 本系统中 采用轮履复合驱动。后车体采用履带系统，用来正常行走，可以适应不同的地形；前车体采用轮式，可以方便的越过障碍物。该系统综合了履带系统，轮式越障的优点，使其不仅可以具有较低的重心、较好的灵活性、机动 性能和攀爬障碍的能力，还使其可以具有较好的稳定性和动力性能。 2.2.3 越障机构的设计 在前面的叙述中，提到了采用轮履复合驱动的方式，后车体主要用来正常行走。那么，要越过障碍物，就主要靠前车体。而要越过障碍物，前车体必须要能随障碍物高度的不同，可以上下摆动。这里，就要 设计 合适的越障机 构 来完成 该动作 。 方案 1 前车体的上下 摆动通过液压缸或气压缸来实现。当探测到障碍物时，给控制部分发出 信号，再控制阀，使缸实现伸缩，这样和缸连接的前车体就会上下摆动，从而越过障碍物。 方案 2 在方案 1的基础上，不是通过液压 缸或气压缸来实现前车体的摆动，而是通过弹簧的伸缩来实现前车体的动作。 当前方有障碍物时，前车轮会受力的作用，这个力就会压缩弹簧 ， 此时，弹簧 给前车体 反作用力，使前车轮在抬升的过程中一直紧贴路面，直到越过障碍物。当越过障碍物后，由于前车体的 自 重作用，整个机器人又会回到原始的状态。 越障机构设计结论 ： 通过两种方案的对比，重点考虑系统的体积、负载能力、控制电路简单化，nts - 19 - 在路面状况不是特别恶劣的情况下，选择方案 2描述的越障机构。 2.3 控制部分方案设计 2.3.1 控制器的选择 机电一体化系统中常用的控制器的 有单片机、工控机和可编程控制器。它们都具有各自的特点： 单片机具有小巧、功耗低、控制功能强的优点，其 I/O口线多，位指令丰富，逻辑操作能力强，特别适合实时控制，主要用于智能仪器和单机的简单控制。 工控机主要用在工业环境中，可靠性和抗干扰能力强，它一般不能移动。价格比单片机高，初期投入成本高。 可编程控制器的特点： (1)可靠性高，抗干扰能力强； (2)丰富的 I/O接口模块； (3)功能强，适应面广； (4)采用模块化结构，系统构成灵活。 由于工控机体积大，不方便移动，本系统中不 便 采用。可编程控制器和单片机相比，它主 要用于大规模的工业控制现场，成本较高，考虑到系统中控制并不是很复杂，我们选用单片机系统进行控制。这样可以节省成本，使 所设计的六轮机器人 具有一定的市场价值。 2.3.2 单片机的选型 在单片机的应用中， MCS-51系列单片机已被国内科技界、工业界的用户广泛认可和采用。然而产品性能需要提高，技术需要更新，而用户更希望自己对产品的软硬件投资能得到保护。近几年一些公司推出了以 8051 为内核，特具特色而又性能卓越的新型系列单片机，如： ATMEL公司的 AT89系列， Philips公司的 80C51系列产品， ADI公司的 ADuC系列。这些公司的系列产品，其指令系统均与 MCS-51指令兼容，但硬件扩展功能更强，用途更加广泛。结合本课题的特点，综合各方面考虑，本系统中选用应用极其广泛的 AT89C51作为控制单元。 AT89C51是 美国 ATMEL公司生产的、 一种带 4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（ FPEROM Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能 CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用 ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容 。 由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器 。 2.3.3 控制系统功能划分 nts - 20 - 图 2-8 控制系统功能 结构图 图 2-8为 控制系统功能 结构图，从图中 可以看出 ， 整个 控制系统大致分为以下 三 个部分： (1)步进电机的驱动电路 该部分 电路 主要由环形分配器和功率放大电路组成。 根据所选步进电机的型号，厂家一般都会提供配套的驱动器 ，也可以选用已经做好的集成块。考虑到开发的成本，系统中自行设计步进电机的驱动器，其电路主要由 D触发器和门电路组成。 (2)超声 波传感器的驱动电路 该部分 电路 主要进行信号的处理。要使发射头发出超声波， 则需 通过单片机产生一定脉冲频率的信号来驱动；同时，要检测由障碍物反射回来的超声波，同样要 将 信号进行处理后才能送 至 单片机。 (3)实现手动控制和自动控制的无线通信模块 该部分 电路 由具有通信 功能 的模块或芯片来实现 。 当从遥控器发射不同的数据时，可以使小车实现不同的动作，如换速，转弯等。 2.3.4 超声波传感器的选型 现在 使用 的超声波传感器很多，通过对比，选用现使用较广泛的国产系列TC40-16T/R。其典型参数如表 2-2所示。 表 2-2 传感器参数 型 号 中心频率 声 压 灵敏度 方向角 静电容量 工作温度 TC40-16T/R 40 1KHZ 114dB -68dB 60 2500PF -20 70 nts - 21 - 2.3.5 无线通信模块的选型 现在 使用的无线收发模块种类很多，由于无线模块负责 遥控器 与单片机之间的通 信 ，因此采用数字式收发模块比较方便。这种 类型的收发模块有发送跟接收分开的，如普通的 315MHZ 的无线收发模块，这种模块采用 ASK 调制方式，接收模块分超再生和超外差方式，接收模块本身不带解码集成电路，因此接收电路仅是一种组件，只有应用在具体电路中进行二次开发才能发挥应有的作用。 也 有收发一体化的，如基于 nRF401芯片的 PTR2000、 FB230等，这种模块在内部集成了高频发射、高频接收、 PLL合成、采用 FSK调制 /解调、参量放大、功率放大、频道切换等功能，因此性能较好，但价格也较高。 结合本系统的特点，选用 收发一体化的基于 nRF401芯片的 PTR2000模块。 上述各部分的具体设计见第四章硬件电路的设计。 2.4 本章小结 本章从机电一体化系统设计的观点出发，全面阐述了本系统的设计任务和具体 方案。对各个部分的设计都提出了多个方案，通过对比，确定了最终的设计方案 。对机械本体，在 SOLIDWORKS 里进行三维造型。对于控制电路，划分了功能模块， 完成了 单片机 、超声波 传感器 和无线通信模块的选型 。 第 3 章 机械部分设计 3.1 步进电机的选型 3.1.1 步进电机的选型 在第二章中已经提到，机器人由步进电机进行驱动。 根据工作情况， 可以初步将 后车体 四个 车轮的 尺寸定为 200 40。对 整车的重量 进行 估算 ，有： 221 ()4m V D d h 后 轮 (3-1) 式 中 ： D 车轮的外径， 200mmD ； d 车轮的内径， 180mmd ； h 车轮的宽度， 40mmh ； 车轮材 料（钢）的密度， 33Kg7 . 8 1 0 m ； 代入数据 计算得： 1.86m 后 轮， 实际 上 车轮的中心并不是全空的， 可以 将nts - 22 - 车 后轮 的重量大约记为 2.5m 后
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