基于超声波移动机器人的设计与分析

I摘 要机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。 本次课题研究的内容是基于超声波移动机器人的设计与分析。本文的设计内容包括：1. 机械结构设计：机器人采用两轮独立驱动的轮式结构，动力源采用直流无刷电机，减速和传动装置采用皮带传动，利用差速移动平台实现机器人的转向，选用增量式光电编码器进行对机器人速度的检测，实现机器人的定位。2. 传感器部分：使用超声波传感器作为机器人主传感器，超声波传感器位于机器人的传感器层，采用一个超声波环提高机器人测距的精度。超声波发射装置发出超声波，超声波遇到障碍物反射回来，由超声波接收器接收超声波信号，获取机器人的外部信息。3.控制系统设计：控制部分采用 AT89C51 型号单片机进行接受命令和产生驱动信号，电机的驱动部分采用 L298 控制芯片，芯片利用接受到的单片机发出的信号来控制电机的转速。超声波接收器接收到信号后，经由单片机进行分析运算，得出机器人与障碍物之间的距离，然后单片机发出信号控制电机的转速发生改变，使得移动机器人可以自主地改变行进路线，实现了机器人的避障算法。关键词：移动机器人，超声波，单片机，运动控制，避障。IIAbstractRobot is an automated machine, the difference is that this machine has some similarities with the human or biological intelligence, such as perception, planning ability, motor ability, and collaboration capabilities, is a highly flexible automated machines. The content of this research project is based on ultrasonic Mobile Robot Design and Analysis. This design includes: 1.Mechanical structure design: robots with two independently driven wheel structure, the power source using brushless DC motor, gear reducer and belt drive by using the differential steering mobile robot platform, use incremental photoelectric encoder for speed detection of robots, robot positioning. 2.Sensor parts: the robot uses ultrasonic sensors as the primary sensor, ultrasonic sensor in the robots sensor layer, using an ultrasonic distance measuring ring to improve the accuracy of the robot. Send ultrasonic ultrasonic transmitter and ultrasonic obstacle reflected back by the ultrasonic receiver receives ultrasonic signals to obtain the robots external information. 3.Control System: Control part of the model using AT89C51 microcontroller for receiving orders and generate drive signal, the motor drive control part is L298 chip, chip microcontroller using the received signals to control motor speed. Ultrasonic signal received by the receiver, the analysis by microcomputer operation, obtained the distance between the robot and obstacles, and then signal the microcontroller to change the motor control, making autonomous mobile robot can change the route of the realized robot obstacle avoidance algorithm.Keywords: Mobile Robot, ultrasound, MCU, motion control, obstacle avoidance.III目 录摘 要 .IAbstract .II前 言 .11 移动机器人概述 .21.1 机器人的研究历史 .21.2 移动机器人的意义 .41.3 移动机器人国内外发展现状 .52 超声波移动机器人设计方案的确定 .92.1 超声波移动机器人机械结构设计方案 .92.2 超声波移动机器人控制系统设计方案 .102.3 移动机器人的超声波系统设计方案 .112.4 移动机器人方案总结 .123 超声波移动机器人机械机构设计 .133.1 电动机的确定 .133.2 减速器的确定 .133.3 机器人连接方式的确定 .164 超声波移动机 器人控制系统设计 .184.1 机器人的运动学方程 .184.2 单片机控制系统 .204.3 电机驱动电路系统 .215 超声波测距算法 .235.1 超声波应用的可行性 .235.2 超声波的产生和接收 .235.3 超声波的传输特性 .255.4 超声波测距原理 .265.5 计算超声波传播时间 .275.6 测渡越时间测量法 .275.7 超声波测距误差分析 .28结 论 .30致 谢 .31参考文献 .32附录一 .33附录二 .361前 言随着机器人技术的发展，自主移动机器人以其灵活性和智能性等特点，在人们的生产生活中应用越来越广泛。自主移动机器人通过各种传感器系统感知外界环境和自身状态，在复杂的已知或未知环境中自主移动并完成相应的任务。当前机器人常用的传感器包括有超声波、红外、视觉传感器、激光、味觉传感器等等。而在多种传感器中，红外测距距离偏小，视觉传感器不能显示距离，激光和雷达测距仪造价偏高，不利于广泛的普及应用，在某些应用领域有其局限性。相比之下，超声波方法具有明显突出的优点:1）超声波的传播速度仅为光波的百万分之一，并且指向性强，能量消耗缓慢，因此可以直接测量较近目标的距离；2）超声波对色彩、光照度不敏感，可适用于识别透明、半透明及漫反射差的物体(如玻璃、抛光体)；3）超声波对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中；4）超声波传感器结构简单、体积小、费用低、信息处理简单可靠，易于小型化与集成化，并且可以进行实时控制。因此，超声波方法作为非接触检测和识别的手段，已越来越引起人们的重视。在机器人避障、导航系统、机械加工自动化装配及检测、自动测距、无损检测、超声定位、汽车倒车、工业测井、水库液位测量等方面已经有了广泛的应用。利用超声波作为定位技术是蝙蝠等一些无目视能力的生物作为防御及捕捉猎物生存的手段，也就是由生物体发射不被人们听到的超声波（20kHz 以上的机械波） ，借助空气媒质的传播，由被逮捕捉的猎物或障碍物反射回来的时间间隔长短与被反射的超声波的强弱判断猎物性质或障碍物位置的方法，超声波测距系统实际上也正是一种仿生学的应用。21 移动机器人概述1.1 机器人的研究历史早期机器人 【1】 的出现是为了实现工业自动化，而机器人被广泛的应用的也正是工业发展迅速的体现。随着人类生活水平的提高，室内机器人也逐渐地进入人们的视线，室内机器人以其体积小、灵活、自主移动等特点广泛的被人们接受，这时服务机器人大量的踊跃出现：用于医院的医疗服务机器人，用于旅游的导游机器人，用于商场的导购机器人，这些机器人的出现使得人们的生活变得更加丰富多彩。1.1.1 工业机器人的发展过程早在 1959 年，德沃尔与美国发明家约瑟夫英格伯格联手制造出第一台工业机器人。随后，成立了世界上第一家机器人制造工厂“Unimation 公司”。由于英格伯格对工业机器人的研发和宣传，他也被称为“工业机器人之父”。 1962 年到 1963 年之间，传感器的应用提高了机器人的可操作性，人们试着在机器人上安装各种各样的传感器，其中包括：1. 1961 年恩斯特采用的触觉传感器，将触觉传感器放置于机器人的机械手上，是机器人具有感知触觉的能力。2. 1962 年托莫维奇和博尼在世界上最早的“灵巧手”机器人上用到了压力传感器。3. 麦卡锡 1963 年则开始在机器人中加入视觉传感系统，并在 1965 年，帮助 MIT推出了世界上第一个带有视觉传感器，能识别并定位积木的机器人系统。4. 1965 年约翰霍普金斯大学应用物理实验室研制出 Beast 机器人。Beast 已经能通过声纳系统、光电管等装置，根据环境校正自己的位置。5.20 世纪 60 年代中期开始，美国麻省理工学院、斯坦福大学、英国爱丁堡大学等陆续成立了机器人实验室。美国兴起研究第二代带传感器、“有感觉”的机器人，并向人工智能进发。1.1.2 移动机器人的发展过程智能移动机器人 【2】 更加强调了机器人具有的移动能力，从而面临比固定式机器人更为复杂的不确定性环境，也增加了智能系统的设计复杂度。11968 年到 1972 年间，美国斯坦福国际研究所(Stanford Research Institute, SRI)研制了移动式机器人 Shakey,这是首台采用了人工智能学的移动机器人。Shakey3具备一定人工智能，能够自主进行感知、环境建模、行为规划并执行任务(如寻找木箱并将其推到指定目的位置)。它装备了电视摄像机、三角法测距仪、碰撞传感器、驱动电机以及编码器，并通过无线通讯系统由二台计算机控制。当时计算机的体积庞大，但运算速度缓慢，导致 Shakey 往往需要数小时的时间来分析环境并规划行动路径。图 1-1 shakey2.1973 年 世界上第一次机器人和小型计算机携手合作，就诞生了美国Cincinnati Milacron 公司的机器人 T3。31978 年 美国 Unimation 公司推出通用工业机器人 PUMA，这标志着工业机器人技术已经完全成熟。PUMA 至今仍然工作在工厂第一线。41984 年 英格伯格再推机器人 Helpmate，这种机器人能在医院里为病人送饭、送药、送邮件。同年，他还预言：“我要让机器人擦地板，做饭，出去帮我洗车，检查安全”。5.1998 年 丹麦乐高公司推出机器人(Mind-storms)套件，让机器人制造变得跟搭积木一样，相对简单又能任意拼装，使机器人开始走入个人世界。46.1999 年 日本索尼公司推出犬型机器人爱宝(AIBO)，当即销售一空，从此娱乐机器人成为目前机器人迈进普通家庭的途径之一。7.2002 年 美国 iRobot 公司推出了吸尘器机器人 Roomba，它能避开障碍，自动设计行进路线，还能在电量不足时，自动驶向充电座。Roomba 是目前世界上销量最大、最商业化的家用机器人。图 1-2 Roomba随着世界智能机器人脚步的快速前进，我国也加紧对智能机器人的研究，投入了大量的人力财力来提高国内智能机器人的发展，本课题正是在这种国际大背景下提出的。1.2 移动机器人的意义移动机器人技术对一个国家来说的至关重要的，它是一个国家高科技水平和工业自动化程度的重要体现，预示着一个国家生产力水平和综合国力的发展方向。一个高端的机器人涉及到的技术包括：机械加工技术、传感器技术、信息处理技术、通信技术、自动控制技术、电子技术、机器视觉以及计算机技术等等，因此完全可以说机器人技术的发展带动了整个人类社会的发展 【3】 。如今移动机器人在世界范围内有着良好的应用前景，在人类生活、军事应用、社会发展与科学研究中都有移动机器人的身影，尤其是随着人们生活水平的提高，移动5机器人已经走入了我们的生活，例如：1）在家里，服务型的室内机器人可以从事清洁卫生、园艺、垃圾处理、家庭护理与服务等作业；2）在医院，移动机器人可以从事手术、化验、助残、导盲、运输、康复及病人护理等作业；3）在商场和旅游中，导购机器人、导游机器人和表演机器人能够使得人类生活变得丰富多彩；4）在军事中，爆破，排爆机器人可以使军事行动较为安全，侦察机器人可以掌握敌军信息等 【4】 。因此智能移动机器人已经成为未来社会非常有竞争力的产业，谁可以掌握室内移动机器人的关键技术，谁就可以引领世界的潮流。所以我国对移动机器人的研究面临着很大的挑战，必须加大对机器人的开发与应用才能走在时代的前列。本文研究基于超声波的移动机器人正是考虑到超声波测距移动机器人在未来社会的发展前景。我相信随着计算机处理技术的提高、微电子技术的进步以及机器人对超声波信息处理理论与方法的逐渐完善，机器人的超声波功能将越来越强大。1.3 移动机器人国内外发展现状移动机器人在多年的生产使用中，被世界公认最具有发展潜力和使用价值，在科研界也成为了机器人研究领域的一个重要分支。1.3.1 国外机器人的发展现状移动机器人最早是在国外发展起来的，所以各项技术较为纯熟，机器人的水平也相对较高。早在上个世纪八十年代，世界各国为了大力发展机器人技术，纷纷展开了各项计划，例如：1.美国国防部 DARPA 的支助下，由 CMU， Standford 大学和 MIT 等单位开展的 ALV研究；能源部制定的为期 l0 年的机器人和智能系统计划，以及后来的空间机器人计划；2日本通产省的极限环境下作业机器人计划和人形机器人计划；3欧洲尤里卡中心的机器人计划等，都体现了国外对智能移动机器人的重视。除此之外，很多世界著名公司不惜重金，都开始投入到移动机器人的研究当中。进入九十年代后，随着技术的迅猛发展，移动机器人向实用化、系列化、智能化进军，涌现出许许多多智能移动机器人。如 CMU 的 Navlab 系列移动机器人系统；德国VamorsP 和 Caravel1e 系统；日本本田公司的 P 系列和 ASIMO 人型机器人；日本索尼6的 SDR 一 3X 人型机器人和 AIBO 娱乐型机器人等代表着移动机器人各个方面的先进研究成果。如今机器人的发展越来越迅速，世界上涌现了如日本，美国，德国等一些机器人强国，他们的研究成果标志着世界最顶端的技术。1）日本的移动机器人的发展现状 日本智能移动机器人，现阶段处于世界领先水平，例如在 2002 年 3 月公开的 HRP-2 人型机器人平台，其直立高度约有 5 英尺，重量接近 128 磅，有 30 个自由度。HRP-2 是为和人一同工作而设计，它可以和一个人合抬一块大木板，透过感应另一端由人施加的力和方向来掌握平衡；倘若跌倒亦能毫发无伤地再站起来，这是完成日常任务的一个基本能力。HRP-2 公开之后快速进入商业领域，合作开发公司之一的 Kawada 曾经出租这种机器人，作为实验室的研发平台。为鼓励更多的机器人应用开发，AIST 同东京大学联合开发了仿真和控制软件拟人化机器人开放平台（Open HRP）。2007 年 6 月产综研发表了新型的“HRP-3 Promet Mk-II”。这部机器人具备防尘功能，可在湿滑的路面行走，亦可远距离控制，或结合自主与远距控制的操作技术以扩大其作业功能，并且能在户外严苛环境中作业。未来在基础技术的稳定性及降低成本等实用化的方向继续开发。2）美国移动机器人的发展现状 美国在这一领域一直处于领先地位。美国麻省理工学院的工程师设计出一款能悬浮在海里的潜水机器人-“奥德赛号”。 “奥德赛号”是麻省理工学院西格兰实验室研发的小型人工智能潜水装置“奥德赛”系列中的最新一款。它能在最深达 6000 米的水下活动，并能停留在任何水流中，适时调整自己的位置。同时，它还能行驶到预先设定的任何目的地。“奥德赛号”不仅能简单地观察一个海底物体，还能像直升机那样，在水下负重工作。现在，利用这一装置可以造访油井、采样并带回到陆地上来。这款潜水机器人与其他类似装置最大的区别在于它能在水中垂直下沉。此外，它的速度非常快，每秒能移动约米。这一研究成果将有助于海洋学家、石油公司和海洋考古学家的工作。7图1-3 奥德赛号3）德国移动机器人的发展现状在 06 年德国世界杯上，德国政府派出了一款名为“侦探奥费罗”的反恐机器人。这款名为“侦探奥费罗”的机器人是一款游动的高智能安全机器人，可以侦测核、生物或化学武器的威胁。机器人上安装了最新的感应器，可以“嗅出”所有现今使用的战争毒气、工业毒气和放射性物质。这种机器人的灵活操作度使得人们可以及时且精确地采取措施。所以，在重大灾难事件的迅速反应和救援等方面，“侦探奥费罗”机器人能为受害者和营救人员提供更多的保护和协助。毛虫式的驱动器可以让机器人在凹凸不平的表面保持非常灵巧的运动。“机器侦探”的全部重量是 65 公斤，最长可以工作 12 小时。适应的工作温度是零下 20到60之间。它们拥有像猫头鹰一样的全方位视角，探测头可以活动 360 度，整合的 LCD和热红外摄像机让“侦探奥费罗”机器人可以在实施闯入行动之前识别潜在的违法者。而这种探测活动不会受到天气、地面情况或突发移动的影响，范围可以达到 100 米。8图 1-4 侦探奥费罗1.3.2 国内机器人发展现状我国移动机器人是从八五年开始这方面研究。同世界主要机器人大国相比，尽管我国在移动机器人的研究起步比较晚，但是发展却是很迅速。对于一些室外移动机器人的某些关键技术达到了或者接近国际先进水平。国内移动机器人主要研究成果如下：1) 清华大学的智能移动机器人 THMR-III，V 型机器人。2) 中科院沈阳自动化所的 AGV 自主车和防爆机器人。3) 香港城市大学的自动导航车及服务机器人。4) 哈尔滨工业大学的导游机器人。5) 中科院自动化所的全方位移动式机器人视觉导航系统国防科技大学的双足机器人。6) 南京理工大学，北京理工大学，浙江大学等多所院校联合研究的军用室外移动机器人。92 超声波移动机器人设计方案的确定2.1 超声波移动机器人机械结构设计方案1）动力源的选择：经过初步考虑，对于智能移动机器人的动力源本文有以下三种选择：直流电机、步进电机、三相交流电机。 采用步进电机作为该系统的驱动电机，由于步进电机转动的角度可以精确控制，所以可以实现机器人前进距离和位置的精确定位。虽然采用步进电机有诸多优点，但步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，并且力矩在较高的转速时会急剧下降，因此不适于机器人等对速度有一定要求的设计。 采用交流电机，交流电机分为同步电机与异步电机。异步电动机按照定子相数的不同分为单项异步电动机、两相异步电动机和三相异步电动机。三相异步电动机结构简单，运行可靠，成本低廉等优点，广泛应用于工农业生产中。同步电动机的主要运行方式有三种，可以作为发电机，电动机，和补偿机。同步电动机主要用来发电。作为电动机使用时可以调节功率因数，在不需要调速的情况下可以提高运行效率。作为补偿机器时，改变励磁电流可以改善电网功率因数，调节电网电压。然而交流电机必须携带电源线，这对于机器人来说不太方便并且由于机器人在行驶过程中需要对速度进行调整，而交流电机无法实现速度的变换。10 系统采用直流电机。直流电机分为直流有刷电机和直流无刷电机，直流有刷电机需要用到传统的机械换向，不耐用，容易损坏。而直流无刷电动机是以电子换向来代替传统的机械换向，性能可靠、永无磨损、故障率低，寿命比有刷电机提高了约6 倍，代表了电机的发展方向。而且直流无刷电机是以自控式运行的，所以不会象变频调速下重载启动的同步电机那样在转子上另加启动绕组，也不会在负载突变时产生振荡和失步。并且直流无刷电机属静态电机，空载电流小，还具有效率高、体积小、环保节能等众多优点。综上所述，本文选择方案一直流无刷电机作为移动机器人的驱动电机。2）减速方式的选择 在智能移动机器人中可以用到的减速方式有皮带减速和齿轮减速。 采用皮带减速。皮带轮减速的优点有：皮带轮传动能缓和载荷冲击；皮带轮传动运行平稳、低噪音、低振动；皮带轮传动的结构简单，调整方便；缺点为皮带轮传动对于皮带轮的制造和安装精度不象啮合传动严格；传动比低；皮带轮传动的两轴中心距调节范围较大，结构不紧凑。采用齿轮减速。利用齿轮进行减速的优点有：传动精确；传动效率高传动比大；输出转速恒定，无波动；缺点则为容易磨损；安装精度要求比较高。经以上考虑本文选择齿轮传动作为机器人的传动机构。3） 移动方式的选择 现在常用的机器人移动方式有轮式移动和履带式移动，两种移动方式分别用于不同的场合，轮式用于平地较多，履带多用于崎岖不平的路面。轮式移动机器人的优点是：反应速度较快，可以做半径很小的转向，控制起来比较方便，精度较高；履带式移动机器人的与轮式移动机器人相比，结构复杂、转向半径小，不易控制。本课题所研究的是室内机器人，机器人不需要到崎岖的路面上进行移动。因此，选择轮式结构作为机器人的移动方式。 移动式平台分为差分移动平台和导向驱动论轮式平台，由于本次设计方案盘选用两轮独立驱动机构，因此选择差分移动平台作为移动机器人的移动方式，即利用两个轮子转速的不同进行转向。综上所述，选用直流无刷电机作为机器人的驱动源，皮带减速作为机器人的减速方式，轮式移动作为机器人的移动方式，采用差分移动平台作为机器人转向平台。2.2 超声波移动机器人控制系统设计方案1）控制器模块的选择 机器人常用的控制模块有 PLC ，单片机。其中单片机包括有 8 位、16 位、32 位。本文假设采用可编程逻辑器 PLC 作为控制器。PLC 可以实现各种复杂的逻辑功能、11规模大、密度高、体积小、稳定性高、IO 资源丰富、易于进行功能扩展。采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模控制系统的控制核心。但本系统不需要复杂的逻辑功能，对数据的处理速度的要求也不是非常高。且从使用及经济的角度考虑本文放弃了此方案。然后假设采用 Atmel 公司的 AT89C51 单片机作为主控制器。AT89C51 是一个低功耗，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读程序存储器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准 MCS-51 指令系统及 80C51 引脚结构，芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash 存储单元，功能强大的微型计算机的可为许多嵌入式控制应用系统供给高性价比的解决方案。且此系列的单片机可以在线编程、调试，方便地实现程序的下载与整机的调试。综上所述，本文选择 Atmel 公司的 AT89C51 单片机作为智能机器人的主控制器。2）电机驱动模块选择与论证 机器人常用的电机驱动模块有电路控制和芯片控制。第一种方案，采用分立组件组成的平衡式驱动电路，这种电路可以由单片机直接对其进行操作，但由于分立组件占用的空间比较大，还要配上两个继电器，考虑到机器人的空间问题，此方案不够理想,本文决定放弃此方案。第二种方案，采用芯片控制电机，因为机器人电机内部装有皮带减速箱，考虑不需调速功能，采用市面易购的电机驱动芯片 L298 控制减速电机，该芯片是利用 TTL 电平进行控制，通过改变芯片控制端的输入电平，即可以对电机进行正转、反转和停止操作，亦能满足直流减速电机的要求，用该芯片作为电机驱动具有的操作方便、稳定性好等优点。综合以上分析与论证本文选择方案二的驱动芯片 L298 作为整个智能小车系统的电机驱动电路。3）电源模块的选择 由于本系统需要电池供电，此次设计考虑了如下集中方案为系统供电。方案 1：采用 8 节 1.5V 干电池供电，电压达到 12V，经稳压后给支流电机供电，然后将 12V 电压再次降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。但干电池电量有限，使用大量的干电池给系统调试带来很大的不便，因此，放弃了这种方案。方案 2：采用 3 节 4.2V 可充电式锂电池串联共 12.6V 给直流电机供电，经过电压变换后给支流电机供电，然后将 12V 电压再次降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。锂电池的电量比较足，并且可以充电，重复利用，因此，这种方案比较可行。但锂电池的价格过于昂贵，使用锂电池会大大超出设计的预算，因此，放弃了这种方案。方案 3：采用 12V 蓄电池为直流电机供电，将 12V 电压降压、稳压后给单片机系统12和其他芯片供电。蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能。虽然蓄电池的体积过于庞大，在小型电动车上使用极为不方便，但由于所设计的车体设计时留出了足够的空间，并且蓄电池的价格比较低。因此我们选择了此方案。综上考虑，本设计选择了方案 3 利用蓄电池作为机器人的电源模块。2.3 移动机器人的超声波系统设计方案 超声波测距系统作为智能移动机器人的感知系统在当前机器人的发展领域当中有着良好的前景和发展趋势，超声波以其易于定向发射，方向性好，强度好控制等众多优点越来越多的被用于非接触性测量当中。在国际范围内，常用的超声波定位系统有：基于天花板超声波网络的移动机器人全局定位，基于超声波塔的移动机器人全局定位，基于车载超声波发射和接受器的定位 【5】 。第一种定位方案：基于天花板超声波网络的移动机器人全局定位。 该定位方式是机器人上有俩个超声波发射器，利用在天花板上若干超声波接受器在机器人移动的过程中不断地调整机器人前进轨迹，该定位方式位置精确但需要做的准备工作量太大，比较浪费，因此放弃此方案。第二种定位方案：基于超声波塔的移动机器人全局定位。该定位方式是由两个超声波发射器和一个红外灯构成，在移动机器人的顶部固定安装两个全向超生波接收器和红外接收器。在墙壁上安装超声波灯塔，并使超声波灯塔的高度与机器人超声波接收器的高度相同。机器人前进时利用红外即计时超声波测距从而得出机器人的位置。该方案同样结构复杂，要求精度较高，成本大，因此放弃。第三种定位方案：基于车载超声波发射和接受器的定位。该方案超声波发射器和接受装置皆置于机器人上在机器人前进的时候不断通过超声波的发射和接受进行避障方便快捷节省成本。通过以上论证本文决定选用车载超声波作为机器人的定位系统 。2.4 移动机器人方案总结综上所述，移动机器人的总体方案为：选用直流无刷电机作为驱动源，利用齿轮进行传动减速，机器人采用两轮独立驱动机构，采用差分驱动平台实现机器人的转向。控制系统采用 AT89C51 单片机作为控制机构，电机驱动芯片采用 L298 进行驱动，采用蓄电池对电机进行供电。超声波系统采用车载超声波发射器进行定位避障。133 超声波移动机器人机械机构设计3.1 电动机的确定从机器人是实际运动出发考虑，机器人的速度不能太快，否则会造成控制部分来不及处理和发送信号，电机不能及时做出反应，机器人在行进的过程中不能实现避障功能，碰撞到障碍物而损坏的情况。因此，机器人的移动速度定为 V=0.6M/S。机器人因为需要负重因此最大载重量为 20KG。所以机器人电机克服摩擦力的功率：P = FV （3-1）=0.4*20*9.8*0.6=47.04W因为机器人是两轮独立驱动，所以每个电机克服摩擦的功率是 23.52W，另外考虑到启动加速、上下坡和其他自然因素，因此每个直流无刷电机的功率定位 30W。进过理论和实践证实 30W 的直流无算电机可以驱动总载重为 20KG 的机器人。进过筛选由北京精密电机控制系统有限公司生产的型号为 BL3543 的直流无刷电机最符合设计要求参数名称 参数数值输出功率 30W14额定电压 12V额定电流 4A转速 300R转矩 573N/M3.2 减速器的确定基于机器人底盘考虑，两个驱动轮的半径 R=100mm。机器人移动的速度为 0.5M/S，由此可以得出，机器人在前进的过程中轮子的角速度=V/R=300rad/min （3-2）=2n 2n所以 n R/min7.4因为电机的输出空载转速最高时 200R/min，实际负载转速为 150R/min，所以减速比 i=3 符合渐开线圆柱齿轮的传速比要求。因此齿轮小轮的转速 =150R/min （3-3）an根据传动比可得大轮转速 = （3-4）bi= 3150=50r/min与上述计算基本吻合齿轮的赤廓角查设计手册取一般值 20p齿顶高系数经查设计手册取标准值 =1*ah顶隙系数 =0.25c齿轮模数 m 在强度和结构允许的条件下，应选择较小的模数，查表选择模数为 1.75小轮齿数 在中心距一定时，应选择用较多的齿数，可以提高重合度，使传动平az稳，减少噪声，模数的减少，还可以减少齿轮重量和切削量，提高抗胶合性能，经查15阅设计手册取一般值 20。因此大轮齿数 (3-5)bzai=20*3=60所以齿数比 =3banzu轮分度圆直径 (3-6)adm=20*1.75=35mm大轮分度圆直径 (3-7) zdb*=60*1.75=105mm齿轮宽度查设计手册齿宽系数 0.6mm所以，小齿轮齿宽 54mm，大齿轮齿宽 27mm。齿轮轴为圆截面轴，对于圆截面轴，扭转强度条件为：（3-8） ndPWT362.01*59设计公式： （3-9）336.pd其中 扭转剪切应力， P 为轴传递的功率， n 为轴的转速。当截面开有键槽的时候应增大轴径 5 7%。可以用第三强度理论求出危险截面的当量应力，其强度大小为：（3-10）bee dMdT133220)(10设计公式 （3-11）31be经计算，小齿轮的最小径选择为 10mm 大齿轮轴的最小直径为 16mm16设计轴时应该注意的几个问题 【6】 ：1）要合理选择危险剖面。由于轴的各剖面的当量弯矩和直径不同，因此轴的危险剖面在当量弯矩较大或轴的直径较小处，一般选取一个或二个危险剖面核算；2）若验算轴的强度不够，则可用增大轴的直径、改用强度较高的材料或改变热处理方法等措施来提高轴的强度；若 比 小很多时，是否要减小轴的直径，应该bb1综合考虑其它因素而定。3.3 机器人连接方式的确定图 3-1 机器人连接方式机器人的下位子机构的连接方式如图 3-1 所示，电机输出轴和减速箱的输入轴之间由联轴器相连，经过减速箱齿轮减速后，由减速箱输出轴输出，与驱动轮轴以联轴器相连，驱动轮与轴之间由法兰连接固定。17图 3-2 联轴器联轴器采用普通凸缘联轴器 【7】 ，其特点主要有：一、是把原动机和工作机械的轴联接起来并传递扭矩；二、是可以适当补偿两根轴因制造、安装等因素造成的径向轴向和角向误差；三、安全联轴器当发生过载时，联轴器打滑或销子断开以保护工作机械；四、弹性联轴器还有缓冲、减振和提高轴系动态性能的作用。经设计机器人的结构显示如下图：3-3 机器人装配图 1183-4 机器人装配图 2194 超声波移动机器人控制系统设计4.1 机器人的运动学方程本文研究的双轮驱动式移动机器人是由一个移动平台和两个独立驱动的驱动轮组成的 。移动平台上有两个独立的驱动轮，该种机构组成简单，而且旋转半径可从 0 到无限大，任意设定。当旋转半径为 0 时，由于能绕本体中心旋转，所以有利于在狭窄场所改变方向。因此针对双轮驱动式移动机器人运动特点，设计出机器人的控制方法，通过控制两个驱动轮的驱动力矩，可以实现控制移动机器人沿给定的轨迹运动 【8】 。研究的双轮驱动式移动机器人的几何模型如图 4.l 所示。主要参数如下：F 一移动平台上的关键点；G 一移动平台的质心；b 一两个驱动轮之间的距离；r一驱动轮的半径；l 一点 G 与点 F 之间的距离； 一平台的转角； 一左驱动轮l的转角； 一右驱动轮的转角。r图4-1 双轮驱动式移动机器人几何模型移动平台质心的速度为 v ，它垂直于平台的轮轴，因此它在两个坐标轴上的分量分别G为：和 (4-1)cosx sinGcvy消去 得如下关系式：(4-2)0inG20点 F 与点 G 有如下位置关系：(4-3)cosGFlx(4-4)iny对(3)和(4)求导可得如下速度关系：(4-5)sinKlxGF(4-6)coyF点的速度关系可以表示为：(4-7)0ssin GFFlx平台质心的速度与驱动轮转速的关系式为：和 (4-8)brlr)(2rl可以得到矩阵表达式：(4-9) cossin2ibrlryxGF cosin2ibrlGrl因为 Jx其中 FxTylTr所以 （4-10）Jcossin2ibrlrGcosin2isbrlrGJ 定义为双轮驱动式移动机器人的矩阵(4-10)，反映双轮驱动式移动机器人关键点的速度与驱动轮的转速之间的关系，同时也反映双轮驱动式移动机器人关键点的作用力与驱动轮的驱动力之间的关系。214.2 单片机控制系统4.2.1 AT89C51 单片机AT89C51 单片机 【9】 最小系统是超声波测距仪的核心部分。它是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFlash 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，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。（1）AT80C51 的主要性能包括：1)与 MCS-51 兼容 ;2)4K 字节可编程闪烁存储器; 3)寿命：1000 写/擦循环;4)数据保留时间：10 年;5)全静态工作：0Hz-24Hz;6)三级程序存储器锁定7)128*8 位内部 RAM;8)32 可编程 I/O 线;9)两个 16 位定时器/计数器;10)5 个中断源 ;11)可编程串行通道;12)低功耗的闲置和掉电模式 ;13)片内振荡器和时钟电路 （2）AT89C51 内部分工：AT89C51 内部有 256 个字节的 RAM，地址范围是 00H-FFH，但实际提供给用户使用的只有 128 个字节（00H-7FH），另 128 个字节(80H-FFH