机电一体化与机器人技术

机电一体化与机器人技术 机电动力试验平台 第六届视觉制导机器人竞赛 机电一体化与机器人技术机电一体化与机器人技术 论论 文文 姓名 姓名 学号 学号 同组成员 同组成员 完成日期 完成日期 机电一体化与机器人技术机电动力试验平台 第六届视觉制导机器人竞赛2 目录 一 绪论 1 1 1 本课题研究的意义和目的 3 1 2 国内外研究现状 3 1 3 本文的研究内容 5 二 视觉制导机器人系统设计方案 5 2 1 系统结构设计 5 2 1 1 视觉制导竞赛中的小车基本组成部分 5 2 1 2 单片机电路板 6 2 1 3 电机 7 2 1 4 红外传感器 8 三 视觉制导机器人测控系统电路设计 8 4 1 C51 输入 输出接口与红外线导航 8 4 2 机器人的距离检测 10 参考文献 11 附录 11 机电一体化与机器人技术 机电动力试验平台 第六届视觉制导机器人竞赛 绪论绪论 1 11 1 本课本课题题研究研究的的意义意义和和目的目的 机器视觉的研究是从 20 世纪 60 年代中期美国学者 L R 罗伯兹关于理 解多面体组成的积木世界研究开始的 当时运用的预处理 边缘检测 轮廓线 构成 对象建模 匹配等技术 后来一直在机器视觉中应用 罗伯兹在图像分 析过程中 采用了自底向上的方法 用边缘检测技术来确定轮廓线 用区域分 析技术将图像划分为由灰度相近的像素组成的区域 这些技术统称为图像分割 其目的在于用轮廓线和区域对所分析的图像进行描述 以便同机内存储的模型 进行比较匹配 实践表明 只用自底向上的分析太困难 必须同时采用自顶向下 即把目标分为若干子目标的分析方法 运用启发式知识对对象进行预测 这同 言语理解中采用的自底向上和自顶向下相结合的方法是一致的 在图像理解研 究中 A 古兹曼提出运用启发式知识 表明用符号过程来解释轮廓画的方法不 必求助于诸如最小二乘法匹配之类的数值计算程序 70 年代 机器视觉形成几个重要研究分支 目标制导的图像处理 图 像处理和分析的并行算法 从二维图像提取三维信息 序列图像分析和运 动参量求值 视觉知识的表示 视觉系统的知识库等 机器视觉的应用主要有检测和机器人视觉两个方面 检测 又可分为高 精度定量检测 例如显微照片的细胞分类 机械零部件的尺寸和位置测量 和 不用量器的定性或半定量检测 例如产品的外观检查 装配线上的零部件识别 定位 缺陷性检测与装配完全性检测 机器人视觉 用于指引机器人在大范 围内的操作和行动 如从料斗送出的杂乱工件堆中拣取工件并按一定的方位放 在传输带或其他设备上 即料斗拣取问题 至于小范围内的操作和行动 还需 要借助于触觉传感技术 机器视觉技术比较复杂 最大的困难在于人的视觉机制尚不清楚 人可以 用内省法描述对某一问题的解题过程 从而用计算机加以模拟 但尽管每一个 正常人都是 视觉专家 却不可能用内省法来描述自己的视觉过程 因此建立 机器视觉系统是十分困难的任务 在本学期我选修了机电一体化与机器人技术这门课程 在这门课程中我们 要求在一学期的时间里以团队为单位制作成一个视觉制导机器人 我组被分为 制作沿墙走机器人 沿墙导航 行为就是让机器人沿着某个物体的边沿行走 当物体边沿形状 发生变化或路径中出现障碍物时 移动机器人能够自主对环境信息进行判断处 理 保持 沿墙走 行为 研究此基本行为的目的是研究机器人探索环境 适 应环境的能力 它可以看作是移动机器人智能的低层行为 当它与其它高层的 智能行为结合时 可以完成复杂的任务 很多场合要求机器人具有沿墙导航能 力 如沿障碍物轮廓避障 未知环境导航 环境建模及机器人定位等 1 2 国内外研究国内外研究现现状状 Carl Capek所写的戏剧 RUR RusSUmS Universal Robots 于1921年在 Prague Czechoslovakia首次公演 作为理想的工人 机器人 该戏剧引入单词 一机器人 为了提高生产力而被赋予情感 通过完美工人的概念一机器人 该戏 剧展示了科技的双重性 威胁和希望 从这点上来说 机器人既是人类的拯救 者 机电一体化与机器人技术机电动力试验平台 第六届视觉制导机器人竞赛5 又是人类的潜在敌人 自从该戏剧的来临 机器人已经获得了自己的无与伦比 的 身份 不再仅仅是人类外貌的复制 他们已成为混合物一作为机器出现而尽人 的职责 机器人时代诞生了 高度发展的机器人模型继续被竞争改善手 腕 肩膀 和腿 人类控制这 个星球的一个原因是提供高柔韧关节的先进的动力学设计 机器人设计生物形 态学的合理化和标准化正朝着更似人类形态学的模型前进 而这一点已经被特 异一自由腕和大量的致力于以关节相连的手的研发活动所证实 总之 机器人 结构已经从可获得的结构和特点的使用朝功能与形式和谐化发展 数字控制的早期形式指导的液压机器人在19世纪60年代商业化 开始了机 器人革命 到1973年 在更高级的应用 在安装和控制方面需要卓越的可靠性和 增加的柔韧性 中 电力和电子控制取代液压控制 建立在曾经拓宽的基础上 商业和研究机构已经致力于从焊接到空间站建设的各式各样任务的神人同形同 性论的机器人手臂的研究 1 31 3本文本文的的研究研究内内容容 本次竞赛所使用的宝贝车就是一个机电化产品 有以单片机为核心的控制 系统 这部分用的电 还有伺服电机这样的执行机构 二者统一于一定的机械 结构下 构成机电一体化产品 当然 它还应能完成特定的任务 这样才有实 际的应用价值 我们要利用老师所提供的宝贝车 红外发射接收器 导线 电阻 导线 电阻 这些东西来制作成一个视觉制导机器人 以是它可以在两面墙为障碍物 的空间里及时避障 从而用最少的时间达到目的地 二 二 视觉制导机器人系统设计方案视觉制导机器人系统设计方案 2 1系系统统结构结构设设计计 2 1 1 视觉制导竞赛中的小车基本组成部分是 1 单片机及时钟复位电路 P89V51RD2 2 电源电路 LM7805 LM2940 电源指示灯 3 串口通信及 ISP 接口 4 蓝牙接口 5 外电源接口 开关 6 排针 电机接口 面包板 机电一体化与机器人技术机电动力试验平台 第六届视觉制导机器人竞赛6 硬件标识图 图2 2 采用C51单片机的机器人 我们组采用四组红外发射与接收装置 做成四组模块 并加以调试调整角 度 使得机器人能在红外线的监测下对障碍物做出及时的反应 用最少的时间 达到目的地 2 1 2 单片机电路板 单片机 P89V51RD 具有 IAP 在应用中编程 功能 用户通过在应用程序 中调用 IAP 子程序 可实现有选择的对 FLASH 块进行擦除和编程 我们可在 Keil uVision2 下用 C 语言和汇编语言混编的办法实现 IAP 调用的方法 最后通 机电一体化与机器人技术机电动力试验平台 第六届视觉制导机器人竞赛7 过 flash magic 就可将程序烧入单片机中 实现相应的控制功能 2 1 3 电机 视觉制导竞赛中小车采用的电机型号 Parallax Continuous Servo 电机技术规格 1 重量 45g 2 扭力 3 4Kg cm 3 最大电压 6V 4 平均速度 60 rpm 5 运动角度 360 度 6 尺寸 40 5x 20 x 38mm 7 特性 侧边有一个可微调中立点 stop point 的可变电阻 可控制不输出 扭矩 电机的控制 1 下图显示信号是发送到与 P1 1 连接的伺服电机的校准信号 称为零点标 定信号 伺服电机调节好之后 这个信号就可以指示电机保持静止 这个信号 是由时间间隔为 20 ms 的脉宽为 1 5 ms 的一系列脉冲组成 实现的程序为 while 1 P1 1 1 delay nus 1500 P1 1 1 delay nms 20 2 当更改脉冲的宽度是可以实现电机的顺时针和逆时针旋转 比如 使电机全速顺时针旋转的程序 while 1 P1 1 1 delay nus 1300 P1 1 1 delay nms 20 使电机全速逆时针旋转的程序 while 1 P1 1 1 delay nus 1700 P1 1 1 delay nms 20 当脉冲宽度在 1300 1500 之间时 电机可 以顺时针旋转 当脉冲宽度在 1500 1700 之间时 可以实现电机逆时针旋转 机电一体化与机器人技术机电动力试验平台 第六届视觉制导机器人竞赛8 实际情况可能稍有偏差 在上述值左右浮动 2 1 4 红外传感器 红外发光二极管与普通发光二极管的不同 红外发光二极管是由红外辐射 效率高的材制成的 PN 结 再外加正向偏压向 PN 结注入电流 从而激发出红外 光 光谱功率分布为中心波长 830nm 950nm 为了增加红外线的控制距离 红外发光二极管工作于脉冲状态 因为脉动 光 调制光 的有效传送距离与脉冲的峰值电流成正比 只需尽量提高峰值 Ip 就能增加红外光的发射距离 IR 红外线 检测器有内置的光滤波器 除了需要我们用它的内部的光敏二极 管传感器检测的980 nm红外线 它几乎不允许其它光通过 红外检测器也有一 个电子滤波器 它只允许大约 38 5 kHz 的信号通过 换句话说 检测器只寻 找每秒闪烁38 500次的红外光 这就防止了普通光源像太阳光和室内光对IR的干涉 太阳光是直流干涉 0Hz 室内光依赖于所在区域的主电源 闪烁频率接近100或120 Hz 由于 120 Hz在电子滤波器的 38 5 kHz通带频率之外 它完全被IR探测器忽略 8 500 次的红外光 红外传感器发射电路图则如下图所示 实现红外探测的原理 让每个 IR LED 探测器组工作的关键是发送 1 ms 频率为 38 5 kHz 的红外 信号 然后 立刻将 IR 探测器的输出存储到一个位变量 irDetectLeft 中 三 视觉制导机器人三 视觉制导机器人测控系测控系统统电路电路设设计计 3 1 C51 输入 输出接口与红外线导航 使用红外线发射和接收器件探测道路 触须接触导航是依靠接触变形来探测物体 而在许多情况下 不必接触物 体就能探测到物体 许多机器人使用雷达 RADAR 或者声纳 SONAR 来探测 机电一体化与机器人技术机电动力试验平台 第六届视觉制导机器人竞赛9 物体而不需同物体接触 本次研究的方法是使用红外光来照射机器人前进的路 线 然后确定何时有光线从被探测目标反射回来 通过检测反射回来的红外光 就可以确定前方是否有物体 由于红外遥控技术的发展 现在红外线发射器和 接收器已经很普及并且价格很便宜 红外前灯红外前灯 将要在机器人上建立的红外光探测物体系统在许多方面就象汽车的前灯系 统 当汽车前灯射出的光从障碍物体反射回来时 人的眼睛就发现了障碍物体 然后大脑处理这些信息 并据此控制身体动作驾驶汽车 机器人使用红外线二 极管LED作为前灯 如图3 1所示 图3 1 用红外光探测障碍物 图3 2 本章需要用到的新部件 红外线二极管发射红外光 如果机器人前面有障碍物 红外线从物体反射 回来 相当于机器人眼睛的红外检测 接收 器 检测到反射回的红外光线 并发出信号来表明检测到从物体反射回红外线 机器人的大脑 单片机 AT89S52基于这个传感器的输入控制伺服电机 红外线 IR 接收 检测器有内置的光滤波器 除了需要检测的980 nm波长的红 外线外 它几乎不允许其它光通过 红外检测器还有一个电子滤波器 它只允 许大约38 5 kHz 的电信号通过 换句话说 检测器只寻找每秒闪烁38 500次的 红外光 这就防止了普通光源象太阳光和室内光对IR的干涉 太阳光是直流干 涉 0Hz 源 而室内光依赖于所在区域的主电源 闪烁频率接近100或120 Hz 由于120 Hz在电子滤波器的38 5 kHz通带频率之外 它完全被IR探测器忽 略 搭建红外线前灯搭建红外线前灯 电路板的每个角安装一个IR组 IR LED和检测器 断开主板和伺服系统的电源 建立图3 3所示的电路 机电一体化与机器人技术机电动力试验平台 第六届视觉制导机器人竞赛10 图 3 3 左侧和右侧IR组原理图 4 2机器人的距离检测 同前面一样的IR LED 探测电路来探测距离 如果该电路仍然完好的在你的机器人上 确认红外线LED电路中含有470 的电阻 如果你已经拆掉了该电路 请参照第五章第一节的内容重新搭建 推荐工具和原料 1 尺子 2 一张纸 定时 计数器的运用 本章的主要任务需要用到单片机更精确的定时功能 因此首先介绍51单片 机定时 计数器的使用方法 单片机的定时 计数器能够提供更精确的时间 前面已经介绍了几种延时方法 除了空操作函数 nop 外 定时 计数器 能产生更精确的延时 它的最小延时单位为1个机器周期 前面讲过 若晶振频 率为12MHz 则延时单位为1us 若为11 0592MHz 则延时单位为1 08us 单片机AT89S52的定时 计数器可以分为定时器模式和计数器模式 其实这 两种模式没有本质上的区别 均使用二进制的加一计数 当计数器的值计满回 零时能自动产生中断的请求 以此来实现定时或者计数功能 它们的不同之处 在于定时器使用单片机的时钟来计数 而计数器使用的是外部信号 定时 计数器的控制 单片机AT89S52有两个定时 计数器 通过TCON和TMOD这两个特殊功能寄存 机电一体化与机器人技术机电动力试验平台 第六届视觉制导机器人竞赛11 器控制 TCON和TMOD你都可以在头文件uart h中看到其应用 TCON为定时器控制寄存器 有8位 每个位的含义为如表4 1所示 TCON的 低4位与定时器无关 它们用于检测和触发外部中断 表 4 1 TCON控制寄存器 位位符符 号号描述描述 TCON 7TF1 定时器1溢出标志位 由硬件置位 由软件清除 TCON 6TR1 定时器1运行控制位 由软件置或清除 置1为启动 置0为停止 TCON 5TF0 定时器0溢出标志位 TCON 4TR0 定时器0运行控制位 TCON 3IE1 外部中断1边沿触发标志 TCON 2IT1 外部中断1类型标志位 TCON 1IE0 外部中断0边沿触发标志 TCON 0IT0 外部中断0类型标志位 TMOD为定时器模式寄存器 它也有8位 但不能像TCON一样可以一位一位的 设置 只能通过字节传送指令来设定TMOD的各个状态 TMOD的各位定义如表4 2 所示 表4 2 TMOD模式寄存器 位位名字名字定时器定时器描述描述 7GATE1门控制 当被置为1时 只有为高电平时 定时器才开始工作INT 6TC 1 定时 计数器选择位 1 计数器 0 定时器 5M11 模式位1 见表6 3 4M01 模式位0 见表6 2 3GATE0 定时器0的门控制位 2TC 0 定时器0的定时 计数选择位 1M10 定时器0的模式位1 0M00 定时器0的模式位0 表4 3 定时器工作模式 M1M1M0M0 模式模式 000 011 102 113 参考文献 参考文献 C51 单片机应用与 C 语言程序设计 基于机器人工程对象的项目实践 秦志强 等 编著 电子工业出版社 附录附录 机电一体化与机器人技术机电动力试验平台 第六届视觉制导机器人竞赛12 include include sbit s1 P1 4 sbit r1 P3 2 unsigned char a sbit s2 P1 5 sbit r2 P3 3 unsigned char b sbit s3 P1 6 sbit r3 P3 5 unsigned char c sbit s4 P1 7 sbit r4 P3 4 unsigned char d sbit left P1 1 sbit right P1 0 void way unsigned int q unsigned int w left 1 delay nus q left 0 right 1 delay nus w right 0 delay nms 20 void leftturn 左转弯 left 1 delay nus 1500 left 0 right 1 delay nus 1300 right 0 delay nms 20 void rightturn 右转弯 right 1 delay nus 1500 right 0 left 1 delay nus 1700 left 0 delay nms 20 void smallleft 左小转弯 机电一体化与机器人技术机电动力试验平台 第六届视觉制导机器人竞赛13 unsigned int i 0 for i 0 i 27 i leftturn for i 0 i 23 i way 1700 1300 for i 0 i 13 i rightturn void smallright 右小转弯 unsigned int i 0 for i 0 i 27 i rightturn for i 0 i 23 i way 1700 1300 for i 0 i 13 i leftturn int main void unsigned int i 0 j 0 uart Init while 1 for i 0 i 38 i s1 s2 s3 s4 1 delay nus 13 s1 s2 s3 s4 0 delay nus 13 a r1 b r2