小型清扫机器人控制部分设计.doc

湘潭大学兴湘学院湘潭大学兴湘学院 毕业设计说明书毕业设计说明书 题题 目 目 小型清扫机器人控制部分设计小型清扫机器人控制部分设计 学学 院 院 兴兴 湘湘 学学 院院 专专 业 业 机械制造及其自动机械制造及其自动 学学 号 号 20079642172007964217 姓姓 名 名 江江 培培 指导教师 指导教师 秦秦 衡衡 峰峰 完成日期完成日期 20112011 年年 5 5 月月 2020 日日 湘潭大学兴湘学院湘潭大学兴湘学院 毕业论文 设计 任务书毕业论文 设计 任务书 论文 设计 题目 小型清扫机器人的控制部分设计 学号 2007964217 姓名 江 培 专业 机械制造及其自动化 指导教师 秦衡峰 系主任 一 主要内容及基本要求 1 检索国内外清扫机器人的发展动态 分析国内的情况 2 分析清扫机器人控制系统设计的关键技术问题 3 完成清扫机器人的单片机控制系统设计的一体化设计 4 完成单片机实现小车行走驱动控制系统设计 5 完成清扫机器人的单片机控制系统中的硬件设计 6 完成清扫机器人的单片机控制系统中的软件设计 7 完成毕业论文的文稿工作 要求 总字数不低于一万字 使用 A4 编辑及 打印装订成册 8 技术图纸 控制系统硬件电路原理图 1 张 控制系统程序流程分图 1 张 9 翻译英语技术资料 翻译课题相关英文资料 要求 3000 单词 复印原稿与 翻译 打印 稿同册装订 二 重点研究的问题 1 清扫机器人的单片机控制系统设计方案选择设计 2 清扫机器人的单片机控制系统软件设计 3 清扫机器人的单片机硬件控制系统中外围硬件设备的选择及设计 三 进度安排 四 应收集的资料及主要参考文献 1 李鸿主编 单片机原理及应用 M 湖南 湖南大学出版社 2004 2 韩全立 王建明 单片机控制技术及应用 M 北京 电子工业出版社 2004 3 周平 伍云辉 单片机应用技术 M 四川 电子科技大学出版社 2004 4 胡伟 季晓衡 单片机 C 程序设计及应用实例 M 北京 人民邮电出版 社 2004 5 汤 阳 戴光智 王锐鹏 家用自主吸尘机器人的研究和开发 J 计算机 测量与控制 2006 14 11 1554 1556 6 赵龙庆 徐国栋 一种基与单片机的步进电机控制驱动器 J 西南林学 院 学报 2005 6 序号各阶段完成的内容完成时间 1 资料检索 查询2011 年 2 月 20 日 3 月 5 日 2 系统总体方案的构思及设计 2011 年 3 月 6 日 3 月 20 日 3 完成清扫机器人的单片机控制系统设计 方案选择设计 2011 年 3 月 21 日 4 月 10 日 4 完成清扫机器人的单片机控制系统设计 硬件设计 2011 年 4 月 11 日 4 月 25 日 5 完成清扫机器人的单片机控制系统设计 软件设计 2011 年 4 月 26 日 5 月 10 日 6 毕业设计说明书撰写和编辑 2011 年 5 月 11 日 5 月 19 日 7 交毕业设计说明书和图纸 准备答辩 2011 年 5 月 20 日 5 月 25 日 潭大学兴湘学院潭大学兴湘学院 毕业论文 设计 评阅表毕业论文 设计 评阅表 学号 2007964217 姓名 江 培 专业 机械制造及其自动化 毕业论文 设计 题目 小型清扫机器人控制部分设计 评价项 目 评 价 内 容 选题 1 是否符合培养目标 体现学科 专业特点和教学计划的基本要求 达到综合训练的目的 2 难度 份量是否适当 3 是否与生产 科研 社会等实际相结合 能力 1 是否有查阅文献 综合归纳资料的能力 2 是否有综合运用知识的能力 3 是否具备研究方案的设计能力 研究方法和手段的运用能力 4 是否具备一定的外文与计算机应用能力 5 工科是否有经济分析能力 论文 设计 质量 1 立论是否正确 论述是否充分 结构是否严谨合理 实验是否正确 设计 计算 分析处理是否科学 技术用语是否准确 符号是否统一 图表图纸是否完备 整洁 正确 引文是否规范 2 文字是否通顺 有无观点提炼 综合概括能力如何 3 有无理论价值或实际应用价值 有无创新之处 综 合 评 价 选题基本合理 符合专业特点和教学计划的基本要求 达到了训 练的目的 选题难度适当 与科研相结合 学生有查阅文献 综合归 纳资料的能力 能较好的运用知识 基本具备研究方案的设计能力和 研究方法和手段的运用 具备一定的外文与计算机应用能力 论文立 论基本正确 结构比较严谨合理 程序运行正确 文字比较通顺 观 点有所提炼 综合概括能力比较好 评阅人 年 月 日 湘潭大学兴湘学院湘潭大学兴湘学院 毕业论文 设计 鉴定意见毕业论文 设计 鉴定意见 学号 2007964217 姓名 江 培 专业 机械制造及其自动化 毕业论文 设计说明书 41 页 图 表 2 张 论文 设计 题目 小型清扫机器人的控制部分设计 内容提要 本设计主要是根据小型清扫机器人的发展历史以及现有的科学技术对其 进行创新设计 小型清扫机器人是将移动机器人技术和吸尘器技术有效的结 合 起来 能大大的降低了劳动强度 提高了劳动效率的新时代产物 其广泛应 用 于室内清洁 有着广阔的市场前景 本设计围绕结构部分设计 驱动电机的 选 择 传感器件的选择 芯片的选择 路径的规划和算法以及程序的编写的方 面 进行设计 后两者为本设计的重难点 本清扫机器人采用圆柱形结构 两后 轮 分别由步进电机独立驱动 有较强的灵活性和准确性 车前碰板的设计和沿 X 轴和 Y 轴遍历方式是本设计的创新之处 有效的降低了生产成本 使其被更 多 层次的人群接受 指导教师评语 江培同学的本科毕业设计题目为 小型清扫机器人控制部分设计 在整 个设计过程中 该同学勤奋刻苦 勇于钻研 能够积极根据设计任务开展工 作 所设计的清扫机器人结构合理 算法和程序设计合理清晰 原理接线图 表达较为正确 各个零部件选择恰当 设计工作量饱满 说明书写作认真 计算 校核正确 文献翻译较准确 达到了本科毕业设计的要求 指导教师 年 月 日 答辩简要情况及评语 江培同学的本科毕业设计基于生活实际 对清扫机器人 进行了控制部分 的设计 该同学的设计算法合理 图形表达基本正确 型号选择合理 设计工作量 饱满 说明书 文献翻译书写认真 答辩过程中 对结构和原理图的陈述清 楚 回答问题正确 达到了本科毕业设计的要求 成绩评定为 答辩小组组长 年 月 日 答辩委员会意见 答辩委员会主任 年 月 日 目录目录 摘要 1 ABSTRACT 2 第一章 绪论 3 1 1 国内产品研究状况 3 1 2 研究的目的和意义 4 1 3 设计的重点和难点 4 1 4 家庭清扫机器人的关键技术 4 1 5 总结也展望 5 发展趋势 5 展望 5 1 6 论文主要完成工作 6 第二章 总体结构设计 7 2 1 整体结构布局 7 2 2 驱动部分 9 2 3 吸尘部分 10 2 4 电源部分 10 2 5 路径规划算法 11 2 6 仿真结果 13 第三章 硬件控制部分设计 11 3 1 AT89 系列单片机简介 14 3 2 外围电路 15 1 电源 15 2 复位电路 16 3 时钟电路 17 3 3 电机驱动电路 18 3 4 检测电路 20 3 5 光电编码器 23 第四章 控制系统软件设计 25 4 1 控制系统软件设计 25 4 2 AT89C51 定时器设置 27 1 计数寄存器 TH 和 TL 28 2 T C 控制寄存器 TCON 28 3 T C 方式控制寄存器 TMOD 28 4 3 AT89C51 中断设置 29 1 中断允许寄存器 29 2 中断优先级寄存器 IP 30 4 4 正反转控制字赋值及存储位置 31 第五章 机器人旋转偏差和直线前行偏差的脉冲数计算 33 第六章 程序的编写 35 参考文献 40 致谢 41 小型清扫机器人的控制部分设计小型清扫机器人的控制部分设计 摘要摘要 清扫机器人属于服务机器人的一种 世界各国尤其是西方发达国家都在致力 于研究开发和广泛使用服务机器人 如果清扫机器人的性价比足够高 那么清扫 机器人的市场将会被看好 本文介绍了清洁机器人在国内外发展现状和应用情况 侧重研究了清洁机器 人的避障控制系统 结合实验室实际条件 设计了机器人样机 其主要工作内容 包括 小车机械本体设计 控制理论的介绍 AT89C51 单片机控制系统硬件电路及 检测电路设计 控制系统软件设计和机器人避障性能测试试验 通过实验表明所设计的机器人样机能够实现自主避碰的功能 达到设计要求 关键词关键词 清洁机器人 避障 AT89C51 单片机 Small cleaning robot control section design Abstract Cleaning robot is one part of the serving robot Serving robot is beingresearched and developed in the countries all over the world and which is beingused widely in the west developed countries If the rate of quality and price of thecleaning robot is highly enough the market of the cleaning robot would beprospered The paper studies the applications and developments of cleaning robot athome and abroad and researches the control system of the cleaning robot avoidinga obstacle mainly The model is designed under the actual condition of the lab The main work of the paper is as follows The mechanical design of cleaning robot thetheory of the control system the design of control system of hardware circuit andsoftware based on AT89C51 SCM the design of inspective circuit and theexperiment of performance of the cleaning robot avoiding a obstacle The result of the experiment shows that the robot designed has the functionsof avoiding a obstacle so it fills the demand of the task KeyKey works works cleaning robot avoid a obstacle AT89C51 SCM 第一章第一章 绪论绪论 1 11 1 国内产品研究状况国内产品研究状况 在国内的一些大学 如哈尔滨工业大学 华南理工大学 上海交通大学等单 位也对清扫机器人进行了大量的研究并取得了一些成果 对清扫机器人相关技术 如机器感知 机器人导航和定位与路径规划 机器人控制 电源与电源管理 动 力驱动等技术的研究则更多 这些都为清扫机器人的研究开发和推广奠定了物质 基础和技术基础 哈尔滨工业大学于 90 年代开始致力于这方面的研究 与香港中文大学合作 联合研制开发出一种全方位移动清扫机器人 该机器人具有如下特点 采用全方 位移动技术 使机器人可执行对狭窄区域等死区的清扫任务 采用开放式机器人 铰制结构 实现硬件可扩展 软件可移植 可继承 使机器人作为服务载体具有 更好的功能适应性 在拥挤环境下的实时避障功能 能更好地适应不断变化的清 扫工作环境 遥控操作和自主运动两种运行方式 吸尘机构可实现吸尘腔路的自 动转换 提高了吸尘效率 浙江大学于 1999 年初在浙江大学机械电子研究所开始进行智能吸尘机器人 的研究 两年后设计成功国内第一个具有初步智能的自主吸尘机器人 这种智能 吸尘机器人工作时 首先进行环境学习 利用超声波传感器测距 与墙保持一定 距离行走 在清洁这些角落的同时获得房间的尺寸信息 从而决定清扫时间 之 后 利用随机和局部遍历规划相结合的策略产生高效的清扫路径 清扫结束以后 自行回到充电座补充电力 吸尘机器人在 5 5 3 5m2 的实际家庭环境中 工作 10 分钟可以达到 90 以上的覆盖率 更大房间的清扫试验还没有进行 目前 系 统正在引入机器视觉和全局 图 1 国内公司生产的机器人 KV8 Fig1 7 robots domestic production KV8 定位功能 力图在多房间环境下 提高自定位能力 智能决策能力以及回归充电 效率 最终提高清扫效率 如图 1 所示 KV8 保洁机器人是今年在市场以低价位 卖得比较火的一款产品 也是国内首个产品化清扫机器人 它广泛用于家庭 办 公和娱乐场所 以及其它一些人员不便进入的地方 KV8 能够通过自身的碰撞传 感器来实现随机的清扫和碰撞处理 需要人工对其电池进行充电 有三种工作模 式可以选择 在启动时伴有音乐声 1 21 2 研究的目的和意义研究的目的和意义 清扫机器人将移动机器人技术和吸尘器技术有机地融合起来 实现室内环境 地面 的半自动或全自动清洁 替代传统繁重的人工清洁工作 近年来已受到 国内外的研究人员重视 作为智能移动机器人的一个特殊应用 从技术方面讲 智能化清扫机器人比较具体地体现了移动机器人的多项关键技术 具有较强的代 表性 从市场前景角度讲 清扫机器人将大大降低劳动强度 提高劳动效率 适 用于家庭和公共场馆的室内清洁 因此 开发自主智能吸尘器既具有科研上的挑 战性 又具有广阔的市场前景 融合现代传感器以及机器人领域的关键技术 本课题旨在开发一部价格便宜 全区域覆盖 能够充分满足家庭需求且方便适用的智能家庭清扫机器人 使它可 以替代传统的家庭人工清扫方式 使家庭生活电气化 智能化 使科技更好地为 人类服务 1 31 3 设计的重点和难点设计的重点和难点 由前面的设计家庭清洁机器人的工作内容和要求 在宽 400 高 100 的体 积下如何设计和布置好清扫机构 行走机构 吸尘机构和储存垃圾机构 遍历方式的选择 以及如何用软件控制实现其避障功能 1 41 4 家庭清扫机器人的关键技术家庭清扫机器人的关键技术 家庭清洁机器人的关键技术吸尘机器人系统通常由四个部分组成 移动机构 感知系统 控制系统和吸尘系统 移动机构是吸尘机器人的主体 决定了吸尘器 的运动空间 一般采用轮式机构 感知系统一般采用超声波测距仪 接触和接近 传感器 红外线传感器等 随着近年来计算机技术 人工智能技术 传感技术以 及移动机器人技术的迅速发展 清扫机器人控制系统的研究和开发已具备了坚实 的基础和良好的发展前景 清扫机器人的控制与工作环境往往是不确定的或多变 的 因此必须兼顾安全可靠性 抗干扰性以及清洁度 用传感器探测环境 分析 信号 以及通过适当的建模方法来理解环境 具有特别重要的意义 目前发展较快 对清扫机器人发展影响较大的关键技术是 传感技术 智能控制技术 路径规划 技术 吸尘技术 电源技术等 传感技术 为了让吸尘机器人正常工作 必须对机器人位置 姿态 速度和系统内部状态进 行监控 还要感知机器人所处工作环境的静态和动态信息 使得吸尘机器人相应的 工作顺序和操作内容能自然地适应工作环境的变化 1 51 5 总结也展望总结也展望 发展趋势 虽然清扫机器人的研究已经取得了很大进步 进入了实用阶段 但是自主能力 工作效率方面还不理想 需要在技术上解决传感器技术 定位和环境建模技术 在 此基础上 自主吸尘机器人可以向着高度智能化 多功能集成 低成本的方向发 展 展望 尽管目前价廉物美的吸尘器给人们的清洁工作带来了一定的便利 但过大的 噪音依然让大多数使用者望而却步 清扫机器人作为服务机器人领域中的一个新 产品 将使人们能在无人看守情况下轻松地完成室内环境的吸尘等清洁工作 因 此 只要生产成本兼顾到日用电器批量大 价格低的特点 清扫机器人将具有诱 人的市场前景 有关资料也预测清扫机器人是未来几年需求量最大的服务机器人 特别是日用清洁电器不论是在市场上或者是在产品的创新上 绝对是所有小家电 产品中最活跃的 未来仍有相当大的成长空间 尽管目前国内外在清扫机器人研 究开发方面已取得一定的成果 但成本过高和许多关键技术问题尚急待解决或提 高 主要有以下几个方面 1 目前 价格过高是严重影响清扫机器人打入家电市场的主要因素 因此为 了大幅度降低其成本 我们必须开发专用运动控制和数字处理芯片以及微型传感 器 其次 应该看到蓝牙技术在家电行业的应用前景 通过采用蓝牙技术将过高的 数字处理器成本转移到用户的个人电脑上 则有望在短期内将清扫机器人的成本 控制在千元左右 2 未来的清扫机器人将向智能化和自主式发展 因此我们必须结合现有的基 于自适应控制 模糊逻辑 遗传算法等的移动机器人运动规划和控制技术 研究 开发出对环境变化具有良好的自适应性和鲁棒性 对环境障碍物具有安全可靠的 防碰撞功能的智能运动规划与控制器 使吸尘机器人完成与人工操作质量相同甚 至更好的吸尘工作 3 为了有效地提高清洁的质量 还需要对现有的吸尘技术进行改进 根据环 境的脏洁程度 采用模糊逻辑等技术设计合理的吸尘时间以及相协调的机器人运 动速度 确保满意的吸尘效果 4 电源技术是吸尘机器人的核心之一 除了有效地提高机器人运动和吸尘速 度以延长电池的实际吸尘时间外 还尚需优化自动充电方案 保证机器人能及时进 行充电 自动完成对指定环境的吸尘任务 随着吸尘机器人关键技术和性能价格 比的不断提高或改进 相信根据现有的软硬件条件 未来几年内就会推出价格适中 的全自动吸尘机器人产品 进而使吸尘机器人能像普通家电产品一样走进千家万 户 为这一高新技术产品带来可观的市场和经济效益 1 61 6 论文主要完成工作论文主要完成工作 课题主要完成的工作包括清洁机器人结构设计 驱动电机选择 传感器的选 择 控制算法的研究 硬件电路设计和软件编程及试验 1 机械结构部分 包括机器人构成方案选择 机器人本体机构设计和驱动电机的选择 2 避障系统控制方案 包括机器人障碍检测系统 定位系统的确定和控制算法的选择 3 控制系统硬件部分 包括 AT89C51 单片机控制系统硬件电路设计 电机驱动电路设计和传感 器检测硬件电路设计 4 控制系统软件部分 包括 AT89C51 单片机控制系统系统软件设计 第二章第二章 总体结构设计总体结构设计 2 12 1 整体结构布局整体结构布局 整个机器人的结构由车体 吸尘装置 传感部分 控制部分组成 传感部分包括车身两侧的光电传感器和前面的碰板和光电开关组成的接触式 传感器 机器人前轮为随动轮 后轮采用差动式驱动 光电编码器装在前随动轮上 与 随动轮同轴 当发生碰撞时 碰板带动光开关移动产生信号变化 光电传感器对 车体侧面进行探测 判断左右转弯是否可行 如结构简图2所示 碰板光电 传感器 检测悬空的光 电传感器 随动轮 两独立驱 动轮 吸尘入 口 两反向旋转 的边刷 图2 清扫机器人结构示意图 考虑到机构和控制的复杂性 本清扫机器人采用圆形车体 圆形车体的最大优 点是运动灵活 控制简单 不会发生卡死的现象 车体前端是一个碰板系统由一套机械装置和光电开关组成 用于检测运动前 方的障碍物 左右二个后轮独立驱动 每个轮子都有电机 光电传感器 各自是一 个独立的系统 只接受控制系统的控制信号和反馈给控制系统运动信息 中间镂 空的部分是清扫系统 包括二个电机驱动的一个清扫装置和一个吸尘装置 车体 左右二侧装有二个光电传感器 用于对小车转弯可行性判断 前轮的支撑部分是 一个垂直方向可滑动杆 中间有弹簧做缓冲 运动的时候也有减震的作用 本机器人没有采用阵列式碰撞传感器 而是独立设计了一块碰板和光电开关 组成 它可以检测到车体前方的一切障碍物 不存在任何盲点 弧形的碰板通过2 个连杆和车体铰接在一起 连杆和碰板连接的部分可以沿碰板外径方向滑动 而和 车体连接的部分可以旋转 碰板二端和光电开关相连 当碰撞引发碰板移动后 通 过光电开关的变化把信号反馈给控制系统 碰板可以把障碍物的位置分为3类 正 前方 前方 右前方 通过2个光电开关的组合状态给出 如果2个光电开关的初始 状态是0 如表1所示 表1 碰撞检测对照表 左光电开关0011 右光电开关0101 障碍物位置未碰撞右前左前正前 整个清扫系统通过后方的圆孔和车体相铰接 可以作很小幅度的摆动 这样的 设计将使机器人对地面的适应性有很大提高 整个清扫系统又可以分为清扫部分 和吸尘部分 每部分各有1个电机提供动力 清扫部分在前端 由电机带动2个旋转 方向不同的滚刷转动 从而把纸片等大块垃圾清扫进后面的灰尘箱 后面的吸尘 系统类似一个吸尘器 橡胶制成的吸尘端口与地面相接 这样双选择性的清扫比 一般地单一清扫方式效果要好的多 2 22 2 驱动部分驱动部分 驱动部分是由两个四相步进电机以及相应的驱动机构组成的 步进电机带动 两驱动轮 后轮 从而推动吸尘器运动 前轮不再采用传统的双轮结构 而采 用了应用非常广泛的平面轴承 这既减小了结构复度 又提高了转弯的灵活性 如图4 图4 驱动结构 通过改变作用于步进电机的脉冲信号的频率 可以对步进电机实现较高精度 的调速 同时在对两电机分别施相同或不同脉冲信号时 通过差速方式 可以方 便的实现吸尘器前进 左转 右转 后退 调头等功能 这一设计的最大优点是 吸尘器能够在任意半径下 以任意速度实现转弯 甚至当两后轮相互反向运动时 实现零转弯半径 即绕轴中点原地施转动 同时转弯的速度可通过改变单片机的 程序来调节 根据所需的驱动力矩和其它结构要求 驱动电机选用北京四通集团公司的 57BYG250E SAFRML 0152型两相混合式步进电动机 其参数如表2 2所示 表2 2 57BYG250E SAFRML 0152步进电机参数 2 32 3 吸尘部分吸尘部分 吸尘部分是由封闭在壳体中的小型吸尘器完成的 包括气泵 吸室 吸道和 吸嘴 在吸尘器爬行的过程中 通过底盘上开的吸嘴将扫过的地面上的灰尘吸入 吸室 2 42 4 电源部分电源部分 由于智能吸尘器是以自主方式工作的 因而所用的电源不是一般脱线方式 而是采用随身携带的蓄电池 这样不但可实现无人控制 而且工作时比较灵活 一次充电可以连续工作几个小时 2 52 5 路径规划算法路径规划算法 在本算法中 机器人的路径大体分为两类 面覆盖的过程 机器人走直线 相当于一个 迂回推进 的过程 从当前点到目标点的寻径过程 从定位的准 确性考虑 路径段也为直线 开始的时候机器人选择房间的一个角落 2座墙壁的 交接点 便于机器人定位 作为初始点 坐标为 0 0 即机器人上的p点坐标为 0 0 本文中的坐标都是指p点坐标 沿一侧墙的方向建立X轴 第一次清扫沿X 轴 相数2 步距角 0 9 1 8 静态相电流 A 1 5 相电阻 1 0 相电感 Mh 5 3 保持转矩 Nm 1 5 定位转矩 Nm 0 06 空载启动频率 半步方式 KHz 3 重量 Kg 1 5 转动惯量 gc 330 的方向 完成后 返回原点 沿Y轴方向进行第二次清扫 这样既保证了清洁质量 又在很大程度上避免了1次清扫所带来的死角问题 而且由于2个方向的互补性 并不需要为了遍历的完整性而采用更为烦杂的算法 通过2次数据融合就可以得到 较为精确的环境信息机器人的路径为迂回前进的路径段 每个路径段的间隔为机 器人清洁机构的清扫直径 碰到障碍物后 机器人的转向90 并且侧移20cm 在转 向90 这个动作由控制系统做好保存 直接调用 记为micro1 在前进过程中 发 生碰撞时 机器人的转向所采取的方向 取值可以为 左 或者 右 由碰撞次 数的奇偶性决定 沿X 轴方向的遍历图 沿X轴方向的仿真图 沿Y轴方向的遍历图 沿Y轴方向的仿真图 前可行的方法就是 通过建立被控制对象的模糊模型来实现模糊控制器 所谓建立被控制对象的模糊模型就是用 如果一一那么 的形式来描述 被控对象的动态特性 一条 如果 那么 表达式就是一条控制规则 因此 被控制对象的模型是由多条控制规则组成的 这样通过该模型就可以从输入推理 得出输出 具体到本课题 模糊规则设定如下 规则1 如果机器人前方为阶梯 沿X轴方向遍历 那么它应该左转一前行一再 左转 把此类型障碍物当作墙来处理 规则2 如果机器人前方有障碍物 沿X轴方向遍历 同时左侧也有障碍物 那 么它应该原地转弯180度 记为左转为不可行 规则3 如果机器人悬空 那么它应该执行电源关操作 规则4 如果机器人前方为阶梯 沿Y轴方向遍历 那么它应该从右转一前行一 再右转 把此类型障碍物当作墙来处理 规则5 如果机器人前方有障碍物 沿Y轴方向遍历 同时右侧也有障碍物 那 么它应该原地转弯180度 记为右转为不可行 规则6 如果机器人右前方没有障碍物 那么它应该直线前行 规则7 如果机器人沿X轴方向遍历完成 那么执行沿Y轴方向的遍历 完成与否 的判定根据是否有连续两次转弯不可行 规则8 如果机器人完成了沿X轴和Y轴方向的遍历 那么小车执行回充电插座充电 2 62 6 仿真结果仿真结果 由于只是表达路径规划的算法 为了描述清晰及简便 采用矩形环境边缘 障 碍物也选用边缘规则的矩形 U 型等 而实际上由于采用碰撞作为边缘触发条件 根据清扫机器人沿 X Y 轴方向的仿真图我们可以较为准确的得到房间整个环境内 容 第三章第三章 硬件控制部分设计硬件控制部分设计 在实际应用中 机器人车体下部需安装吸尘或清扫等辅助机构 故控制 系统安装在小车底板的上面 控制系统硬件主要包括 AT89C51 单片机控制系 统及其外围电路 电机驱动电路和传感器检测电路 3 13 1 AT89AT89 系列单片机简介系列单片机简介 机器人的控制系统采用的是 AT89C51 单片机 AT89 系列单片机是 ATMEL 公司的系列产品 其主要特点如下 与 MCS 51 产品兼容 1000 次重复编程 擦写 具有 2 7V 低电压型号 表 3 1 AT89 系列单片机的性能参数 功能参数AT89C51AT89C5289C105189C2051 闪速式存储器 字节 4K8K1K2K 内存 字节 12825664128 工作频率 MHz 24242424 输入 输出线32321515 16 位定时器 数器2312 中断源5835 串行口1101 3 23 2 外围电路外围电路 1 电源 AT89C51 单片机正常工作时 其 40 脚 Vcc 接 SV 电源 20 脚 VSS 接地 本 此处省略 NNNNNNNNNNNN 字 如需要完整说明书和 CAD 图纸等 请联系 扣扣 二五一一三三四零八 另提供全套机械 毕业设计下载 AJMP LOOP1 DLY MOV R4 M 通过改变 M M1 的值调整转速 DLY1 MOV A M1 LOOP2 DEC A JNZ LOOP2 DJNZ R4 DLY1 RET 左轮控制程序 ZLKZ PUSH A 保护现场 MOV A R0 MOV P1 3 A 输出控制脉冲 ACALL DLY 调用延时程序 INC R0 控制字存储地址增 1 MOV A 00H ORL A R0 是结束标志转移 JZ TPL LOOP1 DJNZ R3 LOOP 步数不为 0 转移 POP A RET TPL MOV A R0 恢复控制字首址 SUBB A 06H MOV R0 A AJMP LOOP1 DLY MOV R4 M 通过改变 M M1 的值调整转速 DLY1 MOV A M1 LOOP2 DEC A JNZ LOOP2 DJNZ R4 DLY1 RET 参考文献参考文献 1 刘凤然 田红岩 王侃 基于单片机的移动机器人自动避障控制系统 2 白井良明 王棣棠译 机器人工程 科学出版社 2001 97 99 页 3 马书雷 2001 机器人移动机构及控制研究 哈尔滨工程大学硕士学位论文 7 一 11 页 4 杨可祯 程光蕴 机械设计基础 第三版 高等教育出版社 1998 5 刘宝廷 程树康等 步进电动机及其驱动控制系统 哈尔滨工业大学出版社 1997 6 57BYG250E SAFRML 0152 型两相混合式步进电机技术说明书 北京四通集团公司 7 张立勋 王立权 杨勇 机械电子学 哈尔滨工程大学出版社 1999 120 一 140 页 8 李建忠编著 单片机原理及应用 西安电子科技大学出版社 2002 14 页 42 页 9 季维发 过润秋 严武升 机电一体化技术 哈尔滨工程大学出版社 1999 270 271 页 10 SIi 20402A 两相混合式步进电动机细分驱动器说明书 北京四通电机集团公司 11 E30 DS50NA 直接反射型光电开关说明书 飞凌传感器有限公司 12 陈理璧 步进电动机及其应用 M 上海科学技术出版社 13 蔡自兴 徐 光 人工智能及其应用 M 北京 清华大学出版社 1996 14 李鸿主编 单片机原理及应用 M 湖南 湖南大学出版社 2004 15 韩全立 王建明 单片机控制技术及应用 M 北京 电子工业出版社 2004 16 周平 伍云辉 单片机应用技术 M 四川 电子科技大学出版社 2004 17 胡伟 季晓衡 单片机 C 程序设计及应用实例 M 北京 人民邮电出版社 2004 18 朱定华 微型计算机原理及应用 M 北京 电子工业大学出版社 2005 12 19 孟江华 朱纪红 孙增圻 未知环境下基于传感器的移动机器人路径规划新方法 J 机 器人 2005 7 319 324 20 汤 阳 戴光智 王锐鹏 家用自主吸尘机器人的研究和开发 J 计算机测量与控制 2006 14 11 1554 1556 21 李文江 张岩 用 L298 实现雷管脚线合股剥皮机多步进电机控制 J 辽宁工程技术大 学学报 2005 2 22 赵龙庆 徐国栋 一种基与单片机的步进电机控制驱动器 J 西南林学院 学报 2005 6 致致 谢谢 随着毕业设计的完成 我的大学生涯很快就要划上句号 临近毕业 更多的 是眷恋与不舍 四年 一段不短的时间 让我从青涩走向成熟 回顾这一程求学 路 给我帮助的人太多太多 在此学业即将完成之际对他们献上我诚挚的谢意 饮其流时思其源 成吾学时念吾师 值此论文完成之际 谨向我尊敬的指导 老师周老师及助教姚小海助教致以诚挚的谢意和崇高的敬意 论文期间 老师们 不顾教务的繁忙 设身处地的为我们找资料 查文献 解决我们遇到的很多问题 力争让我们的论文做到完美 授人以鱼 不如授之以渔 您教会我们的更重要 的是学习的方法 您还教会我们待人接物和为人处世的道理 您的勤奋 让我明 白天道酬勤要坚持始终 您的博学 让我知道学海无涯仍需努力 您的朴实 让 我明白善良的价值 生活中 您还教我们如何真诚做人 做事不拖沓 老师平易 近人的人格魅力 严谨进取的治学精神和乐观向上的生活态度 将是我今后生活 工作中的指路航标 桃李不言 下自成蹊 师恩深厚 不敢言报 唯有今后以百 倍热情工作 学习 力争有所建树 以报师恩于万一 临别之际 真诚的祝福秦 老师 身体健康 生活顺心 最后向评审论文及参加本人论文答辩的各位老师献上诚挚的谢意 您们辛苦 了 叠层陶瓷喷嘴的冲蚀磨损 译文 叠层陶瓷喷嘴的冲蚀磨损 译文 邓建新 刘丽丽 赵进龙 孙军龙 山东大学机械工程系 中国山东省济南 250061 接稿 2006 年 3 月 31 日 收搞 2006 年 6 月 30 日 摘要 SiC W Ti C 叠层结构的陶瓷喷嘴通过热压成形 热压是为了减少喷嘴进出 口区域的拉应力 在合成物的烧结过程中由于 SiC 和 W Ti C 固溶体的热量膨胀 系数和收缩率不同将导致残余应力产生 通过有限元方法可以分析该残余应力 叠层陶瓷喷嘴的冲蚀磨损是由沙粒的冲击产生 这个实验结果和一个在相同条件 下不受压应力的参考喷嘴实验结果相比较而得 这个实验的结论已经表明叠层陶 瓷喷嘴比相类似的自由应力喷嘴有更高的抵抗冲蚀磨损性能 1 引言 喷沙处理是一个研磨的加工程序并且广泛地作为表面的加强 1 表面的修正 2 表面的清理和除锈 等等 它适用于硬且脆的材料 易延展的金属 合金和非 金属的材处理 在沙喷的过程中 从喷嘴里出来的高速喷射的精细研磨微粒和载 流气体撞击目标对象的表面来冲蚀该表面 精细微粒通常由高于几倍大气压的气 流来加速 粒子直接对表面进行处理 当粒子冲击表面时 粒子引起一个小的破 碎 气流会将研磨粒子和已破碎的粒子带离去 喷嘴是喷沙设备中最紧要关头的 部份 有许多因素影响力喷嘴的磨损如 流量率和冲击角度 冲蚀研磨剂性能 喷嘴的材料和它的几何形状 温度 有高耐磨性的陶瓷有很大的潜力做为沙喷的 喷嘴材料 一些研究已经显示陶瓷喷嘴的进口区域展现了一个感应去除程序的脆性破碎 而中央的区域显示出材料切除模态的耕犁类型 在沙喷中当冲蚀的微粒以高的角 度 将近 90 冲撞喷嘴进口区段 见到图 1 喷嘴进口区域遭受形严重的 研磨冲击 这可能引起大的张应力 最高的张应力位于喷嘴的进口区域 因此 喷嘴进口区域的冲蚀磨损相对于中心区域的磨损来说 总是严重的 图 1 沙喷过程中冲蚀粒子与喷嘴间的作用示意图 由不同材料的交替层构成的叠层混合结构能适当地被设计 促使对一个表面 产生压缩残余应力 从而提高了表面的机械性能和耐磨性 残余应力增大主要是 在于热膨胀系数 CTE 烧结率 相阶段和相邻层的弹性模量之间的搭配 并 且残余应力区域决定于分层的结构几何形状和层之间的厚度比率 Toschi 等人 报告叠层混合结构能改善氧化铝的滑动耐磨性 Portu 等人表明表面区域受压缩 残余应力的叠层结构组成而得的混合物材料能具备更好的磨擦性能 邓教授等人 证实倾斜的陶瓷喷嘴能展现出比一般位置的陶瓷喷嘴更高的耐磨性 目前的研究中 SiC W Ti C 叠层结构的陶瓷喷嘴为了要在喷嘴的进出口区 域减少张应力 靠热压的方式生产 在烧结过程式中叠层喷嘴的残余应力由有 限元方法计算而得 叠层陶瓷喷嘴冲蚀磨损对照于相同的条件下一个不受应力的 叁考喷嘴而被考查 2 材料和实验步骤 2 1 准备叠层陶瓷喷嘴材料 SiC W Ti C 开始的材料是 W Ti C 固溶体粉末 平均颗粒大约为 0 8 m 纯度为 99 9 SiC 粉末的平均颗粒大约为 1 m 纯度为 99 8 六种不同含量的 W Ti C 55 57 59 61 63 65 vol 被选择去设计六层结构 SiC W Ti C 叠层喷嘴材 料 叠层陶瓷喷嘴材料的成分分配在图 2 被显示 它指出叠层喷嘴材料的成分 分配在喷嘴轴的方向中改变 如 SiC 的热导率比 W Ti C 的更高 当它的热膨 胀系数比 W Ti C 的更低时候 SiC 的最高含量的层被提出在进入层和出口层 中两地方 见图 2 1 a 相似的无应力的喷嘴没有成分变化在图中 2 b 被 显示 叠层陶瓷喷嘴在进入和出口两区域叫做 GN 3 无压应力喷嘴叫做 CN 2 图 2 1a 为陶瓷喷嘴在进口和出口区域 GN 3 辗压的照抄原文 W Ti C 成 分分配示意图 b 为相似的无应力喷嘴 CN 2 SiC W Ti C 以六种不同混合比合成的粉末被分别地在酒精中和接合的碳 化物球体研磨 80 个小时而成湿球来作准备 在弄干之后 和不同的混合比的混 合物粉末依次被叠压进入模子之内 这时样品在流动的氮气中以 30 MPa 压力 1900 温度热压 40 分钟 2 2 喷沙测试 如图 2 2 1 所示 空气喷射研磨机床 GS 6 类型 的示意图 它由一个空 气压缩机 一只喷射枪 一个控制阀 粒子供应管 一个过滤器 一个干燥器 一个调压阀 灰尘捕捉器 一个研磨漏斗 和一个喷嘴 气流流程率被被压缩 的空气控制 而且研磨粒子的速度经过喷嘴被调整为 60 米 秒 图 2 2 1 空气喷射研磨机床的示意图 1 空气压缩机 2 控制阀 3 过 滤器 4 干燥器 5 调压阀 6 吸尘器 7 喷枪 8 研磨 漏斗 9 陶瓷喷嘴 被用于这一项研究的冲蚀研磨剂是 50 150 m 谷粒大小碳化硅粉末 作为 干沙喷射的 SiC 粉末的 SEM 显微图在图 4 中所示 图 2 2 2 沙喷中被用的 SiC 研磨剂的 SEM 显微图 内直径 8 毫米和长度 30 毫米的喷嘴由 SiC W Ti C 的叠压结构 GN 3 制造而成 无压应力结构 CN 2 被热压制造而成 如图 2 2 3 所示 图 2 2 3 GN 3 叠层陶瓷喷嘴的照片 磨损的喷嘴损失量被一个精确的电子称测量 最小量 0 1 毫克 所 有的测试情况在表一中被列出 喷嘴的冲蚀率 W 被定义为喷嘴损失量除以 1 m 喷嘴密度 d 和冲蚀研磨粒子的乘积 W 的单位为 2 m 21 mdmW gmm 3 有限元方法 FEM 被做为一种数字地分析在制造过程中叠层陶瓷喷嘴的残 余应力和它的分布状态的方法 为微小损害的观察和冲蚀机制的检测 磨损的喷 嘴被轴向地分为区段 喷嘴的被侵蚀的孔表面由扫描电子显微镜检查 3 结果和讨论 3 1 叠层喷嘴材料的显微结构特征和性能 硬度测量在 GN 3 叠层喷嘴材料的横截面面的每层上放着维氏压痕处操纵 压痕负荷是 200 N 这时每层的三个压痕的最小量被测试 每层的维氏硬度 GPa 靠 P 是压痕负荷 N 2 是压痕对线的长度 计算所得 每层 GN 3 叠层 喷嘴材料的硬度被列出在表二中 GN 3 叠层陶瓷的喷嘴材料磨光的每层 SEM 显微图如图 3 1 所示 黑色的区 域被 EDX 分析鉴别为 SiC 和鲜明的对比白色的区域是 W Ti C 可以被看到 SiC 粒子非常匀均地在显微结构中普遍分布 多孔性事实上是不存在的 图 3 1 GN 3 叠层陶瓷的喷嘴材料磨光的每层 SEM 显微图 a 第一层 进口区 域 b 第二层 c 第三层 d 第四层 e 第五层 f 第六层 3 23 2 叠层喷嘴的残余应力叠层喷嘴的残余应力 制造过程中的叠层陶瓷喷嘴的残余应力被假设箱子从烧结温度 1900 冷却到 室温 20 经由有限元方法计算 W Ti C 和 SiC 的热机械性能依下列各项所得 由于对称 轴对称的计算被推荐 假定它是稳定状态边界条件 在 GN 3 叠 层喷嘴中从烧结温度冷却到窒温过程中轴向的 径向的 很明显 一个额外的压 缩残余应力在 GN 3 叠层喷嘴进口与出口区域处被形成 图 3 2 GN 3 叠层喷嘴在制造过程中的 a 轴向的 z b 径向的 r c 圆 周向的 残余应力沿喷嘴轴向不同位置的分布 3 33 3 叠层喷嘴的冲蚀磨损叠层喷嘴的冲蚀磨损 GN 3 叠层陶瓷喷嘴的冲蚀磨损靠在沙喷时和 CN 2 无应力陶瓷喷嘴对比来 被评定 图 3 2 显示 GN 3 和 CN 2 喷嘴在沙喷过程中累积的损失量 很明显累积 的损失量随着操作时间不断地增加 在相同实验条件下 与 GN 3 叠层喷嘴比较 CN 2 无压应力喷嘴有更高的累积损失量 图 3 3 a GN 3 喷嘴和 CN 2 无压应力喷嘴在沙喷过程中累积的损失量 磨损的陶瓷喷嘴在操作之后在纵向的方向被切断 出现分析失败 图 3 3 a 所示为操作 540 分钟后的 GN 3 和 CN 2 喷嘴的内部孔的轮廓相片 它被表明沿 着喷嘴纵向的方向磨损的 CN 2 喷嘴的内部孔的直径是比磨损的 GN 3 叠层喷嘴 更大 尤其在喷嘴进口区域 图 3 3 b 操作 540 分钟后的 GN 3 和 CN 2 喷嘴的内部孔的轮廓相片 GN 3 和 CN 2 喷嘴进口孔直径随着冲蚀时间而变化的结果如图 3 3 b 所示 它被指出 CN 2 无压应力喷嘴进口孔的直径随操作运行时间而扩大得很快 然而 GN 3 叠层喷嘴进口孔直径慢慢地随操作运行时间增大 图 3 3 d 表示沙喷过程 中 GN 3 和 CN 2 喷嘴的冲蚀率对比 显而可见 无压应力喷嘴的冲蚀率比叠层 喷嘴的冲蚀率更高 因此 很显然在相同测试条件下 GN 3 叠层喷嘴比起 GN 2 无压应力喷嘴展现了较高的冲蚀耐磨性 图 3 3 c GN 3 和 CN 2 喷嘴进口孔直径随着冲蚀时间而变化 图 3 3 d 沙喷过程中 GN 3 和 CN 2 喷嘴的冲蚀率对比 图 3 3 e 表明受磨损的 CN 2 无压应力喷嘴的进口孔的表面 SEM 显微像 从这些 SEM 显微像 喷嘴的不同形态学和破碎模态能被清楚地看见 CN 2 无压 应力喷嘴在进口区域处以非常脆的方式中失败 而且展现了一个促使去除处理的 脆性破碎 位于喷嘴孔表面上有许多明显的凹坑 该表面表示脆性破碎发生的表 面 呈现在 GN 3 叠层陶瓷喷嘴被侵蚀的进口孔表面的典型 SEM 图 如图 3 3 f 所 示 显而可见 叠层喷嘴受侵蚀的区域的出现表示与无压应力喷嘴受侵蚀的区域 相比 它有一个相对平滑的表面 图 3 3 e 受磨损的 CN 2 无压应力喷嘴的进口孔的表面 SEM 显微像 图 3 3 f 受磨损的 GN 3 叠层陶瓷喷嘴的进口孔表面的 SEM 图 因冲蚀磨损而失败的陶瓷喷嘴通常由在喷嘴进口区域受大的张应力的破碎所 引起的 11 15 因为喷嘴进口区域遭受严重的研磨冲击 而且产生大的张应力 这 可能引起表面下的侧部裂缝而且促进了材料碎片的去除 因此 喷嘴在进口区域 处的冲蚀磨损依赖于压应力的分布 一旦最大的张应力超过喷嘴材料的极限强度 将会发生破碎 在进口区域和出口区域根据压缩残余应力的形成而分析 GN 3 叠层喷嘴比 CN 2 无压应力喷嘴具有较高的冲蚀耐磨性 当计算以上数据之时 在从烧结温度 到室温的制造过程中 GN 3 叠层喷嘴的进口区域和出口区域处将形成受压的残 余应力 它可能会部份地与产生外部负载的喷嘴的进出区段处的的张应力相抵消 这影响可能导致增加对破碎的抵制 因此增加了叠层喷嘴的冲蚀耐磨性 4 4 结论 结论 SiC W Ti C 叠层陶瓷喷嘴通过热压而制造 目的是在沙喷过程间减少喷嘴 在进口和出口的区域的张应力 特别注意的是叠层陶瓷喷嘴的冲蚀磨损 结果表 示了相对于类似的无压应力陶瓷喷嘴 叠层陶瓷喷嘴有上好的冲蚀耐磨性 可靠 的机制被解释作为在制造过程中叠层陶瓷喷嘴进口和出口两区域压缩残余应力的 形成 它可能会部份地与产生