舵机转向方法在移动机器人中的应用研究

本科毕业设计题目舵机转向方法在移动机器人中的应用研究作者朱亚伟专业电气工程及其自动化本一指导教师陈峰完成日期2015年5月29日原创性声明本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名日期本论文使用授权说明本人完全了解南通大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容。（保密的论文在解密后应遵守此规定）学生签名指导教师签名日期南通大学电气工程学院2015年5月29日题目舵机转向方法在移动机器人中的应用研究姓名朱亚伟指导教师陈峰专业电气工程及其自动化本一南通大学毕业设计（论文）摘要移动机器人在现阶段发展迅速，转向功能是移动机器人能够工作的基础要求。本文从舵机转向进行研究，探究舵机实现移动机器人转向的可行性和意义。首先，介绍了移动机器人的重要意义和发展简史，对移动机器人的基本结构和组成部分作出简单介绍，简述了机器人的工作原理。其次，根据模型的转向模拟图，构建了数学模型，编写出运动方程，并且分析得到小车转角的最小角，介绍了舵机的工作原理和舵机的转向原理。再次，根据研究课题的需求，制作了一辆智能小车，能够模拟实现移动机器人的转向，并且对智能小车的使用模块介绍，阐述其工作原理。最后，进行测试试验，发现智能小车的不足。关键词舵机，移动机器人，数学模型ABSTRACTNOWADAYS,MOBILEROBOTDEVELOPSRAPIDLYSTEERINGDEVICEISBASICREQUIREMENTFORMOBILEROBOTWORKTHISPAPERWILLSTUDYTHEFEASIBILITYANDSIGNIFICANCEOFSTEERINGENGINETOMOBILEROBOTSVEERFROMTHEASPECTOFSTEERINGENGINEFIRSTLY,THISPAPERINTRODUCESTHESIGNIFICANCEANDHISTORYOFMOBILEROBOT,DESCRIBINGBASICSTRUCTUREANDCOMPONENTSOFMOBILEROBOTANDANALYZETHEWORKINGPRINCIPLEOFROBOTSSECONDLY,THISTHESISPRESENTSTHESTRUCTUREANDTHEWORKINGPRINCIPLEOFSTEERINGENGINETHISPAPERCONSTRUCTSTHEMATHEMATICALMODELANDWRITESTHEEQUATIONACCORDINGTOVEERMIMICDIAGRAMANDTHEMINIMUMANGLEOFMODELVEERWILLBEOBTAINEDTHIRDLY,ACCORDINGTOTHEREQUIREMENTOFSUBJECTRESEACH,ANINTELLIGENTMODELCARWASMADETOSIMULATETHEVEEROFMOBILEROBOTTHENTHISPAPERINTRODUCESTHEUSEOFINTELLIGENTMODELCARANDSTATESITSWORKINGPRINCIPLELASTLY,THEINTELLIGENTMODELCARTESTTHETESTANDFINDTHESHORTAGEOFTHECARKEYWORDSSTEERINGGEAR,MOBILEROBOT,MATHEMATICALMODEL目录摘要IABSTRACTII1绪论111引言112研究背景和意义113移动机器人发展史114机器人国内外发展现状315舵机在机器人中的实际应用32舵机转向原理521舵机转向模型522舵机运动模型及转角控制623舵机的工作原理83硬件平台分析1031电源供电系统1032电机驱动电路1033舵机模块分析1334脉冲脉宽控制模块介绍1735超声波避障模块184调试实验2141硬件平台的调试2142平台的整体工作流程2243测试实验235结论与展望25参考文献26致谢27第一章绪论11引言移动机器人作为机器人学科的一个重要发展方向，在对周围环境的判断的基础上能够根据指示或前期目的自行做出反应，现在的移动机器人的行业的发展，相关的机器人的使用方向有了更大范围的扩充，将更多的学科综合使用到移动机器人当中。从最初的军事国防行业，到后来的普通工业的使用，以及现今的家庭日常生活中的简易机器人的大范围使用，已经让全世界都意识到了机器人这一行业在各行各业和日常是不可或缺的。不止是作为机器人和智能化的基础，基本的转向的实现也就是一项基础的要求1。现阶段对移动机器人的普遍采用的转向方式也就是差速和舵机的方法。本文研究的就是通过舵机的控制方法实现转向。12研究背景和意义当今时代的发展带动了城市的繁荣，城市也在日益的扩大规模，与此同时的交通，环境，安全等等都出现了很多严重的问题。工业和经济的全面发展保证了社会的全面发展，保障了人民的基础需要，但是科技实力的进步意味着生产的规模化和产业链化，工人们在生产过程中由手工业者向设备操作者的变化是必然的发展趋势。周围的交通安全问题和生产工作的安全问题都是提出了对车辆和机器人等生产生活工具智能化的要求，对于个人和生产者而言智能化是必然的。现在的移动机器人按运动方式进行区分的话可以分成轮式，腿式和混合式三种2。而按照现在实际生活中的需求，从稳定性和效率方面进行比较的话，轮式机器人更能满足日常的生产生活需要，同样也能在智能车上有更多的实际应用。13移动机器人发展史最开始的移动机器人是在上个世纪六十年代被美苏两个超级大国用于月球的勘测工作，首先是美国的探月机器人被宇宙飞船发送到月球之后再由地球上的指挥中心发出指令后在月球上工作，完成了地表勘测并回传相关数据；再有苏联的探月机器人在无人宇宙飞船的传送下到达月球，将月球表面的部分岩石采集之后顺利的装回到回收舱内运回到地球，为之后的月球表层成分研究提供了基础。国外的许多国家在移动机器人方面走在了世界的前列，他们已经取得了令人称赞的成果3。不只是在航天事业上的应用与开发，从上世纪六十年代开始由斯坦福大学研究成功的SHAKEY（如图11）和同时期的步行机器人GENERALELECTRICQUADRUPED引领了移动机器人的诞生，开始了移动机器人的发展之途。七十年代时期，机器人主要应用于军事领域，早稻田大学顺利的开发出了类人型机器人，能够模仿人类动作并且有行走功能，不只是陆上使用，特殊环境下的机器人使用范围更加的广泛，水下机器人和其他能够适应特殊环境的机器人也应运而生。在七十年代后，电路集成化程度越来越高，促进计算机技术的发展，伴随着计算机技术的突飞猛进，移动机器人技术也随之产生质的飞跃，特别是美国，日本，欧洲这些国家和地区的一系列在机器人上的投入带动了整个产业的发展4。不止各国政府在机器人研究上花费了大量人力物力，众多的世界大型公司也纷纷投掷重金于机器人产业，开发了诸多出色的机器人模型和控制系统，并且将部分机器人投入到生产，开发出具有不可估量的商业价值。图11最初的机器人SHAKEY由于机器人的使用方向越来越大，为了机器人能够适应不同的需要，差别化的设计也就是必然趋势。虽然机器人出现了差异化，但是在传感器，控制等方面依然是相同的技术发展要求，例如在传感器方面是每个机器人不可或缺的一项基本功能要求，如若缺少了传感器机器人根本不能认知周围的现实环境从而根据实际做出相应的动作。移动机器人在被设计的时候会根据使用环境采用合适的移动方式，轮式被更多运用在平整的路面上，而腿式用在了山地和不平整的地带。移动机器人的控制也从最初的遥控器手动遥控到后来的半自动监控方式，直到现今的高度自动化能够自动应对周围环境，现在从多个学科共同研究更高自动化程度的移动机器人。14机器人国内外发展现状国外从上世纪80年代中期就在日常的生产和生活当中大规模的使用机器人，减免人类的工作量，提高生产效率和生活质量，尤其现在特定行业的专业化区分使用格外醒目。我国在机器人领域进入的时间较晚一些，但是我们在这上面投入还是较大的，较为早期的863发展规划里就是将机器人作为发展的重点，发展到现今的阶段拥有了大量的实力不容小觑的专业素质人才，为我国未来的机器人事业奠定了基础5。邻国的日本因为目前人口负增长很早之前就发现了机器人对于未来的影响，国家和大型企业都相继投入大量人力物力在机器人事业当中，在普通民众当中也形成了对于机器人的重视观念机器人是未来必不可少的。美国发明机器人之后曾经有过理论重于实际的阶段，但是其技术基础远远优于他国，机器人技术仍然使其他国家望其项背。韩国的机器人产业起步也较晚，在近些年同样投入大量人力进行机器人行业的发展，将机器人产业作为本国的未来重要产业，并且宣称，其机器人技术发展迅速有望在十年内赶超美欧国家。机器人还在不断的发展当中，各行各业的特殊要求为机器人行业注入了动力，同时也为开发增加了不小的挑战。15舵机在机器人中的实际应用机器人的一项基本功能就是能够精准转向，舵机现在被大量的使用在智能小车的控制上面，如在飞思卡尔的智能车比赛当中，舵机成为很多选手和队伍的选择，主要的就是应用了舵机在移动机器人的转向功能，能够充分满足智能小车的精准转向要求；除了智能小车之外，能够模拟动物关节的类人机器人当中必不可少的就是舵机的使用，可以用来灵活控制关节，能够做到180的转向，代替人类从事极限或特殊情况下的工作，减轻工人的工作难度。舵机的广阔适用范围已经让人无法忽视舵机的重要作用。如下图所示的类人机器人，能够模拟人体的各个关节。图12类人机器人第二章舵机转向原理首先对移动机器人使用舵机方法转向的转向系统进行简单分析和数学建模，再从舵机原理方面阐述舵机的具体工作方法。21舵机转向模型首先建立如下图所示的四轮轮式移动机器人的简易的舵机转向运动时移动机器人模型的分析，用于分析移动机器人在动作时的速度；下图的模型分析是采用舵机控制前面左右两轮的方式进行转向控制的。图21移动机器人转向模型在上图中，和代表的转向的前轮的转动角度，是车的中心点的侧偏角度，是D移动机器人的转向半径大小。假设在移动机器人没有打滑的情况下，并且前轮的左右两轮受力均衡和轮胎没有发生形变，这个转向模型就是一个理想状态下转向模型即阿克曼转向模型。并且可以由图看出，后轮的车轴延长线与前轮的左右两轮的转向轴线肯定能相交一点，就可以由此得到移动机器人的转向半径但是，由上图的转向示意图可以看出移动机器人在向右转弯时，在移动机器人的中心处有一个明显的向外的角度，将移动机器人中心处的角度进行平行车身和垂直车身两方向的速度分解后可以明显看到即在垂直方向的速度分量是朝向车外的，移动机器人1V在朝向右转时必然会有向外的趋向；因此移动机器人必然会出现侧滑的现象，如果不加以平衡的，移动机器人将会以一个大于理想转向半径的圆弧转向运动，难以内切，且有一定的滞后性6。22舵机运动模型及转角控制图22移动机器人运动轨迹如上图所示，将舵机的中心作为坐标原点，来建立一个二维坐标系进行分析，将车的中心线定义为Y轴，并且为了方便分析，将小车的运动方向定为Y轴的反向，则小车的运动轨迹在原点处的与运动轨迹圆周的切线和中心线即Y轴正向的夹角即舵机的运动转动角度7。假设A点为运动到现在这个原点的初始地点，可以有以下的推算（21）2BALR（22）TN（23）1N在以上的公式当中，表示的是小车运动的轨迹半径，是小车底盘的两轴之间的轴RL宽，是舵机的转角度数的理论值，是指转动叫的与信号PWM数值的转换系数，而是舵机的转角度数的实际值。1虽然单片机等这些可编程器件运转速度很快，但是处理这些数据还是花费一定的时间，这些时间和机器人的整体快速相比而言还是蛮大的延误，此外舵机的运转转角同样耗费时间，这些时间损耗必然对整个机器人系统有所延误。为了研究运动轨迹方便，小车反向运动，假若在T时间长度之前的舵机所在点是点，A点为运动一段,GXY时间后的点。如下图所示，到达点E后此时速度是，车轮的角度是，V图23移动机器人延时轨迹则有公式（24）VTR（25）TANL通过上面两式有，（26）TANTL2COSSI2XEFY（47）VT通过上式有，（48）OFAXABY通过上面各式能够得到后坐标是，TCOSSINGXFMOA（49）YAF得到了后的点，令，代入到41中，再得到R的数值，通过TAXBGY44计算出。2由移动机器人转弯时的运动的速度分量可以看出舵机必然会向外的侧滑，不能保证机器人能够按照最小转角半径转动，要加大转角角度平衡侧滑作用8。因此原本的舵机转角为，速度是，考虑平衡侧滑之后，舵机的转角是，速度加大到,则有，2V31V41032K4111V上面两式计算出舵机的工作的转交角度，将代入43，能够算出实际的输出3PWM值。23舵机的工作原理比例电位器齿轮组马达控制电路控制脉冲比例电压图24舵机结构原理图根据上图的舵机的结构原理图将舵机的工作原理进行细致的说明。理想的控制脉冲发送到了控制电路之后，控制电路会根据这个控制脉冲在信号芯片运行后产生直流偏执电压。电机驱动电路在接受到了直流偏置电压之后会依照电压的大小使得电机做出对应的工作。电机的转速会在齿轮组的调节下大幅度的减小，而使得电机的输出扭矩在输出之前成反比的放大，起扩大作用。最尾端的齿轮可以带动电位器工作，在得出舵机实际的转动角后将数值回馈到控制电路中去。控制电路依照电位器的反馈信息与要求的转角进行比较，再发出新的控制脉冲转动角度或者已经完成转角要求，没有新的脉冲。实现舵机的闭环控制转角的工作过程。现在使用的模拟舵机不可能单独使用，舵机的控制器必须依照脉冲宽度来进行相应的控制，而这个不可少的脉宽信号则是采用外在的控制器发出的信号对舵机做出控制工作。因此，舵机还有3根线必须与外部连接。第一个是电源线，为舵机提供电力来源和动力基础，供电电压基本在48V6V之间。第二根是地线，起到接地的作用。第三根是信号线，也是最为重要的，它提供了脉宽信号，周期是20MS，脉宽则在05MS25MS之间，能够使得舵机的角度从90到90的精准调整。实际应用的时候，可以依照转动的角度需求进行准确的调整。使用外联的控制器依照我们实际的需求角度对脉宽进行调节，在05MS25MS之间调整脉宽，传送到舵机内部的信号会使得舵机有相应的转动，精准转动到达需求的位置，如下图就是输入信号的脉冲宽度和舵机的输出轴转动角度的对应关系9。图25输入脉冲与输出转角对应图第三章硬件平台分析本文为能够直观的实现舵机转向的工作过程，因此设计并且构造出一个移动机器人的硬件平台，用于研究舵机转向的方面，此平台使用的是日本的FUTABAS3003型舵机，使用的是STC12C5A60S2的单片机作为外接的舵机控制器，L298N芯片来控制电机驱动模块驱动后轮的直流电机，选用的HCSR04超声波模块作为是否转向判别。本章对硬件部分进行详细的介绍，以及对于硬件选择的说明。31电源供电系统电源供电系统为各个模块提供电源，并且为硬件平台的转向舵机和运动电机作为动力来源，提供电能，因此，为了方便这个智能小车能够方便移动，并且能够满足各个模块的供电需求，选用了可重复充电的充电锂电池作为电源，从可行性上考虑，在智能小车的后轮轴承上设置空间放置电池。因为需要同时满足转向的舵机、后轮驱动的电机、控制舵机的单片机和超声波模块的工作电压要求，就在所有模块的各工作电压额定数值基础上，略微高一些并且符合实际情况，采用将两组锂电池串联的方式将工作电压翻倍，到达了72V的电压供给，满足电压的需求的基础上，也不会因为电压过高失误烧毁部分元件，现实操作也可行一些。方便将电池固定在智能小车上，也不会阻碍小车的动作和转向实验，将外界影响尽量降低，重复的充电电池也保证了小车的重复使用，发挥价值。选择串联电池组的方法使用方便，而且满足需求，有效保证小车的使用。32电机驱动电路移动机器人的根本能力就是能够顺利的动作，因此，对于整个硬件平台的基础模块就是对于后轮的直流电机的有效控制。在本移动平台中，选用的是L298N电机控制芯片，相比较其它的同功能芯片而言，L298N已经相对成熟而且适用范围广泛，它能够同时控制两个直流电机，这是选择这一芯片的基础。除了能够有效的同时控制两个直流电机之外，它还能满足智能小车对于要能够对直流电机实现正反转和调速要求，不仅如此，相比其它芯片，L298N能够有很好的启动性能和启动转矩，这就是它的优点。图31L298N原理图上图是L298N的原理图，下图是其实物图，将两张图参照，简述其工作原理。上图中的6和11口即实物图中的通道A和通道B输入PWM信号后对A，B两个电动机即移动小车上的左右后轮进行驱动，PWM信号通过对占空比的大小调节能够直接调节速度10。5，7，10，12四个口两两对应，通过单片机输入实物图中的逻辑输入口，对照下面的输入信号与电机动作状态表，可以根据输入电平的高低在驱动电路中产生的结果得知下表中的控制方式和电动机状态结果。图32电机驱动电路实物图表31输入信号与电机动作状态表ENA/ENBIN1/IN3IN2/IN4电动机状态0XX停止100制动101正转110反转111制动在实际的小车组装过程当中，移动平台的基础就是小车能够有效的运动，电机调速是不可少的过程。在调试过程中，先行组装好底盘后即对后轮的左右两轮的驱动电机进行调速，并且保证在输入不同大小占空比的PWM信号后，测得的驱动电机的两端电压大小相同和相近，因为电机的两端电压大小决定了功率大小进而决定两轮的转速，必须保证左右两轮的转速相同，才能使得智能小车在直行状态下匀速稳定运动。33舵机模块分析331舵机的结构由于技术不断进步，多种多样的驱动装置被研发出来，舵机自研制成功之后就被大量的应用于机器人的驱动之中。舵机兴起于航模，现在也被运用于赛车中用来控制前轮转向。舵机的个头不大但是简单易用且能提供较大的功率，因此被广泛的应用在机器人上特别是小型机器人上更是十分实用的。舵机也叫做伺服电机，运用的是闭环控制系统11。在一定的指令控制之下，舵机能够运动到准确的角度上，这一项的准确性适用于对运动角度有高要求的类人型机器人的关节运动。现在舵机的发展前景令人看好，众多的相关生产和研发企业都竭尽全力投入其中，追求高效益的同时也在间接的让舵机的发展更上了一个台阶。舵机目前主要有模拟舵机和数字舵机两种12。本文主要研究的是模拟舵机。现阶段的驱动方式除开舵机以外，还有的较多的采用直流电机和步进电机在机器人的控制的控制上，除了小型的机器人外，大型机器人采用以上两种控制方式的也较多。先将选择的电机进行对比。步进电机能够准确的让运动轴运转至转角点，而且由于步进电机通常运动的角度只在1左右因此其能够准确的运动至相应的的角度，然而步进电机也存在一定的不足之处，它只能够依照已有的规律为各绕组供电且循环往复才能保证电机的正常运转。步进电机与普通的直流电机不同，步进电机的转矩相对较小些，但是同时消耗的电量不小，而且控制电流存在着不稳定的因素。不只是大量电量损耗的问题，步进电机还存在一定的失步问题。步进电机按照一个控制脉冲就能够移动一步的工作方式。但是在日常的工作当中，电动机因为连续运动会产生失步，造成实际的前进步数少于理论步数即脉冲的数量。造成失步问题的原因有以下几点如因运行频率上升反而使步进电动机的的户数转矩下降，在此之中出现的较高的工作频率而出现失步；也可能因步进电机的负载的惯性使得电机在启动时不能快速启动而出现了失步问题共振问题也会引发失步现象13。这些都导致了步进电机在小型机器人上的不确定性、难以操控。除却步进电机之外，直流电机也会被运用在机器人之上。直流电机在启动和制动上面存在明显的优势，在直流电机的运动过程中可以非常直接地测速。直流电机的正常转速较高，但是与机器人控制的速度要求不相符，机器人的控制并不需要直流电机的高速运转，为了满足机器人控制上的实际要求，我们往往要加入其它设施减速之后再来满足机器人运动控制的要求。现在我们使用的舵机就是直流电机的基础上采用伺服形成闭环系统来有效的保证实际前进步数的正确性。舵机的构造相对来说并不复杂，主要就是包括了舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计、直流电机、控制电路板等。它能够结合直流电机的作用，保证了能够快速的到达要求位置，不会因为速度过快而出现误差。而且因为使用减速器能够直接的且大幅度的减少了电机的速度。另外也因为使用的齿轮组通过增加转矩来提升电机的负载，直接的扩大了舵机的使用范围和应用方向。舵机同样有部分的不足之处。舵机无法直接通过仪器在表面测出它的速度，必须采用特殊的设备才能测出。此外，因为旋转限定问题，舵机的脉冲周期限定在了20MS以上才能动作。舵机也有些许的不足。舵机是由表壳，无核心马达，舵盘，齿轮组，位置反馈装置，控制电路等等组成。表壳的主要作用是简单的保护措施，避免外部物体进入，影响多级工作。表壳的材质采用较多的是塑料的，质量较轻，有效的减轻了舵机重量，在微小模型的使用上较为方便实用。也有的是采用合金的材质，能够增加保护性能和导热性能。对于一些有着较高要求的舵机在选择是可以采用金属制式的外壳，加快散热和对内部器件的保护功能。无核心马达也就是空心杯电机，是直流电机的一种。无核心马达的独特的结构构造与以往电机的传统转子截然不同，它拥有独特的节能能力。因为其无铁芯转子的结构，充分满足了伺服电机对于高转速的要求。舵盘将舵机的运动输出，带动其它装置的运动，例如实现移动机器人的转向，人型机器人的关节部位的转动做出相应的动作。齿轮组配合无核心马达，达到减速的效果，满足机器人控制的需求。齿轮组和表壳一样，在材质上有塑料和合金的不同选用。塑料制成的齿轮组可以有效的减轻重量，经济成本较低，经济实惠；但是质量参差不齐，部分工作无法完成，容易磨损，影响工作。合金的齿轮组质量过硬，不易损坏，工作使用期限较长；但是也存在一定缺陷，如重量较大，花费较大，齿轮之间密合度不高问题等等。两种材质各有各的优点与不足。也有部分采取了混合材质的齿轮，部分取用合金剩余使用塑料的方法保证质量。现在的主流的舵机类型主要是根据功率高低来选用适合的材质，对于小功率的使用塑料，大功率的使用了合金甚至使用较为昂贵的钛合金材质来保证质量，普通功率的采用混合材质的。位置反馈装置是在接受控制电路的信号之后已经变化后的方向进行进判断后再次的传回控制电路当中进行二次比较后，多次调整来达到方向的转变，完成转向。舵机的核心也就在于它的控制电路，直接连接各个部件运作，虽然每个部件都是不可或缺的，相对而言，控制电路的重要性更为突出。所有的舵机驱动电路都是由信号调制芯片和电机驱动芯片两个大部件组成。信号调制芯片通过信号的到相应的偏置电压，加载在驱动芯片上。驱动芯片控制电机的转动速度。此外，整个的控制电路中还有部分电容和电阻在其中工作，保证电路的正常工作。332舵机的选择要点舵机在使用的时候进行选用时要在多个方向进行对比选用如转速、转矩、电压、体积、材料、重度等等，每一项的差别都会造成舵机在使用时的效果，影响整个工作机器人的工作效果。首先舵机的选择就要充分考虑到转速的选择，舵机的工作直接反应就是在转速上面，因为舵机的外壳和体积问题，直接测出舵机的转速不太容易操作，平时的舵机转速的比较是看舵机在空载情况下转动六十度角度的时间大小，现在普遍使用的舵机转速在011S/60021S/60的范围内。具体情况下要依照速度的需求做出合适的选择决定。舵机在转矩方面的选择上也是必不可少的。舵机因为它的体积的大小限定，舵机的舵盘不会较大，舵盘和舵机轴的直线距离也就相对较小，其转矩的适用单位都是KGCM即是在距离舵机轴的一定距离的舵盘所能够带动转动的物体质量。考虑舵机的时候必要考虑舵机所要带动的物体的大小和质量，要相匹配。例如制造类人机器人的时候就要考虑机器人的不同关节承载的不同的部位和在机器人所处的位置，依照具体的应用选用能够提供不同大小的转矩的舵机来完成机器人的正常动作，因此转矩的考虑是必不可少的。电压的大小有多种的电压规模，并且目前用的最多的是48V和6V两种规格，但是在这两种规格之下舵机的速度和转矩都大不相同。例如FUTABAS9001在48V的工作电压下的扭力是39KG、速度是022S/60，而在60V的工作电压下扭力是52KG、速度是018S/60。普遍的应用中，JR生产的舵机基本是采用48V作为标准工作电压，而FUTABA是采用60V为标准工作电压。一般的情况下，电压与电机转速和转矩是成正比关系的，一般都是选择较高的工作电压；但是在实际应用的时候，舵机是作为机器人的配件，舵机的实际工作电压要视能够获得的来自机器人的电压而定，没有额外的供电来源。舵机的体积、重量和材质等等虽然有不同的选择但能够提供相近的功能，因此没有硬性的使用规定，具体的选择时看使用是否存在可能的限制，在这些方面有所选择，保证舵机能够正常使用并且保证一定的工作时长。333S3003型舵机移动平台的组建目的是使用舵机能够准确的转向，应用于这个移动平台的舵机就选用了S3003型舵机。S3003型舵机现在在市场上面使用范围广泛，而且价格相对便宜，适合现在的移动平台的使用。舵机的体积较小，内部紧凑，提供较大动力和扭力，但没有占据较大空间，有利于智能小车的独立动作，减少负载。根据下图图中的舵机构造，可以看出S3003型舵机是由直流电机，齿轮组，位置反馈电位器5K，舵盘，电机驱动芯片BAL6686和信号调制芯片BA6688L以及控制电路板组成的。MVCC5V15K15K26电机驱动输入BAL6686GNDH桥3523133UF脉冲展宽器脉冲宽度比较器参考电压调节器线性脉冲产生器746888047UF位置反馈环5K89206K121011反馈信号输入脉冲12MS22K910K速度反馈环图32S3003型舵机内部电路图简述一下S3003型舵机的工作流程就是PWM信号由接收通道进入信号调制芯片BA6688L的12脚进行调制，得到直流偏置电压。将直流偏置电压和电位器的电压进行比较，获得的电压差由信号调制芯片的3脚输出。当输出近入电机驱动芯片BAL6686后，驱动电机，使得直流电机作出正转或反转。当直流电机转动时，通过级联减速齿轮带动电位器RW1旋转，当电压差为0V后，电机就不会再转动，舵机也就运动到需求的角度上了。下表是S3003的一些基本参数表32S3003参数表参数数值尺寸DIMENSIONS404198360MM重量WEIGHT372G工作速度OPERATINGSPEED023SEC/6048V，019SEC/6060V输出力矩OUTPUTTORQUE32KGCM48V，41KGCM60V34脉冲脉宽控制模块介绍在这个移动平台里，选用的STC12C5A60S2型单片机进行脉宽控制。现在对于脉宽信号的输入方式也是比较多的，可以采用单片机，FPGA和PLC等可编程器件直接采用程序的方式输出相应的脉宽信号进入舵机。此外，也会模拟电路的方式组成外联控制器。单片机，PLC这些可编程器件都是独立运行的系统，内部相对稳定，而且可以控制单个或同时控制多个舵机，经济方便，控制方法也很灵活，可以多次反复使用。而且相对而言输出的脉宽信号非常稳定，不会出现较大误差。FPGA虽然在各种控制其中精准度最高，而且最为稳定，但是制作工艺要求过高，成本较大。而模拟电路则是通过运放器件这些组成外部的控制电路后输出有源滤波后的稳定电压。舵机的本身转动角度的需求，信号一定为50HZ即周期为20MS的硬性要求。实际使用的过程当中，模拟电路在使用时会由于运放器件的质量出入出现电压的浮动，然而舵机的使用要求却对这点较高，即5MV的不显著变化也会造成舵机抖动。实际的模拟电路不只是因为运放器件会出现电压不稳，电源本身也会因电路影响出现电压变动。实际使用的时候，电路的电力损耗的浪费，占据空间的阻碍，搭建电路的繁杂等等问题，以及基础的不能很好的满足脉宽信号的要求注定了模拟电路的实际应用的局限性。STC12C5A60S2型单片机先是要输出两路PWM信号能够输入到电机驱动电路当中以及一路PWM信号输送到舵机当中，利用的是单片机PCA工作模式输出PWM信号14。主要是通过单片机的辅助寄存器AUXR1的B6口输出功能，和对PCA比较寄存器的设置，将输出信号的输出口设定为P13和P14。对于输出的两路PWM将两路信号分别从P13和P14转换到P42和P43口，但是现在使用的单片机没有P40P44接口，即设置为缺省，依然从P13和P14口输出两路的信号，而对于舵机的脉冲控制没有特别限定，实验中设定P16口输出的是舵机的脉宽信号。通过编程输出脉宽信号前需要对脉宽的时钟频率进行设置，此单片机中的时钟源是SYSCLK，没有采用定时器，直接是出场时的默认频率为SYSCLK/256。35超声波避障模块移动平台使用HCSR04模块来实现避障功能，为移动机器人的转向提供基础。HCSR04模块使用超声波原理测量距离，不需要直接触碰即可测量002M4M的范围，而且准确度可以达到3MM；其整个模块是由超声波信号发射器、接收器和模块控制电路组成的。外界通过I/O口TRIG输入进10US的高电平信号，模块发射出8个40KHZ的方波，模块对信号的发射和接受自动判别，当接受到信号后在通过I/O口的ECHO向外界传出一个高电平，因此高电平存在的时间就是超声波从模块传出到传回的时间，测得距离就是高电平存在时间的一半与声速的乘积15。现在除了超声波的避障方法之外，还有采用红外避障的方法。红外线被定义为一种电磁波，特性包含了光线和微波部分特点，它既能够像光线一样，可以直线传播，也可以反射和折射；还有部分微波的特点，可以穿透物体。红外避障和超声波的工作原理相似，都是发射出信号，在接受反馈信号，不同的是超声波根据时长和传播速度得出障碍物体的距离，并且声波发射出后收到外界影响较小；而红外线则要依照反射回来的红外变化进行距离判别，红外线的强弱和距离的近远成正比。两者相比，超声波的测量工作较红外线更为稳定，和超声波的不易被外界干扰相对而言，红外线较易收到烦扰，不止是周围环境会有影响，被测物体本身的颜色和粗糙度都会对红外线的反馈产生影响，相同的距离下测量误差存在较大偏差。相对而言，超声波使用也简易一些，准确度高些，整个模块构造也不是很复杂。模块接口的功能和电气参数如下表表33超声波模块参数表图33超声波时序图上图是超声波的时序图，超声波模块的内部在接收到大于10US的脉冲信号，就会输出8个40KHZ的周期脉冲。因此能够的到测距公式，接口名称接口功能VCC提供5V电源GND接地TRIG触发控制信号输入ECHO回传控制信号输出电气参数HCSR04超声波模块工作电压DC5V工作电流15MA工作频率40HZ最远射程4M最近射程2CM测量角度15输入触发信号10US的TTL脉冲输出回响信号输出TTL电平信号，与射程成比例规格尺寸452015MM（31）2STVD式中，表示的是测得障碍物距离，表示的是发出信号到回收到信号的时间长度，DT是指声音的传播速度即340，因为往返传播，时间应该只有一半。并且设置的测SVMS量时间间隔超过60MS，一面发出信号和传回信号冲突。第四章调试实验在选择好相应的模块硬件设备之后，购买相应规格的小车底盘，保证能够将各模块有序的搭载在这个底盘上面，让小车顺利的动作，不会造成阻碍，破坏实验的准确性。下图为搭建完成的小车模型图41小车成品图41硬件平台的调试在硬件平台的搭建之前先要对需要舵机进行调试，将舵机的舵盘旋转到舵机的中心位置，才能够进行左转和右转的运动。在搭建平台之前，没有意识到需要先行多舵机的初始位置进行调试，导致舵臂不与舵机垂直，在调试能否正常的左转和右转时，小车向右打死，根本不能实现转向功能。在将舵机取下后，通过单片机输入购买时附带的复位程序，才将舵机回到初始位置。之后的组装没有出现问题，首先是对后轮的两个直流电机进行调试，测看电机驱动电路是否出现问题。在输入了两路恒定的PWM信号后，出现了两个电机运动方向相反的错误，将其中一个的正负交换接上后解决了问题。对左右两个电机的两端电压进行测试，如下图所示。图42后轮两个电机的两端电压左右两个电机的两端电压虽然有略微差别，但数值十分相近。在对舵机的工作效果进行调试时，输入稳定变化的PWM信号，舵机从90到0再到90，没有再出现问题。对舵机两端的测试。图43舵机PWM信号42平台的整体工作流程在对各个模块进行基本工作的能力调试好，确定每个模块都能够正常有效的工作，然后就编写出舵机在遇到障碍物体后的转向动作流程在确定一个障碍距离后，设定超声波模块在这个范围内测到障碍物体之后，就传回信号；而单片机内得到信号后向舵机输入信号，确定小车的转角大小，保证以小车的速度在撞上障碍物之前能够转向，同时单片机输入到电机驱动电路内的信号变化，调节速度大小，避免撞上。小车与障碍之间的距离D设定的距离L单片机接受信号DL小车继续前进DL舵机转向后轮速度调节小车正常运动图44小车转向流程图如上图所示，就是小车转向的基本流程。43测试实验小车在将编写的程序输入之后，对小车的整体功能进行测试，对不同情况下的小车能否正常工作。首先将小车的避障距离设置为05M，测试在面对不同遮挡物时的工作结果。第一种情况，测试小车在完全遮挡的情况下的反应，即让小车朝向一面墙前进的时候，小车能够及时的转向，完全避开了墙面，结果理想。第二种在遇到障碍不是很大面积的时候，测试时，将一个纸盒斜放在下车之前，小车没有检测到障碍，结果测试失败。后来查阅超声波的模块发现，该超声波模块能够测试的对象面积在05平方米之上才能发挥作用。除了测试避障物体，还测试了避障距离的设定。同样的避障物体是一面墙，分别将避障距离设定为05M，03M，01M的情况下，看小车能否顺利工作。在05M和03M的情况下，小车可以顺利转弯，继续运动；但是在01M的情况下，下车能够转弯，却在转动一定角度后撞墙，没有完成测试。在01M的避障距离下，应该超过了小车的转弯半径结果测试失败了。经过以上测试可以看出小车的使用范围有限，需要考虑避障的距离和躲避物体的大小。下图是小车工作时图。图45小车运动图第五章结论与展望本文将移动机器人作为研究的出发点，对舵机转向在移动机器人中的应用进行