阶梯攀爬机器人

1、阶梯攀爬智能机器人 -自动控制电路设计指导教师：杨 萍 李翠明 许军山主 讲：梁俊峰 成 员：常 明 黄志发 苏军昌2013年6月设计内容一、阶梯攀爬机器人简介二、机械部分介绍 变形轮、转向机构、传动系统、 重心调节机构、 底盘。三、机器人电路硬件设计 控制系统方案设计、主控芯片、电机驱动、 电源、舵机。四、机器人软件设计 超声波测距程序、系统初始化程序、 电机舵机控制程序。 阶梯攀爬智能机器人简介 机器人三维效果图 阶阶梯攀爬智能机器人是一种梯攀爬智能机器人是一种可以在陆地和阶梯间任意前行可以在陆地和阶梯间任意前行的机器人。的机器人。攀爬机器人主要由主控电路板、电机驱动板、超板、电机驱动板、

2、超声波测距模块、变形轮、转向声波测距模块、变形轮、转向机构、底板以及重心转移机构机构、底板以及重心转移机构组成。在平路上变形轮以不变组成。在平路上变形轮以不变形的状态像汽车一样可以在平形的状态像汽车一样可以在平路上以一定速度前行，在前行路上以一定速度前行，在前行的过程中的过程中四个超声波传感器检四个超声波传感器检测障碍物，四个传感器测得的测障碍物，四个传感器测得的距离经程序处理后来控制机器距离经程序处理后来控制机器人该执行相应的程序人该执行相应的程序。在遇到。在遇到障碍物的时候，由舵机控制转障碍物的时候，由舵机控制转向机构或者变形轮上的舵机动向机构或者变形轮上的舵机动作，以实现机器人绕过障碍物

3、作，以实现机器人绕过障碍物或者是越过障碍物。或者是越过障碍物。 主要创新点：变形轮的设计。主要创新点：变形轮的设计。 一、阶梯攀爬机器人简介机器人实物图 一、机械部分 1、特色创新设计-变形轮 楼梯攀爬智能机器人的主要创新机构是变形轮的设计，当车体在平地运行时，车轮为圆形轮毂式，通过电动机驱动使机器人前进或停止或后退，当超声波模块检测到到达阶梯时，机器人停止前进，单片机控制舵机使变形轮变形为三角形，接着机器人开始攀爬楼梯。通过实验计算，在此形状运行下车轮攀爬效果明显，所需要的驱动力小。 正常状态变形状态 安装在内盘上的舵机通过控制转动轴，将舵机转过的角度值传递给变形轮的轮毂，以实现用单片机控制

4、舵机角度来控制变形轮的变形与恢复。2、 变形轮变形机构变形机构三维图变形机构原理图变形轮实物 重心调节机构是一个多杆机构，单片机通过控制舵机的转动带动连杆摆动，以实现重心调节机构调节整车的重心位置，从而达到机器人在攀爬阶梯的时候重心靠前。3、特色创新设计-重心调节机构重心调节机构三维效果图重心调节机构实物图 安装在底盘上的舵机与连杆相连，控制平行四边形转向机构实现转向，单片机控制舵机逆时针转动时，转向机构向右转，舵机顺时针转动时，转向机构向左转。4、转向机构设计转向机构机构简图转向机构三维效果图转向机构实物图 直流减速电机经过一级减速箱双向输出给传动轴，前后两根传动轴将动力传送给前后桥差速器，

5、差速器经减速后输出给轮子上的输出轴以驱动轮子转动。创新点：通过电磁离合器的作用实现传动两驱变四驱。5、传动系统传动系统三维效果图 直流减速电机经过减速比2.8的减速箱减速后双向输出给前后两个传动轴。5、1一级减速箱一级减速箱三维效果图一级减速箱实物图 汽车在拐弯时车轮的轨线是圆弧，如果汽车向左转弯，圆弧的中心点在左侧，在相同的时间里，右侧轮子走的弧线比左侧轮子长，为了平衡这个差异，就要左边轮子慢一点，右边轮子快一点，用不同的转速来弥补距离的差异。 减速电机的转速经前传动轴传送扫差速器的输入轴，经伞齿和行星轮系减速后输出到输出轴。5.2前后桥差速器差速器三维效果图 底盘作用是支承、安装汽车发动机

6、及其各部件、总成，形成汽车的整体造型，并接受发动机的动力，使汽车产生运动，保证正常行驶 6、底盘底盘三维效果图三、电路部分1、特色创新设计-控制系统方案原理图2、主控芯片 MC9S12XS128是16位单片机，由16位中央处理单元（CPU12X）、128KB程序Flash(P-lash)、8KB RAM、8KB数据Flash(D-lash)组成片内存储器。 主要功能模包括：内部存储器、内部PLL锁相环模块、2个异步串口通讯SCI 、1个串行外设接口SPI 、MSCAN 模块、1个8通道输入/输出比较定时器模块TIM 、周期中断定时器模块PIT、 16通道A/D转换模块ADC 、1个8通道脉冲宽

7、度调制模块PWM 、输入/输出数字I/O口XS128最小系统 BTS7960的芯片内部为一个半H桥，INH引脚为高电平，使能BTS7960.IN引脚确定那个MODFET导通，IN=1，INH=1时，高边MOSFET导通，OUT引脚输出高电平，IN=0，INH=1时，低边MOSFET导通，OUT引脚输出低电平，SR引脚外接电阻的大小，可以调节MOS管导通和关断的时间，具有防电磁干扰的功能，IS引脚是电流检测输出引脚。PP4=1，PP5=0电机正转，PP4=0，PP5=1电机反转。3、电机驱动电路电机驱动实物图电机驱动原理图4、超声波模块 HC-SR04超声波测距模块可提供2cm-400cm的非接

8、触式距离感测功能，测距精度可达高到3mm；模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。HC-SR04实物图HC-SR04原理图5、稳压模块 LM2596开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，能够输出3A的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。在特定的输入电压和输出负载的条件下，输出电压的误差可以保证在4%的范围内，振荡频率误差在15%的范围内。稳压模块实物图稳压模块原理图6、舵机控制电路 舵机常用的控制信号是一个周期为20毫秒左右，宽度为1毫秒到2毫秒的脉冲信号。当舵机收到该信号后，会马上激发出一个与之相同的，宽度为1.5毫秒的负向标准的中位脉冲。之后二个脉冲在一个加法器中进行相加得到

9、了所谓的差值脉冲。输入信号脉冲如果宽于负向的标准脉冲，得到的就是正的差值脉冲。如果输入脉冲比标准脉冲窄，相加后得到的肯定是负的脉冲。此差值脉冲放大后就是驱动舵机正反转动的动力信号。舵机电机的转动，通过齿轮组减速后，同时驱动转盘和标准脉冲宽度调节电位器转动。直到标准脉冲与输入脉冲宽度完全相同时，差值脉冲消失时才会停止转动。舵机原理图SR-811舵机 四、软件部分1、超声波测距时序图 (1)采用IO口TRIG触发测距，给最少10us的高电平信呈。 (2)模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回； (3)有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到

10、返回的时间。测试距离=(高电平时间*声速(340M/S)/2。超声波时序图while(1) if(PORTA_PA1 = 0) break; /等待 if(Time1 = 5000) Error_Flag1 = 1;return 0; /超时 DisableInterrupts /关中断 Length1 = (float)(175*Time1)/100.0); /测得距离340m/s * T，2、超声波测距程序 PORTA_PA0 = 1;/给控制端高电平 delay(10); /高电平保持10us PORTA_PA0 = 0;/控制端拉低 while(1) if(PORTA_PA1 = 1)

11、 break; /等待 if(PORTA_PA1 = 0) Count1+; if(Count1 = 400)Error_Flag1 = 1;return 0; Time1 = 0; PITCFLMT_PITE=1; /定时器使能 PITCE_PCE0=1; /定时器0使能 PITINTE_PINTE0=1; /定时器中断0使能 EnableInterrupts /开中断 3、PLL系统时钟初始化void PLL_Init(void) CLKSEL = 0X00;/disengage PLL to system PLLCTL_PLLON = 1; /turn on PLL SYNR =0 xc

12、0 | 0 x02; REFDV=0 xc0 | 0 x01; POSTDIV=0 x00; /pllclock=2*osc*(1+SYNR)/(1+REFDV)=48MHz;24m _asm(nop); /BUS CLOCK=24M T =41.66ns _asm(nop); while(!(CRGFLG_LOCK = 1); /when pll is steady ,then use it; CLKSEL_PLLSEL = 1; /engage PLL to system; 3、PWM初始化流程图/*/ /通道1初始化 PWMCLK_PCLK1=1;/选择时钟SA PWMPOL_PPOL1

13、=1;/初始电平为高 PWMCAE_CAE1=0; /左对齐输出 PWMPER1=200;/输出周期50HZ=SA/200 PWMDTY1=14;/舵机静止占空比为7.5%=15/200 PWMCNT1=0;/计数器清零 PWME_PWME1=1;/通道1使能/*/4、PWM初始化程序void PWM_Init(void) PWME=0 x00;/禁止通道 PWMPRCLK=0 x33;/A=B=24/8=3MHZ PWMSCLA=150;/SA=A/2/150=10kHZPWMSCLB=150;/SB=B/2/150=10kHZ/*/ PWMCTL_CON01=0;/01不级联 /通道0初始

14、化 PWMCLK_PCLK0=1;/选择时钟SA PWMPOL_PPOL0=1;/初始电平为高 PWMCAE_CAE0=0; /左对齐输出 PWMPER0=200;/输出周期50HZ=SA/200 PWMDTY0=12;/舵机静止占空比7.5%=15/200 PWMCNT0=0;/计数器清零 PWME_PWME0=1;/通道0使能/*/ 电机控制程序 PWMCTL_CON45=0;/45不级联 /通道4初始化 PWMCLK_PCLK4=1;/选择时钟SA PWMPOL_PPOL4=1;/初始电平为高 PWMCAE_CAE4=0; /左对齐输出 PWMPER4=3;/输出周期20kHZ=SA/1

15、 PWMDTY4=0;/ PWMCNT4=0;/计数器清零 PWME_PWME4=1;/通道4使能/*/ /通道5初始化 PWMCLK_PCLK5=1;/选择时钟A PWMPOL_PPOL5=1;/初始电平为高 PWMCAE_CAE5=0; /左对齐输出 PWMPER5=3;/输出周期20kHZ=SA/1 PWMDTY5=0;/电机静止占空比为0 PWMCNT5=0;/计数器清零 PWME_PWME5=1;/通道5使能void DCMotor(int c,int d )/电机控制 (3,0)反转,(0,3)正转 PWMDTY4=c; PWMDTY5=d; 5、电机与舵机控制程序七、舵机控制程序void deform() int m; for(m=0;m26;m+) PWMDTY2=deform_tablem; Delay(); if(PWMDTY2=25) break ; void regain() int m,n; for(n=0;n26;n+) PWMDTY2= regain_