包裹采集机器人对抗赛工业控制技术国家重点实验室

包裹采集机器人对抗赛

电路技术实现讨论浙江大学工业控制技术国家重点实验室陈首先2006-10-211.概述包裹采集机器人的基本组成部分2.主控处理器选型目前可采用的主控处理器主要有:单片机(80C51，C8051F，PIC，……）DSP（TI公司的TMS320C2000系列）嵌入式处理器（ARM7：S3C44B0X，……）FPGA（Altera公司的EP1C3，EP1C6，……）可用于扩展处理器外围逻辑的器件：CPLD（Altera公司的MAX7000A系列，MAXII系列，……）2.1单片机主控处理器优点：使用简单价格便宜，外围电路简单缺点：功能相对简单大多数情况下需要仿真器和编程器可选型号：80C51系列C8051F系列PIC系列AVR系列……2.2DSP主控处理器TI公司用于电机控制等领域的DSP有如下优点：专为电机控制设计，具有许多电机控制所需要的片上外设，如PWM发生器，正交编码器外围电路简单（片上集成Flash和SRAM）开发较容易价格适中DSP的缺点：需要仿真器可选型号：TMS320LF2407TMS320LF28122.3嵌入式主控处理器嵌入式处理器目前应用很广，其优点有：性能较强，有丰富的片上外设，大多数处理器带有PWM模块可以移植操作系统（uClinux，Linux等），为使用USB摄像头等提供了可行方案有丰富的开发资料可以参考不需要仿真器嵌入式处理器的缺点：外围电路复杂，多数情况下需要扩展Flash和SDRAM如果采用现成的开发板成本较高基于操作系统环境，移植USB摄像头等难度较大2.3嵌入式主控处理器可选型号：ARM7系列：三星公司的S3C44B0X（片上外设丰富，有PWM发生器，需要外扩Flash和SDRAM，有移植好的uClinux，不需要仿真器）飞利浦公司的LPC213X系列（更像一块高性能的单片机，片上外设丰富，有PWM发生器，片上集成Flash和SRAM，外围电路简单，不需要仿真器。个人比较推荐）ARM9系列：三星公司的S3C2410（功能相当强大，系统复杂，有移植好的Linux，为使用USB摄像头等提供了可能，价格不菲）2.4FPGA主控处理器FPGA（现场可编程门阵列）是一种可编程器件，其优点有：器件可编程，可以根据自己需要添加各种外设，使得开发具有极大灵活性在Altera公司的FPGA上可以使用NIOSII处理器软核，使得FPGA变成一片32位的嵌入式处理器，极大的方便了开发使用NIOSII处理器软核可在线调试，不需要仿真器外围电路极其简单价格适中FPGA的缺点：不同于一般的MCU，开发过程中会使用到硬件描述语言，对没有基础的同学来说起步相对较难可选型号：Altera公司的Cyclone系列FPGA，如EP1C3，EP1C62.5CPLD用于外扩逻辑 CPLD也是一种硬件可编程器件，其工作原理和FPGA基本一样，但CPLD门数较小，价格便宜，其用途有：扩展主控处理器没有的外设功能，如正交编码单元，PWM发生器等实现主控处理器与外设的时序转换实现各种数字逻辑，简化外围电路设计 可选型号：Altera公司的MAX7000S系列（EPM7064,EPM7128)Altera公司的MAX3000A系列（EPM3064，EPM3128）Altera公司的MAXII系列（EPM240，EPM570）3.常用传感器介绍 在机器人中，传感器占有重要位置。在包裹采集机器人里，传感器可以完成寻线，视觉，测距，辨识目标等功能。常用的传感器有：红外传感器超声波传感器光敏传感器CCD……3.1红红外外传传感感器器红外外传传感感器器由由红红外外发发射射二二极极管管和和红红外外接接收收三三极极管管构构成成。。通通常常使使用用的的红红外外光光波波长长是是940nm。。红外外发发射射二二极极管管红红外外接接收收三三极极管管3.1红红外外传传感感器器为了了提提高高抗抗干干扰扰能能力力，，发发射射管管发发射射的的红红外外光光通通常常被被调调制制到到38KHz的的频频率率。。为为了了提提高高红红外外灵灵敏敏度度和和作作用用范范围围，，通通常常调调制制波波的的占占空空比比较较小小但但幅幅值值很很大大。。3.1红红外外传传感感器器红外外接接收收管管通通常常分分为为分离离式式红红外外三三极极管管和一体体化化红红外外接接收收管管。红外外三三极极管管集集、、射射级级加加一一电电压压，，当当接接收收到到红红外外光光时时集集射射级级电电流流较较大大，，当当没没有有红红外外光光时时集集射射级级电电流流较较小小。。使用用较较为为麻麻烦烦，，需需要要自自己己用用锁锁相相环环对对38KHz红红外外光光进进行行锁锁相相检检测测。。一体体化化红红外外接接收收管管如如图图所所示示。。当当接接收收管管接接受受到到38KHz红红外外光光时时输输出出高高电电平平或或脉脉冲冲，，否否则则输输出出低低电电平平。。使使用用简简单单，，但但体体积积略略大大。。3.1红红外外传传感感器器红外外线线发发射射与与接接收收的的方方式式有有两两种种，，其其一一是是直射射式式，其其二二是是反射射式式。直射射式式指发发光光管管和和接接收收管管相相对对安安放放在在发发射射与与受受控控物物的的两两端端，，中中间间相相距距一一定定距距离离。。可可用用于于探探测测目目标标物物和和电电机机测测速速。。反射射式式指发发光光管管和和接接收收管管并并列列一一起起，，平平时时接接收收管管始始终终无无光光照照，，只只在在发发光光管管发发出出的的红红外外光光遇遇到到反反射射物物或或反反光光物物质质时时，，接接收收管管收收到到反反射射回回来来的的红红外外线线才才工工作作。。可可用用于于寻寻线线，，探探测测目目标标物物等等。。常常用用型型号号HS0038A,HS0038B。。3.2超超声声波波传传感感器器超声声波波传传感感器器由由超超声声波波发发生生器器和和超超声声波波接接收收器器组组成成。。超声声波波发发生生器器超超声声波波接接收收器器3.2超超声声波波传传感感器器实际际应应用用中中，，采采用用的的超超声声波波频频率率通通常常为为40KHz，，即即加加在在超超声声波波发发生生器器两两端端的的方方波波电电压压频频率率为为40KHz。。3.2超超声波波传感器器超声波接接收器是是一种无无源器件件，它能能将接收收到的超超声波能能量转化化成电压压信号输输出。此此输出电电压幅值值较小，，需要经经过放大大并通过过锁相环环识别才才能成为为MCU能处理理的逻辑辑信号。。3.2超超声波波传感器器超声波传传感器主主要用于于探测前方方物体和测距。超声波波发生器器发出的的超声波波碰到前前方障碍碍物后被被反射回回来并被被超声波波接收器器接收。。通过计计算发出出超声波波与接受受到超声声波的时时间差可可以计算算出前方方障碍物物的距离离。和红外传传感器相相比，超超声波传传感器器在测距距和探测测障碍物物方面精准度和作用范围都好很多多。通常常超声声波测距距距离可可达5～～10米米，精精度可达达0.1米。超声波在在空气中中的传播速度度

与声声速相同同，与温温度有关关。3.3光光敏传传感器常用的光光敏传感感器包括括：光敏电阻阻光敏二极极管光敏三极极管光敏传感感器可以以用在可见光反反射寻物物，电机测速速等方面。。3.3光光敏传传感器光敏电阻阻是一种种阻值随随光照强强度变化化而变化化的电阻阻。其优优点包括括灵敏度度高，光光谱特性性好，体体积小，，重量轻轻和成本本低等。。3.3光光敏传传感器光敏二极极管和一一般的二二极管相相似。但但光敏二二极管一一般工作作在反偏偏状态下下。无光光照时光光敏二极极管的反反向电流流很小，，当有光光照时反反向电流流增加。。3.3光光敏传传感器光敏三极极管和红红外接收收管相似似。它除除了把光光信号转转换成电电流信号号外，同同时又将将电流信信号加以以放大。。因此光光敏三极极管的光光电流比比相同管管型的二二极管光光电流大大很多。。3.4CCD/CMOS摄摄像头典型的USB摄摄像头组组成框图图左：CMOS传传感器器右：CCD传传感器3.4CCD/CMOS摄摄像头方案一：在uClinux/Linux下移移植USB摄像像头驱动动方案二：采用现成成的USB摄像像头，不不用其接接口芯片片，而直直接用MCU控控制感光光传感器器，得到到需要的的视频信信号。（（例如采采用CMOS传传感为HY7131R/镁光光MI360的摄像像头）方案三：采用手机机摄像头头。（例例如采用用OV9650的摄像像头）注意：如果采用用方案二二、三，，最重要要的是能能否找到到对应芯芯片的datasheet4.电电机及驱驱动包裹采集集机器人人中可能能用到的的电机包包括：直流电机机有刷直流流电机无刷直流流电机步进电机机伺服电机机（舵机机）4.1直直流电电机直流电机机主要包包括有刷直流流电机和无刷直流流电机。这里主主要讨论论有刷直直流电机机（下简简称直流流电机））。直流电机机的参数数主要有有：功率W输出力矩矩N最高转速速rpm电压V电流I4.1直直流电电机直流电机机的工作作特性:转速n=n0–ke·I(n0是空载转转速，ke是转速常常数，I是电流））输出转矩矩T=km·I(km是转矩常常数，I是电流））电机电动动势E＝ke·n电流I＝（U－E））/r0(U是是加在电电机两端端的电压压，r0是电机机绕组的的内阻））直流电机机的工作作特性曲曲线4.1直直流电电机直流电机机多采用用PWM（脉宽宽调制））方式进进行控制制。其加加在电机机两端的的电压为为PWM波：占空比:电机两端端电压的的直流分量量:由此可见见,电机机电压的的平均值值与PWM波的的占空比比成正比比，可以以通过调调节占空空比实现现直流电电机的调调速。通通常情况况下，PWM波波的频率率为几十十KHz。4.1直直流电电机直流电机机的PWM调速速通常由由H桥实现。4.1直直流电电机常用H桥桥芯片：：L298N（电流2A）4.1直直流电电机电机通常常采用码码盘反馈馈速度和转向：光学式码码盘：码盘发射端：：红外发发射器或或可见光光源接收端：：红外接接收器或或光敏器器件正交编码码脉冲：：可以提高转速速检测精精度和测定转向向。4.1直直流电电机直流电机机控制系系统：4.2步进电机机步进电机机是一种种用电脉脉冲信号号进行控控制，并并将电脉脉冲信号号转换成成相应角角位移或或线位移移的控制制电机。。其特点点有：可以根据据控制转转过精确确的角度度无需反馈馈，是一一个半闭闭环系统统步距误差差不会积积累停止时有有自锁功功能多数情况况下需要要使用步步进电机机专用驱驱动器5.机机器人的的供电系系统包裹采集集机器人人可采用用的供电电方式主主要是电电池供电电。常用用的电池池类型有有：碱性电池池镍氢电池池锂电池电池选取取的主要要参数：：电池组电电压（（ie:12V）电池组的的容量（（ie:2200mAH））电池组的的最大输输出电流流（（ie：：10A）5.1降降压的的实现措措施通常情况况下，