【直立跟随机器人的制作与实验分析案例3500字】

直立跟随机器人的制作与实验分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u5367直立跟随机器人的制作与实验分析案例 1150421.1直立跟随机器人各模块的实物电路设计与测试 2326061.2直立跟随机器人的安装制作 6172831.3直立跟随机器人的程序设计 9259391.4直立跟随机器人的调试 10290351.5直立跟随机器人的原理图与PCB设计 111.1直立跟随机器人各模块的实物电路设计与测试直立跟随机器人由电机驱动模块、陀螺仪和加速度计模块、跟随模块、通讯模块四个模块组成。电机驱动模块包括直流电机、L298N驱动模块和光电编码器构成；陀螺仪和加速度计模块选用MPU6050三轴加速度传感器；跟随模块选用红外避障传感器；通讯模块选用蓝牙传感器。在完成直立跟随机器人的组装之前，要先对这四个模块进行测试，确保这四个模块都能使用后再对其组装测试。如图4-1所示为L298N与单片机和电机的实际接线图。L298N的电源线与单片机拓展电源线相接，IN1、IN2、IN3、IN4分别接单片机的P1.2、P1.3、P1.4、P1.5引脚。L298N的输出A连接直流减速电机。图4-1L298N的接线图电机驱动模块的实物演示如图4-2所示，把电机和L298N模块与单片机按如图方式连接，并在直流电机轴上贴一个布条方便观察直流电机的转向情况。如图a所示当单片机第一个按键按下时直流电机开始正向旋转；如图b所示，当第二个按键按下时，直流电机开始反转；如图c所示，单片机复位按键按下时，直流电机停止旋转。当使用单片机控制L298N时，必须注意L298N上的GND与单片机上的GND连接，才能准确稳定的控制L298N的输出。（a）（b）（c）图4-2电机驱动模块实物演示如图4-3所示为单片机与MPU6050的接线图，MPU6050上的SCL与SDA引脚分别于单片机上的P2.1与P2.0引脚相连，VCC与GND连接单片机上的拓展电源端口，因为只需使用MPU6050的三轴，MPU6050另外四个引脚空接即可。图4-3MPU6050与单片机接线图MPU6050三轴加速度传感器的实物演示如图4-4所示。如图a所示，不停改变MPU6050传感器的位置，串口会实时显示MPU6050传感器X、Y、Z三轴上的倾角速度与加速度，如图b所示。（a）（b）图4-4MPU6050实物演示图4-5为单片机与红外避障模块的接线，VCC与GND分别与单片机拓展电源接口相连，输出端OUT与单片机P2.1引脚相接。图4-5红外避障传感器接线图跟随模块的实物演示如图4-6所示，当红外避障传感器前面有障碍物时，如图a所示，此时单片机上面的八个LED全部点亮，传感器前面无障碍物时，如图b所示，单片机上面的八个LED全部熄灭。（a）（b）图4-6红外避障实物演示图4-7为蓝牙模块与单片机的连接图，手机与蓝牙模块采用无线连接，TXD与单片机P2.0引脚相接，RXD与单片机P2.1引脚相接。图4-7蓝牙模块的接线图蓝牙模块的实物演示如图4-8所示，蓝牙模块与单片机连接后，进行蓝牙配对，当前进键按下时，如图a所示八个LED的前四个点亮，按下后退键时，如图b所示后四个LED点亮，左转键按下时，如图c所示八个LED熄灭，右转键按下时，如图d所示八个LED全部点亮。（a）（b）（c）（d）图4-8蓝牙模块实物演示1.2直立跟随机器人的安装制作直立跟随机器人采用两层设计，如图4-9所示。最下面为两个直流电机，光电编码器装在电机上，引出六根杜邦线分别与单片机和L298N连接，两个电机平行放置在底盘的中间，采用螺栓与底盘连接，要保证连接结实可靠不晃动。底盘上放置主控板51单片机，采用铜柱与底盘连接，MPU6050传感器也采用铜柱放在两个电机连线位置的底盘上，MPU6050传感器放置时，要尽可能的靠近电机并且水平安装，这样才能使MPU6050传感器测得的数据稳定，误差小。第二层上放置L298N电机驱动模块与电池，放置时尽量保证把重量均匀分摊在直流电机连线的两端，避免一侧重力过大，使得机器人运行不稳。顶层放置红外避障模块。采用两个红外避障模块，分别放在两端，可以最大限度的获取人的位置。各个模块之间采用杜邦线连接实现数据传递，采用铜柱连接在亚克力板上。图4-9直立跟随机器人如图4-10所示为直立跟随机器人的三维图，首先画出直立跟随机器人每个模块的零件图，再把这些零件通过螺柱和螺母连接。图4-10直立跟随机器人的三维图如图4-11为直立跟随机器人的三维爆炸图，对装配图进行爆炸图排列，还可以看到三维图的爆炸动画。图4-11直立跟随机器人的三维爆炸图1.3直立跟随机器人的程序设计直立跟随机器人的程序流程图如图4-12所示，上电运行后，首先对直立跟随机器人的各个传感器和程序中的变量值进行初始化，其次通过读取MPU6050传感器的数值来判断直立跟随机器人的倾斜角度是否在可控范围内，如果处于设定控制范围内，就进行直立跟随机器人的直立控制与速度控制，保证直立跟随机器人能够保持直立。蓝牙控制随时可以进行，在蓝牙控制模式时，关闭自动跟随功能，只有当蓝牙控制时的停止按键按下时，才能进入跟随模式。实时监控直立跟随机器人的姿态信息，判断是否跌倒，一旦跌倒，立即停止运行。直立控制与速度控制放在中断程序中实时控制直立跟随机器人。图4-12程序流程图对主要程序进行说明，AngleCalculate是直立跟随机器人倾斜角度计算函数，采集MPU6050传感器的角速度和角加速度值，再经过卡尔曼滤波得到直立跟随机器人的倾斜角度。AngleControl是直立跟随机器人直立控制函数，将直立跟随机器人的倾斜角度和角速度进行PD计算，得到直立控制的输出量。SpeedControl是直立跟随机器人速度控制函数，通过外部中断采集光电编码器的脉冲数量得到直流电机的转速，计算直流电机的控制量。Motoroitput是直立跟随机器人电机输出量函数，根据直流跟随机器人的直立控制和速度控制得到的控制量进行集成，分别计算得出两个直流电机的输出电压的控制量。MotorSpeedOut是直立跟随机器人的直流电机PWM计算函数，根据两个直流电机的输出控制量得到PWM值通过STC12C5A60S2芯片自带的PWM经过L298N控制直流电机的运转。1.4直立跟随机器人的调试1.1.1直立跟随机器人调试条件在直立跟随机器人组装完成后，在进行调试前需要准备如下条件：直立跟随机器人的电路调试，控制系统能够正确上电且单片机可以正常的下载程序，在下载程序前，需要拔掉蓝牙模块和红外避障模块与单片机相连的电源引脚；确保各个传感器安装结实可靠且接线正确；在电池充满电的情况下进行直立跟随机器人的调试；启动电源时，观察各个传感器上面的电源指示灯是否点亮，避免出现短路的情况。1.1.2直立跟随机器人的参数调试由于直立跟随机器人安装和电源电压等问题，要想直立跟随机器人保持平衡，需要对角度环参数进行调试，如果要长时间保持平衡，还需要对速度环参数进行调试。在代码中找到如下参数：floatcodeg_fcAngle_P=20.0；floatcodeg_fcAngli_D=1.0；floatcodeg_fcSpeed_P=6.0；floatcodeg_fcSpeed_I=0.3；P为比例控制，能够迅速的减小误差，但是不能彻底的消除误差，因此要加入I微分控制，能够减小超调量，克服直立跟随机器人的震荡，加快直立跟随机器人的动态响应速度减小调整时间。对参数调试的方法为：首先对角度环的P进行调试，对其他的参数赋值为0，先确定P的极性，确保P的控制为负反馈，具体方法为先给P赋值为-1.0，单片机烧入程序后，观察车轮在机器人倾斜时是否有向倾斜方向运动的趋势，要是有时就说明此时为负值的P构成负反馈，若车轮运转加速了机器人的倾斜，说明此时构成正反馈，P的极性反了，确定好P的极性后，调整P的值，调到机器人能够基本站立。角度环D值的调试，首先要确定D值的极性，其调节方法与P值一样，先给D一个值看它是否使得机器人往倾斜方向运动构成负反馈，若是即是要找的D值极性，逐渐增加D值，D值太小时，机器人反应迟钝，太大时，机器人会出现剧烈抖动，找到抖动点，比临界点的值小即可。对角度环的P值与D值调试好之后，直立跟随机器人已经能够实现直立，若要保持长时间的直立，还需要对速度环的P值与D值进行调整。先对速度环的P值进行调试，速度环的P值起到的效果是使机器人能够应对外来干扰，先给P一个值，烧入程序后，推一下机器人，看机器人是否有向反方向的抵御效果，增加P值使得小车有抵抗的趋势，P值过小时会使得机器人的摆动过大，过大时会使直立跟随机器人震荡。速度环I值的调整也是从零开始，不需要过大，找到能使直立跟随机器人保持稳定运行的值。1.5直立跟随机器人的原理图与PCB设计如图4-13所示为直立跟随机器人的原理图，直立跟随机器人原理图包括电源模块原理图、程序烧写模块原理图、蓝牙模块原理图、MPU6050模块原理图、L298N模块原理图、红外避障模块原理图和STC12C5A60S2芯片原理图构成。电源模块由一个外接电源插口、开关、LM2596S芯片、电感和电容组成，且有短路保护功能。程序烧写模块由USB插口、开关、CH340D芯片、电容和晶振构成，且具有短路保护功能。留有两个直流电机排阻，方便直流电机的接线。STC12C5A60S2芯片接11.0592HZ的晶振，且有复位按键。在AD16软件里首先画出每个模块的原理图，然后在进行各个模块间的连接，接