哈工大自控元件課設(shè)概要PPT課件

1、總體架構(gòu)電機(jī)的選擇傳感器的選擇FPGA及運(yùn)動控制難點(diǎn)總結(jié)目錄 / CONTENTS第1頁/共24頁網(wǎng)球作為一項(xiàng)高運(yùn)動量的競技體育項(xiàng)目，如今也是備受關(guān)注，越來越多的人開始接受這項(xiàng)體育運(yùn)動，而一個(gè)新手甚至是老將在訓(xùn)練的時(shí)候總是會準(zhǔn)備一筐網(wǎng)球以便運(yùn)動者能夠更連貫的進(jìn)行網(wǎng)球的訓(xùn)練，避免了練球時(shí)間跟撿球時(shí)間差不多長的尷尬局面，這也提高了運(yùn)動員的訓(xùn)練效率。選題背景功能自動發(fā)球1.發(fā)球頻率為6次/分鐘2.擊球力量可調(diào)快速撿球1.網(wǎng)球位置10cm2.機(jī)器人移動速度 2 m/s3.撿球時(shí)間10s設(shè)計(jì)背景自主避障小車尺寸：長1m(包含0.3m的機(jī)械鏟)、寬0.6m、高0.6m、重15kg、前后輪軸距L=0.6m、

2、小車車輪半徑0.05m、最大轉(zhuǎn)向角a=45第2頁/共24頁系統(tǒng)總體流程FPGA視覺傳感器超聲波傳感器障礙物距離小球分布轉(zhuǎn)向行進(jìn)轉(zhuǎn)向電機(jī)行進(jìn)電機(jī)小車狀態(tài)機(jī)械臂電機(jī)1電機(jī)2機(jī)械鏟合攏機(jī)械鏟抬起發(fā)球裝置電磁鐵的通電第3頁/共24頁視覺傳感器 視覺傳感器是整個(gè)機(jī)器視覺系統(tǒng)信息的直接來源，主要由一個(gè)或者兩個(gè)圖形傳感器組成，有時(shí)還要配以光投射器及其他輔助設(shè)備。視覺傳感器的主要功能是獲取足夠的機(jī)器視覺圖像信息。 在這個(gè)系統(tǒng)中我們使用兩類視覺傳感器，一種固定在場地四個(gè)角落，用于全局觀察場地內(nèi)網(wǎng)球的散落情況，另一種固定在機(jī)器人上，用于在撿網(wǎng)球過程中對網(wǎng)球的精確觀察，指導(dǎo)撿球裝置的運(yùn)行。第4頁/共24頁視覺傳感器

3、一 視覺傳感器二對于固定在場地四周的視覺傳感器，我們不需要很高的精度，只需要知道，在哪塊區(qū)域里有網(wǎng)球即可，并不需要通過這個(gè)傳感器知道網(wǎng)球的精確位置。所以這個(gè)傳感器的分辨率不需要很高，但是需要有較大的可視角。聯(lián)想街道使用的監(jiān)視器，這種監(jiān)視器符合我們的要求。初步選定龍視安 LS-Z633DM這種型號的監(jiān)視器。其產(chǎn)品參數(shù)如右圖。查取其具體規(guī)格，得知在使用4mm鏡頭焦距時(shí)，其可視角為69.9，基本上可以滿足我們的遠(yuǎn)程監(jiān)測網(wǎng)球的要求。小車上搭載的傳感器需要其具有較高的精度，且對灰度的辨識度較高，經(jīng)過比較暫定選擇西門子公司生產(chǎn)的SIMATICVS120型號傳感器。SIMATIC VS120型傳感器可以通過

4、對拍攝的圖像與設(shè)定圖像的對比，識別出特定的物體，并可記錄其數(shù)量。這兩者是我們控制撿球裝置所需要的信息。第5頁/共24頁視覺傳感器與FPGA的通訊 位于場邊的四個(gè)攝像頭要實(shí)時(shí)向FPGA傳輸圖像信息，數(shù)據(jù)量大，且要求遠(yuǎn)距離無線傳輸，故可采用WiFi技術(shù)。Wi-Fi是一種可以將個(gè)人電腦、手持設(shè)備（如pad、手機(jī)）等終端以無線方式互相連接的技術(shù)，事實(shí)上它是一個(gè)高頻無線電信號，傳輸速度非?？欤梢赃_(dá)到54Mbps，符合這個(gè)智能機(jī)器人系統(tǒng)的需求，并且由于發(fā)射信號功率低于100mw，低于手機(jī)發(fā)射功率，所以WiFi也是最安全健康的。第6頁/共24頁圖像識別及灰度處理 對于采集到的圖像，我們進(jìn)行灰度處理，其灰度

5、范圍為0255，在圖像處理中可以識別特定的灰度進(jìn)行處理。進(jìn)過matlab的簡單的圖像處理，得知網(wǎng)球在圖片中的灰度介于45-65之間，編寫程序，使灰度滿足條件的像素點(diǎn)為1，其他為0，進(jìn)行二值化處理，再確定物體的輪廓，即可知道網(wǎng)球的位置。這是對于外圍場地四周的監(jiān)視器得到的圖像的處理過程，而對于在機(jī)器人上搭載的視覺傳感器，可以通過上文所提到的識別圖像與設(shè)定圖像的對比得知網(wǎng)球的具體位置與數(shù)量，也可以使用上訴的監(jiān)視器所得圖像的處理算法處理圖像，具體使用時(shí)因綜合考慮，選取合適的算法。第7頁/共24頁超聲波測距傳感器 在機(jī)器人小車上我們需要探測需要避讓的物體，這里我們使用超聲波傳感器進(jìn)行檢測，檢測范圍為1m

6、，使用BANNER ENGINEERING T186UEQ超聲波發(fā)生器與MULTICOMP MCUSR10P40B07RO超聲波接收器。第8頁/共24頁發(fā)球裝置理論計(jì)算假設(shè)機(jī)器人在離中心線1.5米一側(cè)以垂直高度一米、傾角20發(fā)球，球運(yùn)動軌跡的俯視圖如上圖所示，紅線為最遠(yuǎn)落點(diǎn)，藍(lán)線為最近落點(diǎn)。最大射速 最小射速 解之得，小球射速在12.6m/s和16.4m/s之間。推桿以平均力F(為簡化計(jì)算)作用在小球上使之加速運(yùn)動0.1m后脫離推桿并射出，小球的一般質(zhì)量在57.5g左右，由動能定理計(jì)算出此力F約為56N。6 .19cosvt6 .10cos10tv121sin2gtvt086. 021210g

7、ttv221mvFx 第9頁/共24頁發(fā)球裝置的設(shè)計(jì) 考慮到市面上小型氣動裝置提供的作用力普遍不超過20N,故采用彈性系數(shù)選擇范圍很寬、力與位移呈線性關(guān)系的彈簧來提供推力。 由胡克定律與功能關(guān)系 計(jì)算可知，應(yīng)采用彈性系數(shù)為1100N/m的彈簧。由于直線電機(jī)高轉(zhuǎn)矩、低轉(zhuǎn)速的特性，并不能滿足發(fā)球頻率6次/秒的要求，且給彈簧儲能后不好釋放，這里采用非接觸式的電磁開關(guān)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)簡圖如右： 前端磁性圓盤與彈簧焊接固定，上端滑槽內(nèi)是一個(gè)限位開關(guān)，可實(shí)現(xiàn)最大射速與最小射速之間的任意調(diào)節(jié)，右端是一個(gè)電磁鐵吸引圓盤并使彈簧儲能。22021212121mvkxkx第10頁/共24頁電磁鐵的選擇彈簧長20cm，壓縮

8、10cm需要110N的力，可選用直流吸盤式電磁鐵，它在通電狀態(tài)下可產(chǎn)生強(qiáng)勁吸附力，省力省電，安全可靠，并可進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。在多次比較價(jià)格及性能參數(shù)后，決定選用樂青市鳴豫電氣有限公司的設(shè)備：留出一定裕量，選用吸引力為180N的型號CNMYE1-P34，可以滿足性能要求，價(jià)格為78元，經(jīng)濟(jì)上也能接受。第11頁/共24頁控制器的選擇 在網(wǎng)球機(jī)器人這個(gè)系統(tǒng)里，控制器要接收視覺傳感器和距離傳感器發(fā)送來的信息，并對其作出處理，發(fā)送指令控制控制小車轉(zhuǎn)向、行進(jìn)及撿球，單片機(jī)難以勝任，故采用在圖像處理領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的FPGA，具體型號為：ALINX822。核心板主要由 FPGA+兩片 DDR2 構(gòu)成，承擔(dān)視頻圖像處

9、理的核心算法，充分利用了 FPGA 并行處理的能力，加上兩片 DDR2 構(gòu)建 32bit 總線，整個(gè)系統(tǒng)的帶寬高達(dá) 10Gb/s；兩片 DDR2 容量高達(dá)2Gbit，滿足視頻處理過程中對高緩沖區(qū)的需求。我們選用的 FPGA 為 ALTERA 公CYCLONE IV 系列的EP4CE30F23C6N 這款高速的 FPGA 芯片。我們選用 CYCLONE IV 系列中速度級別最高的 C6 級別，F(xiàn)PGA 和 DDR2 之間的時(shí)鐘頻率達(dá)到 200M，DDR2 內(nèi)部 400M，充分滿足了四路 1080p 視頻處理的需求。第12頁/共24頁FPGA的供電為了讓 FGPA 可以正常的工作，我們需要為 FP

10、GA 提供 3.3V、2.5V、1.2V 三路電源，三 路電源均美國 MPS 公司進(jìn)口的 MP2359 DCDC 芯片，具有效率高，不發(fā) 熱，可提供電流大，紋波小等特點(diǎn)，是 FPGA 絕佳的電源解決方案；大量使用高檔進(jìn)口的電容電感，保證系統(tǒng)的電源穩(wěn)定可靠；電源部分原理圖如下：第13頁/共24頁運(yùn)動控制主程序路徑規(guī)劃子程序收集網(wǎng)球中斷避讓障礙物第14頁/共24頁主程序：路徑規(guī)劃場邊的攝像頭將整個(gè)球場上網(wǎng)球的分布情況采集下來，根據(jù)網(wǎng)球的分布情況劃分集中分布區(qū)域A、B、C、D、E等，定義一個(gè)分布密度p=N/S,當(dāng)密度小于2個(gè)/平方分米時(shí)，可認(rèn)為是區(qū)域的邊界。主程序就是規(guī)劃一個(gè)從信號源到各個(gè)區(qū)域的閉合

11、回路，小車到達(dá)每個(gè)區(qū)域時(shí)，再執(zhí)行相應(yīng)的子程序，即收集網(wǎng)球。第15頁/共24頁子程序：收集網(wǎng)球收集網(wǎng)球時(shí)，小車上的攝像頭鎖定區(qū)域內(nèi)的任意一個(gè)球，形成一個(gè)指向小球的矢量A,并不斷測量它與垂直于車前端的矢量B的夾角，通過FPGA控制轉(zhuǎn)向電機(jī)使夾角不斷變小，當(dāng)小于3時(shí)，可認(rèn)為小車已朝著小球運(yùn)動。到達(dá)小球所在點(diǎn)時(shí)，合攏機(jī)械鏟并上抬完成收集動作，對于邊緣墻角這種情況，使機(jī)械鏟以合攏的狀態(tài)鏟球至墻角再上抬完成動作。重復(fù)此過程直至收集完該區(qū)域及附近的小球再繼續(xù)執(zhí)行主程序。第16頁/共24頁中斷：避讓障礙物 高度為30cm的聲波測距傳感器以1s的采樣周期不斷掃描四周，一單發(fā)現(xiàn)3m以內(nèi)的障礙物，F(xiàn)PGA發(fā)出指令控

12、制轉(zhuǎn)向電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)向避讓，駛離障礙物后，跳出中斷程序，繼續(xù)執(zhí)行主程序。距離傳感器采集的信號作為優(yōu)先等級最高的中斷信號，可以在任意時(shí)間打斷主程序及子程序的運(yùn)行，從而及時(shí)完成避讓。第17頁/共24頁行進(jìn)電機(jī)的選擇電動機(jī)的功率公式： 由恒速v = 2 m/s算出n = 382.0 r/min ， 這里的M等于滾動摩擦力所產(chǎn)生的阻力矩約等于0.66Nm， 計(jì)算出在以2 m/s的速度行進(jìn)時(shí)， 直流電機(jī)的機(jī)械功率約為13.2w在此以恒定速度時(shí)的功率外加20%的余量來計(jì)算， 所選電機(jī)的額定功率約為15.84w根據(jù)求得的參數(shù)得知， 電機(jī)正常工作的最大機(jī)械功率為13.2W， 恒定行進(jìn)速度為2 m/s ， 車輪半徑

13、為 0.05 m， 根據(jù)公式:其中:T 電機(jī)軸端的輸出轉(zhuǎn)矩P 電機(jī)輸出的機(jī)械功率 旋轉(zhuǎn)角速度求得所選電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩約為0.396Nm根據(jù)計(jì)算出的數(shù)據(jù)，我們選取了上海矩奉自動化有限公司生產(chǎn)的50SZD No.01直流伺服電機(jī),并配備減速比為2的減速器。602 nMPPT 第18頁/共24頁轉(zhuǎn)向電機(jī)的選擇 小車轉(zhuǎn)向時(shí)車輪要克服摩擦力矩。此時(shí)的摩擦力按照滑動摩擦力來計(jì)算，小車質(zhì)量為15kg，車輪與地面的滑動摩檫系數(shù)最大為0.9，假定車輪與地面接觸面為一個(gè)半徑為2cm的圓，那么摩擦力矩約為 。經(jīng)過機(jī)械傳動裝置后，作用在電機(jī)上的力矩約為2 Nm，因此，我們?nèi)匀徊捎蒙虾＞胤钭詣踊邢薰旧a(chǎn)的50SZD

14、No.01直流伺服電機(jī),并配備減速比為10：1的減速器。Nmmgr35. 121第19頁/共24頁機(jī)械鏟 網(wǎng)球場服務(wù)機(jī)器人的一項(xiàng)基本功能就是撿球，所以在外部要設(shè)計(jì)一套機(jī)械臂鏟組件，用以收集網(wǎng)球，過程中需要連桿機(jī)構(gòu)給予推進(jìn)，這樣就需要電機(jī)給桿機(jī)構(gòu)以驅(qū)動力。而這兩項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)都需要電機(jī)的驅(qū)動,考慮到直流伺服電機(jī)相比步進(jìn)電機(jī)來說具有更優(yōu)越的性能，因此我們?nèi)匀徊捎弥绷魉欧姍C(jī)來驅(qū)動小車的機(jī)械臂鏟組件。機(jī)械臂鏟的運(yùn)動分為兩部分。第一步，V字臂鏟合攏，收集地面的小球。第二步，抬起臂鏟，讓小球滾入箱子。這兩部分都分別需要一個(gè)電機(jī)。第20頁/共24頁機(jī)械鏟中電機(jī)的選擇第一個(gè)電機(jī)，其功能是合攏V字臂鏟。根據(jù)公式

15、:其中:Tst 起動轉(zhuǎn)矩J阻力轉(zhuǎn)動慣量F阻力由于齒輪傳動間摩擦力較小，忽略不計(jì)。而齒輪見傳動力為主要力，假定為10N（外部機(jī)械臂）/5N（內(nèi)部傳動桿），電機(jī)上安裝的齒輪半徑定為1cm，則公式中第二項(xiàng)為0.1Nm/0.05Nm。齒輪以及電機(jī)本身的轉(zhuǎn)動慣量所產(chǎn)生的力矩項(xiàng)數(shù)值較小，所以合在一起進(jìn)行估算大約為0.05Nm。這樣根據(jù)公式計(jì)算得出直流電機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩約為0.2Nm。第二個(gè)電機(jī)的功能是抬起臂鏟。臂鏟的長度為30cm，假設(shè)一次最多鏟起10個(gè)網(wǎng)球。那么由網(wǎng)球及機(jī)械臂鏟所產(chǎn)生的重力力矩約為1.5Nm。這兩個(gè)部分的運(yùn)動對電機(jī)的轉(zhuǎn)速都沒有要求，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩越大反而越有利。由此，我們選擇無刷行星齒輪減速電機(jī)，如右圖所示。nknkkkkkstRFJT11第21頁/共24頁設(shè)計(jì)難點(diǎn)機(jī)械手機(jī)構(gòu)復(fù)雜，每次撿一個(gè)球，效率太低。采用V形機(jī)械鏟，每次處理多個(gè)球，極大提高了效率。機(jī)械鏟在角落難以打開，處理這里的球變得