工業(yè)機器人課程設(shè)計

1、潔凈機器人 煙臺南山學院煙臺南山學院工業(yè)機器人課程設(shè)計題 目 潔凈機器人 指導教師 魏 春 莉 院 系 機 電 工 程 學 院 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 班 級 機 電 本 科 一 班 學 號 200501020305 姓 名 程 林 志 2008年8月25日至2008年9月12日共3周目 錄一、摘要3 二、機器人概述4 三、機器人發(fā)展史4 四、機器人技術(shù)的新進展6（一）、國外機器人的最新進展61工業(yè)機器人62先進機器人：7（二）、目前研究熱點及發(fā)展趨勢7五、潔凈機器人設(shè)計概述（特別指出三維造型）9（一）、加濕器工作原理9（二）、吸塵器工作原理10（三）、機器人設(shè)計101、整體設(shè)計102

2、、控制部分硬件設(shè)計163、控制部分軟件設(shè)計184、概要設(shè)計205、詳細設(shè)計256、電機PWM驅(qū)動29六、主要參考書目33一、摘要： 功業(yè)機器人在許多生產(chǎn)領(lǐng)域的使用實踐證明，不僅可提高產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量，而且對保障人身安全，改善勞動環(huán)境，減輕勞動強度，提高勞動生產(chǎn)率，節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本，有著十分重要的意義?；谏鲜霰尘埃诹私夤I(yè)機器人（HP3）系統(tǒng)構(gòu)成和在TVT-4000E柔性制造系統(tǒng)中應(yīng)用的基礎(chǔ)上，設(shè)計了工業(yè)機器人搬運貨物的操作程序。利用示教編程器NX100對HP3型工業(yè)機器人進行控制。 Industrial robot production in many areas of th

3、e use of Practice has proved that not only can improve the quality of products and production, and the safety of persons, to improve the labor environment, reduce labor intensity, increasing labor productivity, saving raw material consumption and lower production costs, and it has a very important s

4、ignificance. Against the above background, in the understanding of the industrial robot (ABAS) and the system constitutes TVT - 4000E flexible manufacturing system based on the application , the design of industrial robots cargo handling procedures. Use for teaching programming NX100 right ABAS indu

5、strial robot control.二、機器人概述 實用上，機器人（Robot）是自動執(zhí)行工作的機器裝置。機器人可接受人類指揮，也可以執(zhí)行預(yù)先編排的程序，也可以根據(jù)以人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動。機器人執(zhí)行的是取代或是協(xié)助人類工作的工作，例如制造業(yè)、建筑業(yè)，或是危險的工作。 機器人可以是高級整合控制論、機械電子、計算機、材料和仿生學的產(chǎn)物。目前在工業(yè)、醫(yī)學甚至軍事等領(lǐng)域中均有重要用途。 現(xiàn)在，國際上對機器人的概念已經(jīng)逐漸趨近一致。一般說來，人們都可以接受這種說法，即機器人是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種機器。聯(lián)合國標準化組織采納了美國機器人協(xié)會給機器人下的定義：“一種可編程和

6、多功能的，用來搬運材料、零件、工具的操作機；或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可改變和可編程動作的專門系統(tǒng)?！?三、機器人發(fā)展史 1920年 捷克斯洛伐克作家卡雷爾·恰佩克在他的科幻小說羅薩姆的機器人萬能公司中，根據(jù)Robota(捷克文，原意為“勞役、苦工”)和Robotnik(波蘭文，原意為“工人”)，創(chuàng)造出“機器人”這個詞。 1939年 美國紐約世博會上展出了西屋電氣公司制造的家用機器人Elektro。1948年 諾伯特·維納出版控制論，闡述了機器中的通信和控制機能與人的神經(jīng)、感覺機能的共同規(guī)律，率先提出以計算機為核心的自動化工廠。 1954年 美國人喬治·德沃爾制

7、造出世界上第一臺可編程的機器人，并注冊了專利。這種機械手能按照不同的程序從事不同的工作，因此具有通用性和靈活性。 1959年 德沃爾與美國發(fā)明家約瑟夫·英格伯格聯(lián)手制造出第一臺工業(yè)機器人。隨后，成立了世界上第一家機器人制造工廠Unimation公司。由于英格伯格對工業(yè)機器人的研發(fā)和宣傳，他也被稱為“工業(yè)機器人之父”。 1962年 美國AMF公司生產(chǎn)出“VERSTRAN”(意思是萬能搬運),與Unimation公司生產(chǎn)的Unimate一樣成為真正商業(yè)化的工業(yè)機器人，并出口到世界各國，掀起了全世界對機器人和機器人研究的熱潮。 1962年-1963年傳感器的應(yīng)用提高了機器人的可操作性。 1

8、965年約翰·霍普金斯大學應(yīng)用物理實驗室研制出Beast機器人。Beast已經(jīng)能通過聲納系統(tǒng)、光電管等裝置，根據(jù)環(huán)境校正自己的位置。 1968年 美國斯坦福研究所公布他們研發(fā)成功的機器人Shakey。它帶有視覺傳感器，能根據(jù)人的指令發(fā)現(xiàn)并抓取積木,不過控制它的計算機有一個房間那么大。Shakey可以算是世界第一臺智能機器人，拉開了第三代機器人研發(fā)的序幕。 1969年 日本早稻田大學加藤一郎實驗室研發(fā)出第一臺以雙腳走路的機器人。加藤一郎長期致力于研究仿人機器人，被譽為“仿人機器人之父”。 1973年 世界上第一次機器人和小型計算機攜手合作，就誕生了美國Cincinnati Milacr

9、on公司的機器人T3。 1978年 美國Unimation公司推出通用工業(yè)機器人PUMA，這標志著工業(yè)機器人技術(shù)已經(jīng)完全成熟。 1984年 英格伯格再推機器人Helpmate，這種機器人能在醫(yī)院里為病人送飯、送藥、送郵件。 1999年 日本索尼公司推出犬型機器人愛寶(AIBO)，當即銷售一空，從此娛樂機器人成為目前機器人邁進普通家庭的途徑之一。 2002年 美國iRobot公司推出了吸塵器機器人Roomba，它能避開障礙，自動設(shè)計行進路線，還能在電量不足時，自動駛向充電座。四、機器人技術(shù)的新進展 （一）、國外機器人的最新進展 1工業(yè)機器人 （1）機器人操作機：通過有限元分析、模態(tài)分析及仿真設(shè)計

10、等現(xiàn)代設(shè)計方法的運用，機器人操作機已實現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計。（2）并聯(lián)機器人：采用并聯(lián)機構(gòu)，利用機器人技術(shù)，實現(xiàn)高精度測量及加工，這是機器人技術(shù)向數(shù)控技術(shù)的拓展，為將來實現(xiàn)機器人和數(shù)控技術(shù)一體化奠定了基礎(chǔ)。意大利COMAU公司，日本FANUC等公司已開發(fā)出了此類產(chǎn)品。 （3）控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)的性能進一步提高，已由過去控制標準的6軸機器人發(fā)展到現(xiàn)在能夠控制21軸甚至27軸，并且實現(xiàn)了軟件伺服和全數(shù)字控制。（4）傳感系統(tǒng)：激光傳感器、視覺傳感器和力傳感器在機器人系統(tǒng)中已得到成功應(yīng)用，并實現(xiàn)了焊縫自動跟蹤和自動化生產(chǎn)線上物體的自動定位以及精密裝配作業(yè)等，大大提高了機器人的作業(yè)性能和對環(huán)境的適應(yīng)性。（5）網(wǎng)

11、絡(luò)通信功能：日本YASKAWA和德國KUKA公司的最新機器人控制器已實現(xiàn)了與Canbus、Profibus總線及一些網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)接，使機器人由過去的獨立應(yīng)用向網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用邁進了一大步，也使機器人由過去的專用設(shè)備向標準化設(shè)備發(fā)展。 （6）可靠性：由于微電子技術(shù)的快速發(fā)展和大規(guī)模集成電路的應(yīng)用，使機器人系統(tǒng)的可靠性有了很大提高。2先進機器人 近年來，人類的活動領(lǐng)域不斷擴大，機器人應(yīng)用也從制造領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域發(fā)展。像海洋開發(fā)、宇宙探測、采掘、建筑、醫(yī)療、農(nóng)林業(yè)、服務(wù)、娛樂等行業(yè)都提出了自動化和機器人化的要求。這些行業(yè)與制造業(yè)相比，其主要特點是工作環(huán)境的非結(jié)構(gòu)化和不確定性，因而對機器人的要求更高，需要機器人

12、具有行走功能，對外感知能力以及局部的自主規(guī)劃能力等，是機器人技術(shù)的一個重要發(fā)展方向。 可以預(yù)見，在21世紀各種先進的機器人系統(tǒng)將會進入人類生活的各個領(lǐng)域，成為人類良好的助手和親密的伙伴。 （二）、目前研究熱點及發(fā)展趨勢 目前國際機器人界都在加大科研力度，進行機器人共性技術(shù)的研究，并朝著智能化和多樣化方向發(fā)展。主要研究內(nèi)容集中在以下10個方面： 1工業(yè)機器人操作機結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計技術(shù)：探索新的高強度輕質(zhì)材料，進一步提高負/重比，同時機構(gòu)向著模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展。 2機器人控制技術(shù)：重點研究開放式，模塊化控制系統(tǒng)，人機界面更加友好，語言、圖形編程界面正在研制之中。機器人控制器的標準化和網(wǎng)絡(luò)化，以及

13、基于PC機網(wǎng)絡(luò)式控制器已成為研究熱點。編程技術(shù)除進一步提高在線編程的可操作性之外，離線編程的實用化將成為研究重點。 3多傳感系統(tǒng)：為進一步提高機器人的智能和適應(yīng)性，多種傳感器的使用是其問題解決的關(guān)鍵。其研究熱點在于有效可行的多傳感器融合算法，特別是在非線性及非平穩(wěn)、非正態(tài)分布的情形下的多傳感器融合算法。另一問題就是傳感系統(tǒng)的實用化。 4機器人的結(jié)構(gòu)靈巧，控制系統(tǒng)愈來愈小，二者正朝著一體化方向發(fā)展。 5機器人遙控及監(jiān)控技術(shù)，機器人半自主和自主技術(shù)，多機器人和操作者之間的協(xié)調(diào)控制，通過網(wǎng)絡(luò)建立大范圍內(nèi)的機器人遙控系統(tǒng)，在有時延的情況下，建立預(yù)先顯示進行遙控等。 6虛擬機器人技術(shù)：基于多傳感器、多媒

14、體和虛擬現(xiàn)實以及臨場感技術(shù)，實現(xiàn)機器人的虛擬遙操作和人機交互。 7多智能體（multi-agent）調(diào)控制技術(shù)：這是目前機器人研究的一個嶄新領(lǐng)域。主要對多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)、相互間的通信與磋商機理，感知與學習方法，建模和規(guī)劃、群體行為控制等方面進行研究。 8微型和微小機器人技術(shù)（micro/miniature robotics）:這是機器人研究的一個新的領(lǐng)域和重點發(fā)展方向。9軟機器人技術(shù)（soft robotics）:主要用于醫(yī)療、護理、休閑和娛樂場合。傳統(tǒng)機器人設(shè)計未考慮與人緊密共處，因此其結(jié)構(gòu)材料多為金屬或硬性材料，軟機器人技術(shù)要求其結(jié)構(gòu)、控制方式和所用傳感系統(tǒng)在機器人意外地與環(huán)境或人碰

15、撞時是安全的，機器人對人是友好的。 10仿人和仿生技術(shù)：這是機器人技術(shù)發(fā)展的最高境界，目前僅在某些方面進行一些基礎(chǔ)研究。五、潔凈機器人設(shè)計概述（特別指出三維造型）主要功能：可以自行走動，具有吸塵和空氣加濕功能（一）、加濕器工作原理：目前家用加濕器市場的產(chǎn)品主要分為超聲波型加濕器、直接蒸發(fā)型加濕器和熱蒸發(fā)型加濕器三類： 超聲波技術(shù)是世界上一種比較成熟的技術(shù)，已被廣泛應(yīng)用在各種領(lǐng)域。超聲波加濕器采用超聲波高頻震蕩，將水霧化為1-5微米的超微粒子，通過風動裝置，將水霧擴散到空氣中，使空氣濕潤并伴生豐富的負氧離子，能清新空氣，增進健康，一改冬季暖氣的燥熱，營造舒適的生活環(huán)境。據(jù)專家介紹，超聲波加濕器的

16、優(yōu)點是，加濕強度大，加濕均勻，加濕效率高；節(jié)能、省電，耗電僅為電熱加濕器的110至115；使用壽命長，濕度自動平衡，無水自動保護；兼具醫(yī)療霧化、冷敷浴面、清洗首飾等功能。缺點是對水質(zhì)有一定的要求。 熱蒸發(fā)型加濕器也叫電加熱式加濕器。其工作原理是將水在加熱體中加熱到100度,產(chǎn)生蒸氣,用電機將蒸氣送出。所以電加熱式加濕器是技術(shù)最簡單的加濕方式，缺點是能耗較大，不能干燒，安全系數(shù)較低、加熱器上容易結(jié)垢。市場前景不容樂觀。 （二）、吸塵器工作原理吸塵器主要由起塵、吸塵、濾塵三部分組成，一般包括串激整流子電動機、離心式風機、濾塵器（袋）和吸塵附件。 吸塵器能除塵，主要在于它的“頭部”裝有一個電動抽風機

17、。抽風機的轉(zhuǎn)軸上有風葉輪，通電后，抽風機會以每秒500圈的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生極強的吸力和壓力，在吸力和壓力的作用下，空氣高速排出，而風機前端吸塵部分的空氣不斷地補充風機中的空氣，致使吸塵器內(nèi)部產(chǎn)生瞬時真空，和外界大氣壓形成負壓差，在此壓差的作用下，吸入含灰塵的空氣?；覊m等雜物依次通過地毯或地板刷、長接管、彎管、軟管、軟管接頭進入濾塵袋，灰塵等雜物滯留在濾塵袋內(nèi)，空氣經(jīng)過濾片凈化后，由機體尾部排出。因氣體經(jīng)過電機時被加熱，所以吸塵器尾部排出的氣體是熱的。 （三）、機器人設(shè)計1、整體設(shè)計（1）、使用兩輪轉(zhuǎn)向機制的結(jié)構(gòu)（2）、電機可以選擇直流伺服電機，也可以選擇四驅(qū)車的130電機（3）、驅(qū)動方式，采用兩輪驅(qū)動

18、方式，另一點我為此設(shè)計了一個使用8mm鋼珠的球形支點，在摩擦小的時候是滑動，摩擦大時滾動，性能基本能滿足要求，傳動采用皮帶傳動，這樣制作簡單，容易選材（4）、在底部加一吸塵器，如果方便可以采用靜電式吸塵器，不然就采用普通吸塵器，自行運動，清除塵埃（5）、在頂部裝有空氣加濕器，可以選擇超聲波型加濕器、直接蒸發(fā)型加濕器或熱蒸發(fā)型加濕器，凈化了空氣而且保持空氣濕度（6）、整體設(shè)計圖如下（正面）（背面）（側(cè)面） （底面） （車輪）（大、小帶）（底座正面）2、控制部分硬件設(shè)計（1）、整體構(gòu)思 電機驅(qū)動、邏輯控制部分均為獨立的單片機系統(tǒng)，這樣設(shè)計主要出于：· 單片機已十分便宜，可以像普通IC那樣

19、使用； · 電機驅(qū)動邏輯比較簡單，但是實時性要求較高，所以獨立出來，編程較為容易； · 電機驅(qū)動部分通常會有較大的干擾，尤其是驅(qū)動普通的直流有刷電機，電刷的火花干擾很強，單獨使用簡單、但抗干擾能力強的單片機可使系統(tǒng)更加可靠； · 電機驅(qū)動部分獨立做成一個模塊后可以在以后自己的其它項目上使用，增加投入的附加值，例如作為RCX(樂高的控制器，參考：RCX的三個版本)的大功率電機驅(qū)動器； · 對于走軌跡項目而言邏輯部分并不十分復雜，完全可以將電機控制部分融入其中，但是這樣系統(tǒng)就不容易修改為其它用途，編程難度也增加了； · 采用獨立的邏輯控制便于學習者

20、掌握構(gòu)建復雜系統(tǒng)的能力，學會多模塊協(xié)同工作時如何交換信息、如何協(xié)調(diào)。目前在控制上利用單獨的智能節(jié)點完成單一任務(wù)，采用通訊方式將這些獨立節(jié)點組合實現(xiàn)復雜的功能是一個趨勢。 (2)、單片機的選型依據(jù) 選用了51系列的單片機，因為51的架構(gòu)十分典型，價格便宜，開發(fā)手段便宜，自己動手焊接相對容易。51架構(gòu)的單片機具有優(yōu)異的特性和特點· TI的MSC系列具有一個24位AD，十分適合做高精度的儀器； · SiliconLAB公司的51F系列單片機速度極快、功耗低、體積小、資源豐富，有各種不同的規(guī)格，最快的達100MPS ，引腳還可編程確定功能； · ST公司的uPSD3xxx

21、系列，有較大的內(nèi)存，可以內(nèi)置漢字庫，還集成了片內(nèi)PLD； · Chipcon公司（現(xiàn)歸屬TI）的CC2430芯片將ZigBee無線通訊協(xié)議和51核集成，可構(gòu)成ZigBee無線節(jié)點； · Nodic公司的nRF24E1 芯片將2.4GHz的無線收發(fā)模塊與51核集成，可方便的實現(xiàn)短距離無線通訊(3)、電機驅(qū)動部分硬件設(shè)計使用 STC12C54XX 系列51單片機控制，使用 MOSFET管構(gòu)成 H 橋驅(qū)動，并使用門電路實現(xiàn)互鎖，避免造成 MOSFET 短路。驅(qū)動管設(shè)計為可雙管并聯(lián)，以便于擴充驅(qū)動電流。以STC12C54XX 單片機為控制核心，該芯片具有4個通道的PCA，可以方便的

22、實現(xiàn)轉(zhuǎn)速脈沖測量和方向判斷，同時也便于接受PWM控制信號。同時此款單片機為 1T的高速工作模式，可以使用定時中斷控制MOSFET，因為需要實現(xiàn)4種電機工作模式，所以使用了4個IO獨立控制H橋的4個MOSFET ,不能使用簡單的PWM 輸出控制。因為用 4 個IO獨立控制，所以必須避免MOSFET出現(xiàn)短路，使用2塊4-2與非門構(gòu)成互鎖邏輯，保證不出現(xiàn)同側(cè)上下MOSFET同時導通的情況。借此也可以隔離電機的噪聲對單片機的影響。因為需要支持5 12 V的電機工作電壓，而且互鎖邏輯輸出還差一級反向，所以控制MOSFET使用雙極性三極管9013，這樣可使用普通的MOSFET，便于購買。（如果不使用901

23、3 ，則需要選用邏輯電平控制的MOSFET）在線路及PCB的設(shè)計上，考慮MOSFET的雙管并聯(lián)工作，以便于日后需要提高驅(qū)動能力。供給電機的電壓直接接MOSFET，同時經(jīng)穩(wěn)壓器SPX1117-3.3V穩(wěn)壓輸出后供單片機和門電路，單片機選擇3V的，門電路選用 74HCxx ，這樣，電機的工作電壓可以低到 5 V（4節(jié)充電電池）。 H橋電路如下：3、控制部分軟件設(shè)計電機驅(qū)動模塊軟件設(shè)計根據(jù)前面的硬件設(shè)計，電機驅(qū)動模塊可以獨立成為一個智能的功率驅(qū)動器使用，在硬件的設(shè)計中考慮了可以支持多種控制信號。但在目前的項目中，擬使用串口控制方式，以下的軟件設(shè)計是基于這個前提的。（1） 接收并解析控制命令； （2）

24、 使電機有良好的驅(qū)動特性，可正、反轉(zhuǎn)動，且轉(zhuǎn)動平穩(wěn)、有力； （3） 可靠的獲取轉(zhuǎn)速反饋信號； （4） 根據(jù)反饋信號使用有效的控制策略使電機達到所需的轉(zhuǎn)速； （5） 利用碼盤的反饋信號控制行走距離； （6） 可以根據(jù)命令實現(xiàn)電機的特殊運行狀態(tài)：剎車、惰行。 在上述功能中，真正影響驅(qū)動器性能的是第二項（驅(qū)動特性）和第四項（控制策略）。雖然通常認為控制策略最重要，在自動控制中所著筆墨最多，但是在我們這個項目中，因為電機特性不是十分理想，驅(qū)動又是通過軟件完成的，這兩部分組成的執(zhí)行機構(gòu)如果沒有良好的特性，那有再好的控制算法、策略也無法實現(xiàn)良好的電機驅(qū)動。4、概要設(shè)計根據(jù)要實現(xiàn)的功能，軟件分為以下幾個部分

25、：1. 命令接收解析 完成命令接收，命令內(nèi)容解析； 2. 電機PWM驅(qū)動 根據(jù)電機控制參數(shù)產(chǎn)生驅(qū)動信號，使電機進入期望的運轉(zhuǎn)狀態(tài)； 3. 速度反饋 讀取碼盤信號，計算出速度數(shù)據(jù)，兼完成計數(shù)功能，實現(xiàn)行走距離控制； 4. 控制策略 根據(jù)命令給出的數(shù)據(jù)和反饋得到的數(shù)據(jù)計算出電機控制參數(shù)，實現(xiàn)速度控制； 電機驅(qū)動實際上構(gòu)成了一個典型的自動控制系統(tǒng)：其中的“PID調(diào)節(jié)器”由軟件的控制策略部分實現(xiàn)，驅(qū)動器硬件只提供了電流的開關(guān)、放大功能，而主要的驅(qū)動特性實現(xiàn)是由軟件中電機PWM驅(qū)動完成。因為碼盤的分辨率較低，所以采用測周期的方式來得到轉(zhuǎn)速。如果按照正常的脈沖測量方式，采集一個跳變沿，那這個碼盤一圈只能得

26、到10個數(shù)據(jù)，為了提高性能，利用了STC12C54XX 單片機PCA模塊的正、負跳變均能中斷的特性，一周可獲取20個數(shù)據(jù)。為了避免脈沖的占空比不等帶來的問題，采用正跳對正跳、負跳對負跳的測量方式。程序的流程如下：多個子程序流程圖主流程圖要實現(xiàn)控制主控工作指示，先看一下硬件是如何連接的：#include <STC12C5410AD.h>/* STC12C5410AD 的頭文件,為MCU 中各個硬件寄存器定個名稱，以便C 語言中使用*/sbit Work_Display = P34;/ 根據(jù)硬件設(shè)計用與“主控工作指示”接近的名稱取代硬件名稱，使程序減少與硬件的相關(guān)性#define LI

27、GHT 0/ 亮邏輯值，用直觀的符號化常數(shù)替換與硬件密切相關(guān)的邏輯值，增加程序的可讀性、可移植性。#define DARK 1/ 暗邏輯值#define LIGHT_TIME 1000 / 亮時間，使用符號化常數(shù)，便于修改，增加程序可讀性#define DARK_TIME 1000 / 暗時間#define P3MODE0 0x10 / 00010000，P3.4 設(shè)置為開漏輸出，其余均為標準 51 口；#define P3MODE1 0x10 / 00010000，/* 主程序 */void DelayNms(unsigned int uiNms); / 因為子程序在后面，所以必須在此先聲明

28、。void main(void)/ 初始化硬件P3M0 = P3MODE0; / 因為只涉及 P3 口，所以此處只初始化 P3P3M1 = P3MODE1;while(1)Work_Display = LIGHT; / 點亮DelayNms(LIGHT_TIME);Work_Display = DARK; / 熄滅DelayNms(DARK_TIME); / 不斷循環(huán), 在所有嵌入式應(yīng)用的主程序中,都有這樣一個無限循環(huán)./ 延時子程序，實現(xiàn)用軟件循環(huán)方式延時 N msvoid DelayNms(unsigned int uiNms)unsigned int i,uiCnt_ms;for(uiC

29、nt_ms=0;uiCnt_ms<uiNms;uiCnt_ms+)for(i=0;i<1400;i+) / 1ms 延時循環(huán)，此數(shù)值由MCU 的指令執(zhí)行時間計算而來， 與時鐘和MCU 有關(guān)5、詳細設(shè)計 考慮到這個小車要使用兩個驅(qū)動電機，所有在串口的連接上采用并接方式，即將兩個電機驅(qū)動器的接收端RXD、發(fā)送端TXD并聯(lián)，RXD并聯(lián)沒有問題，而TXD端并聯(lián)必須將口特性置為標準51口（有內(nèi)部弱上拉電阻的準雙向口），以保證口輸出的正常，同時通過協(xié)議保證不同時發(fā)送。并接后的串口相當于一個設(shè)備，接受邏輯控制部分的命令。基于這樣的設(shè)計，通訊協(xié)議設(shè)計如下：幀格式：幀頭（2字節(jié)） 幀長（1字節(jié)） 命

30、令字（1字節(jié)） 數(shù)據(jù)區(qū)（N字節(jié)）校驗和（1字節(jié)）其中：幀頭 0x55 0xAA 幀長 命令字 + 數(shù)據(jù)區(qū)的長度命令字 · 0x01 ：電機轉(zhuǎn)動控制參數(shù)，開環(huán)模式，電機的PWM值、轉(zhuǎn)動持續(xù)脈沖數(shù)； · 0x02 ：電機轉(zhuǎn)動控制參數(shù)，閉環(huán)模式，電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動持續(xù)脈沖數(shù)； · 0x03 ：電機工作參數(shù)，PWM頻率、PID參數(shù) 數(shù)據(jù)區(qū) · 命令01：電機1數(shù)據(jù)（2字節(jié)PWM值，2字節(jié)轉(zhuǎn)動持續(xù)脈沖數(shù)）電機2數(shù)據(jù)（2字節(jié)PWM值，2字節(jié)轉(zhuǎn)動持續(xù)脈沖數(shù)），共 8字節(jié)； · 命令02：電機1數(shù)據(jù)（2字節(jié)轉(zhuǎn)速值，2字節(jié)轉(zhuǎn)動持續(xù)脈沖數(shù)）電機2數(shù)據(jù)（2字節(jié)轉(zhuǎn)速值，

31、2字節(jié)轉(zhuǎn)動持續(xù)脈沖數(shù)），共 8字節(jié)； · 命令03：2字節(jié)PWM頻率，2字節(jié)比例系數(shù)，2字節(jié)積分系數(shù)，2字節(jié)微分系數(shù)，2字節(jié)PID系數(shù)的分母， 共10字節(jié)，兩個電機驅(qū)動器相同； 校驗和 從命令字開始到數(shù)據(jù)區(qū)結(jié)束所有字節(jié)的算術(shù)和的反碼，取低字節(jié)。上述數(shù)據(jù)中，PWM值，速度值、PWM頻率、PID系數(shù)等定義如下：PWM值 2字節(jié)有符號數(shù)，正對應(yīng)正轉(zhuǎn)，負對應(yīng)反轉(zhuǎn)，數(shù)值為占空比的百分數(shù)，取值范圍：- 1000 +1000， 對應(yīng) 0.1% 100%；1001為電機“惰行”，1002為“剎車”；轉(zhuǎn)動持續(xù)脈沖數(shù) 2字節(jié)無符號數(shù)，0 表示連續(xù)轉(zhuǎn)動；轉(zhuǎn)速值 2字節(jié)有符號數(shù)，正對應(yīng)正轉(zhuǎn)，負對應(yīng)反轉(zhuǎn)，單位

32、為：0.1轉(zhuǎn)/每分鐘；取值范圍：- 10000 +10000，10001為電機“惰行”，10002為“剎車”；PWM頻率 2字節(jié)整數(shù)，單位Hz，取值范圍：200 2000；因為不同的電機所需的PWM 頻率不同，需要通過測試確定，所以考慮了此參數(shù)；PID系數(shù) 均為 2字節(jié)無符號數(shù)；PID系數(shù)分母 2字節(jié)無符號數(shù)，為避免使用浮點數(shù)而增加了此參數(shù)，實際作用的PID系數(shù)為上述值除此值；如：比例系數(shù)為190 ，PID分母為200，實際比例系數(shù)為0.95。以上所有2字節(jié)數(shù)據(jù)均為先低后高順序發(fā)送。暫時不設(shè)計應(yīng)答幀，因為一幀命令包含了兩個電機的驅(qū)動數(shù)據(jù)。通訊數(shù)據(jù)格式為：19200bps 8 N 1。此時，一幀

33、數(shù)據(jù)約占 7ms。 數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)采用環(huán)形結(jié)構(gòu)，為了節(jié)省指針運算的時間，緩沖區(qū)長度設(shè)為 32字節(jié)，對應(yīng)指針變量的低5位。設(shè)置2個數(shù)據(jù)指針處理，一個存數(shù)指針負責將接收到的字節(jié)填入緩沖，一個取數(shù)指針負責取出填入的數(shù)據(jù)。初始化時兩個指針相等，當收到數(shù)據(jù)時，在存數(shù)指針指向的緩沖區(qū)位置填入數(shù)據(jù)，而后指針加一，指向下一位置，此時兩個指針不再相等，產(chǎn)生收到數(shù)據(jù)消息。為減少中斷服務(wù)占用的時間，在串口中斷中只激收到的數(shù)據(jù)填入接收緩沖區(qū)，不做任何處理。主程序根據(jù)兩個指針是否相等判斷是否收到數(shù)據(jù)，因為緩沖區(qū)足夠接收完整個數(shù)據(jù)幀，所以，接收處理時先判斷是否收到了“幀頭”，之后根據(jù)“幀長”設(shè)定一個幀尾指針位置，等到存數(shù)

34、指針等于幀尾指針時，再將數(shù)據(jù)幀一起取出，進行校驗和判斷，如果正確，根據(jù)命令字解析數(shù)據(jù)區(qū)，取出相應(yīng)的參數(shù)。6、電機PWM驅(qū)動根據(jù)電動機的單片機控制中對直流電機驅(qū)動的描述，同樣的H橋電路，使用不同的控制信號，可以實現(xiàn)兩種不同的控制方式，其一是“雙極性可逆PWM驅(qū)動”，其二是“單極性受限可逆PWM驅(qū)動”。對于“雙極性可逆PWM驅(qū)動”方式，電機在一個PWM周期中通過相反的電流，正轉(zhuǎn)、停止、反轉(zhuǎn)取決于兩個方向電流的持續(xù)時間，如果相等則為停止。這個方式的好處是低速穩(wěn)定，啟動快，但是耗電大。對于“單極性受限PWM驅(qū)動”方式，電機在一個PWM周期中的電流是同方向的，驅(qū)動電機的功率大小取決于電流的持續(xù)時間，也就

35、是說在一個PWM周期中，電機的電流有為“0”的時候，稱之為“斷流”現(xiàn)象。無疑，這種方式在PWM值較小時斷流的時間就較長，電機運行就不穩(wěn)定，也就是低速性能不好，但是由于沒有反向電流消耗，所以耗電少。基于這樣的原理，擬采用如下控制方式：在PWM控制值小于30%（此值調(diào)式時再作調(diào)整）時，采用“雙極性可逆驅(qū)動”，大于30% 則采用“單極性受限可逆驅(qū)動”。為了可以獲得最好的電機驅(qū)動特性，將PWM周期設(shè)計為可變，這樣在調(diào)試中可以找到合適的工作參數(shù)。具體實現(xiàn)方法為：設(shè)置如下變量：FirstHalf 位，前半周標志，為“0”表示處在PWM周期的后半周；FirstOut 字節(jié)，前半周電機控制輸出字，控制H橋的導通和截止；SecondOut 字節(jié)，前半周電機控制輸出字，控制H橋的導通和截止；FirstTime 字（2字節(jié)），前半周持續(xù)時間；SecondTime 字（2字節(jié)），后半周持續(xù)時間；在程序中設(shè)置“計算電機控制參數(shù)”標