輪式移動機器人課程設(shè)計

1、 TOC o 1-5 h z 目錄 1摘要 2 HYPERLINK l bookmark5 o Current Document 移動機器人技術(shù)發(fā)展概況 3 HYPERLINK l bookmark9 o Current Document 1.1機器人研究意義及應(yīng)用領(lǐng)域 3 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 1.1.1機器人的研究意義3 HYPERLINK l bookmark15 o Current Document 1.1.2機器人的應(yīng)用領(lǐng)域3 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 1.2移動機

2、器人的發(fā)展概況 4 HYPERLINK l bookmark21 o Current Document 1.2.1移動機器人的國內(nèi)發(fā)展概況 4 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 1.2.2移動機器人的國外發(fā)展概況 4 HYPERLINK l bookmark27 o Current Document 輪式移動機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計 72.1移動機器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 7 HYPERLINK l bookmark31 o Current Document 2.2輪式移動機器人主要結(jié)構(gòu) 7 HYPERLINK l bookmark34 o Current Do

3、cument 輪式移動機器人的控制系統(tǒng)113.1控制系統(tǒng)硬件選型與配置 11 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 3.1.1驅(qū)動電機的選型11 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 3.1.2伺服電機的選型12 HYPERLINK l bookmark47 o Current Document 3.1.3輪轂電機的選型 13 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document 3.2輪式移動機器人控制系統(tǒng)框架 15 HYPERLINK l bookmark65 o Cu

4、rrent Document 結(jié)論和總結(jié) 17 HYPERLINK l bookmark72 o Current Document 致謝 18 HYPERLINK l bookmark75 o Current Document 參考文獻 19附錄 21移動機器人是機器人家族中的一個重要的分支，也是進一步擴展機器 人應(yīng)用領(lǐng)域的重要研究發(fā)展方向。自上世紀九十年代以來，人們廣泛開展了 對機器人移動功能的研制和開發(fā)，為適應(yīng)各種工作環(huán)境的不同要求而開發(fā)出 各種移動機構(gòu)。論文內(nèi)容包括四個部分：簡要介紹了移動機器人研究現(xiàn)狀、對所設(shè)計移 動機器人系統(tǒng)進行了描述、視覺導航輪式移動機器人底層硬件設(shè)計和視覺輪 式移

5、動移動機器人的底層控制。論文詳細地介紹了移動機器人底層硬件系統(tǒng)元件的選型和原理電路圖 的設(shè)計。我們選用PIC16F877單片機作為下位機接收上位機傳來的命令和產(chǎn) 生驅(qū)動信號。步進電機的驅(qū)動電路采用兩個步進電機驅(qū)動器 -L298，驅(qū)動程序 寫入PIC16F877單片機，通過程序控制步進電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。采用Propel設(shè)計了底層控制系統(tǒng)的原理圖和 PCB版圖，采用Proteus進行程序和硬件系統(tǒng) 的仿真。仿真結(jié)果表明：步進電機運行穩(wěn)定、可靠性高，實現(xiàn)了對步進電機 的預(yù)期控制。關(guān)鍵詞：移動機器人；運動控制； PIC16F877 ；步進電機移動機器人技術(shù)發(fā)展概況1.1機器人研究意義及應(yīng)用領(lǐng)域1.1.

6、1機器人的研究意義人們對于未知的探索總是充滿危險，而且人類的研究活動領(lǐng)域已由陸地擴 展到海底和空間，所以機器人的產(chǎn)生解決人類這一大難題。利用移動機器人進行 空間探測和開發(fā)，己成為21世紀世界各主要科技發(fā)達國家開發(fā)空間資源的主要 手段之一。研究和發(fā)展月球探測移動機器人技術(shù)，對包括移動機器人在內(nèi)的相關(guān) 前沿技術(shù)的研究將產(chǎn)生巨大的推動作用。移動機器人是一種能夠通過傳感器感知外界環(huán)境和自身狀態(tài)，實現(xiàn)在有障 礙物的環(huán)境中面向目標的自主運動，從而完成一定作業(yè)功能的機器人系統(tǒng)。本課 題選用輪式作為機器人平臺設(shè)計研究1兩輪式機器人在國內(nèi)外還處于剛剛起步 階段，其前景廣闊，適用性較廣，在教學、科研、野外作業(yè)、民

7、用運輸方面有著 廣泛的應(yīng)用前景，在反恐及其它尖端領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用價值。已經(jīng)初步做出了 簡單的實驗?zāi)Ｐ停鉀Q了輪式機器人的傳動機構(gòu)難題。該輪式機器人運動響應(yīng)迅 速，具有高機動的零半徑轉(zhuǎn)向能力，并且在運動過程中不存在失穩(wěn)狀態(tài)。攝像頭 的密封式結(jié)構(gòu)可以將內(nèi)部器件密封保護起來，免受外界環(huán)境的影響，非常適合在 潮濕、多塵土、多輻射或有毒的環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)。1.1.2機器人的應(yīng)用領(lǐng)域從最早出現(xiàn)的機器人到現(xiàn)在涌現(xiàn)出的形態(tài)各異的移動小車，其移動機構(gòu)的形 式層出不窮，以美國、俄羅斯、法國和日本為首的西方發(fā)達國家己經(jīng)研制出了多 種復雜奇特的三維移動機構(gòu)，有的已經(jīng)進入了實用化和商業(yè)化階段。面對21世 紀深空探測的挑

8、戰(zhàn)，對各種自主系統(tǒng)的研制是必須的，而移動機構(gòu)又是各種自主 系統(tǒng)的最基本和最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。這些應(yīng)用范圍包括工業(yè)生產(chǎn)、?？仗剿?、康復和 軍事等。此外，機器人已逐漸在醫(yī)院、家庭和一些服務(wù)行業(yè)獲得應(yīng)用。根據(jù)其功 能可分為以下幾個功能：工業(yè)機器人、探索機器人、服務(wù)機器人、軍事機器人。 制造工業(yè)部門應(yīng)用機器人的主要目的在于削減人員編制和提高產(chǎn)品質(zhì)量。與傳統(tǒng) 的機器相比，它具有兩個主要優(yōu)點：1.生產(chǎn)過程的幾乎完全自動化；2.生產(chǎn) 設(shè)備的高度適應(yīng)能力?，F(xiàn)在工業(yè)機器人主要用于汽車工業(yè)、機電工業(yè)（包括電訊 工業(yè)）、通用機械工業(yè)、建筑業(yè)、金屬加工、鑄造以及其它重型工業(yè)和輕工業(yè)部 門。在農(nóng)業(yè)方面，已把機器人用于水果和蔬

9、菜嫁接、收獲、檢驗與分類，剪羊毛 和擠牛奶等。這是一個潛在的產(chǎn)業(yè)機器人應(yīng)用領(lǐng)域。機器人除了在工農(nóng)業(yè)上廣泛 應(yīng)用之外，還用于進行探索，即在惡劣或不適于人類工作的環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)。研 制其用來為病人看病、護理病人和協(xié)助病殘人員康復的機器人能夠極大地改善傷 殘疾病人員的狀態(tài) 以及改善癱瘓者（包括下肢及四肢癱瘓者）和被截肢者的 生活條件。地面軍用機器人分為兩類：一類是智能機器人，包括自主和半自主車 輛；另一類是遙控機器人，即各種用途的遙控無人駕駛車輛。美國海軍有一個獨 立的水下機器人分隊，這支由精銳人員和水下機器人組成的分隊，可以在全世界 海域進行搜索、定位、援救和回收工作。水下機器人在美國海軍中的另一

10、個主要 用途是掃雷，如MINS水下機器人系統(tǒng)，它可以用來發(fā)現(xiàn)、分類、排除水下殘物 及系留的水雷。1.2移動機器人的發(fā)展概況1.2.1移動機器人的國內(nèi)發(fā)展概況機器人在我國已被廣泛地用于生產(chǎn)和生活的許多領(lǐng)域，按其擁有智能的水平 可以分為三個層次。一是工業(yè)機器人，它只能死板地按照人給它規(guī)定的程序工作， 不管外界條件有何變化，自己都不能對程序也就是對所做的工作作相應(yīng)的調(diào)整. 如果要改變機器人所做的工作，必須由人對程序作相應(yīng)的改變，因此它是毫無智 能的.二是初級智能機器人.它和工業(yè)機器人不一樣，具有象人那樣的感受,識別， 推理和判斷能力.可以根據(jù)外界條件的變化，在一定范圍內(nèi)自行修改程序,也就是 它能適應(yīng)

11、外界條件變化對自己怎樣作相應(yīng)調(diào)整.不過，修改程序的原則由人預(yù)先 給以規(guī)定.這種初級智能機器人已擁有一定的智能，雖然還沒有自動規(guī)劃能力，但 這種初級智能機器人也開始走向成熟，達到實用水平.三是高級智能機器人.它和 初級智能機器人一樣，具有感覺，識別，推理和判斷能力，同樣可以根據(jù)外界條件 的變化，在一定范圍內(nèi)自行修改程序.所不同的是，修改程序的原則不是由人規(guī)定 的，面是機器人自己通過學習，總結(jié)經(jīng)驗來獲得修改程序的原則.所以它的智能高 出初能智能機器人.這種機器人已擁有一定的自動規(guī)劃能力，能夠自己安排自己 的工作.這種機器人可以不要人的照料，完全獨立的工作，故稱為高級自律機器人. 這種機器人也開始走

12、向?qū)嵱?1.2.2移動機器人的國外發(fā)展概況輪式移動機構(gòu)具有運動速度快、能量利用率高、結(jié)構(gòu)簡單、控制方便和能借 鑒至今已很成熟的汽車技術(shù)等優(yōu)點，只是越野性能不太強。但隨著各種各樣的車 輪底盤的出現(xiàn)，如日本NASDA的六輪柔性底盤月球漫游車LRTV，俄羅斯TRANSMASH 的六輪三體柔性框架移動機器人Marsokohod，美國CMU的六輪三體柔性機器人 Robby系列以及美國JPL的六輪搖臂懸吊式行星漫游車Rocky系列，已使輪式機 器人越野能力大大增加，可以和腿式機器人相媲美。于是人們對機器人機構(gòu)研究 的重心也隨之轉(zhuǎn)移到輪式機構(gòu)上來，特別是最近日本開發(fā)出一種結(jié)構(gòu)獨特的五點 支撐懸吊結(jié)構(gòu)Micr

13、os，其卓越的越野能力較腿式機器人有過之而不及。輪式結(jié)構(gòu)按輪的數(shù)量分可分為二輪機構(gòu)、三輪機構(gòu)、四輪機構(gòu)、六輪以及多 輪機構(gòu)。二輪移動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)非常簡單，但是在靜止和低速時非常不穩(wěn)定。三輪 機構(gòu)的特點是機構(gòu)組成容易，旋轉(zhuǎn)中心是在連接兩驅(qū)動輪的直線上，可以實現(xiàn)零 回轉(zhuǎn)半徑。四輪機構(gòu)的運動特性基本上與三輪機構(gòu)相同，由于增加了一個支撐輪， 運動更加平穩(wěn)。以上幾種輪式移動機構(gòu)的共同特點是它們所有的輪子在行駛過程 中，只能固定在一個平面上，不能作上下調(diào)整，因此，地面適用能力差。一般的 六輪機構(gòu)主要就是為了提高移動機器人的地面適應(yīng)能力而在其結(jié)構(gòu)上作了改進， 增加了搖臂結(jié)構(gòu)，使得機器人在行駛過程中，其輪子可以

14、根據(jù)地形高低作上下調(diào) 整，從而提高了移動機器人的越野能力。歐盟在2000-2004年啟動的信息社會技術(shù)計劃中開展了探測火山環(huán)境的機 器人、用來評估地振危險性的爬行機器人(ROBOSENSE)、借助機器人的交互式博 物館臨場感(TOURBOT)等項目研究。在火山爆發(fā)的發(fā)作階段觀測和測量火山活動 的相關(guān)變量最有意義，但對研究人員也是最危險的時刻。在1993年的一次火山 口考察中，8名火山研究人員遇難ROBOVOLC將開發(fā)和測試一個自動化機器人系 統(tǒng)，在火山環(huán)境下進行探測與測量，可以幫助科學家遠離危險環(huán)境進行分析研究。 ROBOSENSE將開發(fā)一臺能夠攜帶探傷儀器的移動機器人，對地振造成的建筑物結(jié)

15、構(gòu)性損害進行檢測TOURBOT的目標是發(fā)一個交互式導游機器人，通過因特網(wǎng)實 現(xiàn)個性化的臨場感，同時TOURBOT能夠在現(xiàn)場引導參觀游客。此外歐盟還開展了 移動機器人應(yīng)用于人道主義排雷等研究。法國國家科學研究中心)于2001年中 期，提出了一項有關(guān)機器人技術(shù)的大型國家計劃，稱作“機器人與人工體”。這 項跨學科的計劃涵蓋了機器人學中信息科學與技術(shù)方面的主要研究領(lǐng)域。Robe 計劃對“感知器執(zhí)行器”與認知功能進行跨學科的研究。實現(xiàn)這些功能在智能系 統(tǒng)內(nèi)的集成，能夠在開放的、變化的環(huán)境中自主完成各種任務(wù)，實現(xiàn)智能機器人 與人交互、通過學習改進其行為的功能。具體開展了移動式操作手，移動機器人 視覺定位，

16、行星機器人1以及多移動機器人協(xié)作等研究。前蘇聯(lián)曾經(jīng)在移動機器人技術(shù)方面居于世界領(lǐng)先的地位，Lunokhod-1是最 早登上月球的遙控式移動機器人。俄羅斯作為前蘇聯(lián)的繼承者，在機器人技術(shù)領(lǐng) 域依然具有當雄厚的技術(shù)基礎(chǔ)，ROVER科技有限公(Rover Science & Technology Joint-stock Company Ltd., RCL)把在開發(fā)空間機器人中獲得的經(jīng)驗應(yīng)用于開發(fā) 地面機器人系統(tǒng)，如極坐標平面移動車、爬行移動機器人、球形機器人、工作伙 伴平臺以及ROSA-2移動車等。日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省(Ministry of Economy, Trade andIndustry, MET

17、I) 1998年開始啟動了人形機器人技術(shù)研究計劃(HRP)。在這一年， 日本本田(Honda)公司展出了人形移動機器人的一個主要目標就是開發(fā)一個開放 體系結(jié)構(gòu)的人形機器人平臺(簡稱Open HRP)，用來探索人形機器人的各種應(yīng) 用.METI從2002年又啟動了一項國家項目 “21世紀機器人挑戰(zhàn)”，其中一個 三年的子項目是開發(fā)應(yīng)用于機器人開放式結(jié)構(gòu)的中間件)。中間件能夠?qū)κ袌錾?銷售的各種機器人零件實現(xiàn)標準化，并且能夠更加容易地對這些零件進行系統(tǒng)集 成。更長遠的預(yù)期在于到2009年，實現(xiàn)機器人商品化(Commercialize),將機器 人的應(yīng)用領(lǐng)域擴展到家庭(Home)，醫(yī)療服務(wù)(Medica

18、l care)、災(zāi)害救助(Disaster relief) o0本科技署(Japan Science and Technology Agency, JST)于 2002 年10月啟動了一項5年期限的項目，用于開發(fā)人道主義排雷的機器人技術(shù)，日 本產(chǎn)業(yè)界已開發(fā)出能實際應(yīng)用的排雷機器人，并送往柬埔寨進行現(xiàn)場試驗。此外， 日本也一直進行著有關(guān)月球探測的研究，計劃于2015-2020年在月球上建立一個 小型基地，與該計劃相應(yīng)的行星漫游車研究也很活躍。韓國科學技術(shù)部(Ministry of Science and Technology， MOST)于 1999 年 啟動的“21世紀尖端研究發(fā)展計劃”(21

19、Century Frontier R&D Program)，包 括了服務(wù)機器人、惡劣環(huán)境中的機器人、微型機器人以及排雷機器人項目韓國信 息與通訊部(Ministry of Information and Communication , MIC)發(fā)布了旨在 促進IT增長的9個優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域(Top 9 IT Growth Sectors)其中智能化的服 務(wù)機器人被列為首位。美國在行星移動機器人以及軍用移動機器人的研究與應(yīng)用方面投入了大量 資金與科研力量。如:美國NASA支持的火星探測計劃、美國國防部支持的無人戰(zhàn) 車研究計劃UGV(Unmanned Ground Vehicle)美國能源部的核廢料等

20、危險品搜集、 搬運自主車研究計劃等項目，吸收JPL, MIT AI Lab. CMU Robotics Institute Georgia Tech Mobile Robot Lab, Naval Warfare Systems Center of San Diego 以Stanford Robotics Institute等許多知名大學與研究所的科研人員參與。最 近的突出成果是2003年發(fā)射的火星漫游機器人一“勇氣”號與“機遇”號，它 們的頂部裝有全景照相機及具有紅外探測能力的微型熱輻射分光計，攜帶多種分 析儀器對火星巖石紋理及其成分進行探測。輪式移動機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計現(xiàn)在主流的移動方式基本是

21、輪式，腿式，和履帶式，但由于其各有各的優(yōu) 點與缺點，現(xiàn)在的科學家越來越追求綜合性能的提高。輪式移動機構(gòu)具有運動速 度快、能量利用率高、結(jié)構(gòu)簡單、控制方便和能借鑒至今已很成熟的汽車技術(shù)等 優(yōu)點。2.1移動機器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)整體車身結(jié)構(gòu)是本小型輪式智能移動機器人所采用得。車身通過軸與前后四 個車輪連接，使車身及承載物的重量能被四個車輪平均承受，再平均分配給每個 車輪，從而使各車輪的受力均衡，提高整個車輛的承載能力。機器人的主要運動 結(jié)構(gòu)為前后四個車輪及其相關(guān)機構(gòu)。前車輪為萬向輪，后車輪連接電機，可以分 別實現(xiàn)轉(zhuǎn)向和滾動。四個車輪的接地點呈矩形分布，使車身具有一定的穩(wěn)定性。 各個車輪各自通過一根軸跟車

22、身相連，通過簡單的機構(gòu)傳動，可以使車實現(xiàn)協(xié)調(diào) 的運動。在車體上設(shè)有中央控制單元，實現(xiàn)對電機的運行控制?？刂颇Ｊ娇紤]采 用自主導航和遠距離控制相結(jié)合的模式。車上設(shè)有傳感系統(tǒng)、導航系統(tǒng)、控制系 統(tǒng)，機器人本身具有一定自主導航能力，可以實現(xiàn)自動避障。機器人自帶蓄電池 等能源設(shè)備，可以在一定時間段內(nèi)實現(xiàn)能源的自動供給，保證機器人在失去外部 電源的情況下能自動返回出發(fā)地。圖2-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖2.2輪式移動機器人主要結(jié)構(gòu)車輪：一般來說，機器人越重，要求車輪的結(jié)構(gòu)越堅固。小于2磅的輕型機器人， 可以使用軟性泡沫塑料車輪。由于機器人的重量輕，軟性材料的變形還不至于 太嚴重，而且能在摩擦力很小時工作良好。超過

23、2磅機器人，需要選用質(zhì)地更 為堅硬的材料做車輪，不充氣的中空橡膠輪胎能夠在6-10磅下工作。超過10 磅，就要考慮實心橡膠輪胎或者充氣輪胎。而類似割草機的車輪，不管是實心 的還是充氣的，在 機器人的重量接近40磅的場合都可以成為選擇的方案。機器 人超過40磅時，可以考慮試用諸如小型機車輪、手推車輪，或者其他相似的高效 率的充氣輪胎。按照車輛理論的分析，車輪的直徑增大可以明顯提高機器人的越 障能力。但是，車輪直徑變大的同時，車輪表面所受的電機轉(zhuǎn)矩卻會下降。根據(jù) 車輛地面力學理論，剛性車輪的寬度越寬，車輪的土壤沉陷量越小，土壤的壓實 阻力也就越小。不過，車輪變寬后，機器人的轉(zhuǎn)向阻力也會變大。另外，

24、增加車 輪的直徑比增加車輪寬度對減小壓實阻力更為有效。因此，必須根據(jù)實際情況設(shè) 定車輪直徑和寬度，不能盲目加大車輪直徑和寬度。如圖2-2所示。圖2-2車輪示意2、攝像頭：攝像頭對于基于視覺導航的機器人來說是至關(guān)重要的。它要根 據(jù)系統(tǒng)要求準確地分辨目標物（調(diào)色板），盡量降低誤判，漏判的機率，并有一 定的抗干擾能力。能對目標物定位，為機器人的運動控制提供參照物、障礙物的 位置信息，并能滿足精度要求。滿足系統(tǒng)實時性的要求。機器人攝像機每秒鐘要 從比賽場地上攝取30幀圖像數(shù)據(jù)，如果視覺子系統(tǒng)達不到實時的要求，則系統(tǒng)所 處理的前后兩幀圖像數(shù)據(jù)差異太大，不僅影響識別跟蹤的順利完成，而且也使動 作表現(xiàn)為反應(yīng)

25、遲鈍，所以視覺子系統(tǒng)的實時性越好，則系統(tǒng)反應(yīng)越快。如圖2-3 所示。圖2-3機器人攝像頭3、萬向輪：萬向輪能夠在許多不同的方向移動，左右車輪的小光盤將全力 推出，但也將極大的方便橫向滑動。這是一個建立完整的驅(qū)動器的方法。全輪可 以像一個正常的車輪或使用滾輪的輥側(cè)向滾動。其膠輥提供了極大的扣人心弦。 它適用於在使用機器人，手推車，轉(zhuǎn)移輸送機，貨運車，行李。全方位車輪將提 供完善的性能，當集成與傳統(tǒng)的車輪。例如，您可以使用兩種傳統(tǒng)的車輪中心車 軸和四個全方位前軸和后軸車輪，以建立一個六輪車輛。全方位輪移動和旋轉(zhuǎn)， 這是很容易的方向控制和跟蹤，并盡可能快地轉(zhuǎn)動。全方位輪無需潤滑或現(xiàn)場維 護和安裝選項

26、是非常簡單和穩(wěn)定。全方位輪通?？梢源笾驴梢苑譃?種類型：一 類是單盤的全方位輪，一個是雙排的全方位輪。單盤全方位輪的被動輥的單盤， 而雙板的全方位輪被動輥有兩個板塊是相互尊重，旋轉(zhuǎn)稍。相比單盤的全方位輪， 雙板的全方位輪滾筒之間沒有死區(qū)的優(yōu)勢。如圖2-4所示。圖2-4萬向輪輪式移動機器人的控制系統(tǒng)移動機器人的運動控制系統(tǒng)是機器人系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，對系統(tǒng)精確地完成各 項任務(wù)起著重要作用，有時也可作為一個簡單的控制器。構(gòu)成機器人運動控制系 統(tǒng)的要素有:計算機硬件系統(tǒng)及控制軟件、輸入/輸出設(shè)備、驅(qū)動器、傳感器系統(tǒng)。 3.1控制系統(tǒng)硬件選型與配置3.1.1驅(qū)動電機的選型步進電機是數(shù)字控制電機，它將脈沖信

27、號轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個脈沖信號， 步進電機就轉(zhuǎn)動一個角度，因此非常適合于單片機控制。步進電機可分為反應(yīng)式 步進電機(簡稱VR)、永磁式步進電機(簡稱PM)和混合式步進電機(簡稱HB)。步進電機區(qū)別于其他控制電機的最大特點是，它是通過輸入脈沖信號來進行 控制的，即電機的總轉(zhuǎn)動角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機的轉(zhuǎn)速由脈沖信號頻率 決定。步進電機的驅(qū)動電路根據(jù)控制信號工作，控制信號由單片機產(chǎn)生。其基本 原理作用如下：控制換相順序通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如：三相步進電機的三拍工作方式，其 各相通電順序為 A-B-C-D,通電控制脈沖必須嚴格按照這一順序分別控制 A,B,C，D相的通斷?？刂撇竭M電

28、機的轉(zhuǎn)向如果給定工作方式正序換相通電，步進電機正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，則 電機就反轉(zhuǎn)?？刂撇竭M電機的速度如果給步進電機發(fā)一個控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉(zhuǎn)一 步。兩個脈沖的間隔越短，步進電機就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整單片機發(fā)出的脈沖頻率， 就可以對步進電機進行調(diào)速。步進電機是依靠有序的步進脈沖運動的，利用單片機控制步進電機運動是非 常適合的。整個系統(tǒng)包含PIC16F877，步進電機驅(qū)動器L298和步進電機。本設(shè) 計是單片機控制兩臺步進電機。PIC16f877單片機的作用是接受命令，完成相應(yīng) 的功能，并作為脈沖邏輯分配器，輸出步進電機所需要的時序脈沖。步進電機可 以向任意方向旋轉(zhuǎn)和停止，實

29、現(xiàn)了所謂“位置控制”的動作。每個輸入脈沖決定 了步進電機轉(zhuǎn)動的角度。步進電機只是根據(jù)輸入脈沖數(shù)旋轉(zhuǎn)和停止，適合于位置 控制，把運動所必需的脈沖數(shù)，以動作所需要的速度輸入給電機，就能夠正確的 控制位置而運動。步進電機的運行要有一個電子裝置進行控制，這個裝置就是步進電機驅(qū)動 器，它是將控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號放大以驅(qū)動步進電機。步進電機的轉(zhuǎn)速與脈 沖信號的頻率成正比，控制脈沖信號的頻率可以對電機精確調(diào)整；控制脈沖數(shù)可 以對電機精確定位。選擇步進電機為移動機器人驅(qū)動電機。上層系統(tǒng)計算移動機 器人的角度和距離等信息傳給下層系統(tǒng)，通過分析得到機器人的運動狀態(tài)，計算 等到輪子的步數(shù)等。完成軟件的編寫，實現(xiàn)了

30、對步進電機的預(yù)期控移動機器人的 兩個重要部分（視覺處理和運動控制）。3.1.2伺服電機的選型所有的主控制功能是微處理器，驅(qū)動為DA模擬轉(zhuǎn)換器，以產(chǎn)生一個模擬扭 矩需求信號。從這個角度上，這臺機器非常很像一個模擬伺服放大器。反饋的信 息是來自隸屬該電機軸的一個編碼器。編碼器生成脈沖流可確定傳輸路程，并通 過計算脈沖頻率，是可以測定轉(zhuǎn)速的。數(shù)碼驅(qū)動通過求解一系列的方程式，履行同樣類似的功能。微處理器是與數(shù) 學模型（或“算法）的等效的編程模擬系統(tǒng)。這模型預(yù)測系統(tǒng)的行為。它響應(yīng) 一個給定輸入的信號并產(chǎn)生速度。它同樣也考慮到額外信息如輸出速度，速率轉(zhuǎn) 變中的投入和各種調(diào)校設(shè)定。解決所有方程需數(shù)額需有限的

31、時間，即使是一個快 速的處理器一次處理通常也是100ms和2ms之間。在此之間，在改變輸入或輸出， 先前的計算值將有沒有回應(yīng)時，扭矩要求必須保持恒定。因此更新時間成為數(shù)字 伺服和一臺高性能系統(tǒng)關(guān)鍵的因素，它必須保持及時更新4調(diào)試數(shù)字伺服電機 可按鈕或從一個計算機或終端調(diào)試。電位器調(diào)整是涉及的。調(diào)試數(shù)據(jù)是設(shè)置在伺 服算法的各種系數(shù)，因此，它決定了系統(tǒng)的性能。即使如果調(diào)諧進行使用按鈕， 終值也可以上傳到終端，讓其進行簡單的重復。在某些應(yīng)用中，因負載慣量各異，例如一個機器手臂卸載后又帶有沉重的負 荷。改變慣性可能是一個系數(shù)為20或以上，而這樣的變化需要該驅(qū)動器重新調(diào) 整，以保持其穩(wěn)定。這只不過是在操

32、作系統(tǒng)的適當點通過發(fā)送新的調(diào)試參數(shù)來實 現(xiàn)的。3.1.3輪轂電機的選型圖3-2為輪子的示意圖，設(shè)移動機器人與跟蹤物體的原始距離為乙1,上層系 統(tǒng)傳送移動機器人與跟蹤物體的距離為，則移動機器人運動的距離為L= L2-L1。設(shè)計選用步進角為1.8的步進電機。之輪子轉(zhuǎn)動的角度為：（3-1）L（3-1）b = R步進電機的步數(shù)位：（3-2）b n =（3-2）1.8當L1 = L2時，機器人不運動，步進電機沒有轉(zhuǎn)動。圖3-3為移動機器人直線運動示意圖，當移動機器人的上層傳達一個角度為 a=0時，在直角坐標系上，沒有往X軸上有分量，移動機器人則直線運動。當 L0時，移動機器人前進。當L0”的命令時，則移

33、動機器人從X1-Y1坐標系運動到X2-Y2坐標系。圖3-4移動機器人右轉(zhuǎn)示意圖移動機器人先完成轉(zhuǎn)彎在進行前進。在轉(zhuǎn)彎時，從圖可知左輪為正轉(zhuǎn)，右輪 為反轉(zhuǎn)。輪子移動的距離為:S=aXr(3-4)S=aXr則輪子移動的角度為:(3-5)a x r(3-5)c =Ra x a x r1.8。R(3-6)轉(zhuǎn)彎完成后，移動機器人為直線運動。左輪為正轉(zhuǎn)，右輪為正轉(zhuǎn)。公式參考 4-3.移動機器人前進左轉(zhuǎn)和后退轉(zhuǎn)彎時，我們可以參照前進右轉(zhuǎn)時計算。對本類移動機器人的控制就是通過控制算法求出輪子的步速，通過改變單片 機輸出的脈沖波，完成對移動機器人的底層控制。3.2輪式移動機器人控制系統(tǒng)框架控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案：

34、微處理器模塊:是控制系統(tǒng)的核心，包括微控制器及其相關(guān)外圍電路主要進行 各種信息、數(shù)據(jù)的處理，協(xié)調(diào)系統(tǒng)中各功能模塊完成預(yù)定的任務(wù)；驅(qū)動模塊:控制機器人系統(tǒng)中的舵機和傳感器模塊預(yù)定的任務(wù);實現(xiàn)舵機速度 和位置的控制，完成前進、后退、直行、轉(zhuǎn)彎、避障、抓取等動作；傳感器模塊:有速度、位置、距離、聲音等傳感器，主要負責移動機器人移動 過程中的障礙物、聲音等檢測；電源模塊:負責整個移動機器人的電源供給，使系統(tǒng)能離線運動，主要由12V 蓄電池及相關(guān)調(diào)壓穩(wěn)壓電路組成；串口通信模塊:根據(jù)RS232通信標準與上位機進行串口通信；JTAG調(diào)試:可以實現(xiàn)在線編程、調(diào)試仿真。J 調(diào)試一 驅(qū)動損塊微控制器模塊 ATm早

35、胃M 28電派柳決串口通信模塊E位機一 AX-12JK 機圖3-5運動控制系統(tǒng)流程圖結(jié)論和總結(jié)經(jīng)過我閱讀一些關(guān)于移動機器人的文獻資料，設(shè)計出了一種輪式移動機器 人。移動機器人技術(shù)是當今科學研究領(lǐng)域的前沿，在這方面的研究工作，也正隨 著移動機器人越來越多地走進人類的世界，而更加受到了國內(nèi)外科學家和研究學 者們的關(guān)心和熱愛。研究與開發(fā)集環(huán)境感知、動態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行 等多種功能于一體的移動機器人的綜合控制系統(tǒng)，勢在必行。本文針對基于多傳 感器的輪式移動機器人行為控制技術(shù)，對移動機器人硬件和軟件體系結(jié)構(gòu)、機器 人結(jié)構(gòu)設(shè)計、運動控制零部件等方面展開了深入的研究和探討，提出了一個運動 控制的方

36、案，并應(yīng)用于移動機器人行為控制系統(tǒng)。本論文學習了一個輪式移動機器人的一些基本結(jié)構(gòu)以及輪式移動機器人的 一些用途。本論文完成的主要工作包括以下幾個方面：1、簡要的介紹了移動機器人的歷史和在國內(nèi)外的現(xiàn)狀。從總體上介紹了視 覺導航；2、選擇步進電機為移動機器人驅(qū)動電機。上層系統(tǒng)計算移動機器人的角度 和距離等信息傳給下層系統(tǒng)，通過分析得到機器人的運動狀態(tài)，計算等到輪子的 步數(shù)等。完成軟件的編寫，實現(xiàn)了對步進電機的預(yù)期控移動機器人的兩個重要部 分（視覺處理和運動控制）。3、選擇電路元件一單片機PIC16F877、步進電機驅(qū)動器L298、穩(wěn)壓電源 LM7805。完成了底層控制原理圖的設(shè)計。設(shè)計應(yīng)用了 pr

37、opel99SE軟件制作電路 圖并完成PCB版圖的設(shè)計。由于自身知識的匱乏，我查閱了許多資料，最終簡單的設(shè)計了控制系統(tǒng)的框 架，并沒有對內(nèi)部指令等進行編輯。希望以后能夠?qū)W習此方面的知識。致謝首先感謝曹老師給我這次機會做這個設(shè)計，并且曹老師對知識追求孜孜不 倦、精益求精的治學態(tài)度，給我留下了深刻的印象，也使我在大學學習期間受益 匪淺。感謝我所有的同學，一直以來大家共同努力、共同進步，遇到困難互相幫助、 互相勉勵，一齊前進。感謝機械系所有老師大學期間在我學習及工作方面的關(guān)心 與幫助。他們對我的悉心指導和無微不至的關(guān)懷將使我終身難忘。感謝所有幫助 過我，和我所結(jié)識的所有的人們，是你們一起成就著我的人

38、生。課程設(shè)計過程中， 不免遇到許多問題和困難，但是曹老師都細心認真為我解答，她認真負責的工作 態(tài)度、嚴謹?shù)闹螌W風格深深感染了我,從一開始的毫無頭緒，無從下手，到后來 對各部分的理解，曹老師的指導對我都是十分重要的。首先她給了我很大的自由 空間和充分的信任，促使我在設(shè)計方面進行自己的思考，其次在細節(jié)上又能循循 善導，提出我設(shè)計的不足和改進辦法，使我認識到自己需要提高的地方，讓我的 設(shè)計做的更加有條有序，對我以后的學習也會有很大幫助。另外，在校圖書館查 找資料的時候，圖書館的老師也給我提供了很多方面的支持與幫助。最后，再次感謝所有在設(shè)計中曾經(jīng)幫助過我的良師益友和同學，以及在設(shè)計 中被我引用或參考的

39、論著的作者。參考文獻王文學，孫萍，徐心和.足球機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)研究J.控制與決策，2001, 16(2): 233-235.柳洪義，宋偉剛.機器人技術(shù)基礎(chǔ)M.北京:冶金工業(yè)出版社，2002. 16-29, 49-50, 165-174.祖莉，王華坤.智能移動機器人運動控制系統(tǒng)及算法的設(shè)計J.機器人技術(shù)與應(yīng)用，2002, 24(5): 39-42.王福瑞.單片機微機測控系統(tǒng)設(shè)計大全M .北京航空航天大學出版社,1998.王鴻鈺.步進電機控制技術(shù)入門M.同濟大學出版社，1990.孫迪生，王炎.機器人控制技術(shù)M.北京:機械工業(yè)出版社，1997. 45-56.20程序LISP=16F877#INCLUDEPCLEQU 02HSTATUSEQU 03HPORTCEQU 07HPORTDEQU 08HTRISCEQU 87HTRISDEQU 88HINTCONEQU 0BHCCP1IFEQU 2HCCP1CONEQU 17HCCPR1LEQU0EHCCPR1HEQU 0FHPIR1EQU 0CHPIR2EQU 0DHTMR1LEQU 0EHTMR1HEQU 0FHADRESHEQU 1EHADCON0EQU 1FHPIE1EQU8CHPIE2EQU8DHADCON1EQU 9FHT1CONEQU 10HRP1EQU 06HRP0EQU 05HZEQ