機(jī)器人培訓(xùn)第二講課件

傳感器與電機(jī)控制郵箱：

USTBRobocon2011培訓(xùn)（二）Contents機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)1機(jī)器人的動(dòng)力系統(tǒng)2機(jī)器人的感知系統(tǒng)3巡線(xiàn)算法4機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)

要做好機(jī)器人，首先需要考慮的是我們做的機(jī)器人到底像不像“人”？電控系統(tǒng)的組成電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖機(jī)器人的動(dòng)力系統(tǒng)

機(jī)器人的動(dòng)力來(lái)源：電機(jī)舵機(jī)氣動(dòng)裝置：氣缸、人工肌肉……直流電機(jī)構(gòu)成：減速箱和直流電機(jī)

電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)：電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)控制設(shè)備電源負(fù)載

減速箱又名“減速機(jī)”等，是一種降低電機(jī)轉(zhuǎn)速和放大電機(jī)扭矩的裝置。直流電機(jī)的機(jī)械特性n：轉(zhuǎn)速U：電壓T：轉(zhuǎn)矩紅線(xiàn)為正極，黑線(xiàn)為負(fù)極電流紅進(jìn)黑出，電機(jī)正轉(zhuǎn)電流紅出黑進(jìn)，電機(jī)反轉(zhuǎn)直流電機(jī)的調(diào)速方式

PWM：pulsewidthmodulatorPWM波調(diào)速：改變電壓的占空比，使平均電壓隨占空比的變化而變化，從而達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。如果脈沖周期足夠短，電機(jī)就能很平滑的轉(zhuǎn)動(dòng)。一般取周期為5ms。直流電機(jī)的H橋驅(qū)動(dòng)方式繼電器的換向速度為2ms；H橋換向速度低于1us電路比較復(fù)雜，若是同臂導(dǎo)通，會(huì)燒毀MOS管甚至電池MOS管導(dǎo)通后，D和S之間的電阻<0.1歐我們使用專(zhuān)門(mén)的H橋芯片IR2104其他電機(jī)控制方式電機(jī)控制盒專(zhuān)用電機(jī)控制芯片如L293、L298N、LMD18200、LG9110等……直流電機(jī)的速度閉環(huán)即使電機(jī)兩端電壓不變，如果負(fù)載變化，電機(jī)的轉(zhuǎn)速也會(huì)變化。如果使用光電編碼器，測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速，與理想的轉(zhuǎn)速做PID調(diào)節(jié)，就能保持電機(jī)在變化負(fù)載下的恒速。直流電機(jī)的速度閉環(huán)光電編碼器的信號(hào)處理電路74LS14整形，74LS74鑒向舵機(jī)舵機(jī)是一種航模用品，優(yōu)點(diǎn)是重量輕、力矩較大、控制簡(jiǎn)單（PWM波）

輸出角度值：0-180°（理論值）控制信號(hào)：周期20ms的矩形波，脈沖寬度從0.5ms-2.5ms線(xiàn)性對(duì)應(yīng)舵盤(pán)的位置0－180度。機(jī)器人的感知系統(tǒng)機(jī)器人的感知系統(tǒng)由傳感器組成。傳感器相當(dāng)于機(jī)器人的五官，在機(jī)器人控制中起著至關(guān)重要的作用。典型的傳感器有：光電傳感器(反射，對(duì)射)，紅外傳感器光纖傳感器行程開(kāi)關(guān)磁傳感器(霍爾元件)

超聲波傳感器旋轉(zhuǎn)編碼器(光碼盤(pán))陀螺儀、加速度計(jì)、電子羅盤(pán)圖像傳感器(CCD,CMOS)……光電巡線(xiàn)傳感器：發(fā)射電路注意：⒈我們使用的接收管只能接收調(diào)制光，因此發(fā)射管必須經(jīng)過(guò)調(diào)制電路發(fā)射調(diào)制光，否則接收管無(wú)法接收光信號(hào)；⒉調(diào)制管管腳（正面看）：中間+5V，左OUT，右懸空光電巡線(xiàn)傳感器：發(fā)射電路發(fā)射管分類(lèi)：LED發(fā)光二極管——基本技術(shù)要求最低，也是最基本最常見(jiàn)的巡線(xiàn)傳感器。有可見(jiàn)光和紅外兩種。由于普通連續(xù)光傳感器易受外部環(huán)境光線(xiàn)干擾，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力較差，所以要使用經(jīng)過(guò)調(diào)制管調(diào)制的LED光電傳感器來(lái)避免外部連續(xù)光的干擾。激光發(fā)射管——進(jìn)階采用激光發(fā)射管與可見(jiàn)光LED原理相同，但是由于激光的特性(功率大、不易散射)可以得到較遠(yuǎn)的接收距離(即前瞻)。前瞻決定反應(yīng)速度，所以采用激光發(fā)射管的車(chē)相對(duì)于LED有著較大的優(yōu)勢(shì)，更容易提速和控制。但是，激光傳感器也有著造價(jià)非常高，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜、接收時(shí)容易相互干擾，調(diào)試難度很大，容易燒壞等缺點(diǎn)光電巡線(xiàn)傳感器：接收電路注意：⒈接收管信號(hào)端接發(fā)光二極管顯示，串聯(lián)的電阻也同時(shí)起到輸出信號(hào)上拉的作用⒉接收管管腳（正面看）：中間OUT，左負(fù)右正接受電路的主要元件是接收管，是光敏三極管的一種。一般的接收管接收到光時(shí)輸出低電平(輸出0)，即在白條上接收不到光時(shí)為高電平(輸出1)，即在場(chǎng)地其他顏色上白線(xiàn)檢測(cè)光電傳感器

普通光電傳感器，為紅色可見(jiàn)光帶調(diào)制的傳感器，其可見(jiàn)光的強(qiáng)度可通過(guò)的傳感器上的多圈電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)，即靈敏度可調(diào)。我們將其用來(lái)做機(jī)器人的到位判斷。

行程開(kāi)關(guān)

行程開(kāi)關(guān)可作為機(jī)構(gòu)的定位傳感器。把行程開(kāi)關(guān)安裝在移動(dòng)部位的擋塊、凸輪的滑塊等零件，使機(jī)械式開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)執(zhí)行開(kāi)、關(guān)動(dòng)作，從而獲得位置信號(hào)。

行程開(kāi)關(guān)的常開(kāi)端（NO）和常閉端（NC）分別接數(shù)字部分的地和正，中央觸點(diǎn)端（COM）則作為信號(hào)端帶上拉電阻和發(fā)光二極管接入單片機(jī)的輸入I/O。當(dāng)行程開(kāi)關(guān)受到觸發(fā)，中央觸點(diǎn)端與常開(kāi)端接觸時(shí)，COM端輸出低電平，表示機(jī)構(gòu)已經(jīng)到位?；魻杺鞲衅?/p>

霍爾器件是一種磁傳感器。用它們可以檢測(cè)磁場(chǎng)及其變化，可在各種與磁場(chǎng)有關(guān)的場(chǎng)合使用?；魻柶骷曰魻栃?yīng)為其工作基礎(chǔ)?；魻柶骷性S多優(yōu)點(diǎn)，它們的結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長(zhǎng)，安裝方便，功耗小，頻率高，耐震動(dòng)，不怕灰塵、油污、水氣及煙霧等的污染和腐蝕。巡線(xiàn)算法傳感器狀態(tài)的獲取和編碼-7-5-3-11357本來(lái)傳感器狀態(tài)就少，所以要細(xì)分傳感器狀態(tài)，即每?jī)蓚€(gè)傳感器在線(xiàn)上時(shí)，也是一種狀態(tài)。這樣的一排傳感器可以有16種狀態(tài)。傳感器狀態(tài)分析在線(xiàn)傳感器S1S1S2S2S1S2S3S2S3S3S2S3S4S3S4S4狀態(tài)定義A123345567在線(xiàn)傳感器S3S4S5S4S5S5S4S5S6S5S6S6S5S6S7S6S7S7狀態(tài)定義A78991011111213在線(xiàn)傳感器S6S7S8S7S8S8

都不在線(xiàn)狀態(tài)定義A13141516巡線(xiàn)傳感器狀態(tài)采集程序1讀取每一位接收管的狀態(tài)，并進(jìn)行編碼2記錄通過(guò)的白線(xiàn)的數(shù)目巡線(xiàn)算法：PID控制原理連續(xù)系統(tǒng)的PID控制：巡線(xiàn)算法：PID控制原理連續(xù)系統(tǒng)PID的數(shù)字化：位置式：增量式：巡線(xiàn)算法：PID控制原理Pproportion比例：PID用于控制精度它直接影響精度,影響控制的結(jié)果

Iintegration積分：它相當(dāng)于力學(xué)的慣性能使震蕩趨于平緩

Ddifferentiation微分：控制提前量它相當(dāng)于力學(xué)的加速度影響控制的反應(yīng)速度.太大會(huì)導(dǎo)致大的超調(diào)量使系統(tǒng)極不穩(wěn)定.太小會(huì)使反應(yīng)緩慢.

一般而言PID調(diào)節(jié)是一個(gè)整體的說(shuō)法在實(shí)際中PID的比例積分微分并非總是同時(shí)使用PI調(diào)節(jié)和PD調(diào)節(jié)使用較多.巡線(xiàn)算法：PID控制P控制PI控制PID控制巡線(xiàn)算法：PID控制的輸入位置信息：?jiǎn)闻艂鞲衅鳙@取傳感器與白線(xiàn)的位置信息。角度信息：2排傳感器的狀態(tài)差反應(yīng)車(chē)體中心偏離白線(xiàn)中心的角度偏離角度=后排傳感器狀態(tài)值-前排傳感器狀態(tài)值巡線(xiàn)算法：PID控制流程采集前排傳感器狀態(tài)采集后排傳感器狀態(tài)角度PID位置PID計(jì)算得出兩輪需要的轉(zhuǎn)速單片機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)控制電機(jī)PID參數(shù)測(cè)定方法

先比例，再積分，最后微分

（1）整定比例控制 將比例控制作用由小變到大，觀察各次響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線(xiàn)。

（2）整定積分環(huán)節(jié)

若在比例控制下穩(wěn)態(tài)誤差不能滿(mǎn)足要求，需加入積分控制。

先將步驟（1）中選擇的比例系數(shù)減小為原來(lái)的50～80％，再將積分時(shí)間置一個(gè)較大值，觀測(cè)響應(yīng)曲線(xiàn)。然后減小積分時(shí)間，加大積分作用，并相應(yīng)調(diào)整比例系數(shù)，反復(fù)試湊至得到較滿(mǎn)意的響應(yīng)，確定比例和積分的參數(shù)。

（3）整定微分環(huán)節(jié)

若經(jīng)過(guò)步驟（2），PI控制只能消除穩(wěn)態(tài)誤差，而動(dòng)態(tài)過(guò)程不能令人滿(mǎn)意，則應(yīng)