“GZ-2018084電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)及制作”賽項(xiàng)賽卷3

2018年全國(guó)職業(yè)院校技能大賽高職組“GZ-2018084電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)及制作”賽項(xiàng)賽卷三題目：水果采摘機(jī)器人控制器設(shè)計(jì)及制作競(jìng)賽任務(wù)按賽題要求，利用所發(fā)的技術(shù)資料、元器件及器材完成水果采摘機(jī)器人控制器的設(shè)計(jì)和裝調(diào)任務(wù)，進(jìn)行CorteX-M3系列STM32F103ZET6(LQFP144)處理器或STC單片機(jī)IAP15W4K61S4(LQFP64S)的軟件設(shè)計(jì)，完成該控制器的設(shè)計(jì)及制作。根據(jù)本賽題及所給光盤(pán)中的技術(shù)資料分析水果采摘機(jī)器人控制器的工作原理和功能要求；根據(jù)賽題所給的機(jī)器人控制器原理圖和印刷線(xiàn)路板約束條件，利用AltiumDesigner軟件繪制印刷線(xiàn)路板圖；完成賽項(xiàng)所提供印刷線(xiàn)路板的焊接任務(wù)；利用賽項(xiàng)提供的機(jī)器人控制器機(jī)箱及套件完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和整機(jī)安裝，包括開(kāi)關(guān)、電源、電路板、插座的安裝及機(jī)箱內(nèi)走線(xiàn)的規(guī)劃；完成機(jī)器人控制器的功能調(diào)試，使其達(dá)到規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)水果采摘機(jī)器人的正常工作；完成STM32F103或IAP15W4K61S4處理器軟件的編寫(xiě)，使水果采摘機(jī)器人達(dá)到規(guī)定的功能要求。競(jìng)賽時(shí)間競(jìng)賽時(shí)間為8小時(shí)(9:00-17:00)。功能要求與技術(shù)指標(biāo)原理說(shuō)明水果采摘機(jī)器人為三自由度機(jī)器人，可以對(duì)攝像頭的圖像識(shí)別，實(shí)現(xiàn)對(duì)成熟水果的自動(dòng)采摘，其機(jī)構(gòu)如圖1所示。圖1水果采摘機(jī)器人水果采摘機(jī)器人由三個(gè)直線(xiàn)導(dǎo)軌分別控制采摘機(jī)械手的左右、上下和前后運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬果樹(shù)上成熟水果的自動(dòng)采摘。左右運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的驅(qū)動(dòng)為帶編碼器的直流減速電機(jī)，并安裝電容式位移傳感器，在導(dǎo)軌的兩端安裝防撞的行程開(kāi)關(guān);上下運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的驅(qū)動(dòng)為帶編碼器的直流減速電機(jī)，在導(dǎo)軌的兩端安裝防撞的行程開(kāi)關(guān);前后運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的驅(qū)動(dòng)為直流減速電機(jī)，在導(dǎo)軌的兩端安裝防撞的行程開(kāi)關(guān);采摘機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)為舵機(jī)；在機(jī)械手夾持板的一邊內(nèi)側(cè)安裝力傳感器，可以檢測(cè)夾持水果的力度，在機(jī)械手的下方安裝攝像頭，用于識(shí)別成熟紅色水果，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采摘。水果采摘機(jī)器人還配有搖桿電位器控制板，與控制器有線(xiàn)連接，可手動(dòng)控制采摘機(jī)器人的工作。功能實(shí)現(xiàn)水果采摘機(jī)器人要求能實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬果樹(shù)上成熟水果的手動(dòng)控制采摘或自動(dòng)控制采摘。水果采摘機(jī)器人控制器由微處理器（STM32或51）電路，顯示與鍵盤(pán)電路，傳感器測(cè)量電路，A/D轉(zhuǎn)換電路，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和電源電路等部分組成。參賽隊(duì)需完成水果采摘機(jī)器人控制器的印刷線(xiàn)路板繪制，線(xiàn)路板的焊接與調(diào)試，控制器的安裝與調(diào)試，控制器指定功能的軟件編程與調(diào)試等多項(xiàng)競(jìng)賽任務(wù)。3.2.1印刷線(xiàn)路板的繪制根據(jù)賽題所指定的水果采摘機(jī)器人控制器原理圖和印刷線(xiàn)路板約束條件，利用AItiUmDesigner軟件繪制該控制器的印刷線(xiàn)路板圖。控制器原理圖由CPU電路單元、人機(jī)接口電路單元、傳感器測(cè)量電路單元、A/D電路單元、功率輸出電路單元、電源電路單元等幾部分組成，每一單元電路都有若干種選擇，印刷線(xiàn)路板的外形結(jié)構(gòu)也有若干種選擇。根據(jù)不同的組合組成3號(hào)賽卷的線(xiàn)路板繪制抽取方案，由裁判長(zhǎng)指定相關(guān)人員在比賽前三天內(nèi)按該方案隨機(jī)抽取各單元電路和外形結(jié)構(gòu)，組成完整的控制器原理圖和外形結(jié)構(gòu)。線(xiàn)路板約束規(guī)則要求：雙層印刷線(xiàn)路板，最小間距10mil（集成電路引腳間距不受此約束），最小線(xiàn)寬10mil，過(guò)孔最小孔徑15mil，過(guò)孔最小直徑30mil，敷銅最小間距10mil。參賽隊(duì)所繪制的水果采摘機(jī)器人控制器原理圖和印刷線(xiàn)路板圖電子稿采用光盤(pán)刻錄的形式上交。印刷線(xiàn)路板焊接與調(diào)試微處理器核心板（DCP-401或DCP-301）、ADS1118串口A/D轉(zhuǎn)換電路板（DCP-208）和多功能萬(wàn)用板（DCP-226）為散件，需參賽隊(duì)自己焊接和調(diào)試。水果采摘機(jī)器人控制器的安裝與調(diào)試水果采摘機(jī)器人控制器的裝調(diào)工作要求在如圖2所示的機(jī)箱中完成。安裝套件包括機(jī)箱、開(kāi)關(guān)電源、前面板、后面板、安裝底板、微處理器核心板（STM32或51單片機(jī)）、人機(jī)接口電路板、傳感器測(cè)量電路板、A/D轉(zhuǎn)換電路板、功率輸出電路板以及必要的電氣附件。其中左右運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的位置測(cè)量采用電容式位移傳感器測(cè)量，不采用直流減速電機(jī)上的編碼器測(cè)量。圖2水果采摘機(jī)器人控制器機(jī)箱圖水果采摘機(jī)器人控制器的具體線(xiàn)路板構(gòu)成如下：1)DCP-401或DCP301微處理器核心板；2)DCP-204液晶顯示和鍵盤(pán)電路板；3)DCP-208ADS1118串行A/D轉(zhuǎn)換電路板；4)DCP-216功率運(yùn)放輸出電路板；5)DCP-218功率H橋PWM輸出電路板；6)DCP-226多功能萬(wàn)用板。參賽隊(duì)需自行完成水果采摘機(jī)器人控制器機(jī)箱內(nèi)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和裝調(diào)工作。以上線(xiàn)路板的原理圖、印刷線(xiàn)路板元件布置圖、元件清單均在電子文件“水果采摘機(jī)器人控制器裝調(diào)”文件夾中。水果采摘機(jī)器人控制器的前面板安裝DCP-204液晶顯示和鍵盤(pán)電路板、搖桿電位器接口和電源開(kāi)關(guān)。前面板的布置如圖3所示：圖3水果采摘機(jī)器人控制器前面板圖水果采摘機(jī)器人控制器的后面板的布置如圖4所示，安裝有三個(gè)接線(xiàn)插座和帶保險(xiǎn)絲的電源插座。其中端口1連接左右運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌電機(jī)及編碼器、電容式位圖4水果采摘機(jī)器人控制器后面板圖移傳感器的信號(hào)，端口2連接上下運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌電機(jī)及編碼器、前后運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌電機(jī)的信號(hào)，端口3連接機(jī)械手舵機(jī)、攝像頭和力傳感器的信號(hào)?？刂破髡麢C(jī)的安裝工藝評(píng)分和印刷線(xiàn)路板的焊接工藝評(píng)分將在比賽結(jié)束、整機(jī)功能測(cè)試后集中進(jìn)行，比賽過(guò)程中不對(duì)印刷線(xiàn)路板的焊接工藝單獨(dú)評(píng)分。水果采摘機(jī)器人的功能要求水果采摘機(jī)器人控制器前面板的按鍵功能定義如圖5所示：(Z)(Z)EIEl13(Z)ElI3ΞθH(30θBH圖5控制器按鍵定義圖通過(guò)控制器前面板的液晶顯示屏和按鍵，可以實(shí)現(xiàn)水果采摘機(jī)器人的參數(shù)設(shè)定、手動(dòng)模式采摘和自動(dòng)模式采摘。要求系統(tǒng)通電后顯示界面一如圖6所示，顯示參賽隊(duì)自己的工位號(hào)，核心板上蜂鳴器鳴叫3秒，界面底部“按E鍵進(jìn)入主界面”每隔1秒閃爍一次，按下面板上的E鍵，進(jìn)入主界面。采摘機(jī)器人

工位號(hào)：□□按E鍵進(jìn)入主界面圖6界面一1、區(qū)域設(shè)定2、位置控制3、自動(dòng)采摘圖7主界面主界面如圖7所示，通過(guò)前面板的按鍵上相應(yīng)的數(shù)字鍵選擇進(jìn)入對(duì)應(yīng)的子功能界面。區(qū)域設(shè)定子功能界面如圖8所示，通過(guò)前面板的按鍵設(shè)定采摘時(shí)采摘機(jī)械手查詢(xún)的區(qū)域。區(qū)域設(shè)定為三角形，三角形三個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)可通過(guò)按鍵設(shè)定，設(shè)定方法自擬。在模擬果樹(shù)的平面上繪有坐標(biāo)刻度，坐標(biāo)值的單位為mm。該界面退出后返回主界面。三角形坐標(biāo)點(diǎn):□□X□□□

一□□□X□□□□□X□□□目標(biāo)位置：□□□

當(dāng)前位置：□□□

運(yùn)動(dòng)時(shí)間：□□.□S圖8區(qū)域設(shè)定功能界面圖9位置控制子功能界面位置控制子功能界面如圖9所示，針對(duì)左右運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)軌進(jìn)行位置控制。通過(guò)前面板的按鍵設(shè)置目標(biāo)位置，按D鍵后機(jī)械手向目標(biāo)位置運(yùn)動(dòng)，到達(dá)目標(biāo)后停止，當(dāng)前位置動(dòng)態(tài)顯示機(jī)械手實(shí)際所在位置，運(yùn)動(dòng)時(shí)間動(dòng)態(tài)顯示按下D鍵后從當(dāng)前位置到目標(biāo)位置的時(shí)間值。該界面退出后返回主界面。自動(dòng)采摘子功能界面如圖10所示，通過(guò)前面板的按鍵上相應(yīng)的數(shù)字鍵選擇進(jìn)入對(duì)應(yīng)的子功能界面。該界面退出后返回主界面。自動(dòng)采摘1、自動(dòng)采摘定位2、區(qū)域內(nèi)自動(dòng)采摘圖10自動(dòng)采摘子功能界面 圖11自動(dòng)采摘子功能界面自動(dòng)采摘定位子界面如圖11所示，將模擬果樹(shù)整體映射到顯示屏上，由安裝在機(jī)械手上的攝像頭對(duì)區(qū)域設(shè)定三角形內(nèi)的區(qū)域進(jìn)行掃描，根據(jù)攝像頭的圖像結(jié)果定位成熟水果的坐標(biāo)值，在顯示屏上相應(yīng)位置用“+”標(biāo)注。該界面退出后返回自動(dòng)采摘界面。區(qū)域內(nèi)自動(dòng)采摘子界面如圖12所示，按D鍵后執(zhí)行對(duì)區(qū)域設(shè)定圓內(nèi)的水果進(jìn)行采集。機(jī)械手坐標(biāo)實(shí)時(shí)顯示機(jī)械手的坐標(biāo)值；壓力實(shí)時(shí)顯示機(jī)械手上力傳感器的輸出電壓。采摘完后等待，按E鍵界面退出后返回自動(dòng)采摘界面。機(jī)械手坐標(biāo)：□□□X□□□數(shù)量：口□壓力：口.□□V圖12區(qū)域內(nèi)自動(dòng)采摘子界面在自動(dòng)采摘時(shí)，若機(jī)械手的夾持力過(guò)大，會(huì)觸發(fā)機(jī)械手下方線(xiàn)路板上蜂鳴器，提示采摘水果破損，判定為采摘失敗。3.3功能的分步實(shí)現(xiàn)本賽題包含印刷線(xiàn)路板設(shè)計(jì)、印刷線(xiàn)路板焊接和調(diào)試、水果采摘機(jī)器人控制器的裝調(diào)、控制器軟件的編寫(xiě)幾方面內(nèi)容，參賽隊(duì)在設(shè)計(jì)及制作時(shí)可分步完成以上各項(xiàng)內(nèi)容。在參賽隊(duì)自己焊接的微處理器核心板DCP-401或DCP301、ADS1118串行A/D轉(zhuǎn)換電路板DCP-208不能正常工作時(shí)，可以采用成品的訓(xùn)練板DCP-401核心板或DCP-301核心板、成品的訓(xùn)練板DCP-208（ADS1118串行A/D轉(zhuǎn)換電路板）代替，但會(huì)影響參賽隊(duì)的得分。4技術(shù)文件要求各隊(duì)完成的全部文件存放在“2018QGXX"（××為2位數(shù)字，即競(jìng)賽隊(duì)工位號(hào)）文件夾中，提交的電子文件采用統(tǒng)一命名規(guī)則（類(lèi)型名＋工位號(hào)），不得以其它名稱(chēng)命名電子文件。因保密要求，在電路原理圖和線(xiàn)路板圖文件中不得出現(xiàn)學(xué)校名稱(chēng)、參賽選手姓名、工位號(hào)等信息；電子文件名稱(chēng)如不符合命名規(guī)則，體現(xiàn)參賽隊(duì)信息的，該隊(duì)該項(xiàng)競(jìng)賽成績(jī)將被取消。提交的技術(shù)文件參賽隊(duì)提交的電子文件均采用光盤(pán)刻錄后提交，技術(shù)文件包括：1、電子設(shè)計(jì)工藝所繪制的印刷線(xiàn)路板原理圖和線(xiàn)路板圖；2、水果采摘機(jī)器人任務(wù)與功能驗(yàn)證所編寫(xiě)的源程序；文件命名要求電子文件列表如下：2018QGXX————電路原理圖××.SchDoc—線(xiàn)路板圖XX.PcbDoc—源程序X×（文件夾）4.3技術(shù)文件上交方式原理圖、線(xiàn)路板圖及源程序均需提交電子文檔，采用光盤(pán)刻錄，一式貳份上交，上交時(shí)間為比賽結(jié)束時(shí)（17:00）。5評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)序號(hào)評(píng)分項(xiàng)目