機(jī)器人控制技術(shù)與實(shí)踐 課件 第3、4章 機(jī)器人電源設(shè)計(jì)、機(jī)器人中的傳感器

1機(jī)器人控制技術(shù)與實(shí)踐2第三章機(jī)器人電路設(shè)計(jì)3.1機(jī)器人的電源系統(tǒng)3.2機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)3.3機(jī)器人常見電路接口3.4機(jī)器人處理控制器3.5機(jī)器人的串口通信3第三章機(jī)器人電路設(shè)計(jì)

機(jī)器人是模仿人或者其他生物制作出來的自動(dòng)化機(jī)器。機(jī)器人如何給自身補(bǔ)充能量？如何執(zhí)行動(dòng)作？43.1機(jī)器人的電源系統(tǒng)

一、機(jī)器人供電方式1、電纜供電方式適用于功率較大的機(jī)器人53.1機(jī)器人的電源系統(tǒng)

一、機(jī)器人供電方式2、電池供電方式適用于移動(dòng)機(jī)器人63.1機(jī)器人的電源系統(tǒng)二、鋰電池

靠鋰離子在正負(fù)極之間的轉(zhuǎn)移來完成電池充放電工作73.1機(jī)器人的電源系統(tǒng)二、鋰電池1、鋰電池的主要參數(shù)（1）電池容量（2）標(biāo)稱電壓（3）充電終止電壓

83.1機(jī)器人的電源系統(tǒng)二、鋰電池1、鋰電池的主要參數(shù)航模電池中的參數(shù)25C20C指的是放電的倍率。航模電池還有一個(gè)參數(shù)叫放電量多少M(fèi)A，比如是3000MA，那么這個(gè)電池能承受的最大電流是：3000ma*25=75A,對(duì)應(yīng)選擇合適的電調(diào)。電池放電C率，1C,2C,0.2C是電池放電速率：表示放電快慢的一種量度。所用的容量1小時(shí)放電完畢，稱為1C放電；5小時(shí)放電完畢，則稱為1/5=0.2C放電。

93.1機(jī)器人的電源系統(tǒng)二、鋰電池2、鋰電池的正確使用方法（1）按照規(guī)定充電（2）切不可過分放電（3）長期不使用，需要取出

103.1機(jī)器人的電源系統(tǒng)二、鋰電池3、鋰電池的接插口

T型頭公母一對(duì)T60公母一對(duì)

113.1機(jī)器人的電源系統(tǒng)二、鋰電池3、鋰電池的接插口

品字型插頭

轉(zhuǎn)換頭

123.1機(jī)器人的電源系統(tǒng)三、直流穩(wěn)壓電路1、穩(wěn)壓二極管構(gòu)成的穩(wěn)壓電路

穩(wěn)壓二極管適合給那些電流消耗不大的電路（一般為1A或者2A）進(jìn)行穩(wěn)壓。133.1機(jī)器人的電源系統(tǒng)三、直流穩(wěn)壓電路1、穩(wěn)壓二極管構(gòu)成的穩(wěn)壓電路

穩(wěn)壓二極管適合給那些電流消耗不大的電路（一般為1A或者2A）進(jìn)行穩(wěn)壓。143.1機(jī)器人的電源系統(tǒng)三、直流穩(wěn)壓電路2、

集成式直流穩(wěn)壓模塊

穩(wěn)壓模塊在選用時(shí)要注意輸出電壓、輸入電壓和最大輸出電流參數(shù)153.1機(jī)器人的電源系統(tǒng)四、充電裝置

1、充電器技術(shù)參數(shù)輸入電壓：100-240V；輸入頻率：50-60HZ；單節(jié)鋰電池充電電壓:4.2V。163.1機(jī)器人的電源系統(tǒng)四、充電裝置

1、常見鋰電池充電器B3充電器，一般也叫簡易充電器，可以充2S電池（7.4V，即兩節(jié)單節(jié)大小為4.2V鋰電池串聯(lián)而成的電池）或者3S電池（11.1V，即三節(jié)單節(jié)大小為4.2V鋰電池串聯(lián)而成的電池）。每次只允許插入一種電池。173.1機(jī)器人的電源系統(tǒng)四、充電裝置

1、常見鋰電池充電器B6充電器，可以充1-6S電池（7.4V，即兩節(jié)單節(jié)大小為4.2V鋰電池串聯(lián)而成的電池充電。每次只允許插入一種電池。183.2機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)一、驅(qū)動(dòng)器種類

1、電器驅(qū)動(dòng)器2、液壓驅(qū)動(dòng)器3、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器等。193.2機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)二、電機(jī)

電動(dòng)機(jī)是一種旋轉(zhuǎn)式電動(dòng)機(jī)器，它將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，它主要包括一個(gè)用以產(chǎn)生磁場的電磁鐵繞組或分布的定子繞組和一個(gè)旋轉(zhuǎn)電樞或轉(zhuǎn)子。1、電機(jī)種類按工作電源種類劃分：可分為直流電機(jī)和交流電機(jī)。按結(jié)構(gòu)及工作原理可劃分：無刷直流電動(dòng)機(jī)和有刷直流電動(dòng)機(jī)；交流電機(jī)可劃分：單相電機(jī)和三相電機(jī)。203.2機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)二、電機(jī)2、電機(jī)型號(hào)Y2-160M1-8：Y表示機(jī)型為異步電動(dòng)機(jī)；2為設(shè)計(jì)序號(hào)，“2”表示第一次基礎(chǔ)上改進(jìn)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品；160為中心高，是軸中心到機(jī)座平面高度；M1為機(jī)座長度規(guī)格，M是中型，其中腳注“2”是M型鐵心的第二種規(guī)格，而“2”型比“1”型鐵心長。8為極數(shù)，“8”是指8極電動(dòng)機(jī)。

213.2機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)二、電機(jī)3、驅(qū)動(dòng)電路（LM298）

電機(jī)旋轉(zhuǎn)方式控制端IN1控制端IN2控制端IN3控制端IN4輸入PWM信號(hào)改變脈寬可調(diào)速調(diào)速端A調(diào)速端BM1正轉(zhuǎn)高低//高/反轉(zhuǎn)低高//高/停止低低//高/M2正轉(zhuǎn)//高低/高反轉(zhuǎn)//低高/高停止低低///高223.2機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)三、舵機(jī)（伺服電機(jī)）

舵機(jī)主要由以下幾個(gè)部分組成，

舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計(jì)、直流電機(jī)、

控制電路板等。233.2機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)三、舵機(jī)（伺服電機(jī)）

1、舵機(jī)的工作原理243.2機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)三、舵機(jī)（伺服電機(jī)）

2、舵機(jī)的接口及供電方式舵機(jī)的輸入線共有三條，

紅色中間，

是電源線，一邊黑色（棕）的是地線，

這輛根線給舵機(jī)提供最基本的能源保證，主要是電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)消耗，還有一條白色（橙色）是信號(hào)線，用于調(diào)速。供電有6V或者4.8V直流。253.2機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)三、舵機(jī)（伺服電機(jī)）

3、用單片機(jī)來控制舵機(jī)（1）控制速度舵機(jī)和角度舵機(jī)工作（2）角度舵機(jī)的調(diào)速方法（3）模擬舵機(jī)和數(shù)字舵機(jī)263.3機(jī)器人常見電路接口一、ADC接口電路

在機(jī)器人制作過程中經(jīng)常會(huì)用到模擬傳感器，模擬傳感器輸出的信號(hào)是模擬信號(hào)，由于單片機(jī)只能處理數(shù)字信號(hào)，不能直接讀取模擬信號(hào)。類型并行比較器分級(jí)型逐次逼近型積分型VFC型主要特點(diǎn)超高速高速速度、精度、價(jià)格等綜合性價(jià)比高高精度、低成本、高抗干擾能力低成本、高分辨率分辨率6108-168-1616-248-16轉(zhuǎn)換時(shí)間幾十ns幾十-幾百ns幾十-幾百kSPS幾十kSPS幾-幾十SPS價(jià)格高高中中低主要用途超高速視頻處理視頻處理高速數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集工業(yè)控制音頻處理數(shù)字儀表數(shù)字儀表簡易ADC典型器件TLC5510MAX1200TLC0831AD7705AD650273.3機(jī)器人常見電路接口二、上拉和下拉電路

上拉就是將不確定的信號(hào)通過一個(gè)電阻鉗位在高電平，電阻同時(shí)起限流作用，下拉同理，上拉是對(duì)器件注入電流，下拉是輸出電流。在電路連接上，上拉電阻就是電阻一端接VCC，一端接邏輯電平接入引腳(如單片機(jī)引腳)，如圖4-26所示。下拉電阻就是電阻一端接GND，一端接邏輯電平接入引腳(如單片機(jī)引腳)，如圖4-27所示。283.3機(jī)器人常見電路接口二、上拉和下拉電路

上拉和下拉電阻有很多應(yīng)用的場合(1)當(dāng)TTL電路驅(qū)動(dòng)COMS電路時(shí)，如果TTL電路輸出的高電平低于COMS電路的最低高電平（一般為3.5V），這時(shí)就需要在TTL的輸出端接上拉電阻，以提高輸出高電平的值。(2)OC門電路必須加上拉電阻，才能使用。(3)為加大輸出引腳的驅(qū)動(dòng)能力，有的單片機(jī)管腳上也常使用上拉電阻。(4)在COMS芯片上，為了防止靜電造成損壞，不用的管腳不能懸空，一般接上拉電阻產(chǎn)生降低輸入阻抗，提供泄荷通路。(5)芯片的管腳加上拉電阻來提高輸出電平，從而提高芯片輸入信號(hào)的噪聲容限增強(qiáng)抗干擾能力。293.3機(jī)器人常見電路接口二、上拉和下拉電路

上拉和下拉電阻有很多應(yīng)用的場合(6)提高總線的抗電磁干擾能力。管腳懸空就比較容易接受外界的電磁干擾。(7)長線傳輸中電阻不匹配容易引起反射波干擾，加上下拉電阻是電阻匹配，有效的抑制反射波干擾。(8)對(duì)于非集電極(或漏極)開路輸出型電路(如普通門電路)提升電流和電壓的能力是有限的，上拉電阻的功能主要是為集電極開路輸出型電路輸出電流通道。303.3機(jī)器人常見電路接口三、OC/OD門電路

04機(jī)器人的供電方式3.4機(jī)器人處理控制器一、單片機(jī)字長：CPU能并行處理二進(jìn)制的數(shù)據(jù)位數(shù)8位機(jī)、16位機(jī)、32位機(jī)和64位機(jī)；內(nèi)存容量：存儲(chǔ)單元能容納的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)；容量單位：1K，1M、8K、64K、16M、64M；運(yùn)算速度：CPU處理速度；內(nèi)存存取時(shí)間：內(nèi)存讀寫速度50nS、70nS、200nS。04機(jī)器人的供電方式3.4機(jī)器人處理控制器一、單片機(jī)04機(jī)器人的供電方式3.4機(jī)器人處理控制器二、51系列單片機(jī)端口線（4×8=32條）:P0;P1;P2;P3電源線（2條）:VCC;GND控制線（6條）:RST;晶振等04機(jī)器人的供電方式3.4機(jī)器人處理控制器二、51系列單片機(jī)端口線（4×8=32條）:P0;P1;P2;P3電源線（2條）:VCC;GND控制線（6條）:RST;晶振等04機(jī)器人的供電方式3.4機(jī)器人處理控制器二、51系列單片機(jī)04機(jī)器人的供電方式3.4機(jī)器人處理控制器二、STM32系列單片機(jī)04機(jī)器人的供電方式3.4機(jī)器人處理控制器二、STM32系列單片機(jī)①HSI是高速內(nèi)部時(shí)鐘，RC振蕩器,頻率為8MHz。②HSE是高速外部時(shí)鐘,可接石英/陶瓷諧振器,或者接外部時(shí)鐘源，頻率范圍為4MHz~16MHz。我們的開發(fā)板接的是8M的晶振。③LSI是低速內(nèi)部時(shí)鐘，RC振蕩器，頻率為40kHz。獨(dú)立看門狗的時(shí)鐘源只能是LSI,同時(shí)LSI還可以作為RTC的時(shí)鐘源。④LSE是低速外部時(shí)鐘，接頻率為32.768kHz的石英晶體。這個(gè)主要是RTC的時(shí)鐘源。⑤PLL為鎖相環(huán)倍頻輸出，其時(shí)鐘輸入源可選擇為HSI/2、HSE或者HSE/2。倍頻可選擇為2~16倍，但是其輸出頻率最大不得超過72MHz383.5機(jī)器人中的串口通信一、串行通信和并行通信

并行通信

串行通信393.5機(jī)器人中的串口通信二、串行通信原理

1、異步通信方式403.5機(jī)器人中的串口通信二、串行通信原理

2、同步通信方式413.4機(jī)器人中的串口通信三、串行通信應(yīng)用

1、TTL：全雙工423.5機(jī)器人中的串口通信三、串行通信應(yīng)用

2、RS232：

全雙工433.5機(jī)器人中的串口通信三、串行通信應(yīng)用

3、不同電平接口通信串口轉(zhuǎn)換模塊小結(jié)機(jī)器人電源系統(tǒng)的組成。機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)。機(jī)器人常用電路接口種類。機(jī)器人處理控制器的種類及用法。機(jī)器人中的串口通信方式。45機(jī)器人控制技術(shù)與實(shí)踐

46第四章機(jī)器人中的傳感器4.1傳感器4.2測距傳感器4.3灰度和顏色傳感器4.4視覺傳感器4.5慣性測量傳感器47第四章機(jī)器人中的傳感器

機(jī)器人是由計(jì)算機(jī)控制的復(fù)雜機(jī)器，為了不完全依賴人的操縱而完成一定的作業(yè)任務(wù)，它就需要具備一定程度的智能。為了完成與外部交互，就需具有類似人的感官功能。機(jī)器人傳感器在機(jī)器人的控制中起了非常重要的作用，傳感器猶如人類的感知器官，是機(jī)器人感知世界的媒介。484.1傳感器

一、傳感器的概念

傳感器是一種能把物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)變成便于利用的電信號(hào)的器件。國際電工委員會(huì)的定義為：“傳感器是測量系統(tǒng)中的一種前置部件,它將輸入變量轉(zhuǎn)換成可供測量的信號(hào)”。按照Gopel等的說法是：“傳感器是包括承載體和電路連接的敏感元件”,而“傳感器系統(tǒng)則是組合有某種信息處理(模擬或數(shù)字)能力的系統(tǒng)”。494.1傳感器

一、傳感器的組成

504.1傳感器

一、傳感器的功能1、敏感元件直接感受被測量，并輸出與被測量有確定關(guān)系的物理量信號(hào)；2、轉(zhuǎn)換元件將敏感元件輸出的物理量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；3、變換電路負(fù)責(zé)對(duì)轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號(hào)進(jìn)行放大調(diào)制；4、轉(zhuǎn)換元件和變換電路一般還需要輔助電源供電。514.1傳感器

一、傳感器的分類1、根據(jù)檢測對(duì)象：內(nèi)部傳感器和外部傳感器；2、根據(jù)敏感元件：熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大類；3、按輸出信號(hào)：模擬傳感器、數(shù)字傳感器、開關(guān)傳感器；4、按作用形式：主動(dòng)型傳感器、被動(dòng)型傳感器。524.1傳感器

一、傳感器的參數(shù)1、傳感器線性度；2、靈敏度；3、傳感器分辨率；4、線性范圍；5、傳感器穩(wěn)定性；6、傳感器精度。

534.2測距傳感器

在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和作業(yè)過程中，通常需要測度與目標(biāo)物或背景物的距離。距離傳感器可用于機(jī)器人導(dǎo)航和回避障礙物，也可用于機(jī)器人空間內(nèi)的物體進(jìn)行定位及確定其一般形狀特征。最常用有超聲波傳感器、激光傳感器和紅外傳感器。544.2測距傳感器

一、超聲波傳感器超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器，它可將超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成其他能量信號(hào)（通常是電信號(hào)）。超聲波傳感器主要通過發(fā)送超聲波并接受超聲波來對(duì)被檢測物進(jìn)行非接觸式無磨損的檢測。超聲波傳感器通常由發(fā)送器、接收器、控制部分與電源部分組成。554.2測距傳感器

一、超聲波傳感器

該模塊有四個(gè)外接端口：VCC、trig、echo、GND。其中VCC是外加電源端口，通常在5V左右，GND是接地端，trig是控制端口，用于上位機(jī)產(chǎn)生觸發(fā)模塊測距的脈沖，echo是接收端口，用于檢測超聲波模塊的返回。564.2測距傳感器

一、超聲波傳感器

模塊的工作過程如下：（1）初始化。初始化時(shí)將trig和echo端口都置低。（2）觸發(fā)測距。（3）捕捉返回。（4）計(jì)算距離。圖5-4HC-SR04超聲波模塊574.2測距傳感器

二、激光測距傳感器激光傳感器是利用激光技術(shù)進(jìn)行測量的傳感器。它由激光器、激光檢測器和測量電路組成。它通過記錄并處理從光脈沖發(fā)出到返回被接收所經(jīng)歷的時(shí)間，即可測定目標(biāo)距離。利用激光的高方向性、高單色性和高亮度等特點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)無接觸遠(yuǎn)距離測量。它的優(yōu)點(diǎn)是速度快，精度高，量程大，抗光、電干擾能力強(qiáng)等。584.2測距傳感器

二、激光測距傳感器1、工作原理激光傳感器工作時(shí)，先由激光發(fā)射二極管對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射激光脈沖。經(jīng)目標(biāo)反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到傳感器接收器，被光學(xué)系統(tǒng)接收后成像到雪崩光電二極管上。雪崩光電二極管是一種內(nèi)部具有放大功能的光學(xué)傳感器，因此它能檢測極其微弱的光信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號(hào)。激光測距一般采用三種方式來測量距離：脈沖法、相位法和三角測距法。59圖5-8L1A05RS232激光測距傳感器L1A05R3232模塊是一種基于相位式測量原理的激光測距模塊，它的測量范圍為0.03-50米，分辨率為1毫米。當(dāng)用于測量距離時(shí)，它與外部設(shè)備有四個(gè)引腳相連，即電源、地、TX和RX，電源通常為5V，TX和RX用于和上位機(jī)通過串口通信，默認(rèn)的通信速率為19200比特/秒。4.2測距傳感器604.2測距傳感器

三、紅外傳感器紅外傳感器是一種以紅外線為介質(zhì)來完成測量功能的傳感器，具有響應(yīng)速度快等諸多優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已在工農(nóng)業(yè)、國防、科技等諸多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。紅外傳感器可根據(jù)某些條件的不同進(jìn)行進(jìn)一步的分類。根據(jù)紅外線對(duì)射管的驅(qū)動(dòng)方式不同可分為電平型和脈沖型;根據(jù)探測原理的不同可分為光子探測器(探測原理基于光電效應(yīng)的)和熱探測器(探測原理基于熱效應(yīng))；根據(jù)功能的不同可分為輻射計(jì)、搜索跟蹤系統(tǒng)、熱成像系統(tǒng)、紅外測距通信系統(tǒng)和混合系統(tǒng)五大類。

614.2測距傳感器

三、紅外傳感器

1、工作原理（1）時(shí)間差法測距原理（2）反射能量法測距原理（3）相位法測距原理（4）三角測量原理

624.2測距傳感器三、紅外傳感器

2、紅外測距傳感器的應(yīng)用

圖5-12SharpGP2Y0A21YK0F模塊模塊對(duì)外有三個(gè)端口，分別為VCC、Vo和GND。VCC是外加電源端口，通?？稍O(shè)定為5V左右，GND接地，Vo是測量信號(hào)模擬輸出，大小與測量距離相對(duì)應(yīng)，可直接和外部的A/D電路相連，轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。634.3灰度傳感器

灰度傳感器利用不同顏色的檢測面對(duì)光的反射程度不同，光敏電阻對(duì)不同檢測面返回的光其阻值也不同的原理進(jìn)行顏色深淺檢測。它輸出的是連續(xù)的模擬信號(hào)，因而能很容易地通過A/D轉(zhuǎn)換器或簡單的比較器實(shí)現(xiàn)對(duì)物體反射率的判斷，是一種實(shí)用的機(jī)器人巡線傳感器。64