輪式機器人電機驅動系統(tǒng)設計

本科畢業(yè)論文（設計、創(chuàng)作）題目：輪式機器人電機驅動系統(tǒng)設計學生姓名：學號：081002100所在院系：專業(yè)：電氣工程及其自動化入學時間：2010年9導師姓名：職稱/學位：副教授/碩士導師所在單位：完成時間：2014年5月安徽三聯學院教務處制安徽三聯學院畢業(yè)論文PAGE1輪式機器人驅動系統(tǒng)設計摘要：隨著社會的發(fā)展，機器人逐漸受到了人們的重視，可移動輪式機器人的研究具有極其重要的意義。其關鍵的問題就是要解決機器人在復雜環(huán)境下系統(tǒng)的正常運行和控制，因此輪式機器人的驅動系統(tǒng)顯得尤為重要。本文設計了一款智能輪式機器人的驅動系統(tǒng)，此系統(tǒng)的核心是STC89C52單片機，通過系統(tǒng)產生的寬帶調制信號，加上L298N驅動芯片控制直流電機的運行參數，可實現機器人的基本動作：前進、后退、左右轉向、速度控制以及避障循跡功能。此次系統(tǒng)研究為機器人驅動系統(tǒng)的發(fā)展與創(chuàng)新積累了經驗，對機器人控制系統(tǒng)的研究發(fā)展具有理論與實踐價值。關鍵詞：驅動；PMW；單片機；速度控制；方向控制PAGEI安徽三聯學院畢業(yè)論文PAGE11緒論1.1引言當今社會發(fā)展迅速，人民生活水平提高，自動化設備充實了我們的生活，方便了我們的生活，提高了人們的生活和工作質量。機器人的發(fā)展也及其迅速，從以前的國家高端軍事航空領域滲透到我們生活中的每個角落。小至樓宇辦公、餐醫(yī)療，大到航空航天、軍事武器、重工業(yè)生產，大量的各種各樣的機器人充實著我們的生活，其環(huán)境適應能力強，能夠完成人類不能完成的任務。隨著現代化的逼近，人們都機器人的需求越來越高，機器人的種類需求越來越大，機器人所肩負的使命越來越重要，使機器人的控制變得越來越復雜?，F在整體機器人研究方向朝三個目標發(fā)展：一是機器人的高智能化。二是讓機器人更像人。三是讓機器人更小，能夠勝任更精細的工作。因此需要在機器人的驅動控制系統(tǒng)以及算法上深入研究。1.2研究背景和意義進入21世紀，經濟全球化及多元化快速發(fā)展，人類進入智能化信息化時代。人們對信息的獲取量、信息的傳遞周期、人們的生活水平、工作質量提出了更高的要求。更多信息，更舒適的生活環(huán)境，更方便快捷的工作方式是現代每個人所共同期望的。機器人在各個領域發(fā)展極為迅速，在各個技術難題上都有了很大的突破。生活類的機器人走進了普通家庭，如安保、教育、清潔、服務、娛樂、康復、治療等智能機器人獲得了極高的評價和社會實用價值，為廣大人們所歡迎。機器人技術是眾多學科知識交叉融匯的結晶，對人工智能、模式識別、自動控制、電子電氣、機械設計電子電路等多個學科提出了很高的要求，復雜條件下運動控制系統(tǒng)是機器人完成智能化多功能化中最基礎的研究內容，它涉及自動控制，電子電氣，電子電路等多個領域；機器人運動控制系統(tǒng)的研究是機器人智能化進程中的關鍵所在，對自動控制、電子電氣相關領域的發(fā)展意義重大?，F代工業(yè)、軍事裝備、航空航天以及民用領域無處不依賴機器人，其對我國現代化建設提高人民工作生活質量意義重大。機器人可歸結為三個大類，第一種是一代機器人，亦可稱作示教再現型機器人，是通過一臺計算機來控制一個可自由調整工作角度的機械，將程序和信息存儲進入示教，機器運行時隨時調取數據信息發(fā)出指令。如此便可重復的根據實時示教結果，再現出種動作，例如點焊機器人，它只要首次完成點焊示教，以后便重復這種工作，但是其不能感知外界環(huán)境，所以此種機器人不能獨自判斷用力大小工件是否存在以及焊點的好壞，因此第一代機器人存在很多缺陷。自20世紀70年代末期，第二代機器人的研究相繼開始，稱作帶感覺的機器人，這種帶感覺的機器人能模仿人類的某些感覺，如力度的大小、觸碰、滑落、視覺成像、聽力和人進行相類比，有了這些基礎感知能力，當機器人抓一個物體的時候，它實時用力大小就能感覺出來，亦能夠通過視覺成像，去感受和識別它的形狀、大小、顏色。拿一只雞蛋，其能通過特種觸覺實時測算力矩和滑動的情況。第三代機器人，是現代對機器人研究中所要攀登的最高階段，稱為智能機器人，此種機器人可人工聲控，只需下達命令機器人就能以特種方式完成任務，也就是其能自主思考將要如何完成任務。能像人一樣去思考一件事情該怎么去做，該不該做，此種概念型機器人還局限在某些領域內能夠達到這種智能水平，完全具備像人腦這樣的思維境界的機器人還不存在，但是我們相信科技的發(fā)展進步，更多智能概念的豐富，將會向著這種概念型機器人無限趨近。。1.3研究內容對于工業(yè)機器人的設計可分為三部分：執(zhí)行部件、驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)包括決策、策略構思和執(zhí)行機構。決策層可實時識別環(huán)境，構建模型概念，將將要執(zhí)行的任務分割成最基礎動作序列；策略層將基本動作轉變?yōu)殛P節(jié)坐標協(xié)調變化的規(guī)律，分配給各關節(jié)的伺服系統(tǒng)；執(zhí)行機構將某種特定序列及坐標變化規(guī)律分配給不同的關節(jié)伺服系統(tǒng)。一般對機器人的研究有對機器人在運動中平穩(wěn)性的研究；有在復雜環(huán)境下自主運行及自我診斷的研究；有對機器人在不同環(huán)境下的通訊能力的研究；還有對機器人小型化甚至微型化的研究。本設計的是一種基于單片機最小系統(tǒng)的輪式移動機器人的驅動系統(tǒng)。此系統(tǒng)選用STC89C52單片機為核心，通過其產生的PWM信號控制驅動芯片；系統(tǒng)連接完成，實現對電機的起停調速控制。因此我們需要研究驅動電路的控制原理以及實現方法，了解何為PWM及其產生方法、工作原理，單片機對機器人的控制原理，控制算法，討論使用何種電源。了解機器人的電源分配、穩(wěn)壓、電路保護方法，選擇合適的電機種類為其動力裝置，保障機器人的靈活性。2驅動系統(tǒng)方案設計及論證2.1主控系統(tǒng)依據設計內容的要求可知此系統(tǒng)輸入變量多，系統(tǒng)控制復雜，因此可草擬兩種設計構思進行整體比較論證，論點如下：方案一：選用一片CPLD（如EPM7128LC84-15）作為系統(tǒng)的核心部件，實現控制與處理的功能。CPLD運算速度快、編程較為簡單、可用資源頗為豐富、開發(fā)實現周期短等優(yōu)點，編程可用VHDL語言。但CPLD在控制上不如單片機，其運算速度極快，機器人的運轉速度不需要很高，所以其整個系統(tǒng)不需要過高的信息處理能力，按照此種要求，MCU就足能完成處理任務。所以此種方案會給控制問題帶來很多不必要的麻煩，不優(yōu)先考慮此種構思。方案二：以單片機為系統(tǒng)核心，實現對運行中的機器人實時數據采集處理，達到需要的性能指標。實際上此系統(tǒng)關鍵是要對機器人運動控制實現，重點放在這上面的話，不難發(fā)現單片機具有很大的優(yōu)勢，控制簡單快捷，這樣一來，資源極其豐富、控制能力極強以及可位尋址的優(yōu)點顯露無疑。因此此種構思較為理想此設計內容具有如下特點：開關量輸入量多，系統(tǒng)控制較為復雜，因此不宜使用精簡版的點數極少的單片機。為此可選用STC89C52單片機作為系統(tǒng)的核心，因為其具有很強的位操作功能，輸入輸出口也可四線位尋址，此系列單片機擁有8K可用資源，足以滿足系統(tǒng)要求，其次51單片機低廉的價格也是其不可掩埋的優(yōu)勢。兩種方案對比中選擇51系列單片機更適合此系統(tǒng)，故決定采用STC89C52為此設計的核心處理器。2.2電機驅動模塊方案一：用繼電器控制電機的運行和停止,利用開關檔的切換控制小車的速度，這樣設計出來的電路極為簡單易懂容易實現,但是長時間的高頻率的開關降低了繼電器的使用壽命，而且繼電器響應時間慢可靠性不高。方案二：電機速度和運行狀態(tài)的調節(jié)可使用電阻網絡或者數字電位器。關鍵在于電阻網絡不能實現連續(xù)調速，可靠性不高，性能指標不易實現。數字電位器價格代價過高，在此系統(tǒng)使用不夠理想。電機阻值較小且電流又比較大，效率很低難以實現分壓。方案三：直流電動機的控制可用功率三極管。由達林管可組成H型橋式電路，線性驅動電路不僅電路和原理簡單而且其具有較強的加速能力，采用此種H橋電路只要工作在占空比可調的狀態(tài)便可實時精確調節(jié)電機運行狀態(tài)，而且此電路運行效率可觀，調節(jié)精度高，控制簡單穩(wěn)定性好，是很常用的PWM調速技術。根據以上分析，此系統(tǒng)可選用L298N電機驅動芯片。2.3機械系統(tǒng)此種機器人要求機械系統(tǒng)穩(wěn)定，運動靈活簡單，可采用兩輪式前驅方式，兩輪各由一部直流電機帶動，利用前兩輪差速控制其轉向，后輪可采用雙輪亦可采用萬向輪從動，亦起到支撐作用使整個硬件系統(tǒng)穩(wěn)定平衡。由于機器人裝有兩個電機、電池包、電路板等電子器件，使整個機械系統(tǒng)較重，為了能輕松完成機器人的啟動，平穩(wěn)運行，可在電機和輪軸之間裝上三級調速齒輪?？蓪㈦姵匕惭b在整個機械系統(tǒng)的前方，保證整體重心較低，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，也增加了前輪的抓地能力，不會因為打滑而使系統(tǒng)失控。2.4電源模塊用兩塊分別為6V和12V的電池包分別為電動機和驅動芯片供電，既保證了的可持續(xù)性，又可保證芯片的不受電機波動對電流的影響。

3主要零部件及技術分析3.1單片機的介紹STC89C52具有一個8K的只讀存儲器，且可編程可擦除，性能很高，通常簡稱為單片機。此種單片機制造技術先進，價格低廉，并且兼容于MCS-51指令集和輸出管腳。圖1STC89C52實物圖圖2STC89C52引腳圖3.1.1時鐘電路STC89C52單片機有兩種時鐘產生方式，其內部振蕩器是有兩只反向放大器構成。采用內部方式產生震蕩時只需外界定時原件便可在內部產生自激震蕩。采用外部時鐘電路時只需保證脈沖寬度即可，正常采用12MHz一下方波信號。3.1.2復位復位是單片機的初始化操作。執(zhí)行此復位操作可將PC值置0。當進入系統(tǒng)時將進行正常情況下的初始化，如果出現系統(tǒng)鎖死時也可手動按鍵復位重啟。復位操作也會對其他寄存器產生影響，其復位值如下表所示。表1寄存器復位狀態(tài)寄存器復位狀態(tài)PC0000HTCON00HACC00HTL000HPSW00HTH000HSP07HTL100HDPTR0000HTH100HP0-P3FFHSCON00HIPXX000000BSBUF不確定IE0X000000BPCON0XXX0000BTMOD00HRST引腳是復位信號的輸入端。復位信號是高電平有效，其有效時間應持續(xù)24個振蕩周期(即二個機器周期)以上。3.1.3STC89C52主要功能如下表：表2STC89C52主要功能兼容MCS51指令系統(tǒng)8K可反復擦寫FlashROM32個雙向I/O口256x8bit內部RAM3個16位可編程定時/計數器中斷時鐘頻率0-24MHZ2個串行中斷可編程UART串行通道2個外部中斷源共6個中斷源2個讀寫中斷口線3級加密位低功耗/掉電模式睡眠/喚醒3.2驅動模塊方案的分析機器人的工作可持續(xù)性以及穩(wěn)定性的指標，電池包的性能起到決定性作用，其次取決于電機驅動系統(tǒng)的效率。電動機器人驅動系統(tǒng)可細分為控制器、功率變換器及電機。高轉矩、較大的寬帶調速范圍、較高的可靠性是電動輪式機器人驅動系統(tǒng)的基本要求。本系統(tǒng)采用的是直流電動機，此電機控制簡單，性能好，而且直流電源在移動物體上容易實現。3.2.1H型橋式驅動電路因為此驅動電路的形狀很像字母H，所以簡單稱其為H橋驅動電路，現在直流電機的驅動電路多采用此種H型全橋，此種電路可很容易的實現電機基本運行方式，如正反轉和正反制動。它的基本原理如圖3所示：圖3H橋驅動電路當Q1、Q4工作在導通狀態(tài)時，電流就從正極經過Q1三極管流經電機到達Q4，直到流回負極形成回路電流，如下圖4所示，粗的黑色箭頭標明的是電流流動軌跡，細的環(huán)形箭頭標明的是電機轉轉方向。圖4H橋電路驅動電機順時針轉動同理，圖5標明了另外兩只三極管導通時的電機及電流運行軌跡。圖5H橋驅動電機逆時針轉動圖6具有使能控制和方向邏輯的H橋電路值得注意是必須要保證電機正常運行，就要控制同側的兩個管子不能同時工作在導通狀態(tài)。如果三極管Q1和Q2同時導通，那么電流就會從正極穿過兩個三極管直接回到負極。因為此電路中用電器比較少，電流很大從而燒壞三極管，所以在實際應用時要通過電路來控制三極管開關。如上圖6所示，通過電路的進一步改進，在此電路上加了四個與門兩個非門，便可保證H橋的同側最多只有一個三極管可以導通。綜上所述，控制兩個方向信號及一個始能信號便可控制電動機的運行，DIR-L=0則DIR-R=1，始能信號=1，電機正傳；反之電機反轉，如圖7所示。圖7使能信號與方向信號的使用3.2.2L298N驅動模塊組成及各部分功能此種驅動芯片是SGS公司旗下的產品，內含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅動器，可以用來驅動直流電動機和步進電動機、繼電器線圈等感性負載；標準邏輯電平信號控制；有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作有一個邏輯電源輸入端，使內部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。使用L298N芯片可以驅動一臺兩相步進電機或四相步進電機，也可以驅動兩臺直流電機。二相及四相電機專用其作為驅動器，可驅動46V、2A以下電機，其實物及引腳圖如下圖8和圖9所示：圖8L298N芯片實物圖圖9管腳圖表3L298N參數尺寸80mmX45mm工作電壓控制信號直流5V，電機電壓直流3V-46V最大工作電流2.5A額定功率25W特點具有信號指示，轉速可調，抗干擾能力強，具有電壓和電流保護，可獨控制兩臺直流電機，PWM脈寬平滑調速，可實現正反轉。圖10管腳連接示意圖接口連接說明：+5V：芯片電壓5V。

VCC：電機電壓12V。

GND：共地接法。IN1-IN4接單片機。ENA\ENB接單片機高電平有效。

L298N邏輯功能如下表：表4L298N邏輯功能表IN1IN2ENA電機XX0停止101順時針011逆時針000停止110停止3.3PWM控制3.3.1PWM調速簡介PWM控制技術是一種脈沖寬度調制技術，采用該技術可等效獲得想要的波形。通過控制電路通斷來獲得所需脈沖。用此方式輸出的波形平滑諧波少，再按特定規(guī)則進行脈寬調制，獲得所需電壓大小和輸出頻率。要控制電機轉速，通常采用脈寬調制（PWM），基本方法是在特定頻率下向電機提供脈沖方波，利用不同占空比的方波信號對電機進行調速。其原因是電機線圈會產生很大的感抗，阻礙了輸入電流和電壓的突變能力，這樣的話脈沖輸入信號就被分配到作用時間上，通過改變始能端輸入方波的占空比來改變電機兩端的電壓大小，從而達到精調電機轉速的目的。以下介紹兩種方法實現脈寬調制：

（1）用軟件方式來實現：編寫延時程序，當執(zhí)行程序時交替改變端口輸出狀態(tài)，即可獲得脈寬調制信號。要獲得不同的占空比只要改變延時時間。（2）采用硬件獲得調制信號，無需CPU參與，減小CPU處理周期。3.3.2PWM控制電機的特點電機在靜止狀態(tài)下突然啟動時會有一個很大的靜態(tài)摩擦力，電機轉子與負載質量會產生摩擦力，電動機本身也會產生很大的摩擦力，可簡單概括為電機啟動時的阻力力矩，當電機的轉矩小于阻力力矩時電機無法啟動，且會因此系統(tǒng)會產生大量的熱量，但是這種方法也有其優(yōu)點，就是控制原理簡單輸出波動小，線性好，對其他電路干擾小。只要半導體功率器件工作在開關狀態(tài)便可通過寬帶調制控制電機出入電壓，進一步控制電機運行速度。開關驅動方式可調節(jié)功率半導體工作在此狀態(tài)，當開關管的驅動信號為高電平時，開關管導通，直流電動機電樞繞組兩端有電壓U。在連續(xù)的兩個時間區(qū)間內驅動信號高低電平切換，以此重復即可。3.3.3PWM輸出波形和計算圖11電壓波形圖電樞繞組兩端電壓平均值U為：U=（t1×U）/（t1＋t2）=(t1×U)/T=D*U式中D為占空比，D=t/T，D為一個周期T內的開關管導通時間t與T的比值。D在0≤D≤1區(qū)間內變化，占空比D的大小決定著電壓平均值U，通過改變D的值改變輸出電壓的值，實現PWM調速?？捎脤掝l調速、調款調頻、定頻調寬法調整占空比，通常采用的是定頻調寬。占空比越大則輸出平均電壓越大，電機轉動的也就越快，反之越慢。3.4直流電動機特性簡介直流電動機的機械特性方程式為：式中UN、ΦN——額定電樞電壓、額定磁通量；Ke、Kt——與電機有關的常數；Rad、Ra——電樞外加電阻、電樞內電阻；n0、△n——理想空載轉速、轉速降；n電動機轉速。分析上式可得，當分別改變UN和Rad時，可以得到不同的轉速n，從而實現對速度的調節(jié)。由于Φ=F(If)，當改變勵磁電流If時，可以改變磁通量ΦN的大小，從而達到變磁通調速的目的。但由于勵磁線圈發(fā)熱和電動機磁飽和的限制，電動機的勵磁電流If和磁通量ΦN只能在低于其額定值的范圍內調節(jié)，故只能弱磁調速。而對于調節(jié)電樞外加電阻Rad時，會使機械特性變軟，導致電機帶負載能力減弱。于他勵直流電機來說，當改變電樞電壓UN時，分析人為機械特性方程式，得到人為特性曲線如圖16所示：圖12直流電機機械特性曲線如圖15所示，理想空載轉速n0隨電樞電壓升降而發(fā)生相應的升降變化。不同電樞電壓的機械特性曲線相互平行，說明硬度不隨電樞電壓的變化而改變，電機帶負載能力恒定。當我們平滑調節(jié)他勵直流電機電樞兩端電壓時，可實現電機的無級調速?；谝陨咸匦?，改變電樞電壓，實現對直流電機速度調節(jié)的方法被廣泛采用。

4機器人運動控制介紹4.1總體設計概括根據以上技術及專業(yè)知識分析，此系統(tǒng)以STC89C52單片機為核心，采用兩塊L298N驅動芯片分別驅動兩個直流電機，通過PWM脈寬調速控制直流電機轉速。整體采用三輪機械設計，前面設計兩輪差速控制方向，后輪可采用兩輪從動，也可采用萬向輪做支撐。電源采用分開供電方式，用兩塊電池包分別為電機和單片機供電。4.2外圍電路拓展要實現機器人的運動控制，就要求其要具備基本的前進后退，左轉右轉以及避開障礙物的能力，這些功能要求其自主完成。下面介紹機器人避障功能的實現。4.2.1避障模塊機器人避障有一下三種基本情況。第一種正前方障礙避障；第二種左側障礙避障；第三種右側障礙避障。所以要實現以上三種避障功能，需要在小車上至少安裝三組紅外對管，一個安裝在正前方，另外兩個安裝在小車前方，方向向外偏30度到45度角，具體角度需要實物調試。1.機器人啟動后正常運行軌跡應該是直線運行，當前方暈倒障礙物時，可設定其規(guī)律性左轉避障，左轉一定的角度，前進一定的距離，如此重復運動，當前方不在有障礙物時，再按照之前轉動的角度和次數右轉，成功避開障礙物時再按照原始方向前進。2.正常運行時，前方左側紅外探頭檢測到障礙物時，可設定其規(guī)律定右轉一定角度，再前進一定距離，若不再檢測到障礙物時，再讓機器人按照原來轉動的角度和次數左轉，以便回到以前的方向運行。3.當右側紅外探頭檢測到障礙物時，設定其一律左轉。左轉前進交替進行，直到不再檢測到障礙信號為止，再按照左轉的角度和次數右轉，回到原來的方向上運動。實際上除了以上三種情況，還有可能兩個或者三個紅外對管都檢測到障礙信號。若左側和前方對光管同時檢測到信號，則規(guī)定其按照第2中情況作出相應動作。若右側和前方同時檢測到信號，則按照第三種情況處理。若三個管子同時檢測到信號，則程序控制機器人停止前進，并后退一一段距離至信號消失，再按照情況3處理。如下圖13所示為紅外對管發(fā)射和接收管實物圖。紅外發(fā)射管發(fā)射紅外光信號，當遇到障礙物時，其發(fā)射的紅外光會反射給接收管，此時電力路接收到障礙物信號，信號轉變?yōu)殡娦盘査徒o單片機處理，做出相應動作。圖13紅外發(fā)光和接收對管4.3控制流程圖SStc89c52時鐘電路復位電路電機驅動電路路diandianlu避障紅外對管圖14主板設計框圖

啟動啟動前進障礙？停止壁障?停止?YNNY圖15機器人運動控制流程圖表5元器件清單原件數量原件數量原件數量直流電機2只電阻若干L298N2只單片機一塊二極管若干電容若干紅外對管3只電位器若干12MHz晶振1只玩具車框架一個排針若干固定綁線若干圖16電機驅動電路圖

5總結此系統(tǒng)是以STC89C52單片機為核心的輪式機器人驅動系統(tǒng)。采用L298N電機驅動芯片及PWM技術基本實現機器人啟停轉向速度控制，另外通過對外圍電路的拓展增加了系統(tǒng)的循跡和避障功能，使整個系統(tǒng)功能更加完善。通過此次設計我掌握了以前不熟悉的知識，認識了很多新的東西。使我認識了自己在很多方面的欠缺不足。

致謝經過查閱眾多專家老師的文獻資料，整理編寫了這樣一篇輪式機器人驅動系統(tǒng)的設計論文。在構思過程中，指導老師和同學給予了很多寶貴的意見和建議，在設