击鼓、敲鼓机器人驱动控制部分的设计说明书及程序
击鼓、敲鼓机器人驱动控制部分的设计说明书及程序,击鼓,机器人,驱动,控制,节制,部分,部份,设计,说明书,仿单,程序
一、 毕业设计(论文)的内容、要求 内容1. 按照2009全国大学生机器人电视大赛的要求完成一个击鼓机器人的驱动控制部分的电路设计和软件设计。2. 认真分析运动要求,位置要求,进行位姿与运动的描述及求解。3. 熟悉和了解击鼓机器人的整体机械结构设计,包括驱动装置、传动装置、执行装置等;做到机器人定位准确,启动平稳,动作灵活。4. 重点进行电机驱动软件设计,保证机械特性和电气性能的协调统一。要求:1. 定位准确,启动平稳,动作灵活。上轿平稳,前进和停止的加速和减速平稳。 2. 反复进行机器人运动实验,确保电机驱动模块的PID参数设置正确,使电机的电气性能和机械性能一致,实现快速准确定位。3. 能够同时击打三个胜利鼓。4. 感知抬轿同伴的意图,轿子落地能够自动启动运行,尽快完成击鼓。二、毕业设计(论文)应完成的工作指定整个毕业设计学生应该完成如下工作,包括:1. 完成二万字左右的毕业设计说明书(论文);在毕业设计说明书(论文)中必须包括详细的300-500个单词的英文摘要;2. 独立完成与课题相关,不少于四万字符的指定英文资料翻译(附英文原文);3. 完成理论分析、方案设计;其中系统方案设计、原理图、装配图、零件图设计折合A0图纸3张以上,其中必须包含两张A3以上的计算机绘图图纸4. 指定部件图零件图若干。计算机绘图。-装 - 订 - 线-5. 使用说明书及有关技术资料一份。三、应收集的资料及主要参考文献1. 龚振邦等. 机器人机械设计M. 北京:电子工业出版社,1995.112. 马忠梅等. 单片机的C语言应用程序设计M. 北京:北京航空航天大学出版社,2003.113. M. Fikret Ercan and Changjiu Zhou. Vision Based Motion Planningof Humanoid Robots. Robotic WeldingJ. Intelligence and Automation,2004,212-2274. 吉雷. Protel 99从入门到精通M. 北京:中国人民邮电出版社,2000.105. 吴宗泽. 机械设计实用手册M. 北京:机械工业出版社,2002.6. 侯朝帧. 微机与单片机应用基础M,北京:北京理工大学出版社,19957. 余永权. 单片机应用系统的功率接口技术M. 北京:北航出版社,19998. 罗宜晶. 多媒体计算机软件大全M. 成都: 电子科技大学出版 19919. 高海生等.单片机应用技术大全M. 西安:西南交大出版社,199610. 何立民.单片机应用技术选编1/2/3M. 北京:北航出版社,1992四、试验、测试、试制加工所需主要仪器设备及条件计算机一台CAD设计软件 有关加工设备任务下达时间:2008年 11 月 21 日毕业设计开始与完成时间:2008年3月9日至 2008年 6 月 29 日-装 - 订 - 线-组织实施单位:教研室主任意见:签字 2008 年 11 月 19 日院领导小组意见:签字 2008 年 11 月 20 日 敲鼓机器人驱动控制部分的设计摘 要本文依据2009全国大学生机器人电视大赛的要求完成一个击鼓机器人。机器人设计包括机械架构的设计、电路硬件的设计和软件系统设计,最终击鼓机器人能够实现自主识别上轿、下轿和敲鼓的功能。本次设计主要完成有三方面工作。机械机构:机器人的底盘架构选择了轮式差速驱动;敲鼓机构通过好多种方案的比较和试验,选取鱼竿加气压的方式,能够既快又准确地实现一次性敲鼓。电路硬件设计:根据控制的要求,选定ATME公司AVR系列微处理器ATmega16作为控制处理核心。电机的驱动采用MLDS3810直流伺服驱动器,运用先进的伺服驱动系统进行控制。同时在敲鼓机器人身上安装了多个传感器,以便在运行时实现位置的参考和矫正。软件设计:机器人的转向是通过程序设定两个电机速度差来实现,其速度控制采用脉宽调制的方法。而脉宽调制法的优点是方便地实现对机器人的行走路线及行走速度的控制。在敲鼓机器人的自适应调节方面,采用了经典的PID算法,通过多次试验调整合适的参数,实现了敲鼓机器人运行的平衡性、稳定性。关键词:敲鼓机器人;AVR单片机;PID算法;伺服驱动系统AbstractIn this paper, based on 2009 National Championship of college students require television robot to complete a drumming robot.Robot design in general, including the design of mechanical structure, circuit design of hardware and software system design, and ultimately beat the robot to achieve self-recognition Onto the chair, and beat drums and downto the chair function.The design of the major work done the following three aspects:Mechanical body: Robot we have chosen the chassis frame and wheel differential drive; Beat drums and a good variety of programs through the comparison and testing, to select additional pressure rod means to achieve fast and accurate one-time beat drums.Circuit hardware design: In accordance with the requirements of control, ATME companies selected AVR Series ATmega16 microprocessor core as the control. Motor servo drive using MLDS3810 DC drives, servo drives the use of advanced control systems. At the same time, the robot who beat drums and a number of sensors installed in order to achieve run-time and correct location of the reference.Software design: the robot through the process towards setting the speed difference between the two motors to achieve speed control using pulse width modulation method. Robot through the process of turning the two motor speed settings to achieve poor, the speed control using pulse width modulation method. The advantages of pulse width modulation method is convenient to routes on the robot and the control of walking speed. In the beat drums and adaptive robots, the use of the classical PID algorithm, through the appropriate tests to adjust the parameters, beat drums and robot operation realized the balance, stability.Key words: robot beat drums; AVR Single Chip; PID algorithm; Servo Drive System目 录引言11 绪论11.1 国内外机器人技术发展的现状11.2 机器人技术的市场应用22 设计分析32.1 击鼓机器人驱动控制部分的设计的内容和要求32.1.1 击鼓机器人驱动控制部分的设计的内容32.1.2击鼓机器人驱动控制部分的设计的要求42.2 击鼓机器人运动分析43 方案设计及方案论证43.1机器人底盘方案设计53.2敲鼓机械结构方案设计83.3 电机驱动电路方案设计114 硬件电路设计144.1 电机和能源的选择154.2 直流电机驱动原理174.3 电机驱动电路174.4 主控制芯片的选择和控制器外围电路的设计184.5 光电编码器204.6 接近开关传感器224.7 信号隔离模块234.8 单片机系统电源模块245 系统的软件设计255.1程序流程图255.2 PID控制算法软件实现与参数整定方法265.2.1 PID控制算法软件实现275.2.2 PID调节器参数整定295.2.3 PID算法在控制方面的模型315.2.4 PID算法在敲鼓机器人上的运用326 系统功能测试336.1 硬件检测346.2 软件调试347 结论34谢 辞36参考文献37附 录38附录1 主控板电路图一38附录2 主控板电路图二38附录3 系统主程序139附录4 系统主程序243桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸 第49 页 共49页 引言2007年2月,比尔盖茨预言“未来30年家家都有机器人”,在科学美国人杂志上发表专题论文,并在论文中强调:“机器人未来的市场空间远大于当年的电脑,我要是年轻20岁,我坚决不做PC(个人电脑),我只做PR(个人机器人)!”。自此,沉寂了多年的机器人热潮再次狂卷全球,各国政府纷纷将机器人研究列为国家战略发展方向。韩国政府规划在2015年每个家庭都拥有机器人,中国也在2008年将机器人产业、装备制造业列入政府工作报告,科技部钦点机器人产业为国家新兴战略、重点扶持产业,温家宝总理多次在视察珠三角地区时强调要打造装备制造业基地。08年8月,英特尔CTO贾斯汀预言2050年机器人智能将超越人类,再次引发机器人热议。目前,已有多家国际国内著名企业纷纷进军机器人研究领域或列为战略发展计划,如微软、IBM、联想、海尔、佳能、华为、富士康、本田、索尼等。近几年机器人已成为高技术领域内具有代表性的战略目标。机器人技术的出现和发展,不但使传统的工业生产面貌发生根本性变化,而且将对人类社会产生深远的影响。随着社会生产技术的飞速发展,机器人的应用领域不断扩展。从自动化生产线到海洋资源的探索,乃至太空作业等领域,机器人可谓是无处不在。目前机器已经走进人们的生活与工作,机器人已经在很多的领域代替着人类的劳动,发挥着越来越重要的作用,人们已经越来越离不开机器人帮助。机器人工程是一门复杂的学科,它集工程力学、机械制造、电子技术、技术科学、自动控制等为一体。目前对机器人的研究已经呈现出专业化和系统化,一些信息学、电子学方面的先进技术正越来越多地应用于机器人领域。1 绪论中国机器人大赛的举办宗旨也在于将机器人技术研究成果与电子信息、装备制造、精密机械、人工智能与自动化、汽车制造、航天航空等尖端科技产业链接,将科学技术转化为生产力,加快人类生产与生活的自动化与智能化发展进程。1.1 国内外机器人技术发展的现状国外机器人领域发展近几年有如下趋势:1工业机器人性能不断提高,趋向高速度、高精度、高可靠性和便于操作、维修。2机械结构向模块化、可重构化发展。3工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展,便于标准化、网络化。 4机器人中的传感器作用日益重要,除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外,装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器,而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制;多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。5虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制,如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。6当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统,而是致力于操作者与机器人的人机交互控制,即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统,使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。7机器人化机械开始兴起。从1994年美国开发出“虚拟轴机床”以来,这种新型装置已成为国际研究的热点之一,纷纷探索开拓其实际应用的领域。 我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步,在国家的支持下,通过“七五”、“八五”科技攻关,目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术,生产了部分机器人关键元器件,开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线(站)上获得规模应用,弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。 我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下,也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人,6000米水下无缆机器人的成果居世界领先水平,还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种;在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作,有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步,与国外先进水平差距较大,需要在原有成绩的基础上,有重点地系统攻关,才能形成系统配套可供实用的技术和产品,以期在“十五”后期跨入世界先进行列。1.2 机器人技术的市场应用 从1954年美国人Devol颁布工业机器人专利至今已经半个世纪了。它的成长历程印证了这样的论断:机器人是20世纪人类的伟大发明。机器人学的进步和应用是20世纪自动控制最有说服力的成就,是当代最高意义的自动化。机器人技术将筑起21世纪人类新的“长城”。据国际机器人联盟调查,2004年,全球个人机器人约有200万台,到2010年,还将有1000万台机器人投入运行。按照韩国信息通信部的计划,到2013年,韩国每个家庭都能拥有一台机器人;而日本机器人协会预测,到2025年,全球机器人产业的“蛋糕”将达到每年500亿美元的规模(现在仅有50亿美元)。与20世纪70年代PC行业的情况相仿,我们不可能准确预测出究竟哪些用途将推动这个新兴行业进入临界状态。不过看起来,机器人很可能在护理和陪伴老年人的工作上大展宏图,或许还可以帮助残疾人四处走走,并增强士兵、建筑工人和医护人员的体力与耐力。目前,我国从事机器人研发和应用工程的单位200多家,拥有量为3500台左右,其中国产占20,其余都是从日本、美国、瑞典等40多个国家引进的。2000年已生产各种类型工业机器人和系统300台套,机器人销售额6.74亿元,机器人产业对国民经济的年收益额为47亿元,我国对工业机器人的需求量和品种将逐年大幅度增加。1.3 机器人技术未来的发展 随着智能技术突飞猛进的发展、教育理念的不断更新,作为综合了人工智能、计算机、自动控制、图像处理、传感器及信息融合、精密机构、无线通讯、机械电子学和新材料等前沿科技的机器人技术也在为教育改革贡献自己的力量。为了推动机器人技术的发展,培养学生创新能力,在全世界范围内相继出现了一系列的机器人竞赛,如RoboCup、Fira、ABU-RoboCon、CCTV-ROBOCON、国际机器人奥林匹克竞赛、FLL机器人世界锦标赛、中国青少年机器人竞赛等。更多小型的机器人赛事更是数不胜数。 机器人竞赛,融趣味性、观赏性、科普性为一体,给青年提供了越来越多充分展示聪明才智的舞台,也为青年提供了一个充分表现科技思想和行动的舞台,培养了他们实际动手能力,团队协作能力,提高了创新能力,充分贯彻了中央“科教兴国”战略方针,是“科教兴国”战略方针的具体体现和创新举措。机器人竞赛已经成为一个能激发学生们的学习兴趣、引导他们积极探索未知领域、参与国际性科技活动的良好的平台。 机器人竞赛实际上是高技术的对抗赛,从一个侧面反映了一个国家信息与自动化领域基础研究和高技术发展的水平。机器人竞赛使研究人员能够利用各种技术,获得更好的解决方案,从而又反过来促进各个领域的发展,这也正是开展机器人竞赛的深远意义,同时也是机器人竞赛的魅力所在。2 设计分析“为胜利之鼓一起旅行”是一个基于旧时使用轿子的故事的比赛。一个自主搬运机器人在前,一个手动搬运机器人在后,他们合作来搬运坐在轿子中的自主旅行机器人以抢在对手之前完成旅行。在旅行途中有不同的任务,包括跨过山川和穿越森林。轿子和自主旅行机器人不能掉落。自主旅行机器人在到达目标区域的时候必须敲响三面“胜利之鼓”。这三面日本传统的鼓被垂直地安放在一个平台上。首先敲响三面鼓的参赛队为胜者。每场比赛分红蓝两队,比赛时长三分钟。2.1 击鼓机器人驱动控制部分的设计的内容和要求 对击鼓机器人驱动控制部分的设计是整个机器人比赛的一项重要内容,这部分的内容和要求应和比赛要求对应起来,综合分析比赛的规则和要求,就可以提出对本设计的内容和要求。2.1.1 击鼓机器人驱动控制部分的设计的内容击鼓机器人驱动控制部分的设计的内容包括:(1)按照2009全国大学生机器人电视大赛的要求完成一个击鼓机器人的驱动控制部分的电路设计和软件设计。(2)认真分析运动要求,位置要求,进行位姿与运动的描述及求解。(3)熟悉和了解击鼓机器人的整体机械结构设计,包括驱动装置、传动装置、执行装置等;做到机器人定位准确,启动平稳,动作灵活。(4)重点进行电机驱动软件设计,保证机械特性和电气性能的协调统一。2.1.2击鼓机器人驱动控制部分的设计的要求击鼓机器人驱动控制部分的设计的要求包括:(1)定位准确,启动平稳,动作灵活。上轿平稳,前进和停止的加速和减速平稳。 (2)反复进行机器人运动实验,确保电机驱动模块的PID参数设置正确,使电机的电气性能和机械性能一致,实现快速准确定位。(3)能够同时击打三个胜利鼓。(4)感知抬轿同伴的意图,轿子落地能够自动启动运行,尽快完成击鼓。2.2 击鼓机器人运动分析 为了更好地设计击鼓机器人,就必须对比赛的运动路径及运动要求有很好的了解。下面先介绍一下在整个比赛中击鼓机器人的任务。在竞赛纲要中对击鼓机器人是这样描述的:旅客自动机器人(击鼓机器人)在到达的目标区时必须击打3面胜利之鼓,三个传统的日本鼓垂直安排于一个平台上。第一个击打了所有的三面鼓的队伍为胜方。但在此之前,击鼓机器人要和抬轿一起顺利、快速、平稳地运动击鼓台前,在确定了是正确的位置后,击鼓机器人才击鼓。综合分析,击鼓机器人的运动主要分为三个主要设计要点:(1)安全上轿:包括自动检测抬轿机器人的到来,准备上轿,检测已经上好时,并停止运动。(2)自动控制平衡:在抬轿机器人和击鼓机器人一起运动的过程中,尤其是穿越山川时,击鼓机器人在抬轿机器人会不平衡、摇晃,为保证击鼓机器人不至晃动掉落,应设计使其具有有自动控制平衡的功能。(3)下轿迅速找准位击鼓:在抬轿机器人停下时,击鼓机器人应迅速下轿,并检测正确的位置,并击豉。3 方案设计及方案论证设计就是根据题目的要求而对硬件和软件进行规划,并选择最合适的硬件电路和软件程序来达到目的。在整个设计中,方案认证是整个设计的最终结果的体现。总而言之,设计和认证就是把你的设计思想的过程。机器人的设计首先需作总体方案设计,包括机械和电气两部分。根据机械基础知识,从整体上来讲,机械结构设计必须与机器人所要完成的功能相适应。机械部分设计主要包括底盘设计、尺寸选择、驱动方式设计、电机选择等;电气是机器人最重要的部分,直接影响着机器人功能的实现与否。击鼓机器人要求完全自动控制,必须采用单片机为控制核心,它类似于机器人的大脑,接收和处理所有外界信息,指挥并控制机器人的所有动作。运动的准确性和平稳性是击鼓机器人的难点,它要求击鼓机器人具有很快的响应。目前,机器人技术已日趋成熟,机器人快速响应系统可通过各种各样相应的算法可提高。传感器把接收到的外部信息输入到单片机,再通过软件进行各种算法的计算和控制,从而单片机发出命令击鼓机器人。软件编程控制击鼓机器人功能,使击鼓机器人作更快速和准确。总体方案设计框图如图3-1所示。总体设计机械,电气,软件机械总体设计软件整体设计电气总体设计各方案确定材料制作零件加工机构组装各方案确定原理图制作PCB制作各模块整合了解各芯片操作子程序编写程序整合总装整合,调试配合抬轿机器人和自动机器人图3-1 机器人总体制作过程根据以上的制作流程图,结合我的设计任务书要求,我主要偏向于电路设计和程序设计,至于机械结构只要简单介绍和了解。因此把设计分为两大部分:硬件电路部分和软件部分,并分别进行论证,对多种方案进行比较论证后,选出一个最佳的方案,最后再进行软件部分的设计。3.1机器人底盘方案设计机器人行进的形式,目前已有很多种,比如行走式,履带式,前轮偏向后轮驱动,后轮差动式等等,不同的行进方式,会使机器人有不同的姿态,通过以下的介绍可以选出适合此清洁机器人设计的方案。方案一:行走式简图3-2图3-2行走机器人简图行走式,能够在平地上、凹凸不平的地上步行,能上下台阶,其粗糙路面性能较好,好的关节,稳定好的牵引力。这种方式适用于做表演性的机器人,比如舞蹈机器人。这种方案的缺点是不能原地转动,速度慢,控制复杂,移动困难,操纵性差,机械复杂,电机性能要求严格,价格昂贵。且其它机构不易安装,会带来很多麻烦。方案二:移动方式为履带式简图3-3 履带 驱动轮 从动轮 导向轮 图3-3移动方式图这种形式在玩具中是常见的,履带式移动方式的特点是运动平稳,适合爬坡度比较大的地方,这是轮式所做不的。但缺点是加工制作比较麻烦,履带一般是需要到市场上购买的,且摩擦力很大、能量损耗大。且活动不灵活。方案三:前轮偏转后轮驱动移动式简图3-4 图3-4底盘移动方式可以实现车体任意的定位和定向,可以做到零回转半径。特别是能通过将轮向正交速度方向实现急停。车底盘、四轮、驱传动装置、舵机和控制盒的行走信道共同组成行走系统。但由于前后启动惯性不一样,导致机器人的不平衡,特别是重心高的机器人。且使用的电机多,功耗也大,不实际。方案四:轮式差速驱动如图3-5万向轮驱动轮 图 3-5底盘移动方式采用两个驱动轮,两个万向轮,万向轮用于平衡。机构简单,容易制造及装配,能在原地旋转以获得不同的方向。因此它是比较适合的一种底盘机构。利用后面二个驱动轮的速度差,及方向的不同来实现机器人的前进、后退、转弯等,二驱动轮可以实现差动,这样可以使机器人行走迅速。综合比较以上四种方案的优缺点,最终选择方案四。 方案图如3-6所示,实物图如图3-7,3-8所示。图3-6敲鼓机器人底盘方案图图3-7敲鼓机器人实物图图3-8敲鼓机器人实物图3.2敲鼓机械结构方案设计机器人比赛是一个任务行的比赛,意思是在一定的要求条件下,比如重量、高度和驱动电电压等等,只要符合条件同时又能够实现任务,那就是胜利。敲鼓机器人最主要的任务就是敲鼓,敲响三面鼓,也就是敲响胜利的声音。所以我们在前期的考虑时候,设计了好几种方案,如下图和说明。方案一图3-9 方案一机械简图上图3-9所示,本方案的设计主要考虑轿子的高度和敲鼓的方式出发,根据AutoCAD的动画效果能很好的展现敲鼓优美的曲线动作,可观性很强,也很人性化。但是由于一次性只能够敲响一个鼓,三个鼓好的时间也比较多,机械结构也比较复杂,由于机械都是我们自己手工制作的,工艺要求很高。我们也动手制作了一个,由于现实的设备和材料的约束,不可行。方案二图3-10 方案二机械简图上图3-10所示,本方案采用了同时敲响三个鼓的方式,能够很好地抓紧比赛时间,取胜的几率更加大。但是由于高度超过了轿子的高度,而且敲鼓要求的位置准确性也很高,当机器人在启动敲鼓是位置出现偏差时候,很难保证一次性敲到三个鼓了。方案三如图3-11 方案三机械简图上图3-11所示,本方案高度可以满足比赛规则,造型也很好看,也很容易实现敲鼓的动作,但是一次也只能够敲响一个鼓,但是机械调节性比较好,上升的高度可以随时调节,我们采用电机带动丝杆上升,可以根据接近传感器实时调节要敲鼓的高度位置。方案四 图3-12 方案四 敲鼓结构实物图上图3-12所示,本方案的原理是,三根钓鱼竿,做成三个密封的气筒,绑在直立的架子上,调节好发射角度,机器人身上随时佩戴有一定气压的气压罐。当下轿后走到合适的位置,马上打开电磁阀,也就对三个钓鱼竿加以很强的气压,钓鱼竿就可以飞快地发射出去,事前只要调节好发射的位置和角度,就可以很快地敲响那胜利的鼓声。本设计综合采纳了以上三个方案的优点加以改进的,既可以实现一次敲响三个鼓的要求,又能够使得机械结构大大的减少,容易实现。当然能否敲到鼓的关键点是机器人下轿后所走路程的稳定性,这也是调试重点。3.3 电机驱动电路方案分析方案一 继电器驱动选用D4810型固态继电器,固态继电器(SSR)与普通继电器相比,是一种没有机械运动,不含运动零件的继电器,但它具有与机电继电器本质上相同的功能。SSR是一种全部由固态电子元件组成的无触点开关元件,他利用电子元器件的点,磁和光特性来完成输入与输出的可靠隔离,利用大功率三极管,功率场效应管,单项可控硅和双向可控硅等器件的开关特性,来达到无触点,无火花地接通和断开被控电路。固态继电器有寿命长、可靠性高、灵敏度高、控制功率小、电磁兼容性好、 快速转换、电磁干扰小的优点。D4810型继电器输入电流为5-40mA,电压330V,额定输出电流10A,输出电压范围宽为20-220V,满足项目的要求。图3-13 D4810型继电器实物图片在直流电机电枢上加上一定幅度的直流电压,电机便开始旋转;改变电压方向,电机转向也随之改变。如果电机以恒速运动,不调速可以采用一个简单的电路来控制正/反向,它采用两个继电器作为控制弱电到驱动电机的强电之间的转换器。正反转控制开关RELAY1断开,电源开关RELAY3闭合时,电机正转;反之电机反转。两开关同时断开,电机停转。两开关同时闭合是不允许的,从电路可看出,这会导致电源短路。电路原理如图3-14所示。图3-14 直流电机的简单双向控制及继电器图方案二 场效应管H桥实现电机驱动 本方案是用H桥实现对电机的控制,用二个增强型的P沟道场效应管和二个增强型的N沟道场效应管组成H桥,电路如下图所示,控制部分和H桥部分用了光耦隔离,光耦采用的是常见的TPL521,选用电流传输比为100%。由于增强型场效应管是压控器件,而且P沟道和N沟道的栅极导通电压不同,在栅极端用三极管做成个反相器,一个输入可以控制一组场效应管,可以减少I/O口。在每个场效应管二端都并上一个续流二极管以吸收电机线圈产生的续流,而保护场效应管。图3-15 H桥电机驱动图方案三 直流伺服驱动器伺服系统在机电设备中具有重要的地位,高性能的伺服系统可以提供灵活、方便、准确、快速的驱动。随着技术的进步和整个工业的不断发展,拖动系统的发展趋势是用交流伺服驱动取代传统的液压、直流、步进和AC变频调速驱动,以便使系统性能达到一个全新的水平,包括更短的周期、更高的生产率、更好的可靠性和更长的寿命。所以本方案采用MLDS3810直流伺服驱动器,如图3-16所示。它的适用范围如下:驱动有刷、永磁直流伺服电机,空心杯永磁直流伺服电机,力矩电机; 最大连续电流10A,最大峰值电流20A; 直流电源+1238V; 功率400瓦以内,过载能力达800瓦;速度、位置的四象限控制,增量式编码器反馈:。伺服驱动器主要功能 :输入模拟信号进行速度控制;输入PWM信号进行速度控制;通过RS232口进行速度控制; 通过RS232口进行位置控制;输入脉冲、方向信号进行步进模式控制; 过流、过载、过压、欠压保护; 温度保护;超调、失调保护,动态跟踪误差保护。图3-16接口定义图型综合比较以上三种方案的优缺点,方案一能简单的控制电机正反转,实现敲鼓机器人的行走灵活的目的。使用的元器件也比较简单,能很好地控制。但该方案不能实现对电机的调速,且继电器的通断次数过于频繁时,会给继电器带来损害,噪声也较大。方案二能够简单实现电机的正反转,满足敲鼓机器人行走要求,使用元器件也不算多,有一个优点就是能够使用调节脉宽的方法来对电机进行调速。电机驱动电路、控制电路用TLP521-4光耦隔离,提高电路的可靠性。可以采用相互独立的电源供电。以确保控制器正常运行,进而以保证整个系统正常工作。但是作为一个要求在赛场上以速度的准确较量的机器人而言来说,再者机器人的重量也有20kg,因此这个方案的稳定性和功率还不能够达到要求。对于方案三 我们通过以上的说明的技术指标,电机额定电流能够达到10A,最大有20A,400W的额定功率,最大有800W。而且有5种控制方式如:输入模拟信号进行速度控制;输入PWM信号进行速度控制;通过RS232口进行速度控制;通过RS232口进行位置控制;输入脉冲、方向信号进行步进模式控制.同时还要电机有增量式编码器反馈。这样就更加达到精确和稳定的要求。尽管价格比较贵,但是对于一个要求速度和稳定性相对很高而且重要的比赛中,我们最后还是毫不犹豫地选择它。所以最终的电机驱动设计方案采用了方案三。4 硬件电路设计在机电一体化的系统中,机械和电路是相互依存的,没有电路控制的机器只能是一堆不能发挥功用的金属。机器要工作起来,电路的控制是必不可少的。机器要想运作得好,稳定,就需要比较完美的控制电路来支持。本机的电路控制系统比较复杂,需要的驱动电机较多,所需考虑的地方也很多。先从整体上介绍电路方案,再分开来介绍每个功能实现所需的电路设计。最后是对整体电路设计过程小结。4.1 电机和能源的选择驱动系统是机器人的手和脚,即运动机构和执行机构的基本组成部分。驱动系统的设计与制作是比赛机器人创意与实践的重要内容。它的任务不仅是向机器人传递动力,而且要提供准确的运动定位和灵活的操作,是机器人制胜的法宝之一,因此其重要性是不言而喻的。通常机器人驱动有电气,液压,气压三种方式。其中以电气驱动最常见,它按供电的方式又可以分为直流电机和交流电机。机器人比赛规则通常规定采用电池供电,即直流电。采用直流电供电的电机按照其内部结构又可分为直流电机和步进电机。直流电机外部接通直流电就能旋转;步进电机的驱动原理复杂些,必须按照一定的通电顺序给电机供电,电机才能旋转。对一般机器人用户来说,驱动的任务仅仅是在确定了机械结构并计算出所需要的速度和驱动力矩之后选择合适的电机和相应的控制方法,这就涉及到电机的运行特性问题。 设计上往往对机器人的质量有严格的限制,所以应选用质量小,功率适宜的永磁电机。它的励磁磁通是恒定的。在控制系统钟,通常用电枢电压作为控制信号,电压的大小与电机转速成正比,改变电压极性,电机运转方向也随之改变。下图是电枢控制的原理图。根据电枢反应原理,电机转速n的计算公式为 n=n0-KhTem (41)电机 IaUa图4-1电枢控制的原图 式中n0Ua/Kt,Kh=Ra/KtKe ,而Ua为电枢电压,Kt为转矩常数,Ra为电枢电阻,Ke为电势常数,电机的电磁转矩Tem应为 TemCtIa= KtIa (42)式中Ia为电枢电流,Ct为常数,为磁通量。式(1)是电枢控制的静态特性方程,即稳定运行状态方程,由此可得直流电机的机械特性和调节特性。(1)机械特性:机械特性指控制电压恒定时,电机转速随转矩变化的关系。由转速公式可得到直流电机的机械特性。机械特性是线性的,当电压一定时,转速升高则转矩4下降。特性曲线与纵轴的交点即为电磁转矩等于零时的理想空载转速n0,即n0Ua/Ke (43)可以看出,空载时电机转速与电枢电压成正比。但实际电机空载运行中,即使电机轴上不带负载,因为自身的空载损耗,电磁转矩并不为零。机械特性曲线与横轴的交点为电机堵转时(n=0)的转矩,即所谓的电机堵转转矩Td, Td=KtUa/Ra (44)机械特性曲线斜率k的绝对值为 k= |tg|= n0/Td=Ra/KtKe (45)它表示机械特性的硬度,即电机的转速随转矩Tem的改变而变化的程度。随着控制电压Ua增大,电机的机械特性曲线平行地向转速和转矩增加的方向移动,但斜率不变,所以电枢控制时电机的机械特性是一组平行线。(2)调节特性电机的调节特性指电磁转矩恒定时,转速随控制电压变化的规律。调节特性与横轴的交点,表示在某一电磁转距是电机的启动电压。转距一定时,若电机的控制电压大于相应的启动电压,电机便能启动并达到所要求的转速;反之,最大电磁转距小于要求的转距值,电机就无法启动。调节特性曲线上从原点至启动电压点的这一段横坐标所示的区域被称为伺服电机某一电磁转距值所对应的死区。死区电压的大小与电磁转距的大小成正比。在直流电机的电枢上加阶跃电压,转子速度随时间的变化规律称作直流电机的动态特性。动态特性用n=f(t)表示。动态特性本质上是由过渡过程来描述的。直流电机产生过渡过程的原因在于电机存在两种惯性,积机械惯性和电磁惯性。为了满足自动控制系统快速响应的需要,直流电机的机电过度过程应尽可能短,以便转速的变化能跟上控制信号的改变。为了更好的理解直流电机的过度过程,可将电机电刷回路进行分析。他通常可以看成一个惯性环节来建立传递函数。转子的角速度的公式为(t)=Ua(1-e(-t/m)/Ud = (1-e(-t/m) (46) 式中0=Ua/Ud为电机理想空载角速度,m为电机的机械时间常数,e为电机的电气时间常数。通常因为电枢组的电感很小,e比m小得多,往往可以忽略不计。电机角速度随时间变化而变化。从式(46)知,当时,电机的角速度上升到稳定角速度的0.632倍;当时间t=4m时,电机角速度=0.9850,一般可认为M =Ea 0.6320。电机的过度过程已结束。因而可将电机的机械时间常数m定义为:电枢外加阶跃电压后,电机转速从0上升到稳定转速的63.2%所需的时间。这是衡量过度过程的一个重要指标。击鼓机器人是工作在比赛时候,速度要求很高,转矩的要求很高。从车子的速度来考虑电机的转速,轮子的直径是125mm,可以得出电机转一圈的路程: mm (47)机器人的速度取50M/Min,由此可以算出电机的转速大约为127r/Min,选取120r/Min的带减速器的微电机比较合理。就地选了型号为JLN4B02带减速器的电机。该电机是做机器人常用的驱动电机,转速为120r/Min,采用的是12V的直流电源,功率为16W。其“额定转矩”和“最大瞬间允许负载”经老师和同学的实践证明可以达到本车的要求。其有一个更具优势力点,带有反馈信号线,是闭环的电机,可以通过反馈的信号来测出电机的转速和移动距离,这样对本车要求的存储路线有很大的作用。4.2 直流电机驱动原理目前直流电机的驱动方式, 主要有两种形式:线性驱动方式和开关驱动方式。其中线性驱动方式可以看成一个数控电压源。该驱动方式的优点是驱动电机的力矩纹波很小, 可应用于对电机转速要求非常高的场合; 缺点是该方式通常比较复杂, 成本较高, 尤其是要提高驱动的功率时,相应的电路成本将提升很多。本文将针对H 桥驱动电路在机器人竞赛中的应用加以分析。图4-2 H桥驱动电路的三种形式目前的H 桥驱动主要有3 种方式。图4-2(a)中H 桥的4 个桥臂都使用N 沟道增强型MOS 管; (b)中H 桥的4 个桥臂都使用P 沟道增强型MOS 管;(c)中上下桥臂分别使用P 沟道增强型MOS 管和N 沟道增强MOS 管。由于P 沟道MOS 管的品种少, 价格较高, 导通电阻和开关速度等都不如N 沟道MOS管, 因此最理想的情况应该是在H 桥的4 个桥臂都使用N 沟道MOS 管。但是在如图(a)中可以看到, 为了使电机正转, Q1和Q4 应该导通, 因此S4 电压应该高于Q4 的源极电压, S1 电压应该高于Q1 的源极电压, 由于此时Q1 的源极电压近似等于VCC, 因此就要求S1 必须大于(VCC+Vgs),在很多电路中除非作一个升压电路否则是比较困难得到的, 因此(a)这种连接方式比较少见。同理图(b) 中为了使电机正转, S4 电压就必须低于0V- VGS, 在使用时也不方便。因此最常用的是图(c)的电路, 该电路结合了上述两种电路各自的优点, 使用方便。4.3 电机驱动电路由图4-3电机驱动方案分析可知,对电机驱动设计采用MLDS3810直流伺服驱动器。电路原理图如下: 图4-3 电机驱动器电路图敲鼓机器人本身有两个电机,所以要求有两个伺服电机及其驱动器。我们采用PWM速度模式时,只要给不同的占空比就能够控制速度,包括正反转和停止。驱动器MLDS3810直流伺服驱动器有多种控制模式,我们通过单片机经过max232对驱动器的模式进行相应的驱动方式变化。这样就更加体现灵活性,和驱动的方便性。4.4 主控制芯片的选择和控制器外围电路的设计控制芯片是电路板的大脑,这里简单介绍本机选用的蕊片。综合起来机子的功能较多,所以初步考虑了几种单片机。控制芯片的选择主要是看I/O引脚数够不够、芯片内部资源丰富与否、抗干扰能力、是否适合本系统使用。综合考虑以上因素和性价比,入围的单片机有51,AVR,ARM,PIC,MSP40等等。(1) AT89S51单片机在考虑控制采用的单片机时,首先想到了51单片机,使用方法简单,功主能特性也较好。下面就就简单介绍一下AT89S51特性。AT89S51具有如下特点:40个引脚,4k Bytes Flash片内程序存储器,128 bytes的随机存取数据存储器(RAM),32个外部双向输入/输出(I/O)口,5个中断优先级2层中断嵌套中断,2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,看门狗(WDT)电路,片内时钟振荡器。 从以上资料可以看到可以看出AT89S51的功能是足够用的,51是有它的特点,也有足够的能力对本机子进行控制。但如果要求的功能很多,也要求有较多的扩展,需要扩展功能的蕊片也就越多,需要的蕊片多了,成本也就上去了。这是用AT89S51的缺点。(2)AVR单片机:众所周知,8位单片机是目前应用最广泛的单片机,在各个领域上都可以看到它的身影,VR、51、PIC都属于8位机。AVR单片机是1997年由ATMEL公司研制开发的一种新型的8位单片机,AVR单片机分抵挡的ATtiny系列、中档的AT90S系列、高档的ATmega系列。AVR与51、PIC单片机相比具有一系列的优点,主要体现在这几个方面: 相同的系统时钟下AVR运行速度最快; 所有AVR单片机的FLASH、EEPROM蓄存器都可以反复烧写、支持在ISP在线编程(烧写),入门费用非常少; 片内集成多种频率的RC振荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时等功能,使得电路设计变得非常简单; 每个IO口作输出时都可以输出很强的高、低电平,作输入时IO口可以是高阻抗或者带上拉电阻; 片内具有丰富实用的资源,如AD模数器,丰富的中断源、SPI、USART、TWI通信口、PWM等等; 片内采用了先进的数据加密技术,大大的提高了破解的难度; 片内FLASH空间大、品种多,引脚少的有8脚,多的有64脚等各种封装; 部分芯片的引脚兼容51系列,代换容易,如ATtiny2313兼容AT89C2051,ATmega8515/162兼容AT89S51等 。综合上述各单片机的特点,在考虑本机子的功能实现的成本上,选取了AVR Atmega16这款单片机作为本机子的控制蕊片。ATmega16外部引脚图如图4-4所示。该芯片的产品特性介绍如下。Atmega16是高性能、低功耗的 8 位AVR微处理器,它采用先进的RISC 结构,大多数指令执行时间为单个时钟周期;有32个8 位通用工作寄存器,全静态工作,工作于16 MHz 时性能高达16 MIPS,只需两个时钟周期的硬件乘法器.非易失性程序和数据存储器: 16K 字节的系统内可编程Flash;擦写寿命: 10,000 次;具有独立锁定位的可选Boot 代码区;通过片上Boot 程序实现系统内编程,真正的同时读写操作;512 字节的EEPROM,擦写寿命: 100,000 次;1K字节的片内SRAM,可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密。JTAG 接口( 与IEEE 1149.1 标准兼容):符合JTAG 标准的边界扫描功能;支持扩展的片内调试功能;通过JTAG 接口实现对Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位的编程。外设特点:两个具有独立预分频器和比较器功能的8 位定时器/ 计数器;一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16 位定时器/ 计数器;具有独立振荡器的实时计数器RTC;四通道PWM;8路10 位ADC;8 个单端通道;TQFP 封装的7 个差分通道;2 个具有可编程增益(1x, 10x, 或200x)的差分通道。接口:面向字节的两线接口;两个可编程的串行USART;可工作于主机/ 从机模式的SPI 串行接口;具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器;具有片内模拟比较器。特殊的处理器特点:上电复位以及可编程的掉电检测;片内经过标定的RC 振荡器;片内/ 片外中断源;6种睡眠模式: 空闲模式、ADC 噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、Standby 模式以及;扩展的Standby 模式。I/O 和封装:32 个可编程的I/O 口;40引脚PDIP 封装, 44 引脚TQFP 封装, 与44 引脚MLF 封装。 工作电压:ATmega16L:2.7 - 5.5V;ATmega16:4.5 - 5.5V。速度等级:0 - 8 MHz ATmega16L;0 - 16 MHz ATmega16。ATmega16L 在1 MHz, 3V, 25C 时的功耗:正常模式: 1.1 mA;空闲模式: 0.35 mA;掉电模式: 1 A。图4-4 ATmega16外部引脚图单片机及其外围接口电路包括单片机、时钟电路、复位电路、外部接口扩展电路等。单片机采用ATmega16L单片机,它是八位的高性能嵌入式控制器,具有40个可编程的I/O口,价格便宜,但功能强大且支持在线编程功能,使用十分方便。时钟电路给单片机系统提供时间基准设计时采用内部8MHz晶振。复位电路用于上电后使系统回复到初始状态开始运行。AVR单片机是低电平复位的,这是和51单片机的区别,另外,其内部有振荡源,只要配置好其内部熔丝,就可选择其内部振荡源,而不需要再花费钱去买。4.5 光电编码器 编码器是一种员简单的数字式位移电感器,它能够把角位移或线位移经过简单的变换变成效字量。目前,编码器精度、分辨力和可靠性都优于相同尺寸的模拟式传感器,但价格般比较高。根据编码器检测原理和检测对象的不同,可以把编码器分为两种类型。用于检测线位移的编码器称为直线位移编码器;用于检测角位移的编码器称为角度数字编码器。 角度数字编码器由敏感元件和码盘组成。码盘是一种经过精细加工的薄圆盘,它的材料根据与之配套的敏感元件不同而不同。角度数字编码器有增量式码器和绝对式编码器两种基本类型。绝对式编码器能给出与每个角位置相对应的数字量输出,增量式编码器则只输出角度的变化增量光学编码器。这种编码器由光源、码盘和光电敏感元件组成。图4-5表示了一种五位光学编码器。光学编码器的码盘是在一个基体上形成透明和不透明码区,代表了二进制码0和1。编码盘的性能好坏主要取决于码盘的质量。光学编码器通常采用照相技术和光刻技术制作。把同心分布的多因二进制码复制在码盘上。光源是光学编码器中最容易发生故障的元件。通常不但要求光源具有较高的可靠性,而且要求光源的光谱要相光电敏感元件相适应。光源的工作温度范围要宽。光电敏感元件可以采用光电二极管、光电晶体管或硅光电池。为了提高输出逻辑电压,还需要加接各种电压放大器,而且每个轨道对应的光电敏感元件要接一个电压放大器。电压放大器通常由集成电路高增益差分运算放大器组图4-5光电编码盘成。为了减小声的影响,在光路中要加入透镜和谈缝装置。应当注意的是,狭缝不能大窄,要保证所有轨道的光电敏感元件的敏感区都处于狭缝内。光学编码器的基本构成如图4-6所示。图4-6光学编码器的基本构成绝对式光学编码器通常采用的是格雷(Gray)码。它是一种非标准的二进制码。Gray码与标准二进制码的区别,在Gray码中相邻两个二进制码的变化只能有一位。所以,在连续的两个数码中,若发现数码的变化超过一位就认为是非法的读数,从而具有一定的纠错能力,可提高可靠性。光电编码器可以检测机器人各个关节的运动状态。若电机电流大,但编码器无输出,说明机器人撞到对方而无退让,己方机器人就须要调整战术。若电机欲前进,编码器反转,说明机器人受对方推堵而退让。最近内藏整形电路直接以矩形波输出的编码器已问世,可以直接接入计算机。在我们的机器人中可以采用自制的编码器。在带有明暗方格的码盘两侧分别安置发光元件和光敏元件,随着码盘旋转,光敏元件接收的光通量与方格的间隔同步变化。光敏元件随着输出经过整形的脉冲。根据脉冲计数,可以知道与码盘固接的旋转轴的角位移。 本次敲鼓机器人的设计,在两个驱动电机上都安装了光电编码器,电机启动时候把采集来的信号送给伺服驱动器,通过一些参数的设置,就可以让伺服驱动系统制动进行适应式的PID调节。4.6 接近开关传感器在各类开关中,有一种对接近它物件有“感知”能力的元件位移传感器。利用位移传感器对接近物体的敏感特性达到控制开关通或断的目的,这就是接近开关。当有物体移向接近开关,并接近到一定距离时,位移传感器才有“感知”,开关才会动作。通常把这个距离叫“检出距离”。不同的接近开关检出距离也不同。有时被检测验物体是按一定的时间间隔,一个接一个地移向接近开关,又一个一个地离开,这样不断地重复。不同的接近开关,对检测对象的响应能力是不同的。这种响应特性被称为“响应频率”。接近开关的种类有:涡流式接近开关,电容式接近开关,霍尔接近开关,光电式接近开关,热释电式接近开关等等。我们这次用的就是光电式接近开关:利用光电效应做成的开关叫光电开关。将发光器件与光电器件按一定方向装在同一个检测头内。当有反光面(被检测物体)接近时,光电器件接收到反射光后便在信号输出,由此便可“感知”有物体接近。安装在车底的两侧和前面,如下图所示4-7所示:图4-7车底的两侧和前面4.7 信号隔离模块在实际的电子电路系统中,不可避免地存在各种各样的干扰信号,若电路的抗干扰能力差将导致测量、控制准确性的降低。因此在硬件上可以采用一些设计技术,破坏干扰信号进入测控系统的途径,从而有效地提高系统的抗干扰能力。常见的信号隔离方法有光电耦合和变压器隔离等,本系统设计采用光电耦合方式对电机控制信号进行隔离,以消除模拟信号对数字信号的干扰。使用的光耦型号为TLP521-4。信号隔离最重要的一点就是将数字与模拟或强电与弱电部分在供电上要完全隔开,否则就不能达到真正意义上的隔离。为了更好的防止干扰,电路中使用了光电耦合器,一般由三部分组成:光的发射、光的接收及信
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