超声波移动机器人控制系统设计毕业设计

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1、本科毕业设计说明书（论文）摘 要智能机器人1作为现代的新发明，是未来的发展方向，它能够在一个环境里按照预定的模式自行运作，不需要人为的管理，可应用于科学勘探等用途。近几年来，超声波导航2已经成为了机器人导航的主要发展方向之一。因为在基于超声波的智能机器人中，超声波就像机器人的眼睛，所以超声波导航是机器人发展的重要一部分。 本文采用单片机3为控制核心，利用超声波传感器检测道路上的障碍，控制机器人的自动避障，快慢速行驶以及自动停车。本文设计的超声波移动机器人主要内容包括：底盘结构设计、底盘的控制系统以及超声波传感部分。1.底盘结构设计：机器人采用独立驱动的两轮式结构，动力源采用步进电机4，减速装置

2、采用齿轮减速，利用差速移动平台实现机器人的转向，选用增量式光电编码器对机器人速度进行检测，实现机器人的自主定位。2.底盘控制系统：应用单片机接受超声波传感器的信号，做出决策然后产生驱动信号，控制步进电动机。步进电机的驱动电路采用两个电机驱动芯片，实现步进电机的控制，完成机器人转向、加速等功能。3.超声波传感部分：以超声波传感器做为机器人的感知系统，把接受的超声波信号通过超声波处理技术提取机器人所在环境的环境特征，实现机器人对环境信息的采集。关键词：超声波；差动式；步进电机；移动机器人AbstractAs a modern invention, the new intelligent robot

3、 indicate the development of the future, it can operate automatically in the pattern set in advance but not with human management. So, it can be applied in the field of scientific exploration and so on. In recent years, ultrasound has become the main way in the field of the robot navigations. Ultras

4、onic just like the robots eyes, so the ultrasound navigation has played an important role in the development of the robot.In this paper, the robot select the single chip as the core of the control system, use the ultrasonic sensors to detect obstacles on the road, and control the robot avoid the obs

5、tacle and stop the car automatically, even control the speed during the driving.The paper about the design of the ultrasound robot includes the following parts: the design of the chassiss structure, the control-system of the chassis and the method of some calculations about ultrasonic.1. The Design

6、of the Chassiss structure: the robot apply the two-wheels structure driven independently, choose the stepping motor as the power source, change the direction with the differential-velocities platform, and it also use incremental photoelectric encoder to test the speed of the robots motivation which

7、help the robot locate itself automatically.2. The control-system of the chassis: The robot receive the signals of ultrasonic sensors with the microcontroller , which can make decisions and then generate the driving signals to control the stepper-motor. The driver-circuit applies two motor-driver-chi

8、ps to control the stepper-motor, implement the functions of steering, acceleration and others.3. The part of Ultrasonic sensor and the algorithm: The ultrasonic sensors, as the robots perceptual system, process the ultrasonic signal received to analyze the environmental characteristics where the rob

9、ots in and to get the information of the environment.Key words：Ultrasonic wave; Differential type; Step-by-steps the electrical machinery; Moves the robot38目 录摘 要IAbstractII引 言11绪论21.1移动机器人5的研究历史21.2移动机器人的研究意义31.3移动机器人研究的国内外现状42超声波移动机器人方案的确定72.1超声波移动机器人机械结构设计方案72.2超声波移动机器人控制系统设计方案122.3移动机器人传感器设计方案13

10、3超声波移动机器人机械结构设计153.1电动机的确定153.2减速器的确定154超声波移动机器人控制系统设计204.1差分驱动平台运动学模型204.2电子元件的选型224.3移动机器人的超声波原理27结 论35致 谢36参考文献37附 录38引 言移动机器人在不确定环境下不仅要具备自主探测的能力，而且要对周围的特征环境具有较强的识别能力，才能最大限度地提高机器人的工作能力。在移动机器人导航控制中，准确的目标识别技术主要应用于地图匹配、机器人自定位以及全局规划和局部规划的协调统一。而以超声波为导航仪器的移动机器人己经成为机器人发展方向之一。超声波导航定位通常是由超声波传感器的发射探头发射出超声波

11、，超声波在介质中遇到障碍物而返回到接受装置。通过接受自身发射的超声波反射信号，根据超声波发出和回波接收时间差及传播速度，计算出传播距离，就能得到障碍物到机器人的距离。长期以来被广泛的应用到移动机器人的导航与避障中，而且它采集环境信息时不需要复杂的图像配准技术，因此测距速度快。实时性好。同时，超声波传感器也不易受到如天气条件、环境光照及障碍物阴影、表面粗糙度等外界环境条件的影响。超声波己经被广泛应用到各种移动机器人的感知系统中，进行导航与避障。1 绪论 1.1 移动机器人5的研究历史上个世纪60年代，随着微电子学和计算机技术的迅速发展，自动化技术也取得了飞跃性的变化。开始出现了现在普遍意义上的机

12、器人。1959年，美国英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台工业机器人，取名“尤尼梅逊”，意为“万能自动”。尤尼梅逊的样子像一个坦克炮塔，炮塔上伸出一条大机械臂，大机械臂上又接着一条小机械臂，小机械臂再安装着一个操作器。这三部分都可以相对转动、伸缩，很像是人的手臂了。它的发明人专门研究运动机构与控制信号的关系，可以编制程序让机器记住并模仿、重复进行某种动作。英格伯格和德沃尔认为汽车制造过程比较固定，适合用这样的机器人。于是，这台世界上第一个真正意义上的机器人，就应用在了汽车制造生产中。经过半个多世纪的发展，机器人已经在很多领域中取得了巨大的应用成绩，其种类也不胜枚举，几乎各个高精尖端的技术领域更是

13、少不了它们的身影。在这期间，机器人的成长经历了三个阶段。第一代机器人是简单的示教再现型机器人，这类机器人需要使用者事先教给它们动作顺序和运动路径，再不断地重复这些动作。目前在汽车工业和电子工业自动线上大量使用的就是这类机器人。它们基本上没有感觉也不会思考。第二代机器人是低级智能机器人，或称感觉机器人。和第一代机器人相比，低级智能机器人具有一定的感觉系统，能获取外界环境和操作对象的简单信息，可对外界环境的变化做出简单的判断并相应调整自己的动作，以减少工作出错、产品报废。因此这类机器人又被称为自适应机器人。20世纪90年代以来，在生产企业中这类机器人的台数正逐年增加。第三代机器人是高级智能机器人。

14、它不但有第二代机器人的感觉功能和简单的自适应能力，而且能充分识别工作对象和工作环境，并能根据人给的指令和它自身的判断结果自动确定与之相适应的动作。这类机器人目前尚处于实验室研究探索阶段。移动机器人是一种集环境感知，路径规划，行为控制等多项功能于一体的高智能化机械系统，能够连续、实时地实现自主控制。其中环境感知是指机器人所使用的各种传感器，它相当于机器人的感觉器官，目前机器人应用比较多的传感器有：超声波传感器、红外传感器、视觉传感器、激光测距传感器、味觉传感器等等。而超声波机器人由于它的成本低，不易受空气环境的影响，一直是机器人发展的一个方向。1.2 移动机器人的研究意义机器人的应用越来越广泛，

15、从工业走向农业、服务业；从产业走进医院、家庭；从陆地潜入水下、飞往空间机器人已经和人类社会的生产、生活密不可分。我国的机器人专家从应用环境出发，将机器人分为两大类，即工业机器人和特种机器人。所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。而特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人，包括：家务型机器人、操作型机器人、程控型机器人、示教再现型机器人、数控型机器人、感觉控制机器人、适应控制型机器人、学习控制型机器人、智能机器人等。家务型机器人：能帮助人们打理生活，做简单的家务活。操作型机器人：能自动控制，可重复编程，多功能，有几个自由度，可固定或运动，

16、用于相关自动化系统中。程控型机器人：按预先要求的顺序及条件，依次控制机器人的机械动作。示教再现型机器人：通过引导或其它方式，先教会机器人动作，输入工作程序，机器人则自动重复进行作业。数控型机器人：不必使机器人动作，通过数值、语言等对机器人进行示教，机器人根据示教后的信息进行作业。感觉控制型机器人：利用传感器获取的信息控制机器人的动作。适应控制型机器人：能适应环境的变化，控制其自身的行动。学习控制型机器人：能“体会”工作的经验，具有一定的学习功能，并将所“学”的经验用于工作中。智能机器人：以人工智能决定其行动的机器人。在特种机器人中，有些分支发展很快，有独立成体系的趋势，如服务机器人、水下机器人

17、、军用机器人、微操作机器人等。目前，国际上的机器人学者，从应用环境出发将机器人也分为两类：制造环境下的工业机器人和非制造环境下的服务与仿人型机器人，这和我国的分类是一致的。由此可知，无论是对民生还是军事，各个国家都已经把发展机器人技术放在重要位置上了。所以说，对于超声波机器人或者智能机器人的研究是十分有意义的。1.3 移动机器人研究的国内外现状目前，对机器人的研究越来越受到重视，索杰纳的成功应用，成为移动机器人技术发展的一个崭新的里程碑，向人们展现了移动机器人代替人们从事肮脏(Dirty)，危险(Dangerous)，枯燥(Dull)工作的应用潜力，激发了人们对于移动机器人技术研究的极大热情，

18、世界各国或国际机构都加大了相关研究的力度。1.3.1 移动机器人研究的国外现状美国是机器人的诞生地，早在1962年就研制出世界上第一台工业机器人，比起号称机器人王国的日本起步至少要早五六年。经过30多年的发展，美国现已成为世界上的机器人强国之一，基础雄厚，技术先进。综观它的发展史，虽然道路是曲折的，不平坦的，但是美国的机器人技术一直走在世界前列。进入80年代之后，美国感到形势紧迫，政府和企业界才对机器人真正重视起来，政策上也有所体现，一方面鼓励工业界发展和应用机器人，另一方面制订计划、提高投资，增加机器人的研究经费，把机器人看成美国再次工业化的特征，使美国的机器人迅速发展。80年代中后期，随着

19、各大厂家应用机器人的技术日臻成熟，第一代机器人的技术性能越来越满足不了实际需要，美国开始生产带有视觉、力觉的第二代机器人，并很快占领了美国60的机器人市场。尽管美国在机器人发展史上走过一条重视理论研究，忽视应用开发研究的曲折道路，但是美国的机器人技术在国际上仍一直处于领先地位。其技术全面、先进，适应性也很强。具体表现在：（1）性能可靠，功能全面，精确度高；（2）机器人语言研究发展较快，语言类型多、应用广，水平高居世界之首；（3）智能技术发展快，其视觉、触觉等人工智能技术已在航天、汽车工业中广泛应用；（4）高智能、高难度的军用机器人、太空机器人等发展迅速，主要用于扫雷、布雷、侦察、站岗及太空探测

20、方面。法国不仅在机器人拥有量上居于世界前列，而且在机器人应用水平和应用范围上处于世界先进水平。这主要归功于法国政府一开始就比较重视机器人技术，特别是把重点放在开展机器人的应用研究上。法国机器人的发展比较顺利，主要原因是通过政府大力支持的研究计划，建立起一个完整的科学技术体系。即由政府组织一些机器人基础技术方面的研究项目，而由工业界支持开展应用和开发方面的工作，两者相辅相成，使机器人在法国企业界很快发展和普及. 德国工业机器人的总数占世界第三位，仅次于日本和美国。到了70年代中后期，政府采用行政手段为机器人的推广开辟道路；在改善劳动条件计划中规定，对于一些有危险、有毒、有害的工作岗位，必须以机器

21、人来代替普通人的劳动。这个计划为机器人的应用开拓了广泛的市场，并推动了工业机器人技术的发展。80年代，德国看到了机器人等先进自动化技术对工业生产的作用，提出了1985年以后要向高级的、带感觉的智能型机器人转移的目标。经过近十年的努力，其智能机器人的研究和应用方面在世界上处于公认的领先地位。前苏联（主要是在俄罗斯），从理论和实践上探讨机器人技术是从50年代后半期开始的。经过20年的努力，前苏联的机器人在数量、质量水乎上均处于世界前列地位。国家有目的地把提高科学技术进步当作推动社会生产发展的手段，来安排机器人的研究制造；有关机器人的研究生产、应用、推广和提高工作，都由政府安排，有计划、按步骤地进行

22、。日本在1967年由川崎重工业公司从美国Unimation公司引进机器人及其技术，建立起生产车间，并于1968年试制出第一台川崎的“尤尼曼特”机器人。正是由于日本当时劳动力显著不足，机器人在企业里受到了“救世主”般的欢迎。日本政府一方面在经济上采取了积极的扶植政策，鼓励发展和推广应用机器人，另一方面，国家出资对小企业进行应用机器人的专门知识和技术指导等等。这一系列扶植政策，使日本机器人产业迅速发展起来，经过短短的十几年，到80年代中期，已一跃而为“机器人王国”，其机器人的产量和安装的台数在国际上跃居首位。1.3.2 移动机器人国内的现状日本在汽车、电子行业大量使用机器人生产，使日本汽车及电子产

23、品产量猛增，质量日益提高，而制造成本则大为降低。从而使日本生产的汽车能够以价廉的绝对优势进军号称“汽车王国”的美国市场，并且向机器人诞生国出口日本产的实用型机器人。此时，日本价廉物美的家用电器产品也充斥了美国市场这使“山姆大叔”后悔不已。日本由于制造、使用机器人，增大了国力，获得了巨大的好处，迫使美、英、法等许多国家不得不采取措施，奋起直追。我国的机器人研究相对开始较晚。先后经历了上世纪70年代的萌芽期，80年代的开发期和90年代的适用化期。1972年，在中国科学院沈阳自动化所里，被誉为“中国机器人之父”的蒋新松在诸多争议声中开始了机器人研究。1977年，沈阳自动化所将智能和机器人技术确定为学

24、科发展方向。之后，中科院自动化学科的发展规划正式纳入机器人技术研究。进入80年代后，我国机器人技术的开发与研究得到了政府的重视与支持。“七五”期间，国家投入资金，对工业机器人及其零部件进行攻关，研制出喷涂、点焊、弧焊和搬运机器人等五类机型。国家“863”计划开始实施后，跟随世界机器人的发展潮流，智能机器人主题成为主要研究方向，国内也建立了一批优秀的机器人研究基地，如北航机器人研究所、哈工大机器人研究所、上海交大机器人研究所等。历经几年，他们成功地研制出了一批特种机器人。90年代初期，我国的工业机器人也在实践中迈进了一大步。点焊、弧焊、装配、喷漆、切割等各种用途的工业机器人相继出炉，形成了一批机

25、器人产业化基地。中科院沈阳自动化所研制成功的6000米水下机器人，能够无缆进行作业，获得2000年国家十大科技成果之一。2006年，我国研制成功世界最大潜深载人潜水器海极一号，7000米的工作潜深，可以达到世界99.8%的海底，比世界上另外5台同类产品深500米。经过30多年的发展，我国机器人的研究在一些方面已经达到了世界先进水平，但还存在着一些问题。一方面，在产业化上与国际上有着一定的差距;另一方面，我国机器人研究多是借鉴外国先进技术，进行二次开发的多，自身技术创新较少。机器人学国家重点实验室（State Key Laboratory of Robotics)是我国机器人学领域最早建立的部门

26、重点实验室。近二十年来，实验室在机器人学基础理论与方法研究方面与国际先进水平同步发展，并在机器人技术前沿探索和示范应用等方面取得一批有重要影响的科研成果，充分显示出实验室具有解决国家重大科技问题的能力。机器人学国家重点实验室定位于为我国经济和社会发展、国家安全和重大科学工程提供所需要的机器人技术与系统，研究机器人学基础理论与方法、发展可行技术和平台样机系统，培养和汇聚从事机器人学研究的高水平人才，推动我国先进机器人技术与系统的可持续发展。主要面向发展具有感知、思维和动作能力的先进机器人系统，研究机器人学基础理论方法、关键技术、机器人系统集成技术和机器人应用技术。该实验室机器人学研究总体水平在国

27、内相关领域处于核心和带头地位，是国内外具有重要影响的机器人学研究基地。目前我国机器人主要朝着仿人仿生方向发展，已经取得了一定的成绩，但创新不足仍是主要问题。总体上看，我国机器人研究仍然任重而道远。2 超声波移动机器人方案的确定2.1 超声波移动机器人机械结构设计方案2.1.1 移动方式的选择从性能上来比较履带的爬坡性能，越野性能，通行性能（对地压强）远远优于轮式车辆，战场中作为重型装甲战斗车辆基本必须用履带，不然会因为过重，对地压强过大而几乎没有野外通行能力，但履带车辆移动速度慢，机动性能差，履带容易受损。轮式车辆移动速度比较快，机动性能很好，易于控制，移动定位效果很好，能适应复杂多变地形环境

28、，易于维修，轮式的造价远远低于履带式车。轮式机器人控制简单，运动单位距离所消耗的能量最小，通常比履带式移动速度快，反应灵敏，因此在移动机器人领域应用最为广泛。本文选择轮式机器人。轮式机器人根据车辆的数量和种类可以分为独轮、双轮、三轮、四轮、多轮等。独轮、双轮：只采用一个或两个轮子构成其移动机构，由于其平衡控制问题难度较大，稳定性和可靠性较差，运行环境也受到一定限制，在实际应用中价值不大。三轮：三轮移动机构具有一定的稳定性，是轮式机器人的基本移动机构之一，在机器人领域已经得到广泛应用，而且在实现方式上也呈现多样化。四轮：四轮移动机构在驱动方式和结构上类似于三轮机构，但同三轮机构相比，四轮机构的确

29、定在于其回转半径较大，转向不灵活。多轮：尽管多轮机构在轮子布局和机械结构设计上存在较大的灵活性，但由于驱动控制原理同三轮结构没有本质区别，结构太复杂。通过比较，我们将选择三轮移动作为机器人的移动机构。三轮移动机构有：两轮独立驱动，前轮驱动前轮导向，后轮差速器驱动前轮导向，两后轮独立驱动前轮导向，三轮全驱动全导向等机构。三轮移动机构特点两轮独立驱动运动灵活，机构组成简单；当两轮转速大小相等方向相反时，可以实现机器人本体的零半径回转，此时旋转中心位于连接两轮驱动轴的直线上。前轮驱动前轮导向控制灵活，能耗低，但是由于导向和驱动的驱动器均集中在前轮部分，复合运动结构设计复杂，而且车体本身的运动并不十分

30、灵活。后轮差速器驱动前轮传动效率较高，制造成本较低，但在传动模式上仍是机械传动模式，结构较复杂，体积较大，质量也比较大，同时运动不灵活，不能实现机器人本体的小半径回转运动。两后轮独立驱动前轮导向结构比较简单，方向控制精度更高，运动更为灵活，但需要对三轮进行协调控制，同步性要求较高，且自转是的本体方向定位精度较低。三轮全驱动全导向具有很高的运动灵活性，但是该机构的整体结构比较复杂，完成每个动作都需对6个伺服电机进行合理控制，且对于方向和驱动的伺服控制精度有较高的要求，控制难度较大。综合以上的分析与比较，本文最终选择两轮独立驱动的三轮机构作为移动机器人的驱动机构。2.1.2 动力源的选择 此处省略

31、NNNNNNNNNNNN字。如需要完整说明书和设计图纸等.请联系扣扣：九七一九二零八零零 另提供全套机械毕业设计下载！该论文已经通过答辩机器人的动力源主要有交流电机，直流电机和步进电机。其中交流电机：输出或输入为交流电能的旋转电机，称为交流电机，是用于实现机械能和交流电能相互转换的机械。主要分为同步交流电机和异步交流电机两种。直流电机：输出或输入为直流电能的旋转电机，称为直流电机，它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能，其种类主要有无刷直流电动机，永磁式直流电动机，电磁式直流电动机。步进电机：

32、步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机分三种：永磁式（PM） ，反应式（VR）和混合式（HB）优点缺点直流电机1、无刷直流电机采用方波电流供电，所用电机的转矩/体积比更高。2、无刷直流电机结构更简单、制造成本更低。3、产生方波电压和电流的变频器比产生正弦波电压和电流的变频器简单，选用无刷直流电机更好。 1.不能达到电机的最高转速。 2.在电

33、枢全电压状态，调激磁电压，适合应用在基速以上，弱磁升速。不能得到电机的较低转速。3.在全磁场状态，调电枢电压，电枢全电压之后，弱磁升速。设备复杂，造价高。交流电机1.可靠性好、结构简单、体积小、重量轻、动态响应好；2.效率高、调速范围广、响应频率高。1.带动惯性负载能力差，一般需用齿轮减速装置；2.交流伺服电动机的多用于中小型数控机床。步进电机1.电机旋转的角度正比于脉冲数；2.转的时候具有最大的转矩；3有较好的位置精度和运动的重复性；4优秀的起停和反转响应5 没有电刷，可靠性较高，电机的寿命仅仅取决于轴承的寿命；6 电机的响应仅由数字输入脉冲确定，因而可以采用开环控制，这使得电机的结构可以比

34、较简单而且控制成本较低；7 仅仅将负载直接连接到电机的转轴上也可以极低速的同步旋转。8 由于速度正比于脉冲频率，因而有比较宽的转速范围。步进电机适用于中、小型机床和速度精度要求不高的地方。通过几种电机的比较，我们可以发现虽然直流电机虽然有诸多的优点，但机器人控制系统的判断较为精确，与此同时我们从经济条件及其的具体应用环境方面考虑得知，在此次设计中机器人动力部分选择步进电机最为合适。2.1.3 传动方式的选择传动方式主要对比齿轮传动6和带传动，链传动来确定：带传动是利用张紧在带轮上的柔性带进行运动或动力传递的一种机械传动。根据传动原理的不同，有靠带与带轮间的摩擦力传动的摩擦型带传动，也有靠带与带

35、轮上的齿相互啮合传动的同步带传动。链传动是通过链条将具有特殊齿形的主动链轮的运动和动力传递到具有特殊齿形的从动链轮的一种传动方式。齿轮传动是利用两齿轮的轮齿相互啮合传递动力和运动的机械传动。按齿轮轴线的相对位置分平行轴圆柱齿轮传动、相交轴圆锥齿轮传动和交错轴螺旋齿轮传动。具有结构紧凑、效率高、寿命长等特点。优点缺点带传动1.因为带有弹性，因此传动过程中可以起到缓冲和吸震的作用，是传动平稳；2.当传动过载时，带会产生打滑，能防止工件的损坏，从而保护原动机；带是靠摩擦进行传动的，而带传动产生的打滑使传动比不确定，带寿命低、轴上载荷较大，同时代的尺寸较大，传动效率低，带传动常适用于大中心距、中小功率

36、链传动与带传动相比，无弹性滑动和打滑现象，平均传动比准确，工作可靠，效率高；能在高温、潮湿、多尘、有污染等恶劣环境中工作仅能用于两平行轴间的传动；成本高，易磨损，易伸长，传动平稳性差，运转时会产生附加动载荷、振动、冲击和噪声，不宜用在急速反向的传动中。因此，链传动多用在不宜采用带传动与齿轮传动，而两轴平行，且距离较远，功率较大，平均传动比准确的场合。经过经过比较，机器人的运动速度及电机的减速等需要有较为严格的减速比例，虽然带传动有诸多的优点，结合实际情况，本文决定选择齿轮传动。而齿轮又分圆柱齿轮，斜齿轮，圆锥齿轮。圆柱直齿轮用于平行轴传动，齿轮啮合与退出时沿着齿宽同时进行，高速容易产生冲击，振

37、动和噪音。 圆柱斜齿轮除可用于平行中传动，还可用于交叉轴传动（螺旋齿轮机构）其特点：重合系数大，传动平稳，齿轮强度高，适于重负载，相比直齿而言：斜齿有轴向力，价格太贵。锥齿轮具有传动平稳、噪声小及承载能力大等特点,用于高速重载的场合。但是传动需成一定角度。直齿轮虽然有重多缺点，但由于电机转速不大，所以噪音、震动都不明显，而且直齿轮在价格上的优势非常明显，本文最终决定使用直齿轮进行传动！2.1.4 编码器的选择编码器7（encoder）是将信号（如比特流）或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。增量式编码器是将位移转换成周期性的电

38、信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。编码器常用的有绝对式和增量式两种。1 绝对式编码器（Absoluteencoder）绝对编码器由机械位置决定的每个位置的唯一性，它无需记忆，无需找参考点，而且不用一直计数，什么时候需要知道位置，什么时候就去读取它的位置。这样，编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了。 由于绝对编码器在位置定位方面明显地优于增量式编码器，已经越来越多地应用于工控定位中。2增量式编码器（Incrementalencoder）增量编码器是一

39、种将旋转位移转换为一连串数字脉冲信号的旋转式传感器。增量式编码器转轴旋转时，有相应的脉冲输出，其计数起点任意设定，可实现多圈无限累加和测量。编码器轴转一圈会输出固定的脉冲，脉冲数由编码器光栅的线数决定。需要提高分辨率时，可利用 90 度相位差的 A、B 两路信号进行倍频或更换高分辨率编码器。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。 测速度需要可以无限累加测量，目前增量型编码器在测速应用方面仍处于无可取代的主流位置。 考虑到编码器将应用在移动机器人上，本文决定选择增量式光电编码器。如图2-1所示：图2-

40、1 光电编码器2.2 超声波移动机器人控制系统设计方案机器人的控制系统是智能机器人的关键，相当于人类的大脑，而现在比较流行的控制器主要有PLC和单片机。PLC和单片机都可以作为机器人的控制系统。PLC ( Programmable logic Controller)，可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，由CPU、储存器、

41、电源构成。单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。PLC和单片机虽然都是控制器，广泛的应用在控制系统中，但是它们依然具有不同，他们的区别为： 1.PLC控制，普遍的应用，厂矿车间，各种中大型生产设备的自动控制。具体包括矿山，炼钢，机床，生产加工等等，应用广泛。大部分用在较大型的设备上。因为其价格较高，一般都是附加值较高的自动控制系统才会考虑。P

42、LC的特点：可靠性高，抗干扰能力强；硬件配套齐全，功能完善，适用性强；易学易用，深受工程技术人员欢迎；系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造；体积小，重量轻，能耗低。2.单片机控制，目前单片机渗透到我们生活的各个领域，仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。单片机的特点：单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、为学习、应用和开发提供了便

43、利条件，同时单片机的成本比PLC略微低廉，综合考虑我们决定选择单片机控制！单片机有8位，16位，32位等，这里的位指单片机CPU每次处理能力,8位是指单片机一次可以计算8位数据,16位是指单片机一次可以计算16位数据,依次类推，在此次设计中用8位单片机完全可以完成对机器人的控制，另考虑经济等方面，我们决定选择8位单片机.2.3 移动机器人传感器设计方案传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。它相当于移动机器人的感觉器官，把探知

44、的信息传递给其他装置。测距传感器主要有红外测距传感器、激光测距传感器、超声波传感器等红外测距传感器利用红外信号遇到障碍物距离的不同反射的强度也不同的原理，进行障碍物远近的检测。它的优点是便宜，易制，安全，缺点是精度低，方向性差，距离近，传感器检测距离3cm-30cm之间。移动机器人需要对信号进行处理，要有一段缓冲时间，而红外测距传感器很难满足。所以红外测距传感器不适合应用在本文中。激光测距传感器利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器是新型测量仪表，的优点是能实现无接触远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等。缺点是需要注意人体安全，且制做

45、的难度较大，成本较高，而且光学系统需要保持干净，否则将影响测量。 超声波测距的优点是比较耐脏污，即使传感器上有尘土，只要没有堵死就可以测量，可以在较差的环境中使用，所以倒车雷达多半使用超声波，缺点是精度较低。综合考虑，我们选择超声波传感器。超声波传感器的选择：单个超声波传感器，可是使机器人的结果和编程简单，但不利于机器人的灵活性。超声波传感器具有一定的扩散特性，发射的超声能量主要集中在主波瓣上，沿着主波轴两侧呈波浪型衰减，左右约30的扩散角。因此，我们决定选择由16个超声波传感器组成的超声波环，等角度分布。为了让结构及其编程简单，我们将选择超声波发射与接收一起的超声波传感器。超声波环避免了机器

46、人经常转身，节省了时间，提高了机器人的灵活性。我们决定选择超声波环，超声波传感器是收发一体型的EFR-40RSC，它性价比高，体积小( l6 m m) ， 工作频率4 0 k H z ，使用温度 -4 0+80 ， 防尘、 防水， 测距范围 0 2 5 m。整个超声波环由 1 6个超声波传感器组成。为了避免相邻超声波传感器问的信号干扰问题， 本系统采用了分组循环发射， 即循环交错启动的方法，并考虑到移动机器人对超声波传感器探测时间的限制 ( 时延 0 .1S ) ， 将超声波传感器以2个一组的方式进行循环探测， 发射时序如图 2-2所示。图2-2 多超声波循环发射时序图3 超声波移动机器人机械

47、结构设计3.1 电动机的确定从机器人是实际运动出发考虑，机器人的速度不能太快，否则会造成控制部分来不及处理和发送信号，电机不能及时做出反应，从而使机器人在行进的过程中无法做出相应的动作。因此，机器人的移动速度暂定为V=0.3M/S.因此机器人在行进过程中遇到障碍物时需要用机械手搬运障碍物，所以机器人的最大载重量为40kg。由于是橡胶轮在地面上滚动，摩擦因数会比较大，所以暂定=0.1机器人克服的摩擦力：F摩=mg=0.1*40*9.8N=39.2N通过网上查找,电机的效率大约为80,所以机器人电机克服摩擦力的功率P=FV =39.2*0.3/0.8W =37.5W机器人的两轮是独立驱动，所以每个

48、电机克服摩擦的功率是18.75W，另外考虑到启动加速、上下坡和转弯等自然因素，因此每个步进电机的功率定位为35W。经过计算分析，确定电机参数如下：参数名称参数数值输出功率35W额定电压24V额定电流0.3A转速720n/m转矩0.46N*M3.2 减速器的确定3.2.1 减速箱齿轮的确定本文设计的机器人车轮半径为0.05m，速度为0.3 m/s。机器人电机输出转速为720n/m，车轮的转速为60n/m。所以总传动比i总为：i总=720n/m：60n/m=12本文采用两级圆柱齿轮减速器进行减速，综合考虑，本文决定用分流式（结构复杂，但由于齿轮相对于轴承对称布置，与展开式相比载荷沿齿宽分布均匀，轴

49、承受载较均匀。中间轴危险截面上的转矩只相当于轴所传递转矩的一半。适用于变载荷的场合。高速级一般用斜齿，低速级可用直齿或人字齿）。减速箱8输出扭矩为:T = 9550W/ni = 95500.035KW/720n/m1292%= 5.14 N*M其中：W是指步进电机功率； n是指步进电机转速； i是传动比； 是步进电机的机械效率通过查找资料,确定减速箱第一级模数m1=0.6,传动比i1=3,小齿轮9齿数25,大齿轮齿数75;第二级模数m2=0.8,传动比i2=4,小齿轮齿数20,大齿轮齿数80.模数:m 齿数:z 压力角=20 第一级齿轮第二级齿轮名称符号计算公式小齿轮大齿轮小齿轮大齿轮齿宽b约

50、0.4a19152218齿距pp= m1.8841.8842.5122.512齿顶高haha=m0.60.60.80.8齿根高hfhf=1.25m0.750.7511齿高hh=2.25m1.351.351.81.8分度圆直径dd=mz15451664齿顶圆直径dada=m(z+2)16.246.217.665.6齿根圆直径dfdf=m(z-2.5)13.543.51462中心距aa=0.5m(z1+z2)30403.2.2 齿轮箱轴的确定轴10是减速器的主要零件之一，轴的结构决定轴上零件的位置和有关尺寸。按弯扭合成强度条件初步计算轴的各段直径，轴计算载面的直径为式中:M轴计算载面上的弯矩，Nm

51、m; T轴计算载面上的转矩，Nmm;a将转矩折合成当量弯矩的折算系数，若扭转剪应力按脉动循环变化时，；轴材料的许多弯曲应力，MPa。当所在计算载面轴段开有键槽时，由上式算得的直径应增大3%5%（开一个键槽）或7%10%（开两个键槽），然后圆整为标准直径.通过如果减速器输入轴通过联轴器与电动机轴相联接，则外伸段轴径与电动机轴径不得相差很大，否则难以选择合适的联轴器，也就是说，减速器输入轴轴端直径和电动机轴直径必须在所选取联轴器毂孔最大与最小直径允许范围内。为此，可取减速器输入轴轴端直径:式中:减速器输入轴轴端直径，mm； 电动机轴直径，mm。减速器传动中心距为已知，可取减速器从动轴危险截面直径式

52、中:减速器从动轴危险截面直径，mm； 该级传动的中心距，mm。综合实际情况，最后选择轴1最小轴径5mm，轴2最小轴径7mm，轴3最小轴径10mm。3.2.3 齿轮箱轴承的确定将运转的轴与轴座之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，从而减少摩擦损失的一种精密的机械元件，叫滚动轴承11（rolling bearing）。滚动轴承一般由内圈、外圈、滚动体和保持架四部分组成。内圈的作用是与轴相配合并与轴一起旋转；外圈作用是与轴承座相配合，起支撑作用；滚动体是借助于保持架均匀的将滚动体分布在内圈和外圈之间，其形状大小和数量直接影响着滚动轴承的使用性能和寿命；保持架能使滚动体均匀分布，防止滚动体脱落，引导滚动体旋转起

53、润滑作用。如图3-1：图3-1球轴承适于承受轻载荷，滚子轴承适于承受重载荷及冲击载荷。当滚动轴承受纯轴向载荷时，一般选用推力轴承；当滚动轴承受纯径向载荷时，一般选用深沟球轴承或短圆柱滚子轴承；当滚动轴承受纯径向载荷的同时，还有不大的轴向载荷时，可选用深沟球轴承、角接触球轴承、圆锥滚子轴承及调心球或调心滚子轴承；当轴向载荷较大时，可选用接触角较大的角接触球轴承及圆锥滚子轴承，或者选用向心轴承和推力轴承组合在一起，这在极高轴向载荷或特别要求有较大轴向刚性时尤为适宜。根据机器人的要求及经济实惠的原则，我们决定选择深沟球轴承.3.2.4 减速箱其他结构的确定键联接12（key joint）用键将轴与带

54、毂零件联成一体的可拆联接，是轴与齿轮或轴与带轮之间常用的联接方式。键是标准件，安放在轴与轮毂的键槽中，分为平键、半圆键和斜键3类。平键联接：具备松键联接的特点，键的侧面是工作面。工作时，靠键与键槽侧面的挤压来传递转矩。A）普通平键：具备平键联接的特点，但所联接的轴与轮 毂不能产生相对运动，用于静联接。 a）圆头普通平键（A型）：在键槽内固定较好，但对轴的削弱大 b）方头普通平键（B型）：在键槽内固定不好，但对轴的削弱小 c）半圆头普通平键（C型）：一般只用于轴端，工艺性较好图3-2B）薄型平键：具备普通平键的，但键的高度为普通平键60%70%。用于较小扭矩的传递。如：薄璧结构、空心轴等尺寸受限

55、制的场合C）导向平键：具备平键联接的特点，键固定在轴上， 但所联接的轴与轮 毂能产生相对运动，用于动联接。主要用于轴向移动距离较短的场合。D）滑动平键：具备导向平键联接的特点，键固定在轴上，所联接的轴与轮毂能产生相对运动，用于动联接。主要用于轴向移动距离较长的场合。箱体x方向大概尺寸170mm，y方向大概尺寸70mm，箱体壁厚为8mm。减速箱简略图如图3-3所示：图3-34 超声波移动机器人控制系统设计4.1 差分驱动平台运动学模型采用双轮差分驱动方式的机器人移动平台如图4-1所示。对于该平台做如下假设： 平台具有刚性外壳，且两个轮子不变形；轮面与接触面垂直并保持点接触，忽略所有轮厚度对于平台

56、的运动影响；轮子与接触面间不发生与轴向平行的滑动，而只发生绕轮轴方向的纯滚动；平台在二维平面内运动；两个驱动轮具有相同的尺寸，且两轮轴心连线同平台的前后运动方向相垂直 图4-1在上述假设下，移动平台的位姿可由广义坐标向量q=xP, yP ,T表示，其中（xP . xP）为平台参考点P在二维平面内的投影坐标，为平台的航向角，即平台前进方向同坐标系X轴之间的夹角。在图4.1中，进一步假设两驱动轮之间的轴间距为d，驱动轮半径为r，轴间连线的中心点为M，其坐标为（xM , xM）；参考点P同M之间的距离为l，直流|PM|同平台中轴线之间的夹角为。则根据图4-1可得 XP=XM+lcos（） 4-1Yp

57、=YM+lsin（）对上面两个方程的左右两端分别对时间t求导得 4-2对于图4-1所示的移动平台模型，可将两个驱动轮简化为居于轴连线中点M处的单个驱动轮，则该虚拟单轮系统所受非完整约束为 4-3结合式4-2和4-3可得 4-4即sin,-cos,lcos = 0 4-5 该式即为利用参考点P的坐标和航向角作为广义坐标对系统进行描述下的系统所受的非完整运动约束方程。 设左、右两轮的旋转速度分别为L和R,则存在以下关系： 4-6结合式4-2和4-6可得 4-7即 4-8式4-8即为以P为参考点描述下的两轮差动移动平台运动模型，其所受的非完整约束方程为式4-5 。当P选择为点M时，平台的运动学模型和

58、约束方程可分别简化为 4-9和 4-10由上述运动学模型不难看出，移动平台的广义坐标向量有三个分类：x，y和，而平台的控制分量只有左右两个驱动轮的旋转角速度wL和wR,这是典型的非完整约束问题。平台在运动过程中，约束方程式4-4或式4-10始终满足，这就意味着平台运动的瞬时速度方向，同平台朝向完全相同。平台方向的改变只能通过两个轮子之间的速度差值实现，而平台运动轨迹则由一系列绕瞬时圆心旋转的小段圆弧组成。该系统的可控性可借助于类似于单轮系统的方式得以证明。下面讨论转弯半径R的计算。根据式6可知，M点的线速度和角速度分别为 4-11 4-12因为vM=wMR,可得平台M点处的转弯半径为 4-13

59、由式4-13可以看出：当wL=wR时，旋转角速度，转弯半径为无穷大，平台做前后方向上的直线运动；当wL=-wR时，转弯半径等于0，平台围绕M点做原地旋转运动。转弯半径可以从0到无穷大变化，这是双轮独立驱动的一个显著特点.4.2 电子元件的选型4.2.1 开关电压调节器LM7824是三端固定稳压器。有5V，6V，9V，12V，15V，18V和24V七种不同的固定输出电压，广泛用于各种电子设备中。其稳压器均有内部过流、热过载和输出晶体管安全区保护功能，电路安全可靠。 如图4.2所示：图4-2 三端固定稳压器4.2.2 步进电机驱动芯片L298SGS公司的L298芯片是一种高电压、大电流双H桥功率集

60、成电路，可用来驱动继电器、线圈、直流电机和步进电机等感性负载。它具有两抑制输入来使器件不受输入信号影响。每桥的三极管的射级是连接在一起的，相应的外接线端可用来连接外设传感电阻。可安置另一输入电源，使逻辑能在低电压下工作。工作电压：控制信号直流5V；电机电压直流3V46V（建议使用36伏以下）最大工作电流：2.5A额定功率：25W。主要特点：1、具有信号指示。2、转速可调3、抗干扰能力强4、具有过电压和过电流保护5、可单独控制四台直流电机6、可单独控制二台步进电机7、PWM脉宽平滑调速8、可实现正反转9、采用光电隔离图4-3 L298LM298典型应用如图4-4所示。控制器dLM298步进电机图4-4 LM298典型应用4.2.3 单片机单片机13是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系