xx 大學(xué) xx 屆畢業(yè)論文 0 一 緒 論 一 引言 移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)是一門多科學(xué)交叉及綜合的高新技術(shù) 是機(jī)器人研究領(lǐng)域的一個(gè) 重要分支 它涉及諸多的學(xué)科 包括材料力學(xué) 機(jī)械傳動(dòng) 機(jī)械制造 動(dòng)力學(xué) 運(yùn)動(dòng) 學(xué) 控制論 電氣工程 自動(dòng)控制理論 計(jì)算機(jī)技術(shù) 生物 倫理學(xué)等諸多方面 第 一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人于 20 世紀(jì) 60 年代初在美國(guó)新澤西州的通用汽車制造廠安裝使用 該 產(chǎn)品在 20 世紀(jì) 60 年代出口到日本 從 20 世紀(jì) 80 年代中期起 對(duì)工業(yè)機(jī)器人的研究 與應(yīng)用在日本迅速發(fā)展并步入了黃金時(shí)代 與此同時(shí) 移動(dòng)機(jī)器人的研究工作也進(jìn)入 了快速發(fā)展階段 移動(dòng)機(jī)器人按其控制方式的不同可以分為遙控式 半自動(dòng)式和自主式三種 按其 工作環(huán)境的不同可以分為戶外移動(dòng)機(jī)器人和室內(nèi)機(jī)器人兩種 自主式移動(dòng)機(jī)器人可以 在沒(méi)有人共干預(yù)或極少人共干預(yù)的條件下 在一定的環(huán)境中有目的的移動(dòng)和完成指定 的任務(wù) 自主式移動(dòng)機(jī)器人是一個(gè)組成及結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜的系統(tǒng) 具有加速 減速 前 進(jìn) 后退以及轉(zhuǎn)彎燈功能 并具有任務(wù)分析 路徑規(guī)劃 導(dǎo)航檢測(cè)和信息融合 自主 決策等類似人類活動(dòng)的人工智能 二 移動(dòng)機(jī)器人的主要研究方向 1 體系結(jié)構(gòu)技術(shù) 1 分布式體系結(jié)構(gòu) 分布式體系結(jié)構(gòu) 1 2 3 是多智能體技術(shù)在移動(dòng)機(jī)器人研究領(lǐng)域的應(yīng)用 智能體是指 具有各自的輸入 輸出端口 獨(dú)立的局部問(wèn)題求解能力 同時(shí)可以彼此通過(guò)協(xié)商協(xié)作 求解單個(gè)或多個(gè)全局問(wèn)題的系統(tǒng) 移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng) 特別是具有高度自組織和自適應(yīng) 能力的系統(tǒng) 它們的內(nèi)部功能模塊與智能體相仿 因此可以應(yīng)用多智能體技術(shù)來(lái)分析 和設(shè)計(jì)移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體的靈活性和高智能性 在分布式體系 結(jié) 構(gòu)中 各個(gè)功能模塊具有不同的輸入輸出對(duì)象和自身的不同功能 并行各工作 整個(gè) 系統(tǒng)通過(guò)一個(gè)調(diào)度器實(shí)現(xiàn)整體的協(xié)調(diào) 包括制定總體目標(biāo) 任務(wù)分配 運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)和沖 突消解等 2 進(jìn)化控制體系結(jié)構(gòu) 面對(duì)任務(wù)的復(fù)雜性和環(huán)境的不確定性以及動(dòng)態(tài)特性 移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)該具有主 動(dòng)學(xué)習(xí)和自適應(yīng)的能力 將進(jìn)化控制的思想融入到移動(dòng)機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中 使 得系統(tǒng)哎具備較高反應(yīng)速度大的同時(shí) 也具備高性能的學(xué)習(xí)和適應(yīng)能力 文獻(xiàn) 4 提 xx 大學(xué) xx 屆畢業(yè)論文 1 出的進(jìn)化控制體系結(jié)構(gòu)包括進(jìn)化規(guī)劃和基于行為的控制兩大模塊 其優(yōu)點(diǎn)是既具有基 于行為的系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性 又保持了基于功能的系統(tǒng)的目標(biāo)可控性 并兼有自學(xué)習(xí)和自 適應(yīng)的功能 文獻(xiàn) 5 是進(jìn)化控制的思想在機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的又一體現(xiàn) 提 出了一種模擬人類學(xué)習(xí)與進(jìn)化過(guò)程的機(jī)器人進(jìn)化控制體系結(jié)構(gòu) 機(jī)器人利用事先設(shè)計(jì) 好的基本行為 根據(jù)實(shí)際環(huán)境和具體任務(wù)要求 自主創(chuàng)建滿足任務(wù)要求和適應(yīng)環(huán)境的 具體行為 文獻(xiàn) 6 考慮到智能體本身具有獨(dú)立性 自主性 開(kāi)放性等優(yōu)點(diǎn) 將智能 體的技術(shù)與進(jìn)化控制相結(jié)合 提出了一種基于多智能體的移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航進(jìn)化控制體 系結(jié)構(gòu) 3 多移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng) 多機(jī)器人系統(tǒng)是以多個(gè)機(jī)器人組成的系統(tǒng)為研究對(duì)象 研究目的在于尋求一套分 析 設(shè)計(jì)和控制機(jī)器人群的有效方法 使其能夠有效 高質(zhì)量地協(xié)作完成任務(wù) 7 隨 著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展 具有單個(gè)機(jī)器人無(wú)法比擬的優(yōu)越性的多 機(jī)器人系統(tǒng)已得到了普遍重視 設(shè)計(jì)合理的體系系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)于多機(jī)器人系統(tǒng)在多變的 工作環(huán)境中完成復(fù)雜的工作任務(wù)時(shí)起到至關(guān)重要的作用 文獻(xiàn) 8 9 10 在分析了多機(jī)器人協(xié)作系統(tǒng)對(duì)單機(jī)控制體系結(jié)構(gòu)的要求后 分別提 出了適合的機(jī)器人個(gè)體控制體系結(jié)構(gòu) 其基本思想是采用分層式和包容式融合的混合 體系結(jié)構(gòu) 文獻(xiàn) 11 提出了一種使多個(gè)機(jī)器人在不同層次上方便地進(jìn)行行為調(diào)整和 協(xié)作的體系結(jié)構(gòu) 在這種體系結(jié)構(gòu)中 單個(gè)機(jī)器人采用分層式結(jié)構(gòu) 而不同機(jī)器人之 間是分布式的關(guān)系 可以在每個(gè)層次上直接相互作用 這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是各個(gè)機(jī)器人 可以在每個(gè)層次上靈活地建立作用關(guān)系 同時(shí)隨環(huán)境的變化和不確定性保持實(shí)時(shí)的反 應(yīng)性能 2 定位與導(dǎo)航技術(shù) 智能移動(dòng)機(jī)器人的 智能 特征在于它具有與外部世界相協(xié)調(diào)的工作機(jī)能 這種協(xié) 調(diào)在具體的實(shí)現(xiàn)上首先要求機(jī)器人確定自身與周圍環(huán)境的位置關(guān)系 以便根據(jù)目標(biāo)任 務(wù)做出正確決策和路徑選擇 因此導(dǎo)航的定位成為移動(dòng)機(jī)器人的兩個(gè)最為重要問(wèn)題 移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航方式可分為 基于環(huán)境信息的地圖模型匹配導(dǎo)航 基于各種導(dǎo)航信 號(hào)的陸標(biāo)導(dǎo)航 視覺(jué)導(dǎo)航和味覺(jué)導(dǎo)航等 1 定位技術(shù) 作為移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航最基本環(huán)節(jié) 定是確定機(jī)器人在工作環(huán)境中相對(duì)于全局坐標(biāo) 的位姿 定位方法根據(jù)機(jī)器人工作環(huán)境復(fù)雜性 配備傳感器的種類和數(shù)量等不同有多 種方法 主要方法有 碼盤定位 陸標(biāo)定位和聲音定位等 碼盤定位是在移動(dòng)機(jī)器人 的車輪上裝有光電編碼器 通過(guò)對(duì)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的記錄來(lái)粗略的確定位置和姿態(tài) 該方法 雖然簡(jiǎn)單 但是由于車輪與地面存在打滑現(xiàn)象 產(chǎn)生的累積誤差隨路徑的增加而增大 定位誤差會(huì)逐漸累積 引起更大的誤差 Yamauchi 12 使用推測(cè)航行法和證據(jù)柵格來(lái) 實(shí)現(xiàn)計(jì)算動(dòng)態(tài)環(huán)境中的機(jī)器人位置 該方法把在不同時(shí)段建立的證據(jù)柵格匹配起來(lái) xx 大學(xué) xx 屆畢業(yè)論文 2 使用一種爬山算法搜索可能的平移與轉(zhuǎn)動(dòng)空間 來(lái)消除推測(cè)航行法的誤差累積 陸標(biāo) 定位 13 是在移動(dòng)機(jī)器人工作的環(huán)境里 人為地設(shè)置一些已知的陸標(biāo) 如超聲波發(fā)射 器 激光反射板等 通過(guò)對(duì)陸標(biāo)的探測(cè)來(lái)確定機(jī)器人自身的位姿 2 導(dǎo)航技術(shù) 全局路徑規(guī)劃包括環(huán)境建模和路徑搜索策略兩個(gè)問(wèn)題 其中環(huán)境建模的主要方法有 可視圖法 自由空間法和柵格法等 可視圖法 15 視機(jī)器人為一點(diǎn) 將機(jī)器人 目標(biāo) 點(diǎn)和障礙物各頂點(diǎn)之間以及各障礙物頂點(diǎn)和頂點(diǎn)之間的連線 均不能穿越障礙物 即 直線是可視的 搜索最優(yōu)路徑的問(wèn)題就轉(zhuǎn)化為從起點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)經(jīng)過(guò)這些可視直線的最 短距離問(wèn)題 VoronoiDiagrams 法和 TangentGraph 法 16 對(duì)可視圖法進(jìn)行了改進(jìn) 自由 空間法應(yīng)用于機(jī)器人路徑規(guī)劃 采用預(yù)先定義的如廣義錐形和凸多邊形 17 等基本形 狀構(gòu)造自由空間 并將自由空間表示為連通圖 通過(guò)搜索連通圖來(lái)進(jìn)行路徑規(guī)劃 該 法以柵格為單位記錄環(huán)境信息 環(huán)境被量化具有一定分辨率的柵格 柵格的大小直接 影響著環(huán)境信息存儲(chǔ)量的大小和規(guī)劃時(shí)間的長(zhǎng)短 柵格劃分打了 環(huán)境信息存儲(chǔ)量小 規(guī)劃時(shí)間按短 但分辨率下降 在密集環(huán)境下發(fā)現(xiàn)路徑的能力減弱 柵格劃分小了環(huán) 境分辨率高 在密集環(huán)境下發(fā)現(xiàn)路徑的能力強(qiáng) 但環(huán)境信息存儲(chǔ)量打 規(guī)劃時(shí)間長(zhǎng) 可采用改進(jìn)的柵格法 19 彌補(bǔ)柵格法的不足 路徑搜索策略主要由 A 算法 20 和 D 最優(yōu)算法 21 等 局部路徑規(guī)劃的主要方法有 人工勢(shì)場(chǎng)法 Artificial Potential Field 遺傳算法 Genetic Algorithm 和模糊邏輯算法 Fuzzy Logic Algorithm 等 人工勢(shì)場(chǎng)法 22 是由 Khatib 提出的一種虛擬力法 其基本思想是將機(jī)器人在環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)視為一種虛 擬的人工受力場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng) 障礙物對(duì)機(jī)器人產(chǎn)生斥力 目標(biāo)點(diǎn)產(chǎn)生引力 引力和斥力 的合力作為機(jī)器人的加速力 來(lái)控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向和計(jì)算機(jī)器人的位置 J Holland 24 在 60 年代初提出了遺傳算法 以自然遺傳機(jī)制和自然選擇等生物進(jìn)化理 論為基礎(chǔ) 構(gòu)造了一類隨機(jī)搜索算法 它是利用選擇 交叉和變異來(lái)培養(yǎng)控制機(jī)構(gòu)的 計(jì)算程序 在冒種程度上對(duì)生物進(jìn)化過(guò)程做數(shù)學(xué)方式的模擬 它不要求適應(yīng)度函數(shù)是 可導(dǎo)或連續(xù)的 而只要求適應(yīng)度函數(shù)為正 同時(shí)作為并行算法 它的隱并行性適用于 全局搜索 基于實(shí)時(shí)傳感信息的模糊邏輯算法 25 參考人的駕駛經(jīng)驗(yàn) 通過(guò)查表得到 規(guī)劃信息 實(shí)現(xiàn)局部路徑規(guī)劃 該方法克服了勢(shì)場(chǎng)易產(chǎn)生的局部極小問(wèn)題 適用于時(shí) 變未知環(huán)境下的路徑規(guī)劃 實(shí)時(shí)性較好 3 運(yùn)動(dòng)控制策略 運(yùn)動(dòng)控制就是控制移動(dòng)機(jī)器人按規(guī)定的軌跡運(yùn)動(dòng) 控制器的好壞對(duì)機(jī)器人的性能 有著直接影響 因此這部分在機(jī)器人的研究中至關(guān)重要 針對(duì)不同的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和 驅(qū)動(dòng)設(shè)備 運(yùn)動(dòng)控制的研究會(huì)進(jìn)一步的細(xì)化 對(duì)于常用的輪式移動(dòng)機(jī)器人 還會(huì)進(jìn)一 步分為雙輪 三輪 四輪等 對(duì)于本文主要討論的輪式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制 由于它是一個(gè)高度非線性的非完整 xx 大學(xué) xx 屆畢業(yè)論文 3 性控制系統(tǒng) 對(duì)其的控制具有相當(dāng)?shù)碾y度 根據(jù)問(wèn)題的不同 該類系統(tǒng)的控制一般分 為鎮(zhèn)定控制和跟蹤控制兩類 鎮(zhèn)定控制方面 現(xiàn)在的主要研究成果有不連續(xù)控制方法 時(shí)變控制方法和混亂控制方法等 跟蹤控制方面 根據(jù)導(dǎo)航方式的不同可以分為含有 時(shí)間參數(shù)的軌跡跟蹤以及不含時(shí)間參數(shù)的路徑跟蹤 根據(jù)控制變量的不同又可以分為 速度控制和力矩控制等 在控制的方法上 現(xiàn)在比較常用的有基于滑?？刂频?方法 基于反饋線性化的方法 回退法 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法和模糊控制方法等 文獻(xiàn) 30 中 作者提出了一種基于預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)的控制方法 文獻(xiàn) 31 通過(guò)誤差的分解 使用 PD 控制方法實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制 但在實(shí)際使用中控制參數(shù)難以調(diào)節(jié) 文獻(xiàn) 32 利用魯 棒控制方法 文獻(xiàn) 33 利用神經(jīng)元預(yù)測(cè)控制實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制 但并未考慮 系統(tǒng)延遲所帶來(lái)的影響 運(yùn)動(dòng)控制效果存在滯后現(xiàn)象 預(yù)見(jiàn)預(yù)測(cè)控制 34 是一種將預(yù) 見(jiàn)控制和預(yù)測(cè)控制結(jié)合在一起的控制方法 其算法的核心思想是利用已知的未來(lái)信息 設(shè)計(jì)一個(gè)前饋控制器用以克服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)延遲 同時(shí)利用預(yù)測(cè)控制中的滾動(dòng)優(yōu)化 反饋校正策略增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性 文獻(xiàn) 35 將預(yù)見(jiàn)預(yù)測(cè)控制方法應(yīng)用于 CNC 機(jī)床的伺 服控制中 取得了良好的效果 文獻(xiàn) 30 將預(yù)見(jiàn)預(yù)測(cè)控制方法應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng) 控制中 首先利用三階 Bezier 曲線作為路徑生成器生成目標(biāo)軌跡 并以此為輸入信號(hào) 設(shè)計(jì)最優(yōu)預(yù)見(jiàn)控制器作為系統(tǒng)的前饋補(bǔ)償 彌補(bǔ)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)延遲 然后使用擴(kuò)展 卡爾曼濾波器作為預(yù)測(cè)模型 基于廣義預(yù)測(cè)控制 GPC 實(shí)現(xiàn)了預(yù)見(jiàn)預(yù)測(cè) PPC 運(yùn)動(dòng) 控制器的設(shè)計(jì) 提高系統(tǒng)的魯棒性 4 傳感器信息融合技術(shù) 移動(dòng)機(jī)器人的多傳感器信息融合方面的研究始于 80 年代 多傳感器融合 25 的常 用方法有 加權(quán)平均法 貝葉斯估計(jì) 卡爾曼濾波 統(tǒng)計(jì)決策理論 D S 證據(jù)推理 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊推理法以及帶置信因子的產(chǎn)生式規(guī)則 其中加權(quán)平均法是最簡(jiǎn)單也最 直觀的方法 一般用于對(duì)動(dòng)態(tài)低水平的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理 但結(jié)果不是統(tǒng)計(jì)上的最優(yōu)估計(jì) 貝葉斯估計(jì)是融合靜態(tài)環(huán)境中多傳感器底層數(shù)據(jù)的常用方法 適用于具有高斯白噪聲 的不確定性傳感信息融合 對(duì)于系統(tǒng)噪聲和觀測(cè)噪聲為高斯白噪聲的線性系統(tǒng)模型用 卡爾曼濾波來(lái)融合動(dòng)態(tài)低層次冗余傳感信息 對(duì)于非線性系統(tǒng)模型采用擴(kuò)展卡爾曼濾 波或者分散卡爾曼濾波 統(tǒng)計(jì)決策理論用于融合多個(gè)傳感器的同一種數(shù)據(jù) 常用于圖 像觀測(cè)數(shù)據(jù) D S 證據(jù)推理是貝葉斯估計(jì)法的擴(kuò)展 它將局部成立的前提與全局成立 的前提分離開(kāi)來(lái) 以處理前提條件不完整的信息融合 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法根據(jù)系統(tǒng)要求和融 合形式 選擇網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 通過(guò)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)確定網(wǎng)絡(luò)連接權(quán)值 對(duì)各傳感器的的輸入 信息進(jìn)行融合 系統(tǒng)具有很強(qiáng)的容錯(cuò)性和魯棒性 模糊推理法首先對(duì)多傳感器輸出進(jìn) 行模糊化 將所測(cè)得的距離等信息分級(jí) 表示成相應(yīng)的模糊子集 并確定模糊子集的 隸屬度函數(shù) 通過(guò)融合算法對(duì)隸屬度函數(shù)綜合處理 再將模糊融合結(jié)果清晰化 求出 融合值 帶置信因子的產(chǎn)生式規(guī)則主要用于符號(hào)水平層表達(dá)傳感器信息 結(jié)合專家系 統(tǒng)對(duì)多傳感器信息進(jìn)行融合 xx 大學(xué) xx 屆畢業(yè)論文 4 5 仿生機(jī)器人的研究 今年來(lái) 全球許多機(jī)器人研究機(jī)構(gòu)都展開(kāi)與仿生機(jī)構(gòu)的研究工作 在生態(tài)學(xué)基礎(chǔ)上 研究昆蟲(chóng) 爬行動(dòng)物等自然界生物的各種生存策略與形態(tài) 如 螞蟻的群體協(xié)作 覓 食 路線跟蹤與搜索和信息傳遞等策略 蜜蜂的定位和采粉策略 蛇的爬行動(dòng)態(tài)等 將各種生物的特長(zhǎng)再現(xiàn)于機(jī)器人上 NASA 的 Snakerrobot 蛇形機(jī)器人 能夠穿梭在受 災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的瓦礫狹縫之中 尋找幸存者 該蛇形機(jī)器人由于重心低且完全模仿蛇的動(dòng)作 因而行動(dòng)靈敏 魯棒性好 可以用于受災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)生還者的尋找和軍事偵察 SONY 公司 1999 年推出的寵物機(jī)器狗 Aibo 具有喜 怒 哀 厭 驚和奇 6 種情感狀態(tài) 它能爬行 坐立 伸展和打滾 而且摔倒后可立即爬起來(lái) 本田公司 1997 年研制的 Honda P3 類 人機(jī)器人代表著當(dāng)今世界雙足步行機(jī)器人的最高水平 Honda P3 的 CPU 采用了兩個(gè)主 頻為 110MHz 的 MicrospecII 處理器 身上裝有用于視覺(jué)導(dǎo)航的視覺(jué)傳感器 感知自身 姿態(tài)的陀螺儀 保持平衡的重力加速度傳感器和兩個(gè)腳踝的 6 處維力傳感器 實(shí)現(xiàn)語(yǔ) 音功能的麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器 以及用于測(cè)量行走在顛簸起伏的路面上 也能夠在傾斜的 路面上行走 甚至能夠上 下樓梯 單腳站立 6 多機(jī)器人系統(tǒng) 多機(jī)器人系統(tǒng)的研究始于 20 世紀(jì) 70 年代 隨著機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展 機(jī) 器人工作環(huán)境復(fù)雜度 任務(wù)的加重 對(duì)機(jī)器人的要求不再局限于單個(gè)機(jī)器人 多機(jī)器 人的研究已經(jīng)成為機(jī)器人學(xué)研究的一個(gè)熱點(diǎn) 多機(jī)器人系統(tǒng)的研究分為多機(jī)器人合作 和多機(jī)器人協(xié)調(diào)兩大類 主要研究給定一個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)后 如何組織多個(gè)機(jī)器人 去完成任務(wù) 如何分解和分配任務(wù)以及如何保持機(jī)器人之間的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)一致 美國(guó) Oak Ridge 國(guó)家試驗(yàn)室的 Cooperative Robotics 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 26 研究的協(xié)作機(jī)器人是集成了 感知 推理 動(dòng)作的智能系統(tǒng) 著重研究在環(huán)境未知且在任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中環(huán)境動(dòng)態(tài)變 化的情況下 機(jī)器人如何協(xié)作完成任務(wù) 美國(guó) USC 大學(xué)的 Socially Mobile 和 The Nerd Herd 27 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在多機(jī)器人學(xué)習(xí) 群行為 協(xié)調(diào)與協(xié)作等方面開(kāi)展工作 xx 大學(xué) xx 屆畢業(yè)論文 5 三 課題的背景和內(nèi)容 移動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)是一個(gè)集環(huán)境感知 動(dòng)態(tài)決策和規(guī)劃 行為控制與執(zhí)行等多 種功能于一體的綜合機(jī)器人系統(tǒng) 移動(dòng)機(jī)械手是由機(jī)械手固定在移動(dòng)平臺(tái)上構(gòu)成的一 類移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng) 其中機(jī)械手用來(lái)實(shí)現(xiàn)如抓取 放置等動(dòng)作 平臺(tái)的移動(dòng)用來(lái)擴(kuò)展 機(jī)械手的工作空間 使機(jī)械手以更合適的姿態(tài)執(zhí)行任務(wù) 同時(shí)機(jī)械手的加入也極大提 高了移動(dòng)機(jī)器人大的性能 移動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)平臺(tái)如圖 1 1 所示 圖 1 1 移動(dòng)平臺(tái)總體布局示意圖 本論文做的是移動(dòng)平臺(tái)本體的控制 平臺(tái)建立在一輛 3 輪小車上 前邊兩輪獨(dú)立 驅(qū)動(dòng) 后邊一個(gè)隨動(dòng)輪 車輪轉(zhuǎn)向通過(guò)兩輪差速來(lái)完成 為在有限的空間內(nèi)合理放置 電機(jī) 電機(jī)軸和車輪軸采用鏈條連接 車體四周裝有超聲波傳感器 用來(lái)測(cè)量車體周 圍障礙物的距離 車體前端裝有一個(gè)近距離超聲波傳感器 用來(lái)測(cè)量平臺(tái)與工作臺(tái)的 距離 車體前后還裝有碰撞傳感器 在機(jī)器人受到碰撞時(shí)及時(shí)保護(hù)機(jī)器人本體 四 論文主要內(nèi)容 第一章 綜述了移動(dòng)機(jī)器人的基本概念 著重討論了移動(dòng)機(jī)器人的相關(guān)技術(shù) 闡明 課題的研究背景以及我的研究?jī)?nèi)容 第二章 設(shè)計(jì)了移動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)的硬件體系 詳細(xì)討論了 LPC2119 控制電路 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和機(jī)器人傳感器系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法 并且給出了詳細(xì)的電路原理圖以 及調(diào)試方法 xx 大學(xué) xx 屆畢業(yè)論文 6 二 移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)時(shí)移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)的核心部分 涉及到微控制器的選擇 驅(qū) 動(dòng)電機(jī)的選擇 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 機(jī)器人相關(guān)傳感器的選擇與涉及方法 在本系統(tǒng)中 我們的微控制器采用一片高性能 ARM 單片機(jī) LPC2119 主要完成 車輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制和傳感器信號(hào)的采集和處理 與主控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過(guò)串口進(jìn)行實(shí) 時(shí)通訊 電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元采用 MOSFET 構(gòu)成的 H 橋驅(qū)動(dòng)電路 由驅(qū)動(dòng)芯片 IR2110 驅(qū)動(dòng) 從而帶動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn) 傳感器系統(tǒng)包括 3 部分 避撞超聲傳感器 精密超聲傳感器和碰 撞開(kāi)關(guān)傳感器 一 系統(tǒng)硬件設(shè)務(wù)劃分 根據(jù)機(jī)器人控制系統(tǒng)的功能 將移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)劃分為以下的幾個(gè)單元 如圖 2 1 所示 上位機(jī) ARM 控制系統(tǒng) 超聲傳 感 碰撞傳 感器 精密超 聲 電機(jī)驅(qū) 動(dòng) 根據(jù)硬件設(shè)計(jì)需要 將平臺(tái)控制系統(tǒng)劃分為以下幾個(gè)部分實(shí)現(xiàn) 1 LPC2119 控制電路設(shè)計(jì) 2 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 3 傳感器系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) ARM 控制電路是整個(gè)移動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)的核心部分 它包括 LPC2119 應(yīng)用電路 精密超聲采集電路 串口通信電路 碰撞開(kāi)關(guān)檢測(cè)電路 完成的主要功能 為接收上位機(jī)的命令 將命令解算為電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào) 驅(qū)動(dòng)電機(jī)使小車完成命令規(guī)定的運(yùn) 動(dòng) 實(shí)時(shí)地通過(guò) LPC2119 的捕獲端口采集電機(jī)的轉(zhuǎn)速信息 通過(guò)模糊 PID 算法完成電 xx 大學(xué) xx 屆畢業(yè)論文 7 機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制 通過(guò) I2C 電路與避碰超聲傳感器子系統(tǒng)通信 獲取碰撞超聲的信息 并通過(guò)串口將該信息發(fā)送給上位機(jī) 傳感器電路精密超聲檢測(cè)電路 碰撞檢測(cè)電路和避碰超聲控制電路組成 精密超聲 檢測(cè)電路通過(guò) LPC2119 的 ADC 端口檢測(cè)精密超聲傳感器輸出的模擬電壓 依此確定待 抓取的目標(biāo)物體距離小車的精確距離 通過(guò)檢測(cè)碰撞開(kāi)關(guān)的 16 4 編碼器信息確定小車 是否與障礙物發(fā)生碰撞 如發(fā)生碰撞則要做緊急處理 避碰超聲控制電路由 AT89C2051 和 18 路超聲波發(fā)射 檢測(cè)電路組成 完成的主要功能為 18 路超聲波的循環(huán) 發(fā)射及檢測(cè) 并通過(guò) I2C 電路將超聲波傳感器編號(hào)和回波時(shí)間發(fā)送給 LPC2119 電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元采用 MOSFET 構(gòu)成的 H 橋驅(qū)動(dòng)電路 LPC2119 發(fā)出的 PWM 信號(hào)經(jīng) 驅(qū)動(dòng)芯片 IR2110 后 驅(qū)動(dòng) H 橋電路 進(jìn)而帶動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn) F2260 直流電機(jī)自帶光電式 增量編碼器 LPC2119 利用其捕獲功能實(shí)時(shí)采集電機(jī)的轉(zhuǎn)速 從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)速度模糊 PID 控制 二 LPC2119 控制電路設(shè)計(jì) 目前應(yīng)用在機(jī)器人底層控制系統(tǒng)的微控制器主要有數(shù)字信號(hào)處理器 DSP 和 8 16 位 單片機(jī)兩種類型 采用 8 位 16 位處理器 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 制作簡(jiǎn)單 硬件開(kāi)發(fā)周期 短 但數(shù)據(jù)處理能力不強(qiáng) 需要借助外加器件例如計(jì)數(shù)器 PID 調(diào)節(jié)器和 PWM 產(chǎn)生器 等 系統(tǒng)的穩(wěn)定性不強(qiáng) 系統(tǒng)控制板的結(jié)構(gòu)尺寸也會(huì)很大 DSP 具有數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng) 速度快等優(yōu)點(diǎn) 且體積小 有利于電路板布局 隨著資料的增加以及芯片價(jià)格的下調(diào) 當(dāng)前的大多數(shù)機(jī)器人控制都選 DSP 作為控制器 本文的微處理器選擇的是 PHILIPS 公司的 LPC2119 單片機(jī) LPC2119 是一款支持 實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的 16 32 位 ARM7TDMI S 內(nèi)核的 ARM 處理器 小型的 LQFP 64 封裝 帶有 128KB 嵌入的高速 Flash 存儲(chǔ)器和 16KB 的 SRAM 存儲(chǔ)器 獨(dú)特的存儲(chǔ)器加速結(jié) 構(gòu)使 32 位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行 與 DSP 相比較 ARM 具有幾乎相同的內(nèi) 部資源和運(yùn)算速度 處理復(fù)雜函數(shù)的能力也毫不遜色 需要注意的是 DSP 的設(shè)計(jì)初衷 畢竟是為了進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理 所以在進(jìn)行控制方面與 ARM 相比還要略微遜色 LPC2119 有 9 個(gè)外部中斷引腳 而且許多 ARM 芯片支持 TCP IP 協(xié)議 這是 DSP 無(wú) 法做到的 這一點(diǎn)使得 ARM 在將來(lái)機(jī)器人的網(wǎng)絡(luò)控制方面將有很大的優(yōu)勢(shì) 1 LPC 微控制器簡(jiǎn)介 ARM7TDMI S 內(nèi)核是通用的 32 位微處理器 它具有高性能和低功耗的特性 ARM 結(jié)構(gòu)是基于精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī) RISC 原理而設(shè)計(jì)的 指令集和相關(guān)的譯碼機(jī)制 xx 大學(xué) xx 屆畢業(yè)論文 8 比復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)要簡(jiǎn)單得多 這樣使用一個(gè)小的 廉價(jià)的處理器內(nèi)核就可實(shí)現(xiàn)很高 的指令吞吐量和實(shí)時(shí)的中斷響應(yīng) 由于使用了 3 級(jí)流水線技術(shù) 處理和存儲(chǔ)系統(tǒng)的所有 部分都可連續(xù)工作 通常在執(zhí)行一條指令的同時(shí)下達(dá)下一條指令進(jìn)行譯碼 并將第三條 指令從存儲(chǔ)器中取出 ARM7TDMI S 處理器使用了一個(gè)被稱為 THUMB 的獨(dú)特結(jié)構(gòu)化 策略 它非常適用于那些對(duì)存儲(chǔ)器有限制或者需要較高代碼密度的大批量產(chǎn)品的應(yīng)用 THUMB 指令集的 16 位指令長(zhǎng)度使其可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn) ARM 代碼兩倍的密度 卻仍然 保持 ARM 的大多數(shù)性能上的優(yōu)勢(shì) 這些優(yōu)勢(shì)是使用 16 位寄存器的 16 位處理器所不具 備的 因?yàn)?THUMB 代碼和 ARM 代碼一樣 在相同 32 位寄存器上進(jìn)行操作 THUMB 代碼僅為 ARM 代碼規(guī)模的 65 但其性能卻相當(dāng)于運(yùn)行于 16 存儲(chǔ)器系統(tǒng)的相同 ARM 處理器性能的 160 2 LPC2119 應(yīng)用電路設(shè)計(jì) LPC2119 微處理器可以工作的最小系統(tǒng)一般由電源 復(fù)位電路 系統(tǒng)時(shí)鐘等構(gòu)成 了調(diào)試程序需要把 JTAG 口包括進(jìn)來(lái) 把串口 UART0 加進(jìn)來(lái)可以方便程序的下載和芯 片的擦除 LPC2119 是可加密的芯片 PHILPSD 的專利技術(shù) 一旦芯片加密后 通過(guò) JTAG 就不能下載程序了 只能通過(guò) ISP 功能先整片擦除芯片 再下載 1 電源電路 LPC2106 芯片 I O 口供電電源為 3 3V 內(nèi)核供電電源為 1 8V 因此系統(tǒng)必須提供 雙電源 使用低壓電源芯片 AMS1117 33 和 AMS1117 18 將 5V 電壓轉(zhuǎn)換為芯片需要的 3 3V 和 1 8V 該芯片最大穩(wěn)壓輸出電流為 800mA 精度高 穩(wěn)定性高 功耗低 實(shí)際 運(yùn)行時(shí) LPC2119 及其外圍芯片需要的電流約為 40mA 所以該電源芯片足以勝任 圖 2 2 為系統(tǒng)的供電電路 LED 作為 5V 電源指示燈 圖 2 2 ARM 系統(tǒng)電源供電原理圖 xx 大學(xué) xx 屆畢業(yè)論文 9 2 復(fù)位電路 由于 LPC2119 芯片的高速 低功耗 低工作電壓導(dǎo)致其噪聲容限低 對(duì)電源的紋 波 瞬態(tài)響應(yīng)性能 時(shí)鐘源的穩(wěn)定性以及電源監(jiān)測(cè)可靠性等諸多方面也提出了更高的 要求 這里采用專用微處理電源監(jiān)控芯片 MAX708 提高了系統(tǒng)的可靠性 圖 2 3 給 出了系統(tǒng)復(fù)位電路圖 圖 2 3 ARM 系統(tǒng)復(fù)位電路原理圖 74HC125 為總線驅(qū)動(dòng)器 可控三態(tài)門輸出 當(dāng)復(fù)位鍵按下后 MAX708 的 RESET 引腳輸出低電平 打開(kāi) 74HC125 三態(tài)門 低電平出現(xiàn)在 LPC2119 的 RST 和 TRST 引 腳 系統(tǒng)復(fù)位 當(dāng)使用 JTAG 調(diào)試時(shí) 往往需要用 JTAG 復(fù)位系統(tǒng) 此時(shí)由 JTAG 產(chǎn) 生的復(fù)位信號(hào)同樣使 RST 和 TRST 變?yōu)榈碗娖?而此時(shí) MAX708 沒(méi)有復(fù)位 RESET 引腳輸出高電平 74HC125 為高阻狀態(tài) 將其兩端的高低電平隔離 當(dāng)不需要 JTAG 調(diào)試時(shí) 74HXC125 是不需要的 注意 MAX708 是工作電壓是 5V 而 74HC125 采用 3 3V 供電 所以在應(yīng)用中加 入了小的保護(hù)電阻 R21 3 系統(tǒng)時(shí)鐘 采用外部時(shí)鐘源 時(shí)鐘頻率為 10 25MHz 本系統(tǒng)采用由于要進(jìn)行串口通信 所以 采用 11 0592MHz 的外部晶振 內(nèi)部 PLL 電路可調(diào)整時(shí)鐘 CPU 最大操作時(shí)鐘頻率為 60MHz 一般在外部晶振兩端并聯(lián) 1M 歐姆的電阻 使系統(tǒng)更容易起振 4 JTAG 調(diào)試電路 JTAG 調(diào)試電路注意 要 LPC2119 進(jìn)行 JTAG 調(diào)試 其 RTCK 引腳必須接一個(gè) 4 7K 的 下拉電阻 R27 系統(tǒng)復(fù)位時(shí) 該引腳上的低電平使 P1 26 P1 31 復(fù)位后用作一個(gè)調(diào)試端 口 5 UART0 電路 LPC2119 為 3 3V 電壓供電 所以使用 MAX3232 進(jìn)行 RS232 電平轉(zhuǎn)換 MAX3232 是 3 3V 工作電源的 RS232 轉(zhuǎn)換芯片 其應(yīng)用方法與 MAX3232 完全一致 注意 要想使用 ISP 功能 必須使用 UART0 UART1 是沒(méi)有 ISP 功能的 xx 大學(xué) xx 屆畢業(yè)論文 10 6 速度檢測(cè)電路 LPC2119 具有兩個(gè) 32 位的預(yù)分頻定時(shí) 計(jì)數(shù)器 分別具有 4 3 路捕獲通道 4 個(gè) 32 位匹配寄存器 定時(shí)器是增量計(jì)數(shù)的 但上溢時(shí)不會(huì)產(chǎn)生中斷 而只能通過(guò)比較匹配 或者捕獲輸入產(chǎn)生中斷 CAP 捕獲引腳 捕獲引腳的電壓跳變時(shí) 可將定時(shí)器值裝入一個(gè)捕獲寄存器 并可選擇產(chǎn)生一個(gè)中斷 IR 中斷寄存器 中斷寄存器 IR 保存捕獲中斷和匹配中斷的標(biāo)志 判斷中斷源 CR 捕獲寄存器 CR0 CR3 當(dāng)輸入信號(hào)跳變時(shí) 可取得定時(shí)器的瞬時(shí)值 每個(gè) 捕獲寄存器 CR 都與一個(gè)器件引腳相連 當(dāng)引腳發(fā)生特定的事件時(shí) 可將定時(shí)器計(jì)數(shù) 值裝入該寄存器 CR CCR 捕獲控制寄存器 決定捕獲功能是否使能 以及捕獲事件在引腳的上升沿 下降沿或是雙邊沿發(fā)生 當(dāng)發(fā)生捕獲事件時(shí) 捕獲控制寄存器 CCR 用于控制將定時(shí)器 計(jì)數(shù)值裝入 4 個(gè)捕獲寄存器中的哪一個(gè)以及是否產(chǎn)生中斷 可設(shè)置上升沿和下降沿同 時(shí)有效 這樣會(huì)在雙邊沿觸發(fā)捕獲事件 MR 匹配寄存器 匹配寄存器值連續(xù)與定時(shí)器計(jì)數(shù)值比較 當(dāng)兩個(gè)值相等時(shí) 自 動(dòng)觸發(fā)相應(yīng)動(dòng)作 這些動(dòng)作包括產(chǎn)生中斷 復(fù)位定時(shí)器計(jì)數(shù)器或停止定時(shí)器 MCR 匹配控制寄存器 用于控制在發(fā)生匹配時(shí)所執(zhí)行的操作 利用捕獲單元測(cè)量一個(gè)脈沖所用的時(shí)間 就可以實(shí)現(xiàn)測(cè)速功能 電機(jī)軸上的編碼 器產(chǎn)生正交編碼脈沖 正交編碼脈沖包括兩個(gè)脈沖序列 有變化的頻率和四分之一周 期的固定相位偏移 通過(guò)檢測(cè)兩個(gè)序列中哪一個(gè)序列領(lǐng)先 就可以測(cè)出電機(jī)的轉(zhuǎn)向 速度可以通過(guò)捕獲脈沖測(cè)出 7 其他的注意事項(xiàng) P0 口是一個(gè) 32 位雙向 I O 每位的方向可單獨(dú)控制 P0 口的功能取決于管腳連接 模塊的管腳功能選擇 P0 口的 26 和 31 腳未用 除用作 A D 輸入的管腳 P0 27 P0 28 P0 29 和 P0 30 外 所有 P0 管腳最大可承受 5V 的電壓 如果未使用 A D 轉(zhuǎn)換器 A D 輸入可用作可承受 5V 電壓的數(shù)字 I O 口 P1 口是一個(gè) 32 位雙向 I O 口 每位的方向可單獨(dú)控制 P1 口的功能取決于管腳 連接模塊的管腳功能選擇 P1 口只有 16 31 號(hào)引腳可用 P1 是內(nèi)置有上拉電阻最大 可承受 5V 電壓的 I O 口 用作輸入口時(shí)可通過(guò)上拉電阻將輸入電平置高 系統(tǒng)復(fù)位時(shí) P0 14 引腳上的低電平將強(qiáng)制片內(nèi)引導(dǎo)裝載程序 所以在應(yīng)用中 P0 14 引腳要接一個(gè) 3 端跳線器 進(jìn)行 ISP 操作時(shí) 把 P0 14 下拉為低電平 正常調(diào)試 程序是 P0 14 上拉為高電平 P1 20 為同步跟蹤引腳 系統(tǒng)復(fù)位時(shí)該引腳上的低電平使 P1 16 P1 25 復(fù)位后用作跟蹤端口 我們使用的仿真器都沒(méi)有同步跟蹤功能 所以這 個(gè)功能是用不到的 設(shè)計(jì)時(shí)可以直接用 4 7K 的電阻上拉到 3 3V 在應(yīng)用 LPC2119 的捕獲通道進(jìn)行點(diǎn)擊轉(zhuǎn)速的捕獲和判斷點(diǎn)擊轉(zhuǎn)向時(shí) 從光電碼盤 xx 大學(xué) xx 屆畢業(yè)論文 11 出來(lái)的信號(hào)是 5V 的 所以須串入一個(gè)小電阻 提高系統(tǒng)的可靠性 雖然 PHILPS 的芯 片號(hào)稱 I O 引腳可以耐 5V 電壓 建議不要直接相連 在 LPC2119 中 電源分為 3 3V 數(shù)字端口電源和 3 3V 模擬端口電源 1 8V 數(shù)字內(nèi) 核電源和 1 8V 模擬內(nèi)核電源 數(shù)字地和模擬地 它們的電壓相同 但為了降低噪聲和 出錯(cuò)幾率 兩者應(yīng)當(dāng)隔離 三 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 1 直流電機(jī)的選型 37 1 移動(dòng)機(jī)器人行駛的動(dòng)力學(xué)分析 當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人在水平方向上做直線運(yùn)動(dòng)時(shí) 如已知作用于移動(dòng)機(jī)器人行駛方向的 外力 即行駛阻力 根據(jù)力的平衡關(guān)系 就可以建立移動(dòng)平臺(tái)行駛時(shí)的動(dòng)力學(xué)方程 確定移動(dòng)平臺(tái)需要的驅(qū)動(dòng)力 同樣 根據(jù)移動(dòng)平臺(tái)的動(dòng)力性能要求 就可以求出驅(qū)動(dòng) 電機(jī)所需要的最大輸出轉(zhuǎn)矩 小車行駛時(shí) 其驅(qū)動(dòng)力一定要克服行駛阻力 其行動(dòng)力學(xué)程式為 Fu Fk 2 1 式中 F u 電機(jī)驅(qū)動(dòng)力 N Fk 移動(dòng)平臺(tái)行駛時(shí)的阻力 N 移動(dòng)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電機(jī)所輸出的轉(zhuǎn)矩 經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)傳至驅(qū)動(dòng)輪 作用在驅(qū)動(dòng)輪 上的轉(zhuǎn)矩 T1 使車輪對(duì)地面產(chǎn)生一個(gè)向后的圓周力 F1 根據(jù)作用力和反作用力原理 地面對(duì)驅(qū)動(dòng)輪產(chǎn)生一個(gè)向前的反作用力 Ft 推動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人前進(jìn) 其值為 F1 2 2 rTie 式中 Te 為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩 N m i 為傳動(dòng)系統(tǒng)的減速比 1 為傳動(dòng)系統(tǒng)的效率 1 r 為平臺(tái)驅(qū)動(dòng)輪的半徑 m 輪子的半徑是已知常數(shù) 由公式 2 2 可知 移動(dòng)平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)力取決于驅(qū)動(dòng)電機(jī) 的輸出轉(zhuǎn)矩 傳動(dòng)系統(tǒng)的減速比 傳動(dòng)系統(tǒng)的效率 移動(dòng)平臺(tái)行駛過(guò)程中 需要不斷克服行駛過(guò)程中的各種阻力 它們分別是來(lái)自地 面的滾動(dòng)阻力 Ff 來(lái)自空氣的空氣阻力 Fw 上坡時(shí)的坡度阻力 Fi 加速時(shí)的加速阻力 Fj 機(jī)器人行駛的總阻力為 xx 大學(xué) xx 屆畢業(yè)論文 12 F Ff Fw Fi Fj 2 3 上述諸阻力中 滾動(dòng)阻力和空氣阻力是在任何行駛條件下均存在的 坡度阻力和 加速阻力僅在一定行駛條件下存在 在水平道路上勻速行駛時(shí)就沒(méi)有坡度阻力和加速 阻力 滾動(dòng)阻力是車輪在地面上滾動(dòng)所引起的阻力的總稱 車輪在路面上滾動(dòng)時(shí) 輪胎 與路面的接觸區(qū)域產(chǎn)生法向 切向的相互作用力并使輪胎和路面產(chǎn)生相應(yīng)的變形 同 時(shí)還有輪胎與路面間的摩擦 從而形成了機(jī)器人行駛的滾動(dòng)阻力 比較而言 輪胎與 路面的摩擦損失是很小的 滾動(dòng)阻力主要是由于輪胎變形和路面變形產(chǎn)生的 實(shí)驗(yàn)表 明 車輪滾動(dòng)時(shí)的滾動(dòng)阻力等于滾動(dòng)摩擦系數(shù) f 與車輪負(fù)荷 G 的乘積 即 Ff f G cos 2 4 滾動(dòng)阻力系數(shù) f 的數(shù)值由試驗(yàn)確定 它與路面的種類 行駛車速以及輪胎的結(jié)構(gòu) 材料 氣壓等有關(guān) 為路面的坡度 空氣阻力是機(jī)器人在直線行駛時(shí)受到的空氣作用力在行駛方向上的分力 機(jī)器人 行駛時(shí)與空氣發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng) 并在機(jī)器人周圍形成渦流 致使機(jī)器人前后產(chǎn)生大氣壓 力差 同時(shí)空氣與機(jī)器人表面的摩擦也產(chǎn)生能量損失 兩者的作用方向與機(jī)器人行駛 方向相反 阻礙機(jī)器人運(yùn)行 空氣阻力與機(jī)器人尺寸 表面形狀 行駛速度有關(guān) 由于 空氣阻力的計(jì)算涉及到空氣動(dòng)力學(xué)原理 計(jì)算相對(duì)復(fù)雜 由于我們的運(yùn)動(dòng)機(jī)械手系統(tǒng)主要的應(yīng)用環(huán)境為水平面 所以忽略上坡阻力 為了 簡(jiǎn)化計(jì)算也忽略了加速阻力 所以有 Fu Ff Fw 2 5 2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 在移動(dòng)平臺(tái)行駛之前 要給它配重 調(diào)節(jié)移動(dòng)平臺(tái)的重心 使得驅(qū)動(dòng)輪上的驅(qū)動(dòng) 力大致相等 當(dāng)移動(dòng)平臺(tái)在水面做勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí) 由公式 2 1 2 2 和 2 5 得到 T11 T12 Ff Fw r 2 6 21 式中 T 11 左電機(jī)轉(zhuǎn)速器輸出的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩 N m T12 右電機(jī)轉(zhuǎn)速器輸出的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩 N m 由于風(fēng)阻力的不便計(jì)算 所以采用把風(fēng)阻力用系數(shù) 折算到摩擦阻力的辦法 簡(jiǎn) 化后的公式 2 6 變?yōu)?T11 T12 Ff r 2 7 21 xx 大學(xué) xx 屆畢業(yè)論文 13 在勻速直線運(yùn)動(dòng)中 風(fēng)的阻力很小 取 0 1 G 是移動(dòng)機(jī)械手系統(tǒng)的重量 490N 車輪半徑為 0 11m 實(shí)驗(yàn)測(cè)得 f 0 3 代入公式 2 7 得到 T11 T12 8 8Nm 3 電機(jī)的選擇與驗(yàn)證 經(jīng)查閱大量資料 初步選定 maxon 公司生產(chǎn)的 118798 號(hào)直流伺服電機(jī)作為行駛驅(qū) 動(dòng)電機(jī) 其配套減速器的型號(hào)為 203121 號(hào) 減速比為 53 1 其配套光電編碼器的型號(hào) 為 225785 號(hào) 下面驗(yàn)證初選的電機(jī)是否滿足要求 移動(dòng)機(jī)器人車速要求最大速度為 1 5m s 由減速器減速比和車輪半徑可以推導(dǎo)出 電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速應(yīng)該不低于 6900rpm 所選電機(jī)的最高允許轉(zhuǎn)速為 8200rpm 滿足系 統(tǒng)的要求 用公式 2 2 把減速器的輸出轉(zhuǎn)矩?fù)Q算成電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩 T1 T e Me i 0 2 8 Te Me 2 9 0i 式中 M e 電機(jī)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩 N m 由前面的計(jì)算和電機(jī)資料可知以上的 4 個(gè)參數(shù) T1 4 63Nm i0 111 Me 4 8mNm 0 81 代入公式 2 9 得到 Te 56 3mNm 查電機(jī)參數(shù)表得知 直流伺服電機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩城 80mNm 與之相比較 可知直 流電機(jī)期望輸出的轉(zhuǎn)矩沒(méi)有超過(guò)直流伺服電機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩 下面驗(yàn)證一下電機(jī)在該輸出轉(zhuǎn)矩下的輸出電流是否符合要求 根據(jù)電機(jī)制造商提 供的電流計(jì)算公式 Im I0 2 10 KiTax01 式中 max 為電機(jī)的最高效率 1 K 為電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù) mM m A I0 為電機(jī)的空載電流 A 查電機(jī)參數(shù)表可知 以上 3 個(gè)參數(shù)的值分別為 85 36 4mNm A 0 105A 代入公式 2 10 計(jì)算得 Im 1 77A 查表得到電機(jī)最大負(fù)載電流 2 44A 因此當(dāng)減速器輸出轉(zhuǎn)矩為 4 63Nm 時(shí) 電機(jī)處 于安全運(yùn)行狀態(tài) 綜合以上的驗(yàn)證結(jié)果 可以得出結(jié)論 選擇 mxaon 的這款直流電機(jī)是可以滿足系統(tǒng) 要求的 xx 大學(xué) xx 屆畢業(yè)論文 14 2 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 1 驅(qū)動(dòng)芯片 IR2110 簡(jiǎn)介 IR2110 是美國(guó) IR International Rectifier 公司推出的一種雙通道高壓 高速的功 率器件柵極驅(qū)動(dòng)的單片式集成驅(qū)動(dòng)器 它把驅(qū)動(dòng)高壓側(cè)和低壓側(cè) MOSFET 或 IGBT 所 需的絕大部分功能集成在一個(gè)高性能的封裝內(nèi) 外接很少的分立元件就能提供極快的 開(kāi)關(guān)速度和極低的消耗 其特點(diǎn)在于 將輸入邏輯信號(hào)轉(zhuǎn)換成同相位的低阻抗輸出驅(qū) 動(dòng)信號(hào) 可驅(qū)動(dòng)同一橋臂上的兩路輸出 驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng) 響應(yīng)速度快 工作電壓較高 可達(dá) 600V 內(nèi)部設(shè)有欠壓封鎖 成本低 易于調(diào)試 電路芯片體積小 為 DIP14 封裝 高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)采用外部自舉電容上電 與其它 IC 驅(qū)動(dòng)電路相比 在設(shè)計(jì)上大大減少了驅(qū) 動(dòng)變壓器和電容的數(shù)目 降低的了產(chǎn)品成本和減小了體積 提高了系統(tǒng)的可靠性 這 種適用于驅(qū)動(dòng)功率 MOSFET IGBT 的自舉式集成電路再電源變換 電機(jī)調(diào)速等功率驅(qū) 動(dòng)領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用 芯片引腳輸出如圖 2 7 所示 圖 2 7 IR2110 管腳分布圖 引腳 1 和 7 是兩路獨(dú)立的輸出 分別是 LO 低端輸出 和 HO 高端輸出 引腳 3 和 6 分別是 Vcc 低端電源電壓 和 VB 高端浮置電源電壓 引腳 9 VDD 是邏 輯電路電源電壓 引腳 2 COM 是低端電源公共端 引腳 5 和 13 分別是 VS 高端浮 置電源公共端 和 VSS 邏輯電路接地端 引腳 10 HIN 是高端邏輯輸入控制端 引腳 11 SD 是輸出關(guān)閉端 引腳 12 LIN 是低端邏輯輸入 IR2110 浮置電源采用自舉電路 其高端工作電壓可達(dá) 600V 工作頻率可達(dá) 500kHz 兩路通道均帶有滯后欠壓鎖定功能 其推薦典型工作參數(shù)如表 2 1 所示 動(dòng) 態(tài)傳輸延遲時(shí)間參數(shù)如表 2 2 所示 表 2 1 IR2110 典型應(yīng)用工作參數(shù)表 xx 大學(xué) xx 屆畢業(yè)論文 15 表 2 2 IR2110 動(dòng)態(tài)傳輸延遲時(shí)間參數(shù)表 2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 從微控制器 LPC2119 發(fā)出 PWM 信號(hào)是 3 3V 電壓的 經(jīng)過(guò)光電藕合器隔離后轉(zhuǎn)變 為 5V 的 PWM 信號(hào) 加載到 IR2110D 的 HI SD 和 LIN 端 由 IR2110 轉(zhuǎn)換為同相位 的 MOSFET 驅(qū)動(dòng)信號(hào) C9 和 C11 為自舉電容 12V 經(jīng) D6 C9 負(fù)載 Q2L 給 C9 充電 以確保 Q2L 關(guān)閉 QIH 導(dǎo)通時(shí) QIH 管的柵極靠 C9 上足夠的儲(chǔ)能來(lái)驅(qū)動(dòng) 對(duì)于自舉電容的選擇 一般用一個(gè)大電容和一個(gè)小電容并聯(lián)使用 在頻率為 20kHz 左右的工作狀態(tài)下 選用 1 0uF 和 0 1uF 電容并聯(lián) 并聯(lián)高頻小電容用來(lái)吸收高頻毛刺干擾電壓 驅(qū)動(dòng)大容量的 1GBT 在工作頻率較低的情況下 要注意自舉電容電壓穩(wěn)定性問(wèn)題 上管的驅(qū)動(dòng)波峰 頂如果出現(xiàn)下降的現(xiàn)象則要選取大的電容 根據(jù)表 2 1 VB 高于 VS 電壓的最大值為 20V 為了避免 VB 過(guò)電壓損壞 IR2110 電路中增加了穩(wěn)壓二極管 D1 電路中 D2 的功能是防止 QIH 導(dǎo)通時(shí)高電壓串入 VCC 端損壞該芯片 IR2110 的開(kāi)通與關(guān)斷傳輸延遲時(shí)間基本匹配 開(kāi)通傳輸延遲時(shí)間比關(guān)斷傳輸延遲 時(shí)間長(zhǎng) 25ns 見(jiàn)表 2 2 這保證了功率管 Q1H 和 Q2L 在工作時(shí)不會(huì)發(fā)生同時(shí)導(dǎo)通 從而避免了直通故障的發(fā)生 為了更加安全 在電路中 功率管的柵極上分別串聯(lián)電 阻 R7 R8 以及二極管 D1 D2 功率器件的柵源極的驅(qū)動(dòng)電壓一般高于 TTL 電平 5 20V 因此要在柵極增加 xx 大學(xué) xx 屆畢業(yè)論文 16 保護(hù)電路 可以用穩(wěn)壓二極管限制了所加?xùn)艠O電壓 在我們的應(yīng)用中 實(shí)際檢測(cè)發(fā)現(xiàn) 柵源極的電壓比器件的極限電壓小很多 因此沒(méi)有加入穩(wěn)壓二極管 功率器件 QIH Q2L 在開(kāi)關(guān)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生浪涌電壓 這些浪涌電壓會(huì)損壞元件 所以電路中采用穩(wěn)壓二極管 D7 D9 鉗位浪涌電壓 由于在橋式電路中存在寄生電感 同時(shí)直流電機(jī)又為感性負(fù)載 所以在功率管開(kāi) 關(guān)瞬間 電源短路以及通過(guò)電流關(guān)斷時(shí) di dt 比較大 功率管會(huì)產(chǎn)生過(guò)沖 電壓 會(huì)使 VS 端電壓低于 COM 端 由表 2 1 可知 該電壓不能低于 4V 如果超出 該極限電壓就會(huì)引起高端通道工作不穩(wěn)定 在設(shè)計(jì)印制電路板時(shí) 采取下列方法可以 減小 VS 的過(guò)沖電壓 1 將功率 MOSFET 盡量緊密放置 并且在焊接功率器件時(shí)盡量使連線最短 以 減少 PCB 布線長(zhǎng)度和引腳間寄生電感的影響 2 IR2110 盡可能靠近功率 MOSFET 放置 3 連接兩功率管的走線采用加寬導(dǎo)線直接連接 除非迫不得已 盡量不要使用過(guò) 孔 絕對(duì)不要有環(huán)路 4 在電源線與功率管之間加去耦電容 0 1u 或 1u 在電路的調(diào)試過(guò)程中 我發(fā)現(xiàn)遇到的很多問(wèn)題都是由于自舉電容選擇不當(dāng)引起的 下是自舉電容選擇的幾條經(jīng)驗(yàn) 1 PWM 開(kāi)關(guān)頻率高 自舉電容應(yīng)選較小值 2 盡量使自舉上電回路不經(jīng)大阻抗負(fù)載 否則應(yīng)為自舉電容充電提供快速充電通 路 3 對(duì)于占空比調(diào)節(jié)較大的場(chǎng)合 特別是在高占空比時(shí) Q2L 開(kāi)通時(shí)間比較短 自 舉電容應(yīng)選小 否則 在有限時(shí)間內(nèi)無(wú)法達(dá)到自舉電壓 4 自舉電容的選擇應(yīng)綜合考慮 PWM 變化的各種情況 監(jiān)測(cè)引腳 HO 和 VS 腳波 形進(jìn)行調(diào)試自舉電容是最好的方法 3 隔離電路及改進(jìn) 由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路板上的電流較大 為防止它干擾 LPC2119 控制板上的器件 必 須用光耦將兩塊電路板進(jìn)行信號(hào)隔離 由于 PWM 的頻率選擇為 30kHz 頻率較高 光 耦必須選擇為高速光耦 本系統(tǒng)選用的是高速光耦 6N137 隔離電路如圖 2 9 所示 xx 大學(xué) xx 屆畢業(yè)論文 17 圖 2 9 高速光耦 6N137 應(yīng)用原理圖 在調(diào)試過(guò)程中 我發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò) 6N137 變換后的 PWM 信號(hào)邊緣不是很陡 用這樣的信號(hào) 驅(qū)動(dòng) IR2110 引腳 HO 和 LO 的信號(hào)的邊緣有許多毛刺 所以 經(jīng)過(guò) 6N137 的 PWM 信號(hào)必須整形后 才能加到 IR2110 上 在本系統(tǒng)中 PWM 信號(hào)經(jīng)過(guò) 6N137 后 加到了反相器 74HC04 上 經(jīng)過(guò)這樣一個(gè) 簡(jiǎn)單的變換后 我們用示波器觀察了 PWM 信號(hào)變得很陡 原來(lái)引腳 HO 和 LO 的毛刺 消失了 電路工作更加穩(wěn)定了 四 機(jī)器人傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì) 隨著機(jī)器人應(yīng)用范圍的推廣 要求機(jī)器人具有更高的智能 機(jī)器人的研究除了要 求機(jī)器人本身的功能更強(qiáng) 反應(yīng)速度更快外 對(duì)其感受外界信息能力的要求也提高了 我們的機(jī)器人要求可以感知碰撞信息 準(zhǔn)確測(cè)量待抓取物體與機(jī)器人本體的距離信息 和障礙物的距離等 安裝在我們的機(jī)器人上的傳感器電路由精密超聲檢測(cè)電路 碰撞開(kāi)關(guān)電路和避碰 超聲控制電路組成 精密超聲檢測(cè)電路通過(guò) LPC2119 的 ADC 端口檢測(cè)精密超聲傳感 器輸出的模擬電壓 依此確定待抓取的目標(biāo)物體距離小車的精確距離 通過(guò)檢測(cè)碰撞 開(kāi)關(guān)電路的 16 4 編碼器信息確定小車是否與障礙物發(fā)生碰撞 如發(fā)生碰撞則要做緊急 處理 避碰超聲控制電路由 AT89C2051 和 18 路超聲波發(fā)射 檢測(cè)電路組成 完成的主 要功能為 18 路超聲波的循環(huán)發(fā)射及檢測(cè) 并通過(guò) I2C 電路將超聲波傳感器編號(hào)和回波 時(shí)間發(fā)送給 LPC2119 xx 大學(xué) xx 屆畢業(yè)論文 18 1 精密超聲波采集電路設(shè)計(jì) 移動(dòng)機(jī)械手系統(tǒng)的主要任務(wù)是要抓取目標(biāo)物體 目標(biāo)物體的尋找和識(shí)別由視覺(jué)系 統(tǒng)負(fù)責(zé) 當(dāng)視覺(jué)系統(tǒng)確定了待抓取的目標(biāo)物體 并且調(diào)整移動(dòng)平臺(tái)對(duì)正目標(biāo)物體后 就要用精密超聲傳感器去測(cè)量目標(biāo)物體與移動(dòng)平臺(tái)之間的準(zhǔn)確距離 本設(shè)計(jì)中應(yīng)用的精密超聲模塊是選用德國(guó) PEPPERL FUCHS 集團(tuán)生產(chǎn)的 UB500 18GM75 UB500 18GM75 的測(cè)量范圍是 30 500mm 盲區(qū)范圍是 0 30mm 工作電 壓為 15 30V 直流電壓 輸入電壓 0 0 1V 1 4 30V 輸出電壓 0 10V 測(cè)距誤差為 0 1 UB500 18GM75 帶有 2 個(gè) LED 工作狀態(tài)指示燈 紅色 LED 點(diǎn)亮代表采集錯(cuò)誤 閃爍代表精密超聲正處于 TEACH IN 工作模式中的暫停目標(biāo) 探測(cè)狀態(tài) 黃色 LED 點(diǎn)亮代表目標(biāo)在測(cè)量范圍以內(nèi) 閃爍代表精密超聲正處于 TEACH IN 工作模式中的目標(biāo)探測(cè)狀態(tài) UB500 18GM75 有 5 條引線如圖 2 10 所示 其中 BN 代表棕色的線 是正電源線 WH 代表白色的線 是 TEACH IN 接 線 GY 代表灰色的線 是同步控制信號(hào)線 BK 代表黑色的線 是模擬信號(hào)輸出線 BU 代表藍(lán)色的線 是地線 TEACH IN 接地 當(dāng)測(cè)量距離在 0 30mm 時(shí) BK 線輸出 0V 當(dāng)測(cè)量距離為 30 500mm 時(shí) 輸出 0 10V 電平 當(dāng)測(cè)量距離為 500mm 以上時(shí) 輸出電源電壓 當(dāng) TEACH IN 引腳接正電源時(shí)情況相反 UB500 18GM75 的工作狀態(tài)可由 GY 引線上的同步控制信號(hào)控制 當(dāng) GY 引線直 接接到地線上時(shí) 精密超聲就一直處在工作狀態(tài) 在移動(dòng)機(jī)械手系統(tǒng)中 絕大多數(shù)時(shí) 間都在進(jìn)行目標(biāo)的搜索 僅僅是目標(biāo)物體找到并對(duì)正在平臺(tái)以后 才進(jìn)行距離的精確 測(cè)量 所以應(yīng)用 GY 引線控制 UB500 18GM75 在接近以后工作 其他時(shí)間處于停止?fàn)?態(tài) 從節(jié)約能源的角度看 移動(dòng)機(jī)器手系統(tǒng)采用蓄電池供電 精密超聲連續(xù)工作 必 然消耗能量 加重電池的負(fù)擔(dān) 所以控制精密超聲啟動(dòng) 停止是有必要的 當(dāng)啟動(dòng)精密 超聲時(shí) 要求 GY 引線上的同步控制信號(hào)的低電平持續(xù)時(shí)間大于 1s 高電平時(shí)間大于 100us 這樣 UB500 18GM75 就可以在同步信號(hào)的控制下循環(huán)的工作 由于 LPC2119 是 3 3V 供電 所以控制 UB500 18GM75 時(shí)就需要做電平轉(zhuǎn)換 本 系統(tǒng)中采用通用光耦 PC87 做電平轉(zhuǎn)換 如圖 2 11 所示 其中 INPUT1 INPUT2 和 OUTPUT 連接 LPC2119 的相應(yīng)引腳 xx 大學(xué) xx 屆畢業(yè)論文 19 圖 2 11 精密超聲傳感器測(cè)量原理圖 2 碰撞開(kāi)關(guān)檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 移動(dòng)機(jī)械手系統(tǒng)在進(jìn)行過(guò)程中 極有可能與設(shè)置的障礙物發(fā)生碰撞 在實(shí)驗(yàn)室環(huán) 境下 障礙物都是小而輕的物體 即使碰撞也不會(huì)對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)造成傷害 如果在現(xiàn) 實(shí)環(huán)境中 那么障礙物就是未知的了 在這種情況發(fā)生碰撞 如不緊急處理 就可能 造成機(jī)器人系統(tǒng)車體的損壞或電機(jī)的燒毀 這是我們必須避免的 本系統(tǒng)使用 12 路碰撞開(kāi)關(guān)構(gòu)成碰撞傳感器模塊 由于碰撞主要來(lái)自前進(jìn)方向上 所以將碰撞開(kāi)關(guān)均勻布置分布在移動(dòng)平臺(tái)的前部和后部 從而感知來(lái)自前后的碰撞信 息 碰撞開(kāi)關(guān)咋結(jié)構(gòu)上等同于普通開(kāi)關(guān) 只是它有一個(gè)較長(zhǎng)的觸須 當(dāng)觸須與其他物體發(fā) 生碰撞時(shí) 開(kāi)關(guān)閉合 而平時(shí)斷開(kāi) 將碰撞開(kāi)關(guān)的一端接地 另一端通過(guò)電阻上拉到 3 3V 跳變到 0V 通過(guò) 2 片 74HC148 構(gòu)成 16 4 編碼電路 將開(kāi)關(guān)編號(hào)為 0 11 號(hào) 把 0 7 號(hào)開(kāi) 關(guān)連接到 U8 的相應(yīng)輸入端 把 8 11 號(hào)開(kāi)關(guān)連接到 U7 的 0 3 號(hào)輸入端 如此時(shí) 7 號(hào)開(kāi)關(guān)按下 由芯片 74HC148 的特性可知 它的 GS 端將輸出低電平 通過(guò)一個(gè)與門 74HC08 將兩個(gè) 74HC148 的 GS 信號(hào)相與輸出 并連接到 LPC2119 的外中斷 0 端口 收到中斷信號(hào)后 LPC2119 立即讀取編碼信號(hào) 通過(guò)讀入的二進(jìn)制數(shù) 1000 可以確定是 第 7 號(hào)開(kāi)關(guān)發(fā)生碰撞 啟動(dòng)緊急處理程序 3 避碰超聲可知電路設(shè)計(jì) 1 超聲波的特點(diǎn)和應(yīng)用 聲波是一種機(jī)械波 是質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)在彈性介質(zhì)的傳播 聲波可分為次聲波 聲波 超聲波和特超聲波 人類的耳朵能聽(tīng)到的聲波在 20Hz 20KHz 之間 超聲波的頻率在 20KHz 40KHz 之間 超聲波具有以下特點(diǎn) 1 由于超聲波的波長(zhǎng)較短 其發(fā)射的方向性就較強(qiáng) 這意味著它的發(fā)射能量較為 集中 對(duì)方向的鑒別能力較強(qiáng) xx 大學(xué) xx 屆畢業(yè)論文 20 2 超聲波在傳播過(guò)程中 當(dāng)遇到兩種不同的介質(zhì)時(shí) 其大部分能量將會(huì)被反射 超聲波傳感器也正式利用這個(gè)特性來(lái)探測(cè)物體或進(jìn)行測(cè)距 3 由于超聲波的振動(dòng)頻率較高 它可以得到較大的加速度 超聲波測(cè)距所用的方法一般有相位檢測(cè)法 聲波幅值檢測(cè)法和渡越時(shí)間法 其中 相位檢測(cè)法雖然精度高 但檢測(cè)范圍有限 而聲波檢測(cè)法很容易受反射波的影響 所 以現(xiàn)在用于機(jī)器人避障的測(cè)距方法中 多數(shù)使用渡越時(shí)間法 39 超聲波避碰系統(tǒng)的原理如圖 2 13 所示 單片機(jī)系統(tǒng) 發(fā)射驅(qū)動(dòng)電 路 超聲頭 T 回波檢測(cè)電 路 超聲頭 R 障 礙物 圖 2 13 超聲波避碰系統(tǒng)的原理圖 其計(jì)算公式為 D C t 2 11 21 其中 D 為移動(dòng)機(jī)器人與被測(cè)障礙物之間的距離 t 為超聲發(fā)射到超聲返回的時(shí)間間 隔 即 渡越時(shí)間 C 為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度 C 的值會(huì)隨著溫度的變化而變化 在空氣中 C 與溫度的關(guān)系為 C 331 4 2 12 273 1T 其中 T 為攝氏溫度 在不要求測(cè)距精度很高的情況下 一般可以認(rèn)為 C 為常數(shù) 在試驗(yàn)中 設(shè)定 C 343 2m s 2 避碰超聲傳感器的電路設(shè)計(jì) 由于超聲波傳感器模塊在一直不停的采集外部環(huán)境信息 所以它的任務(wù)量是十分 繁重的 如果把這個(gè)模塊也交給 LPC2119 來(lái)管理 那么將給 LPC2119 的壓力就太大了 所以在這里我們應(yīng)用了 ATMAL 公司的一款 MCS 51 系列單片機(jī) AT89C2051 來(lái)管理超 聲波傳感器模塊 超聲波傳感器模塊的主要功能包括 超聲波信號(hào)的驅(qū)動(dòng) 回波信號(hào)的采集放大 xx 大學(xué) xx 屆畢業(yè)論文 21 放大后信號(hào)的鑒別 以及與 LPC2119 的 I2C 通信 應(yīng)用本系統(tǒng)對(duì)所要求測(cè)量范圍 20cm 400cm 內(nèi)的平面物體做了多次測(cè)量發(fā)現(xiàn) 重 復(fù)性好 如果加大超聲波發(fā)射的驅(qū)動(dòng)電流 接收部分放大電路再加一級(jí) 可以使檢測(cè) 測(cè)距離增大到 600cm 由于受到環(huán)境溫度 濕度等因素的影響 超聲波的測(cè)量值與實(shí)際值存在著一定的誤差 采用該超聲波傳感器模塊 進(jìn)行了超聲波測(cè)距實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表 2 3 所示 表 2 3 超聲波實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表 根據(jù)以上數(shù)據(jù) 采用最小二乘法 40 計(jì)算出實(shí)際距離與測(cè)量距離之間的補(bǔ)償公式 曲線擬合得到的結(jié)果為 y 1 0078x 22 5348 2 11 4 避碰傳感器系統(tǒng)的抗干擾研究 在使用多個(gè)超聲波傳感器的時(shí)候 就會(huì)增加測(cè)量時(shí)的干擾噪聲 主要是因?yàn)閮蓚€(gè) 原因 一個(gè)來(lái)自于其它超聲波傳感器的環(huán)境噪聲 這種情況主要是出現(xiàn)在多移動(dòng)機(jī)器 人協(xié)作的環(huán)境中有其它移動(dòng)機(jī)器人的情況下 另一個(gè)原因是同一個(gè)移動(dòng)機(jī)器人上的超 聲傳感器之間的相互干擾 也就是信息交叉的問(wèn)題 對(duì)于機(jī)器人之間的相互干擾 我們采用不同的機(jī)器人應(yīng)用不用頻率的超聲波的方 法加以解決 如機(jī)器人 a 采用 40KHz 的超聲波 機(jī)器人 b 采用 30KHz 的超聲波 當(dāng)機(jī) 器人 a 接收到機(jī)器人 b 發(fā)出的超聲波后 進(jìn)行放大后加到它的鎖相環(huán)檢波電路中 由 于該鎖相環(huán)電路只對(duì) 40KHz 的超聲波敏感 所以不會(huì)對(duì)這信號(hào)做出反應(yīng) AT89C2051 不會(huì)收到中斷信號(hào) 也就不會(huì)產(chǎn)生干擾 機(jī)器人 b 接收到機(jī)器人 a 發(fā)出的超聲波信號(hào) 時(shí) 結(jié)果是相似的 對(duì)于第 2 種干擾 同一個(gè)機(jī)器人上的超聲傳感器之間的相互干擾 也就是信息交 叉問(wèn)題 例如 傳感器 c 接收到的超聲反射波除了由傳感器 c 發(fā)射的以外 還有傳感 器 d 發(fā)射的 這樣對(duì)傳感器 c 而言 就產(chǎn)生了交叉信息干擾 為了消除這種干擾 文 獻(xiàn) 41 中提出了一種解決方案 它采用一種稱為 EERUF 方法 來(lái)控制超聲波傳感器的 xx 大學(xué) xx 屆畢業(yè)論文 22 信號(hào)的發(fā)射 通過(guò)在每個(gè)超聲波傳感器發(fā)射超聲波之前增加延遲時(shí)間按 保證上一個(gè) 超聲波回波已經(jīng)返回或并沒(méi)有探測(cè)到物體 即意味著上一次的發(fā)射不會(huì)在本次發(fā)射后 返回 以此克服干擾 我認(rèn)為這種方法確實(shí)可以有效的抵消同一機(jī)器人上的超聲傳感器