輪式移動(dòng)機(jī)器人課程設(shè)計(jì)最新版本

1、目錄 1摘要 31 .移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展概況 41.1 機(jī)器人研究意義及應(yīng)用領(lǐng)域 41.1.1 機(jī)器人的研究意義 41.1.2 機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域 41.2 移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展概況 51.2.1 移動(dòng)機(jī)器人的國(guó)內(nèi)發(fā)展概況 51.2.2 移動(dòng)機(jī)器人的國(guó)外發(fā)展概況 52 .輪式移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 82.1 移動(dòng)機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 82.2 輪式移動(dòng)機(jī)器人主要結(jié)構(gòu) 93 .輪式移動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng) 133.1 控制系統(tǒng)硬件選型與配置 133.1.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型 133.1.2 伺服電機(jī)的選型 143.1.3 輪轂電機(jī)的選型 153.2 輪式移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)框架 194 .結(jié)論和總結(jié) 20致謝 22

2、參考文獻(xiàn) 24附錄 26移動(dòng)機(jī)器人是機(jī)器人家族中的一個(gè)重要的分支，也是進(jìn)一步擴(kuò)展機(jī)器 人應(yīng)用領(lǐng)域的重要研究發(fā)展方向。自上世紀(jì)九十年代以來，人們廣泛開展了 對(duì)機(jī)器人移動(dòng)功能的研制和開發(fā)，為適應(yīng)各種工作環(huán)境的不同要求而開發(fā)出 各種移動(dòng)機(jī)構(gòu)。論文內(nèi)容包括四個(gè)部分：簡(jiǎn)要介紹了移動(dòng)機(jī)器人研究現(xiàn)狀、對(duì)所設(shè)計(jì)移 動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行了描述、視覺導(dǎo)航輪式移動(dòng)機(jī)器人底層硬件設(shè)計(jì)和視覺輪 式移動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人的底層控制。論文詳細(xì)地介紹了移動(dòng)機(jī)器人底層硬件系統(tǒng)元件的選型和原理電路圖的設(shè)計(jì)。我們選用 PIC16F877單片機(jī)作為下位機(jī)接收上位機(jī)傳來的命令和產(chǎn) 生驅(qū)動(dòng)信號(hào)。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路采用兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器-L298 ,

3、驅(qū)動(dòng)程序?qū)懭隤IC16F877單片機(jī)，通過程序控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。采用Propel設(shè)計(jì)了底層控制系統(tǒng)的原理圖和PCB版圖，采用Proteus進(jìn)行程序和硬件系統(tǒng)的仿真。仿真結(jié)果表明：步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高，實(shí)現(xiàn)了對(duì)步進(jìn)電機(jī) 的預(yù)期控制。關(guān)鍵詞：移動(dòng)機(jī)器人；運(yùn)動(dòng)控制；PIC16F877 ;步進(jìn)電機(jī)1 .移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展概況1.1 機(jī)器人研究意義及應(yīng)用領(lǐng)域1.1.1 機(jī)器人的研究意義人們對(duì)于未知的探索總是充滿危險(xiǎn)，而且人類的研究活動(dòng)領(lǐng)域已由陸地?cái)U(kuò) 展到海底和空間，所以機(jī)器人的產(chǎn)生解決人類這一大難題。 利用移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行 空間探測(cè)和開發(fā)，己成為21世紀(jì)世界各主要科技發(fā)達(dá)國(guó)家開發(fā)空間資源的主

4、要 手段之一。研究和發(fā)展月球探測(cè)移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)， 對(duì)包括移動(dòng)機(jī)器人在內(nèi)的相關(guān) 前沿技術(shù)的研究將產(chǎn)生巨大的推動(dòng)作用。移動(dòng)機(jī)器人是一種能夠通過傳感器感知外界環(huán)境和自身狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)在有障 礙物的環(huán)境中面向目標(biāo)的自主運(yùn)動(dòng)， 從而完成一定作業(yè)功能的機(jī)器人系統(tǒng)。 本課 題選用輪式作為機(jī)器人平臺(tái)設(shè)計(jì)研究1,兩輪式機(jī)器人在國(guó)內(nèi)外還處于剛剛起步 階段，其前景廣闊，適用性較廣，在教學(xué)、科研、野外作業(yè)、民用運(yùn)輸方面有著 廣泛的應(yīng)用前景，在反恐及其它尖端領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用價(jià)值。已經(jīng)初步做出了 簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，解決了輪式機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)難題。 該輪式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)響應(yīng)迅 速，具有高機(jī)動(dòng)的零半徑轉(zhuǎn)向能力，并且在運(yùn)動(dòng)過程中不存在

5、失穩(wěn)狀態(tài)。 攝像頭 的密封式結(jié)構(gòu)可以將內(nèi)部器件密封保護(hù)起來， 免受外界環(huán)境的影響，非常適合在 潮濕、多塵土、多輻射或有毒的環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)。1.1.2 機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域從最早出現(xiàn)的機(jī)器人到現(xiàn)在涌現(xiàn)出的形態(tài)各異的移動(dòng)小車，其移動(dòng)機(jī)構(gòu)的形式層出不窮，以美國(guó)、俄羅斯、法國(guó)和日本為首的西方發(fā)達(dá)國(guó)家己經(jīng)研制出了多 種復(fù)雜奇特的三維移動(dòng)機(jī)構(gòu)，有的已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)用化和商業(yè)化階段。面對(duì) 21世 紀(jì)深空探測(cè)的挑戰(zhàn)，對(duì)各種自主系統(tǒng)的研制是必須的，而移動(dòng)機(jī)構(gòu)又是各種自主 系統(tǒng)的最基本和最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。這些應(yīng)用范圍包括工業(yè)生產(chǎn)、?？仗剿?、康復(fù)和 軍事等。止匕外，機(jī)器人已逐漸在醫(yī)院、家庭和一些服務(wù)行業(yè)獲得應(yīng)用。根據(jù)其功 能可

6、分為以下幾個(gè)功能：工業(yè)機(jī)器人、探索機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、軍事機(jī)器人。 制造工業(yè)部門應(yīng)用機(jī)器人的主要目的在于削減人員編制和提高產(chǎn)品質(zhì)量。與傳統(tǒng)的機(jī)器相比，它具有兩個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：1 .生產(chǎn)過程的幾乎完全自動(dòng)化；2.生產(chǎn) 精選文檔，供參考！設(shè)備的高度適應(yīng)能力?，F(xiàn)在工業(yè)機(jī)器人主要用于汽車工業(yè)、機(jī)電工業(yè)（包括電訊 工業(yè)）、通用機(jī)械工業(yè)、建筑業(yè)、金屬加工、鑄造以及其它重型工業(yè)和輕工業(yè)部 門。在農(nóng)業(yè)方面，已把機(jī)器人用于水果和蔬菜嫁接、收獲、檢驗(yàn)與分類，剪羊毛 和擠牛奶等。這是一個(gè)潛在的產(chǎn)業(yè)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域。機(jī)器人除了在工農(nóng)業(yè)上廣泛 應(yīng)用之外，還用于進(jìn)行探索，即在惡劣或不適于人類工作的環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)。研 制其用來為

7、病人看病、護(hù)理病人和協(xié)助病殘人員康復(fù)的機(jī)器人能夠極大地改善傷 殘疾病人員的狀態(tài)2,以及改善癱瘓者（包括下肢及四肢癱瘓者）和被截肢者的 生活條件。地面軍用機(jī)器人分為兩類：一類是智能機(jī)器人，包括自主和半自主車 輛；另一類是遙控機(jī)器人，即各種用途的遙控?zé)o人駕駛車輛。 美國(guó)海軍有一個(gè)獨(dú) 立的水下機(jī)器人分隊(duì)，這支由精銳人員和水下機(jī)器人組成的分隊(duì)， 可以在全世界 海域進(jìn)行搜索、定位、援救和回收工作。水下機(jī)器人在美國(guó)海軍中的另一個(gè)主要 用途是掃雷，如MINS水下機(jī)器人系統(tǒng)，它可以用來發(fā)現(xiàn)、分類、排除水下殘物 及系留的水雷。1.2 移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展概況1.2.1 移動(dòng)機(jī)器人的國(guó)內(nèi)發(fā)展概況機(jī)器人在我國(guó)已被廣泛地

8、用于生產(chǎn)和生活的許多領(lǐng)域，按其擁有智能的水平 可以分為三個(gè)層次。一是工業(yè)機(jī)器人，它只能死板地按照人給它規(guī)定的程序工作， 不管外界條件有何變化，自己都不能對(duì)程序也就是對(duì)所做的工作作相應(yīng)的調(diào)整.如果要改變機(jī)器人所做的工作，必須由人對(duì)程序作相應(yīng)的改變，因此它是毫無智 能的.二是初級(jí)智能機(jī)器人.它和工業(yè)機(jī)器人不一樣，具有象人那樣的感受，識(shí)別， 推理和判斷能力.可以根據(jù)外界條件的變化，在一定范圍內(nèi)自行修改程序，也就是 它能適應(yīng)外界條件變化對(duì)自己怎樣作相應(yīng)調(diào)整 .不過，修改程序的原則由人預(yù)先 給以規(guī)定.這種初級(jí)智能機(jī)器人已擁有一定的智能，雖然還沒有自動(dòng)規(guī)劃能力，但 這種初級(jí)智能機(jī)器人也開始走向成熟，達(dá)到實(shí)

9、用水平.三是高級(jí)智能機(jī)器人.它和 初級(jí)智能機(jī)器人一樣，具有感覺，識(shí)別，推理和判斷能力，同樣可以根據(jù)外界條件 的變化，在一定范圍內(nèi)自行修改程序.所不同的是，修改程序的原則不是由人規(guī)定 的，面是機(jī)器人自己通過學(xué)習(xí)，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)來獲得修改程序的原則.所以它的智能高 出初能智能機(jī)器人.這種機(jī)器人已擁有一定的自動(dòng)規(guī)劃能力，能夠自己安排自己的工作.這種機(jī)器人可以不要人的照料，完全獨(dú)立的工作，故稱為高級(jí)自律機(jī)器人 這種機(jī)器人也開始走向?qū)嵱?1.2.2 移動(dòng)機(jī)器人的國(guó)外發(fā)展概況輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)具有運(yùn)動(dòng)速度快、能量利用率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便和能借 鑒至今已很成熟的汽車技術(shù)等優(yōu)點(diǎn)，只是越野性能不太強(qiáng)。但隨著各種各樣的車

10、 輪底盤的出現(xiàn)，如日本NASDAJ六輪柔性底盤月球漫游車LRTV俄羅斯TRANSMASH 的六輪三體柔性框架移動(dòng)機(jī)器人 Marsokohod,美國(guó)CMU勺六輪三體柔性機(jī)器人 Robby系列以及美國(guó)JPL的六輪搖臂懸吊式行星漫游車 Rocky系列，已使輪式機(jī) 器人越野能力大大增加，可以和腿式機(jī)器人相媲美。于是人們對(duì)機(jī)器人機(jī)構(gòu)研究 的重心也隨之轉(zhuǎn)移到輪式機(jī)構(gòu)上來，特別是最近日本開發(fā)出一種結(jié)構(gòu)獨(dú)特的五點(diǎn) 支撐懸吊結(jié)構(gòu)Micros ,其卓越的越野能力較腿式機(jī)器人有過之而不及。輪式結(jié)構(gòu)按輪的數(shù)量分可分為二輪機(jī)構(gòu)、 三輪機(jī)構(gòu)、四輪機(jī)構(gòu)、六輪以及多 輪機(jī)構(gòu)。二輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單， 但是在靜止和低速時(shí)非

11、常不穩(wěn)定。 三輪 機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是機(jī)構(gòu)組成容易，旋轉(zhuǎn)中心是在連接兩驅(qū)動(dòng)輪的直線上， 可以實(shí)現(xiàn)零 回轉(zhuǎn)半徑。四輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性基本上與三輪機(jī)構(gòu)相同， 由于增加了一個(gè)支撐輪， 運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)。以上幾種輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的共同特點(diǎn)是它們所有的輪子在行駛過程 中，只能固定在一個(gè)平面上，不能作上下調(diào)整，因此，地面適用能力差。一般的 六輪機(jī)構(gòu)主要就是為了提高移動(dòng)機(jī)器人的地面適應(yīng)能力而在其結(jié)構(gòu)上作了改進(jìn)， 增加了搖臂結(jié)構(gòu)，使得機(jī)器人在行駛過程中，其輪子可以根據(jù)地形高低作上下調(diào) 整，從而提高了移動(dòng)機(jī)器人的越野能力。歐盟在20002004年啟動(dòng)的信息社會(huì)技術(shù)計(jì)劃中開展了探測(cè)火山環(huán)境的機(jī) 器人、用來評(píng)估地振危險(xiǎn)性的爬行機(jī)器人

12、 （ROBOSENSEY昔助機(jī)器人的交互式博 物館臨場(chǎng)感（TOURBOT）項(xiàng)目研究。在火山爆發(fā)的發(fā)作階段觀測(cè)和測(cè)量火山活動(dòng) 的相關(guān)變量最有意義，但對(duì)研究人員也是最危險(xiǎn)的時(shí)刻。在1993年的一次火山口考察中，8名火山研究人員遇難。ROBOVOLC開發(fā)和測(cè)試一個(gè)自動(dòng)化機(jī)器人系 統(tǒng)，在火山環(huán)境下進(jìn)行探測(cè)與測(cè)量，可以幫助科學(xué)家遠(yuǎn)離危險(xiǎn)環(huán)境進(jìn)行分析研究。 ROBOSENSEF發(fā)一臺(tái)能夠攜帶探傷儀器的移動(dòng)機(jī)器人，對(duì)地振造成的建筑物結(jié) 構(gòu)性損害進(jìn)行檢測(cè)。TOURBOT目標(biāo)是發(fā)一個(gè)交互式導(dǎo)游機(jī)器人，通過因特網(wǎng)實(shí) 現(xiàn)個(gè)性化的臨場(chǎng)感，同時(shí)TOURBOT夠在現(xiàn)場(chǎng)引導(dǎo)參觀游客。此外歐盟還開展了精選文檔，供參考!移動(dòng)機(jī)

13、器人應(yīng)用于人道主義排雷等研究。法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心)于2001年中期，提出了一項(xiàng)有關(guān)機(jī)器人技術(shù)的大型國(guó)家計(jì)劃，稱作“機(jī)器人與人工體”。這 項(xiàng)跨學(xué)科的計(jì)劃涵蓋了機(jī)器人學(xué)中信息科學(xué)與技術(shù)方面的主要研究領(lǐng)域。Robe計(jì)劃對(duì)“感知器執(zhí)行器”與認(rèn)知功能進(jìn)行跨學(xué)科的研究。實(shí)現(xiàn)這些功能在智能系 統(tǒng)內(nèi)的集成，能夠在開放的、變化的環(huán)境中自主完成各種任務(wù)，實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器人與人交互、通過學(xué)習(xí)改進(jìn)其行為的功能。具體開展了移動(dòng)式操作手，移動(dòng)機(jī)器人 視覺定位，行星機(jī)器人1以及多移動(dòng)機(jī)器人協(xié)作等研究。前蘇聯(lián)曾經(jīng)在移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)方面居于世界領(lǐng)先的地位，Lunokhod-1是最早登上月球的遙控式移動(dòng)機(jī)器人。 俄羅斯作為前蘇聯(lián)的繼

14、承者，在機(jī)器人技術(shù)領(lǐng) 域依然具有當(dāng)雄厚的技術(shù)基礎(chǔ)，ROVE科技有限公(Rover Science & Technology Joint-stock CompanyLtd., RCL)f巴在開發(fā)空間機(jī)器人中獲得的經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用于開發(fā) 地面機(jī)器人系統(tǒng)，如極坐標(biāo)平面移動(dòng)車、爬行移動(dòng)機(jī)器人、球形機(jī)器人、工作伙 伴平臺(tái)以及ROSA-移動(dòng)車等。日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省(Ministry of Economy,Trade and Industry, METI)1998年開始啟動(dòng)了人形機(jī)器人技術(shù)研究計(jì)劃(HRP)。在這一年， 日本本田(Honda)公司展出了人形移動(dòng)機(jī)器人的一個(gè)主要目標(biāo)就是開發(fā)一個(gè)開放 體系結(jié)構(gòu)的人形

15、機(jī)器人平臺(tái)(簡(jiǎn)稱Open HRP)用來探索人形機(jī)器人的各種應(yīng) 用.METI從2002年又啟動(dòng)了一項(xiàng)國(guó)家項(xiàng)目一一 “21世紀(jì)機(jī)器人挑戰(zhàn)”，其中一個(gè) 三年的子項(xiàng)目是開發(fā)應(yīng)用于機(jī)器人開放式結(jié)構(gòu)的中間件)。中間件能夠?qū)κ袌?chǎng)上銷售的各種機(jī)器人零件實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，并且能夠更加容易地對(duì)這些零件進(jìn)行系統(tǒng)集 成。更長(zhǎng)遠(yuǎn)的預(yù)期在于到2009年，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人商品化(Commercialize),將機(jī)器 人的應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展到家庭(Home),醫(yī)療服務(wù)(Medical care)、災(zāi)害救助(Disaster relief)。日本科技署(Japan Science and Technology Agency, JST) 于 20

16、02 年10月啟動(dòng)了一項(xiàng)5年期限的項(xiàng)目，用于開發(fā)人道主義排雷的機(jī)器人技術(shù)，日 本產(chǎn)業(yè)界已開發(fā)出能實(shí)際應(yīng)用的排雷機(jī)器人，并送往柬埔寨進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。止匕外，日本也一直進(jìn)行著有關(guān)月球探測(cè)的研究，計(jì)劃于2015-2020年在月球上建立一個(gè)小型基地，與該計(jì)劃相應(yīng)的行星漫游車研究也很活躍。韓國(guó)科學(xué)技術(shù)部(Ministry of Science and Technology , MOSTF 1999 年 啟動(dòng)的“ 21世紀(jì)尖端研究發(fā)展計(jì)劃” (21"Century Frontier R&D Program),包 括了服務(wù)機(jī)器人、惡劣環(huán)境中的機(jī)器人、微型機(jī)器人以及排雷機(jī)器人項(xiàng)目韓國(guó)信 息與通

17、訊部(Ministry of Information and Communication , MIC) 發(fā)布了 旨在 促進(jìn)IT增長(zhǎng)的9個(gè)優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域(Top 9 IT Growth Sectors),其中智能化的服 務(wù)機(jī)器人被列為首位。美國(guó)在行星移動(dòng)機(jī)器人以及軍用移動(dòng)機(jī)器人的研究與應(yīng)用方面投入了大量精選文檔，供參考！資金與科研力量。如：美國(guó)NASAJ持的火星探測(cè)計(jì)劃、美國(guó)國(guó)防部支持的無人戰(zhàn) 車研究計(jì)劃UGV(Unmanned Ground Vehicle)美國(guó)能源部的核廢料等危險(xiǎn)品搜集、 搬運(yùn)自主車研究計(jì)劃等項(xiàng)目，吸收 JPL, MIT AI Lab. CMU Robotics Institu

18、te 、 Georgia Tech Mobile Robot Lab, Naval Warfare Systems Center of San Diego 以Stanford Robotics Institute等許多知名大學(xué)與研究所的科研人員參與。最近的突出成果是2003年發(fā)射的火星漫游機(jī)器人一“勇氣”號(hào)與“機(jī)遇”號(hào)，它 們的頂部裝有全景照相機(jī)及具有紅外探測(cè)能力的微型熱輻射分光計(jì)，攜帶多種分析儀器對(duì)火星巖石紋理及其成分進(jìn)行探測(cè)。2 .輪式移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)現(xiàn)在主流的移動(dòng)方式基本是輪式，腿式，和履帶式，但由于其各有各的優(yōu) 點(diǎn)與缺點(diǎn)，現(xiàn)在的科學(xué)家越來越追求綜合性能的提高。輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)具有運(yùn)動(dòng)速

19、 度快、能量利用率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便和能借鑒至今已很成熟的汽車技術(shù)等 優(yōu)點(diǎn)。2.1 移動(dòng)機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)整體車身結(jié)構(gòu)是本小型輪式智能移動(dòng)機(jī)器人所采用得。 車身通過軸與前后四 個(gè)車輪連接，使車身及承載物的重量能被四個(gè)車輪平均承受， 再平均分配給每個(gè) 車輪，從而使各車輪的受力均衡，提高整個(gè)車輛的承載能力。機(jī)器人的主要運(yùn)動(dòng) 結(jié)構(gòu)為前后四個(gè)車輪及其相關(guān)機(jī)構(gòu)。 前車輪為萬向輪，后車輪連接電機(jī)，可以分 別實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向和滾動(dòng)。四個(gè)車輪的接地點(diǎn)呈矩形分布，使車身具有一定的穩(wěn)定性。各個(gè)車輪各自通過一根軸跟車身相連， 通過簡(jiǎn)單的機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，可以使車實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào) 的運(yùn)動(dòng)。在車體上設(shè)有中央控制單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的運(yùn)行控制。控

20、制模式考慮采 用自主導(dǎo)航和遠(yuǎn)距離控制相結(jié)合的模式。車上設(shè)有傳感系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、控制系 統(tǒng)，機(jī)器人本身具有一定自主導(dǎo)航能力， 可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障。機(jī)器人自帶蓄電池 等能源設(shè)備，可以在一定時(shí)間段內(nèi)實(shí)現(xiàn)能源的自動(dòng)供給， 保證機(jī)器人在失去外部 電源的情況下能自動(dòng)返回出發(fā)地。圖2-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖2.2 輪式移動(dòng)機(jī)器人主要結(jié)構(gòu)車輪：一般來說，機(jī)器人越重，要求車輪的結(jié)構(gòu)越堅(jiān)固。 小于2磅的輕型機(jī)器人， 可以使用軟性泡沫塑料車輪。由于機(jī)器人的重量輕，軟性材料的變形還不至于太嚴(yán)重，而且 能在摩擦力很小時(shí)工作良好。超過2磅機(jī)器人，需要選用 質(zhì)地更 為堅(jiān)硬的材料做車輪，不充氣的中空橡膠輪胎能夠在610磅下工作。超過

21、10磅，就要考慮實(shí)心橡膠輪胎或者充 氣輪胎。而類似割草機(jī)的車輪，不管是實(shí)心 的還是充氣的，在機(jī)器人的重量接近40磅的場(chǎng)合都可以成為選擇的方案。機(jī)器 人超過40磅時(shí)，可以考慮試用諸如小型機(jī)車輪、 手推車輪，或者其他相似的高效 率的充氣輪胎。按照車輛理論的分析，車輪的直徑增大可以明顯提高機(jī)器人的越 障能力。但是，車輪直徑變大的同時(shí)，車輪表面所受的電機(jī)轉(zhuǎn)矩卻會(huì)下降。根據(jù) 車輛地面力學(xué)理論，剛性車輪的寬度越寬，車輪的土壤沉陷量越小，土壤的壓實(shí) 阻力也就越小。不過，車輪變寬后，機(jī)器人的轉(zhuǎn)向阻力也會(huì)變大。另外，增加車 輪的直徑比增加車輪寬度對(duì)減小壓實(shí)阻力更為有效。因此，必須根據(jù)實(shí)際情況設(shè) 定車輪直徑和寬度

22、，不能盲目加大車輪直徑和寬度。如圖2-2所示。圖2-2車輪示意2、攝像頭：攝像頭對(duì)于基于視覺導(dǎo)航的機(jī)器人來說是至關(guān)重要的。它要根據(jù)系統(tǒng)要求準(zhǔn)確地分辨目標(biāo)物（調(diào)色板），盡量降低誤判，漏判的機(jī)率，并有一 定的抗干擾能力。能對(duì)目標(biāo)物定位，為機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制提供參照物、 障礙物的 位置信息，并能滿足精度要求。滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求。機(jī)器人攝像機(jī)每秒鐘要 從比賽場(chǎng)地上攝取30幀圖像數(shù)據(jù)，如果視覺子系統(tǒng)達(dá)不到實(shí)時(shí)的要求，則系統(tǒng)所 處理的前后兩幀圖像數(shù)據(jù)差異太大， 不僅影響識(shí)別跟蹤的順利完成，而且也使動(dòng) 作表現(xiàn)為反應(yīng)遲鈍，所以視覺子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性越好，則系統(tǒng)反應(yīng)越快。如圖 2-3 所示。圖2-3機(jī)器人攝像頭精選

23、文檔，供參考!3 、萬向輪：萬向輪能夠在許多不同的方向移動(dòng)，左右車輪的小光盤將全力 推出，但也將極大的方便橫向滑動(dòng)。 這是一個(gè)建立完整的驅(qū)動(dòng)器的方法。 全輪可 以像一個(gè)正常的車輪或使用滾輪的輾側(cè)向滾動(dòng)。其膠輾提供了極大的扣人心弦。 它適用於在使用機(jī)器人，手推車，轉(zhuǎn)移輸送機(jī)，貨運(yùn)車，行李。全方位車輪將提 供完善的性能，當(dāng)集成與傳統(tǒng)的車輪。例如，您可以使用兩種傳統(tǒng)的車輪中心車 軸和四個(gè)全方位前軸和后軸車輪，以建立一個(gè)六輪車輛。全方位輪移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)， 這是很容易的方向控制和跟蹤，并盡可能快地轉(zhuǎn)動(dòng)。全方位輪無需潤(rùn)滑或現(xiàn)場(chǎng)維 護(hù)和安裝選項(xiàng)是非常簡(jiǎn)單和穩(wěn)定。 全方位輪通常可以大致可以分為 2種類型：一 類是

24、單盤的全方位輪，一個(gè)是雙排的全方位輪。單盤全方位輪的被動(dòng)輾的單盤， 而雙板的全方位輪被動(dòng)輾有兩個(gè)板塊是相互尊重， 旋轉(zhuǎn)稍。相比單盤的全方位輪， 雙板的全方位輪滾筒之間沒有死區(qū)的優(yōu)勢(shì)。如圖 2-4所示。圖2-4萬向輪3 .輪式移動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是機(jī)器人系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)系統(tǒng)精確地完成各 項(xiàng)任務(wù)起著重要作用，有時(shí)也可作為一個(gè)簡(jiǎn)單的控制器。構(gòu)成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系 統(tǒng)的要素有：計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)及控制軟件、輸入/輸出設(shè)備、驅(qū)動(dòng)器、傳感器系統(tǒng)。3.1 控制系統(tǒng)硬件選型與配置3.1.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個(gè)脈沖信號(hào)， 步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一

25、個(gè)角度，因此非常適合于單片機(jī)控制。步進(jìn)電機(jī)可分為反應(yīng)式 步進(jìn)電機(jī)(簡(jiǎn)稱VR)、永磁式步進(jìn)電機(jī)(簡(jiǎn)稱PM和混合式步進(jìn)電機(jī)(簡(jiǎn)稱HB。步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于其他控制電機(jī)的最大特點(diǎn)是，它是通過輸入脈沖信號(hào)來進(jìn)行控制的，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號(hào)頻率決定。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)控制信號(hào)工作，控制信號(hào)由單片機(jī)產(chǎn)生。具基本原理作用如下：(1) 控制換相順序通電換相這一過程稱為脈沖分配。 例如：三相步進(jìn)電機(jī)的三拍工作方式，其 各相通電順序?yàn)锳-B-C D,通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制A,B,C, D相的通斷。(2) 控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向如果給定工作方式正序換相通電，步進(jìn)電機(jī)

26、正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，則 電機(jī)就反轉(zhuǎn)。(3) 控制步進(jìn)電機(jī)的速度如果給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個(gè)控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個(gè)脈沖，它會(huì)再轉(zhuǎn)一 步。兩個(gè)脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整單片機(jī)發(fā)出的脈沖頻率， 就可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。步進(jìn)電機(jī)是依靠有序的步進(jìn)脈沖運(yùn)動(dòng)的，利用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)是非 常適合的。整個(gè)系統(tǒng)包含 PIC16F877,步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器L298和步進(jìn)電機(jī)。本設(shè) 計(jì)是單片機(jī)控制兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)。PIC16f877單片機(jī)的作用是接受命令，完成相應(yīng) 的功能，并作為脈沖邏輯分配器，輸出步進(jìn)電機(jī)所需要的時(shí)序脈沖。步進(jìn)電機(jī)可 以向任意方向旋轉(zhuǎn)和停止，實(shí)現(xiàn)了所謂“位置控制”的動(dòng)作。每個(gè)輸入

27、脈沖決定 了步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。步進(jìn)電機(jī)只是根據(jù)輸入脈沖數(shù)旋轉(zhuǎn)和停止，適合于位置 控制，把運(yùn)動(dòng)所必需的脈沖數(shù)，以動(dòng)作所需要的速度輸入給電機(jī)， 就能夠正確的 控制位置而運(yùn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行要有一個(gè)電子裝置進(jìn)行控制，這個(gè)裝置就是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，它是將控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號(hào)放大以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖信號(hào)的頻率成正比，控制脈沖信號(hào)的頻率可以對(duì)電機(jī)精確調(diào)整；控制脈沖數(shù)可 以對(duì)電機(jī)精確定位。選擇步進(jìn)電機(jī)為移動(dòng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電機(jī)。 上層系統(tǒng)計(jì)算移動(dòng)機(jī) 器人的角度和距離等信息傳給下層系統(tǒng)， 通過分析得到機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，計(jì)算 等到輪子的步數(shù)等。完成軟件的編寫，實(shí)現(xiàn)了對(duì)步進(jìn)電機(jī)的預(yù)期控移動(dòng)機(jī)器人的 兩

28、個(gè)重要部分（視覺處理和運(yùn)動(dòng)控制）。3.1.2 伺服電機(jī)的選型所有的主控制功能是彳處理器，驅(qū)動(dòng)為 DA模擬轉(zhuǎn)換器，以產(chǎn)生一個(gè)模擬扭 矩需求信號(hào)。從這個(gè)角度上，這臺(tái)機(jī)器非常很像一個(gè)模擬伺服放大器。反饋的信 息是來自隸屬該電機(jī)軸的一個(gè)編碼器。 編碼器生成脈沖流可確定傳輸路程， 并通 過計(jì)算脈沖頻率，是可以測(cè)定轉(zhuǎn)速的。數(shù)碼驅(qū)動(dòng)通過求解一系列的方程式， 履行同樣類似的功能。微處理器是與數(shù) 學(xué)模型（或“算法”）的等效的編程模擬系統(tǒng)。這模型預(yù)測(cè)系統(tǒng)的行為。它響應(yīng) 一個(gè)給定輸入的信號(hào)并產(chǎn)生速度。它同樣也考慮到額外信息如輸出速度， 速率轉(zhuǎn) 變中的投入和各種調(diào)校設(shè)定。解決所有方程需數(shù)額需有限的時(shí)間，即使是一個(gè)快

29、速的處理器一次處理通常也是100ms和2ms之間。在此之間，在改變輸入或輸出， 先前的計(jì)算值將有沒有回應(yīng)時(shí)，扭矩要求必須保持恒定。因此更新時(shí)間成為數(shù)字 伺服和一臺(tái)高性能系統(tǒng)關(guān)鍵的因素，它必須保持及時(shí)更新 4。調(diào)試數(shù)字伺服電機(jī) 可按鈕或從一個(gè)計(jì)算機(jī)或終端調(diào)試。電位器調(diào)整是涉及的。調(diào)試數(shù)據(jù)是設(shè)置在伺 服算法的各種系數(shù)，因此，它決定了系統(tǒng)的性能。即使如果調(diào)諧進(jìn)行使用按鈕， 終值也可以上傳到終端，讓其進(jìn)行簡(jiǎn)單的重復(fù)。在某些應(yīng)用中，因負(fù)載慣量各異，例如一個(gè)機(jī)器手臂卸載后又帶有沉重的負(fù) 荷。改變慣性可能是一個(gè)系數(shù)為 20或以上，而這樣的變化需要該驅(qū)動(dòng)器重新調(diào) 整，以保持其穩(wěn)定。這只不過是在操作系統(tǒng)的適當(dāng)點(diǎn)

30、通過發(fā)送新的調(diào)試參數(shù)來實(shí) 現(xiàn)的。3.1.3 輪轂電機(jī)的選型圖3-2為輪子的示意圖，設(shè)移動(dòng)機(jī)器人與跟蹤物體的原始距離為L(zhǎng)i ,上層系統(tǒng)傳送移動(dòng)機(jī)器人與跟蹤物體的距離為L(zhǎng)2 ,則移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的距離為L(zhǎng)=L2-Li。設(shè)計(jì)選用步進(jìn)角為1.8°的步進(jìn)電機(jī)。輪子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為：仃=且(3-1)R步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)位：n(3-2)1.8當(dāng)Li = L2時(shí)，機(jī)器人不運(yùn)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)沒有轉(zhuǎn)動(dòng)。圖3-3為移動(dòng)機(jī)器人直線運(yùn)動(dòng)示意圖，當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人的上層傳達(dá)一個(gè)角度為 a=0°時(shí)，在直角坐標(biāo)系上，沒有往 X軸上有分量，移動(dòng)機(jī)器人則直線運(yùn)動(dòng)。當(dāng) L>0時(shí)，移動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)。當(dāng)L<0時(shí)，移動(dòng)機(jī)器人后

31、退。當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人直線運(yùn)動(dòng) 時(shí)，左輪和右輪保持相同的速度運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)向5。則輪子移動(dòng)的距離就是移動(dòng)機(jī)器 人與跟蹤物體的距離。則步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)位：(3-3)L n 二1.8R圖3-4為機(jī)器人前進(jìn)并轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)示意圖，當(dāng)機(jī)器人上層系統(tǒng)傳送“機(jī)器人旋 轉(zhuǎn)a0和L>0”的命令時(shí)，則移動(dòng)機(jī)器人從 X1-Y1坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)到X2-Y2坐標(biāo)系。移動(dòng)機(jī)器人先完成轉(zhuǎn)彎在進(jìn)行前進(jìn)。 在轉(zhuǎn)彎時(shí)，從圖可知左輪為正轉(zhuǎn)，右輪為反轉(zhuǎn)。輪子移動(dòng)的距離為:S=ax r(3-4)則輪子移動(dòng)的角度為:a rCT =R(3-5)則驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)為:a rn 二1.8 R(3-6)轉(zhuǎn)彎完成后，移動(dòng)機(jī)器人為直線運(yùn)動(dòng)。左輪為正轉(zhuǎn)，右輪為正轉(zhuǎn)

32、。公式參考 4-3.移動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)左轉(zhuǎn)和后退轉(zhuǎn)彎時(shí)，我們可以參照前進(jìn)右轉(zhuǎn)時(shí)計(jì)算。對(duì)本類移動(dòng)機(jī)器人的控制就是通過控制算法求出輪子的步速，通過改變單片 機(jī)輸出的脈沖波，完成對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的底層控制。3.2輪式移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)框架控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案：(1)微處理器模塊：是控制系統(tǒng)的核心，包括微控制器及其相關(guān)外圍電路主要進(jìn)行 各種信息、數(shù)據(jù)的處理，協(xié)調(diào)系統(tǒng)中各功能模塊完成預(yù)定的任務(wù)；(2)驅(qū)動(dòng)模塊：控制機(jī)器人系統(tǒng)中的舵機(jī)和傳感器模塊預(yù)定的任務(wù) ；實(shí)現(xiàn)舵機(jī)速度 和位置的控制，完成前進(jìn)、后退、直行、轉(zhuǎn)彎、避障、抓取等動(dòng)作；傳感器模塊：有速度、位置、距離、聲音等傳感器，主要負(fù)責(zé)移動(dòng)機(jī)器人移動(dòng) 過程中的障礙

33、物、聲音等檢測(cè)；(4)電源模塊：負(fù)責(zé)整個(gè)移動(dòng)機(jī)器人的電源供給，使系統(tǒng)能離線運(yùn)動(dòng)，主要由 12V 蓄電池及相關(guān)調(diào)壓穩(wěn)壓電路組成；(5)用口通信模塊：根據(jù)RS2321信標(biāo)準(zhǔn)與上位機(jī)進(jìn)行串口通信；(6)JTAG調(diào)試：可以實(shí)現(xiàn)在線編程、調(diào)試仿真。精選文檔，供參考！圖3-5運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)流程圖4.結(jié)論和總結(jié)經(jīng)過我閱讀一些關(guān)于移動(dòng)機(jī)器人的文獻(xiàn)資料，設(shè)計(jì)出了一種輪式移動(dòng)機(jī)器人。移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)是當(dāng)今科學(xué)研究領(lǐng)域的前沿，在這方面的研究工作，也正隨著移動(dòng)機(jī)器人越來越多地走進(jìn)人類的世界， 而更加受到了國(guó)內(nèi)外科學(xué)家和研究學(xué) 者們的關(guān)心和熱愛。研究與開發(fā)集環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行 等多種功能于一體的移動(dòng)機(jī)

34、器人的綜合控制系統(tǒng)，勢(shì)在必行。本文針對(duì)基于多傳 感器的輪式移動(dòng)機(jī)器人行為控制技術(shù)，對(duì)移動(dòng)機(jī)器人硬件和軟件體系結(jié)構(gòu)、機(jī)器 人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)控制零部件等方面展開了深入的研究和探討，提出了一個(gè)運(yùn)動(dòng) 控制的方案，并應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)器人行為控制系統(tǒng)。本論文學(xué)習(xí)了一個(gè)輪式移動(dòng)機(jī)器人的一些基本結(jié)構(gòu)以及輪式移動(dòng)機(jī)器人的 一些用途。本論文完成的主要工作包括以下幾個(gè)方面：1 、簡(jiǎn)要的介紹了移動(dòng)機(jī)器人的歷史和在國(guó)內(nèi)外的現(xiàn)狀。從總體上介紹了視 覺導(dǎo)航；2 、選擇步進(jìn)電機(jī)為移動(dòng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電機(jī)。上層系統(tǒng)計(jì)算移動(dòng)機(jī)器人的角度 和距離等信息傳給下層系統(tǒng)，通過分析得到機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，計(jì)算等到輪子的 步數(shù)等。完成軟件的編寫，實(shí)現(xiàn)了

35、對(duì)步進(jìn)電機(jī)的預(yù)期控移動(dòng)機(jī)器人的兩個(gè)重要部 分（視覺處理和運(yùn)動(dòng)控制）。3、選擇電路元彳單片機(jī) PIC16F877、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 L298、穩(wěn)壓電源 LM7805完成了底層控制原理圖的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)應(yīng)用了 propel99SE軟件制作電路 圖并完成PCBK圖的設(shè)計(jì)。由于自身知識(shí)的匱乏，我查閱了許多資料，最終簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)的框 架，并沒有對(duì)內(nèi)部指令等進(jìn)行編輯。希望以后能夠?qū)W習(xí)此方面的知識(shí)。精選文檔，供參考!致謝首先感謝曹老師給我這次機(jī)會(huì)做這個(gè)設(shè)計(jì)，并且曹老師對(duì)知識(shí)追求孜孜不 倦、精益求精的治學(xué)態(tài)度，給我留下了深刻的印象，也使我在大學(xué)學(xué)習(xí)期間受益 匪淺。感謝我所有的同學(xué)，一直以來大家共同努力、共同

36、進(jìn)步，遇到困難互相幫助、 互相勉勵(lì)，一齊前進(jìn)。感謝機(jī)械系所有老師大學(xué)期間在我學(xué)習(xí)及工作方面的關(guān)心 與幫助。他們對(duì)我的悉心指導(dǎo)和無微不至的關(guān)懷將使我終身難忘。感謝所有幫助過我，和我所結(jié)識(shí)的所有的人們，是你們一起成就著我的人生。課程設(shè)計(jì)過程中， 不免遇到許多問題和困難，但是曹老師都細(xì)心認(rèn)真為我解答，她認(rèn)真負(fù)責(zé)的工作 態(tài)度、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)風(fēng)格深深感染了我，從一開始的毫無頭緒，無從下手，到后來 對(duì)各部分的理解，曹老師的指導(dǎo)對(duì)我都是十分重要的。首先她給了我很大的自由 空間和充分的信任，促使我在設(shè)計(jì)方面進(jìn)行自己的思考， 其次在細(xì)節(jié)上又能循循 善導(dǎo)，提出我設(shè)計(jì)的不足和改進(jìn)辦法，使我認(rèn)識(shí)到自己需要提高的地方， 讓

37、我的 設(shè)計(jì)做的更加有條有序，對(duì)我以后的學(xué)習(xí)也會(huì)有很大幫助。另外，在校圖書館查 找資料的時(shí)候，圖書館的老師也給我提供了很多方面的支持與幫助。最后，再次感謝所有在設(shè)計(jì)中曾經(jīng)幫助過我的良師益友和同學(xué)，以及在設(shè)計(jì)中被我引用或參考的論著的作者。精選文檔，供參考!1王文學(xué)，孫萍，徐心和.足球機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)研究J.控制與決策，2001,16(2) : 233-235 .2柳洪義，宋偉剛.機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)M.北京：冶金工業(yè)出版社，2002. 16-29,49-50,165-174 .3祖莉，王華坤.智能移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及算法的設(shè)計(jì)J.機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2002, 24(5): 39-42.4王福

38、瑞.單片機(jī)微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)大全M.北京航空航天大學(xué)出版社,1998.5王鴻桂.步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)入門M.同濟(jì)大學(xué)出版社，1990.6孫迪生，王炎.機(jī)器人控制技術(shù)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997. 45-56 .精選文檔，供參考!程序LISP=16F877#INCLUDE<PIC16F877>PCLEQU 02HSTATUSEQU 03HPORTCEQU 07HPORTDEQU 08HTRISCEQU 87HTRISDEQU 88HINTCONEQU 0BHCCP1IFEQU 2HCCP1CONEQU 17HCCPR1LEQU 0EHCCPR1HEQU 0FHPIR1EQU 0CHPIR2EQU 0DHTMR1LEQU 0EHTMR1HEQU 0FHADRESHEQU 1EHADCON0EQU 1FHPIE1EQU 8CHPIE2EQU 8DHADCON1EQU 9FHT1CONEQU 10HRP1EQU 06HRP0EQU 05HZEQU 02HCEQU 00HTMR1IFEQU 00HDATA1EQU 20HDATA2EQU 21HTEMPEQU 22HW_TEMPEQU 25HS_TEMPEQU 26HSCALEREQU 2