智能小車設(shè)計(jì)的文獻(xiàn)綜述

1、智能小車的設(shè)計(jì)摘要：隨著工業(yè)機(jī)械化和自動(dòng)化的開展以及工業(yè)智能化的優(yōu)點(diǎn)，智能小車在工業(yè)智能化上得到廣泛的應(yīng)用。本文就智能小車的設(shè)計(jì)構(gòu)造以及機(jī)械智能化未來的應(yīng)用與開展前景。關(guān)鍵詞：智能小車/設(shè)計(jì)構(gòu)造/應(yīng)用與開展1 智能小車的設(shè)計(jì)構(gòu)造智能小車是集理論力學(xué)、機(jī)械構(gòu)造、數(shù)字電路、模擬電路、傳感器、單片機(jī)、控制理論和算法等多門學(xué)科為一體的綜合系統(tǒng)。其內(nèi)容涵蓋機(jī)械、電子、自動(dòng)控制原理、計(jì)算機(jī)、傳感技術(shù)等多個(gè)學(xué)科和領(lǐng)域。該小車的車體由基于VB和串口無線通信的直流電機(jī)控制模塊、L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、C8051F單片機(jī)控制模塊以及車載機(jī)械手組成?？捎糜跓o人駕駛、自動(dòng)抓取物體等人工智能領(lǐng)域。 基于VB和串口無線通

2、信的直流電機(jī)控制模塊利用語言編程實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人上直流伺服電機(jī)的控制，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的加速和恒速運(yùn)行。分別將兩塊接口為標(biāo)準(zhǔn)的RS-232接口、型號(hào)為ZT-TR43C的無線數(shù)傳模塊，接到發(fā)、收的兩臺(tái)PC機(jī)上，并利用VB通信控件MSCommon實(shí)現(xiàn)串口無線通信，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的遠(yuǎn)程無線控制。近年來，在機(jī)器人與外部的通信方式選擇上，由于機(jī)器人具有廣闊運(yùn)動(dòng)空間，因而無線通信成為其所必須具備的通信方式之一。本文以一種輪簡(jiǎn)單的四輪智能小車作為研究對(duì)象，通過VB編程和無線模塊通信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制；通過對(duì)智能小車后輪的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)速度控制，使智能小車完成直線運(yùn)行、轉(zhuǎn)彎運(yùn)行等動(dòng)作。目前，直流伺服電機(jī)有著很廣泛的應(yīng)用前景

3、，如在印刷機(jī)械、造紙機(jī)械、紡織機(jī)械、工業(yè)機(jī)器人、高速電梯、數(shù)控機(jī)床等重要行業(yè)中，均得到了普遍的應(yīng)用。本文提到的智能小車本身對(duì)位置伺服要求比擬高，對(duì)速度也有一定的控制要求，而對(duì)小車的控制可以說最根本的就是對(duì)電機(jī)進(jìn)展控制。VB是一種易學(xué)習(xí)、功能強(qiáng)、效率高的可視化編程語言，用它來做可視化人機(jī)界面有著很好的應(yīng)用前景。利用面向?qū)ο蟮目梢暬疺B語言對(duì)其進(jìn)展編程控制，防止VC、C語言編程的繁瑣與難閱讀性。另外，利用 版本的可實(shí)現(xiàn)串行通信的MSCommon控件，實(shí)現(xiàn)了串口通信；通過無線傳輸模塊實(shí)現(xiàn)了兩臺(tái)PC機(jī)之間的通信，為對(duì)小車進(jìn)展遠(yuǎn)程控制搭建了很好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。同時(shí)，利用VB的Timer 控件對(duì)程序進(jìn)展觸發(fā)，

4、使控制電機(jī)能夠緩慢加減速；通過改變加速度的大小，使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，防止了PWM控制的不穩(wěn)定。通過PC機(jī)的RS-232串行接口與外部設(shè)備進(jìn)展通信，是許多控制系統(tǒng)中常用的一種通信解決方案。在本小車控制中，通信采用的都是RS-232通信方式。VB提供的串行通信控件為MSCommon控件，此控件用于支持VB對(duì)串行口的訪問。在串口通信過程中當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)或者發(fā)生通信錯(cuò)誤時(shí)，均觸發(fā)該控件的OnComm事件，進(jìn)展相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。MSCommon 控件相應(yīng)的屬性為:CommPort屬性，設(shè)置并返回通信端口號(hào)；Settings屬性，以字符串的形式設(shè)置并返回波特率、奇偶校驗(yàn)、數(shù)據(jù)位、停頓位；PortOpen屬

5、性，設(shè)置并返回通信端口的狀態(tài)，也可以翻開和關(guān)閉端口；InputLen屬性，說明Input屬性從接收緩沖區(qū)中讀取的字符數(shù)；MSCommon控件的PortOpen屬性決定了通信開場(chǎng)和完畢。1.2 L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊1. L298N與電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊主要采用L298N，L298N可直接的對(duì)電機(jī)進(jìn)展控制，無須隔離電路。通過單片機(jī)的I/O輸入改變芯片控制端的電平，即可以對(duì)電機(jī)進(jìn)展正反轉(zhuǎn)，停頓的操作，非常方便，亦能滿足直流減速電機(jī)的大電流要求。L298N是專用驅(qū)動(dòng)集成電路，屬于H橋集成電路，與L293D的差異是其輸出電流增大，功率增強(qiáng)。其輸出電流為2A，最高電流4A，最高工作電壓50V，可以驅(qū)

6、動(dòng)感性負(fù)載，如大功率直流電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)，減速電機(jī)，伺服電機(jī)，等，特別是其輸入端可以與單片機(jī)直接相聯(lián)，從而很方便地受單片機(jī)控制。當(dāng)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)時(shí)，可直接控制步進(jìn)電機(jī)，并可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)此功能只需改變輸入端的邏輯電平。1. L298N型驅(qū)動(dòng)器的原理及應(yīng)用 L298N是SGS公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，是一種二相和四相電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)器。該芯片采用15腳封裝。主要特點(diǎn)是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A；額定功率25W。內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

7、、繼電器線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)控制；具有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入信號(hào)影響的情況下允許或制止器件工作有一個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路局部在低電壓下工作；可以外接檢測(cè)電阻，將變化量反應(yīng)給控制電路。使用L298N芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該芯片可以驅(qū)動(dòng)一臺(tái)兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)。1.3 C8051單片機(jī)控制模塊Cygnal公司的C8051單片機(jī)使用Cygnal的專利CIP-51微控制器內(nèi)核。以下介紹C8051單片機(jī)的一些重要技術(shù)以及在本系統(tǒng)中的應(yīng)用。C8051單片機(jī)使用Cygnal的專利CIP-51微控制囂內(nèi)核，采用流水線指令構(gòu)造；70指令的執(zhí)行時(shí)間為1個(gè)或2個(gè)系

8、統(tǒng)時(shí)鐘周期；速度可達(dá)25 MIPS(時(shí)鐘頻率為25 MHz時(shí))。這樣就可以應(yīng)用復(fù)雜的控制算法提高控制精度。C8051單片機(jī)內(nèi)部有4個(gè)通用16位計(jì)數(shù)器定時(shí)器和專用的看門狗定時(shí)器(WDT)，這樣就不再需要附加外部計(jì)數(shù)器件和外部看門狗電路。本系統(tǒng)中定時(shí)器0和定時(shí)器2用作小車左右輪反應(yīng)脈沖計(jì)數(shù)，定時(shí)器1配置成自動(dòng)重裝載的8位計(jì)數(shù)器定時(shí)器。用于波特率發(fā)生器。C8051單片機(jī)引入r數(shù)字穿插開關(guān)，允許將內(nèi)部數(shù)字系統(tǒng)資源分配給端口IO引腳。通過設(shè)置優(yōu)先權(quán)穿插開關(guān)控制存放器，將片內(nèi)的計(jì)數(shù)器定時(shí)器、串行總線、硬件中斷、ADC轉(zhuǎn)換啟動(dòng)輸入、比擬器輸出以及微控制器內(nèi)部的其他數(shù)字信號(hào)配置為出現(xiàn)在端口IO引腳。C805l

9、單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)可編程計(jì)數(shù)器陣列(PCA)，由一個(gè)專用的16位計(jì)數(shù)器定時(shí)器和5個(gè)16位捕捉比擬模塊組成。通過設(shè)置特殊功能存放器PCA0CPM將捕捉比擬模塊0和1(CEX0和CEXl)設(shè)置成8位脈沖寬度調(diào)制器(PWM)驅(qū)動(dòng)左右輪電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。C805l單片機(jī)內(nèi)部有12位逐次逼近型ADC，可以在不增加外圍電路的前提下方便地檢測(cè)模擬信號(hào)。本系統(tǒng)從電機(jī)電樞回路中引出電流信號(hào)送入單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)電流環(huán)控制。C805l單片機(jī)具有片內(nèi)JTAG和調(diào)試電路，通過4腳JTAG接口并使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)中的器件就可以進(jìn)展全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試而且支持?jǐn)帱c(diǎn)、單步、觀察點(diǎn)、堆棧監(jiān)視器，支持觀察修改存儲(chǔ)器和存放器。由以上介

10、紹可以看出，在小車子系統(tǒng)中選用C8051單片機(jī)是非常適宜的，由于可以硬件生成PWM，占用CPU資源很少；高性能的指令系統(tǒng)以及和VB語言之間進(jìn)展穿插匯編，為設(shè)計(jì)各種控制算法提供了廣闊的空間。1.4 車載機(jī)械手1.4.1 機(jī)械手的簡(jiǎn)單介紹機(jī)械手是典型的機(jī)電一體化裝置，它綜合運(yùn)用了機(jī)械與精細(xì)機(jī)械、微電子與計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制與驅(qū)動(dòng)、傳感器與信息處理以及人工智能等多學(xué)科的最新研究成果，隨著經(jīng)濟(jì)的開展和各行各業(yè)對(duì)自動(dòng)化程度要求的提高，機(jī)器人技術(shù)得到了迅速開展，出現(xiàn)了各種各樣的機(jī)械手產(chǎn)品。手爪的應(yīng)用環(huán)境干差萬別，抓取可靠、環(huán)境適應(yīng)性好、控制簡(jiǎn)單、自適應(yīng)性強(qiáng)、自主能力高是衡量機(jī)器人手爪設(shè)計(jì)水平的重要標(biāo)志。性能優(yōu)

11、良的機(jī)器人手爪可以實(shí)現(xiàn)可靠、快速和準(zhǔn)確地抓取。近年來機(jī)器人技術(shù)得到大力的開展，手爪的研究也步入一個(gè)良好的開展時(shí)期，機(jī)器人手爪正由簡(jiǎn)單開展到復(fù)雜，由笨拙開展到靈巧，其中的仿人靈巧手已經(jīng)開展到可以與人手媲美。機(jī)械手對(duì)目標(biāo)物體抓取的穩(wěn)定性研究是一個(gè)值得長(zhǎng)期探討的課題。1. 車載機(jī)械手的總體構(gòu)造體系搭載機(jī)械手的移動(dòng)機(jī)器人本體為四輪萬向輪小車，它具備自主導(dǎo)航能力。在遇到物體時(shí)，可遠(yuǎn)程控制并操作機(jī)械手抓取。車載機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)3大局部組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)械臂、機(jī)械手爪與基座的總稱。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)有液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、電氣驅(qū)動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)。目前專用機(jī)械手采用電氣驅(qū)動(dòng)方式的較多，而本設(shè)計(jì)運(yùn)用的是

12、舵機(jī)控制方式的二指機(jī)械手。1.4.3 車載機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)1. 手部手部安裝與手臂前端是用來抓持工件(或工具)的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種構(gòu)造形式，如夾持型、托持型和吸附型等。它模仿人類手指，分為無關(guān)節(jié)型，固定關(guān)節(jié)型和自由關(guān)節(jié)型3種。手指的數(shù)量又可分為二指、三指、四指等，本次設(shè)計(jì)采用的為二指形手爪。1. 手臂手臂的作用是引導(dǎo)手指準(zhǔn)確地抓住目標(biāo)物體，并運(yùn)送到所需要的位置上去，故手臂的位置需準(zhǔn)確定位。手臂分為有關(guān)節(jié)臂和無關(guān)節(jié)臂，以前主流設(shè)計(jì)幾乎都是無關(guān)節(jié)手臂。而目前設(shè)計(jì)多為有關(guān)節(jié)手臂，本次設(shè)計(jì)的小型偵察車車載機(jī)械手即為有關(guān)節(jié)手臂。手臂由以下幾局部組成：動(dòng)作元件，

13、帶動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力裝置，在本車載機(jī)械手中為兩臺(tái)直流無刷伺服電機(jī)，驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)；導(dǎo)向裝置，保證手臂的正確方向及承受由于目標(biāo)物體重量所產(chǎn)生的彎曲和扭轉(zhuǎn)力矩；手臂，承接和承受外力作用的部件，手臂上的零部件都裝在手臂上。1. 關(guān)節(jié)與基座關(guān)節(jié)局部是非常關(guān)鍵，要求其既能保證電機(jī)軸固定到連接手臂，又要滿足不同臂長(zhǎng)需要，即在一定范圍內(nèi)可靈活更換臂長(zhǎng)，手臂套筒長(zhǎng)度可自由調(diào)節(jié)。機(jī)械手通過基座安裝固定在小型車的儀器艙上，基座是用以承受機(jī)械手全部重量的構(gòu)件，對(duì)其構(gòu)造的要求是剛性好、占地面積小、操作維修方便和造型美觀。2 機(jī)械智能化的應(yīng)用與開展前景隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速開展，機(jī)器智能化技術(shù)的應(yīng)用幾乎擴(kuò)展到整個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，

14、并在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮了巨大作用。但對(duì)于未知或特殊的任務(wù)，作為機(jī)械智能化的代表-機(jī)器人還不能獨(dú)立完成，而且缺少必要的柔性。為了提高整個(gè)系統(tǒng)的效能，需要研究如何使人與機(jī)器人相互配合，共同完成作業(yè)任務(wù)。搭載于機(jī)器人上的機(jī)械手能模仿人手臂的某些動(dòng)作功能，可以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或?qū)ぞ叩淖詣?dòng)操作，代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)工作的機(jī)械化和自動(dòng)化，業(yè)已成為機(jī)器人系統(tǒng)中非常重要的組成局部。特別是近年來機(jī)械手已逐漸應(yīng)用于易燃易爆品的裝配、拆卸、搬運(yùn)，以及消防、反恐、防爆等高度危險(xiǎn)環(huán)境，代替人類完成力所不及的工作，這類機(jī)械手因此也被稱為“專用機(jī)械手。世界各國(guó)對(duì)專用機(jī)械手的研究愈加重視，紛紛投入大量的人力、物力加以

15、研究和應(yīng)用。從目前情況看，我國(guó)“專用機(jī)械手還處在研究、跟蹤、試驗(yàn)階段，其主要原因在于這類機(jī)械手不僅需要載體平臺(tái)的穩(wěn)定移動(dòng)，而且還要求機(jī)械手穩(wěn)定執(zhí)行操作。針對(duì)污染與核輻射環(huán)境的應(yīng)急處理需要，筆者設(shè)計(jì)出小型3自由度機(jī)械手，搭載于已開發(fā)出來的小型移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)上。在機(jī)器人偵察各種污染和輻射環(huán)境、人員不便進(jìn)入的情況下，車載機(jī)械手的出現(xiàn)，可以代替人員進(jìn)展手工操作、抓取、采集樣品等，大大改善了工作條件，提高了工作效率，保障了人員平安。參考文獻(xiàn)張曉紅.VB中如何利用MSCommon控件實(shí)現(xiàn)串口通信J福建電腦， 20043：37-38.姚軍光.基于VB的電機(jī)驅(qū)動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)J青島科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，253

16、：261-264.Holt C,Fumo J.Visual BASIC environment yields advanced navigationC.OCEANS,2001.MTS/IEEE Conference and Exhibition Volume 1.2001：331-336.薛園園.USB應(yīng)用開發(fā)實(shí)例詳解M北京：人民郵電出版社2007.邱 丹，王 東，高振東.直流電機(jī)PWM 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)J青島大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，15(1)：10-11.孟紅英，等.用L297、L298組成步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路J儀器儀表學(xué)報(bào)，2003，(2).51單片機(jī)C語言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)實(shí)例精講M北京：電子工業(yè)出版社。2007王曉明.電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制M北京：北京航空航天大學(xué)出版社。2002劉寶廷，程樹康.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)M哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1997韓全力.單片機(jī)控制技術(shù)及應(yīng)用M北京：電子工業(yè)出版社，2004劉字紅，張明路，孟憲春，等移動(dòng)機(jī)械手的穩(wěn)定性及補(bǔ)償方法現(xiàn)狀與開展趨勢(shì)J機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2021，21(2)：5-7.楊武，蔣梁中.排爆機(jī)器人機(jī)械手運(yùn)動(dòng)規(guī)劃J機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2021，(5)慧明.關(guān)節(jié)型機(jī)械手的構(gòu)造創(chuàng)新設(shè)計(jì)J煤礦機(jī)械，2007，28(10)：17-19.Huang L，Yu W，Jhajharia S KSpe