包裹采集機器人對抗賽電路技術實現(xiàn)討論課件

包裹采集機器人對抗賽

電路技術實現(xiàn)討論2006-10-211.概述包裹采集機器人的基本組成部分2.主控處理器選型目前可采用的主控處理器主要有:單片機(80C51，C8051F，PIC，……）DSP（TI公司的TMS320C2000系列）嵌入式處理器（ARM7：S3C44B0X，……）FPGA（Altera公司的EP1C3，EP1C6，……）可用于擴展處理器外圍邏輯的器件：CPLD（Altera公司的MAX7000A系列，MAXII系列，……）2.2DSP主控處理器TI公司用于電機控制等領域的DSP有如下優(yōu)點：專為電機控制設計，具有許多電機控制所需要的片上外設，如PWM發(fā)生器，正交編碼器外圍電路簡單（片上集成Flash和SRAM）開發(fā)較容易價格適中DSP的缺點：需要仿真器可選型號：TMS320LF2407TMS320LF28122.3嵌入式主控處理器嵌入式處理器目前應用很廣，其優(yōu)點有：性能較強，有豐富的片上外設，大多數處理器帶有PWM模塊可以移植操作系統(tǒng)（uClinux，Linux等），為使用USB攝像頭等提供了可行方案有豐富的開發(fā)資料可以參考不需要仿真器嵌入式處理器的缺點：外圍電路復雜，多數情況下需要擴展Flash和SDRAM如果采用現(xiàn)成的開發(fā)板成本較高基于操作系統(tǒng)環(huán)境，移植USB攝像頭等難度較大2.3嵌入式主控處理器可選型號：ARM7系列：三星公司的S3C44B0X（片上外設豐富，有PWM發(fā)生器，需要外擴Flash和SDRAM，有移植好的uClinux，不需要仿真器）飛利浦公司的LPC213X系列（更像一塊高性能的單片機，片上外設豐富，有PWM發(fā)生器，片上集成Flash和SRAM，外圍電路簡單，不需要仿真器。個人比較推薦）ARM9系列：三星公司的S3C2410（功能相當強大，系統(tǒng)復雜，有移植好的Linux，為使用USB攝像頭等提供了可能，價格不菲）2.4FPGA主控處理器FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）是一種可編程器件，其優(yōu)點有：器件可編程，可以根據自己需要添加各種外設，使得開發(fā)具有極大靈活性在Altera公司的FPGA上可以使用NIOSII處理器軟核，使得FPGA變成一片32位的嵌入式處理器，極大的方便了開發(fā)使用NIOSII處理器軟核可在線調試，不需要仿真器外圍電路極其簡單價格適中FPGA的缺點：不同于一般的MCU，開發(fā)過程中會使用到硬件描述語言，對沒有基礎的同學來說起步相對較難可選型號：Altera公司的Cyclone系列FPGA，如EP1C3，EP1C63.常用傳感器介紹 在機器人中，傳感器占有重要位置。在包裹采集機器人里，傳感器可以完成尋線，視覺，測距，辨識目標等功能。常用的傳感器有：紅外傳感器超聲波傳感器光敏傳感器CCD……3.1紅外傳感器

為了提高抗干擾能力，發(fā)射管發(fā)射的紅外光通常被調制到38KHz的頻率。為了提高紅外靈敏度和作用范圍，通常調制波的占空比較小但幅值很大。3.1紅外傳感器 紅外線發(fā)射與接收的方式有兩種，其一是直射式，其二是反射式。直射式指發(fā)光管和接收管相對

安放在發(fā)射與受控物的兩端，

中間相距一定距離?？捎糜谔?/p>

測目標物和電機測速。反射式指發(fā)光管和接收管并列

一起，平時接收管始終無光照，

只在發(fā)光管發(fā)出的紅外光遇到

反射物或反光物質時，接收管

收到反射回來的紅外線才工作。

可用于尋線，探測目標物等。

常用型號HS0038A,HS0038B。3.2超聲波傳感器

超聲波傳感器由超聲波發(fā)生器和超聲波接收器組成。

超聲波發(fā)生器超聲波接收器3.2超聲波傳感器 實際應用中，采用的超聲波頻率通常為40KHz，即加在超聲波發(fā)生器兩端的方波電壓頻率為40KHz。3.2超聲波傳感器 超聲波接收器是一種無源器件，它能將接收到的超聲波能量轉化成電壓信號輸出。此輸出電壓幅值較小，需要經過放大并通過鎖相環(huán)識別才能成為MCU能處理的邏輯信號。3.2超聲波傳感器 超聲波傳感器主要用于探測前方物體和測距。超聲波發(fā)生器發(fā)出的超聲波碰到前方障礙物后被反射回來并被超聲波接收器接收。通過計算發(fā)出超聲波與接受到超聲波的時間差可以計算出前方障礙物的距離。 和紅外傳感器相比，超聲波

傳感器在測距和探測障礙物方面

精準度和作用范圍都好很多。通

常超聲波測距距離可達5～10米，

精度可達0.1米。 超聲波在空氣中的傳播速度

與聲速相同，與溫度有關。3.3光敏傳感器

光敏電阻是一種阻值隨光照強度變化而變化的電阻。其優(yōu)點包括靈敏度高，光譜特性好，體積小，重量輕和成本低等。3.3光敏傳感器光敏二極管和一般的二極管相似。但光敏二極管一般工作在反偏狀態(tài)下。無光照時光敏二極管的反向電流很小，當有光照時反向電流增加。3.4CCD/CMOS攝像頭典型的USB攝像頭組成框圖左：CMOS傳感器右：CCD傳感器3.4CCD/CMOS攝像頭

方案一：在uClinux/Linux下移植USB攝像頭驅動

方案二：采用現(xiàn)成的USB攝像頭，不用其接口芯片，而直接用MCU控制感光傳感器，得到需要的視頻信號。（例如采用CMOS傳感為HY7131R/鎂光MI360的攝像頭）

方案三：采用手機攝像頭。（例如采用OV9650的攝像頭）注意：如果采用方案二、三，最重要的是能否找到對應芯片的datasheet4.1直流電機直流電機主要包括有刷直流電機和無刷直流電機。這里主要討論有刷直流電機（下簡稱直流電機）。直流電機的參數主要有：

功率W輸出力矩N最高轉速rpm電壓V電流I4.1直流電機直流電機的工作特性:

轉速n=n0–ke·I

(n0是空載轉速，ke是轉速常數，I是電流）輸出轉矩T=km·I(km是轉矩常數，I是電流）電機電動勢E＝ke·n電流I＝（U－E）/r0(U是加在電機兩端的電壓，r0是電機繞組的內阻）直流電機的工作特性曲線4.1直流電機直流電機多采用PWM（脈寬調制）方式進行控制。其加在電機兩端的電壓為PWM波：占空比:電機兩端電壓的直流分量:由此可見,電機電壓的平均值與PWM波的占空比成正比，可以通過調節(jié)占空比實現(xiàn)直流電機的調速。通常情況下，PWM波的頻率為幾十KHz。4.1直流電機常用H橋芯片：L298N（電流2A）4.1直流電機電機通常采用碼盤反饋速度和轉向：光學式碼盤：碼盤發(fā)射端：紅外發(fā)射器或可見光源接收端：紅外接收器或光敏器件正交編碼脈沖：可以提高轉速檢測精度和測定轉向。4.1直流電機直流電機控制系統(tǒng)：4.2步進電機步進電機是一種用電脈沖信號進行控制，并將電脈沖信號轉換成相應角位移或線位移的控制電機。其特點有：

可以根據控制轉過精確的角度

無需反饋，是一個半閉環(huán)系統(tǒng)步距誤差不會積累停止時有自鎖功能多數情況下需要使用步進電機專用驅動器5.機器人的供電系統(tǒng)包裹采集機器人可采用的供電方式主要是電池供電。常用的電池類型有：堿性電池鎳氫電池鋰電池電池選取的主要參數：電池組電壓（ie:12V）電池組的容量（ie:2200mAH）電池組的最大輸出電流（ie：10A）5.1降壓的實現(xiàn)措施通常情況下，機器人使用的電池為十幾伏，而很多芯片的供電電壓為5V，3.3V，甚至1.8V。因此需要采用降壓電路來得到需要的電壓。降壓電路分為兩類：線性降壓電路優(yōu)點：簡單，可靠性較高缺點：效率低，器件發(fā)熱厲害開關型降壓電路優(yōu)點：效率高，器件發(fā)熱量小缺點：電路較為復雜5.1降壓的實現(xiàn)措施采用LM2576得到＋5V電壓的開關式降壓電路5.1降壓的實現(xiàn)措施采用TPS767D318得到＋3.3V和＋1.8V電壓的線性降壓電路5.2獲得負電壓的措施機器人一般采用單電源正電壓供電方式，而一些模擬器件如運放等可能需要正、負雙電源供電，這樣就需要將正電壓轉換成負電壓。電壓極性轉化常用Buck－Boost型開關變換電路實現(xiàn)。采用LM2576得到－12V電壓的典型電路6.參考資料《TMS320LF240xDSPC語言開發(fā)應用》劉和平等編著北京航空航天大學出版社《SOPC設計基礎與實踐》王建校編著西安電子科技大學出版社

《電機與拖動基礎》林瑞光編著浙江大學出版社《電子系統(tǒng)設計》