包裹采集機器人對抗賽工業(yè)控制技術(shù)國家重點實驗室

包裹采集機器人對抗賽-工業(yè)控制技術(shù)國家重點實驗室2023/12/27包裹采集機器人對抗賽工業(yè)控制技術(shù)國家重點實驗室1.概述包裹采集機器人的基本組成部分包裹采集機器人對抗賽工業(yè)控制技術(shù)國家重點實驗室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，……）包裹采集機器人對抗賽工業(yè)控制技術(shù)國家重點實驗室2.1單片機主控處理器優(yōu)點：使用簡單價格便宜，外圍電路簡單缺點：功能相對簡單大多數(shù)情況下需要仿真器和編程器可選型號：80C51系列C8051F系列PIC系列AVR系列……包裹采集機器人對抗賽工業(yè)控制技術(shù)國家重點實驗室2.2DSP主控處理器TI公司用于電機控制等領(lǐng)域的DSP有如下優(yōu)點：專為電機控制設(shè)計，具有許多電機控制所需要的片上外設(shè)，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：TMS320LF2407TMS320LF2812包裹采集機器人對抗賽工業(yè)控制技術(shù)國家重點實驗室2.3嵌入式主控處理器嵌入式處理器目前應(yīng)用很廣，其優(yōu)點有：性能較強，有豐富的片上外設(shè)，大多數(shù)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(fù)雜，多數(shù)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攝像頭等難度較大包裹采集機器人對抗賽工業(yè)控制技術(shù)國家重點實驗室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(shè)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(shè)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(dāng)強大，系統(tǒng)復(fù)雜，有移植好的Linux，為使用USB攝像頭等提供了可能，價格不菲）包裹采集機器人對抗賽工業(yè)控制技術(shù)國家重點實驗室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(jù)自己需要添加各種外設(shè)，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(diào)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(chǔ)的同學(xué)來說起步相對較難可選型號：Altera公司的Cyclone系列FPGA，如EP1C3，EP1C6包裹采集機器人對抗賽工業(yè)控制技術(shù)國家重點實驗室2.5CPLD用于外擴邏輯 CPLD也是一種硬件可編程器件，其工作原理和FPGA基本一樣，但CPLD門數(shù)較小，價格便宜，其用途有：擴展主控處理器沒有的外設(shè)功能，如正交編碼單元，PWM發(fā)生器等實現(xiàn)主控處理器與外設(shè)的時序轉(zhuǎn)換實現(xiàn)各種數(shù)字邏輯，簡化外圍電路設(shè)計 可選型號：Altera公司的MAX7000S系列（EPM7064,EPM7128)Altera公司的MAX3000A系列（EPM3064，EPM3128）Altera公司的MAXII系列（EPM240，EPM570）包裹采集機器人對抗賽工業(yè)控制技術(shù)國家重點實驗室3.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(biāo)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……包裹采集機器人對抗賽工業(yè)控制技術(shù)國家重點實驗室3.1紅外傳感器

紅外傳感器由紅外發(fā)射二極管和紅外接收三極管構(gòu)成。通常使用的紅外光波長是940nm。

紅外發(fā)射二極管紅外接收三極管包裹采集機器人對抗賽工業(yè)控制技術(shù)國家重點實驗室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(diào)制到38KHz的頻率。為了提高紅外靈敏度和作用范圍，通常調(diào)制波的占空比較小但幅值很大。包裹采集機器人對抗賽工業(yè)控制技術(shù)國家重點實驗室3.1紅外傳感器

紅外接收管通常分為分離式紅外三極管和一體化紅外接收管。紅外三極管集、射級加一電壓，當(dāng)接收到紅外光時集射級電流較大，當(dāng)沒有紅外光時集射級電流較小。 使用較為麻煩，需要自己用鎖相環(huán)對38KHz紅外光進行鎖相檢測。一體化紅外接收管如圖所示。

當(dāng)接收管接受到38KHz紅外光

時輸出高電平或脈沖，否則輸

出低電平。

使用簡單，但體積略大。包裹采集機器人對抗賽工業(yè)控制技術(shù)國家重點實驗室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。可用于探

測目標(biāo)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(zhì)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(biāo)物等。

常用型號HS0038A,HS0038B。包裹采集機器人對抗賽工業(yè)控制技術(shù)國家重點實驗室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)生器超聲波接收器包裹采集機器人對抗賽工業(yè)控制技術(shù)國家重點實驗室3.2超聲波傳感器 實際應(yīng)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。包裹采集機器人對抗賽工業(yè)控制技術(shù)國家重點實驗室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(zhuǎn)化成電壓信號輸出。此輸出電壓幅值較小，需要經(jīng)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。包裹采集機器人對抗賽工業(yè)控制技術(shù)國家重點實驗室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(zhǔn)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(guān)。包裹采集機器人對抗賽工業(yè)控制技術(shù)國家重點實驗室3.3光敏傳感器 常用的光敏傳感器包括：光敏電阻光敏二極管光敏三極管 光敏傳感器可以用在可見光反射尋物，電機測速等方面。包裹采集機器人對抗賽工業(yè)控制技術(shù)國家重點實驗室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。包裹采集機器人對抗賽工業(yè)控制技術(shù)國家重點實驗室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(dāng)有光照時反向電流增加。包裹采集機器人對抗賽工業(yè)控制技術(shù)國家重點實驗室3.3光敏傳感器光敏三極管和紅外接收管相似。它除了把光信號轉(zhuǎn)換成電流信號外，同時又將電流信號加以放大。因此光敏三極管的光電流比相同管型的二極管光電流大很多。包裹采集機器人對抗賽工業(yè)控制技術(shù)國家重點實驗室3.4CCD/CMOS攝像頭典型的USB攝像頭組成框圖左：CMOS傳感器右：CCD傳感器包裹采集機器人對抗賽工業(yè)控制技術(shù)國家重點實驗室3.4CCD/CMOS攝像頭

方案一：在uClinux/Linux下移植USB攝像頭驅(qū)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(yīng)芯片的datasheet包裹采集機器人對抗賽工業(yè)控制技術(shù)國家重點實驗室4.電機及驅(qū)動包裹采集機器人中可能用到的電機包括：直流電機有刷直流電機無刷直流電機步進電機伺服電機（舵機）包裹采集機器人對抗賽工業(yè)控制技術(shù)國家重點實驗室4.1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(shù)主要有：

功率W輸出力矩N最高轉(zhuǎn)速rpm電壓V電流I包裹采集機器人對抗賽工業(yè)控制技術(shù)國家重點實驗室4.1直流電機直流電機的工作特性:

轉(zhuǎn)速n=n0–ke·I

(n0是空載轉(zhuǎn)速，ke是轉(zhuǎn)速常數(shù)，I是電流）輸出轉(zhuǎn)矩T=km·I(km是轉(zhuǎn)矩常數(shù)，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(nèi)阻）直流電機的工作特性曲線包裹采集機器人對抗賽工業(yè)控制技術(shù)國家重點實驗室4.1直流電機直流電機多采用PWM（脈寬調(diào)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(diào)節(jié)占空比實現(xiàn)直流電機的調(diào)速。通常情況下，PWM波的頻率為幾十KHz。包裹采集機器人對抗賽工業(yè)控制技術(shù)國家重點實驗室4.1直流電機 直流電機的PWM調(diào)速通常由H橋?qū)崿F(xiàn)。包裹采集機器人對抗賽工業(yè)控制技術(shù)國家重點實驗室4.1直流電機常用H橋芯片：L298N（電流2A）包裹采集機器人對抗賽工業(yè)控制技術(shù)國家重點實驗室4.1直流電機電機通常采用碼盤反饋速度和轉(zhuǎn)向：光學(xué)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(zhuǎn)速檢測精度和測定轉(zhuǎn)向。包裹采集機器人對抗賽工業(yè)控制技術(shù)國家重點實驗室4.1直流電機直流電機控制系統(tǒng)：包裹采集機器人對抗賽工業(yè)控制技術(shù)國家重點實驗室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(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或線位移的控制電機。其特點有：可以根據(jù)控制轉(zhuǎn)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(shù)情況下需要使用步進電機專用驅(qū)動器包裹采集機器人對抗賽工業(yè)控制技術(shù)國家重點實驗室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(shù)：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）包裹采集機器人對抗賽工業(yè)控制技術(shù)國家重點實驗室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(guān)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(fù)雜包裹采集機器人對抗賽工業(yè)控制技術(shù)國家重點實驗室5.1降壓的實現(xiàn)措施采用LM2576得到＋5V電壓的開關(guān)式降壓電路包裹采集機器人對抗賽工業(yè)控制技術(shù)國家重點實驗室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包裹采集機器人對抗賽工業(yè)控制技術(shù)國家重點實驗室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(zhuǎn)換成負電壓。電壓極性轉(zhuǎn)化常用Buck－Boost型開關(guān)變換電路實現(xiàn)。采用LM2576得到－12V電壓的典型電路包裹采集機器人對抗賽工業(yè)控制技術(shù)國家重點實驗室6.參考資料《TMS320LF240xDSPC語言開發(fā)應(yīng)用》劉和平等編著北京航空航天大學(xué)出版社《SOPC設(shè)計基礎(chǔ)與實踐》王建校編著西安電子科技大學(xué)出版社

《電機與拖動基礎(chǔ)》林瑞光編著浙江大學(xué)出版社《電子系統(tǒng)設(shè)計》何小艇編著浙江大學(xué)出版社《電動機的