【正文】 環(huán)境。此假設符合實際生產(chǎn)的背景環(huán)境。為此本設計的番茄采摘機器人采用的是四輪式底盤結構。前輪是控制車體轉向，后輪是控制車體前后運動。前后輪各用一個電機進行控制，前輪用步進電機控制方向；后輪采用的是直流電機控制車體的前進后退暫停。前者只需根據(jù)指令進行左右轉向，而后者是承擔整個車體的動力工具，對其選擇尤為重要。， 車體布局示意圖 從車體后方角度觀察 執(zhí)行器選擇依據(jù)作為番茄采摘機器人中承擔機器人的移動任務，車體載荷決定驅動電機的選擇。在運動控制系統(tǒng)設計中必須考慮車體載荷。（1）后輪的電機選擇我們先假設車體重量是10千克，可以采摘的果實最大總重量是5千克。小車線速度為2ｍ/s(一般以最高速度加上一定的余量來以此我們通過計算力矩、輸出功率方面來選擇執(zhí)行器即驅動電機) 。減速比即為減速箱的齒輪比，通過查找減速箱datasheet查找一般的減速比和減速效率。我們選用14:1，其減速效率一般為80%。根據(jù)力矩方面進行選擇1 計算力矩M M＝軸上的力矩/(減速比*減速箱效率) （1） ＝靜態(tài)摩擦力*輪半徑/(減速比*減速箱效率) ＝靜態(tài)摩擦系數(shù)小車質量*g*輪半徑/(減速比*減速箱效率)2 計算電機轉速n ｎ=(線速度*60*減速比)/(2*pi*軸半徑) （2）3 計算功率P0 （3）4 根據(jù)最選擇功率合適的電機，要求電機的輸出功率滿足Pmax≥P0,一般選擇2 P0≥Pmax≥ P05 進一步驗證電機選擇是否合適，驗證方法： （4）從力矩的角度來為機器人選擇驅動電機：M＝15**(14*80)= n=(2*60*14)/(2*pi*)=3600rpmP0=*3600*2pi/60=73W因此，~146Ｗ之間。通過查找電機的參數(shù)指標, ，可以選擇FAULHBER3863型號，當工作電壓為24Ｖ時，其輸出功率為130W。且進入符合條件。根據(jù)輸出功率方面進行選擇 （5）式中，——工作機阻力，N。——工作機的線速度，m／s?！ぷ鳈C的效率。一般取。 其中=——主動輪與場地之間的摩擦在機器人行走時，主動輪是采用橡膠材料，與地面的靜摩擦系數(shù)約為,在計算中選擇02；——作用在主動輪上的支持力 （6），則工作機的最大線速度取為由以上推斷，可以得 （7）式中，為電動機到主動輪的傳動總效率而 （8）滾動軸承效率:輪箱效率:齒輪效率則。電動機的輸出功率按下式計算： （9）故 因載荷平穩(wěn)，電動機的額定功率只需要略大于即可。根據(jù)最選擇功率合適的電機，要求電機的輸出功率滿足Pmax≥P0,一般選擇2 P0≥Pmax≥ P0。通過查找電機的參數(shù)指標，可以選擇FAULHBER 3863型號，當工作電壓為24V時，其輸出功率為130W。總結：由上述兩種方法進行選擇，可以看出FAULHABER公司生產(chǎn)的直流電機FAULHBER3863型號符合條件。（2）前輪的電機選擇前輪的電機采用步進電機，可以使小車轉向更加靈活，本設計中前后輪的電機功率及力矩應該相當。我們采用35BY48HJ120減速步進電動機。 執(zhí)行機構電機的介紹（1）FAULHBER3863型號電機有如下特點：1 轉動慣量小、啟動電壓低、空載電流?。? 最高轉速達20200rpm，適當提高電壓可獲更高的速度并對電機壽命無影響；3 ~48VDC，功率最大226W，直徑范圍6~38mm，長度12~63mm；4 最大輸出扭矩1290ｍNｍ，配減速箱后，最大輸出扭矩高達20Nm；。 FAULHBER3863型號電機性能參數(shù)正常電壓24V極限電阻 Ω最大輸出功率220W效率85%空載轉速6700rpm空載電流靜止轉矩1250mNm摩擦轉矩速度常數(shù)287rpm反電動勢常數(shù)轉矩常數(shù)電流常數(shù)nM曲線斜率轉子電感130μH機械時間常數(shù)6ms轉子慣量110gcm最大轉速8000rpm最大轉矩110mNm（2）35BY48HJ120減速步進電動機特點， 35BY48HJ120減速步進電動機特點型號相數(shù)步距角扭矩Nm電壓V電流A電阻Ω轉速rpm驅動方式35BY48HJ1202/41245642第三章 運動控制系統(tǒng)硬件部分設計本章講述了番茄采摘機器人運動控制系統(tǒng)的硬件設計。鑒于番茄采摘機器人的本職工作是順利完成采摘工作，運動控制系統(tǒng)處于輔助的地位而并不需要像搶險救災機器人等機器人精于路況處理的智能機器人那樣處理復雜的實時環(huán)境問題。同時為了提高運動系統(tǒng)的穩(wěn)定性能，避免設備的不必要的效率消耗以及降低投入成本和達到靈活的避險要求。有以下的設計思路。根據(jù)設計要求，控制器主要用于各種信號的處理、控制算法實現(xiàn)、底盤電動機的控制和聲光報警等，控制器選擇ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C52單片機作為系統(tǒng)控制器。單片機算術運算功能強，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種算法和邏輯控制，并且其功耗低、體積小、技術成熟和成本低等優(yōu)點，使其在各個領域應用廣泛。在本系統(tǒng)中控制量較多，單片機的優(yōu)勢得到很好的體現(xiàn)。電源模塊對于番茄采摘機器人的底盤控制系統(tǒng)來說極其重要，關系到整個底盤系統(tǒng)是否能夠正常工作，因此在設計控制系統(tǒng)時應該選好合適的電源。機器人系統(tǒng)電機執(zhí)行機構需要使用24V電壓供電，單片機系統(tǒng)、超聲波傳感器避障系統(tǒng)等必須在5V電壓下才能夠正常工作。在設計中，我用一個直流電源（24V，10A）為機器人系統(tǒng)供電，其中，控制電路需要的5V電壓也是由24V電源提供的。為了提供穩(wěn)定的5V直流電源，需要將24V電源穩(wěn)定5V。目前，提供穩(wěn)壓直流電壓的方法主要有兩種：集成線性穩(wěn)壓電路，開關型直流穩(wěn)壓電路。比較而言，開關型直流穩(wěn)壓電路更能降低電源轉換芯片的功耗，提高電源的利用效率。在本電路設計中，我選擇開關型穩(wěn)壓電源LM25765作為電壓轉換模塊：根據(jù)分析可以知道機器人底盤控制系統(tǒng)正常工作時，需要電源提供不同大小的穩(wěn)壓電壓。電動機在24V電壓情況下能夠正常工作。優(yōu)勢：開關穩(wěn)壓電源的功耗極低，其平均工作效率可達70％～90%。在相同電壓降的條件下，開關電源調節(jié)器件與線性穩(wěn)壓器件相比具有少得多的“熱損失”。因此，開關穩(wěn)壓電源可大大減少散熱片體積和PCB板的面積，甚至在大多數(shù)情況下不需要加裝散熱片，從而減少了對MCU工作環(huán)境的有害影響。脈寬調制（PWM）原理： 小功率直流電機由定子和轉子組成，對小功率直流電機調速系統(tǒng)，使用單片機是極為方便的。其方法是通過改變電機電樞電壓接通時間與通電周期的比值（即占空比）來控制電機速度。這種方法稱為脈沖寬度調制，簡稱PWM。小功率直流電動機的轉速控制方法是將電動機電源接通一段時間，然后切斷電源，再次接通電源，改變電動機通斷時間的比列，即可達到調速的目的。這種調速方法稱為脈寬調速。設脈沖寬度為t，脈沖周期為T，電機的平均轉速為；式中, 稱為占空比，占空比越大，轉速越高，反之就越低。對于特定的電機，其最大是確定的，因此控制平均轉速就要控制占空比。用單片機實現(xiàn)脈沖寬度調制是很容易的，只要改變電機定子繞組電壓的通、斷電時間，即可達到調節(jié)電機轉速的目的。（1）前輪電機的驅動模塊由于步進電機是一種將電脈沖信號轉換成直線或角位移的執(zhí)行元件，它不能直接接到交直流電源上。設計中所控制的步進電機是四相單極式35BY48HJ120減速步進電機。由于機步進電動機不能直接接到工頻交流或直流電源上工作，而必須使用專用的步進電動機驅動器。ULN2003A是一個單片高電壓、高電流的達林頓晶體管陣列集成電路。它是由7對NPN達林頓管組成的，它的高電壓輸出特性和陰極箝位二極管可以轉換感應負載。單個達林頓對的集電極電流500mA。達林頓管并聯(lián)可以承受更大的電流。 ULN2003A的極限參數(shù)項目符號數(shù)值單位最大輸入電壓Vi(max)30V集電極發(fā)射極電壓Vo(max)50V最大基極輸入電流IB(MAX)25mA輸出電流Io500mA貯存溫度Ts65～150℃結溫Tj175℃引線耐焊接溫度TD300℃（2）后輪電機的驅動模塊所示為一個典型的直流電機控制電路。電路得名于“H橋驅動電路”是因為它的形狀酷似字母H。4個三極管組成H的4條垂直腿，而電機就是H中的橫杠（注：—）。，H橋式電機驅動電路包括4個三極管和一個電機。要使電機運轉，必須導通對角線上的一對三極管。根據(jù)不同三極管對的導通情況，電流可能會從左至右或從右至左流過電機，從而控制電機的轉向。要使電機運轉，必須使對角線上的一對三極管導通。如所示，當Q1管和Q4管導通時，電流就從電源正極經(jīng)Q1從左至右穿過電機，然后再經(jīng)Q4回到電源負極。按圖中電流箭頭所示，該流向的電流將驅動電機順時針轉動。當三極管Q1和Q4導通時，電流將從左至右流過電機，從而驅動電機按特定方向轉動（電機周圍的箭頭指示為順時針方向）。 H橋電路驅動電機順時針轉動，電流將從右至左流過電機。當三極管Q2和Q3導通時，電流將從右至左流過電機，從而驅動電機沿另一方向轉動（電機周圍的箭頭表示為逆時針方向）。 H橋驅動電路本設計的顯示模塊目標是能夠顯示出電機的正反轉停等信息。采用的是帶中文字庫的128X64LCD屏幕。128X64LCD是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為12864, 內置8192個16*16點漢字，和128個16*、方便的操作指令，可構成全中文人機交互圖形界面?？梢燥@示84行1616點陣的漢字. 。由該模塊構成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結構或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價格也略低于相同點陣的圖形液晶模塊。128X64LCD基本特性：（1）低電源電壓（VDD:++）；（2）顯示分辨率:12864點 ；（3）內置漢字字庫，提供8192個1616點陣漢字(簡繁體可選)；（4）內置 128個168點陣字符 ；（5）2MHZ時鐘頻率； （6）顯示方式：STN、半透、正顯 ；（7）驅動方式：1/32DUTY，1/5BIAS； （8）視角方向：6點； （9）背光方式：側部高亮白色LED，功耗僅為普通LED的1/5—1/10 （10）通訊方式：串行、并口可選；（11）內置DCDC轉換電路，無需外加負壓 ；（12）無需片選信號，簡化軟件設計。采用單片機產(chǎn)生不同的信號來控制閃光LED燈和蜂鳴器完成聲光報警提示， 其主要應用于番茄采摘機器人在遇到障礙物時的自動警報功能。采摘機器人中傳感器主要應用于果實的識別、系統(tǒng)的導航、以及避障。果實識別與采摘采用視覺傳感器、位置傳感器、力傳感器，系統(tǒng)導航采用電磁傳感器，運動系統(tǒng)避障采用超聲波傳感器。本設計中的傳感器主要是應用于運動控制系統(tǒng)的避障設計，避障系統(tǒng)所要達到的要求是準確判斷車體前后方有無障礙物。若有則執(zhí)行避障任務，即急停、報警提示。識別障礙的首要問題是傳感器的選擇。（1）常見傳感器的比較傳感器種類多，應用廣泛，以下是幾種常用傳感器的比較。 傳感器性能比較傳感器類型優(yōu) 點缺 點紅外傳感器超聲波視覺價格合理，使用方便價格合理，可以測死物，夜間不受影響。易于多目標測量和分類，分辨率好。不受溫度、天氣影響。測量范圍小，對空氣溫度變化敏感。測量范圍有限，對天氣環(huán)境變化敏感。不能直接測量距離，算法復雜，處理速度慢。（2）避障系統(tǒng)傳感器的選擇方案一：紅外傳感器廣泛應用于門控系統(tǒng)，其優(yōu)點是價格合理使用方便。其利用紅外原理制成的，這也就決定其在對物體探測過程中對溫度依賴過大，對溫度相同的物體不能做出準確的判斷。方案二：視覺傳感器在物體識別系統(tǒng)中使用得非常廣泛，比如本機器人視覺識別系統(tǒng)中的圖像獲取。視覺傳感器優(yōu)點是尺寸小，價格合理，在一定的寬度和視覺域內可以測量定多個目標，并且可以利用測量的圖像根據(jù)外形和大小對目標進行分類。缺點是算法復雜，處理速度慢。方案三：探測障礙的最簡單的方法是使用超聲波傳感器，它是利用向目標發(fā)射超聲波脈沖，計算其往返時間來判定距離的。該方法被廣泛應用于移動機器人的研究上。其優(yōu)點是價格便宜，易于使用，且在10m以內能給出精確的測量。相比較而言本系統(tǒng)選擇方案三即用超聲波傳感器作為避障部分的傳感器。超聲波避障模塊躲避障礙物子模塊測量距離子模塊電機驅動子模塊聲光警示子模塊 超聲波避障模塊框圖（3）超聲波障礙檢測原理超聲波是一種在彈性介質中的機械