【正文】 基礎理論方法、關鍵技術、機器人系統(tǒng)集成技術和機器人應用技術。 ??本科畢業(yè)設計說明書（論文） 7 2 超聲波移動機器人方案的確定 從性能上來比較履帶的爬坡性能，越野性能，通行性能（對地壓強）遠遠優(yōu)于輪式車輛，戰(zhàn)場中作為重型裝甲戰(zhàn)斗車輛基本必須用履帶，不然會因為過重，對地壓強過大而幾乎沒有野外通行能力，但履帶車輛移動速度慢，機動性能差，履帶容易受損。 輪式機器人根據(jù)車輛的數(shù)量和種類可以分為獨輪、雙輪、三輪、四輪、多輪等。 多輪：盡管多輪機構在輪子布局和機械結構設計上存在較大的靈活性，但由于驅動控制原理同三輪結構沒有本質區(qū)別，結構太復雜。 前輪驅動前輪導向 控制靈活，能耗低，但是由于導向和驅動的驅動器均集中在前輪部分，復合運動結構設計復雜，而且車體本身的運動并不十分靈活。 綜合以上的分析與比較，本文最終選擇兩輪獨立驅動的三輪機構作為移動機器人的驅動機構。主要分為同步交流電機和異步交流電機兩種。通俗一點講：當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設 定的方向轉動一個固定的角度（及步進角）。 產生方波電壓和電流的變頻器比產生正弦波電壓和電流的變頻器簡單，選用無刷直流電機更好。 ，調電樞電壓，電樞全電壓之后，弱磁升速。 步進電機 ； ； 3．有較好的位置精度和運動的重復性； 4．優(yōu)秀的 起停和反轉響應 5． 沒有電刷，可靠性較高，電機的壽命僅僅取決于軸承的壽命； 6． 電機的響應僅由數(shù)字輸入脈沖確定，因而可以采用開環(huán)控制，這使得電機的結構可以比較簡單而且控制成本較低； 7． 僅僅將負載直接連接到電機的轉軸上也可以極低速的同步旋轉。根據(jù)傳動原理的不同，有靠帶與帶輪間的摩擦力傳動的摩擦型帶傳動，也有靠帶與帶輪上的齒相互嚙合傳動的 同步帶 傳動。具有結構緊湊、效率高、壽命長等特點。經過 經過比較，機器人的運動速度及電機的減速等需要有較為嚴格的減速比例，雖然帶傳動有諸多的優(yōu)點，結合實際情況，本文決定選擇齒輪傳動。 錐齒輪具有傳動平穩(wěn)、噪聲小及承載能力大等特點 ,用于高速重載的場合。 增量式編碼器 是將位移轉換成周期性的電信號，再把這個電信號轉變成計數(shù)脈沖，用脈沖的個數(shù)表示位移的大小。 編碼器的選擇 ??本科畢業(yè)設計說明書（論文） 12 這樣，編碼器的抗干擾特性、數(shù)據(jù)的可靠性大大提高了。編碼器軸轉一圈會輸出固定的脈沖，脈沖數(shù)由編碼器光柵的線數(shù)決定。 測速度需要可以無限累加測量，目前增量型編碼器在測速應用方面仍處于無可取代的主流位置。 PLC ( Programmable logic Controller)，可編程邏輯控制器，一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應用而設計的。 PLC 和單片機雖然都是控制器，廣泛的應用在控制系統(tǒng)中，但是它們依然具有不同，他們的區(qū)別為： 控制，普遍的應用，廠礦車間，各種中大型生產設備的自動控制。 PLC的特點： 可靠性高，抗干擾能力強 ； 硬件配套齊全，功能完善，適用性強 ； 易學易用，深受工程技術人員歡迎 ； 系統(tǒng)的設計、安裝、調試工作量小，維護方便，容易改造 ； 體積小，重量輕，能耗低 。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。測距傳感器主要有紅外測距傳感器、激光測距傳感器、超聲波傳感器等 紅外測距傳感器利用紅外信號遇到障礙物距離的不同反射的強度也不同的原理，進行障礙物遠近的檢測。 激光測距傳感器 利用激光技術進行測量的傳感器。 超聲波測距的優(yōu)點是比較耐臟污，即使傳感器上有塵土，只要沒有堵死就可以測量，可以在較差的環(huán)境中使用 ，所以倒車雷達多半使用超聲波，缺點是精度較低。的擴散角。我們決定選擇超聲波環(huán) ，超聲波傳感器是收發(fā)一體型的 EFR40RSC，它性價比高，體積小 ( Ф l6 m m) ， 工作頻率 4 0 k H z ，使用溫度 4 0～ +80℃ ， 防塵、 防水， 測距范圍 0 ． 2～ 5 m。因此，機器人的移動速度暫定為 V=因此機器人在行進過程中遇到障礙物時需要用機械手搬運障礙物，所以機器人的最大載重量為 40kg。 V =* = 機器人的兩輪是獨立驅動，所以每個電機克服摩擦的功率是 ，另外考慮到啟動加速、上下坡和轉彎等自然因素，因此每個 步進電機 的功率定位為35W。中間軸危險截面上的轉矩只相當于軸所傳遞轉矩的一半。第二級模數(shù) m2=,傳動比 i2=4,小齒輪齒數(shù) 20,大齒輪齒數(shù) 80. 模數(shù) :m 齒數(shù) :z 壓力角α =20176。 T—軸計算載面上的轉矩， N為此，可取減速器輸入軸軸端直徑 : 式中 : —減速器輸入軸軸端直徑， mm； —電動機軸直徑， mm。 滾動軸承一般由內圈、外圈、滾動體和保持架四部分組成。 根據(jù)機器人的要求及經濟實惠的原則，我們決定選擇深溝球軸承 . 減速箱其他結構的確定 鍵聯(lián)接 [12]（ key joint） 用鍵將軸與帶轂零件聯(lián)成一體的可拆聯(lián)接，是軸與齒輪或軸與帶輪之間常用的聯(lián)接方式。 A ） 普 通 平 鍵 ： 具 備 平 鍵 聯(lián) 接 的 特 點 ， 但 所 聯(lián) 接 的 軸 與 輪 轂不能產生相對運動，用于靜聯(lián)接。主要用于軸向移動距離較短的場合。 減速箱簡略圖如圖 33 所示： 圖 33 4 超聲波移動機器人控制系統(tǒng)設計 ??本科畢業(yè)設計說明書（論文） 21 差分驅動平臺運動學模型 采用雙 輪差分驅動方式的機器人移動平臺如圖 41 所示。 設左、右兩輪的旋轉速度分別為 ωL和 ωR,則存在以下關系： ? ?? ?drwrwrwrwYrwrwLRRLMRL????????????s in21c o s21XM 46 結合式 42 和 46 可得 ? ? ? ?? ? ? ?LRRLPRLwdrwdrwdrlrwdrlrYwdrlrwdrl???????? ????????? ????????? ????????? ???????????????????c o ss i n2c o ss i n2s i nc o s2s i nc o s2rX P 47 即 ? ? ? ?? ? ? ? ??????????????????????????????????????????RLPPwwdrdrdrlrdrlrdrlrdrlrYX?????????????c o ss i n2c o ss i n2s i nc o s2s i nc o s2??? 48 式 48 即為以 P 為參考點描述下的兩輪差動移動平臺運動模型，其所受的非完整約束方程為式 45 。該系統(tǒng)的可控性可借助于類似于單輪系統(tǒng)的方式得以證明。有 5V， 6V， 9V， 12V， 15V， 18V 和 24V 七種不同的固定輸出電壓，廣泛用于各種電子設備中。每橋的三極管的射級是連接在一起的，相應的外接線端可用來連接外設傳感電阻。 轉速可調 抗干擾能力強 具有過電壓和過電流保護 可單獨控制四臺直流電機 可單獨控制二臺步進電機 PWM 脈寬平滑調速 可實現(xiàn)正反轉 采用光電隔離 圖 43 L298 LM298典型應用如圖 44所示。存儲器按工作方式可分為、隨機存儲器（ RAM）和只讀存儲器（ ROM）。單片機計算的所有結果也都通過 I/O 輸出到顯示部分或者控制外部其他執(zhí)行機構。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。/176。 步進電機的相數(shù)： 是指電機內部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進電機。/176。在沒有細 分驅動器時，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進電機來滿足自己步距角的要求。由于步進電機的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉矩就成為了衡量步進電機最重要的參數(shù)之一。 （ 2） 步進電機外表允許的最高溫度。例如：三相步進電機的三拍工作方式 ，其各相通電順序為 ABC－ D,通電控制脈沖必須嚴格按照這一順序分別控制A,B,C， D 相的通斷。調整單片機發(fā)出的脈沖頻率，就可以對步進電機進行調速。單片機的作用是接受命令，完成相應的功能，并作為脈沖邏輯分配器，輸出步進電機所需要的時序脈沖。 步進電機的運行要有一個電子裝置進行控制，這個裝置就是步進電機驅動器，它是將控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號放大以驅動步進電機。光學編碼器碼盤的邊緣上刻有相等角距的輻射狀縫隙（分為透光和不透光部分） ，于是在基體上形成了透明和不透明的碼區(qū)，透明區(qū)和不透明區(qū)分別代表了二進制碼 0 和 1。光電敏感 元件可以采用光電二極管、光電晶體管或硅光電池。單 片機把接收到上位機發(fā)來的理論速度與其所測的實際速度相結合得出電機下一步的運動指令 ，并輸送到伺服系統(tǒng)以控制電機的轉速。超聲波因其頻率下限大約等于人的聽覺上限而得名。超聲波碰到雜質或分界面會產生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產生多普勒效應 。小功率超聲探頭多作探測作用。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個探頭的性能是不同的，我們使用前必須預先了解它的性能。 （ 2）工作溫度。主要取決于制造晶片本身 。利用這一原理，當給由兩片壓電陶瓷或一片壓電陶瓷和一個金屬片構成的振動器，所謂叫雙壓電晶片元件，施加一個電信號時，就會因彎曲振動發(fā)射出超聲波。該復合式振動器是諧振器以及，由一個金屬 片和一個壓電陶瓷片組成的雙壓電晶片元件振動器的一個結合體。底座固定在盒體的開口端，并且使用樹脂進行覆蓋。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習慣上稱為 ?。 超聲波傳感器及其測距原理 超聲波是指頻率高于 20KHz 的機械波。 室外用途的超聲波傳感器必須具有良好的密封性，以便防止露水、雨水和灰塵的侵入。基于以上作用，便可以將壓電陶瓷用作超聲波傳感器。 結構與工作原理： 當電壓作用于壓電陶瓷時，就會隨電壓和頻率的變化產生機械變形。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨的制冷設備。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。 超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。 圖 51 超聲波感應器 以超聲波作為檢測手段，必須產生超聲波和接收超聲波。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。 移動機器人的超聲波原理 超聲波的結構及原理 超聲波 [15]是頻率高于 20200 赫茲的聲波，它方向性好，穿透能力強，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距 離遠，可用于測距，測速，清洗，焊接，碎石、殺菌消毒等。將輸出的脈沖信號送到計數(shù)器中去進行計數(shù)，在某一采樣時間內通過對脈沖的計數(shù) 來確定工作軸轉速的大小，設采樣時間為 Tc，光電碼盤的縫隙數(shù)為 Pn，在采樣時間內所測的 脈沖數(shù)??本科畢業(yè)設計說明書（論文） 28 為 m，則工作軸轉速 N（ r/min）為： N=60m/TcPn 單片機輸出的 PWM 信號和轉向控制信號送給電機控制專用芯片，芯片能夠直接驅動兩個電機運轉。光學編碼器通常采用 照相技術和光 刻技術制作。 編碼器的應用及測速控制 增量式光學編碼器（即光電碼盤）能夠以數(shù)字的形式確定被測旋轉物體相對于某個基準點的 瞬時角位置，若配上相應電路還能應用于測量角速度。每個輸入脈沖決定了步進電機轉動的角度。整個系統(tǒng)包含單片機，步進電機驅動器 L298 和步進電機。 (3)控制步進電機的速度 如果給步進電機發(fā)一個控制脈沖，它就轉一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉一步。 （ 4） 步進電機低速時可以正常運轉 ,但若高于一定速度就無法啟動 ,并伴有嘯叫聲 步進電機的驅動電路根據(jù)控制信號工作，控制信號由單片機產生。 DETENT TORQUE： 是指步進電機沒有通電的情況下，定子鎖住轉子的力矩。 保持轉矩（ HOLDING TORQUE）： 是指步進電機通電但沒有轉動時，定子鎖住轉子的力矩。/176。/176。、整步工作時為 176。 步進電機的一些基本參數(shù)： 電機固有步距角： 它表示控制系統(tǒng)每發(fā) 一個步進脈沖信號，電機所轉動的角度。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈