【正文】 的抗干擾特性、數(shù)據(jù)的可靠性大大提高了。encoder）編碼器軸轉(zhuǎn)一圈會(huì)輸出固定的脈沖，脈沖數(shù)由編碼器光柵的線數(shù)決定。 測(cè)速度需要可以無(wú)限累加測(cè)量，目前增量型編碼器在測(cè)速應(yīng)用方面仍處于無(wú)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(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。PLC和單片機(jī)雖然都是控制器，廣泛的應(yīng)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： ，普遍的應(yīng)用，廠礦車間，各種中大型生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)控制。PLC的特點(diǎn)：可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)；硬件配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng)；易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎；系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試工作量小，維護(hù)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(tái)計(jì)算機(jī)。測(cè)距傳感器主要有紅外測(cè)距傳感器、激光測(cè)距傳感器、超聲波傳感器等紅外測(cè)距傳感器利用紅外信號(hào)遇到障礙物距離的不同反射的強(qiáng)度也不同的原理，進(jìn)行障礙物遠(yuǎn)近的檢測(cè)。激光測(cè)距傳感器利用激光技術(shù)進(jìn)行測(cè)量的傳感器。 超聲波測(cè)距的優(yōu)點(diǎn)是比較耐臟污，即使傳感器上有塵土，只要沒(méi)有堵死就可以測(cè)量，可以在較差的環(huán)境中使用，所以倒車?yán)走_(dá)多半使用超聲波，缺點(diǎn)是精度較低。的擴(kuò)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(jià)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(cè)距范圍 0 ．2～ 5 m。因此，機(jī)器人的移動(dòng)速度暫定為V=因此機(jī)器人在行進(jìn)過(guò)程中遇到障礙物時(shí)需要用機(jī)械手搬運(yùn)障礙物，所以機(jī)器人的最大載重量為40kg。V =* =機(jī)器人的兩輪是獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，另外考慮到啟動(dòng)加速、上下坡和轉(zhuǎn)彎等自然因素，因此每個(gè)步進(jìn)電機(jī)的功率定位為35W。中間軸危險(xiǎn)截面上的轉(zhuǎn)矩只相當(dāng)于軸所傳遞轉(zhuǎn)矩的一半。第二級(jí)模數(shù)m2=,傳動(dòng)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(jì)算載面上的轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)軸直徑，mm。滾動(dòng)軸承一般由內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體和保持架四部分組成。根據(jù)機(jī)器人的要求及經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的原則，我們決定選擇深溝球軸承. 減速箱其他結(jié)構(gòu)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(diǎn)，但所聯(lián)接的軸與輪 轂不能產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，用于靜聯(lián)接。主要用于軸向移動(dòng)距離較短的場(chǎng)合。減速箱簡(jiǎn)略圖如圖33所示：圖334 超聲波移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 差分驅(qū)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型采用雙輪差分驅(qū)動(dòng)方式的機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)如圖41所示。 設(shè)左、右兩輪的旋轉(zhuǎn)速度分別為ωL和ωR,則存在以下關(guān)系： 46結(jié)合式42和46可得 47即 48式48即為以P為參考點(diǎn)描述下的兩輪差動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)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(shè)備中。每橋的三極管的射級(jí)是連接在一起的，相應(yīng)的外接線端可用來(lái)連接外設(shè)傳感電阻。轉(zhuǎn)速可調(diào)抗干擾能力強(qiáng)具有過(guò)電壓和過(guò)電流保護(hù)可單獨(dú)控制四臺(tái)直流電機(jī)可單獨(dú)控制二臺(tái)步進(jìn)電機(jī)PWM脈寬平滑調(diào)速可實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)采用光電隔離圖43 L298LM298典型應(yīng)用如圖44所示。存儲(chǔ)器按工作方式可分為、隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）和只讀存儲(chǔ)器（ROM）。單片機(jī)計(jì)算的所有結(jié)果也都通過(guò)I/O輸出到顯示部分或者控制外部其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制變的非常的簡(jiǎn)單。/176。步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)： 是指電機(jī)內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進(jìn)電機(jī)。/176。在沒(méi)有細(xì)分驅(qū)動(dòng)器時(shí)，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)來(lái)滿足自己步距角的要求。由于步進(jìn)電機(jī)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(zhuǎn)矩就成為了衡量步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一。（2）步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度。例如：三相步進(jìn)電機(jī)的三拍工作方式，其各相通電順序?yàn)锳BC－D,通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制A,B,C，D相的通斷。調(diào)整單片機(jī)發(fā)出的脈沖頻率，就可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。單片機(jī)的作用是接受命令，完成相應(yīng)的功能，并作為脈沖邏輯分配器，輸出步進(jìn)電機(jī)所需要的時(shí)序脈沖。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行要有一個(gè)電子裝置進(jìn)行控制，這個(gè)裝置就是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，它是將控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號(hào)放大以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。光學(xué)編碼器碼盤(pán)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(jìn)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(jī)把接收到上位機(jī)發(fā)來(lái)的理論速度與其所測(cè)的實(shí)際速度相結(jié)合得出電機(jī)下一步的運(yùn)動(dòng)指令 ，并輸送到伺服系統(tǒng)以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。超聲波因其頻率下限大約等于人的聽(tīng)覺(jué)上限而得名。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。小功率超聲探頭多作探測(cè)作用。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個(gè)探頭的性能是不同的，我們使用前必須預(yù)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(dāng)給由兩片壓電陶瓷或一片壓電陶瓷和一個(gè)金屬片構(gòu)成的振動(dòng)器，所謂叫雙壓電晶片元件，施加一個(gè)電信號(hào)時(shí)，就會(huì)因彎曲振動(dòng)發(fā)射出超聲波。該復(fù)合式振動(dòng)器是諧振器以及，由一個(gè)金屬片和一個(gè)壓電陶瓷片組成的雙壓電晶片元件振動(dòng)器的一個(gè)結(jié)合體。底座固定在盒體的開(kāi)口端，并且使用樹(shù)脂進(jìn)行覆蓋。為了以超聲波作為檢測(cè)手段，必須產(chǎn)生超生波和接收超聲波。聲波在空氣中傳輸速率為： 　　其中，T為絕對(duì)溫度，c0=331．4m／s。因此，在余振未消失以前，還不能啟動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行回波接收，以上兩個(gè)原因造成了超聲傳感器具有測(cè)量一定的測(cè)量范圍。當(dāng)超聲波信號(hào)碰到障礙物時(shí)信號(hào)立刻返回，微處理器不停的掃描INT0引腳，如果INT0接收的信號(hào)由高電平變?yōu)榈碗娖剑藭r(shí)表明信號(hào)已經(jīng)返回，微處理器進(jìn)入中斷關(guān)閉定時(shí)器。超聲傳感器的最小作用距離為0．45m。 因?yàn)槌晜鞲衅髦g的安裝位置相差22．5176。為了在不降低采集頻率的同時(shí)消除超聲的相互干擾，本系統(tǒng)將16個(gè)超聲傳感器分成A(1115)和B(1116)兩組，因?yàn)橥唤M內(nèi)的兩個(gè)超聲傳感器安裝位置相差45176。XINTl／2引腳電平發(fā)生跳變時(shí)會(huì)產(chǎn)生外部中斷，通過(guò)I／0口可以知道是哪個(gè)或哪幾個(gè)傳感器引起中斷。在每個(gè)定時(shí)器周期開(kāi)始時(shí)，觸發(fā)一組超聲傳感器同時(shí)開(kāi)始工作。當(dāng)定時(shí)器中斷時(shí)，對(duì)于距離大于最大超聲探測(cè)范圍的，沒(méi)有相應(yīng)的時(shí)間記錄，給它們加上超出測(cè)距范圍的標(biāo)志。本系統(tǒng)共有16個(gè)超聲傳感器，共有32個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)所有測(cè)距值。單片機(jī)接收中央控制器的遠(yuǎn)程請(qǐng)求幀，并發(fā)送測(cè)距數(shù)據(jù)值。圖56 中央控制器接收子程序框圖結(jié) 論本文針對(duì)超聲波機(jī)器人的避障分析與研究，提出多種方案，并進(jìn)行對(duì)比排除，選擇最優(yōu)方案。3. 此機(jī)器人底盤(pán)太低，不適合室外活動(dòng)。機(jī)電的結(jié)合也充分體現(xiàn)了機(jī)電一體化的優(yōu)勢(shì)。 其次要感謝和我一起作畢業(yè)設(shè)計(jì)的同學(xué)，他在本次設(shè)計(jì)中勤奮工作，克服了許多困難來(lái)完成此次畢業(yè)設(shè)計(jì)，并承擔(dān)了大部分的工作量。 最后感謝工學(xué)院和我的母校—……年來(lái)對(duì)我的大力栽培。 然后還要感謝大學(xué)三年來(lái)所有的老師，為我們打下機(jī)械專業(yè)知識(shí)的基礎(chǔ)；同時(shí)還要感謝所有的同學(xué)們，正是因?yàn)橛辛四銈兊闹С趾凸膭?lì)。 在這里首先要感謝我的指導(dǎo)老師。本文，采用的很多結(jié)構(gòu)太理論化，沒(méi)有在實(shí)際應(yīng)用中得到驗(yàn)證。而由于實(shí)際情況限制，本智能機(jī)器人還有許多缺點(diǎn)：1. 因?yàn)闆](méi)有硬件材料，許多情況都沒(méi)法考慮，例如，沒(méi)法對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試，不知道實(shí)際環(huán)境是否適合機(jī)器人的運(yùn)行。當(dāng)機(jī)器人需要新的測(cè)距值時(shí)，即調(diào)用此子程序。本系統(tǒng)的通訊過(guò)程為：中央控制器發(fā)送遠(yuǎn)程請(qǐng)求，超聲數(shù)據(jù)采集板進(jìn)入接收中斷，在中斷服務(wù)程序內(nèi)，采用查詢方式發(fā)送4幀數(shù)據(jù)，每幀數(shù)據(jù)包含4個(gè)超聲傳感器的測(cè)距值。圖54只畫(huà)出了一組超聲傳感器的處理框圖，另一組與此相，不再贅述。外部中斷處理程序非常簡(jiǎn)短，指令執(zhí)行速度很快，因而即使因進(jìn)入外部中斷處理程序而延誤了對(duì)后來(lái)回波的處理，由此引入的距離誤差根據(jù)(1)106m。軟件設(shè)計(jì)上采用兩個(gè)定時(shí)器依次工作，分別對(duì)兩組傳感器進(jìn)行計(jì)時(shí)。這樣既可以達(dá)到很高的采集頻率，同時(shí)也滿足了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。如果超聲波同時(shí)發(fā)射，必然會(huì)有干擾。此控制信號(hào)經(jīng)功率放大后作為超聲傳感驅(qū)動(dòng)電路的啟動(dòng)信號(hào)(1NIT)，超聲傳感器產(chǎn)生的、遇到障礙物時(shí)返回的高頻振蕩信號(hào)經(jīng)放大(為彌補(bǔ)傳播過(guò)程中信號(hào)的衰減)使超聲傳感驅(qū)動(dòng)電路的ECHO端產(chǎn)生高電平脈沖。超聲波傳感器在相隔為22．5176。系統(tǒng)程序流程圖如圖53所示：圖53 超聲波測(cè)距程序流程圖工作時(shí)，啟動(dòng)超聲波傳感器發(fā)射超聲波，同時(shí)啟動(dòng)內(nèi)部定時(shí)器T0開(kāi)始計(jì)時(shí)。渡越時(shí)間法主要是測(cè)量超聲發(fā)射到超聲返回的時(shí)間間隔t，即“渡越時(shí)間”，然后根據(jù)式(1)計(jì)算距離。超聲波測(cè)距的原理一般采用渡越時(shí)間法TOF（time of flight）。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個(gè)超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。 超聲波傳感器及其測(cè)距原理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?；谝陨献饔?，便可以將壓電陶瓷用作超聲波傳感器。結(jié)構(gòu)與工作原理：當(dāng)電壓作用于壓電陶瓷時(shí)，就會(huì)隨電壓和頻率的變化產(chǎn)生機(jī)械變形。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨(dú)的制冷設(shè)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(yīng)器以超聲波作為檢測(cè)手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。超聲波是一種振動(dòng)頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長(zhǎng)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(diǎn)。 移動(dòng)機(jī)器人的超聲波原理 超聲波的結(jié)構(gòu)及原理超聲波[15]是頻率高于20000赫茲的聲波，它方向性好，穿透能力強(qiáng)，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠(yuǎn)，可用于測(cè)距，測(cè)速，清洗，焊接，碎石、殺菌消毒等。將輸出的脈沖信號(hào)送到計(jì)數(shù)器中去進(jìn)行計(jì)數(shù)，在某一采樣時(shí)間內(nèi)通過(guò)對(duì)脈沖的計(jì)數(shù) 來(lái)確定工作軸轉(zhuǎn)速的大小，設(shè)采樣時(shí)間為Tc，光電碼盤(pán)的縫隙數(shù)為Pn，在采樣時(shí)間內(nèi)所測(cè)的 脈沖數(shù)為m，則工作軸轉(zhuǎn)速N（r/min）為： N=60m/TcPn單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)和轉(zhuǎn)向控制信號(hào)送給電機(jī)控制專用芯片，芯片能夠直接驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。光學(xué)編碼器通常采用照相技術(shù)和光 刻技術(shù)制作。 編碼器的應(yīng)用及測(cè)速控制增量式光學(xué)編碼器（即光電碼盤(pán)）能夠以數(shù)字的形式確定被測(cè)旋轉(zhuǎn)物體相對(duì)于某個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的 瞬時(shí)角位置，若配上相應(yīng)電路還能應(yīng)用于測(cè)量角速度。每個(gè)輸入脈沖決定了步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。整個(gè)系統(tǒng)包含單片機(jī)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器L298和步進(jìn)電機(jī)。(3)控制步進(jìn)電機(jī)的速度如果給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個(gè)控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個(gè)脈沖，它會(huì)再轉(zhuǎn)一步。（4）步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無(wú)法啟動(dòng),并伴有嘯叫聲步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)控制信號(hào)工作，控制信號(hào)由單片機(jī)產(chǎn)生。DETENT TORQUE：是指步進(jìn)電機(jī)沒(méi)有通電的情況下，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。保持轉(zhuǎn)矩（HOLDING TORQUE）：是指步進(jìn)電機(jī)通電但沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。/176。/176。、176。步進(jìn)電機(jī)的一些基本參數(shù)：電機(jī)固有步距角： 它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖信號(hào)，電機(jī)所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。輸入輸出接口是單片機(jī)的重要組成部分。單片機(jī)的特點(diǎn)很多，主要是體積小品種多，價(jià)格便宜，可靠性高，使用靈活，還有（1）突出控制功能（2）ROM和RAM分開(kāi)（3）單片機(jī)資源具有廣泛的通用性（4）易于擴(kuò)展ROM、RAM、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、中斷源等資源。工作電壓：控制信號(hào)直流5V；電機(jī)電壓直流3V~46V（建議使用36伏以下）最大工作電流：：25W。 ：圖42 三端固定穩(wěn)壓