【正文】 于速度控制。常用的晶體管一般都是大功率型的，分為以下幾種方式：（a）集電極驅(qū)動(dòng) （b）發(fā)射極驅(qū)動(dòng) （c）大功率MOSFET圖 63 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖63（a）是常用的電路，三極管的集電極與直流電機(jī)連接，改變基極的電壓可以控制與集電極的電機(jī)的電流。這里忽略了電刷與整流子之間的接觸電壓。使直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，必須將它與電池等直流電源連接，如圖61所示。通常機(jī)器人驅(qū)動(dòng)有電氣、液壓、氣壓三種方式。直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在以下方面： 具有較大的轉(zhuǎn)矩，從而能夠克服傳動(dòng)裝置的摩擦轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩； 具有快速響應(yīng)能力，可以適應(yīng)復(fù)雜的速度變化和控制信號(hào)的變換； 電機(jī)的負(fù)載特性硬，有較大的過(guò)載能力，確保運(yùn)行速度不受負(fù)載沖擊的影響，增加的系統(tǒng)的可靠性； 直流電機(jī)的空載力矩大，在控制系統(tǒng)發(fā)出停轉(zhuǎn)的同時(shí)可以立刻響應(yīng)，并且可以產(chǎn)生相當(dāng)大的力矩阻止機(jī)器人由于慣性繼續(xù)向前移動(dòng)； 直流電機(jī)具有很好的環(huán)境適應(yīng)能力。直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)（BLDC）通過(guò)位置傳感器檢測(cè)磁鋼位置后，控制相電流通斷實(shí)現(xiàn)電子換向，避免換向火花，且不產(chǎn)生電磁干擾，具有壽命長(zhǎng)、運(yùn)行可靠、維修簡(jiǎn)便、變速不受換向條件限制、高速運(yùn)行、調(diào)速范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。目前移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用較多的是步進(jìn)電機(jī)和直流無(wú)刷電機(jī)（BLDC）兩種。驅(qū)動(dòng)電機(jī)為小車移動(dòng)提供動(dòng)力源泉，傳動(dòng)裝置具有調(diào)速、改變運(yùn)動(dòng)方式、方向等作用。.對(duì)其標(biāo)號(hào)～。由于機(jī)器人的底盤整體較大，所以布置在底盤的傳感器應(yīng)盡量多，這樣可以檢測(cè)到底盤的多個(gè)位置，做出相應(yīng)位置的快速響應(yīng)。光電傳感器的布置及線路設(shè)置與使用傳感器的目的有關(guān)。實(shí)際使用過(guò)程中總會(huì)遇到意想不到的問(wèn)題，因此調(diào)試環(huán)節(jié)很重要。這樣達(dá)到了分模塊的構(gòu)想，也使得在不同的場(chǎng)地情況下，很方便快速地調(diào)節(jié)可調(diào)電阻部分。即當(dāng)檢測(cè)到深藍(lán)色時(shí)，通過(guò)比較器輸出低電平，經(jīng)過(guò)反向器輸出高電平，用于表示檢測(cè)到深藍(lán)色底色的指示燈亮；當(dāng)檢測(cè)到白色時(shí)，通過(guò)比較器輸出高電平，經(jīng)過(guò)反向器輸出低電平，指示燈滅。無(wú)反壓時(shí)，正向電壓與光照強(qiáng)度成比例，～ V。它們接收到光的變化之后造成電流的改變，再經(jīng)過(guò)放大及相關(guān)處理，用于各種控制目的?！?um。一般紅外光電反射式傳感器都選擇工作在近紅外區(qū)，～ um段內(nèi)。穩(wěn)定性和快速性：一旦傳感器移動(dòng)到引導(dǎo)條帶邊緣，傳感器應(yīng)當(dāng)及時(shí)、快速、穩(wěn)定地觸發(fā)，不允許有狀態(tài)的抖動(dòng)，否則會(huì)引起機(jī)器人的搖晃。當(dāng)條帶與場(chǎng)地底色的反射性能區(qū)別不明顯時(shí)，根據(jù)反射光強(qiáng)識(shí)別線路的效果不會(huì)很好，這時(shí)可以通過(guò)色彩識(shí)別來(lái)巡線。根據(jù)巡線采用的光電傳感器原理不同，可分為兩種類型：紅外光電反射式傳感器：根據(jù)反射光強(qiáng)度巡線。檢測(cè)賽場(chǎng)界線、引導(dǎo)條帶等是比賽機(jī)器人的重要感知項(xiàng)目。所謂巡線指在白色引導(dǎo)條帶深色地板的環(huán)境下，沿條帶指示的路徑實(shí)現(xiàn)跟蹤運(yùn)動(dòng)的過(guò)程。微動(dòng)開關(guān)未檢測(cè)到目標(biāo)物體時(shí)向單片機(jī)輸出低電平，否則輸出高電平。其動(dòng)觸點(diǎn)的動(dòng)作速度與傳動(dòng)元件動(dòng)作速度無(wú)關(guān)。5．1 微動(dòng)開關(guān)微動(dòng)開關(guān)是一種施壓促動(dòng)的快速開關(guān)，又叫靈敏開關(guān)。③滑軌的機(jī)構(gòu)是把內(nèi)徑24mm的鋼管套在外徑22毫米的鋼管外實(shí)現(xiàn)的。 圖410 機(jī)械手的爆炸視圖4．2．3 推送機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求： 機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)便，可靠，能與夾取機(jī)構(gòu)很好的結(jié)合，在夾取機(jī)構(gòu)夾取3塊物塊時(shí)能平穩(wěn)地實(shí)現(xiàn)推送和收回。（2）夾取機(jī)構(gòu)的尺寸總高度：； 下層高度：； 圓弧直徑：； 原因： ① 積木的直徑為450毫米；② 為了使積木能被緊緊抓牢所以選擇機(jī)械手的直徑和積木的直徑相同；③ 因?yàn)槊繅K積木高度為300毫米，最多一次夾取3塊，選擇機(jī)械手夾取部分高度為400毫米（不選擇900毫米主要是從重量方面考慮，不能太重，否則前端太重可能會(huì)導(dǎo)致前傾）。圖49 抓取狀態(tài)因?yàn)榉e木的形狀為多段圓弧組成，.，彈簧提供夾緊力，用電機(jī)通過(guò)線帶動(dòng)滑輪，從而控制機(jī)械手張開和閉合。 寬度方向上選擇為650mm，在保證運(yùn)行穩(wěn)定的情況下，為了減小體積和重量。4．2 機(jī)器人機(jī)械尺寸設(shè)計(jì)4．2．1 底盤的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要求：底盤是安裝輪子和上層機(jī)構(gòu)的重要聯(lián)機(jī)部件，要求其十分牢固，與輪子和上層機(jī)構(gòu)可以緊密配合結(jié)構(gòu)：采用兩層機(jī)構(gòu):：第一層底盤裝萬(wàn)向輪和驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)等；第二層底盤用于連接上層機(jī)構(gòu)。綜合上面的考慮，在本系統(tǒng)中我們采用了四輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)的配置方式。4．1．2 本系統(tǒng)所采用的車輪驅(qū)動(dòng)方式配置在參考常用車輪驅(qū)動(dòng)方式配置的基礎(chǔ)上，結(jié)合具體系統(tǒng)的實(shí)際情況做出適合本系統(tǒng)的最佳選擇，當(dāng)然這種選擇不是一個(gè)方面的最優(yōu)，但是它必須是在考慮到各種實(shí)際情況（如機(jī)器人車體的載重、材質(zhì)、控制方法以及加工手段）之后的一個(gè)最優(yōu)方案。圖43(b)是常見(jiàn)的汽車車輪配置方式。在這種情況下，非驅(qū)動(dòng)輪應(yīng)為自由輪。圖42(d)的車輪組合將圖42(c)的單輪驅(qū)動(dòng)改為雙后輪差動(dòng)驅(qū)動(dòng)，提高了驅(qū)動(dòng)性，但加了一個(gè)差動(dòng)齒輪裝置，使結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，也增加了質(zhì)量。圖42(b)的組合是操舵機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)集中在前輪 1 上，2個(gè)后輪只起支撐從動(dòng)的作用。三輪配置驅(qū)動(dòng)主要方式如下圖42所示： 圖42 三輪移動(dòng)配置方式典型三輪移動(dòng)機(jī)器人通常采用1個(gè)中心輪和2個(gè)后輪的車輪布置，要解決的主要問(wèn)題是移動(dòng)方向和速度的控制。主要依靠手的操作和體重的移動(dòng)力求穩(wěn)定行走，這種陀螺兩輪車，把車體傾斜成比例的力矩作用在軸系上，利用陀螺效果使車體穩(wěn)定。4．1．1 機(jī)器人常用車輪驅(qū)動(dòng)配置介紹獨(dú)輪驅(qū)動(dòng)配置方式其原理上不僅可以在平地行走，也可以在不平整的地面和傾斜的地面上行走。4．1 移動(dòng)機(jī)器人的車輪驅(qū)動(dòng)配置機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式有輪式、履帶式和步行方式?？紤]到速度差會(huì)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，采用PWM來(lái)調(diào)整機(jī)器人姿態(tài)，在調(diào)整的同時(shí)可以快速地行進(jìn)。某排傳感器全部偏向一側(cè)的原因，是在調(diào)整過(guò)程中由于左右輪的速度差過(guò)大，使得底盤整體偏離出了引導(dǎo)線。讓其軸線盡量與引導(dǎo)線對(duì)齊，便于整個(gè)車身在這條引導(dǎo)線巡線?；谇芭艂鞲衅鞯恼{(diào)整方法也是如此。這樣可以讓機(jī)器人在調(diào)整的過(guò)程中車身整體沿引導(dǎo)線的速度加快。改進(jìn)的方法是采用PWM信號(hào)使兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的速度不同，從而產(chǎn)生速度差，速度慢的輪相對(duì)速度快的輪停止，這和一停一動(dòng)的原理是一樣的，并且機(jī)器人可以邊調(diào)整邊向前運(yùn)動(dòng)，通過(guò)這個(gè)速度差來(lái)調(diào)整機(jī)器人的位姿。底盤的位姿會(huì)不斷地調(diào)整，并且靠近中心的傳感器與引導(dǎo)線的距離不斷縮小的過(guò)程會(huì)使得靠底盤中心線的傳感器逐漸靠近引導(dǎo)線，最終結(jié)果會(huì)使底盤中心線和引導(dǎo)線重合。引導(dǎo)線與底盤中心線的夾角為：轉(zhuǎn)動(dòng)前到的距離為：==而=與的夾角：==在中，由得到：；===轉(zhuǎn)動(dòng)前后的差值為：===根據(jù)機(jī)器人的幾何尺寸：，所以0。整個(gè)過(guò)程是在前排中心傳感器檢測(cè)到引導(dǎo)線后停止的（此種情況進(jìn)入狀態(tài)g）。對(duì)于這種情況，與引導(dǎo)線的距離是不斷縮小的。設(shè)后排左側(cè)靠近底盤中心線的傳感器為。所以，首先左轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)中心是左輪中心，前后兩排傳感器均以為中心旋轉(zhuǎn)。1～5的思想是使機(jī)器人底盤的正中傳感器向引導(dǎo)線靠近，使得機(jī)器人沿著引導(dǎo)線向前移動(dòng)。圖33 (f)，后排左側(cè)傳感器、中的一個(gè)與前排右側(cè)傳感器、中的一個(gè)同在引導(dǎo)線上或者后排左側(cè)傳感器、中的一個(gè)在引導(dǎo)線上且前排中心傳感器在引導(dǎo)線上，則右轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)輪左輪停，右輪轉(zhuǎn)動(dòng)，車身向左移動(dòng)。機(jī)器人底盤左側(cè)大部分偏出，應(yīng)該向右偏移。圖33 (b)，后排中心傳感器檢測(cè)到引導(dǎo)線，前排左側(cè)、中的一個(gè)檢測(cè)到引導(dǎo)線。通過(guò)不同的優(yōu)先級(jí)處理這些狀態(tài)量校正底盤的偏移。在這種排布方式下，某排傳感器檢測(cè)到水平白色引導(dǎo)線時(shí)，對(duì)應(yīng)該排的輪中心剛好在白色引導(dǎo)線上，可方便轉(zhuǎn)彎和在交叉引導(dǎo)線處及時(shí)調(diào)整。這些向單片機(jī)輸入的高低電平實(shí)際是底盤與引導(dǎo)線的相對(duì)位置的表征量，單片機(jī)根據(jù)這些表征量來(lái)做出調(diào)整輸出，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板控制直流電機(jī)的起或停。直流電機(jī)空載力矩大，可以很好地控制所驅(qū)動(dòng)的輪子起或停，萬(wàn)向輪在任何方向都可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，因此整個(gè)機(jī)器人的行走方向是依靠后排兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的起動(dòng)或者停止來(lái)改變的。繼而分析做出這種調(diào)整策略會(huì)校正機(jī)器人姿態(tài)的可行性原理。如圖23所示，CPU根據(jù)傳感器檢測(cè)發(fā)送的信號(hào)，響應(yīng)對(duì)應(yīng)的調(diào)整策略，進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，便可調(diào)整機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。運(yùn)送物塊的動(dòng)作包括夾緊、抓取、推送等，按照物塊的幾何尺寸和樁的外形設(shè)計(jì)相應(yīng)的尺寸，既能充分的滿足設(shè)計(jì)要求，又使控制原理簡(jiǎn)單可靠。因此，根據(jù)場(chǎng)地特征采用適合機(jī)器人自身機(jī)械特性的算法讓機(jī)器人實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確行走定位是關(guān)鍵。2．2 機(jī)器人總體分析2．2．1 場(chǎng)地分析全自動(dòng)巡線機(jī)器人是在針對(duì)特定的場(chǎng)地，找到適合自身機(jī)械特點(diǎn)的定位方法，通過(guò)不斷調(diào)整到達(dá)目標(biāo)，最終完成比賽設(shè)定的任務(wù)。信息處理與控制單元相當(dāng)于人體中的頭腦。動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)單元相當(dāng)于人體的內(nèi)臟或肌肉。目前常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是電磁式、液壓式和氣動(dòng)式機(jī)構(gòu)。而提高可靠性的關(guān)鍵在于提高抗干擾能力。機(jī)械機(jī)構(gòu)要在結(jié)構(gòu)、材料、加工工藝性以及幾何尺寸等方面可靠、小型、輕量、美觀等要求。2．1 機(jī)器人要素分析自動(dòng)巡線機(jī)器人裝備包含以下幾個(gè)要素：機(jī)械機(jī)構(gòu)、動(dòng)力與驅(qū)動(dòng)單元、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感測(cè)試單元以及信息處理與控制單元五個(gè)部分。這是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，針對(duì)比賽場(chǎng)地的特征和機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)，在傳感器檢測(cè)機(jī)器人所在位置的基礎(chǔ)上，制定穩(wěn)定、快速的行進(jìn)算法。輸入量除了用于巡線的光電傳感器信號(hào)以外，還包括檢測(cè)到靠近目標(biāo)的微動(dòng)開關(guān)或者接近傳感器信號(hào)，以及可能用到的超聲波傳感器信號(hào)端口；輸出量主要是所有電機(jī)需要提供的控制信號(hào)的個(gè)數(shù)。獲取單片機(jī)輸出信號(hào)，并將大、小信號(hào)隔離。要考慮機(jī)器人直走和轉(zhuǎn)彎等狀態(tài)可能產(chǎn)生的各種情況。傳感器是機(jī)器人的眼睛，需要選購(gòu)或者自制幾種效果很好的傳感器，通過(guò)試驗(yàn)比較，擇優(yōu)選擇當(dāng)前條件下最好的傳感器，才能給機(jī)器人一雙明亮的眼睛。具體工作是：根據(jù)具體的比賽場(chǎng)地和比賽規(guī)則設(shè)計(jì)出機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)。 。自動(dòng)機(jī)器人必須是自主的，不得在人的干預(yù)下工作，機(jī)器人的電源電壓必須低于24VDC。自動(dòng)區(qū)四周有100mm高、30mm厚、涂白色無(wú)光漆的木質(zhì)圍欄。比賽場(chǎng)地周圍有100mm高30mm厚的木質(zhì)圍欄。比賽的各項(xiàng)規(guī)程由中央電視臺(tái)本著“是否有利于學(xué)生的科技創(chuàng)新，是否有利于發(fā)展機(jī)器人技術(shù)，是否有利于比賽的精彩性與可觀賞性，是否有利于機(jī)器人大賽的健康發(fā)展”的原則，與各高校代表隊(duì)商議制定。1．2．2全國(guó)大學(xué)生機(jī)器人電視大賽全國(guó)大學(xué)生機(jī)器人電視大賽（ROBOTCON）是由中央電視臺(tái)主辦，科技部高新技術(shù)發(fā)展及產(chǎn)業(yè)司、國(guó)家“十五”863計(jì)劃?rùn)C(jī)器人主題、中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)機(jī)器人競(jìng)賽工作委員會(huì)協(xié)辦的全國(guó)大學(xué)生科技活動(dòng)，自2002年開始每年一屆，為“亞廣聯(lián)亞太地區(qū)大學(xué)生機(jī)器人電視大賽”選拔中國(guó)大學(xué)生的優(yōu)秀代表隊(duì)，到目前為止已成功舉辦四屆。第一屆RobotcoN于1988年舉辦，由日本廣播協(xié)會(huì)（NHK）主辦，以后就成為NHK的一個(gè)特別賽事和傳統(tǒng)科教節(jié)目。RobotcoN組委會(huì)由兩個(gè)主要的組織即NHK和NHK Enterprise 21 組建，同時(shí)還包括日本機(jī)器人學(xué)會(huì)、日本機(jī)械工程師協(xié)會(huì)以及各技術(shù)學(xué)院和大學(xué)的代表。機(jī)器人賽事20余年前就已經(jīng)開始了?？梢哉f(shuō)，機(jī)器人的應(yīng)用范圍非常之廣。機(jī)器人技術(shù)作為20世紀(jì)人類最偉大的發(fā)明之一，自1960年代初問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)歷40年的發(fā)展已取得長(zhǎng)足的進(jìn)步。 PWM。關(guān)鍵詞: 機(jī)器人；巡線；光電檢測(cè)；PWM驅(qū)動(dòng)；姿態(tài)調(diào)整AbstractThe project takes the background of the robot used in the 2006 National Robot Television Competition. According to the petition ground　and constraints, an autonomous linetracking robot has been made.In this thesis, the overall design of autonomous linetracking robot and principle of each essential element have been described. The robot system has been divided into five parts as fellow.The autonomous linetracking arithmetic is the key of this project research. The relative position relationship between the robot and the leading line is divided into seven typical states。針對(duì)機(jī)器人的機(jī)械特性和速度要求，設(shè)計(jì)了兩套基于不同原理的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn)和可行性。論證了在這種機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)下通過(guò)不斷調(diào)整底盤姿態(tài)的方法可以讓底盤中心線逐漸與引導(dǎo)線重合的實(shí)現(xiàn)原理。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。本學(xué)位論文屬于1．保密□，在 年解密后適用本授權(quán)書；2．不保密□，使用本授權(quán)書。本人授權(quán)西南交通大學(xué)可以將本論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)印手段保存和匯編本學(xué)位論文。對(duì)本文的研究做出貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中作了明確的說(shuō)明。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過(guò)的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過(guò)的材料。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人授權(quán)　　 　 　大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。機(jī)器人巡線算法是本文研究的重點(diǎn)，將機(jī)器人與引導(dǎo)線的相對(duì)位置關(guān)系分成典型的七種狀態(tài)，控制