【正文】 a certain degree of difficulty of the coin 2 accurate pick and place handling robot collection and precise placement of the work (the title es from the AsiaPacific Robot Contest of College Students in 20xx). This robot petitiveness, flexibility, accuracy have higher requirements. Manual robot control system uses as the underlying control module development board based on the STM32 CortexM3 core, take full advantage of that subsection microcontroller highspeed processing capability and high reliability advantages. Key words: Robot。 PWM speed control； 1 前言 機(jī)器人涉及多學(xué)科交叉綜合；人工智能、機(jī)器 人技術(shù)、通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、信息及編程技術(shù)、計(jì)算機(jī)學(xué)、材料學(xué)、電子技 術(shù)、傳動技術(shù)、接口技術(shù)、 單片機(jī)原理 、精密機(jī)械技術(shù)、自動控制理論、伺服傳動技術(shù) 等諸多領(lǐng)域的技術(shù)集成。本人參與 設(shè)計(jì) 制作 的 手動 機(jī)器人就是參加該項(xiàng)比賽的機(jī)器人之一。然后，自動機(jī)器人啟動把公共區(qū)的籃子搬到手動區(qū)并回到啟動區(qū)，與此同時(shí)，手動機(jī)器人需要把收集機(jī)器人搬起運(yùn)到自動機(jī)器人上，由手動機(jī)器人把收集機(jī)器人搬運(yùn)到 自動機(jī)器人上 。 規(guī)則限定：手動機(jī)器人抓取硬幣并將硬幣放置到硬幣箱中，完成速度較 快的另外兩臺機(jī)器人優(yōu)先啟動，這就要求手動機(jī)器人穩(wěn)定性高、速度快、定位精準(zhǔn)，所以對手動機(jī)器人的要求更高。 驅(qū)動裝置是驅(qū)使執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的機(jī)構(gòu)，按照控制系統(tǒng)發(fā)出的指令信號，借助于動力元件使機(jī)器人進(jìn)行動作。 控制系統(tǒng)有兩種方式。通過總 結(jié)往屆的經(jīng)驗(yàn)，小組制定了如下機(jī)器人設(shè)計(jì)原則。指機(jī)器人運(yùn)動的機(jī)動性、穩(wěn)定性 和組裝水燈的準(zhǔn)確性。目前大部分自動機(jī)器人 尚處于預(yù)編程的水平上，無法達(dá)到高要求的定位標(biāo)準(zhǔn)。 比賽策略 在比賽一開始手動機(jī)器人就以最短路線運(yùn)動到硬幣所在區(qū)域，并抓取硬幣投放到硬幣箱中，在抓取過程中可以用啟動按鈕控制機(jī)器人走自動程序精確定位并抓取，這樣有效地為自動機(jī)器人運(yùn)行爭取了部分時(shí)間，比賽過程中不同機(jī)器人之間使用非射頻方式進(jìn)行通信，可以更好的協(xié)調(diào)好不同機(jī)器人之間完成相應(yīng)任務(wù)。由于手動機(jī)器人在亞太大學(xué)生機(jī)器人大賽中要抬起一臺和自身相當(dāng)重的自動機(jī)器人，而普通的電機(jī)達(dá)不到自鎖能力，所以我們額外給升降結(jié)構(gòu)增加一個(gè)棘輪機(jī)構(gòu)來 6 實(shí)現(xiàn)普通電機(jī)的這個(gè)缺陷。 方向盤機(jī)構(gòu)總體圖如圖 45 所示 圖 4 方向盤與編碼器的連接方式 Steering and connection way of the encoder 7 圖 5 方向盤安裝后的實(shí)物圖 Physical picture of the steering wheel is installed 棘輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與討論 手動機(jī)器人要通過升降平臺抬起 15kg 的采集機(jī)器人，在上升或者下降階段我們只要控制升 降電機(jī)，但是升降平臺停止在某一高度 時(shí)，即保持抬起采集機(jī)器人停在某 一高度時(shí)，伺服電機(jī)是處于鎖死狀態(tài)。為了解決這個(gè)問題，我們 采用棘輪機(jī)構(gòu)： 在抬起采集機(jī) 器人停在某 一高度時(shí)采用棘輪 鎖死 其位置，當(dāng)其要升降時(shí)機(jī)將其打開，然后啟動 升降電機(jī)從而實(shí)現(xiàn)升降。它與其它各個(gè)模塊之間通過不同電路和接口協(xié)議進(jìn)行相連。通過電平控制啟動模塊的狀態(tài)。它是實(shí)現(xiàn)信息處理、命令輸出與智能算法等的平臺。 但是 AVR 系列單片機(jī)都不具備硬件正交增量編碼器功能。 方案三：根據(jù)手動機(jī)器人控制性能的要求，在使用方向盤控制底盤電機(jī)的同時(shí)，按鍵也能控制升降電機(jī)和氣動裝置。這樣在串口通信的前提下既保證了手動機(jī)器人各個(gè)模塊控制靈活性，又同時(shí)保證了中央處理模塊的響應(yīng)速度和處理能力。頻率達(dá)到 72MHz，是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品；以 16 位產(chǎn)品的價(jià)格得到比 16 位產(chǎn)品大幅提升的性能是 16 位產(chǎn)品用戶的最佳選擇。 CortexM3 處理器整合了以下組件： 10 (1) ARMv7M： Thumb2 ISA 子集，包含所有基本的 16 位和 32 位 Thumb2 指令， (2) 硬件除法指令， SDIV 和 UDIV（ Thumb2 指令） (3) 處理模式（ handler mode）和線程模式（ thread mode） (4) 可中斷 可繼續(xù)（ interruptiblecontinued）的 LDM/STM， PUSH/POP，實(shí)現(xiàn)低中 斷延遲。這樣，在兩個(gè)中斷 之間沒有多余的狀態(tài)保存和狀態(tài)恢復(fù)指令 的情況下，使能背對背中斷（ backtoback interrupt）處理。如下圖所示是STM32F103VET6 的最小工作系統(tǒng)原理圖。由于串口通信的優(yōu)勢和普及性，其技術(shù)已經(jīng)趨于普及和成熟， 本設(shè)計(jì)亦選擇串口通信方式 。內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本可分三個(gè)部分： 第一部分是電荷泵電路。由 1 1 1 14 腳構(gòu)成兩個(gè)數(shù)據(jù)通道。 第三部分是供電。 圖 11 MAX232 電路圖 Circuit diagram of MAX232 13 LM629 驅(qū)動模塊 伺服 模塊組成 ： 采用 ATmega32L 作為模塊主芯片 ,LM629 作為輔助芯片（主要用于 PID 調(diào)節(jié)），編碼盤來采樣的數(shù)據(jù)來組合成一個(gè)電機(jī)伺服系統(tǒng)。 圖 13 LM629 LM629 LM629 特性 （ 1） 內(nèi)部有 32 bit 的位置、速度和加速度寄存器； （ 2） l6 bit 可編程數(shù)字 PID 控制器； （ 3） 可編程微分項(xiàng)采樣時(shí)間間隔； （ 4） 8 bit 分辨率的 PWM 輸出； 14 （ 5） 內(nèi)部梯形速度圖發(fā)生器； （ 6） 可以進(jìn)行位置和速度控制； （ 7） 速度、位置和數(shù)字 PID 控制器參數(shù)可以在控制過程中改變； （ 8） 實(shí)時(shí)可編程中斷； （ 9） 可對增量式光電編碼盤的輸出進(jìn)行 4倍頻處理； DC 電氣特性 表 1 LM629 DC 電氣特性 Table1 DC Electricity characteristic of the LM629 最小值 典型值 最大值 單位 供電 V 消耗電流 110 mA 輸入邏輯高電平 V 輸入邏輯低電平 V 輸入電流 10 μ s μ A 輸出邏輯高電平 500 V 輸出邏輯低電平 V 輸出電流 10 10 μ A AC 電氣特性 表 2 LM629 AC 電氣特性 Table2 AC Electricity characteristic of the LM629 引腳定義 圖 14 LM629 引腳定義圖 Lead feet definition of the LM629 最小值 典型值 最大值 單位 輸入時(shí)鐘 fclk 6 6 8 MHz 采樣信號周期 16\fclk μ S 駐留時(shí)間 8\fclk V 時(shí)鐘脈沖寬度 57 nS 時(shí)鐘周期 166 nS 復(fù)位脈沖寬度 8\fclk μ S 15 表 3 LM629 引腳定義 Table3 Lead feet definition of the LM629 LM629 引腳 引腳名字 I/O 應(yīng)用說明 1 IN Input 編碼 IN信號 2 A Input 編碼 A信 3 B Input 編碼 B信 411 D7D0 Input 數(shù)據(jù)端口 12 CS IO 讀寫片選 13 RD Input 讀控制端口 14 GND GND 電源地 15 WR Input 寫控制端口 16 PS Input 數(shù)據(jù)命令的片選控制端口 17 HI Output 中斷輸出端口 18 PWM_SING Output 方向信號輸出端口 19 PWM_MAG Output PWM 信號輸出端口 2025 NC 不用 26 CLK Output 系統(tǒng)時(shí)鐘信號輸入 27 RST Output 復(fù)位信號輸入端口 28 VDD Power 電源端口 LM629 工作 原理 如圖 4，利用個(gè)增量式光電編碼盤來反饋電動機(jī)的實(shí)際位置。實(shí)現(xiàn)對電機(jī) 控制方式： 在位置控制方式時(shí)，單片機(jī)送來加速度、最高轉(zhuǎn)速、最終位置數(shù)據(jù)， LM629 利用這些數(shù)據(jù)計(jì)算運(yùn)行軌跡如圖 6（ a)所示。 圖 14 系統(tǒng)框圖 The system Block Diagram 16 圖 15 編碼盤信號 Quadrature Encoder Signals 圖 16 運(yùn)行軌跡 Movement track 運(yùn)動軌跡參數(shù) 位置控制時(shí)， LM629要求主處理器提供軌跡參數(shù)．速度、速度和位置值，并且這些參數(shù)必須轉(zhuǎn)化為 LM629所要求的形式。 (1)采樣周期 : T 為采樣時(shí)間 = 2048\6000000=341μ S。 (3)加速度 ： 17 設(shè) A （假設(shè)為每分鐘 600轉(zhuǎn)）為需向 LM629 寫入的目標(biāo)加速度值，單 counts/sample2，故有 A=L T期望加速度 =20xx 341 341=。數(shù)據(jù)有前 2個(gè)字節(jié)的內(nèi)容如表 4所列。 PID 參數(shù) 表 5 PID 控制字 Table5 Filter Control word Bit Allocation of the LM629 位 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 說明 積分極限 KD KI KP 不用 不用 不用 不用 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 ..... ..... ..... ..... ..... ..... ..... 0 65536 1 1 1 1 1 1 0 LM629 內(nèi)部有一個(gè)數(shù)字 PID 控制器，用來控制閉環(huán)系統(tǒng)。順序?yàn)?KP、 KI、 KD和積分極限。 例如當(dāng)位置超差的時(shí)候， LM629 的 HI端口便會變?yōu)榈碗娖?，這時(shí)單片機(jī)的外部中斷便可以采樣到中斷的信號，然后通過寫入 RDSTAT 和 RDSIGS 的指令，然后讀出具體的中斷源，來停止對電機(jī)的控制。本設(shè)計(jì)亦采用 AVR 系列單片機(jī) ATmega32L 作為模塊處理器 [1]。 （ 4） JTAG 接口 ( 與 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)兼容 ) （ 5） 符合 JTAG 標(biāo)準(zhǔn)的邊界掃描功能，支持?jǐn)U展的片內(nèi)調(diào)試功能，通過 JTAG 接口實(shí)現(xiàn)對 Flash、 EEPROM、熔絲位和鎖定位的編程。 （ 10） 有 5 個(gè)復(fù)位源 ATmega32L 最小系統(tǒng) 如圖 11是單片機(jī)控制部分電路模塊， atmega32L單片機(jī)、電源、復(fù)位電路、 JATG接口便構(gòu)成了一個(gè)最小的系統(tǒng)。 LMD18200 外形結(jié) 21 構(gòu)如圖 10所示，電路框圖如圖 10 所示。通過該端將馬達(dá)繞組短路而使其剎車。 5 PWM 信號輸入端 PWM 信號與驅(qū)動電流方向的關(guān)系見表 1。芯片結(jié)溫達(dá) 145℃時(shí)，該端變?yōu)榈碗娖剑唤Y(jié)溫達(dá) 170℃時(shí)，芯片關(guān)斷。引腳 10接直流電機(jī)電樞，正轉(zhuǎn)時(shí)電流的方向應(yīng)該從引腳步到引腳 10；反轉(zhuǎn)時(shí)電流的方向應(yīng)該從引腳 10 到引腳 2。過熱信號還可通過引腳 9輸出，當(dāng)結(jié)溫達(dá)到 145 度時(shí)引腳 9有輸出信號，圖 11 為單極性驅(qū)動方式下 理想波形