【文章內(nèi)容簡介】 正極 褐 — 負(fù)極 第三章 機器人總 體設(shè)計 8 本設(shè)計采用的是金屬對稱抓取機械手，實物圖如圖 。機械手長 ，寬 72mm，由一只舵機驅(qū)動，通過舵機的轉(zhuǎn)動可以實現(xiàn)機械手的張開與閉合，能穩(wěn)定的抓取大型圓球，圓柱體。 圖 機械手 小車驅(qū)動方式 移動機器人要想完成移動、搬運的功能必須要有運動控制系統(tǒng)，一個完善、高效的運動控制系統(tǒng)能夠讓機器人完整、穩(wěn)定的行駛。 本文研究的機器人主體類似于小型智能車， 小車按照驅(qū)動方式可以分為單輪驅(qū)動、差速驅(qū)動和全方位驅(qū)動。三輪式小車是單輪驅(qū)動小車最常見的形式，小車的驅(qū)動輪和轉(zhuǎn)向輪都是前輪， 兩個后輪起 從動作用。 差速驅(qū)動小車 ,采用兩個或四個航輪 ,分置在車體四周增加小車的穩(wěn)定性 ,當(dāng)每組航輪轉(zhuǎn)速不同時執(zhí)行車體轉(zhuǎn)向動作 ,當(dāng)速度相同時 ,車體執(zhí)行直線行動或原地旋轉(zhuǎn)。全方位小車安裝有三個獨立的驅(qū)動轉(zhuǎn)向組合輪 ,能夠朝任意方向行駛 而不改變車體姿態(tài) 。 考慮到小車必須要能支撐起機械臂和整個硬件系統(tǒng)，所以小車應(yīng)該是三輪或者四輪形式，由于三輪小車只有后面兩輪是驅(qū)動輪動力不足，所以最終采用四輪的結(jié)構(gòu)，并且是四輪差速驅(qū)動方式 ，通過調(diào)節(jié)左右兩組航輪的速度可以做到直線行動和轉(zhuǎn)彎。這種結(jié)構(gòu)承載能力強，易于控制，調(diào)速能力優(yōu)良。 四輪構(gòu)型如下圖 ： 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 圖 四輪構(gòu)型 電源選擇 機器人驅(qū)動需要有電池供電。普通干電池價格便宜，但是放電快，只能使用一次不符合循環(huán)使用的要求，因此決定采用充電電池，充電電池分為鋰電池和鎳氫電池，鎳氫電池高容量，大電流，可循環(huán)使用，且價格更便宜，所以使用鎳氫充電電池。我使用的 是 VB 品牌的 鎳氫電池 ，電壓 ，容量 3600 毫安，電池規(guī)格 ，電池實物圖如圖 ： 圖 鎳氫電池實物圖 第三章 機器人總 體設(shè)計 10 微控制器選擇 目前我們的課程學(xué)習(xí) 了 51系列單片機和 stm32 系列單片機 ， 51單片機較簡單，控制方便但是速度、功能沒有 stm32 強大，搬運機器人涉及大量數(shù)據(jù)處理，所以單片機速度越快越好，而且 stm32 外圍接口豐富能滿足機器人的各種設(shè)計要求，為了將課堂學(xué)習(xí)的知識運用到實際，本設(shè)計選擇了增強型 stm32 單片機stm32f103zet6 作為機器人的微控制器。 測距抓取 機器人搬運物體需要知道在什么地方停下抓取物體，所以機器人和物體之間的測距是必要的。本設(shè)計剛開始使用的方案是超聲波測距，圖 為超聲波傳感器。但是實際測試過程中發(fā)現(xiàn)超聲波測 距精度不高，機器人不能到達(dá)正確位置抓取物體，所以拋棄此方案。我轉(zhuǎn)而采用紅外測距，圖 為紅外光電開關(guān)，事實證明紅外測距具有探測距離遠(yuǎn)，精度高的優(yōu)點，滿足設(shè)計要求。 圖 超聲波傳感器 圖 紅外光電開關(guān) 機器人整體框圖 搬運機器人整體結(jié)構(gòu)如圖 所示： 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 核 心 控 制 器（ s t m 3 2 f 1 0 3 z e t 6 ）直 流 電 機驅(qū) 動 模 塊舵 機紅 外 光 電 開 關(guān)灰 度 傳 感 器電 壓轉(zhuǎn) 換 模 塊電 源 模 塊 5 V7 . 2 V5 V 圖 機器人整體結(jié)構(gòu) 組建好的搬運機器人硬件平臺如圖 所示： 圖 搬運機器人 第三章 硬件電路設(shè)計 12 第 三章 硬件電路設(shè)計 微控制器 MCU 主控制器選用的是意法半導(dǎo)體公司出品的 stm32f103zet6 芯片 ，其內(nèi)核是 CortexM3。該芯片是增強型的 32 位單片機，具有 64KB SRAM、 512KB FLASH、基本定時器 和高級定時器各 2個 、通用定時器 4個 、 3個 SPI、 2 個 IIC、 5 個串口、 1 個 USB、 1 個 CAN、 3 個 12 位 ADC、 1 個 12位 DAC、 1 個 SDIO 接口、 1 個FSMC 接口以及 112 個通用 IO 口。其主要特點如下： a) 超低的價格。 雖然是 32 位機卻只有 8 位機的價格。 b) 72MHz 的工作頻率，具有快捷 強力的的數(shù)值運算和邏輯運算能力。 c) 超多的外設(shè)。擁有包括 FSMC、 TIMER、 SPI、 USB、 CAN、 IIC、 IIS、 SDIO、ADC、 DAC、 RTC、 DMA 等眾多外設(shè)及功能，具有極高的集成度。 d) 優(yōu)異的實時性能。 84 個中斷， 16 級可編程優(yōu)先級，并且所有的引腳都可以作為中斷輸入。 e) 杰出的功耗控制。 STM32 擁有獨立時鐘開關(guān)控制 各個外設(shè)， 不需要的外設(shè)可以關(guān)閉相應(yīng)時鐘來降低功耗。 f) 極低的開發(fā)成本。 STM32 的開發(fā)不需要昂貴的仿真器，只需要一個串口即可下載代碼，并且支持 SWD 和 JTAG 兩種調(diào)試口。 在本設(shè)計中采用 stm32f103zet6 正是利用了它的快速運算處理能力以及豐富的片上資源，從而有效、快速、準(zhǔn)確地控制機器人運動。 程序下載 本設(shè)計下載程序使用德國 SEGGER 公司推出的 Jlink 仿真器，該仿真器 配合IAR EWAR ， ADS ， KEIL， WINARM ， RealView 等 集 成 開發(fā) 環(huán) 境 支 持所 有ARM7/ARM9/ARM11,Cortex M0/M1/M3/M4,Cortex A4/A8/A9 等內(nèi)核芯片的仿真 適用于 Keil、 IAR 等編譯環(huán)境，操作 起來非常方便，學(xué)習(xí)也很簡單 ，是 很好的 學(xué)習(xí)南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 開發(fā) ARM 的開發(fā)工具。 電源模塊 本設(shè)計采用兩塊 、 3600mah 的鎳氫電池供電，由于系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，各模塊供電要求不同，所以將電壓分為 ， 5V， 三個檔位。 穩(wěn)壓芯片 由于 STM 系列芯片需要 供電，供電電壓任何時刻都不能超過 ，否則會導(dǎo)致主芯片燒毀，采用低壓線差線性穩(wěn)壓器 提供 電壓 ?；叶葌鞲衅鳌⒓t外光電開關(guān)、觸碰開關(guān)、舵機都需 要 5V 供電，如果還采用單片的線性穩(wěn)壓器件，當(dāng)輸入輸出壓差較大時器件就會因電流過大而被擊穿，所以最后決定采用開關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片 LM2596，該器件功耗很低，轉(zhuǎn)換效率可達(dá) 75%～88%。 穩(wěn)壓電路 輸入 5V電壓，通過 轉(zhuǎn)換輸出 給單片機供電，其電路圖如圖 所示。 圖 穩(wěn)壓芯片 LM2596 輸出 5V電壓供給各個模塊使用，其電路圖如圖 所示。 第三章 硬件電路設(shè)計 14 圖 LM2596穩(wěn)壓電路 驅(qū)動模塊 本設(shè)計采用 直流減速電機為系統(tǒng)提供必須的的驅(qū)動力。 單片機的 I/O口 能輸出的電流很小無法驅(qū)動電機這種大功率器件，通過添加 驅(qū)動電路 可以解決這一問題 。 電機驅(qū)動模塊選擇 有兩種方案可供考慮： 方案 1：設(shè)計由分離元件組成的驅(qū)動電路實現(xiàn)，但是設(shè)計 反鎖，使用不便。 方案 2：采用專用的驅(qū)動芯片加以實現(xiàn)。由于專用的驅(qū)動芯片結(jié)構(gòu)簡單、 可靠性高 、 價格便宜 ，所以決定采用方案 2。 設(shè)計選擇 L298N 專用芯片驅(qū)動電機。該芯片是 ST 公司生產(chǎn)的一種 工作 電壓高 ， 輸出 電流 大 的電機驅(qū)動芯片。其主 要特點是：工作電壓高，最 高工作電壓可達(dá) 46V，輸出電流大， 最大電流 可達(dá) 3A，持續(xù)工作電流為 2A，內(nèi)部集成了兩個 H橋，能同時驅(qū)動兩個電機。 圖 為 L298N 電機驅(qū)動模塊。 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 圖 L298N電機驅(qū)動 電機驅(qū)動電路設(shè)計 圖 為典型的 H 橋電路， H橋式電機驅(qū)動電路 由四 個三極管和一個電機 組成 。 當(dāng)對角線上的一對三極管導(dǎo)通時電機工作 。 電流流向隨不同三極管對導(dǎo)通而改變，以此來控制電機轉(zhuǎn)動的方向。 圖 H橋電路 例如，如圖 所示， 當(dāng)三極管對 Q Q4 導(dǎo)通時，電流從 電源 正極經(jīng)過 Q1，流過電機，最后經(jīng)過 Q4 流向負(fù)極，電流流向是從左至右，驅(qū)動電機 順時針旋轉(zhuǎn)；當(dāng)三極管對 Q Q3 導(dǎo)通時，電流從電源正極經(jīng)過 Q3，流過電機，最后經(jīng)過 Q2流向負(fù)極，電流流向是從右至左，驅(qū)動電機逆時針旋轉(zhuǎn)。 第三章 硬件電路設(shè)計 16 圖 電機正轉(zhuǎn) 圖 電機反轉(zhuǎn) 可以直接用單片機的 I/O 口 給 L298N 提供控制信號 。 IN IN2 和 IN IN4分別接在兩組單片機引腳上控制邏輯信號， 然后單片機輸出 PWM 來控制使能端ENA 和 ENB 的占空比從而調(diào)整轉(zhuǎn)速， OUT OUT2 和 OUT OUT4 分別接兩個電機輸出。 L298N 電機控制引腳功能表如圖 所示。 直流電機 旋轉(zhuǎn)方式 IN1 IN2 IN3 IN4 調(diào)速 PWM信號 調(diào)速端 A 調(diào)速端 B M1 正轉(zhuǎn) 高 低 / / 高 / 反轉(zhuǎn) 低 高 / / 高 / 停止 低 低 / / 高 / M2 正轉(zhuǎn) / / 高 低 / 高 反轉(zhuǎn) / / 低 高 / 高 停止 / / 低 低 / 高 圖 L298N邏輯功能圖 電機驅(qū)動模塊的電路圖如圖 所示， IN IN IN IN4 直接接單片機引腳，單片機輸出兩路 PWM 給 ENA 和 ENB 端， VS 引腳接電源電壓，電壓范圍為+～ 46V， VSS 引腳接 5V 電壓，引腳 1 和 15 接地。 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 圖 L298N電路圖 灰度檢測模塊 灰度傳感器 包含 高亮 LED 和光敏電阻 兩部分 。 其基本電路是讓 LED 串聯(lián)一個限流電阻接在電源兩端，在電路中并聯(lián)的電阻起到分壓作用， LED 是光源，光敏電阻阻值隨光照強度變化而變化。 電路圖如圖 所示。地面顏色越深，吸收光線的能力越強，則光敏電阻接受到的反射光越弱，光敏電阻值越大 ，灰度傳感器的輸出電壓也越大；反之，地面灰度淺，輸出電壓小。 圖 灰度檢測電路 本設(shè)計選用的灰度傳感器實物圖如圖 所示，該模塊內(nèi)置 AD 轉(zhuǎn)換模塊，第三章 硬件電路設(shè)計 18 輸出方式為數(shù)字輸出，即 1 或 0 輸出，可以直接接單片機引腳根據(jù)電平高低判斷線路。 舵機控制 電路 舵機 連接到單片機的 電路如圖 ： 圖 舵機和單片機連接電路 舵機有三條線，一條電源線，一條底線，一條信號線，由單片機產(chǎn)生周期為20ms，脈寬 1～ 2ms 的信號，通過 PWM 設(shè)置占空比改變脈寬從而改變舵機旋轉(zhuǎn)角度。 舵機角度和脈寬的要求如圖 所示。 圖 舵機控制要求 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 碰撞開關(guān) 碰撞開關(guān)即微動開關(guān)， 它具有很小間隔的接點機構(gòu)，用一定的力可以連接接點完 成開關(guān)動作。本設(shè)計利用車體前安裝的微動開關(guān)檢測觸碰病床并返回。下圖是碰撞 開關(guān)原理結(jié)構(gòu)圖： 圖 碰撞 開關(guān)原理結(jié)構(gòu) 紅外光電開關(guān) 紅外光電開關(guān)是 一種 光電傳感器， 可以發(fā)射和接受光信號。 檢測距離可以根據(jù)要求進(jìn)行調(diào)節(jié)，本設(shè)計選用的傳感器 工作電壓 5V，長 5cm，直徑 17mm，有效距離 380cm 可調(diào)。 具有探測距離遠(yuǎn)、受可見光干擾小、價格便宜、易于裝配、使用方便等優(yōu)點 ，由于是數(shù)字輸出可以直接接單片機引腳，前方無障礙輸出高電平，有障礙輸出低電平。紅外光電 開關(guān) 與單片機連接圖如下： 圖 光電開關(guān)和單 片機連接電路第四章 軟件設(shè)計 20 第四章 軟件設(shè)計 小車運動控制算法 搬運機器人是由車體和機械臂兩部分組成。小車要循跡完整跑完賽道就需要有算法，依靠車體前方安裝的七路循跡傳感器和車體中間安裝的兩路循跡傳感器可以檢測道路信息并反饋給單片機，單片機對數(shù)據(jù)做出處理并控制小車行駛。 (1)直線行駛 ①只有傳感器 3在白線上 放 ,傳感器 5都不在白線上 當(dāng)只有傳感器 3引腳輸出低電平時，則傳感器 3檢測到白線，此時傳感器分布如圖 所示，小車保持直線行駛。 圖 傳感器 3在白線上 ②只有傳感器 2或 1在白線上方 當(dāng)只 有傳感器 2或 1引腳輸出低電平時，則傳感器 2或 1檢測到白線，此時傳感器分布如圖 、 所示，小車右偏，單片機控制 左輪電機減速 同時 右輪電機加速，小車向左修正。 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 圖 傳感器 2在白線上 圖 傳感器 1在白線上 ③只有傳感器 4或 5在白線上方 當(dāng)只有傳感器 4或 5引腳輸出低電平時，則傳感器 4或 5檢測到白線，此時傳感器分布如圖 、 所示，小車左偏，單片機控制左輪電機加速右輪電機減速，小車向右修正。 圖 傳感器 4在白線上 圖 傳感器 5在白線上 走直線的算法流程圖如圖 所示： 第四章 軟件設(shè)計 22 機 器 人 運 行傳 感 器 輸