【文章內(nèi)容簡介】 快，微分控制器輸出量就越大，并能在偏差值變大之前進行修正。微分作用的引入將有助于減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，加快系 統(tǒng)的跟蹤速度。但微分的作用對輸入信號的噪聲很敏感，在噪聲較大的系統(tǒng)一般不用微分環(huán)節(jié)。 沈陽工程學院課程設(shè)計（論文） 8 各部分的設(shè)計和元器件的選擇及介紹 系統(tǒng)硬件設(shè)計 迷宮機器人 控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，系統(tǒng)主要由電源模塊、電機及其驅(qū)動模塊、舵機模塊、 速度檢測模塊 、道路識別模塊 、調(diào)試模塊 和單片機模塊幾大部分構(gòu)成。智能賽車整體裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計框圖如 51下： 圖 51 硬件整體框圖 場地的設(shè)計 迷宮機器場地標準 迷宮場地共由 16*16 個網(wǎng)絡(luò)組成，起點在一角， 終點占據(jù)中央的四個網(wǎng)格。每個網(wǎng)格尺寸為 18cm*18cm(長 *寬 )，隔柵尺寸為 5cm*（高 *厚），上紅、測白、地板為黑色。迷宮機器人屬于自主型，不允許人為（包括無線）操控。迷宮機器人尺寸限制為 25cm*25cm（長 *寬），高度及重量不限。 場地的設(shè)計和加工 迷宮場地由如下部件組成：小方柱、隔柵、地板。迷宮的場地由復合木地板拼接而成。由于復合木地板地的標準尺寸是 *121cm，這里取小方柱和隔柵的寬度為 ，則迷宮的跑道恰好是 18cm，符合國際標準。這樣一來，用復合木地板 拼接迷宮的場地非常方便，工藝簡單，價格低廉。加工工具只需要尺子和手鉆即可。 由復合木地板可以很方便地拼接出 4* 5* 8* 10* 16*16 和 32*32 的迷宮等。 道路識別 程序調(diào)試 MC9S12DG128 單片機 速度檢測 舵 機 蜂鳴器 電 源 迷宮機器人設(shè)計 9 我所設(shè)計的迷宮圖案如 31 圖所示，有隔柵、小方柱、跑道等。設(shè)迷宮的平面表示如圖 52 所示，其中粗線表示迷宮的隔柵， A 位置表示迷宮的入口， B 位置表示為迷宮的出口。其中細線為走出迷宮的最佳路徑。 BBA 圖 52 迷宮圖案 路徑識別 路徑識別 是通過超聲波測距傳感器實現(xiàn)的。 在設(shè)計中我采用了五個超聲波距離傳感器，小車的最前端放置一個，后端放置兩個，左右兩側(cè)各一個。前端一個傳感器用來檢測是否有障礙物，是否到達路口；后端傳感器用于小車轉(zhuǎn)彎時位置的調(diào)整；左右兩端的傳感器用于檢測兩側(cè)是否有障礙物。傳感器的信息都將反饋給單片機，單片機就機器人所處的環(huán)境作出判斷。 超聲波距離傳感器測到障礙物時反饋的信息為 1，沒有檢測到信息反饋信息為 0。由于左、右和前傳感器是用來檢測障礙物的，所以傳感器的反饋信息共有八種情況。它的關(guān)系如下 53圖所示。這其中，單片機在判斷轉(zhuǎn)動方向時，硬性規(guī)定方向的優(yōu)先級依 次為前、左、右、后。 圖 53 傳感器反饋信息情況 左00001111前00110011右01010101沈陽工程學院課程設(shè)計（論文） 10 則反饋的信息為 000、 00 100、 101，單片機將作出反應，機器人向前行走；反饋的信息為 0 011，機器人向左行走；反饋的信息為 110，機器人向右行走；反饋的信息為111，機器人向后轉(zhuǎn)。 其路徑識別流程圖如 53所示。 圖 53 路徑識別流程圖 判斷傳感器向左行走向前行走是否為0 00、001 、1 00、 101向右行走向后行走停車開始Y YYNN是否為0 011 是否為1 10是否為終點N N NY迷宮機器人設(shè)計 11 沿跑道中線的運行 由于迷宮的跑道較窄，變化曲折，機器人經(jīng)常要轉(zhuǎn) 90 0、 18 等，這就需要迷宮機器人沿著跑道中線前進，否則就會撞到迷宮。如圖 54 所示。 迷 宮 機 器 人迷宮機器人迷宮機器人沿 跑 道 中 線 前 進沿 中 線 行 走 時可 以 順 利 轉(zhuǎn) 彎偏 離 中 線運 行 時 轉(zhuǎn)彎 會 發(fā) 生碰 撞 圖 54 機器人在迷宮跑到中運行的情況 電機 機器人的驅(qū)動方式 機器人驅(qū)動分為液壓、氣壓和電動三種形式。 液壓驅(qū)動：從運動形式來分分為直線驅(qū)動如直線運動液壓缸和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動如液壓馬達、擺動液壓缸。從控制水平的高低來分分為開環(huán)控制液壓系統(tǒng)和閉環(huán)控制液壓系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)具有較大的功率體積比，適合于大負載的情形。 液壓驅(qū)動的本質(zhì)優(yōu)點在于它的安全性。如噴漆時要 求 工作區(qū)域所帶電壓不超過 9V。 氣壓驅(qū)動：是一種最簡單的驅(qū)動方式。氣壓驅(qū)動元件有 直線氣缸，擺動汽缸及旋轉(zhuǎn)氣動馬達三種。氣壓驅(qū)動器件除了用壓縮空氣作為工作介質(zhì)外，其他與液壓驅(qū)動器件類似。它們本質(zhì)上基本相同，但因為空氣的可壓縮性及油的潤滑性，二者有一些細微的差別。氣壓驅(qū)動器結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠、價格便宜。但是由于它的可壓縮性，它的精度較差、可靠性較差，不能應用較高度場合。 電氣驅(qū)動：電氣驅(qū)動是利用各種電動機產(chǎn)生的力或力矩，直接減速機構(gòu)去驅(qū)動機器人的關(guān)節(jié)，以獲得所要求的位置、速度和加速度。電氣驅(qū)動具有無環(huán)境污染、 易于控制、運動精度高、成本低、驅(qū)動效率高等優(yōu)點應用廣泛。按照電機的工作原理不同分為步進電機、直流伺服電機、無刷電機等。按照控制水平的高低來分分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。 適合于中等負載，特別適合于動作復雜、運動軌跡嚴格的各類機器人。 電機的選擇 直流伺服電機具有啟動轉(zhuǎn)矩大、體積小、重量輕、轉(zhuǎn)速易控制、效率高等優(yōu)點。其缺點是有電刷和換向器，需要定期維護、更換電刷，電動機使用壽命段噪聲大。直流伺服電動機有小慣量直流伺服電動機和永磁直流伺服電動機。 沈陽工程學院課程設(shè)計（論文） 12 小慣量伺服電動機最大限度地減少了電樞的轉(zhuǎn)動慣量，所 以能獲得最好的快速性，在早期的數(shù)控機床上應用較多，現(xiàn)在也有應用。小慣量伺服電機一般都設(shè)計成有高的額定轉(zhuǎn)速和低的慣量，所以應用時，要經(jīng)過中間機械轉(zhuǎn)動。才能與絲杠相連接。 永磁直流伺服電動機的額定轉(zhuǎn)速很低，甚至可以在堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下運行。這樣低速運行的電動機，其轉(zhuǎn)軸可以和負載直接耦合，省去了減速器，簡化了結(jié)構(gòu)，提高了轉(zhuǎn)動精度。它的缺點是有電刷，限制了轉(zhuǎn)速的提高，一般額定轉(zhuǎn)速為 1000~1500r/min，而且結(jié)構(gòu)復雜，價格較貴。 我選用的是永磁式直流伺服電機作為執(zhí)行機構(gòu)。 電機的驅(qū)動 所謂 H橋驅(qū)動電路是為了 直流電機而設(shè)計的一種常見電路，它主要實現(xiàn)直流電機的正反向驅(qū)動，其典型電路形式如圖 55 所示。 M4S1S 2S3SsU 圖 55 H 橋典型電路 本設(shè)計用 H橋芯片 MC33886 驅(qū)動直流電機。由于電機啟動和快速加速時所需電流較大，采用兩片 MC33886 并聯(lián)工作。 MC33886 的 D2 和 D1 腳直接接地和接高電平，使 MC33886 按預設(shè)方式工作，用 PWM5 和 PWM0 作為輸入信號， OUT2 和 OUT1 分別為功率放大了的相應的輸出信號，控制電機轉(zhuǎn)動。通過調(diào)整 PWM5 和 PWM0 的占空比， 實現(xiàn)機器人的加速、減速，甚至制動（電機反轉(zhuǎn)實現(xiàn)制動）。 MC33886 驅(qū)動電路圖如圖 56所示。 迷宮機器人設(shè)計 13 圖 56 MC33886驅(qū)動電路圖 傳感器選擇 超聲波距離傳感器原理及組成 超聲波距離傳感器是由發(fā)射器和接收器構(gòu)成的，幾乎所有超聲波距離傳感器的發(fā)射器和接收器都是利用壓電效應制成的。其中，發(fā)射器是利用給壓電晶體加一個外加電場時，晶片將產(chǎn)生應變（壓電逆效應）這一原理制成的；接收器的原理是，當給晶片加一個外力使其變形時，在晶體的兩面會產(chǎn)生與應變量相當?shù)碾姾桑▔弘娬?應），若應變方向相反則產(chǎn)生電荷的極性反向。 利用超聲波可以實現(xiàn)對遠處物體的非接觸式探測。機器人超聲波探測并非檢測超聲波本身，而是借助超聲波反射測量空間物體的距離和位置。聲波在空氣中的傳播速度較慢，約為每毫秒 1英尺。由于聲波在傳播過程中碰到物體后能夠產(chǎn)生回波，因此可以想雷達一樣測出傳感器與物體之間的距離。超聲波距離傳感器的檢測方式有脈沖回波式和 FMCW 兩種。脈沖回波式的檢測原理如圖所示。將調(diào)制后的超聲波脈沖發(fā)射出去，若能檢測到被測物體反射回來的超聲波回波延遲時間 ， 即可計算出被測物體的距離。 計 算公式 R=V*△ t/2。式中 R表示距離， V為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度， △ t 表示渡越時間。其原理圖如圖 57所示： 圖 57 超聲波距離傳感器 被測對象功率放大器前置放大器振蕩器檢波電路發(fā)射脈沖產(chǎn)生電路時間差檢測電路R超聲波報子距離信息PP31PP22P W M 1 / P P 13P W M 0 / P P 04P K 35P K 26P K 17P K 08I O C 0 / P T 09I O C 1 / P T 110I O C 2 / P T 211I O C 3 / P T 312VDDF13V S S 114I O C 4 / P T 415P T 516P T 617I O C 7 / P T 718P K 519P K 420P J 121P J 022M O D C23P B 024P B 125P B 226P B 327P B 428PB529PB630PB731PH732PH633PH534PH435PE736PE637PE538PE439VSSX240VDDX241RESET42VDDR43VSS344VSSPLL45EXTAL46XTAL47VDDPLL48PH349PH250PH151PH052PE353PE254PE155PE056P A 057P A 158P A 259P A 360P A 461P A 562P A 663P A 764VDD65V S S 266P A D 0 0 / A N 0 067P A D 0 8 / A N 0 868P A D 0 1 / A N 0 169P A D 0 9 / A N 0 970P A D 0 2 / A N 0 271P A D 1 0 / A N 1 072P A D 0 3 / A N 0 373P A D 1 1 / A N 1 174P A D 0 4 / A N 0 475P A D 1 2 / A N 1 276P A D 0 5 / A N 0 577P A D 1 3 / A N 1 378P A D 0 6 / A N 0 679P A D 1 4 / A N 1 480P A D 0 7 / A N 0 781P A D 1 5 / A N 1 582VDDA83V R H 84VRL 85VSSA86PM787PM688PS089PS190PS291PS392PS493PS594PS695PS796TEST97PJ798PJ699PM5100PM4101PM3102PM2103PM1104PM0105VSSX1106VDDX1107PK7108PP7109PP6110PP5111PP4112U1M C 9 S 1 2 X S 1 2 8 M A LC 1 9C 2 2 C 2 610uFL1100uHR10C 2 0C 2 3 C 2 710uFL2100uHC 3 3C 3 0220nFC 2 9220nFC 3 2R 1 11KD1LEDR 1 21KD2L