【文章內容簡介】 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量，克服振蕩，使系統趨于穩(wěn)定，加快系 統的跟蹤速度。但微分的作用對輸入信號的噪聲很敏感，在噪聲較大的系統一般不用微分環(huán)節(jié)。 沈陽工程學院課程設計（論文） 8 各部分的設計和元器件的選擇及介紹 系統硬件設計 迷宮機器人 控制系統采用模塊化設計，系統主要由電源模塊、電機及其驅動模塊、舵機模塊、 速度檢測模塊 、道路識別模塊 、調試模塊 和單片機模塊幾大部分構成。智能賽車整體裝置結構設計框圖如 51下： 圖 51 硬件整體框圖 場地的設計 迷宮機器場地標準 迷宮場地共由 16*16 個網絡組成，起點在一角， 終點占據中央的四個網格。每個網格尺寸為 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 程序調試 MC9S12DG128 單片機 速度檢測 舵 機 蜂鳴器 電 源 迷宮機器人設計 9 我所設計的迷宮圖案如 31 圖所示，有隔柵、小方柱、跑道等。設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的。 在設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彎時位置的調整；左右兩端的傳感器用于檢測兩側是否有障礙物。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。它的關系如下 53圖所示。這其中，單片機在判斷轉動方向時，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。 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，機器人經常要轉 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 彎偏 離 中 線運 行 時 轉彎 會 發(fā) 生碰 撞 圖 54 機器人在迷宮跑到中運行的情況 電機 機器人的驅動方式 機器人驅動分為液壓、氣壓和電動三種形式。 液壓驅動：從運動形式來分分為直線驅動如直線運動液壓缸和旋轉驅動如液壓馬達、擺動液壓缸。從控制水平的高低來分分為開環(huán)控制液壓系統和閉環(huán)控制液壓系統。液壓系統具有較大的功率體積比，適合于大負載的情形。 液壓驅動的本質優(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。 氣壓驅動：是一種最簡單的驅動方式。氣壓驅動元件有 直線氣缸，擺動汽缸及旋轉氣動馬達三種。氣壓驅動器件除了用壓縮空氣作為工作介質外，其他與液壓驅動器件類似。它們本質上基本相同，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。氣壓驅動器結構簡單、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。 電氣驅動：電氣驅動是利用各種電動機產生的力或力矩，直接減速機構去驅動機器人的關節(jié)，以獲得所要求的位置、速度和加速度。電氣驅動具有無環(huán)境污染、 易于控制、運動精度高、成本低、驅動效率高等優(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)控制系統和閉環(huán)控制系統。 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矩大、體積小、重量輕、轉速易控制、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計（論文） 12 小慣量伺服電動機最大限度地減少了電樞的轉動慣量，所 以能獲得最好的快速性，在早期的數控機床上應用較多，現在也有應用。小慣量伺服電機一般都設計成有高的額定轉速和低的慣量，所以應用時，要經過中間機械轉動。才能與絲杠相連接。 永磁直流伺服電動機的額定轉速很低，甚至可以在堵轉狀態(tài)下運行。這樣低速運行的電動機，其轉軸可以和負載直接耦合，省去了減速器，簡化了結構，提高了轉動精度。它的缺點是有電刷，限制了轉速的提高，一般額定轉速為 1000~1500r/min，而且結構復雜，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。 電機的驅動 所謂 H橋驅動電路是為了 直流電機而設計的一種常見電路，它主要實現直流電機的正反向驅動，其典型電路形式如圖 55 所示。 M4S1S 2S3SsU 圖 55 H 橋典型電路 本設計用 H橋芯片 MC33886 驅動直流電機。由于電機啟動和快速加速時所需電流較大，采用兩片 MC33886 并聯工作。 MC33886 的 D2 和 D1 腳直接接地和接高電平，使 MC33886 按預設方式工作，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，控制電機轉動。通過調整 PWM5 和 PWM0 的占空比， 實現機器人的加速、減速，甚至制動（電機反轉實現制動）。 MC33886 驅動電路圖如圖 56所示。 迷宮機器人設計 13 圖 56 MC33886驅動電路圖 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，在晶體的兩面會產生與應變量相當的電荷（壓電正效 應），若應變方向相反則產生電荷的極性反向。 利用超聲波可以實現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