【文章內(nèi)容簡介】 我們所選的電機(jī)是瑞士MAXON公司的空心杯無刷直流電機(jī)EC45 (136207)，電機(jī)性能參數(shù)如下:額定電壓:24V。額定功率:250W。額定電流:7. 47A 。額定轉(zhuǎn)速:4520rpm；最大連續(xù)轉(zhuǎn)矩:310mNm。轉(zhuǎn)子慣量:209gcm2.3爬樓梯機(jī)器人小車的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模及通過性分析3. 1爬樓機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析爬樓機(jī)器人在平地及越障等運(yùn)動(dòng)軌跡從宏觀上看是曲線運(yùn)動(dòng)，但是從微觀上它可以看成是由很多直線與圓弧、不同方向的直線、不同方向圓弧之間的擬合。所以軌跡控制的關(guān)鍵在于任意方向的直線運(yùn)動(dòng)以及任意方向圓的運(yùn)動(dòng)控制。為了便于分析，提出了如下假設(shè):(1)車體，驅(qū)動(dòng)輪與地面均為剛體。(2)車輪的厚度忽略不計(jì)。(3)每個(gè)車輪組的四個(gè)小車輪簡化成一個(gè)車輪且車子底盤重心與中心重合。(4)每個(gè)車輪與地面只發(fā)生純滾動(dòng)，即每瞬時(shí)與地面接觸點(diǎn)的速度都等于零。 機(jī)器人小車模型的簡化選擇固定在車體中心的坐標(biāo)系XOY，如圖所示。由于車輪組左右前后是對稱分布的，根據(jù)假設(shè)，每個(gè)車輪與地面之間只發(fā)生純滾動(dòng)，因此可得出如下結(jié)論:VL1=VL2=VL ()VR1=VR2 =VR () 其中，VL表示左側(cè)輪子移動(dòng)的速度矢量，VR表示右側(cè)輪子移動(dòng)的速度矢量，由式(), ()可以看出，只要知道了前面2個(gè)輪子或者后面2個(gè)輪子的速度值和方向，就可以得到機(jī)器人所有4個(gè)輪子的速度和方向，據(jù)此，可將機(jī)器人模型進(jìn)一步簡化，用一個(gè)2輪模型來加以分析。圖3. 1機(jī)器人小車坐標(biāo)系， a表示兩側(cè)輪子與原點(diǎn)O的橫向距離。b表示兩側(cè)輪子與原點(diǎn)之間的縱向距離。θ表示兩側(cè)輪子與原點(diǎn)的連線和橫向之間的夾角。θ的大小可由如下關(guān)系求出: θ=arctan(b/a) （） 3. 1. 2機(jī)器人模型的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析由于機(jī)器人不具有側(cè)向移動(dòng)機(jī)構(gòu)，因此要讓機(jī)器人一次實(shí)現(xiàn)側(cè)向的移動(dòng)是不切實(shí)際的，但是可以把這種移動(dòng)分解為自轉(zhuǎn)加直線前進(jìn)或者自轉(zhuǎn)加圓弧前進(jìn)來實(shí)現(xiàn)?？梢灾溃辛俗赞D(zhuǎn)、直線前進(jìn)、圓弧前進(jìn)這三組基本的運(yùn)動(dòng)單元，就可以實(shí)現(xiàn)任意曲線的行走。以下將分別就這3個(gè)基本運(yùn)動(dòng)單元來分別加以介紹。 1)機(jī)器人自轉(zhuǎn) 設(shè)機(jī)器人自轉(zhuǎn)的角速度為β(以逆時(shí)針方向?yàn)檎?，則車體的運(yùn)動(dòng)與驅(qū)動(dòng)輪的運(yùn)動(dòng)之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系如下:VLcosθ=a2+b2β ()VRcosθ=a2+b2β ()由式(()可得出cosθ=aa2+b2所以上式可簡化成:VL=[(a2+b2)/a]β ()VR=[(a2+b2)/a]β ()由此可得出所有輪子繞質(zhì)心自轉(zhuǎn)時(shí)的速度和方向情況。(2)直線前進(jìn)設(shè)機(jī)器人前進(jìn)的速度為?，則車體的運(yùn)動(dòng)與驅(qū)動(dòng)輪的運(yùn)動(dòng)之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系如下:VL=? () VR=? ()可以看出，直線前進(jìn)時(shí)，所有輪子的速度大小和方向相同，都等于車體運(yùn)動(dòng)的方向和速度 (3)圓弧前進(jìn) 設(shè)機(jī)器人小車弧線的圓弧半徑為R(即圓心到機(jī)器人質(zhì)心的距離)，其質(zhì)心繞圓弧前進(jìn)的角速度為ω，則車體的運(yùn)動(dòng)與驅(qū)動(dòng)輪的運(yùn)動(dòng)之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系如下: VLcosθ1=(Ra)2+b2ω () VRcosθ2=(Ra)2+b2ω ()式中θ1表示圓弧圓心與左輪的連線和X軸向間的夾角，θ2表示圓弧圓心與右輪的連到和X軸向間的夾角，:θ1和θ2可由如下關(guān)系求得:θ1=tan1b(Ra) (3 .12)θ2=tan1b(R+a) ()把它們帶入上面的方程組，得:。VL=Ra2+b2/Ra ω (3 .14)VR=R+a2+b2/R+a ω ()將以上三種情況的計(jì)算結(jié)果帶入式(),()，即可得到所有情況下的4個(gè)車輪組在二維平面的速度大小與方向。3. 2. 1可跨越最大垂直障礙高度爬樓機(jī)器人小車除具有強(qiáng)勁的爬樓能力外，當(dāng)然也具備一定的越障能力，下面我們分析一下車輪組的越障能力， 圖中:a障礙物高度。 b障礙物寬度。一車輪組小車輪半徑。 R一為車輪組中心軸到小車輪圓心的距離。車輪組要攀爬上障礙物，必須滿足以下關(guān)系: a≤2R2r2 ()為保證越障時(shí)，障礙物不致卡死于兩車輪之間，并且越障后的前輪能與障礙物可靠接觸，障礙物的寬度要滿足如下要求：r+b2+a2≥2R2即：b≥2R2a2r ()根據(jù)我們制作的物理樣機(jī)參數(shù)R=180mm, r=80mm，經(jīng)式()和()可知，機(jī)器人輪組最大越障高度:amaX =198mm。越障寬度要求:bmaX =8Omm.3. 2. 2最小轉(zhuǎn)彎半徑 最小轉(zhuǎn)彎半徑在很大程度上表征了車輛繞開不可逾越的障礙物和在最小空間內(nèi)回轉(zhuǎn)的能力，因而它對越障性有很大影響。由前面我們對本機(jī)器人小車模型的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，小車能實(shí)現(xiàn)自轉(zhuǎn)、直線前進(jìn)、圓弧前進(jìn)這三組基本的運(yùn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)任意曲線的行走。它不僅可以實(shí)現(xiàn)較小的轉(zhuǎn)彎半徑，而且還可以原地轉(zhuǎn)彎。因此，本機(jī)器人車體的最小轉(zhuǎn)彎半徑min為0。4 小車遙控裝置設(shè)計(jì)無人越野小車遙控裝置采用紅外線裝置，為便于在復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境下進(jìn)行作業(yè)。紅外線是波長約大于770mm的不可見光，如下圖10。將發(fā)射紅外線的發(fā)光二極管（LED）和感知紅外線的接收模塊組合在一起就可以實(shí)現(xiàn)紅外線通信。圖10紅外線發(fā)送裝置為LED燈。紅外線接收模塊這里采用TFK4，由接收PIN二極管，電壓控制電路，帶通濾波電路，解調(diào)電路等組成的集成電子單元。在未接收到紅外光線前它的輸出為“1”，接收到紅外光線后輸出為“0”，這種現(xiàn)象被稱為“低電平激活”。應(yīng)用紅外線接收模塊通信時(shí)，必須將所使用的紅外線設(shè)置成頻率40KHz的方波形式，即1秒鐘內(nèi)斷續(xù)的發(fā)送紅外線4萬次，這種調(diào)制方式被稱為脈沖周期調(diào)制（PPM）。根據(jù)下式可得1個(gè)方波中為“1”。如下圖11。周期 （51） （52）圖11當(dāng)向紅外線接收模塊輸入“1”，紅外線LED則以600μs的持續(xù)時(shí)間閃亮（向外發(fā)送紅外線）；當(dāng)輸入信號“0”時(shí)，紅外線LED持續(xù)停止工作600μs。如下圖12表示向接收模塊輸入長度為3位信號“101”，每一位時(shí)間對應(yīng)600μs。為了適應(yīng)低電平激活的特點(diǎn)應(yīng)該將輸入信號反轉(zhuǎn)后輸出。當(dāng)輸入信號為“1”時(shí)，不過從接收模塊輸出的則是一個(gè)持續(xù)600μs的方波。故紅外LED的40KHz頻率閃亮，而在接收模塊的內(nèi)置電路中得到平滑化。圖12故而在發(fā)送器一側(cè)，應(yīng)該根據(jù)被發(fā)送信號來控制紅外線LED的點(diǎn)亮和熄滅；而接收器一側(cè)，應(yīng)該大約按照600μs的周期間隔讀取接收模塊輸出的信號。所以在遙控器電路中我們使用PIC微控制器。如下圖13。圖13 此遙控器設(shè)計(jì)基于PIC微控制器的紅外發(fā)送器和接收器。如下圖14為小車遙控器的構(gòu)成概念圖。我的設(shè)計(jì)為發(fā)送器準(zhǔn)備了5個(gè)按扭，每個(gè)按扭控制一種動(dòng)作。 圖14 紅外線遙控裝置的發(fā)送器如下圖15為遙控小車發(fā)送器電路圖，可指揮小車前進(jìn)、后退、右轉(zhuǎn)、左轉(zhuǎn)和停止。電路由PIC16F84A20微控制器，78L05三引角穩(wěn)壓器，10MHz石英震蕩器，一系列電容，開關(guān)等組成。 圖15如下圖16可知，在發(fā)送器一側(cè)，每次發(fā)送十位數(shù)據(jù)，第一位開始位（“1”），其后四位為發(fā)送數(shù)據(jù)，最后5位為停止數(shù)據(jù)。圖中標(biāo)示出的4位動(dòng)作數(shù)據(jù)與接收器一側(cè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的輸入信號相對應(yīng)。其中前2位作為右電機(jī)，后面2位作為左電機(jī)的旋轉(zhuǎn)控制信號。上面所說5個(gè)動(dòng)作用3位數(shù)據(jù)同樣可以表達(dá)，3位數(shù)據(jù)最大可表示8個(gè)動(dòng)作。如果發(fā)送器傳輸?shù)膭?dòng)作數(shù)據(jù)為3位，接收器可將其轉(zhuǎn)化為4位動(dòng)作數(shù)據(jù)，與電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片輸入信號相對應(yīng)。 圖16 紅外線遙控裝置的接收器遙控小車關(guān)鍵在小車的接收電路。在收到信號后，由接收電路接收動(dòng)作數(shù)據(jù)指引小車運(yùn)動(dòng)，如下圖17為接收電路。接收電路中多了電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片TA7257P，紅外線接收模塊TFK4，其它部件與發(fā)送電路所使用基本相同?？紤]到夜晚使用越野小車，我又設(shè)計(jì)用兩只賽車專用小燈泡，兩只ＬＥＤ燈按下圖所示紅線安裝，小燈泡作遙控車的前大燈使用，ＬＥＤ為倒車燈。當(dāng)車子前進(jìn)時(shí)，大燈亮，ＬＥＤ反偏不亮；倒車時(shí)在前大燈亮著的同時(shí)，ＬＥＤ為正偏也亮起來作倒車燈使用。 圖17在這里需注意遙控小車接收器從3引腳穩(wěn)壓芯