掃地機(jī)的智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(編輯修改稿)
2024-08-30 12:44 本頁面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 主要有測(cè)速發(fā)電機(jī)、加速度計(jì)、編碼器、陀螺儀、電子羅盤等。外傳感器負(fù)責(zé)采集系統(tǒng)外部環(huán)境信息,比如圖像、距離、受力等。這類傳感器包括CCD視覺傳感器、超聲波傳感器、紅外傳感器、力傳感器等。掃地機(jī)傳感器系統(tǒng)的主要任務(wù)是提供工作環(huán)境下的障礙物信息，以實(shí)現(xiàn)掃地機(jī)的自主避障。由此可見，傳感器的選擇直接關(guān)系到清掃機(jī)自動(dòng)避障策略的選擇和執(zhí)行質(zhì)量。對(duì)工作環(huán)境下的障礙物信息，可以通過外部傳感器獲得，移動(dòng)機(jī)器人上常用的探測(cè)障礙物的傳感器主要有超聲波傳感器、紅外光電傳感器、接觸傳感器和視覺傳感器等幾種。超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動(dòng)頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)。超聲波對(duì)液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測(cè)廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國(guó)防、生物醫(yī)學(xué)等方面。超聲波傳感器通過計(jì)算超聲波的發(fā)射接收時(shí)間間隔實(shí)現(xiàn)定量測(cè)距。超聲波傳感器波束較寬，方向性差，但是其環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，探測(cè)距離遠(yuǎn)，采集信息速度快，且比一般視覺傳感器和激光測(cè)距儀都要便宜，因此在許多方面得到廣泛應(yīng)用。紅外光電傳感器具有探測(cè)視角小、方向性好、信號(hào)處理簡(jiǎn)單和反映速度快等優(yōu)點(diǎn)，但是其受環(huán)境影響較大，當(dāng)探測(cè)頭被灰塵等污染后，其探測(cè)性能將大大下降。紅外光電傳感器是各種光電檢測(cè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，它是把光信號(hào)（紅外、可見及紫外光輻射）轉(zhuǎn)變成為電信號(hào)的器件。紅外光電傳感器是采用光電元件作為檢測(cè)元件的傳感器。它首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。紅外光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成。光電檢測(cè)方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，而且可測(cè)參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形式靈活多樣，它的探測(cè)距離比較近，從幾個(gè)毫米到幾十厘米不等。因此,光電式傳感器在檢測(cè)和控制中應(yīng)用非常廣泛。接觸傳感器通過與被測(cè)物體的接觸來確定被測(cè)物體的相關(guān)信息，如物體的存在與否、物體的形狀和位置、接觸面的壓力分布及大小等等。接觸傳感器主要有限位開關(guān)、接觸開關(guān)等，這些傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、信號(hào)易處理、適應(yīng)能力強(qiáng)且價(jià)格低廉。由于超聲波傳感器、紅外光電傳感器和接觸傳感器都具有價(jià)格低廉、工作可靠、速度快等優(yōu)點(diǎn),因此廣泛應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)器人的局部導(dǎo)航。經(jīng)過對(duì)比分析，本設(shè)計(jì)方案采用超聲波傳感器、紅外光電傳感器和接觸開關(guān)、三種傳感器來構(gòu)建清掃機(jī)器的傳感器系統(tǒng)。將這些傳感器合理布置在清掃機(jī)周邊位置上，通過相應(yīng)的信號(hào)處理電路與微處理器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，控制系統(tǒng)根據(jù)獲得的傳感器系統(tǒng)信息做出避障決策，實(shí)現(xiàn)自主避障。 測(cè)速裝置模塊測(cè)速信號(hào)通過在電機(jī)的轉(zhuǎn)子上加裝帶有黑白條紋的圓盤，再利用光電開關(guān)得到電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生若干個(gè)脈沖信號(hào)，據(jù)此可以算出電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。這種簡(jiǎn)易的光電開關(guān)測(cè)速法成本低，性能可靠，可以在電機(jī)轉(zhuǎn)速不高，精度沒有嚴(yán)格要求的情況下使用，這種測(cè)速裝置可以構(gòu)成里程計(jì)。根據(jù)里程計(jì)的返回脈沖數(shù)可以計(jì)算出電機(jī)行走的距離，并間接得到行走速度。 EW462內(nèi)部原理示意圖 碰撞檢測(cè)碰撞檢測(cè)采用霍爾元件 EW462，芯片的內(nèi)部原理框圖如圖34所示，芯片的工作方式如圖35所示。芯片的供電電壓范圍為 ~18V，靈敏度高，阻抗低，工作的最大輸出電流為 15mA。當(dāng)芯片的正上方有S極磁場(chǎng)時(shí)，霍爾元件輸出高電平，當(dāng)元件偏離磁場(chǎng)后，元件輸出低電平。通過控制霍爾元件正上方的磁場(chǎng)極性，可以控制元件輸出信號(hào)的變化趨勢(shì)。當(dāng)極性相反時(shí)，元件在偏離磁場(chǎng)時(shí)為高電平，正對(duì)磁場(chǎng)時(shí)為低電平。 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器就是驅(qū)動(dòng)掃地機(jī)的動(dòng)力部件，最常用的就是電機(jī)。掃地機(jī)最主要的控制量就是控制掃地機(jī)的移動(dòng)，掃地機(jī)驅(qū)動(dòng)器中最根本的問題就是控制電機(jī)，控制電機(jī)轉(zhuǎn)的圈數(shù)就可以控制掃地機(jī)移動(dòng)的距離和方向、清掃機(jī)械的彎曲的程度或者移動(dòng)的距離等。所以，第一個(gè)要解決的問題就是如何讓電機(jī)能根據(jù)自己的意圖轉(zhuǎn)動(dòng)。一般有專門的控制卡和控制芯片來進(jìn)行控制。有了這些控制卡和芯片，然后把微控制器與其連接起來就可以用程序來控制電機(jī)。第二個(gè)問題是控制電機(jī)的速度，在掃地機(jī)上的實(shí)際表現(xiàn)就是它的實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度，掃地機(jī)走的快慢全靠電機(jī)的轉(zhuǎn)速，這樣就要求控制卡對(duì)電機(jī)有速度控制。機(jī)器人的工作電機(jī)分為行走、吸塵和毛刷電機(jī)。機(jī)器人行走結(jié)構(gòu)中前面有一個(gè)從動(dòng)轉(zhuǎn)向輪，兩側(cè)各有一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，由無刷直流電機(jī)進(jìn)行控制。清掃結(jié)構(gòu)主要使用真空吸塵器和由電機(jī)帶動(dòng)的旋轉(zhuǎn)毛刷。永磁無刷電動(dòng)機(jī)具有效率高，功率大，體積小，控制精度高等明顯特點(diǎn)在機(jī)器人領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。無刷直流電機(jī)具有良好的調(diào)速性能，由于它采用電子換向，脈寬調(diào)制脈沖調(diào)速，在進(jìn)一步提高直流電機(jī)性能的同時(shí)，又克服了直流電機(jī)傳統(tǒng)機(jī)械換向帶來的一系列問題，從而大大延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命。直流無刷電機(jī)控制電路主要有控制電路微處理器、數(shù)字信號(hào)處理器和專用集成電路等3種方式。使用單片機(jī)輔以外圍處理電路的方法，其測(cè)頻、換相、控制調(diào)節(jié)等均由軟件實(shí)現(xiàn)。選用單片機(jī)軟件編程的方法控制無刷直流電機(jī)。吸塵器內(nèi)的風(fēng)機(jī)和帶動(dòng)毛刷的電機(jī)都使用直流電機(jī)，由于不需要調(diào)速、換向，因此控制方法比較簡(jiǎn)單。 主從動(dòng)輪分布圖電機(jī)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖32，它決定了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)空間，采用輪式結(jié)構(gòu)。其中左右輪為主動(dòng)輪，需要用可調(diào)速的電機(jī)控制，前面的轉(zhuǎn)向輪為從動(dòng)輪，便于機(jī)器人的轉(zhuǎn)向。 直流電動(dòng)機(jī)具有良好的線性調(diào)速特性、簡(jiǎn)單的控制性能、較高的效率、優(yōu)良的動(dòng)態(tài)特性，所以一直占據(jù)著調(diào)速控制的統(tǒng)治地位。雖然近年不斷受到其他電動(dòng)機(jī)如交流變頻電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的挑戰(zhàn)，但直流電動(dòng)機(jī)仍然是許多調(diào)速控制電動(dòng)機(jī)的最優(yōu)選擇，在生產(chǎn)、生活中仍有著廣泛的應(yīng)用。采用廣泛應(yīng)用的脈寬調(diào)制技術(shù)控制電動(dòng)機(jī)電樞的電壓。所謂 PWM 控制技術(shù)，就是通過控制半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，把直流電壓變成電壓脈沖序列并通過控制電壓脈沖寬度或周期以達(dá)到變壓的目的。產(chǎn)生PWM信號(hào)常用的 4 種方法如下：(1)分立電子元件組成的PWM信號(hào)發(fā)生器。這種方式是用分立的邏輯電子元件組成信號(hào)電路，是較早采用的方法，可靠性、可調(diào)性較差；(2)軟件模擬式。利用單片機(jī)的一個(gè)I/O引腳，通過軟件對(duì)該引腳輸出高低電平來模擬PWM波，該方法占用CPU的時(shí)間較多，控制軟件較復(fù)雜；(3)專用PWM集成電路。采用專用的 PWM 集成電路芯片，該方法功能強(qiáng)，但增加了調(diào)速系統(tǒng)的成本開銷；(4)單片機(jī)的PWM口。新一代的許多單片機(jī)具有PWM調(diào)速功能。通過單片機(jī)的初始化設(shè)置，使其自動(dòng)發(fā)生脈沖波，只有在改變脈沖寬度時(shí)才進(jìn)行干預(yù)，該方法控制直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速簡(jiǎn)單、
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