【導讀】用單片機控制電機實現(xiàn)機器人小車的左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎、前進和停止等動作。論文內(nèi)容包括四個部分：簡要介紹了移動機器人研究背景、意義、現(xiàn)狀及發(fā)展前景，計和視覺系統(tǒng)設計。送至單片機進行處理，然后由單片機根據(jù)所檢測的各種數(shù)據(jù)實現(xiàn)對電動車的智能控制。

　　

【正文】 d 92 ? ③ 3d 其上安裝有滾動軸承，考慮實際工作情況，軸承需承受一定沖擊載荷， 選取深溝球軸承 選擇軸承代號 180200：軸承內(nèi)徑 10mm，外徑 30mm。 所以此軸段 mmd 103 ? ④ 4d 此軸段為軸環(huán)， mmhdd )~()~(210234 ?????? 由結構考慮取 mmd ? ⑤ 5d 此段安裝圓螺母，取 mmd ? ⑥ 6d 此段裝有軸承，取 mmd 106 ? ⑦ 7d 此段裝有 小齒輪 ， mmd 127 ? （ 3)確 定軸的各段長度： ① 1l 此段裝有帶輪 mmdl )12~9(6)2~()2~( ???? ，考慮實際情況取mml 111 ? ② 2l 其上裝有氈圈，軸承端蓋，氈圈寬度 2mm，考慮結構選 mml ? ③ 3l 此段安裝軸承、防塵環(huán)，軸承寬度 9mm，防塵環(huán)寬度 1mm，取 mml 103 ? ④ 4l 此段為軸環(huán)長度取 mml 34 ? ⑤ 5l 此段裝圓螺母和止動墊圈，取 mml 65 ? 青島理工大學琴島學院本科畢業(yè)設計說明書（論文） 23 ⑥ 6l 此段裝有軸承跟防塵環(huán)，取長度 mml 96 ? ⑦ 7l 此段安裝 小齒輪 ，根據(jù) 小齒輪寬度 選取 mml 177 ? ，其中包括 2mm 的退刀槽。 傳動軸的結構圖如下圖 41 所示 圖 33齒輪軸 三、 從動軸 的設計 ： 輸 入功率 P=,軸的轉(zhuǎn)速 n3=60r/min，工作載荷比較平穩(wěn)。 （ 1）估算軸頸 ①選擇軸的材料：選用 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理， σb=610MPa， σs=360MPa。 ②初步估算軸外伸端直徑 按扭轉(zhuǎn)強度計算： d 30 npA? （ 32） 式中： d—計算截面處軸的直徑， mm； n—軸的轉(zhuǎn)速， r/min； p—軸傳遞的額定功率， kw； A0—按 [τ]定的系數(shù)。 由參考文獻 [14]查得 A0=115，額定功率 p=，軸的轉(zhuǎn)速 n=360r/min,則d 30 npA?=。 ③當軸截面上開有鍵槽時，應增大軸頸以考慮鍵槽對軸強度的削弱 取 dmin=40mm 作為軸外伸端直徑，其他部分根據(jù)畫圖設計情況及軸承的選擇情況進行設計。 （ 2）從動軸的結構設計 1)確定軸的各段直徑： ①初估軸的最小直徑 mind : mmnPAd 2 7 1 5 33 ????? (33) 青島理工大學琴島學院本科畢業(yè)設計說明書（論文） 24 查表取 A=115 考慮軸上開鍵槽，對軸強度有削弱計算值放大 4%～ 5%，得 mmd ? ，取 mmd 101 ? ② 2d 軸段 21 dd? 有定位軸肩 mmhdd )14~()2~(210212 ?????? dh )~(? 取 mmd 132 ? ③ 3d 其上安裝有滾動軸承，考慮實際工作情況，軸承需承受一定沖擊載荷，選取深溝球軸承， 選 擇軸承代號 180302：軸承內(nèi)徑 15mm，外徑 42mm。 所以此軸段 mmd 153 ? ④ 4d 此軸段為軸環(huán)， mmhdd )~()~(215234 ?????? 由結構考慮取 mmd ? ⑤ 5d 此段安裝圓螺母 ， 取 mmd ? ⑥ 6d 此段裝有軸承，取 mmd 156 ? ⑦ 7d 此段裝有 大齒輪 ，由結構選取 mmd ? 2)確定軸的各段長度： ① 1l 此段裝有帶輪 mmdl )20~15(10)2~()2~( ???? ，考慮實際情況取mml 181 ? ② 2l 其上裝有氈圈，軸承端蓋，氈圈寬度 2mm，考慮結構選 mml 162 ? ③ 3l 此段安裝軸承、防塵環(huán)，軸承寬度 13mm，防塵環(huán)寬度 1mm，取 mml 143 ? ④ 4l 此段為軸環(huán)長度取 mml 54 ? ⑤ 5l 此段裝圓螺母和止動墊圈，取 mml 115 ? ⑥ 6l 此段裝有軸承跟防塵環(huán)，取長度 mml 136 ? ⑦ 7l 此段安裝 大齒輪 ，根據(jù) 大齒輪寬度 選取 mml 147 ? ，其中包括 2mm 的退 刀槽 。 （ 3）驗算軸的彎扭組合強度 軸在載荷作用下，將會產(chǎn)生彎曲或扭轉(zhuǎn)變形，若變形量超過允許的限度，將會影響軸上零件的正常工作，甚至會喪失機器的工作性能。 齒輪切向力 Ft =，徑向力 Fr =，軸向力 Fa =61N， 3rF =。 青島理工大學琴島學院本科畢業(yè)設計說明書（論文） 25 圖 34 從動軸受力圖 圖 35從動軸的力及彎矩圖 在 V 面上： xF? =0， xrF1 + xrF2 = 3rF + rF ； （ 34） AM? =0， xrF1 102+ xrF2 2254 156=0 （ 35） 由（ 34）（ 35）得 xrF1 =， xrF2 =， Mv =mm 。 在 H 面上： yF? =0， yrF1+ yrF2 =tF （ 36） cM? =0, yrF1 54 yrF2 69=0 （ 37） 由（ 36）（ 37）得 yrF1 =， yrF2 =， MH =mm 。 總彎矩 M= 22 vH MM ? =153400 Nmm 當量應力為： ca? =WM = W TM 22 )(?? =322 )(d TM ?? （ 38） 式中 σ ca－軸的計算應力，單位 MPa； M－所受的彎矩， Nmm ； T－所受的扭矩， Nmm ；W－軸的抗彎截面系數(shù)， mm3。 當扭轉(zhuǎn)切應力為靜應力時，取 α ＝ 。因此，最大截面處的當量應力σ 1=24MPa[σ 1]，符合條件。 鍵聯(lián)接的選擇及校核計算 輸出軸與大齒輪聯(lián)接用平鍵聯(lián)接 軸徑 d1=10mm,L1=18mm 青島理工大學琴島學院本科畢業(yè)設計說明書（論文） 26 查手冊得，選用 C型平鍵，得： 鍵型號為： C 4 4 GB109679 l=L1b=184=14mm T2= m h=4mm 根據(jù) 公 式得 σ p=4T2/dhl=4 4 14 =[σ R](110Mpa) 青島理工大學琴島學院本科畢業(yè)設計說明書（論文） 27 4 機器人 控制系統(tǒng)的設計 與選型 單片機 PIC16F877 單片機是將中央處理器（ CPU）、隨機存儲器（ RAM）、只讀存儲器（ ROM）、定時器芯片和一些輸入輸出接口電路集成的一個芯片上的微控制器。 中央處理器是單片機的核心，它包括運算器、控制器和寄存器 3個主要部分。存儲器按工作方式可分為、隨機存儲器（ RAM）和只讀存儲器（ ROM）。 RAM 可以隨機地被 CPU讀寫，斷電后存儲的內(nèi)容消失； ROM 種的信息只能讀不能寫。輸入輸出接口是單片機的重要組成部分。程序、數(shù)據(jù)以及外部的所有信息都是通過單片機的 I/O 端口讀入單片機的。單片機計算的所有結果也都通過 I/O 輸出到顯示部分或者控制外部其他執(zhí)行機構。 PIC16F877 芯片上集成有： （ 1）端口 RA模塊：是一個只有 6 條引腳的輸入 /輸出可編程的端口。 （ 2）端口 RB模塊：是一個具有 8 條引腳的輸入 /輸出可編程的端口。 （ 3）端口 RC模塊：是一個具有 8 條引腳的輸入 /輸出可編程的端口。 （ 4）端口 RD模塊：是一個 具有 8 條引腳的輸入 /輸出可編程的端口。 （ 5）端口 RE模塊：是一個具有 3 條引腳的輸入 /輸出可編程的端口。 （ 6）定時器 TMR0 模塊：是一個 8 位寬的可編程的定時器，也可作為計數(shù)器使用。 （ 7）定時器 TMR1 模塊：是一個 16 位寬的可編程的定時器，也可作為計數(shù)器使用，并且可以與捕捉 /比較 /脈寬調(diào)制 CCP 模塊配合實現(xiàn)捕捉和比較功能。 （ 8）定時器 TMR2 模塊：是一個 8 位寬的可編程的定時器，也可作為計數(shù)器使用，并且可以與捕捉 /比較 /脈寬調(diào)制 CCP 模塊配合實現(xiàn)捕捉和比較功能。 （ 9） EEPROM 數(shù)據(jù)存儲模塊：是 256 8 的電可擦寫的存儲器，儲存的內(nèi)容掉電也不會丟失。 （ 10） A/D 轉(zhuǎn)換器模塊：具有 8 個輸入通道和 10 位分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用來將外部的各種模擬物理量變換為便于單片機內(nèi)部處理的數(shù)字量。 （ 11）捕捉 /比較 /脈寬調(diào)制 CCP1 和 CCP2 模塊： PIC16F877 片內(nèi)包含兩個幾乎完全相同的 CCP 模塊，與 TMR1 和 TMR2 配合可以實現(xiàn)輸入捕捉、輸出比較和賣出調(diào)制輸出功能。輸入捕捉功能可以用于測量信號周期、頻率、脈沖等；輸出比較功能可以用于生產(chǎn)寬度不同的正負方波脈沖信號，以驅(qū)動可控硅、續(xù)電器等；脈寬調(diào)制輸出功能用來產(chǎn)生周期 和脈沖可調(diào)的周期性方波信號，以驅(qū)動可驅(qū)動可控硅、步進電機等。 青島理工大學琴島學院本科畢業(yè)設計說明書（論文） 28 （ 12）通用同步 /異步發(fā)生器 USART 模塊：用于實現(xiàn)二線式串行通信，可以定義為兩種工作方式，即全雙工異步方式和半雙工同步方式。 （ 13）主同步串行端口 MSSP 模塊：具有 SPI 和 IC兩種工作模式，用來與具有 SPI和 IC 串行端口的外接器件或者其他單片機進行通信。 （ 14）并行從動端口 PSP 模塊：可以用來與其他具有開放總線的單片機、數(shù)字信號處理器或微處理器的并行數(shù)據(jù)連接，進行高速的數(shù)據(jù)傳輸和交換。 引腳的基本功能： OSC1（ 13 引腳）：時鐘振蕩器輸入 端，也是晶振連接端。 OSC2（ 14 引腳）：時鐘振蕩器輸出端，也是晶振連接端。 MCLR（ 1引腳）：人工復位輸入端。 RA0～ RA5（ 27 引腳）： RA 是一個輸入 /輸出可編程的雙向 5線端口。 RB0～ RB7（ 33～ 40 引腳）： RB 是一個輸入 /輸出可編程的雙向端口，作為輸入時內(nèi)部有可編程的弱上位電路。 RC0～ RC7（ 15～ 18， 23～ 26引腳）： RC 是一個輸入 /輸出可編程的雙向端口。 RD0～ RD7（ 19～ 22， 27～ 30引腳）： RD 是一個輸入 /輸出可編程的雙向端口。 RE0～ RE2（ 8～ 10引腳）： RE 是一 個輸入 /輸出可編程的雙向 3 線端口。 VSS（ 12， 31引腳）：接地端。 VDD（ 11， 32引腳）：正電源端。 直流無刷電機 無刷直流電機 由電動機主體和驅(qū)動器組成，是一種典型的機電一體化產(chǎn)品。 無刷電機是指無電刷和換向器 (或集電環(huán) )的電機，又稱無換向器電機。早在上世紀誕生電機的時候，產(chǎn)生的實用性電機就是無刷形式，即交流鼠籠式異步電動機，這種電動機得到了廣泛的應用。但是，異 步電動機有許多無法克服的缺陷，以致電機技術發(fā)展緩慢。本世紀中葉誕生了晶體管，因而采用晶體管換向電路代替電刷與換向器的直流無刷電機就應運而生了。這種新型無刷電機稱為電子換向式直流電機，它克服了第一代無刷電機的缺陷。 無刷直流電機（ BLDCM）是在有刷直流電動機的基礎上發(fā)展來的，但它的驅(qū)動電流是不折不扣的交流；無刷直流電機又可以分為無刷速率電機和無刷 力矩電機 。一般地，無刷電機的 驅(qū)動電流有兩種，一種是梯形波（一般是 “ 方波 ” ），另一種是正弦波。有青島理工大學琴島學院本科畢業(yè)設計說明書（論文） 29 時候把前一種叫直流無刷電機，后一種叫交流 伺服電機 ，確切地講是交流伺服電動機的一種。 無刷直流電機為了減少轉(zhuǎn)動慣量，通常采用 “ 細長 ” 的結構。無刷直流電機在重量和體積上要比有刷直流電機小的多，相應的轉(zhuǎn)動慣量可以減少 40％ — 50％左右。由于永磁材料的加工問題，致使無刷直流電機一般的容量都在 100kW 以下。 這 種電動機的機械特性和調(diào)節(jié)特性的線性度好，調(diào)速范圍廣，壽命長，維護方便噪聲小，不存在因電刷而引起的一系列問題，所以這種電動機在控制系統(tǒng)中有很大的應用潛力。 電動機的定子繞組多做成三相對稱星形接法，同三相異步電動機十分相似。電動機的轉(zhuǎn)子上粘有已充磁的永磁體，為了檢測電動機轉(zhuǎn)子的極性，在電動機內(nèi)裝有位置傳感