【正文】 完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為 ?。 超聲波傳感器及其測距原理 超聲波是指頻率高于 20KHz 的機械波。底座固定在盒體的開口端，并且使用樹脂進行覆蓋。 室外用途的超聲波傳感器必須具有良好的密封性，以便防止露水、雨水和灰塵的侵入。該復(fù)合式振動器是諧振器以及，由一個金屬 片和一個壓電陶瓷片組成的雙壓電晶片元件振動器的一個結(jié)合體?；谝陨献饔?，便可以將壓電陶瓷用作超聲波傳感器。利用這一原理，當(dāng)給由兩片壓電陶瓷或一片壓電陶瓷和一個金屬片構(gòu)成的振動器，所謂叫雙壓電晶片元件，施加一個電信號時，就會因彎曲振動發(fā)射出超聲波。 結(jié)構(gòu)與工作原理： 當(dāng)電壓作用于壓電陶瓷時，就會隨電壓和頻率的變化產(chǎn)生機械變形。主要取決于制造晶片本身 。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨的制冷設(shè)備。 （ 2）工作溫度。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個探頭的性能是不同的，我們使用前必須預(yù)先了解它的性能。 超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。小功率超聲探頭多作探測作用。 圖 51 超聲波感應(yīng)器 以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng) 。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長短、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。超聲波因其頻率下限大約等于人的聽覺上限而得名。 移動機器人的超聲波原理 超聲波的結(jié)構(gòu)及原理 超聲波 [15]是頻率高于 20200 赫茲的聲波，它方向性好，穿透能力強，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距 離遠，可用于測距，測速，清洗，焊接，碎石、殺菌消毒等。單 片機把接收到上位機發(fā)來的理論速度與其所測的實際速度相結(jié)合得出電機下一步的運動指令 ，并輸送到伺服系統(tǒng)以控制電機的轉(zhuǎn)速。將輸出的脈沖信號送到計數(shù)器中去進行計數(shù)，在某一采樣時間內(nèi)通過對脈沖的計數(shù) 來確定工作軸轉(zhuǎn)速的大小，設(shè)采樣時間為 Tc，光電碼盤的縫隙數(shù)為 Pn，在采樣時間內(nèi)所測的 脈沖數(shù)??本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 28 為 m，則工作軸轉(zhuǎn)速 N（ r/min）為： N=60m/TcPn 單片機輸出的 PWM 信號和轉(zhuǎn)向控制信號送給電機控制專用芯片，芯片能夠直接驅(qū)動兩個電機運轉(zhuǎn)。光電敏感 元件可以采用光電二極管、光電晶體管或硅光電池。光學(xué)編碼器通常采用 照相技術(shù)和光 刻技術(shù)制作。光學(xué)編碼器碼盤的邊緣上刻有相等角距的輻射狀縫隙（分為透光和不透光部分） ，于是在基體上形成了透明和不透明的碼區(qū)，透明區(qū)和不透明區(qū)分別代表了二進制碼 0 和 1。 編碼器的應(yīng)用及測速控制 增量式光學(xué)編碼器（即光電碼盤）能夠以數(shù)字的形式確定被測旋轉(zhuǎn)物體相對于某個基準(zhǔn)點的 瞬時角位置，若配上相應(yīng)電路還能應(yīng)用于測量角速度。 步進電機的運行要有一個電子裝置進行控制，這個裝置就是步進電機驅(qū)動器，它是將控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號放大以驅(qū)動步進電機。每個輸入脈沖決定了步進電機轉(zhuǎn)動的角度。單片機的作用是接受命令，完成相應(yīng)的功能，并作為脈沖邏輯分配器，輸出步進電機所需要的時序脈沖。整個系統(tǒng)包含單片機，步進電機驅(qū)動器 L298 和步進電機。調(diào)整單片機發(fā)出的脈沖頻率，就可以對步進電機進行調(diào)速。 (3)控制步進電機的速度 如果給步進電機發(fā)一個控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉(zhuǎn)一步。例如：三相步進電機的三拍工作方式 ，其各相通電順序為 ABC－ D,通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制A,B,C， D 相的通斷。 （ 4） 步進電機低速時可以正常運轉(zhuǎn) ,但若高于一定速度就無法啟動 ,并伴有嘯叫聲 步進電機的驅(qū)動電路根據(jù)控制信號工作，控制信號由單片機產(chǎn)生。 （ 2） 步進電機外表允許的最高溫度。 DETENT TORQUE： 是指步進電機沒有通電的情況下，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。由于步進電機的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進電機最重要的參數(shù)之一。 保持轉(zhuǎn)矩（ HOLDING TORQUE）： 是指步進電機通電但沒有轉(zhuǎn)動時，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。在沒有細 分驅(qū)動器時，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進電機來滿足自己步距角的要求。/176。/176。/176。 步進電機的相數(shù)： 是指電機內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進電機。、整步工作時為 176。/176。 步進電機的一些基本參數(shù)： 電機固有步距角： 它表示控制系統(tǒng)每發(fā) 一個步進脈沖信號，電機所轉(zhuǎn)動的角度。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進電機來控制變的非常的簡單。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一 個步距角 。單片機計算的所有結(jié)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(gòu)。輸入輸出接口是單片機的重要組成部分。存儲器按工作方式可分為、隨機存儲器（ RAM）和只讀存儲器（ ROM）。 單片機的特點很多，主要是體積小品種多，價格便宜，可靠性高，使用靈活，還有（ 1）突出控制功能（ 2） ROM 和 RAM 分開（ 3）單片機資源具有廣泛的通用性（ 4）易于擴展 ROM、 RAM、定時 /計數(shù)器、中斷源等資源。 轉(zhuǎn)速可調(diào) 抗干擾能力強 具有過電壓和過電流保護 可單獨控制四臺直流電機 可單獨控制二臺步進電機 PWM 脈寬平滑調(diào)速 可實現(xiàn)正反轉(zhuǎn) 采用光電隔離 圖 43 L298 LM298典型應(yīng)用如圖 44所示。工作電壓：控制信號直流 5V；電機電壓直流 3V~46V（建議使用 36 伏以下）最大工作電流： 額定功率： 25W。每橋的三極管的射級是連接在一起的，相應(yīng)的外接線端可用來連接外設(shè)傳感電阻。 如圖 所示： 圖 42 三端固定穩(wěn)壓器 步進電機驅(qū)動芯片 L298 ??本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 24 SGS 公司的 L298 芯片是一種高電壓、大電流雙 H 橋功率集成電路，可用來驅(qū)動繼電器、線圈、直流電機和步進電機等感性負載。有 5V， 6V， 9V， 12V， 15V， 18V 和 24V 七種不同的固定輸出電壓，廣泛用于各種電子設(shè)備中。 根據(jù)式 6 可知， M 點的線速度和角速度分別為 ? ?LRMMM wwrYXv ???? 2?? 411 ? ?LRM wwdrw ??? ?? 412 因為 vM=wMR,可得平臺 M 點處的轉(zhuǎn)彎半徑為 ?????? ???? LR LRMM ww wwdwv 2R 413 由式 413 可以看出：當(dāng) wL=wR 時，旋轉(zhuǎn)角速度 0??? ，轉(zhuǎn)彎半徑為無窮大，平臺做前后方向上的直線運動；當(dāng) wL=wR 時，轉(zhuǎn)彎半徑等于 0，平臺圍繞 M點做原地旋轉(zhuǎn)運動。該系統(tǒng)的可控性可借助于類似于單輪系統(tǒng)的方式得以證明。平臺在運動過程中，約束方程式 44 或式 410 始終滿足，這就意味著平臺運動的瞬時速度方向，同平臺朝向完全相同。 設(shè)左、右兩輪的旋轉(zhuǎn)速度分別為 ωL和 ωR,則存在以下關(guān)系： ? ?? ?drwrwrwrwYrwrwLRRLMRL????????????s in21c o s21XM 46 結(jié)合式 42 和 46 可得 ? ? ? ?? ? ? ?LRRLPRLwdrwdrwdrlrwdrlrYwdrlrwdrl???????? ????????? ????????? ????????? ???????????????????c o ss i n2c o ss i n2s i nc o s2s i nc o s2rX P 47 即 ? ? ? ?? ? ? ? ??????????????????????????????????????????RLPPwwdrdrdrlrdrlrdrlrdrlrYX?????????????c o ss i n2c o ss i n2s i nc o s2s i nc o s2??? 48 式 48 即為以 P 為參考點描述下的兩輪差動移動平臺運動模型，其所受的非完整約束方程為式 45 。在圖 中，進一步假設(shè)兩驅(qū)動輪之間的軸間距為 d，驅(qū)動輪半徑為 r，軸間連線的中心點為 M，其坐標(biāo)為（ xM , xM）；參考點 P 同 M 之間的距離為 l，直流 |PM|同平臺中軸線之間的夾角為β。 減速箱簡略圖如圖 33 所示： 圖 33 4 超聲波移動機器人控制系統(tǒng)設(shè)計 ??本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 21 差分驅(qū)動平臺運動學(xué)模型 采用雙 輪差分驅(qū)動方式的機器人移動平臺如圖 41 所示。主要用于軸向移動距離較長的場合。主要用于軸向移動距離較短的場合。用于較小扭矩的傳 遞。 A ） 普 通 平 鍵 ： 具 備 平 鍵 聯(lián) 接 的 特 點 ， 但 所 聯(lián) 接 的 軸 與 輪 轂不能產(chǎn)生相對運動，用于靜聯(lián)接。 平鍵聯(lián)接：具備松鍵聯(lián)接的特點，鍵的側(cè)面是工作面。 根據(jù)機器人的要求及經(jīng)濟實惠的原則，我們決定選擇深溝球軸承 . 減速箱其他結(jié)構(gòu)的確定 鍵聯(lián)接 [12]（ key joint） 用鍵將軸與帶轂零件聯(lián)成一體的可拆聯(lián)接，是軸與齒輪或軸與帶輪之間常用的聯(lián)接方式。 如圖 31： ??本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 19 圖 31 球軸承適于承受輕載荷，滾子軸承適于承受重載荷及沖擊載荷。 滾動軸承一般由內(nèi)圈、外圈、滾動體和保持架四部分組成。 綜合實際情況，最后選擇軸 1 最小軸徑 5mm，軸 2 最小軸徑 7mm，軸 3 最小軸徑 10mm。為此，可取減速器輸入軸軸端直徑 : 式中 : —減速器輸入軸軸端直徑， mm； —電動機軸直徑， mm。 a—將轉(zhuǎn)矩折合成當(dāng)量彎矩的折算系數(shù)，若扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力按脈動循環(huán)變化時，； [σ]—軸材料的許多彎曲應(yīng)力， MPa。 T—軸計算載面上的轉(zhuǎn)矩， N按彎扭合成強度條件初步計算軸的各段直徑，軸計算載面的直徑為 式中 :M—軸計算載面上的彎矩， N第二級模數(shù) m2=,傳動比 i2=4,小齒輪齒數(shù) 20,大齒輪齒數(shù) 80. 模數(shù) :m 齒數(shù) :z 壓力角α =20176。高速級一般用斜齒，低速級可用直齒或人字齒）。中間軸危險截面上的轉(zhuǎn)矩只相當(dāng)于軸所傳遞轉(zhuǎn)矩的一半。機器人電機輸出轉(zhuǎn)速為 720n/m，車輪的轉(zhuǎn)速為 60n/m。 V =* = 機器人的兩輪是獨立驅(qū)動，所以每個電機克服摩擦的功率是 ，另外考慮到啟動加速、上下坡和轉(zhuǎn)彎等自然因素，因此每個 步進電機 的功率定位為35W。= 機器人克服的摩擦力： F 摩 =181。因此，機器人的移動速度暫定為 V=因此機器人在行進過程中遇到障礙物時需要用機械手搬運障礙物，所以機器人的最大載重量為 40kg。為了避免相鄰超聲波傳感器問的信號干擾問題， 本系統(tǒng)采用了分組循環(huán)發(fā)射， 即循環(huán)交錯啟動的方法，并考慮到移動機器人對超聲波傳感器探測時間的限制 ( 時延 0 .1S ) ， 將超聲波傳感器以 2 個一組的方式進行循環(huán)探測， 發(fā)射時序如圖 22 所示。我們決定選擇超聲波環(huán) ，超聲波傳感器是收發(fā)一體型的 EFR40RSC，它性價比高，體積小 ( Ф l6 m m) ， 工作頻率 4 0 k H z ，使用溫度 4 0～ +80℃ ， 防塵、 防水， 測距范圍 0 ． 2～ 5 m。為了讓結(jié)構(gòu)及其編程簡單，我們將選擇超聲波發(fā)射與接收一起的超聲波傳感器。的擴散角。 超聲波傳感器的選擇： 單個超聲波傳感器，可是使機器人的結(jié)果和編程簡單，但不利于機器人的靈活性。 超聲波測距的優(yōu)點是比較耐臟污，即使傳感器上有塵土，只要沒有堵死就可以測量，可以在較差的環(huán)境中使用 ，所以倒車?yán)走_多半使用超聲波，缺點是精度較低。激光傳感器是新型測量儀表， 的優(yōu)點是 能實現(xiàn)無接觸遠距離測量，速度快，精度高，量程大，抗光、電干擾能力強等。 激光測距傳感器 利用激光技術(shù)進行測量的傳感器。移動機器人需要對信號進