【正文】 m最大轉(zhuǎn)速8000rpm最大轉(zhuǎn)矩110mNm（2）35BY48HJ120減速步進(jìn)電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)， 35BY48HJ120減速步進(jìn)電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)型號(hào)相數(shù)步距角扭矩Nm電壓V電流A電阻Ω轉(zhuǎn)速rpm驅(qū)動(dòng)方式35BY48HJ1202/41245642第三章 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)本章講述了番茄采摘機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。同時(shí)為了提高運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性能，避免設(shè)備的不必要的效率消耗以及降低投入成本和達(dá)到靈活的避險(xiǎn)要求。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，控制器主要用于各種信號(hào)的處理、控制算法實(shí)現(xiàn)、底盤電動(dòng)機(jī)的控制和聲光報(bào)警等，控制器選擇ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C52單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器。在本系統(tǒng)中控制量較多，單片機(jī)的優(yōu)勢(shì)得到很好的體現(xiàn)。機(jī)器人系統(tǒng)電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要使用24V電壓供電，單片機(jī)系統(tǒng)、超聲波傳感器避障系統(tǒng)等必須在5V電壓下才能夠正常工作。為了提供穩(wěn)定的5V直流電源，需要將24V電源穩(wěn)定5V。比較而言，開關(guān)型直流穩(wěn)壓電路更能降低電源轉(zhuǎn)換芯片的功耗，提高電源的利用效率。電動(dòng)機(jī)在24V電壓情況下能夠正常工作。在相同電壓降的條件下，開關(guān)電源調(diào)節(jié)器件與線性穩(wěn)壓器件相比具有少得多的“熱損失”。脈寬調(diào)制（PWM）原理： 小功率直流電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子組成，對(duì)小功率直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，使用單片機(jī)是極為方便的。這種方法稱為脈沖寬度調(diào)制，簡(jiǎn)稱PWM。這種調(diào)速方法稱為脈寬調(diào)速。對(duì)于特定的電機(jī)，其最大是確定的，因此控制平均轉(zhuǎn)速就要控制占空比。（1）前輪電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊由于步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成直線或角位移的執(zhí)行元件，它不能直接接到交直流電源上。由于機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不能直接接到工頻交流或直流電源上工作，而必須使用專用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器。它是由7對(duì)NPN達(dá)林頓管組成的，它的高電壓輸出特性和陰極箝位二極管可以轉(zhuǎn)換感應(yīng)負(fù)載。達(dá)林頓管并聯(lián)可以承受更大的電流。電路得名于“H橋驅(qū)動(dòng)電路”是因?yàn)樗男螤羁崴谱帜窰。H橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括4個(gè)三極管和一個(gè)電機(jī)。根據(jù)不同三極管對(duì)的導(dǎo)通情況，電流可能會(huì)從左至右或從右至左流過電機(jī)，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。如所示，當(dāng)Q1管和Q4管導(dǎo)通時(shí)，電流就從電源正極經(jīng)Q1從左至右穿過電機(jī)，然后再經(jīng)Q4回到電源負(fù)極。當(dāng)三極管Q1和Q4導(dǎo)通時(shí)，電流將從左至右流過電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)按特定方向轉(zhuǎn)動(dòng)（電機(jī)周圍的箭頭指示為順時(shí)針方向）。 H橋電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，電流將從右至左流過電機(jī)。 H橋驅(qū)動(dòng)電路采用的是帶中文字庫(kù)的128X64LCD屏幕?？梢燥@示84行1616點(diǎn)陣的漢字. 。128X64LCD基本特性：（1）低電源電壓（VDD:++）；（2）顯示分辨率:12864點(diǎn) ；（3）內(nèi)置漢字字庫(kù)，提供8192個(gè)1616點(diǎn)陣漢字(簡(jiǎn)繁體可選)；（4）內(nèi)置 128個(gè)168點(diǎn)陣字符 ；（5）2MHZ時(shí)鐘頻率； （6）顯示方式：STN、半透、正顯 ；（7）驅(qū)動(dòng)方式：1/32DUTY，1/5BIAS； （8）視角方向：6點(diǎn)； （9）背光方式：側(cè)部高亮白色LED，功耗僅為普通LED的1/5—1/10 （10）通訊方式：串行、并口可選；（11）內(nèi)置DCDC轉(zhuǎn)換電路，無需外加負(fù)壓 ；（12）無需片選信號(hào)，簡(jiǎn)化軟件設(shè)計(jì)。采摘機(jī)器人中傳感器主要應(yīng)用于果實(shí)的識(shí)別、系統(tǒng)的導(dǎo)航、以及避障。本設(shè)計(jì)中的傳感器主要是應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的避障設(shè)計(jì)，避障系統(tǒng)所要達(dá)到的要求是準(zhǔn)確判斷車體前后方有無障礙物。識(shí)別障礙的首要問題是傳感器的選擇。 傳感器性能比較傳感器類型優(yōu) 點(diǎn)紅外傳感器超聲波視覺價(jià)格合理，使用方便價(jià)格合理，可以測(cè)死物，夜間不受影響。不受溫度、天氣影響。測(cè)量范圍有限，對(duì)天氣環(huán)境變化敏感。（2）避障系統(tǒng)傳感器的選擇方案一：紅外傳感器廣泛應(yīng)用于門控系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格合理使用方便。方案二：視覺傳感器在物體識(shí)別系統(tǒng)中使用得非常廣泛，比如本機(jī)器人視覺識(shí)別系統(tǒng)中的圖像獲取。缺點(diǎn)是算法復(fù)雜，處理速度慢。該方法被廣泛應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)器人的研究上。相比較而言本系統(tǒng)選擇方案三即用超聲波傳感器作為避障部分的傳感器。超聲波避障模塊躲避障礙物子模塊測(cè)量距離子模塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)子模塊聲光警示子模塊 超聲波避障模塊框圖（3）超聲波障礙檢測(cè)原理超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械振蕩，其頻率超過20KHz，分橫向振蕩和縱向振蕩兩種，超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，其傳播速度不同。利用超聲波的特性，可做成各種超聲波傳感器，結(jié)合不同的電路，可以制成超聲波儀器及裝置，在通訊、醫(yī)療及家電中獲得廣泛應(yīng)用。首先測(cè)出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時(shí)間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離。它是一個(gè)低電壓，高性能CMOS功能包括對(duì)會(huì)聚主IC 內(nèi)部寄存器、數(shù)據(jù)RAM及外部接口等功能部件的初始化，會(huì)聚調(diào)整控制，會(huì)聚測(cè)試圖控制，紅外遙控信號(hào)IR的接收解碼及與主板CPU通信等。主要管腳有：XTAL1（19 腳）和XTAL2（18 腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接12MHz 晶振。，其由時(shí)鐘電路和復(fù)位電路組成。MCS51單片機(jī)芯片內(nèi)部設(shè)有一個(gè)反向放大器構(gòu)成的振蕩器，XTAL1和XTAL2分別為振蕩電路的輸入和輸出端，時(shí)鐘可以由內(nèi)部或外部產(chǎn)生。復(fù)位電路。在時(shí)鐘電路工作后，在RESET端持續(xù)給出2個(gè)機(jī)器周期的高電平就可以完成復(fù)位操作?？刂苾蓚€(gè)電機(jī)：前輪控制車體轉(zhuǎn)向的步進(jìn)電機(jī)；后輪控制電機(jī)前進(jìn)后退的直流電機(jī)。 前輪步進(jìn)電機(jī)的電路圖（2）后輪控制車體的前進(jìn)后退的電機(jī)的電路設(shè)計(jì) 直流電機(jī)用Ｈ橋驅(qū)動(dòng)的電路圖 報(bào)警模塊電路設(shè)計(jì)本模塊硬件分為兩個(gè)部分：。聲報(bào)警部分的驅(qū)動(dòng)是由8050構(gòu)成的放大電路。當(dāng)機(jī)器人正常運(yùn)行時(shí)，報(bào)警模塊不產(chǎn)生動(dòng)作；當(dāng)檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到障礙物時(shí)，報(bào)警模塊動(dòng)作，LED等閃光，同時(shí)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警，起到提示作用。 顯示模塊本設(shè)計(jì)采用T/R4012小型超聲波傳感器作為探測(cè)前方障礙物體的檢測(cè)元件，其中心頻率為40Hz，由80C52發(fā)出的40KHz脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器發(fā)送器發(fā)出40KHz的脈沖超聲波，如機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)前方遇到有障礙物時(shí)，此超聲波信號(hào)被障礙物反射回來，由接收器接收，經(jīng)LM318兩級(jí)放大，再經(jīng)帶有鎖相環(huán)的音頻解碼芯片LM567解碼，當(dāng)LM567的輸入信號(hào)大于25mV時(shí)，輸出端由高電平變?yōu)榈碗娖剑?0C52單片機(jī)處理。為了增加超聲波的探測(cè)距離，就需要增加超聲波換能器的功率。單片機(jī)I/O產(chǎn)生的 40KHz 方波信號(hào)一路經(jīng)以及反向器反相后送到超聲波換能器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)反相器反向后送入超聲波換能器。超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。上拉電阻 R23,R24 一方面可以提高反相器的高電平驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增強(qiáng)超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由震蕩的時(shí)間。 超聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路（2）超聲波接收電路集成芯片 CX20106A 是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用電視機(jī)遙控器。實(shí)驗(yàn)證明 CX20106A 接收超聲波具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。 CX20106A內(nèi)部結(jié)構(gòu)及電路連接圖使用CX20106A 集成電路對(duì)接收探頭受到的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波。以下是CX20106A的引腳注釋∶1腳：超聲信號(hào)輸入端，該腳的輸入阻抗約為40kΩ 。增大電阻R1 或減小C1,將使負(fù)反饋量增大，放大倍數(shù)下降，反之則放大倍數(shù)增大。3腳：該腳與地之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動(dòng)大，易造成誤動(dòng)作。取F例如， R=200kΩ 時(shí)， 0≈42kHz，若取 R=220kΩ ，則中心頻率 F0 ≈38kHz。7腳：遙控命令輸出端，它是集電極開路輸出方式，因此該引腳必須接上一個(gè)上拉電阻到電源端，沒有接受信號(hào)是該端輸出為高電平，有信號(hào)時(shí)則產(chǎn)生下降。第四章 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)番茄采摘機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件主要由等五大部分組成，每一部分都針對(duì)相應(yīng)的硬件路。當(dāng)檢測(cè)距離小于程序設(shè)定的避障安全距離時(shí)判定前方有障礙物，此時(shí)小車停止前進(jìn)，與此同時(shí)聲光報(bào)警器動(dòng)作，發(fā)光 LED不斷閃爍與此同時(shí)單片機(jī)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)完成避障操作完，避障動(dòng)作完成后小車?yán)^續(xù)前進(jìn)并檢測(cè)前方障礙物。之后調(diào)用超聲波發(fā)射子程序送出一個(gè)超聲波脈沖，為了避免信號(hào)直接耦合干擾需要延時(shí) （這也就是超聲波測(cè)距會(huì)有一個(gè)最小可測(cè)距離的原因）。在室溫下測(cè)試聲速為 344m/s，超聲波每發(fā)射，接收一次所走距離為被測(cè)距離 L 的 2 倍，L便是被測(cè)物體和超聲波傳感器之間的距離，L式中t為計(jì)數(shù)器 T0 中的計(jì)數(shù)值。是否有障礙物入口停止前進(jìn)聲光報(bào)警等候返回YN 避障系統(tǒng)程序流程圖本設(shè)計(jì)用了兩個(gè)電機(jī)：前輪控制車體轉(zhuǎn)向的步進(jìn)電機(jī)；后輪控制車體前進(jìn)的直流電機(jī)。對(duì)于步進(jìn)電機(jī)，由于相對(duì)復(fù)雜所以以下做詳細(xì)介紹。單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩小。單四拍雙四拍八拍 電源通電時(shí)序與波形圖步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路依據(jù)控制信號(hào)工作，控制信號(hào)由單片機(jī)產(chǎn)生，具體如下：如果按給定方向的正序換相通電，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)；如果按反序通電換相，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。正序：0x01，0x03，0x02，0x06，0x04，0x0c，0x08，0x09； 反序：0x09，0x08，0x0c，0x04，0x06，0x02，0x03，0x01。本設(shè)計(jì)使用的是128X64LCD。第五章 系統(tǒng)仿真本設(shè)計(jì)是最后借助于仿真，完成的。仿真結(jié)果驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的方法正確，結(jié)果正確。前輪電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，也是通過按鍵來模擬采摘機(jī)構(gòu)提供的信號(hào)來完成。此時(shí)LED點(diǎn)亮，蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，車體停止運(yùn)動(dòng)。此時(shí)無采摘任務(wù)，且前方無障礙物番茄采摘，機(jī)器人處于前進(jìn)狀態(tài)。本設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，軟件編程易實(shí)現(xiàn)，實(shí)時(shí)性好且成本低，通過試驗(yàn)，成功實(shí)現(xiàn)了避障、顯示、報(bào)警等功能。畢業(yè)設(shè)計(jì)是本科學(xué)習(xí)階段一次非常難得的理論與實(shí)際相結(jié)合的機(jī)會(huì)，通過這次比較完整的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，感受到實(shí)踐結(jié)合理論的重要性。同時(shí)在設(shè)計(jì)過程我也遇到了很多不懂的地方，比如如何選擇電機(jī)的整體控制策略、避障系統(tǒng)的選擇依據(jù)等問題。參考文獻(xiàn)[1] IllWoo Park, JungYup Kim, Jungho Lee, JunHo Oh. 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