管道清洗機(jī)器人畢業(yè)論文

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1、摘要 火炮在發(fā)射后會(huì)在身管內(nèi)殘留大量的物質(zhì)，這些物質(zhì)受高溫、高壓的與管壁黏貼非常牢固極不易清除，會(huì)導(dǎo)致身管內(nèi)壁的腐蝕，進(jìn)而影響炮的準(zhǔn)確性、可靠性并影響身管的使用壽命。這些殘留物主要依靠人工和機(jī)械的方法清除，設(shè)備笨重、智能化程度低，士兵勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低，且清不高，不能滿(mǎn)足和適應(yīng)現(xiàn)代化高科技戰(zhàn)爭(zhēng)的作戰(zhàn)要求。 清洗機(jī)器人，該機(jī)器人與火炮身管構(gòu)成一個(gè)柔性統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)清洗的智能化及管內(nèi)狀況的可視化，不僅極大地減輕士兵的勞動(dòng)而且可以有效提高火炮身管的維護(hù)保養(yǎng)水平和壽命，對(duì)提高部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力具的軍事和經(jīng)濟(jì)效益，具有廣闊的應(yīng)用前景。 關(guān)鍵詞：管道清洗 機(jī)器人 單片機(jī) 自動(dòng)控制 Abstract

2、 Due to high temperature and pressure, the remaining substances in the bore after the gun is launched will adhere to the bore firmly and cant be removed easily, which will result in erosion of the bore and have an impact on the veracity and reliability of the gun launching as well as its operating

3、life. These substances are removed with manual and mechanical cleaning mainly, which cant meet and accommodate with the campaign need of modernization high-tech wars because of unwieldy equipment, low intelligentization, over laboring intension of soldiers, low efficiency and cleaning extent. Robot

4、 and bore achieves in intelligentization of cleaning and visualization of inner bore, which not only greatly lessens laboring tension of soldiers, but advances maintenance level and operating life of bore as well. It is of bright future in expansive application and of great military and economic

5、benefit in enhancing battle effectiveness of the army. Key words： bore cleaning； robot；single chip microcomputer；automation II 摘要 I Abstract II 第一章 緒論 1 1.1課題研究背景及關(guān)鍵技術(shù) 1 1.1.1課題的研究背景 1 1.1.2課題的關(guān)鍵技術(shù) 2 1.2國(guó)內(nèi)外管道機(jī)器人的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向 3 1.2.1管道機(jī)器人的研究現(xiàn)狀 3 1.2.2管道機(jī)器人的發(fā)展方向 5

6、1.3課題的研究意義 5 第二章 炮管擦洗機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì) 7 2.1需求分析與設(shè)計(jì)思路 7 2.2移動(dòng)功能模塊設(shè)計(jì) 8 2.2.1運(yùn)動(dòng)方式分析與選擇 8 2.2.2自適應(yīng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 9 2.3擦洗功能模塊設(shè)計(jì) 11 2.3.1炮膛擦洗過(guò)程分析與研究 11 2.3.2軸向往復(fù)式擦洗頭設(shè)計(jì) 11 2.4控制功能模塊設(shè)計(jì) 13 2.4.1主控制系統(tǒng) 13 2.4.2傳感器 13 2.4.3驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 13 第三章 管道清洗機(jī)器人詳細(xì)設(shè)計(jì) 15 3.1移動(dòng)功能模塊設(shè)計(jì)與分析 15 3.1.1傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 15 3.1.2連接件設(shè)計(jì) 16 3.2擦洗功能模塊的設(shè)計(jì)

7、18 3.2.1旋轉(zhuǎn)式清洗頭設(shè)計(jì) 18 3.3控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 18 3.3.1主控制芯片 19 3.3.2 ATmega128介紹 20 3.3.3電機(jī)控制技術(shù) 21 3.4最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 23 3.4.1時(shí)鐘/復(fù)位模塊設(shè)計(jì) 23 3.4.2電源模塊設(shè)計(jì) 23 3.5人機(jī)接口電路設(shè)計(jì) 24 3.5.1 LCD顯示模塊 24 3.5.2鍵盤(pán)電路 25 3.5.3蜂鳴器電路 25 3.5.4串口通信模塊 26 3.6電機(jī)控制電路設(shè)計(jì) 26 第四章　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 28 4.1系統(tǒng)軟件架構(gòu) 28 4.1.1 PWM調(diào)速程序設(shè)計(jì) 28 結(jié)論 31 5.1論文總結(jié)

8、31 5.2工作展望 31 參考文獻(xiàn) 32 致謝 33 附錄 34 IV 第一章 緒論 1.1課題研究背景及關(guān)鍵技術(shù) 1.1.1課題的研究背景 現(xiàn)代國(guó)防工業(yè)日新月異，武器裝備制造及維護(hù)的技術(shù)水平直接決定了國(guó)家的軍事實(shí)力?；鹋谑侵匾奈淦餮b備，身管是火炮的重要組成部分，身管依靠火藥在藥室內(nèi)劇烈燃燒而產(chǎn)生的高溫高壓氣體以一定方式一定速度發(fā)射彈丸，并賦予彈丸初速度、射向以及飛行時(shí)的穩(wěn)定性。它的工作條件是極為惡劣和苛刻的，它不僅要承受高溫高壓火藥氣體的作用，還要接受高速運(yùn)動(dòng)彈丸的作用?；鹋诘慕Y(jié)構(gòu)和性能很大程度上決定了火炮系統(tǒng)的戰(zhàn)斗性能，身管質(zhì)量直接影響著使用安全，射擊

9、效果和火炮壽命[l]?；鹋谠诎l(fā)射過(guò)程中不僅會(huì)在炮膛內(nèi)殘余大量的物質(zhì)，而且火炮炮彈帶與身管內(nèi)壁間亦會(huì)產(chǎn)生大量的粘附物，這些物質(zhì)受高溫、高壓的作用與管壁黏貼的非常牢固，尤其是線(xiàn)膛炮的“陰線(xiàn)”角落位置的殘留物，極不容易清除，對(duì)火炮身管壽命產(chǎn)生很大的影響，當(dāng)“積留”超過(guò)一定程度后，極易產(chǎn)生炸管等事故。 為了提高火炮的性能和使用壽命，大型火炮在啟封、發(fā)射炮彈后和封存時(shí)都需要進(jìn)行一定的清洗工作。首先，啟封時(shí)需要清除防銹油，以保證火炮的正常工作。其次，在發(fā)射炮彈后需要進(jìn)行炮膛清洗，因?yàn)閺椡柽\(yùn)動(dòng)脫落的殘余物(成分辦主要是銅、鋅、鉛、鋁、鋁氧化物等)以及膛內(nèi)火藥燃燒殘留物如煙灰等石墨殘余物會(huì)鉆附在火炮身管的內(nèi)

10、壁，這些殘余物容易導(dǎo)致火炮身管內(nèi)壁發(fā)生腐蝕，進(jìn)而影響炮彈發(fā)射的準(zhǔn)確性、可靠性，影響火炮的使用壽命。最后，在火炮封存時(shí)需要清洗炮膛內(nèi)壁并涂抹防銹油，以防止封存后火炮炮膛內(nèi)壁腐蝕。因此，在火炮的啟封、發(fā)射后和封存時(shí)進(jìn)行清洗工作是必不可少的。 在炮管生產(chǎn)廠(chǎng)或修復(fù)廠(chǎng)，目前采用的是一種拉桿式清洗機(jī)床，通過(guò)電機(jī)和連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)拉桿實(shí)現(xiàn)往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，拉桿與炮管等長(zhǎng)，拉桿上安裝了清潔用的毛刷，該設(shè)備實(shí)現(xiàn)了火炮身管擦洗的自動(dòng)化工作，但必須將炮管從坦克上拆下運(yùn)至修復(fù)廠(chǎng)才能使用，設(shè)備占地面積大、重量大，移動(dòng)不便，無(wú)法在部隊(duì)營(yíng)地和野外使用。目前在部隊(duì)都是通過(guò)數(shù)名戰(zhàn)士推拉通條來(lái)進(jìn)行炮膛擦洗工作，不僅耗費(fèi)人力，效率低，且

11、清潔程度不高，不能滿(mǎn)足和適應(yīng)現(xiàn)代化高科技戰(zhàn)爭(zhēng)的作戰(zhàn)要求。 通過(guò)國(guó)內(nèi)外相關(guān)炮管清洗與管道清洗技術(shù)方面的專(zhuān)利與文獻(xiàn)的檢索，結(jié)合國(guó)內(nèi)現(xiàn)有炮管擦拭設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用調(diào)研，現(xiàn)有關(guān)于炮管擦拭的方法、裝置和專(zhuān)利，在實(shí)際應(yīng)用中均存在一定的不足。如專(zhuān)利號(hào)CN86207922便攜式擦炮設(shè)備，主要由少齒插銷(xiāo)軸式行星機(jī)構(gòu)卷?yè)P(yáng)筒組成，靠人力驅(qū)動(dòng)卷?yè)P(yáng)筒和鋼絲繩來(lái)牽引專(zhuān)用擦炮塞子經(jīng)過(guò)整個(gè)炮膛進(jìn)行擦拭，該辦法自動(dòng)化程度低。申請(qǐng)?zhí)?00410024477.x專(zhuān)利自動(dòng)擦炮機(jī)，包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制器、擦拭體及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等，驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸通過(guò)齒輪組連接的拉繩紋筒，通過(guò)兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)向控制，拉繩拖拽著擦拭體在炮膛內(nèi)往返擦洗，該方法若電機(jī)控制不當(dāng)容

12、易導(dǎo)致拉繩脫鉤，另外需要兩臺(tái)直流電機(jī)導(dǎo)致設(shè)備重量較大。申請(qǐng)?zhí)?00710139419.5的專(zhuān)利“一種步進(jìn)式擦炮機(jī)器人及其使用方法”，采用步進(jìn)電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)力，螺桿和內(nèi)螺紋筒進(jìn)行步伐式前進(jìn)或后退，該方法機(jī)構(gòu)較復(fù)雜。因此，采用機(jī)器人來(lái)擦洗炮管。 1.1.2課題的關(guān)鍵技術(shù) 本課題關(guān)鍵技術(shù)包括機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、機(jī)器視覺(jué)技術(shù)等。 （1）機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù) 機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)是智能炮管清洗機(jī)器人設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，是其它技術(shù)應(yīng)用的前提，機(jī)械結(jié)構(gòu)、加工等的優(yōu)劣直接決定機(jī)器人的性能。經(jīng)典的機(jī)械技術(shù)借助于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，以及在此基礎(chǔ)上同時(shí)采用人工智能與專(zhuān)家系統(tǒng)等，已經(jīng)形成新一代機(jī)械制造技術(shù)。當(dāng)前機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)朝著

13、面向市場(chǎng)、面向生態(tài)與環(huán)境要求、面向制造和經(jīng)營(yíng)管理需求的方向發(fā)展。在機(jī)械工程領(lǐng)域，往往根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)理論、方法和標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等建立反映工程設(shè)計(jì)問(wèn)題和符合數(shù)學(xué)規(guī)劃要求的數(shù)學(xué)模型，然后采用數(shù)學(xué)規(guī)劃方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)自動(dòng)優(yōu)化方案。 （2）自動(dòng)控制技術(shù) 自動(dòng)控制技術(shù)是指在無(wú)人直接參與的狀況下，利用附加裝置(自動(dòng)控制裝置)使生產(chǎn)過(guò)程或生產(chǎn)機(jī)械(被控對(duì)象)自動(dòng)地按照某種規(guī)律(控制目標(biāo))工作，使被控對(duì)象的一個(gè)或幾個(gè)物理量(如溫度、壓力、流量、位移和轉(zhuǎn)速等)或加工工藝按照預(yù)定要求變化的技術(shù)。它包含了自動(dòng)控制系統(tǒng)中所有元器件的構(gòu)造原理和性能，以及控制對(duì)象或被控過(guò)程的特性等方面的知識(shí);自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析與綜合;控制用

14、計(jì)算機(jī)(能作數(shù)字運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的控制機(jī))的構(gòu)造原理和實(shí)現(xiàn)方法。自動(dòng)控制技術(shù)發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛。是自動(dòng)化領(lǐng)域的重要組成部分。 （3）機(jī)器視覺(jué)技術(shù)[2]～[4] 機(jī)器視覺(jué)技術(shù)是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種智能技術(shù)，機(jī)器視覺(jué)是一門(mén)新興的學(xué)科，自上世紀(jì)八十年代以來(lái)，機(jī)器視覺(jué)的研究經(jīng)歷了從實(shí)驗(yàn)室研究到實(shí)際應(yīng)用的發(fā)展階段。從簡(jiǎn)單的二值圖像處理到高分辨率、多灰度的圖像處理，從普通的二維信息處理到三維視覺(jué)機(jī)理以及模型和算法的研究都取得了很大的進(jìn)展。隨著半導(dǎo)體行業(yè)的自動(dòng)化水平的飛速提升，不斷促進(jìn)著機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的實(shí)用化研究。機(jī)器視覺(jué)的定義是利用一個(gè)用以代替人眼的圖像傳感器，獲取目標(biāo)物體的圖像，然后將此圖像轉(zhuǎn)換為一個(gè)

15、數(shù)據(jù)矩陣，并利用一臺(tái)用于代替人腦的計(jì)算機(jī)來(lái)分析圖像并完成一個(gè)與視覺(jué)有關(guān)的任務(wù)。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)一般采用CCD傳感器攝取檢測(cè)圖像并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，再利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)硬件與軟件技術(shù)對(duì)數(shù)字圖像信號(hào)進(jìn)行處理，從而得到所需要的各種目標(biāo)圖像的特征值，并由此實(shí)現(xiàn)模式識(shí)別等功能。然后再根據(jù)其結(jié)果顯示圖象，輸出數(shù)據(jù)，發(fā)出指令，配合執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成位置調(diào)整，信息篩選，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等自動(dòng)化流程。與人工視覺(jué)相比較，機(jī)器視覺(jué)的最大優(yōu)點(diǎn)是精確、快速、可靠，以及數(shù)字化。 機(jī)器視覺(jué)涉及圖像處理技術(shù)、模式識(shí)別和人工智能技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域，這些領(lǐng)域的迅速發(fā)展有力的促進(jìn)了機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的進(jìn)步。數(shù)字圖像處理技術(shù)和模式識(shí)別技術(shù)是機(jī)器視覺(jué)的

16、重要組成。自數(shù)字計(jì)算機(jī)問(wèn)世以來(lái)，數(shù)字圖像處理技術(shù)和模式識(shí)別技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展和完善，得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步和空前的發(fā)展，在工程應(yīng)用上引起了人們極大的重視。圖像處理技術(shù)包括圖像處理和圖像分析兩個(gè)方面。模式識(shí)別技術(shù)是指用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)人的模式識(shí)別能力，其作用和目的是根據(jù)某一具體事件的特征，將其正確地歸入某一類(lèi)別。 目前機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在醫(yī)療診斷、各類(lèi)自動(dòng)檢測(cè)與控制、智能機(jī)器人等方面得到廣泛應(yīng)用，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。 1.2國(guó)內(nèi)外管道機(jī)器人的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向 1.2.1管道機(jī)器人的研究現(xiàn)狀 當(dāng)前，管道的檢測(cè)和維護(hù)工作多采用管道機(jī)器人來(lái)完成。管道機(jī)器人是一種可沿管道內(nèi)壁行走的機(jī)械，它可以攜帶一種或

17、多種傳感器以及操作裝置(CCD傳感器、位置和姿態(tài)傳感器、超聲傳感器、渦流傳感器、管道清理裝置、管道裂紋及管道接口焊接裝置、防腐噴涂裝置、簡(jiǎn)單的操作機(jī)械手等)，通過(guò)操作人員的控制來(lái)進(jìn)行一系列的管道檢測(cè)和維修作業(yè)。一個(gè)完整的管道機(jī)器人系統(tǒng)，應(yīng)由移動(dòng)載體(行走機(jī)構(gòu))、管道內(nèi)部環(huán)境識(shí)別檢測(cè)系統(tǒng)、信號(hào)傳遞和動(dòng)力傳輸系統(tǒng)及控制系統(tǒng)組成，其中移動(dòng)載體是管道檢測(cè)移動(dòng)機(jī)器人的核心部分。管道檢測(cè)機(jī)器人的工作空間是復(fù)雜、封閉的各種管道，包括水平直管、各角度彎管、斜坡管、垂直管以及變徑管接口等，它的運(yùn)行距離一般也較長(zhǎng)[5]。 日本、美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家在管道機(jī)器人技術(shù)方面已做了大量的工作，取得了比較突出的成績(jī)

18、。其中，日本機(jī)器人的發(fā)展經(jīng)過(guò)了上世紀(jì)六十年代的搖籃期，七十年代的實(shí)用期，到八十年代進(jìn)入普及提高期，并且開(kāi)始在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)廣泛推廣使用機(jī)器人。日本管道機(jī)器人眾多，其中東京工業(yè)大學(xué)航空機(jī)械系ShigeoHirose和Hideta一kaohno等于1993年開(kāi)始研究管道機(jī)器人，他們先后研制成功適用于50mm管道的Thes一I、Thes一H型管道機(jī)器人和適用于150~管道的Thes一Hl型管道機(jī)器人[6]。以下介紹幾種國(guó)內(nèi)外的管道機(jī)器人。 （1）無(wú)線(xiàn)貼壁螺旋式機(jī)器人 圖1-1為比利時(shí)布魯塞爾自由大學(xué)根據(jù)東京工業(yè)大學(xué)航空機(jī)械系的研究成果所研制的無(wú)線(xiàn)貼壁螺旋機(jī)器人。該機(jī)器人由前后兩部分組成，中間通過(guò)萬(wàn)向

19、節(jié)連接。前部分為驅(qū)動(dòng)單元，由三個(gè)互成120度的支撐腳組成，每個(gè)支撐腳上各有一個(gè)具有傾斜角的輪子。后部分為支撐部分，通過(guò)中間的電機(jī)驅(qū)動(dòng)使前部分在管內(nèi) 旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。前部分輪子的傾斜角可以隨著阻力大小的改變而改變.當(dāng)機(jī)器人的負(fù)載較大時(shí)，輪子的傾斜角將產(chǎn)生變化，從而減小行走速度，增加推進(jìn)力。機(jī)器人的前端可以轉(zhuǎn)載清洗刷，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道的清洗。 圖1-1無(wú)線(xiàn)貼壁螺旋式機(jī)器人 （2）電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪式機(jī)器人 圖1-2是韓國(guó)Soosung機(jī)械有限公司研發(fā)的炮管自動(dòng)清洗機(jī)器人(韓國(guó)專(zhuān)利號(hào):10-2006-0033030，歐洲專(zhuān)利號(hào):EP1845330AI)。該機(jī)器人由80a和80b兩個(gè)緊貼管壁的

20、輪子旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)整體前進(jìn)和后退，其中m為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過(guò)減速器100減速后驅(qū)動(dòng)80a和80b，同時(shí)通過(guò)行星輪系驅(qū)動(dòng)500繞著中心軸200旋轉(zhuǎn)，在500上裝有刷子，并由610提供清潔油實(shí)現(xiàn)對(duì)管內(nèi)壁的清洗 圖1-2電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪式機(jī)器人 國(guó)內(nèi)在管道機(jī)器人方面的研究起步較晚，而且多數(shù)停留在實(shí)驗(yàn)室階段。 （3）管徑自適應(yīng)式管道機(jī)器人 圖1-3為上海交通大學(xué)研制的管徑自適應(yīng)管道機(jī)器人。該機(jī)器人由成120度三組平行四邊形輪腿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)[7]，該三組輪腿緊貼管壁，在實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的同時(shí)能根據(jù)管道內(nèi)徑變化進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，目前該機(jī)器人已用于煤氣管道的探測(cè)和維護(hù)。 圖1-3管徑自適應(yīng)式機(jī)器人 1.2.2

21、管道機(jī)器人的發(fā)展方向 隨著核工業(yè)、化工工業(yè)的不斷發(fā)展，迫使人們研究管道機(jī)器人來(lái)對(duì)這些惡劣環(huán)境下的管道、罐狀容器進(jìn)行檢測(cè)和維修，在一定程度上刺激了管內(nèi)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。從某種意義上講，一個(gè)國(guó)家機(jī)器人技術(shù)水平的高低直接反映了這個(gè)國(guó)家綜合科技實(shí)力的高低。管道機(jī)器人技術(shù)是傳感技術(shù)、控制技術(shù)、信息處理技術(shù)、機(jī)械加工技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多門(mén)技術(shù)的融合。因此管道機(jī)器人的發(fā)展也必然建立在這些技術(shù)的高速發(fā)展之上。 管道機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展方向主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[8]： （l）微型和微小型技術(shù)這是一項(xiàng)由技術(shù)驅(qū)動(dòng)的新領(lǐng)域，盡管微型、小型尺寸的機(jī)器人實(shí)用化還要等幾年，但是這個(gè)時(shí)代即將到來(lái)，從而適應(yīng)不同的

22、應(yīng)用環(huán)境。 （2）先進(jìn)的傳感技術(shù)傳感器相當(dāng)于管道機(jī)器人的感覺(jué)器官，只有先進(jìn)的傳感器技術(shù)才能有效的采集環(huán)境信息，從而提高機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的效率和準(zhǔn)確性。 （3）高效的信息處理技術(shù)信息處理主要是指對(duì)于傳感器采集進(jìn)來(lái)的信息進(jìn)行處理，包括語(yǔ)音識(shí)別與理解技術(shù)，圖像處理與模式識(shí)別技術(shù)等，從而提高機(jī)器人的工作效率。 （4）網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人技術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展完全能夠?qū)⒏鞣N機(jī)器人連接到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行有效的控制。這種技術(shù)包括網(wǎng)絡(luò)遙操作控制技術(shù)、眾多信息組的壓縮與擴(kuò)展方法及傳輸技術(shù)等。 （5）多智能體協(xié)調(diào)控制技術(shù)用于實(shí)現(xiàn)決策和操作自治性的、由多智能體組成的群行為控制是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的關(guān)鍵技術(shù)，

23、這里包括任務(wù)的解釋和表達(dá)、學(xué)習(xí)、實(shí)時(shí)推理和廣義反應(yīng)能力、監(jiān)控和異況處理。 1.3課題的研究意義 現(xiàn)代武器及其彈藥技術(shù)大大增加了由炮膛內(nèi)污垢導(dǎo)致武器系統(tǒng)問(wèn)題的可能性。本課題所研制的智能炮管清洗機(jī)器人具有快捷智能清除炮膛內(nèi)污垢的特點(diǎn)。即使是在戰(zhàn)場(chǎng)或野外條件下，該機(jī)器人也能迅速、有效的完成炮膛清洗的清洗工作?？梢酝ㄟ^(guò)不同程序選擇對(duì)炮膛的維護(hù)流程及清潔效果進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化控制，大大降低士兵的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省士兵的時(shí)間以用于完成其他任務(wù)。該機(jī)器人清潔效果比傳統(tǒng)方法有顯著的提高，而且可以有效提高火炮的維護(hù)保養(yǎng)水平和身管壽命，從而對(duì)提高我軍戰(zhàn)斗力具有較大的軍事和經(jīng)濟(jì)效益。 第二章 炮管擦洗機(jī)器人總體方

24、案設(shè)計(jì) 2.1需求分析與設(shè)計(jì)思路 火炮的擦拭保養(yǎng)對(duì)于延長(zhǎng)身管壽命，提高射擊精度意義重大。炮管擦洗機(jī)器人是管道機(jī)器人的一個(gè)全新應(yīng)用方向，其任務(wù)是快速、高效對(duì)火炮內(nèi)膛進(jìn)行擦洗保養(yǎng)炮膛維護(hù)保養(yǎng)在不同任務(wù)階段，有不同的擦洗要求：①戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)過(guò)程中的身管維護(hù)。由于火炮連續(xù)射擊，一般要求在射擊20－100發(fā)后對(duì)炮膛進(jìn)行擦洗，然后再進(jìn)行射擊；②平時(shí)訓(xùn)練過(guò)程中的維護(hù)。由于射擊次數(shù)不多，但射擊間隔時(shí)間較長(zhǎng)，則需要在射擊間隔時(shí)間里對(duì)炮膛進(jìn)行簡(jiǎn)單的擦洗、上油；③封存與使用狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中的維護(hù)?；鹋趶姆獯鏍顟B(tài)到使用狀態(tài)的擦洗難度和工作量非常大；不同的擦洗要求，需要不同的擦洗模塊，本文考慮對(duì)炮管擦洗機(jī)器人采用模塊化設(shè)

25、計(jì)，以便適應(yīng)不同任務(wù)階段的火炮擦拭保養(yǎng)需求。 炮管擦洗機(jī)器人是一種特殊的管道清洗機(jī)器人，與其他管道清洗機(jī)器人相比有較大區(qū)別：①炮管是一種有著特殊內(nèi)表面的管道環(huán)境，膛線(xiàn)的存在給炮管擦洗機(jī)器人的管內(nèi)行走帶來(lái)了一定的困難，也對(duì)機(jī)器人的控制和運(yùn)動(dòng)方式提出了新的要求；②積炭多處于陰陽(yáng)線(xiàn)交界處，難以清洗，必須要設(shè)計(jì)有針對(duì)性的擦洗模塊。本章將通過(guò)分析管道機(jī)器人管內(nèi)運(yùn)動(dòng)方式的運(yùn)動(dòng)機(jī)理和炮管清洗的特點(diǎn)，結(jié)合炮管對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式和擦洗方式的要求，確定對(duì)炮管內(nèi)膛環(huán)境具有更好適應(yīng)性的運(yùn)動(dòng)方式和有效的擦洗方式，并以此為基礎(chǔ)，分析討論炮管擦洗機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。炮管擦洗機(jī)器人要完成火炮炮膛擦洗保養(yǎng)任務(wù)應(yīng)具備以下幾方面

26、的要求： （1）適應(yīng)性強(qiáng)，能進(jìn)行一定口徑范圍內(nèi)炮管的作業(yè); （2）結(jié)構(gòu)緊湊，便于攜帶，符合戰(zhàn)地使用要求; （3）清潔速度快，效果好，能滿(mǎn)足現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)快速反應(yīng)的要求; （4）通用性強(qiáng)，主要部分采用模塊化設(shè)計(jì)，便于拆卸和更換; （5）可擴(kuò)展性強(qiáng)，可搭載諸如檢測(cè)和維護(hù)等設(shè)備，從而全面實(shí)現(xiàn)炮管的擦洗、檢測(cè)和維護(hù)等功能。 綜合考慮同類(lèi)管道機(jī)器人的設(shè)計(jì)指標(biāo)以及炮管清洗的具體要求，對(duì)炮管擦洗機(jī)器人提出以下技術(shù)指標(biāo)要求: （l）可適應(yīng)炮管口徑范圍為中30mm一小75mm; （2）滿(mǎn)足管徑士5%的微觀(guān)變徑; （3）移動(dòng)功能模塊拖動(dòng)力大于等于400N； （4）行走速度0-7m/min （5）軸

27、向往復(fù)式擦洗摩擦力大于等于10N; （6）總重量小于2kg。 炮管擦洗機(jī)器人各部件按照功能的不同可分為三個(gè)模塊:移動(dòng)功能模塊、擦洗功能模塊和控制功能模塊，其中移動(dòng)功能模塊和擦洗功能模塊是管道擦洗機(jī)器人核心部分。圖2-1為炮管擦洗機(jī)器人總體布局。 圖2-1炮管擦洗機(jī)器人功能部分示意圖 移動(dòng)功能模塊推動(dòng)炮管擦洗機(jī)器人整體前進(jìn)或后退;擦洗功能模塊作為炮管擦洗機(jī)器人功能執(zhí)行模塊，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)擦洗、上油作業(yè)，保證擦洗保養(yǎng)效果;控制功能模塊接收傳感器信號(hào)，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制。移動(dòng)功能模塊的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力性能以及擦洗功能模塊擦洗效果是炮管擦洗機(jī)器人完成任務(wù)的關(guān)鍵。 2.2移動(dòng)功能模塊設(shè)計(jì) 我國(guó)

28、目前裝備的火炮口徑范圍是20至400mm，且多數(shù)為線(xiàn)膛炮。根據(jù)火炮炮管內(nèi)壁的特點(diǎn)，需要對(duì)炮管擦洗機(jī)器人移動(dòng)功能模塊的行走方式進(jìn)行合理選擇，同時(shí)由于不同火炮，其口徑不一，為了增強(qiáng)炮管擦洗機(jī)器人移動(dòng)功能模塊的通用性，需要對(duì)移動(dòng)機(jī)構(gòu)采取自適應(yīng)設(shè)計(jì)。 2.2.1運(yùn)動(dòng)方式分析與選擇 炮管擦洗機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方式的設(shè)計(jì)與所作業(yè)的炮管內(nèi)部情況密切相關(guān)，炮管口徑的大小、截面形狀以及內(nèi)表面的特點(diǎn)都是需要考慮的設(shè)計(jì)因素。炮管口徑越大，對(duì)動(dòng)力源和機(jī)械結(jié)構(gòu)的尺寸約束越小，移動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)械部分的設(shè)計(jì)也可以越復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)的功能越多;炮管口徑越小，對(duì)驅(qū)動(dòng)方式和機(jī)械結(jié)構(gòu)的空間尺寸約束條件越多，機(jī)械零部件越難以設(shè)計(jì)和加工。

29、由于管道是一個(gè)特殊的受限工作環(huán)境，研究適合在管道內(nèi)移動(dòng)的各種運(yùn)動(dòng)方式己成為管道檢測(cè)機(jī)器人研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題，目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)機(jī)器人在管道內(nèi)的各種運(yùn)動(dòng)方式和運(yùn)動(dòng)機(jī)理進(jìn)行了大量的研究和探索，并研制了相應(yīng)的管道機(jī)器人樣機(jī)。按照管道機(jī)器人在管道內(nèi)作業(yè)的動(dòng)力源，可分為被動(dòng)式和主動(dòng)式，其中被動(dòng)式是利用管道內(nèi)介質(zhì)的壓力差驅(qū)動(dòng)，在管道內(nèi)只能單向運(yùn)動(dòng)，適應(yīng)單一的管道直徑，運(yùn)動(dòng)速度不易控制;主動(dòng)運(yùn)動(dòng)方式的管道檢測(cè)機(jī)器人具備動(dòng)力能源供給裝置，在管道內(nèi)具有自主行走能力，其運(yùn)動(dòng)速度可控。 根據(jù)運(yùn)動(dòng)機(jī)理和驅(qū)動(dòng)方式的不同，主動(dòng)運(yùn)動(dòng)方式主要包括輪式、履帶式、多足式和蠕動(dòng)式等四種主要方式。各種行走方式都有其自身的優(yōu)越性

30、和局限性。 表2-1羅列了上述四種行走方式的運(yùn)動(dòng)機(jī)理和優(yōu)缺點(diǎn) 行走方式 運(yùn)動(dòng)機(jī)理 優(yōu)缺點(diǎn) 輪式 驅(qū)動(dòng)輪緊壓在管道內(nèi)壁上，在封閉力的作用下，機(jī)器人的各驅(qū)動(dòng)輪與管壁之間產(chǎn)生附著力，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人在管道內(nèi)前后運(yùn)動(dòng) 該運(yùn)動(dòng)方式具有機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、牽引力大、行走速度快、運(yùn)動(dòng)部件可靠性高、控制方便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，適合大、中口徑的管道，是管道機(jī)器人實(shí)際工程應(yīng)用最多的一種的方式 履帶式 靠履帶卷繞時(shí)管道內(nèi)壁對(duì)履帶產(chǎn)生的反作用力推動(dòng)機(jī)器人載體在管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)的。 該運(yùn)動(dòng)方式有效的解決了驅(qū)動(dòng)力－正壓力－附著力之間的矛盾，是一種在惡劣管道環(huán)境下有效的運(yùn)動(dòng)方式，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易小型化，轉(zhuǎn)彎性能差，應(yīng)此用用于

31、大管徑 多足式 模仿多足昆蟲(chóng)的行走方式和行走步態(tài) 該行走方式有較好的動(dòng)作靈活性，理論上可以適合各種形狀的管道，但其較復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征，使得機(jī)器人在步態(tài)規(guī)劃和關(guān)節(jié)間協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制等方面存在一定難度，且牽引能力有限，不易攜帶檢測(cè)維護(hù)裝置，不適合長(zhǎng)距離拖纜作業(yè) 蠕動(dòng)式 模仿蚯蚓、尺蠖、毛蟲(chóng)等蟲(chóng)類(lèi)的變形蠕動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)理 該行走方式行走效率低，導(dǎo)致機(jī)器人行走不連續(xù)，而且更換支撐部分時(shí)易產(chǎn)生機(jī)身不穩(wěn)定現(xiàn)象，難以滿(mǎn)足管道工程中“迅速完成作業(yè)”的需要。 由表2-1可知，因線(xiàn)膛炮炮管口徑較小，不宜采用履帶式運(yùn)動(dòng)方式，且炮管擦洗機(jī)器人對(duì)移動(dòng)機(jī)構(gòu)的拖動(dòng)力有比較高的要求，故不宜采用多足式和蠕動(dòng)式行走方

32、式，因此，炮管擦洗機(jī)器人采用輪式行走方式。 2.2.2自適應(yīng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 為了適應(yīng)不同直徑炮管的擦洗，炮管擦洗機(jī)器人需要具備管徑適應(yīng)調(diào)整機(jī)構(gòu)，其主要作用有：①在不同直徑的管道中能張開(kāi)或收縮，使機(jī)器人能在各種直徑的管道中行走作業(yè)；②可以提供附加正壓力增加機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)輪與管道內(nèi)壁間的壓力， 改善機(jī)器人的牽引性能。 能夠適應(yīng)不同管徑的預(yù)緊變徑機(jī)構(gòu)主要有彈簧預(yù)緊變徑機(jī)構(gòu)、蝸桿蝸輪預(yù)緊變徑機(jī)構(gòu)、升降機(jī)預(yù)緊變徑機(jī)構(gòu)和絲杠螺母副預(yù)緊變徑機(jī)構(gòu)四種，其結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)圖如圖2-2所示。下面對(duì)每種方式的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)要的說(shuō)明和分析。 a）蝸輪蝸桿預(yù)緊支撐機(jī)構(gòu)示意圖 b）升降機(jī)預(yù)緊支撐

33、機(jī)構(gòu)示意圖 c）絲桿螺母預(yù)緊支撐機(jī)構(gòu)示意圖 d） 彈簧預(yù)緊支撐機(jī)構(gòu)示意圖 圖2-2變徑機(jī)構(gòu)示意圖 （l）蝸輪蝸桿預(yù)緊變徑方式 連桿一端與蝸輪軸鉸接，另一端與驅(qū)動(dòng)輪軸鉸接，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸桿，帶動(dòng)蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪撐開(kāi)或者放低，以達(dá)到適應(yīng)不同管徑的目的，如圖2.2a）所示。該方法可以實(shí)現(xiàn)較大范圍變徑，但所需驅(qū)動(dòng)力較大，一般較少使用。 （2）升降機(jī)預(yù)緊變徑方式 其工作原理是利用平行連桿原理，通過(guò)在其中某個(gè)連桿的一端作用一定大小和方向的力使升降機(jī)機(jī)構(gòu)升起或者回落，從而使驅(qū)動(dòng)輪也跟著升起或者回落，以達(dá)到適應(yīng)不同管徑的目的，如圖2.2

34、b）所示。采用升降機(jī)預(yù)緊支撐機(jī)構(gòu)最大的優(yōu)點(diǎn)是在軸向和徑向結(jié)構(gòu)比較緊湊，使機(jī)器人的空間尺寸大大縮小，其缺點(diǎn)是當(dāng)管道直徑較大時(shí)所需的推動(dòng)力較大，對(duì)機(jī)構(gòu)強(qiáng)度的要求較高。 （3）絲杠螺母預(yù)緊變徑方式 其工作原理是通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，支撐桿一端和驅(qū)動(dòng)輪軸鉸接，另一端鉸接在固定支點(diǎn)處，推桿一端與支撐桿鉸接，另一端鉸接在螺母上，滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)將帶動(dòng)絲杠螺母沿軸線(xiàn)方向在滾珠絲杠上來(lái)回滑動(dòng)，從而帶動(dòng)推桿運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而推動(dòng)支撐桿繞固定支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，使驅(qū)動(dòng)輪撐開(kāi)或者緊縮以達(dá)到適應(yīng)不同的管徑的目的，如圖2-2c）所示。該方法空間布置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所需驅(qū)動(dòng)力較小，但缺點(diǎn)是不緊湊。 （4）彈簧預(yù)緊變徑方式 其工作原理是通過(guò)

35、改變彈簧預(yù)緊力來(lái)調(diào)節(jié)支撐輪的徑向距離，達(dá)到適應(yīng)不同管徑的目的，如圖2.2d）所示。這種方法最大的優(yōu)點(diǎn)是不需要外加動(dòng)力源，在小范圍內(nèi)具有自適應(yīng)能力。 根據(jù)以上分析，本機(jī)構(gòu)已采用彈簧預(yù)緊機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)其自適應(yīng)結(jié)構(gòu)，且采用單電機(jī)全驅(qū)動(dòng)、可調(diào)節(jié)、自適應(yīng)輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，且在不同管徑可產(chǎn)生恒定拖動(dòng)力的特點(diǎn)。 2.3擦洗功能模塊設(shè)計(jì) 2.3.1炮膛擦洗過(guò)程分析與研究 不同的擦洗任務(wù)階段，需要不同的擦拭技術(shù)，不同的擦拭技術(shù)，需要不同的擦拭功能模塊。根據(jù)擦洗任務(wù)的不同，擦洗功能模塊分為三個(gè)組件：高速旋轉(zhuǎn)式清洗頭、普通擦洗頭和軸向往復(fù)式擦洗頭。當(dāng)炮膛需要較大擦洗力時(shí)，將普通擦洗頭和移動(dòng)機(jī)構(gòu)直接相連，由移動(dòng)機(jī)構(gòu)帶

36、動(dòng)擦洗頭在炮管內(nèi)往復(fù)擦洗；當(dāng)需要較小擦洗力對(duì)炮膛進(jìn)行清理或上油時(shí)，采用移動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)軸向往復(fù)式擦洗頭，快速對(duì)炮膛進(jìn)行清理、上油。 普通擦洗頭可直接采用現(xiàn)在部隊(duì)使用的擦洗頭，不需要另外設(shè)計(jì)。同時(shí)，機(jī)器人在對(duì)炮膛進(jìn)行清理或上油時(shí)，需要較快的速度完成任務(wù)，而且所需的擦洗摩擦力較小所以軸向往復(fù)式擦洗頭所需提供的摩擦力只需大于10N即可。 2.3.2軸向往復(fù)式擦洗頭設(shè)計(jì) 可實(shí)現(xiàn)往復(fù)式擦洗功能的機(jī)構(gòu)主要有電磁-彈簧機(jī)構(gòu)、絲杠螺母機(jī)構(gòu)、和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)三種，其結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)圖如圖2-3所示。每種方式都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，下面進(jìn)行簡(jiǎn)要的說(shuō)明和分析。 a）電磁－彈簧式

37、 b） 絲桿－螺母式 c）曲柄滑塊式 圖2-3三種軸向往復(fù)式機(jī)構(gòu)示意圖 （1）電磁－彈簧往復(fù)式機(jī)構(gòu)，其示意圖如圖2-3a）所示。電磁鐵通電，使磁鐵靠近電磁鐵，彈簧拉長(zhǎng);電磁鐵斷電，磁鐵在彈簧拉力下遠(yuǎn)離電磁鐵或者電磁鐵通電，排斥磁鐵遠(yuǎn)離電磁鐵，彈簧壓縮;電磁鐵斷電，磁鐵在彈簧的彈力下靠近電磁鐵。此方法的優(yōu)點(diǎn)是易于控制，缺點(diǎn)是當(dāng)外部所需摩擦力較大時(shí)，電磁鐵和磁鐵體積較大，而且電磁力為非線(xiàn)性力，有效作用距離較短。 （2）絲杠－螺母往復(fù)式機(jī)構(gòu)，其示意圖如圖2-3b）所示。工作原理如下:電機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母在絲杠上做往復(fù)式直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。該機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于分析和

38、設(shè)計(jì)，缺點(diǎn)是絲杠過(guò)長(zhǎng)，剛度變差，易產(chǎn)生變形。 （3）曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，其示意圖如圖2-3c）所示。作為四桿機(jī)構(gòu)的一個(gè)重要分支，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)在各種直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中得到了廣泛的應(yīng)用。通過(guò)調(diào)整曲柄滑塊機(jī)構(gòu)各構(gòu)件的長(zhǎng)度，可以改變滑塊的位移、運(yùn)動(dòng)速度和加速度，對(duì)于有特殊運(yùn)動(dòng)要求的場(chǎng)合還可以按照一定的方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)是機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)過(guò)程較為復(fù)雜。在對(duì)炮管擦洗機(jī)器人軸向往復(fù)式擦洗機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，一方面需要考慮對(duì)擦洗距離和擦洗摩擦力的要求，另一方面又要考慮炮管口徑機(jī)構(gòu)各零件尺寸上帶來(lái)的限制。根據(jù)對(duì)以上三種往復(fù)式機(jī)構(gòu)的分析，本文選用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)軸向往復(fù)式擦洗功能，示意圖如圖2-4

39、所示。 圖2-4軸向往復(fù)擦洗頭示意圖 2.4控制功能模塊設(shè)計(jì) 通過(guò)前面兩節(jié)的分析，初步完成了炮管擦洗機(jī)器人移動(dòng)功能模塊和擦洗功能塊的設(shè)計(jì)，為了使各功能部件互相配合，形成有機(jī)的整體，炮管擦洗機(jī)器人必須有相應(yīng)的控制系統(tǒng)。 2.4.1主控制系統(tǒng) 目前使用較多的控制器是可編程邏輯控制器（簡(jiǎn)稱(chēng)PLC）和單片機(jī)，PLC它是20世紀(jì)70年代以來(lái)以微處理器為核心，綜合計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一種新型工業(yè)控制裝置。由于它具有功能強(qiáng)、可靠性高、配置靈活、使用方便以及體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于自動(dòng)化控制的各個(gè)領(lǐng)域。單片機(jī)是以一個(gè)大規(guī)模集成電路為主組成的微型計(jì)算機(jī)，面向控制領(lǐng)

40、域，而且價(jià)格便宜。隨著近年來(lái)單片機(jī)技術(shù)得到迅速發(fā)展，出現(xiàn)了一批新型高性能單片機(jī)AVR就是其典型代表。而其中的ATMEGA128就是其中的高端產(chǎn)品。 2.4.2傳感器 傳感器是機(jī)器人系統(tǒng)的重要組成部分，一般可分為內(nèi)部和外部?jī)深?lèi)傳感器。所謂內(nèi)部傳感器是完成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制所必須的那些傳感器，如位置、速度傳感器等，它們是構(gòu)成機(jī)器人不可缺少的基本元件。外部傳感器取決于機(jī)器人所要完成的任務(wù)，如檢測(cè)、維修等就需要有觸覺(jué)傳感器;為了在狹窄空間作業(yè)，又不能碰撞外界其他物體，就需要接近傳感器等。通常的外部傳感器有力傳感器、觸覺(jué)傳感器、視覺(jué)傳感器等。 炮管擦洗機(jī)器人在戰(zhàn)地使用時(shí)，由于要求擦洗時(shí)間短，因此不需要

41、添加任何傳感器，僅將該型號(hào)火炮的擦洗方案固化到主控系統(tǒng)中，當(dāng)機(jī)器人啟動(dòng)后，按照預(yù)先設(shè)定的程序?qū)崿F(xiàn)炮管的快速擦洗。但是在基地保養(yǎng)擦洗時(shí)，可以增加攝像頭或其他檢測(cè)元件，對(duì)炮膛內(nèi)部進(jìn)行檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并予以解決。 2.4.3驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)器人系統(tǒng)的動(dòng)力來(lái)源，現(xiàn)代機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式主要有氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)和電動(dòng)驅(qū)動(dòng)三種。 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以壓縮空氣為動(dòng)力源，具有氣源方便，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)快速活，不污染環(huán)境，適合在惡劣工況條件下工作等特點(diǎn)。但是由于氣體具有可壓縮氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的平穩(wěn)性差，高速時(shí)還需緩沖或制動(dòng)裝置，低速時(shí)不易控制，速度、置控制難于達(dá)到精確值。 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有重量輕、慣量小、傳

42、動(dòng)平穩(wěn)、控制環(huán)節(jié)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。但是液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的液壓油容易泄漏，污染環(huán)境并影響機(jī)器性能，它需要單獨(dú)的油源，所占空間較大，主要適用于中、大型機(jī)器人。 電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有傳動(dòng)平穩(wěn)、靈活、速度快、控制簡(jiǎn)單精確、無(wú)污染、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)管路系統(tǒng)、維護(hù)方便等特點(diǎn)，適用于中、小型機(jī)器人。 采用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是現(xiàn)代機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)之一，負(fù)荷IO00N以?xún)?nèi)的中、小型機(jī)器人，絕大部分采用了電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。在參考了國(guó)內(nèi)外大量管道機(jī)器人實(shí)例，以及炮管擦洗機(jī)器人實(shí)際使用環(huán)境后，炮管擦洗機(jī)器人采用電動(dòng)方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。 第三章 管道清洗機(jī)器人詳細(xì)設(shè)計(jì) 在前兩章對(duì)清洗機(jī)器人進(jìn)行方案設(shè)計(jì)與參數(shù)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，本章主

43、要對(duì)個(gè)部分機(jī)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，具體包括：移動(dòng)功能模塊的機(jī)械設(shè)計(jì)與分析和擦洗功能模塊的機(jī)械設(shè)計(jì)。通過(guò)本章對(duì)炮管清洗機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)?？蛇M(jìn)一步明確此炮管清洗機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和功能，為機(jī)器人加工制作打下基礎(chǔ)。 3.1移動(dòng)功能模塊設(shè)計(jì)與分析 移動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要分為三個(gè)部分：傳動(dòng)機(jī)構(gòu),預(yù)緊機(jī)構(gòu)和連接件。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要包括蝸輪蝸桿，傳動(dòng)齒輪系和行走輪的設(shè)計(jì)：預(yù)緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要包括彈簧，滾珠絲桿副，調(diào)節(jié)大齒輪和調(diào)節(jié)小齒輪的設(shè)計(jì)。 3.1.1傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 電機(jī)的動(dòng)力經(jīng)蝸桿傳遞到三個(gè)渦輪上，渦輪通過(guò)傳動(dòng)齒輪最終將動(dòng)力傳遞驅(qū)動(dòng)輪上，在動(dòng)力的整個(gè)傳動(dòng)過(guò)程中，蝸輪蝸桿是最關(guān)鍵的零件。 （1）蝸輪蝸桿設(shè)

44、計(jì) 　根據(jù)分析選擇電機(jī)maxon25mm的石墨電刷dc電機(jī) （2）傳動(dòng)比的選定 此設(shè)計(jì)在機(jī)器人有較大速度的前提下進(jìn)行，因此先預(yù)計(jì)最終速度在50mm/s。初選車(chē)輪直徑d=12mm,則此時(shí)車(chē)輪的角速度及減速后最終的角速度為：ω= 60 v/ (πd)＝79.6r/min. （3-1） 因?yàn)殡姍C(jī)的初速度為5050r/min,由傳動(dòng)比公式： i = 5050/ω得ｉ＝5050/79.6,=63.44r/min,i=63.5。因?yàn)槲仐U蝸輪能獲得較大的單級(jí)傳動(dòng)比,故結(jié)構(gòu)緊湊。在傳遞動(dòng)力時(shí),傳動(dòng)比一般為8～100 ,常

45、用范圍為15～50 。用于分度機(jī)構(gòu)中,傳動(dòng)比可達(dá)幾百,甚至到1 000 。因此傳動(dòng)比完全由蝸桿蝸輪來(lái)實(shí)現(xiàn),即取蝸桿蝸輪的傳動(dòng)比i= 20 ,由于空間尺寸受很大的限制,本設(shè)計(jì)采用3 個(gè)參數(shù)完全一樣的齒輪來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)。 故最終實(shí)現(xiàn)了傳動(dòng)比的傳遞,而且解決了受空間限制的問(wèn)題。 選擇蝸桿傳動(dòng)類(lèi)型ZI蝸桿， 選擇材料蝸桿45鋼 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定作用在輪上的轉(zhuǎn)矩T2 按Z1=2,估取效率0.8則T2=1.81e6NM 確實(shí)載荷系數(shù)k 因?yàn)楣ぷ鬏d荷較穩(wěn)定，故取載荷分布不均勻系數(shù)k＝1.27 確定彈性影響系數(shù)z=160mpa 確定接觸系數(shù)2.9 確定接觸用力268mpa 應(yīng)

46、力循環(huán)次數(shù)N=6.06e7 壽命系數(shù)khn＝0.8則應(yīng)力214mpa 計(jì)算中心矩a＝22.108 取中心矩ａ＝20mm因?yàn)閕＝60 m=0.4,壓力角20蝸桿直徑系數(shù)q＝17.5 蝸桿的分度圓直徑的＝7mm，r＝6，i＝60 ｚ＝1計(jì)算ｄ2＝12。 （3）傳動(dòng)齒輪設(shè)計(jì) 根據(jù)分析，傳動(dòng)齒輪系的3個(gè)齒輪參數(shù)一樣，考慮到齒輪所傳遞的扭矩大小，設(shè)計(jì)結(jié)果如下齒輪材料用35crmo，調(diào)制處理，硬度255～286HBS。 齒數(shù)ｚ＝18，模數(shù)ｍ＝0.5mm，齒寬2mm，中心距Ａ＝48mm,分度圓直徑ｄ1＝48mm。校核彎曲疲勞強(qiáng)度均可滿(mǎn)足要求。 （4）驅(qū)動(dòng)輪設(shè)計(jì) 為了使驅(qū)動(dòng)輪與管壁能夠產(chǎn)

47、生足夠的摩擦力，采用橡膠作為驅(qū)動(dòng)輪的材料，橡膠與鋼的靜摩擦系數(shù)為0.45~0.6,在無(wú)潤(rùn)滑條件下的動(dòng)摩擦系數(shù)為0.8。在對(duì)驅(qū)動(dòng)輪半徑進(jìn)行選擇時(shí)，由于要求機(jī)器人恩能夠擦洗得炮管直徑為50~100，由于連桿與軸線(xiàn)夾角的計(jì)算公式可知，渦輪蝸桿的中心矩和驅(qū)動(dòng)輪半徑之和所應(yīng)小于所能適應(yīng)的炮管半徑的最小值，蝸桿渦輪的中心矩為9.5，則驅(qū)動(dòng)輪半徑應(yīng)小于12，又因?yàn)閭鲃?dòng)齒輪的齒頂圓直徑為9mm，所以驅(qū)動(dòng)輪直徑小于20大于10，才能保證傳動(dòng)齒輪不會(huì)與管壁接觸，再根據(jù)移動(dòng)機(jī)構(gòu)行走速度要要求，該行走機(jī)構(gòu)的速度是0~9m/min，綜合以上分析，驅(qū)動(dòng)輪的半徑選為6mm。 3.1.2連接件設(shè)計(jì) （1）支架的設(shè)計(jì) 由

48、于移動(dòng)機(jī)構(gòu)的直徑較小，而結(jié)構(gòu)有比較復(fù)雜，零件較多，各零件在徑向尺寸上容易產(chǎn)生干涉，所以渦輪軸的固定部分采取支架式設(shè)計(jì)，盡量避免產(chǎn)生干涉。又因?yàn)橐苿?dòng)功能模塊中間是預(yù)緊機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)齒輪系，考慮到裝配問(wèn)題，設(shè)計(jì)了兩個(gè)結(jié)構(gòu)類(lèi)似的前支架和后支架，前后支架的兩端分別是兩個(gè)圓盤(pán)，其中一端用來(lái)固定電機(jī)，另一端用來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)緊機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)齒輪系的安裝和固定。移動(dòng)機(jī)構(gòu)在裝配時(shí)，前支架三維示意圖3-1所示 圖3-1移動(dòng)支架示意圖 （2）移動(dòng)部分的設(shè)計(jì) [9] 由于炮管清洗機(jī)器人在作業(yè)中需要前進(jìn)和后退，而機(jī)器人前進(jìn)的動(dòng)力均來(lái)自移動(dòng)機(jī)構(gòu)，所以移動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)如圖3-2所示 圖3-2移動(dòng)功能模塊三維裝配體示意圖

49、 3.2擦洗功能模塊的設(shè)計(jì) 擦洗模塊分為高速旋轉(zhuǎn)式清洗頭、普通擦洗頭和軸向往復(fù)式擦洗頭。旋轉(zhuǎn)式清洗頭通過(guò)電機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)鋼刷高速旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)積炭的“粗洗”；普通擦洗頭在移動(dòng)機(jī)構(gòu)的直接帶動(dòng)下，沿軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)積炭的“精洗”；軸向往復(fù)式擦洗頭對(duì)炮膛進(jìn)行快速清理和上油。普通擦洗頭采用部隊(duì)目前使用的擦洗頭，故不需要對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)，只需對(duì)高速旋轉(zhuǎn)式清洗頭和軸向往復(fù)式擦洗頭進(jìn)行設(shè)計(jì)。而本章主要進(jìn)行旋轉(zhuǎn)式清洗頭進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。 3.2.1旋轉(zhuǎn)式清洗頭設(shè)計(jì) 旋轉(zhuǎn)式清洗頭的設(shè)計(jì)，采用微型電機(jī)帶動(dòng)刷頭轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)固定在電機(jī)座上，用螺母校緊，電機(jī)的輸出軸與鋼刷所在的軸用聯(lián)軸器連接，通過(guò)齒輪減速，使刷頭運(yùn)動(dòng)流

50、暢,其結(jié)構(gòu)如圖3-4所示。 圖3-4清洗頭功能模塊 3.3控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 炮管清潔機(jī)器人控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的任務(wù)在炮管內(nèi)，控制行走電動(dòng)機(jī)的恒轉(zhuǎn)速輸出，這是保持恒定拖動(dòng)力的必要條件。否則，造成拖動(dòng)力輸出不均勻，清潔效果不均，應(yīng)對(duì)其實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制；控制清洗電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩輸出，實(shí)現(xiàn)炮管清洗，同樣也是閉環(huán)控制；控制攝像頭的圖像數(shù)據(jù)的采集、接收、編碼、壓縮、存儲(chǔ)等。完成對(duì)管壁厚度、腐蝕情況、清潔情況的檢測(cè)，作為后期維修保養(yǎng)的參考依據(jù)。本機(jī)器人要求控制系統(tǒng)滿(mǎn)足： 調(diào)速快、方便； 控制機(jī)器人的清潔電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；換向轉(zhuǎn)矩波動(dòng)控制在士5%； 控制系統(tǒng)具有一定的先進(jìn)性； 控制系統(tǒng)易操作，便于使用。

51、該控制器主要包括： （1）主控制器：機(jī)器人的控制核心； （2）PC機(jī)的接口模塊：PC機(jī)接口模塊包括JTAG調(diào)試接口和串口通訊接口，JTAG調(diào)試接口負(fù)責(zé)硬件控制器的程序下載和軟件調(diào)試，串口通訊是PC機(jī)和控制器的數(shù)據(jù)交互接口； 圖3-5主控制圖示意圖 （3）電機(jī)控制模塊：控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)，以進(jìn)行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制； （4）傳感器模塊：傳感器模塊主要包括電機(jī)測(cè)速，電機(jī)測(cè)負(fù)責(zé)檢測(cè)電機(jī)的速度，根據(jù)電機(jī)測(cè)速模塊的數(shù)據(jù)可以得到機(jī)器人的位置信息和速度信息。 （5）人機(jī)接口模塊：人機(jī)接口模塊包括LCD顯示、按鍵和蜂鳴器。它是人機(jī)交互的重要工具，通過(guò)這些接口可以給機(jī)器人下達(dá)命令，機(jī)器人也可以在運(yùn)行出錯(cuò)時(shí)

52、報(bào)警，同時(shí)它在控制板軟硬件調(diào)試過(guò)程中作用重大。 下面小節(jié)將對(duì)控制系統(tǒng)整體框圖中的主控制芯片和傳感器的選型和特點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)單的分述。 3.3.1主控制芯片 根據(jù)控制系統(tǒng)整體框圖所示，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)器人控制系統(tǒng)主芯片要完成的任務(wù)有： (1）產(chǎn)生兩路PWM波驅(qū)動(dòng)三個(gè)電機(jī)，檢測(cè)兩路電機(jī)光電碼盤(pán)信號(hào)輸入，運(yùn)行測(cè)速程序以實(shí)時(shí)獲知電機(jī)轉(zhuǎn)速； (2）調(diào)試接口用來(lái)下載和調(diào)試程序，通過(guò)串口和計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊； (3）外部中斷處理鍵盤(pán)事件； (4）LCD顯示； 根據(jù)以上任務(wù)，機(jī)器人控制系統(tǒng)主芯片必須有的資源包括： (1）至少兩路獨(dú)立的硬件PWM發(fā)生器。 (2）定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，豐富的外部接口，如UART

53、、JTAG或ISP、串口以及較多的外部中斷。 此外為了簡(jiǎn)化電路，要求主控制芯片要有較大的內(nèi)部程序存儲(chǔ)空間，這樣就可以為系統(tǒng)省去存儲(chǔ)電路，降低成本。 目前市面上的微控制芯片有多種，常見(jiàn)的包括8位單片機(jī)51、AVR、16位的TIDSP以及32位的ARM等。51單片機(jī)由于其功能簡(jiǎn)單，IO口較少，一般用于簡(jiǎn)單的控制模塊當(dāng)中，對(duì)于需要控制的部件較多的機(jī)器人來(lái)說(shuō)顯然是不夠用的，TIDSP以及ARM控制器的速度較快，資源豐富，能夠勝任機(jī)器人應(yīng)用的多個(gè)場(chǎng)合，但是成本較高。因此本系統(tǒng)機(jī)器人采用AVR單片機(jī)ATmega128作為主控制芯ATmega128單片機(jī)是AVR中的高性能8位單片機(jī)，采用先進(jìn)的RISC結(jié)

54、構(gòu)，具有48個(gè)可編程IO口，并且接口功能豐富，完全能適合本機(jī)器人的應(yīng)用。 ATmega128是ATMRL公司產(chǎn)品，ATMEL公司是世界上著名的生產(chǎn)高性能、低功耗、非易失性存儲(chǔ)器和各種數(shù)字模擬IC芯片的半導(dǎo)體制造公司。1997年ATMEL發(fā)揮其Flash存儲(chǔ)器技術(shù)特長(zhǎng)，研發(fā)出增強(qiáng)型內(nèi)置Flash程序存儲(chǔ)器的精簡(jiǎn)指令集CPU(Reduced Instruction Set CPU，RISC)高速8位單片機(jī)AVR。AVR單片機(jī)可以廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外部設(shè)備、工業(yè)實(shí)時(shí)控制、儀器儀表、通信設(shè)備、家用機(jī)器等各個(gè)領(lǐng)域。 AVR單片機(jī)廢除了機(jī)器周期，拋棄復(fù)雜指令集CPU(Complex Instructio

55、n Set CPU，CISC)追求指令完備的做法，采用精簡(jiǎn)指令集CPU(RISC)，以字作為指令長(zhǎng)度單位，將內(nèi)容豐富的操作數(shù)與操作碼安排在一字之中（指令集中占大多數(shù)的單周期指令都是如此），取指周期短，又可預(yù)取指令，實(shí)現(xiàn)流水作業(yè)，故可高速執(zhí)行指令，并具有較高的可靠性。AVR單片機(jī)的內(nèi)核將32個(gè)工作寄存器和豐富的指令集聯(lián)結(jié)在一起，所有的工作寄存器都與ALU（算術(shù)邏輯單元）直接相連，實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行的一個(gè)指令可以同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)兩個(gè)獨(dú)立的寄存器。這個(gè)結(jié)構(gòu)提高了代碼效率，使AVR的運(yùn)行速度比普通CISC單片機(jī)高出10倍。 3.3.2 ATmega128介紹 ATmega128單片機(jī)[10]-[1

56、2]是AVR單片機(jī)家族中的高性能單片機(jī)，它的主要性能特點(diǎn)如下 （1）高性能、低功耗的8位微處理器 AVR單片機(jī)工作電壓范圍寬，工作電壓寬，在1.8~6V之間，電源的抗干擾能力強(qiáng)；低功耗，AVR單片機(jī)具有6種休眠功能：空閑模式、ADC噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、Standby模式以及擴(kuò)展的Standby模式，并且能夠從低功耗模式中迅速喚醒。 （2）先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu) 大多數(shù)指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成。32K8bit通用工作寄存器和外設(shè)控制寄存器。全靜態(tài)工作于16MHz時(shí)，性能高達(dá)16MIPS。 （3）非易失性的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 128KB的系統(tǒng)可編程，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器壽命為1

57、0000次寫(xiě)/擦除周期。4KB的EEPROM，壽命為100000次寫(xiě)/擦除周期。4KB的內(nèi)部SRAM，多達(dá)64KB的優(yōu)化的外部存儲(chǔ)器空間?？梢酝ㄟ^(guò)SPI實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程。 （4）JTAG接口（與IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)兼容） 遵循JTAG標(biāo)準(zhǔn)的邊界掃描功能。支持?jǐn)U展的片內(nèi)調(diào)試。通過(guò)JTAG接口實(shí)現(xiàn)對(duì)Flash存儲(chǔ)器、EEPROM、熔絲位和鎖存器的編程。 （5）外設(shè)特點(diǎn) 2個(gè)獨(dú)立的帶有預(yù)分頻器和比較模式的8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；2路8位PWM；6路分辨率可編程（2~16位）的PWM；端口有較強(qiáng)的負(fù)載能力，可以直接驅(qū)動(dòng)LED；內(nèi)置看門(mén)狗定時(shí)器，可防止程序跑飛，提高產(chǎn)品的抗干擾能力；內(nèi)置電源上電

58、復(fù)位和電源掉電檢測(cè)，可高了單片機(jī)的可靠性，不用外加復(fù)位延時(shí)電路；有豐富的中斷向量，34個(gè)中斷源，不同中斷向量的入口地址不一樣，可以快速響應(yīng)；8路10位ADC；面向字節(jié)的兩線(xiàn)接口；2個(gè)可編程的串行USART。 3.3.3電機(jī)控制技術(shù) 直流電動(dòng)機(jī)是最早出現(xiàn)的電動(dòng)機(jī)，也是最早能實(shí)現(xiàn)調(diào)速的電動(dòng)機(jī)。近年來(lái)，直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和控制方式都發(fā)生了很大的變化。隨著計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域，以及新型的電力電子功率元器件的不斷出現(xiàn)，使采用全控型的開(kāi)關(guān)功率元件進(jìn)行脈寬調(diào)制控制方式已成為絕對(duì)主流。 （1）電機(jī)調(diào)速原理 直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n的表達(dá)式為： (3-2) 其中，U為電樞端電壓

59、；I為電樞電流；R為電樞電路總電阻；Φ為每極磁通量；K為電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)。 由式(3-1)可知直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方法可分為兩類(lèi)：對(duì)勵(lì)磁磁通進(jìn)行控制的勵(lì)磁控制法和對(duì)電樞電壓進(jìn)行控制的電樞控制法。其中勵(lì)磁控制法在低速時(shí)受磁極飽和的限制，在高速時(shí)受換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制，并且勵(lì)磁線(xiàn)圈電感較大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差，所以這種控制方法用得很少?，F(xiàn)在，大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合都使用電樞控制法。絕大多數(shù)直流電機(jī)采用開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)方式。開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)方式是使半導(dǎo)體功率器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，通過(guò)脈寬調(diào)制PWM來(lái)控制電動(dòng)機(jī)電樞電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。 圖3-6 PWM調(diào)速原理電壓波形圖 圖3-6是利用開(kāi)關(guān)管對(duì)直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行PWM調(diào)速控

60、制的原理圖和輸入輸出電壓波形。圖中，當(dāng)開(kāi)關(guān)管MOSFET的柵極輸入高電平時(shí)，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組兩端有電壓Us。t1秒后，柵極輸入變?yōu)榈碗娖剑_(kāi)關(guān)管截止，電動(dòng)機(jī)電樞兩端電壓為0。t2秒后，柵極輸入重新變?yōu)楦唠娖?，開(kāi)關(guān)管的動(dòng)作重復(fù)前面的過(guò)程。這樣，對(duì)應(yīng)著輸入的電平高低，直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組兩端的電壓波形如圖中所示。電動(dòng)機(jī)的電樞繞組兩端的電壓平均值U0 為 Uo＝ (3-3) 占空比a表示了在一個(gè)周期T里，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間與周期的比值。a的變化范圍為0〈a〈1。由此式可知，當(dāng)電源電壓US不變的情

61、況下，電樞的端電壓的平均值U0取決于占空比a的大小，改變a值就可以改變端電壓的平均值，從而達(dá)到調(diào)速的目的，這就是PWM調(diào)速原理。 （2）電機(jī)調(diào)速方法 在PWM調(diào)速時(shí)，a占空比是一個(gè)重要參數(shù)。以下3種方法都可以改變占空比的值： a)定寬調(diào)頻法：這種方法是保持t1不變，只改變t2，這樣使周期T(或頻率)也隨之改變。 b)調(diào)寬調(diào)頻法：這種方法是保持t2不變，只改變t1，這樣使周期T(或頻率)也隨之改變。 c)定頻調(diào)寬法：這種方法是使周期T(或頻率)保持不變，而改變t1和t2。 前兩種方法由于在調(diào)速時(shí)改變了控制脈沖的周期(或頻率)，當(dāng)控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時(shí)，將會(huì)引起震蕩，因此

62、這兩種方法用得很少。本文電機(jī)調(diào)速采用的是定頻調(diào)寬法。 3.4最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 3.4.1時(shí)鐘/復(fù)位模塊設(shè)計(jì) （1)時(shí)鐘電路 ATmega128單片機(jī)的工作以時(shí)鐘為基準(zhǔn)，時(shí)鐘質(zhì)量的好壞直接關(guān)乎到系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，本系統(tǒng)的時(shí)鐘電路如圖3-7所示。 圖3-7時(shí)鐘電路示意圖 系統(tǒng)時(shí)鐘電路有兩種實(shí)現(xiàn)方式，無(wú)源晶振方式和有源晶振方式，無(wú)源晶振方式采用外部晶振和內(nèi)部振蕩器生成系統(tǒng)時(shí)鐘，有源晶振方式由外部有源的晶振產(chǎn)生振蕩直接產(chǎn)生時(shí)鐘，不需要內(nèi)部振蕩器，且他生成的時(shí)鐘質(zhì)量比無(wú)源晶振要高，為獲得高質(zhì)量、高頻率的時(shí)鐘源，本系統(tǒng)采用16M的有源時(shí)鐘晶振HO2B-16，HO2B-16的時(shí)鐘通過(guò)X

63、TAL1輸出給單片機(jī)，另一個(gè)時(shí)鐘角XTAL2懸空。 (2)復(fù)位電路 ATmega128采用低電平復(fù)位，復(fù)位電路如圖3-8所示。 圖3-8復(fù)位電路圖 為了調(diào)試方便，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了手動(dòng)復(fù)位按鍵，發(fā)光二極管D2為復(fù)位指示燈，R37為指示燈的限流電阻，當(dāng)復(fù)位按鈕按下，復(fù)位腳RESET被拉低，系統(tǒng)進(jìn)入復(fù)位中斷，D2負(fù)端被拉低導(dǎo)通發(fā)光。 3.4.2電源模塊設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)中電源模塊主要應(yīng)用在兩個(gè)部分：一部分是給電機(jī)部分供電，另一部分給單片機(jī)其外圍電路供電。穩(wěn)壓電路的作用是當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)、負(fù)載和溫度變化時(shí)，維持輸出直流電壓穩(wěn)定。用LM7805構(gòu)成5V穩(wěn)壓電路作為電源電路，如圖3-9所示。 圖3

64、-9電源電路圖 系統(tǒng)有兩種供電方式，9V電池供電方式和采用變壓器將電網(wǎng)220V電壓變?yōu)?V電壓的供電方式。輸入的9V電壓分為兩路，一路直接給電機(jī)供電；另一路送入LM7805的輸入端。電容C36和C37用來(lái)實(shí)現(xiàn)高頻濾波，防止穩(wěn)壓芯片LM7805產(chǎn)生高頻自激和抑制電路引入的高頻干擾，C35和C38是電解電容，以減少穩(wěn)壓電壓輸出端由輸入電源引入的低頻干擾，D11為電源指示燈。另外，變壓器將電網(wǎng)220V電壓變?yōu)?V，使9V電池進(jìn)行充電。 3.5人機(jī)接口電路設(shè)計(jì) 3.5.1 LCD顯示模塊 液晶顯示模塊是人與硬件的交互界面，我們可以通過(guò)液晶板的顯示來(lái)得知我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中測(cè)得的數(shù)據(jù)，同時(shí)它的電路簡(jiǎn)單。

65、，它是一類(lèi)專(zhuān)門(mén)用于顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶顯示模塊。HD44780是集驅(qū)動(dòng)器與控制器于一體，專(zhuān)用于字符顯示的液晶顯示控制驅(qū)動(dòng)集成電路，液晶顯示屏是以若干個(gè)58或511點(diǎn)陣塊組成的顯示字符群，每個(gè)點(diǎn)陣塊為一個(gè)符位，字符間距和行距都為一個(gè)點(diǎn)的寬度。 具有字符發(fā)生器ROM可顯示192種字符，HD44780的顯示緩沖區(qū)及用戶(hù)自定義的字符發(fā)生器CGRAM全部?jī)?nèi)藏在芯片內(nèi)。它具有簡(jiǎn)單而功能較強(qiáng)的指令集，可實(shí)現(xiàn)字符移動(dòng)、閃爍等顯示功能。且具有低功耗、長(zhǎng)壽命、高可靠性等特點(diǎn)。 ATmega128單片機(jī)與HD44780液晶顯示模塊采用并口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，單片機(jī)通過(guò)PA端口的GPIO對(duì)并行接口的讀寫(xiě)操

66、作實(shí)現(xiàn)對(duì)液晶模塊的控制和數(shù)據(jù)顯示。如上圖所示，以ATmega128的GPIO口作為并行接口與液晶顯示模塊連接的接口電路， 外接電壓范圍在0~5伏電壓的可調(diào)電阻，實(shí)現(xiàn)顯示屏亮度的可調(diào)。 HD44780的2腳為液晶的背光顯示驅(qū)動(dòng)，當(dāng)接上5伏電壓時(shí)背光顯示。液晶顯示模塊各端口的具體定義如表3-2所示。 表3-2顯示端口 管腳 功能 GND 接地 VCC 電路電源電壓5v VO LCD驅(qū)動(dòng)電壓，對(duì)比度調(diào)節(jié)電壓，通常與GND相連即可 RS 寄存器選擇信號(hào)，H表示數(shù)據(jù)，L表示指令 RW 讀、寫(xiě)信號(hào) EN 片使能信號(hào)，下降沿觸發(fā) DB3-DB0 8位數(shù)據(jù)總線(xiàn)的低4位,在4位數(shù)據(jù)總線(xiàn)方式無(wú)用 DB7-DB4 8位數(shù)據(jù)總線(xiàn)的高4位 BLK-/BLK+ 顯示屏提供背光 EN RW RS HD44780的控制線(xiàn)，通過(guò)不同的組合，實(shí)現(xiàn)各種控制功能 連接HD44780與ATmega128單片機(jī)的接口電路，如圖3-10所示 圖3-10LCD模塊電路圖 LCD顯示模塊接口電路的數(shù)據(jù)總線(xiàn)采用為8位的PA數(shù)據(jù)端口，LCD的RS、RW和EN