移動機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計

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xx 大學(xué) xx 屆畢業(yè)論文 0 一 緒 論 一 引言 移動機(jī)器人技術(shù)是一門多科學(xué)交叉及綜合的高新技術(shù) 是機(jī)器人研究領(lǐng)域的一個 重要分支 它涉及諸多的學(xué)科 包括材料力學(xué) 機(jī)械傳動 機(jī)械制造 動力學(xué) 運動 學(xué) 控制論 電氣工程 自動控制理論 計算機(jī)技術(shù) 生物 倫理學(xué)等諸多方面 第 一臺工業(yè)機(jī)器人于 20 世紀(jì) 60 年代初在美國新澤西州的通用汽車制造廠安裝使用 該 產(chǎn)品在 20 世紀(jì) 60 年代出口到日本 從 20 世紀(jì) 80 年代中期起 對工業(yè)機(jī)器人的研究 與應(yīng)用在日本迅速發(fā)展并步入了黃金時代 與此同時 移動機(jī)器人的研究工作也進(jìn)入 了快速發(fā)展階段 移動機(jī)器人按其控制方式的不同可以分為遙控式 半自動式和自主式三種 按其 工作環(huán)境的不同可以分為戶外移動機(jī)器人和室內(nèi)機(jī)器人兩種 自主式移動機(jī)器人可以 在沒有人共干預(yù)或極少人共干預(yù)的條件下 在一定的環(huán)境中有目的的移動和完成指定 的任務(wù) 自主式移動機(jī)器人是一個組成及結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜的系統(tǒng) 具有加速 減速 前 進(jìn) 后退以及轉(zhuǎn)彎燈功能 并具有任務(wù)分析 路徑規(guī)劃 導(dǎo)航檢測和信息融合 自主 決策等類似人類活動的人工智能 二 移動機(jī)器人的主要研究方向 1 體系結(jié)構(gòu)技術(shù) 1 分布式體系結(jié)構(gòu) 分布式體系結(jié)構(gòu) 1 2 3 是多智能體技術(shù)在移動機(jī)器人研究領(lǐng)域的應(yīng)用 智能體是指 具有各自的輸入 輸出端口 獨立的局部問題求解能力 同時可以彼此通過協(xié)商協(xié)作 求解單個或多個全局問題的系統(tǒng) 移動機(jī)器人系統(tǒng) 特別是具有高度自組織和自適應(yīng) 能力的系統(tǒng) 它們的內(nèi)部功能模塊與智能體相仿 因此可以應(yīng)用多智能體技術(shù)來分析 和設(shè)計移動機(jī)器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 實現(xiàn)系統(tǒng)整體的靈活性和高智能性 在分布式體系 結(jié) 構(gòu)中 各個功能模塊具有不同的輸入輸出對象和自身的不同功能 并行各工作 整個 系統(tǒng)通過一個調(diào)度器實現(xiàn)整體的協(xié)調(diào) 包括制定總體目標(biāo) 任務(wù)分配 運動協(xié)調(diào)和沖 突消解等 2 進(jìn)化控制體系結(jié)構(gòu) 面對任務(wù)的復(fù)雜性和環(huán)境的不確定性以及動態(tài)特性 移動機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)該具有主 動學(xué)習(xí)和自適應(yīng)的能力 將進(jìn)化控制的思想融入到移動機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計中 使 得系統(tǒng)哎具備較高反應(yīng)速度大的同時 也具備高性能的學(xué)習(xí)和適應(yīng)能力 文獻(xiàn) 4 提 xx 大學(xué) xx 屆畢業(yè)論文 1 出的進(jìn)化控制體系結(jié)構(gòu)包括進(jìn)化規(guī)劃和基于行為的控制兩大模塊 其優(yōu)點是既具有基 于行為的系統(tǒng)的實時性 又保持了基于功能的系統(tǒng)的目標(biāo)可控性 并兼有自學(xué)習(xí)和自 適應(yīng)的功能 文獻(xiàn) 5 是進(jìn)化控制的思想在機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的又一體現(xiàn) 提 出了一種模擬人類學(xué)習(xí)與進(jìn)化過程的機(jī)器人進(jìn)化控制體系結(jié)構(gòu) 機(jī)器人利用事先設(shè)計 好的基本行為 根據(jù)實際環(huán)境和具體任務(wù)要求 自主創(chuàng)建滿足任務(wù)要求和適應(yīng)環(huán)境的 具體行為 文獻(xiàn) 6 考慮到智能體本身具有獨立性 自主性 開放性等優(yōu)點 將智能 體的技術(shù)與進(jìn)化控制相結(jié)合 提出了一種基于多智能體的移動機(jī)器人導(dǎo)航進(jìn)化控制體 系結(jié)構(gòu) 3 多移動機(jī)器人系統(tǒng) 多機(jī)器人系統(tǒng)是以多個機(jī)器人組成的系統(tǒng)為研究對象 研究目的在于尋求一套分 析 設(shè)計和控制機(jī)器人群的有效方法 使其能夠有效 高質(zhì)量地協(xié)作完成任務(wù) 7 隨 著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展 具有單個機(jī)器人無法比擬的優(yōu)越性的多 機(jī)器人系統(tǒng)已得到了普遍重視 設(shè)計合理的體系系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對于多機(jī)器人系統(tǒng)在多變的 工作環(huán)境中完成復(fù)雜的工作任務(wù)時起到至關(guān)重要的作用 文獻(xiàn) 8 9 10 在分析了多機(jī)器人協(xié)作系統(tǒng)對單機(jī)控制體系結(jié)構(gòu)的要求后 分別提 出了適合的機(jī)器人個體控制體系結(jié)構(gòu) 其基本思想是采用分層式和包容式融合的混合 體系結(jié)構(gòu) 文獻(xiàn) 11 提出了一種使多個機(jī)器人在不同層次上方便地進(jìn)行行為調(diào)整和 協(xié)作的體系結(jié)構(gòu) 在這種體系結(jié)構(gòu)中 單個機(jī)器人采用分層式結(jié)構(gòu) 而不同機(jī)器人之 間是分布式的關(guān)系 可以在每個層次上直接相互作用 這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是各個機(jī)器人 可以在每個層次上靈活地建立作用關(guān)系 同時隨環(huán)境的變化和不確定性保持實時的反 應(yīng)性能 2 定位與導(dǎo)航技術(shù) 智能移動機(jī)器人的 智能 特征在于它具有與外部世界相協(xié)調(diào)的工作機(jī)能 這種協(xié) 調(diào)在具體的實現(xiàn)上首先要求機(jī)器人確定自身與周圍環(huán)境的位置關(guān)系 以便根據(jù)目標(biāo)任 務(wù)做出正確決策和路徑選擇 因此導(dǎo)航的定位成為移動機(jī)器人的兩個最為重要問題 移動機(jī)器人的導(dǎo)航方式可分為 基于環(huán)境信息的地圖模型匹配導(dǎo)航 基于各種導(dǎo)航信 號的陸標(biāo)導(dǎo)航 視覺導(dǎo)航和味覺導(dǎo)航等 1 定位技術(shù) 作為移動機(jī)器人導(dǎo)航最基本環(huán)節(jié) 定是確定機(jī)器人在工作環(huán)境中相對于全局坐標(biāo) 的位姿 定位方法根據(jù)機(jī)器人工作環(huán)境復(fù)雜性 配備傳感器的種類和數(shù)量等不同有多 種方法 主要方法有 碼盤定位 陸標(biāo)定位和聲音定位等 碼盤定位是在移動機(jī)器人 的車輪上裝有光電編碼器 通過對車輪轉(zhuǎn)動的記錄來粗略的確定位置和姿態(tài) 該方法 雖然簡單 但是由于車輪與地面存在打滑現(xiàn)象 產(chǎn)生的累積誤差隨路徑的增加而增大 定位誤差會逐漸累積 引起更大的誤差 Yamauchi 12 使用推測航行法和證據(jù)柵格來 實現(xiàn)計算動態(tài)環(huán)境中的機(jī)器人位置 該方法把在不同時段建立的證據(jù)柵格匹配起來 xx 大學(xué) xx 屆畢業(yè)論文 2 使用一種爬山算法搜索可能的平移與轉(zhuǎn)動空間 來消除推測航行法的誤差累積 陸標(biāo) 定位 13 是在移動機(jī)器人工作的環(huán)境里 人為地設(shè)置一些已知的陸標(biāo) 如超聲波發(fā)射 器 激光反射板等 通過對陸標(biāo)的探測來確定機(jī)器人自身的位姿 2 導(dǎo)航技術(shù) 全局路徑規(guī)劃包括環(huán)境建模和路徑搜索策略兩個問題 其中環(huán)境建模的主要方法有 可視圖法 自由空間法和柵格法等 可視圖法 15 視機(jī)器人為一點 將機(jī)器人 目標(biāo) 點和障礙物各頂點之間以及各障礙物頂點和頂點之間的連線 均不能穿越障礙物 即 直線是可視的 搜索最優(yōu)路徑的問題就轉(zhuǎn)化為從起點到目標(biāo)點經(jīng)過這些可視直線的最 短距離問題 VoronoiDiagrams 法和 TangentGraph 法 16 對可視圖法進(jìn)行了改進(jìn) 自由 空間法應(yīng)用于機(jī)器人路徑規(guī)劃 采用預(yù)先定義的如廣義錐形和凸多邊形 17 等基本形 狀構(gòu)造自由空間 并將自由空間表示為連通圖 通過搜索連通圖來進(jìn)行路徑規(guī)劃 該 法以柵格為單位記錄環(huán)境信息 環(huán)境被量化具有一定分辨率的柵格 柵格的大小直接 影響著環(huán)境信息存儲量的大小和規(guī)劃時間的長短 柵格劃分打了 環(huán)境信息存儲量小 規(guī)劃時間按短 但分辨率下降 在密集環(huán)境下發(fā)現(xiàn)路徑的能力減弱 柵格劃分小了環(huán) 境分辨率高 在密集環(huán)境下發(fā)現(xiàn)路徑的能力強(qiáng) 但環(huán)境信息存儲量打 規(guī)劃時間長 可采用改進(jìn)的柵格法 19 彌補柵格法的不足 路徑搜索策略主要由 A 算法 20 和 D 最優(yōu)算法 21 等 局部路徑規(guī)劃的主要方法有 人工勢場法 Artificial Potential Field 遺傳算法 Genetic Algorithm 和模糊邏輯算法 Fuzzy Logic Algorithm 等 人工勢場法 22 是由 Khatib 提出的一種虛擬力法 其基本思想是將機(jī)器人在環(huán)境中的運動視為一種虛 擬的人工受力場中的運動 障礙物對機(jī)器人產(chǎn)生斥力 目標(biāo)點產(chǎn)生引力 引力和斥力 的合力作為機(jī)器人的加速力 來控制機(jī)器人的運動方向和計算機(jī)器人的位置 J Holland 24 在 60 年代初提出了遺傳算法 以自然遺傳機(jī)制和自然選擇等生物進(jìn)化理 論為基礎(chǔ) 構(gòu)造了一類隨機(jī)搜索算法 它是利用選擇 交叉和變異來培養(yǎng)控制機(jī)構(gòu)的 計算程序 在冒種程度上對生物進(jìn)化過程做數(shù)學(xué)方式的模擬 它不要求適應(yīng)度函數(shù)是 可導(dǎo)或連續(xù)的 而只要求適應(yīng)度函數(shù)為正 同時作為并行算法 它的隱并行性適用于 全局搜索 基于實時傳感信息的模糊邏輯算法 25 參考人的駕駛經(jīng)驗 通過查表得到 規(guī)劃信息 實現(xiàn)局部路徑規(guī)劃 該方法克服了勢場易產(chǎn)生的局部極小問題 適用于時 變未知環(huán)境下的路徑規(guī)劃 實時性較好 3 運動控制策略 運動控制就是控制移動機(jī)器人按規(guī)定的軌跡運動 控制器的好壞對機(jī)器人的性能 有著直接影響 因此這部分在機(jī)器人的研究中至關(guān)重要 針對不同的運動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和 驅(qū)動設(shè)備 運動控制的研究會進(jìn)一步的細(xì)化 對于常用的輪式移動機(jī)器人 還會進(jìn)一 步分為雙輪 三輪 四輪等 對于本文主要討論的輪式機(jī)器人的運動控制 由于它是一個高度非線性的非完整 xx 大學(xué) xx 屆畢業(yè)論文 3 性控制系統(tǒng) 對其的控制具有相當(dāng)?shù)碾y度 根據(jù)問題的不同 該類系統(tǒng)的控制一般分 為鎮(zhèn)定控制和跟蹤控制兩類 鎮(zhèn)定控制方面 現(xiàn)在的主要研究成果有不連續(xù)控制方法 時變控制方法和混亂控制方法等 跟蹤控制方面 根據(jù)導(dǎo)航方式的不同可以分為含有 時間參數(shù)的軌跡跟蹤以及不含時間參數(shù)的路徑跟蹤 根據(jù)控制變量的不同又可以分為 速度控制和力矩控制等 在控制的方法上 現(xiàn)在比較常用的有基于滑?？刂频?方法 基于反饋線性化的方法 回退法 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法和模糊控制方法等 文獻(xiàn) 30 中 作者提出了一種基于預(yù)報預(yù)測的控制方法 文獻(xiàn) 31 通過誤差的分解 使用 PD 控制方法實現(xiàn)運動控制 但在實際使用中控制參數(shù)難以調(diào)節(jié) 文獻(xiàn) 32 利用魯 棒控制方法 文獻(xiàn) 33 利用神經(jīng)元預(yù)測控制實現(xiàn)對移動機(jī)器人的運動控制 但并未考慮 系統(tǒng)延遲所帶來的影響 運動控制效果存在滯后現(xiàn)象 預(yù)見預(yù)測控制 34 是一種將預(yù) 見控制和預(yù)測控制結(jié)合在一起的控制方法 其算法的核心思想是利用已知的未來信息 設(shè)計一個前饋控制器用以克服系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)延遲 同時利用預(yù)測控制中的滾動優(yōu)化 反饋校正策略增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性 文獻(xiàn) 35 將預(yù)見預(yù)測控制方法應(yīng)用于 CNC 機(jī)床的伺 服控制中 取得了良好的效果 文獻(xiàn) 30 將預(yù)見預(yù)測控制方法應(yīng)用于移動機(jī)器人的運動 控制中 首先利用三階 Bezier 曲線作為路徑生成器生成目標(biāo)軌跡 并以此為輸入信號 設(shè)計最優(yōu)預(yù)見控制器作為系統(tǒng)的前饋補償 彌補系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)延遲 然后使用擴(kuò)展 卡爾曼濾波器作為預(yù)測模型 基于廣義預(yù)測控制 GPC 實現(xiàn)了預(yù)見預(yù)測 PPC 運動 控制器的設(shè)計 提高系統(tǒng)的魯棒性 4 傳感器信息融合技術(shù) 移動機(jī)器人的多傳感器信息融合方面的研究始于 80 年代 多傳感器融合 25 的常 用方法有 加權(quán)平均法 貝葉斯估計 卡爾曼濾波 統(tǒng)計決策理論 D S 證據(jù)推理 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊推理法以及帶置信因子的產(chǎn)生式規(guī)則 其中加權(quán)平均法是最簡單也最 直觀的方法 一般用于對動態(tài)低水平的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理 但結(jié)果不是統(tǒng)計上的最優(yōu)估計 貝葉斯估計是融合靜態(tài)環(huán)境中多傳感器底層數(shù)據(jù)的常用方法 適用于具有高斯白噪聲 的不確定性傳感信息融合 對于系統(tǒng)噪聲和觀測噪聲為高斯白噪聲的線性系統(tǒng)模型用 卡爾曼濾波來融合動態(tài)低層次冗余傳感信息 對于非線性系統(tǒng)模型采用擴(kuò)展卡爾曼濾 波或者分散卡爾曼濾波 統(tǒng)計決策理論用于融合多個傳感器的同一種數(shù)據(jù) 常用于圖 像觀測數(shù)據(jù) D S 證據(jù)推理是貝葉斯估計法的擴(kuò)展 它將局部成立的前提與全局成立 的前提分離開來 以處理前提條件不完整的信息融合 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法根據(jù)系統(tǒng)要求和融 合形式 選擇網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 通過網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)確定網(wǎng)絡(luò)連接權(quán)值 對各傳感器的的輸入 信息進(jìn)行融合 系統(tǒng)具有很強(qiáng)的容錯性和魯棒性 模糊推理法首先對多傳感器輸出進(jìn) 行模糊化 將所測得的距離等信息分級 表示成相應(yīng)的模糊子集 并確定模糊子集的 隸屬度函數(shù) 通過融合算法對隸屬度函數(shù)綜合處理 再將模糊融合結(jié)果清晰化 求出 融合值 帶置信因子的產(chǎn)生式規(guī)則主要用于符號水平層表達(dá)傳感器信息 結(jié)合專家系 統(tǒng)對多傳感器信息進(jìn)行融合 xx 大學(xué) xx 屆畢業(yè)論文 4 5 仿生機(jī)器人的研究 今年來 全球許多機(jī)器人研究機(jī)構(gòu)都展開與仿生機(jī)構(gòu)的研究工作 在生態(tài)學(xué)基礎(chǔ)上 研究昆蟲 爬行動物等自然界生物的各種生存策略與形態(tài) 如 螞蟻的群體協(xié)作 覓 食 路線跟蹤與搜索和信息傳遞等策略 蜜蜂的定位和采粉策略 蛇的爬行動態(tài)等 將各種生物的特長再現(xiàn)于機(jī)器人上 NASA 的 Snakerrobot 蛇形機(jī)器人 能夠穿梭在受 災(zāi)現(xiàn)場的瓦礫狹縫之中 尋找幸存者 該蛇形機(jī)器人由于重心低且完全模仿蛇的動作 因而行動靈敏 魯棒性好 可以用于受災(zāi)現(xiàn)場生還者的尋找和軍事偵察 SONY 公司 1999 年推出的寵物機(jī)器狗 Aibo 具有喜 怒 哀 厭 驚和奇 6 種情感狀態(tài) 它能爬行 坐立 伸展和打滾 而且摔倒后可立即爬起來 本田公司 1997 年研制的 Honda P3 類 人機(jī)器人代表著當(dāng)今世界雙足步行機(jī)器人的最高水平 Honda P3 的 CPU 采用了兩個主 頻為 110MHz 的 MicrospecII 處理器 身上裝有用于視覺導(dǎo)航的視覺傳感器 感知自身 姿態(tài)的陀螺儀 保持平衡的重力加速度傳感器和兩個腳踝的 6 處維力傳感器 實現(xiàn)語 音功能的麥克風(fēng)和揚聲器 以及用于測量行走在顛簸起伏的路面上 也能夠在傾斜的 路面上行走 甚至能夠上 下樓梯 單腳站立 6 多機(jī)器人系統(tǒng) 多機(jī)器人系統(tǒng)的研究始于 20 世紀(jì) 70 年代 隨著機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展 機(jī) 器人工作環(huán)境復(fù)雜度 任務(wù)的加重 對機(jī)器人的要求不再局限于單個機(jī)器人 多機(jī)器 人的研究已經(jīng)成為機(jī)器人學(xué)研究的一個熱點 多機(jī)器人系統(tǒng)的研究分為多機(jī)器人合作 和多機(jī)器人協(xié)調(diào)兩大類 主要研究給定一個機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)后 如何組織多個機(jī)器人 去完成任務(wù) 如何分解和分配任務(wù)以及如何保持機(jī)器人之間的運動協(xié)調(diào)一致 美國 Oak Ridge 國家試驗室的 Cooperative Robotics 實驗系統(tǒng) 26 研究的協(xié)作機(jī)器人是集成了 感知 推理 動作的智能系統(tǒng) 著重研究在環(huán)境未知且在任務(wù)執(zhí)行過程中環(huán)境動態(tài)變 化的情況下 機(jī)器人如何協(xié)作完成任務(wù) 美國 USC 大學(xué)的 Socially Mobile 和 The Nerd Herd 27 實驗系統(tǒng)在多機(jī)器人學(xué)習(xí) 群行為 協(xié)調(diào)與協(xié)作等方面開展工作 xx 大學(xué) xx 屆畢業(yè)論文 5 三 課題的背景和內(nèi)容 移動機(jī)械手控制系統(tǒng)是一個集環(huán)境感知 動態(tài)決策和規(guī)劃 行為控制與執(zhí)行等多 種功能于一體的綜合機(jī)器人系統(tǒng) 移動機(jī)械手是由機(jī)械手固定在移動平臺上構(gòu)成的一 類移動機(jī)器人系統(tǒng) 其中機(jī)械手用來實現(xiàn)如抓取 放置等動作 平臺的移動用來擴(kuò)展 機(jī)械手的工作空間 使機(jī)械手以更合適的姿態(tài)執(zhí)行任務(wù) 同時機(jī)械手的加入也極大提 高了移動機(jī)器人大的性能 移動機(jī)械手控制系統(tǒng)平臺如圖 1 1 所示 圖 1 1 移動平臺總體布局示意圖 本論文做的是移動平臺本體的控制 平臺建立在一輛 3 輪小車上 前邊兩輪獨立 驅(qū)動 后邊一個隨動輪 車輪轉(zhuǎn)向通過兩輪差速來完成 為在有限的空間內(nèi)合理放置 電機(jī) 電機(jī)軸和車輪軸采用鏈條連接 車體四周裝有超聲波傳感器 用來測量車體周 圍障礙物的距離 車體前端裝有一個近距離超聲波傳感器 用來測量平臺與工作臺的 距離 車體前后還裝有碰撞傳感器 在機(jī)器人受到碰撞時及時保護(hù)機(jī)器人本體 四 論文主要內(nèi)容 第一章 綜述了移動機(jī)器人的基本概念 著重討論了移動機(jī)器人的相關(guān)技術(shù) 闡明 課題的研究背景以及我的研究內(nèi)容 第二章 設(shè)計了移動平臺控制系統(tǒng)的硬件體系 詳細(xì)討論了 LPC2119 控制電路 直流電機(jī)驅(qū)動電路和機(jī)器人傳感器系統(tǒng)的實現(xiàn)方法 并且給出了詳細(xì)的電路原理圖以 及調(diào)試方法 xx 大學(xué) xx 屆畢業(yè)論文 6 二 移動機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計時移動機(jī)器人設(shè)計的核心部分 涉及到微控制器的選擇 驅(qū) 動電機(jī)的選擇 電機(jī)驅(qū)動電路的設(shè)計 機(jī)器人相關(guān)傳感器的選擇與涉及方法 在本系統(tǒng)中 我們的微控制器采用一片高性能 ARM 單片機(jī) LPC2119 主要完成 車輪驅(qū)動電機(jī)的控制和傳感器信號的采集和處理 與主控計算機(jī)系統(tǒng)通過串口進(jìn)行實 時通訊 電機(jī)驅(qū)動單元采用 MOSFET 構(gòu)成的 H 橋驅(qū)動電路 由驅(qū)動芯片 IR2110 驅(qū)動 從而帶動電機(jī)旋轉(zhuǎn) 傳感器系統(tǒng)包括 3 部分 避撞超聲傳感器 精密超聲傳感器和碰 撞開關(guān)傳感器 一 系統(tǒng)硬件設(shè)務(wù)劃分 根據(jù)機(jī)器人控制系統(tǒng)的功能 將移動機(jī)器人系統(tǒng)劃分為以下的幾個單元 如圖 2 1 所示 上位機(jī) ARM 控制系統(tǒng) 超聲傳 感 碰撞傳 感器 精密超 聲 電機(jī)驅(qū) 動 根據(jù)硬件設(shè)計需要 將平臺控制系統(tǒng)劃分為以下幾個部分實現(xiàn) 1 LPC2119 控制電路設(shè)計 2 直流電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計 3 傳感器系統(tǒng)電路設(shè)計 ARM 控制電路是整個移動平臺控制系統(tǒng)的核心部分 它包括 LPC2119 應(yīng)用電路 精密超聲采集電路 串口通信電路 碰撞開關(guān)檢測電路 完成的主要功能 為接收上位機(jī)的命令 將命令解算為電機(jī)驅(qū)動信號 驅(qū)動電機(jī)使小車完成命令規(guī)定的運 動 實時地通過 LPC2119 的捕獲端口采集電機(jī)的轉(zhuǎn)速信息 通過模糊 PID 算法完成電 xx 大學(xué) xx 屆畢業(yè)論文 7 機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制 通過 I2C 電路與避碰超聲傳感器子系統(tǒng)通信 獲取碰撞超聲的信息 并通過串口將該信息發(fā)送給上位機(jī) 傳感器電路精密超聲檢測電路 碰撞檢測電路和避碰超聲控制電路組成 精密超聲 檢測電路通過 LPC2119 的 ADC 端口檢測精密超聲傳感器輸出的模擬電壓 依此確定待 抓取的目標(biāo)物體距離小車的精確距離 通過檢測碰撞開關(guān)的 16 4 編碼器信息確定小車 是否與障礙物發(fā)生碰撞 如發(fā)生碰撞則要做緊急處理 避碰超聲控制電路由 AT89C2051 和 18 路超聲波發(fā)射 檢測電路組成 完成的主要功能為 18 路超聲波的循環(huán) 發(fā)射及檢測 并通過 I2C 電路將超聲波傳感器編號和回波時間發(fā)送給 LPC2119 電機(jī)驅(qū)動單元采用 MOSFET 構(gòu)成的 H 橋驅(qū)動電路 LPC2119 發(fā)出的 PWM 信號經(jīng) 驅(qū)動芯片 IR2110 后 驅(qū)動 H 橋電路 進(jìn)而帶動電機(jī)旋轉(zhuǎn) F2260 直流電機(jī)自帶光電式 增量編碼器 LPC2119 利用其捕獲功能實時采集電機(jī)的轉(zhuǎn)速 從而實現(xiàn)閉環(huán)速度模糊 PID 控制 二 LPC2119 控制電路設(shè)計 目前應(yīng)用在機(jī)器人底層控制系統(tǒng)的微控制器主要有數(shù)字信號處理器 DSP 和 8 16 位 單片機(jī)兩種類型 采用 8 位 16 位處理器 控制系統(tǒng)設(shè)計 制作簡單 硬件開發(fā)周期 短 但數(shù)據(jù)處理能力不強(qiáng) 需要借助外加器件例如計數(shù)器 PID 調(diào)節(jié)器和 PWM 產(chǎn)生器 等 系統(tǒng)的穩(wěn)定性不強(qiáng) 系統(tǒng)控制板的結(jié)構(gòu)尺寸也會很大 DSP 具有數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng) 速度快等優(yōu)點 且體積小 有利于電路板布局 隨著資料的增加以及芯片價格的下調(diào) 當(dāng)前的大多數(shù)機(jī)器人控制都選 DSP 作為控制器 本文的微處理器選擇的是 PHILIPS 公司的 LPC2119 單片機(jī) LPC2119 是一款支持 實時仿真和跟蹤的 16 32 位 ARM7TDMI S 內(nèi)核的 ARM 處理器 小型的 LQFP 64 封裝 帶有 128KB 嵌入的高速 Flash 存儲器和 16KB 的 SRAM 存儲器 獨特的存儲器加速結(jié) 構(gòu)使 32 位代碼能夠在最大時鐘速率下運行 與 DSP 相比較 ARM 具有幾乎相同的內(nèi) 部資源和運算速度 處理復(fù)雜函數(shù)的能力也毫不遜色 需要注意的是 DSP 的設(shè)計初衷 畢竟是為了進(jìn)行數(shù)字信號處理 所以在進(jìn)行控制方面與 ARM 相比還要略微遜色 LPC2119 有 9 個外部中斷引腳 而且許多 ARM 芯片支持 TCP IP 協(xié)議 這是 DSP 無 法做到的 這一點使得 ARM 在將來機(jī)器人的網(wǎng)絡(luò)控制方面將有很大的優(yōu)勢 1 LPC 微控制器簡介 ARM7TDMI S 內(nèi)核是通用的 32 位微處理器 它具有高性能和低功耗的特性 ARM 結(jié)構(gòu)是基于精簡指令集計算機(jī) RISC 原理而設(shè)計的 指令集和相關(guān)的譯碼機(jī)制 xx 大學(xué) xx 屆畢業(yè)論文 8 比復(fù)雜指令集計算機(jī)要簡單得多 這樣使用一個小的 廉價的處理器內(nèi)核就可實現(xiàn)很高 的指令吞吐量和實時的中斷響應(yīng) 由于使用了 3 級流水線技術(shù) 處理和存儲系統(tǒng)的所有 部分都可連續(xù)工作 通常在執(zhí)行一條指令的同時下達(dá)下一條指令進(jìn)行譯碼 并將第三條 指令從存儲器中取出 ARM7TDMI S 處理器使用了一個被稱為 THUMB 的獨特結(jié)構(gòu)化 策略 它非常適用于那些對存儲器有限制或者需要較高代碼密度的大批量產(chǎn)品的應(yīng)用 THUMB 指令集的 16 位指令長度使其可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn) ARM 代碼兩倍的密度 卻仍然 保持 ARM 的大多數(shù)性能上的優(yōu)勢 這些優(yōu)勢是使用 16 位寄存器的 16 位處理器所不具 備的 因為 THUMB 代碼和 ARM 代碼一樣 在相同 32 位寄存器上進(jìn)行操作 THUMB 代碼僅為 ARM 代碼規(guī)模的 65 但其性能卻相當(dāng)于運行于 16 存儲器系統(tǒng)的相同 ARM 處理器性能的 160 2 LPC2119 應(yīng)用電路設(shè)計 LPC2119 微處理器可以工作的最小系統(tǒng)一般由電源 復(fù)位電路 系統(tǒng)時鐘等構(gòu)成 了調(diào)試程序需要把 JTAG 口包括進(jìn)來 把串口 UART0 加進(jìn)來可以方便程序的下載和芯 片的擦除 LPC2119 是可加密的芯片 PHILPSD 的專利技術(shù) 一旦芯片加密后 通過 JTAG 就不能下載程序了 只能通過 ISP 功能先整片擦除芯片 再下載 1 電源電路 LPC2106 芯片 I O 口供電電源為 3 3V 內(nèi)核供電電源為 1 8V 因此系統(tǒng)必須提供 雙電源 使用低壓電源芯片 AMS1117 33 和 AMS1117 18 將 5V 電壓轉(zhuǎn)換為芯片需要的 3 3V 和 1 8V 該芯片最大穩(wěn)壓輸出電流為 800mA 精度高 穩(wěn)定性高 功耗低 實際 運行時 LPC2119 及其外圍芯片需要的電流約為 40mA 所以該電源芯片足以勝任 圖 2 2 為系統(tǒng)的供電電路 LED 作為 5V 電源指示燈 圖 2 2 ARM 系統(tǒng)電源供電原理圖 xx 大學(xué) xx 屆畢業(yè)論文 9 2 復(fù)位電路 由于 LPC2119 芯片的高速 低功耗 低工作電壓導(dǎo)致其噪聲容限低 對電源的紋 波 瞬態(tài)響應(yīng)性能 時鐘源的穩(wěn)定性以及電源監(jiān)測可靠性等諸多方面也提出了更高的 要求 這里采用專用微處理電源監(jiān)控芯片 MAX708 提高了系統(tǒng)的可靠性 圖 2 3 給 出了系統(tǒng)復(fù)位電路圖 圖 2 3 ARM 系統(tǒng)復(fù)位電路原理圖 74HC125 為總線驅(qū)動器 可控三態(tài)門輸出 當(dāng)復(fù)位鍵按下后 MAX708 的 RESET 引腳輸出低電平 打開 74HC125 三態(tài)門 低電平出現(xiàn)在 LPC2119 的 RST 和 TRST 引 腳 系統(tǒng)復(fù)位 當(dāng)使用 JTAG 調(diào)試時 往往需要用 JTAG 復(fù)位系統(tǒng) 此時由 JTAG 產(chǎn) 生的復(fù)位信號同樣使 RST 和 TRST 變?yōu)榈碗娖?而此時 MAX708 沒有復(fù)位 RESET 引腳輸出高電平 74HC125 為高阻狀態(tài) 將其兩端的高低電平隔離 當(dāng)不需要 JTAG 調(diào)試時 74HXC125 是不需要的 注意 MAX708 是工作電壓是 5V 而 74HC125 采用 3 3V 供電 所以在應(yīng)用中加 入了小的保護(hù)電阻 R21 3 系統(tǒng)時鐘 采用外部時鐘源 時鐘頻率為 10 25MHz 本系統(tǒng)采用由于要進(jìn)行串口通信 所以 采用 11 0592MHz 的外部晶振 內(nèi)部 PLL 電路可調(diào)整時鐘 CPU 最大操作時鐘頻率為 60MHz 一般在外部晶振兩端并聯(lián) 1M 歐姆的電阻 使系統(tǒng)更容易起振 4 JTAG 調(diào)試電路 JTAG 調(diào)試電路注意 要 LPC2119 進(jìn)行 JTAG 調(diào)試 其 RTCK 引腳必須接一個 4 7K 的 下拉電阻 R27 系統(tǒng)復(fù)位時 該引腳上的低電平使 P1 26 P1 31 復(fù)位后用作一個調(diào)試端 口 5 UART0 電路 LPC2119 為 3 3V 電壓供電 所以使用 MAX3232 進(jìn)行 RS232 電平轉(zhuǎn)換 MAX3232 是 3 3V 工作電源的 RS232 轉(zhuǎn)換芯片 其應(yīng)用方法與 MAX3232 完全一致 注意 要想使用 ISP 功能 必須使用 UART0 UART1 是沒有 ISP 功能的 xx 大學(xué) xx 屆畢業(yè)論文 10 6 速度檢測電路 LPC2119 具有兩個 32 位的預(yù)分頻定時 計數(shù)器 分別具有 4 3 路捕獲通道 4 個 32 位匹配寄存器 定時器是增量計數(shù)的 但上溢時不會產(chǎn)生中斷 而只能通過比較匹配 或者捕獲輸入產(chǎn)生中斷 CAP 捕獲引腳 捕獲引腳的電壓跳變時 可將定時器值裝入一個捕獲寄存器 并可選擇產(chǎn)生一個中斷 IR 中斷寄存器 中斷寄存器 IR 保存捕獲中斷和匹配中斷的標(biāo)志 判斷中斷源 CR 捕獲寄存器 CR0 CR3 當(dāng)輸入信號跳變時 可取得定時器的瞬時值 每個 捕獲寄存器 CR 都與一個器件引腳相連 當(dāng)引腳發(fā)生特定的事件時 可將定時器計數(shù) 值裝入該寄存器 CR CCR 捕獲控制寄存器 決定捕獲功能是否使能 以及捕獲事件在引腳的上升沿 下降沿或是雙邊沿發(fā)生 當(dāng)發(fā)生捕獲事件時 捕獲控制寄存器 CCR 用于控制將定時器 計數(shù)值裝入 4 個捕獲寄存器中的哪一個以及是否產(chǎn)生中斷 可設(shè)置上升沿和下降沿同 時有效 這樣會在雙邊沿觸發(fā)捕獲事件 MR 匹配寄存器 匹配寄存器值連續(xù)與定時器計數(shù)值比較 當(dāng)兩個值相等時 自 動觸發(fā)相應(yīng)動作 這些動作包括產(chǎn)生中斷 復(fù)位定時器計數(shù)器或停止定時器 MCR 匹配控制寄存器 用于控制在發(fā)生匹配時所執(zhí)行的操作 利用捕獲單元測量一個脈沖所用的時間 就可以實現(xiàn)測速功能 電機(jī)軸上的編碼 器產(chǎn)生正交編碼脈沖 正交編碼脈沖包括兩個脈沖序列 有變化的頻率和四分之一周 期的固定相位偏移 通過檢測兩個序列中哪一個序列領(lǐng)先 就可以測出電機(jī)的轉(zhuǎn)向 速度可以通過捕獲脈沖測出 7 其他的注意事項 P0 口是一個 32 位雙向 I O 每位的方向可單獨控制 P0 口的功能取決于管腳連接 模塊的管腳功能選擇 P0 口的 26 和 31 腳未用 除用作 A D 輸入的管腳 P0 27 P0 28 P0 29 和 P0 30 外 所有 P0 管腳最大可承受 5V 的電壓 如果未使用 A D 轉(zhuǎn)換器 A D 輸入可用作可承受 5V 電壓的數(shù)字 I O 口 P1 口是一個 32 位雙向 I O 口 每位的方向可單獨控制 P1 口的功能取決于管腳 連接模塊的管腳功能選擇 P1 口只有 16 31 號引腳可用 P1 是內(nèi)置有上拉電阻最大 可承受 5V 電壓的 I O 口 用作輸入口時可通過上拉電阻將輸入電平置高 系統(tǒng)復(fù)位時 P0 14 引腳上的低電平將強(qiáng)制片內(nèi)引導(dǎo)裝載程序 所以在應(yīng)用中 P0 14 引腳要接一個 3 端跳線器 進(jìn)行 ISP 操作時 把 P0 14 下拉為低電平 正常調(diào)試 程序是 P0 14 上拉為高電平 P1 20 為同步跟蹤引腳 系統(tǒng)復(fù)位時該引腳上的低電平使 P1 16 P1 25 復(fù)位后用作跟蹤端口 我們使用的仿真器都沒有同步跟蹤功能 所以這 個功能是用不到的 設(shè)計時可以直接用 4 7K 的電阻上拉到 3 3V 在應(yīng)用 LPC2119 的捕獲通道進(jìn)行點擊轉(zhuǎn)速的捕獲和判斷點擊轉(zhuǎn)向時 從光電碼盤 xx 大學(xué) xx 屆畢業(yè)論文 11 出來的信號是 5V 的 所以須串入一個小電阻 提高系統(tǒng)的可靠性 雖然 PHILPS 的芯 片號稱 I O 引腳可以耐 5V 電壓 建議不要直接相連 在 LPC2119 中 電源分為 3 3V 數(shù)字端口電源和 3 3V 模擬端口電源 1 8V 數(shù)字內(nèi) 核電源和 1 8V 模擬內(nèi)核電源 數(shù)字地和模擬地 它們的電壓相同 但為了降低噪聲和 出錯幾率 兩者應(yīng)當(dāng)隔離 三 直流電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計 1 直流電機(jī)的選型 37 1 移動機(jī)器人行駛的動力學(xué)分析 當(dāng)移動機(jī)器人在水平方向上做直線運動時 如已知作用于移動機(jī)器人行駛方向的 外力 即行駛阻力 根據(jù)力的平衡關(guān)系 就可以建立移動平臺行駛時的動力學(xué)方程 確定移動平臺需要的驅(qū)動力 同樣 根據(jù)移動平臺的動力性能要求 就可以求出驅(qū)動 電機(jī)所需要的最大輸出轉(zhuǎn)矩 小車行駛時 其驅(qū)動力一定要克服行駛阻力 其行動力學(xué)程式為 Fu Fk 2 1 式中 F u 電機(jī)驅(qū)動力 N Fk 移動平臺行駛時的阻力 N 移動機(jī)器人的驅(qū)動電機(jī)所輸出的轉(zhuǎn)矩 經(jīng)傳動系統(tǒng)傳至驅(qū)動輪 作用在驅(qū)動輪 上的轉(zhuǎn)矩 T1 使車輪對地面產(chǎn)生一個向后的圓周力 F1 根據(jù)作用力和反作用力原理 地面對驅(qū)動輪產(chǎn)生一個向前的反作用力 Ft 推動移動機(jī)器人前進(jìn) 其值為 F1 2 2 rTie 式中 Te 為驅(qū)動電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩 N m i 為傳動系統(tǒng)的減速比 1 為傳動系統(tǒng)的效率 1 r 為平臺驅(qū)動輪的半徑 m 輪子的半徑是已知常數(shù) 由公式 2 2 可知 移動平臺的驅(qū)動力取決于驅(qū)動電機(jī) 的輸出轉(zhuǎn)矩 傳動系統(tǒng)的減速比 傳動系統(tǒng)的效率 移動平臺行駛過程中 需要不斷克服行駛過程中的各種阻力 它們分別是來自地 面的滾動阻力 Ff 來自空氣的空氣阻力 Fw 上坡時的坡度阻力 Fi 加速時的加速阻力 Fj 機(jī)器人行駛的總阻力為 xx 大學(xué) xx 屆畢業(yè)論文 12 F Ff Fw Fi Fj 2 3 上述諸阻力中 滾動阻力和空氣阻力是在任何行駛條件下均存在的 坡度阻力和 加速阻力僅在一定行駛條件下存在 在水平道路上勻速行駛時就沒有坡度阻力和加速 阻力 滾動阻力是車輪在地面上滾動所引起的阻力的總稱 車輪在路面上滾動時 輪胎 與路面的接觸區(qū)域產(chǎn)生法向 切向的相互作用力并使輪胎和路面產(chǎn)生相應(yīng)的變形 同 時還有輪胎與路面間的摩擦 從而形成了機(jī)器人行駛的滾動阻力 比較而言 輪胎與 路面的摩擦損失是很小的 滾動阻力主要是由于輪胎變形和路面變形產(chǎn)生的 實驗表 明 車輪滾動時的滾動阻力等于滾動摩擦系數(shù) f 與車輪負(fù)荷 G 的乘積 即 Ff f G cos 2 4 滾動阻力系數(shù) f 的數(shù)值由試驗確定 它與路面的種類 行駛車速以及輪胎的結(jié)構(gòu) 材料 氣壓等有關(guān) 為路面的坡度 空氣阻力是機(jī)器人在直線行駛時受到的空氣作用力在行駛方向上的分力 機(jī)器人 行駛時與空氣發(fā)生相對運動 并在機(jī)器人周圍形成渦流 致使機(jī)器人前后產(chǎn)生大氣壓 力差 同時空氣與機(jī)器人表面的摩擦也產(chǎn)生能量損失 兩者的作用方向與機(jī)器人行駛 方向相反 阻礙機(jī)器人運行 空氣阻力與機(jī)器人尺寸 表面形狀 行駛速度有關(guān) 由于 空氣阻力的計算涉及到空氣動力學(xué)原理 計算相對復(fù)雜 由于我們的運動機(jī)械手系統(tǒng)主要的應(yīng)用環(huán)境為水平面 所以忽略上坡阻力 為了 簡化計算也忽略了加速阻力 所以有 Fu Ff Fw 2 5 2 驅(qū)動電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的計算 在移動平臺行駛之前 要給它配重 調(diào)節(jié)移動平臺的重心 使得驅(qū)動輪上的驅(qū)動 力大致相等 當(dāng)移動平臺在水面做勻速直線運動時 由公式 2 1 2 2 和 2 5 得到 T11 T12 Ff Fw r 2 6 21 式中 T 11 左電機(jī)轉(zhuǎn)速器輸出的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩 N m T12 右電機(jī)轉(zhuǎn)速器輸出的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩 N m 由于風(fēng)阻力的不便計算 所以采用把風(fēng)阻力用系數(shù) 折算到摩擦阻力的辦法 簡 化后的公式 2 6 變?yōu)?T11 T12 Ff r 2 7 21 xx 大學(xué) xx 屆畢業(yè)論文 13 在勻速直線運動中 風(fēng)的阻力很小 取 0 1 G 是移動機(jī)械手系統(tǒng)的重量 490N 車輪半徑為 0 11m 實驗測得 f 0 3 代入公式 2 7 得到 T11 T12 8 8Nm 3 電機(jī)的選擇與驗證 經(jīng)查閱大量資料 初步選定 maxon 公司生產(chǎn)的 118798 號直流伺服電機(jī)作為行駛驅(qū) 動電機(jī) 其配套減速器的型號為 203121 號 減速比為 53 1 其配套光電編碼器的型號 為 225785 號 下面驗證初選的電機(jī)是否滿足要求 移動機(jī)器人車速要求最大速度為 1 5m s 由減速器減速比和車輪半徑可以推導(dǎo)出 電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速應(yīng)該不低于 6900rpm 所選電機(jī)的最高允許轉(zhuǎn)速為 8200rpm 滿足系 統(tǒng)的要求 用公式 2 2 把減速器的輸出轉(zhuǎn)矩?fù)Q算成電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩 T1 T e Me i 0 2 8 Te Me 2 9 0i 式中 M e 電機(jī)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩 N m 由前面的計算和電機(jī)資料可知以上的 4 個參數(shù) T1 4 63Nm i0 111 Me 4 8mNm 0 81 代入公式 2 9 得到 Te 56 3mNm 查電機(jī)參數(shù)表得知 直流伺服電機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩城 80mNm 與之相比較 可知直 流電機(jī)期望輸出的轉(zhuǎn)矩沒有超過直流伺服電機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩 下面驗證一下電機(jī)在該輸出轉(zhuǎn)矩下的輸出電流是否符合要求 根據(jù)電機(jī)制造商提 供的電流計算公式 Im I0 2 10 KiTax01 式中 max 為電機(jī)的最高效率 1 K 為電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù) mM m A I0 為電機(jī)的空載電流 A 查電機(jī)參數(shù)表可知 以上 3 個參數(shù)的值分別為 85 36 4mNm A 0 105A 代入公式 2 10 計算得 Im 1 77A 查表得到電機(jī)最大負(fù)載電流 2 44A 因此當(dāng)減速器輸出轉(zhuǎn)矩為 4 63Nm 時 電機(jī)處 于安全運行狀態(tài) 綜合以上的驗證結(jié)果 可以得出結(jié)論 選擇 mxaon 的這款直流電機(jī)是可以滿足系統(tǒng) 要求的 xx 大學(xué) xx 屆畢業(yè)論文 14 2 直流電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計 1 驅(qū)動芯片 IR2110 簡介 IR2110 是美國 IR International Rectifier 公司推出的一種雙通道高壓 高速的功 率器件柵極驅(qū)動的單片式集成驅(qū)動器 它把驅(qū)動高壓側(cè)和低壓側(cè) MOSFET 或 IGBT 所 需的絕大部分功能集成在一個高性能的封裝內(nèi) 外接很少的分立元件就能提供極快的 開關(guān)速度和極低的消耗 其特點在于 將輸入邏輯信號轉(zhuǎn)換成同相位的低阻抗輸出驅(qū) 動信號 可驅(qū)動同一橋臂上的兩路輸出 驅(qū)動能力強(qiáng) 響應(yīng)速度快 工作電壓較高 可達(dá) 600V 內(nèi)部設(shè)有欠壓封鎖 成本低 易于調(diào)試 電路芯片體積小 為 DIP14 封裝 高壓側(cè)驅(qū)動采用外部自舉電容上電 與其它 IC 驅(qū)動電路相比 在設(shè)計上大大減少了驅(qū) 動變壓器和電容的數(shù)目 降低的了產(chǎn)品成本和減小了體積 提高了系統(tǒng)的可靠性 這 種適用于驅(qū)動功率 MOSFET IGBT 的自舉式集成電路再電源變換 電機(jī)調(diào)速等功率驅(qū) 動領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用 芯片引腳輸出如圖 2 7 所示 圖 2 7 IR2110 管腳分布圖 引腳 1 和 7 是兩路獨立的輸出 分別是 LO 低端輸出 和 HO 高端輸出 引腳 3 和 6 分別是 Vcc 低端電源電壓 和 VB 高端浮置電源電壓 引腳 9 VDD 是邏 輯電路電源電壓 引腳 2 COM 是低端電源公共端 引腳 5 和 13 分別是 VS 高端浮 置電源公共端 和 VSS 邏輯電路接地端 引腳 10 HIN 是高端邏輯輸入控制端 引腳 11 SD 是輸出關(guān)閉端 引腳 12 LIN 是低端邏輯輸入 IR2110 浮置電源采用自舉電路 其高端工作電壓可達(dá) 600V 工作頻率可達(dá) 500kHz 兩路通道均帶有滯后欠壓鎖定功能 其推薦典型工作參數(shù)如表 2 1 所示 動 態(tài)傳輸延遲時間參數(shù)如表 2 2 所示 表 2 1 IR2110 典型應(yīng)用工作參數(shù)表 xx 大學(xué) xx 屆畢業(yè)論文 15 表 2 2 IR2110 動態(tài)傳輸延遲時間參數(shù)表 2 驅(qū)動電路設(shè)計 從微控制器 LPC2119 發(fā)出 PWM 信號是 3 3V 電壓的 經(jīng)過光電藕合器隔離后轉(zhuǎn)變 為 5V 的 PWM 信號 加載到 IR2110D 的 HI SD 和 LIN 端 由 IR2110 轉(zhuǎn)換為同相位 的 MOSFET 驅(qū)動信號 C9 和 C11 為自舉電容 12V 經(jīng) D6 C9 負(fù)載 Q2L 給 C9 充電 以確保 Q2L 關(guān)閉 QIH 導(dǎo)通時 QIH 管的柵極靠 C9 上足夠的儲能來驅(qū)動 對于自舉電容的選擇 一般用一個大電容和一個小電容并聯(lián)使用 在頻率為 20kHz 左右的工作狀態(tài)下 選用 1 0uF 和 0 1uF 電容并聯(lián) 并聯(lián)高頻小電容用來吸收高頻毛刺干擾電壓 驅(qū)動大容量的 1GBT 在工作頻率較低的情況下 要注意自舉電容電壓穩(wěn)定性問題 上管的驅(qū)動波峰 頂如果出現(xiàn)下降的現(xiàn)象則要選取大的電容 根據(jù)表 2 1 VB 高于 VS 電壓的最大值為 20V 為了避免 VB 過電壓損壞 IR2110 電路中增加了穩(wěn)壓二極管 D1 電路中 D2 的功能是防止 QIH 導(dǎo)通時高電壓串入 VCC 端損壞該芯片 IR2110 的開通與關(guān)斷傳輸延遲時間基本匹配 開通傳輸延遲時間比關(guān)斷傳輸延遲 時間長 25ns 見表 2 2 這保證了功率管 Q1H 和 Q2L 在工作時不會發(fā)生同時導(dǎo)通 從而避免了直通故障的發(fā)生 為了更加安全 在電路中 功率管的柵極上分別串聯(lián)電 阻 R7 R8 以及二極管 D1 D2 功率器件的柵源極的驅(qū)動電壓一般高于 TTL 電平 5 20V 因此要在柵極增加 xx 大學(xué) xx 屆畢業(yè)論文 16 保護(hù)電路 可以用穩(wěn)壓二極管限制了所加?xùn)艠O電壓 在我們的應(yīng)用中 實際檢測發(fā)現(xiàn) 柵源極的電壓比器件的極限電壓小很多 因此沒有加入穩(wěn)壓二極管 功率器件 QIH Q2L 在開關(guān)過程中會產(chǎn)生浪涌電壓 這些浪涌電壓會損壞元件 所以電路中采用穩(wěn)壓二極管 D7 D9 鉗位浪涌電壓 由于在橋式電路中存在寄生電感 同時直流電機(jī)又為感性負(fù)載 所以在功率管開 關(guān)瞬間 電源短路以及通過電流關(guān)斷時 di dt 比較大 功率管會產(chǎn)生過沖 電壓 會使 VS 端電壓低于 COM 端 由表 2 1 可知 該電壓不能低于 4V 如果超出 該極限電壓就會引起高端通道工作不穩(wěn)定 在設(shè)計印制電路板時 采取下列方法可以 減小 VS 的過沖電壓 1 將功率 MOSFET 盡量緊密放置 并且在焊接功率器件時盡量使連線最短 以 減少 PCB 布線長度和引腳間寄生電感的影響 2 IR2110 盡可能靠近功率 MOSFET 放置 3 連接兩功率管的走線采用加寬導(dǎo)線直接連接 除非迫不得已 盡量不要使用過 孔 絕對不要有環(huán)路 4 在電源線與功率管之間加去耦電容 0 1u 或 1u 在電路的調(diào)試過程中 我發(fā)現(xiàn)遇到的很多問題都是由于自舉電容選擇不當(dāng)引起的 下是自舉電容選擇的幾條經(jīng)驗 1 PWM 開關(guān)頻率高 自舉電容應(yīng)選較小值 2 盡量使自舉上電回路不經(jīng)大阻抗負(fù)載 否則應(yīng)為自舉電容充電提供快速充電通 路 3 對于占空比調(diào)節(jié)較大的場合 特別是在高占空比時 Q2L 開通時間比較短 自 舉電容應(yīng)選小 否則 在有限時間內(nèi)無法達(dá)到自舉電壓 4 自舉電容的選擇應(yīng)綜合考慮 PWM 變化的各種情況 監(jiān)測引腳 HO 和 VS 腳波 形進(jìn)行調(diào)試自舉電容是最好的方法 3 隔離電路及改進(jìn) 由于電機(jī)驅(qū)動電路板上的電流較大 為防止它干擾 LPC2119 控制板上的器件 必 須用光耦將兩塊電路板進(jìn)行信號隔離 由于 PWM 的頻率選擇為 30kHz 頻率較高 光 耦必須選擇為高速光耦 本系統(tǒng)選用的是高速光耦 6N137 隔離電路如圖 2 9 所示 xx 大學(xué) xx 屆畢業(yè)論文 17 圖 2 9 高速光耦 6N137 應(yīng)用原理圖 在調(diào)試過程中 我發(fā)現(xiàn)經(jīng)過 6N137 變換后的 PWM 信號邊緣不是很陡 用這樣的信號 驅(qū)動 IR2110 引腳 HO 和 LO 的信號的邊緣有許多毛刺 所以 經(jīng)過 6N137 的 PWM 信號必須整形后 才能加到 IR2110 上 在本系統(tǒng)中 PWM 信號經(jīng)過 6N137 后 加到了反相器 74HC04 上 經(jīng)過這樣一個 簡單的變換后 我們用示波器觀察了 PWM 信號變得很陡 原來引腳 HO 和 LO 的毛刺 消失了 電路工作更加穩(wěn)定了 四 機(jī)器人傳感器系統(tǒng)設(shè)計 隨著機(jī)器人應(yīng)用范圍的推廣 要求機(jī)器人具有更高的智能 機(jī)器人的研究除了要 求機(jī)器人本身的功能更強(qiáng) 反應(yīng)速度更快外 對其感受外界信息能力的要求也提高了 我們的機(jī)器人要求可以感知碰撞信息 準(zhǔn)確測量待抓取物體與機(jī)器人本體的距離信息 和障礙物的距離等 安裝在我們的機(jī)器人上的傳感器電路由精密超聲檢測電路 碰撞開關(guān)電路和避碰 超聲控制電路組成 精密超聲檢測電路通過 LPC2119 的 ADC 端口檢測精密超聲傳感 器輸出的模擬電壓 依此確定待抓取的目標(biāo)物體距離小車的精確距離 通過檢測碰撞 開關(guān)電路的 16 4 編碼器信息確定小車是否與障礙物發(fā)生碰撞 如發(fā)生碰撞則要做緊急 處理 避碰超聲控制電路由 AT89C2051 和 18 路超聲波發(fā)射 檢測電路組成 完成的主 要功能為 18 路超聲波的循環(huán)發(fā)射及檢測 并通過 I2C 電路將超聲波傳感器編號和回波 時間發(fā)送給 LPC2119 xx 大學(xué) xx 屆畢業(yè)論文 18 1 精密超聲波采集電路設(shè)計 移動機(jī)械手系統(tǒng)的主要任務(wù)是要抓取目標(biāo)物體 目標(biāo)物體的尋找和識別由視覺系 統(tǒng)負(fù)責(zé) 當(dāng)視覺系統(tǒng)確定了待抓取的目標(biāo)物體 并且調(diào)整移動平臺對正目標(biāo)物體后 就要用精密超聲傳感器去測量目標(biāo)物體與移動平臺之間的準(zhǔn)確距離 本設(shè)計中應(yīng)用的精密超聲模塊是選用德國 PEPPERL FUCHS 集團(tuán)生產(chǎn)的 UB500 18GM75 UB500 18GM75 的測量范圍是 30 500mm 盲區(qū)范圍是 0 30mm 工作電 壓為 15 30V 直流電壓 輸入電壓 0 0 1V 1 4 30V 輸出電壓 0 10V 測距誤差為 0 1 UB500 18GM75 帶有 2 個 LED 工作狀態(tài)指示燈 紅色 LED 點亮代表采集錯誤 閃爍代表精密超聲正處于 TEACH IN 工作模式中的暫停目標(biāo) 探測狀態(tài) 黃色 LED 點亮代表目標(biāo)在測量范圍以內(nèi) 閃爍代表精密超聲正處于 TEACH IN 工作模式中的目標(biāo)探測狀態(tài) UB500 18GM75 有 5 條引線如圖 2 10 所示 其中 BN 代表棕色的線 是正電源線 WH 代表白色的線 是 TEACH IN 接 線 GY 代表灰色的線 是同步控制信號線 BK 代表黑色的線 是模擬信號輸出線 BU 代表藍(lán)色的線 是地線 TEACH IN 接地 當(dāng)測量距離在 0 30mm 時 BK 線輸出 0V 當(dāng)測量距離為 30 500mm 時 輸出 0 10V 電平 當(dāng)測量距離為 500mm 以上時 輸出電源電壓 當(dāng) TEACH IN 引腳接正電源時情況相反 UB500 18GM75 的工作狀態(tài)可由 GY 引線上的同步控制信號控制 當(dāng) GY 引線直 接接到地線上時 精密超聲就一直處在工作狀態(tài) 在移動機(jī)械手系統(tǒng)中 絕大多數(shù)時 間都在進(jìn)行目標(biāo)的搜索 僅僅是目標(biāo)物體找到并對正在平臺以后 才進(jìn)行距離的精確 測量 所以應(yīng)用 GY 引線控制 UB500 18GM75 在接近以后工作 其他時間處于停止?fàn)?態(tài) 從節(jié)約能源的角度看 移動機(jī)器手系統(tǒng)采用蓄電池供電 精密超聲連續(xù)工作 必 然消耗能量 加重電池的負(fù)擔(dān) 所以控制精密超聲啟動 停止是有必要的 當(dāng)啟動精密 超聲時 要求 GY 引線上的同步控制信號的低電平持續(xù)時間大于 1s 高電平時間大于 100us 這樣 UB500 18GM75 就可以在同步信號的控制下循環(huán)的工作 由于 LPC2119 是 3 3V 供電 所以控制 UB500 18GM75 時就需要做電平轉(zhuǎn)換 本 系統(tǒng)中采用通用光耦 PC87 做電平轉(zhuǎn)換 如圖 2 11 所示 其中 INPUT1 INPUT2 和 OUTPUT 連接 LPC2119 的相應(yīng)引腳 xx 大學(xué) xx 屆畢業(yè)論文 19 圖 2 11 精密超聲傳感器測量原理圖 2 碰撞開關(guān)檢測電路設(shè)計 移動機(jī)械手系統(tǒng)在進(jìn)行過程中 極有可能與設(shè)置的障礙物發(fā)生碰撞 在實驗室環(huán) 境下 障礙物都是小而輕的物體 即使碰撞也不會對機(jī)器人系統(tǒng)造成傷害 如果在現(xiàn) 實環(huán)境中 那么障礙物就是未知的了 在這種情況發(fā)生碰撞 如不緊急處理 就可能 造成機(jī)器人系統(tǒng)車體的損壞或電機(jī)的燒毀 這是我們必須避免的 本系統(tǒng)使用 12 路碰撞開關(guān)構(gòu)成碰撞傳感器模塊 由于碰撞主要來自前進(jìn)方向上 所以將碰撞開關(guān)均勻布置分布在移動平臺的前部和后部 從而感知來自前后的碰撞信 息 碰撞開關(guān)咋結(jié)構(gòu)上等同于普通開關(guān) 只是它有一個較長的觸須 當(dāng)觸須與其他物體發(fā) 生碰撞時 開關(guān)閉合 而平時斷開 將碰撞開關(guān)的一端接地 另一端通過電阻上拉到 3 3V 跳變到 0V 通過 2 片 74HC148 構(gòu)成 16 4 編碼電路 將開關(guān)編號為 0 11 號 把 0 7 號開 關(guān)連接到 U8 的相應(yīng)輸入端 把 8 11 號開關(guān)連接到 U7 的 0 3 號輸入端 如此時 7 號開關(guān)按下 由芯片 74HC148 的特性可知 它的 GS 端將輸出低電平 通過一個與門 74HC08 將兩個 74HC148 的 GS 信號相與輸出 并連接到 LPC2119 的外中斷 0 端口 收到中斷信號后 LPC2119 立即讀取編碼信號 通過讀入的二進(jìn)制數(shù) 1000 可以確定是 第 7 號開關(guān)發(fā)生碰撞 啟動緊急處理程序 3 避碰超聲可知電路設(shè)計 1 超聲波的特點和應(yīng)用 聲波是一種機(jī)械波 是質(zhì)點的振動在彈性介質(zhì)的傳播 聲波可分為次聲波 聲波 超聲波和特超聲波 人類的耳朵能聽到的聲波在 20Hz 20KHz 之間 超聲波的頻率在 20KHz 40KHz 之間 超聲波具有以下特點 1 由于超聲波的波長較短 其發(fā)射的方向性就較強(qiáng) 這意味著它的發(fā)射能量較為 集中 對方向的鑒別能力較強(qiáng) xx 大學(xué) xx 屆畢業(yè)論文 20 2 超聲波在傳播過程中 當(dāng)遇到兩種不同的介質(zhì)時 其大部分能量將會被反射 超聲波傳感器也正式利用這個特性來探測物體或進(jìn)行測距 3 由于超聲波的振動頻率較高 它可以得到較大的加速度 超聲波測距所用的方法一般有相位檢測法 聲波幅值檢測法和渡越時間法 其中 相位檢測法雖然精度高 但檢測范圍有限 而聲波檢測法很容易受反射波的影響 所 以現(xiàn)在用于機(jī)器人避障的測距方法中 多數(shù)使用渡越時間法 39 超聲波避碰系統(tǒng)的原理如圖 2 13 所示 單片機(jī)系統(tǒng) 發(fā)射驅(qū)動電 路 超聲頭 T 回波檢測電 路 超聲頭 R 障 礙物 圖 2 13 超聲波避碰系統(tǒng)的原理圖 其計算公式為 D C t 2 11 21 其中 D 為移動機(jī)器人與被測障礙物之間的距離 t 為超聲發(fā)射到超聲返回的時間間 隔 即 渡越時間 C 為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度 C 的值會隨著溫度的變化而變化 在空氣中 C 與溫度的關(guān)系為 C 331 4 2 12 273 1T 其中 T 為攝氏溫度 在不要求測距精度很高的情況下 一般可以認(rèn)為 C 為常數(shù) 在試驗中 設(shè)定 C 343 2m s 2 避碰超聲傳感器的電路設(shè)計 由于超聲波傳感器模塊在一直不停的采集外部環(huán)境信息 所以它的任務(wù)量是十分 繁重的 如果把這個模塊也交給 LPC2119 來管理 那么將給 LPC2119 的壓力就太大了 所以在這里我們應(yīng)用了 ATMAL 公司的一款 MCS 51 系列單片機(jī) AT89C2051 來管理超 聲波傳感器模塊 超聲波傳感器模塊的主要功能包括 超聲波信號的驅(qū)動 回波信號的采集放大 xx 大學(xué) xx 屆畢業(yè)論文 21 放大后信號的鑒別 以及與 LPC2119 的 I2C 通信 應(yīng)用本系統(tǒng)對所要求測量范圍 20cm 400cm 內(nèi)的平面物體做了多次測量發(fā)現(xiàn) 重 復(fù)性好 如果加大超聲波發(fā)射的驅(qū)動電流 接收部分放大電路再加一級 可以使檢測 測距離增大到 600cm 由于受到環(huán)境溫度 濕度等因素的影響 超聲波的測量值與實際值存在著一定的誤差 采用該超聲波傳感器模塊 進(jìn)行了超聲波測距實驗 實驗結(jié)果如表 2 3 所示 表 2 3 超聲波實驗數(shù)據(jù)表 根據(jù)以上數(shù)據(jù) 采用最小二乘法 40 計算出實際距離與測量距離之間的補償公式 曲線擬合得到的結(jié)果為 y 1 0078x 22 5348 2 11 4 避碰傳感器系統(tǒng)的抗干擾研究 在使用多個超聲波傳感器的時候 就會增加測量時的干擾噪聲 主要是因為兩個 原因 一個來自于其它超聲波傳感器的環(huán)境噪聲 這種情況主要是出現(xiàn)在多移動機(jī)器 人協(xié)作的環(huán)境中有其它移動機(jī)器人的情況下 另一個原因是同一個移動機(jī)器人上的超 聲傳感器之間的相互干擾 也就是信息交叉的問題 對于機(jī)器人之間的相互干擾 我們采用不同的機(jī)器人應(yīng)用不用頻率的超聲波的方 法加以解決 如機(jī)器人 a 采用 40KHz 的超聲波 機(jī)器人 b 采用 30KHz 的超聲波 當(dāng)機(jī) 器人 a 接收到機(jī)器人 b 發(fā)出的超聲波后 進(jìn)行放大后加到它的鎖相環(huán)檢波電路中 由 于該鎖相環(huán)電路只對 40KHz 的超聲波敏感 所以不會對這信號做出反應(yīng) AT89C2051 不會收到中斷信號 也就不會產(chǎn)生干擾 機(jī)器人 b 接收到機(jī)器人 a 發(fā)出的超聲波信號 時 結(jié)果是相似的 對于第 2 種干擾 同一個機(jī)器人上的超聲傳感器之間的相互干擾 也就是信息交 叉問題 例如 傳感器 c 接收到的超聲反射波除了由傳感器 c 發(fā)射的以外 還有傳感 器 d 發(fā)射的 這樣對傳感器 c 而言 就產(chǎn)生了交叉信息干擾 為了消除這種干擾 文 獻(xiàn) 41 中提出了一種解決方案 它采用一種稱為 EERUF 方法 來控制超聲波傳感器的 xx 大學(xué) xx 屆畢業(yè)論文 22 信號的發(fā)射 通過在每個超聲波傳感器發(fā)射超聲波之前增加延遲時間按 保證上一個 超聲波回波已經(jīng)返回或并沒有探測到物體 即意味著上一次的發(fā)射不會在本次發(fā)射后 返回 以此克服干擾 我認(rèn)為這種方法確實可以有效的抵消同一機(jī)器人上的超聲傳感器