探測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
探測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì),探測(cè),機(jī)器人,系統(tǒng),設(shè)計(jì)
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書(shū)
系別 ：機(jī)電工程學(xué)院 專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班級(jí)：機(jī)0405
學(xué)生情況
指導(dǎo)教師情況
題目類型
姓 名
學(xué) 號(hào)
姓 名
職 稱
單 位
理論研究 □
科研開(kāi)發(fā) □
王亮
18
王會(huì)香
講師
機(jī)電工程學(xué)院
工程設(shè)計(jì) □
論文 □
題目
探測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
主要
內(nèi)容
以及
目標(biāo)
主要內(nèi)容：
1、 研究探測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則。
2、 確定探測(cè)機(jī)器人的移動(dòng)方式，并對(duì)整個(gè)探測(cè)機(jī)器人的整體進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)。
3、對(duì)探測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，繪制機(jī)械圖。
4、給出移動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，。
目標(biāo)：
掌握探測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，從實(shí)際應(yīng)用環(huán)境出發(fā)確定機(jī)器人的移動(dòng)方式，選用合理的目標(biāo)監(jiān)測(cè)手段，來(lái)實(shí)現(xiàn)探測(cè)目的，并撰寫畢業(yè)論文，達(dá)到機(jī)電一體化綜合能力訓(xùn)練的目的。
成果
形式
具體工作量：1.3000字的開(kāi)題報(bào)告一份；
2.與畢業(yè)設(shè)計(jì)相關(guān)的英文翻譯一份，5000字以上；
3.完成機(jī)械圖紙A0 3張，編制控制界面；
4.撰寫一篇15000字以上的關(guān)于探測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的畢業(yè)論文。
成果形式：論文、圖紙、程序。
基本
要求
1、設(shè)計(jì)圖紙符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，
2、結(jié)合機(jī)械與機(jī)電的有關(guān)知識(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
實(shí)習(xí)
調(diào)研
要求
實(shí)習(xí)調(diào)研提綱：
1、探測(cè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)原則。
2、探測(cè)機(jī)器人的幾種移動(dòng)方式
3、探測(cè)機(jī)器人的監(jiān)測(cè)手段。
實(shí)習(xí)調(diào)研時(shí)間：第1-3周
實(shí)習(xí)調(diào)研地點(diǎn)：機(jī)電控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
主要
參考
文獻(xiàn)
1.
主要
儀器
設(shè)備
計(jì)算機(jī)，
工控機(jī)。
PCI數(shù)據(jù)采集板卡
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)始日期
2007-3-1
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）完成日期
2007-6-27
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)度計(jì)劃（起止時(shí)間、工作內(nèi)容）
1. 第1-3周 實(shí)習(xí)調(diào)研基本結(jié)束；
2. 第4周 撰寫并提交調(diào)研報(bào)告和開(kāi)題報(bào)告；
3. 第5-6周 制定探測(cè)移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)原則；
4．第7周 確立機(jī)器人的移動(dòng)方式；
5. 第8-12周 設(shè)計(jì)機(jī)器人系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)；
6. 第13-14周 設(shè)計(jì)控制方案及監(jiān)測(cè)手段；
7．第15-16周 撰寫并提交畢業(yè)論文；審閱、評(píng)審并修改畢業(yè)論文；
8．第17周 完成畢業(yè)答辯
指導(dǎo)教師（簽字）： 年 月 日
督導(dǎo)教師（簽字）： 年 月 日
系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）領(lǐng)導(dǎo)小組審查意見(jiàn)：
組長(zhǎng)（簽字）： 年 月 日
摘要
本設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，以便根據(jù)要求選擇和定制配置，并在需要的時(shí)候方便更換和添加其他模塊，而且給出了兩種移動(dòng)方式的設(shè)計(jì)方案，即履帶式移動(dòng)方式和輪式的設(shè)計(jì)，兩者都有各自的特點(diǎn)，但主要以研究設(shè)計(jì)履帶式為主，它具有良好的機(jī)動(dòng)性，在越障、跨溝、攀爬方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。該機(jī)器人的最大優(yōu)點(diǎn)是具有良好的越障性能、環(huán)境適應(yīng)性能、防摔抗沖擊性能并具備全地形通過(guò)能力。而輪式探測(cè)機(jī)器人則機(jī)動(dòng)性能比較好。除了設(shè)計(jì)探測(cè)機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)外，還給出了移動(dòng)控制方案。
機(jī)器人最重要的機(jī)構(gòu)是運(yùn)動(dòng)底盤的設(shè)計(jì)，即使軟件設(shè)計(jì)的再好，移動(dòng)方式?jīng)]有設(shè)計(jì)好，那么機(jī)器人也不會(huì)很好的執(zhí)行任務(wù)。輪式，腿式，履帶式的移動(dòng)方式在設(shè)計(jì)過(guò)程中已經(jīng)給出，
可以根據(jù)自己設(shè)計(jì)的要求進(jìn)行選擇如果地形比較平緩，或是有溝壑的地形，可以選擇履帶的移動(dòng)方式；如果是平緩沒(méi)有溝壑的地形，就選用輪式的移動(dòng)方式；如果地形成階梯狀，而且地形比較復(fù)雜，最好選用腿式的方法。
本設(shè)計(jì)可以采用兩種控制系統(tǒng)，即通過(guò)上位機(jī)直接通過(guò)總線對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制或是通過(guò)無(wú)線電臺(tái)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制。
關(guān)鍵詞： 探測(cè)機(jī)器人； 模塊化設(shè)計(jì)； 履帶移動(dòng)方式； 機(jī)器人的控制系統(tǒng)；
Abstract
The design is modular in design so that in accordance with requirements of options and custom configuration, and when needed to facilitate the replacement and add other modules, and is given two mobile forms of design options, that is, tracked and wheeled mobile way of design , Both have their own characteristics, but mainly to crawler-based research and design, it has good mobility in the barrier, the inter-ditch, climbing has obvious advantages. The robot is the greatest advantage of the barrier has a good performance, adapt to environmental performance, Fangshuai impact resistance and have all-terrain capacity. The wheeled robot will detect mobility is better。In addition to detecting robot design the overall structure, but also gives a mobile control ways。
Robot is the most important bodies of the sports chassis design, even the best software design, mobile design means no good, then the robot will not be very good mission. Wheeled, legged, tracked the movement of way in the design process has been given, Can be designed in accordance with the requirements of their own choice if the relatively flat terrain, or a gully of the terrain, can choose to track the movement; If the gully is not flat terrain, on the choice of wheeled mobile way, if formed ladder, and More complex terrain, the best choice legged approach。
This design uses two types of control systems, through the PC directly through the bus to control the robot through the radio or to control the robot。
Keywords： Detecting robot; modular design；tracked mobile； robot's control system；
目 錄
摘要 ――――――――――――――――――――――――I
Abstract――――――――――――――――――――――II
第一章 概述――――――――――――――――――――――――４
1.1 機(jī)器人的應(yīng)用范圍――――――――――――――――――――――４
1.2 探測(cè)機(jī)器人的先狀及發(fā)展趨勢(shì)―――――――――――――――――４
1.3 研究?jī)?nèi)容――――――――――――――――――――――――――５
第二章 機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)―――――――――――――――――――７
2.1 計(jì)算機(jī)模塊的設(shè)計(jì)――――――――――――――――――――――７
2.2 傳感器模塊的設(shè)計(jì)――――――――――――――――――――――８
2.3 電源及驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)――――――――――――――――――――８
2.4 底盤運(yùn)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)―――――――――――――――――――――８
2.5 各模塊的連接――――――――――――――――――――――――11
第三章 能源驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)選擇―――――――――――――――――14
3.1 能源的供給―――――――――――――――――――――――――14
3.2 電機(jī)的選擇―――――――――――――――――――――――――14
3.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)的選擇―――――――――――――――――――――――15
第四章 傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)――――――――――――――――――17
4.1 視覺(jué)傳感器―――――――――――――――――――――――――17
4.2 超聲波傳感器――――――――――――――――――――――――17
4.3 紅外傳感器―――――――――――――――――――――――――19
第五章 探測(cè)機(jī)器人的硬件系統(tǒng)――――――――――――――――20
5.1 傳感器采集系統(tǒng)―――――――――――――――――――――――20
5.2 保護(hù)電路――――――――――――――――――――――――――20
5.3 紅外傳感器的接線――――――――――――――――――――――21
5.4 超聲波傳感器的接線―――――――――――――――――――――21
5.5 羅盤處理流程――――――――――――――――――――――――21
5.6 RS485-RS232轉(zhuǎn)換電路――――――――――――――――――――22
第六章 探測(cè)機(jī)器人計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)――――――――――――――23
6.1 無(wú)線電臺(tái)通訊系統(tǒng)――――――――――――――――――――――23
6.2 電子羅盤――――――――――――――――――――――――――23
第七章 探測(cè)機(jī)器人軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)――――――――――――――25
移動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)―――――――――――――――――――――25
演示控制程序――――――――――――――――――――――――25
結(jié)束語(yǔ) ―――――――――――――――――――――29
參考文獻(xiàn) ―――――――――――――――――――――30
第一章概述
出于重要的戰(zhàn)略意義，資源領(lǐng)域已成為各科技強(qiáng)國(guó)相互競(jìng)爭(zhēng)的一個(gè)焦點(diǎn)，出于安全性等因素的考慮，對(duì)探測(cè)機(jī)器人的研究設(shè)計(jì)也成為了開(kāi)發(fā)資源的重要硬件之一，探測(cè)機(jī)器人可以幫助人類完成一些不能完成的任務(wù)。
1.1 機(jī)器人的應(yīng)用范圍
1）行星探測(cè)移動(dòng)機(jī)器人
行星探測(cè)移動(dòng)機(jī)器人的研究對(duì)于發(fā)展行星科學(xué)、提高國(guó)防能力、提高國(guó)家的國(guó)際地位等方面均有重要意義，因?yàn)?①移動(dòng)機(jī)器人是行星科學(xué)研究中著陸探測(cè)和取回樣品到實(shí)驗(yàn)室分析的有力工具。②人類在太空中停留數(shù)月之久會(huì)嚴(yán)重丟失鈣和磷，這似乎意味著人類不可能在重力為零的狀態(tài)下飛行6一9個(gè)月或更長(zhǎng)一點(diǎn)時(shí)間。但機(jī)器人不存在這個(gè)問(wèn)題。因此，行星探測(cè)移動(dòng)機(jī)器人的研究是對(duì)行星進(jìn)行長(zhǎng)期實(shí)地考察的需要。③大大節(jié)省探測(cè)成本。以月球探測(cè)為例，根據(jù)粗略的估計(jì)，一次有人駕駛的飛行所花費(fèi)的錢要比無(wú)人駕駛飛行多50一100倍。因此，光就科學(xué)上的探索來(lái)說(shuō)，用機(jī)器人執(zhí)行無(wú)人駕駛飛行任務(wù)是合算的。④有利于提高國(guó)家國(guó)防自動(dòng)化的水平和國(guó)際地位。因此，行星探測(cè)移動(dòng)機(jī)器人的研究受到世界各國(guó)的高度重視。
2）海洋探測(cè)機(jī)器人
海洋探測(cè)機(jī)器人人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于海洋開(kāi)發(fā)的許多領(lǐng)域，隨著海洋開(kāi)發(fā)的不斷深入，續(xù)航力大、探測(cè)范圍廣、能執(zhí)行多種復(fù)雜任務(wù)的大型機(jī)器人需求也越來(lái)越大。主要用于海洋石油開(kāi)發(fā)、海底管道光纜巡查檢修以及其他各種復(fù)雜任務(wù)。為了使機(jī)器人能更好的完成指定任務(wù)，水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能預(yù)報(bào)就成為了一個(gè)重要的研究課題。
3）油井故障探惻機(jī)器人
探測(cè)儀器的送進(jìn)是油田上測(cè)井、修井等井下作業(yè)中的一項(xiàng)重要技術(shù)。
4) 履帶式井下探測(cè)機(jī)器人
中國(guó)作為世界產(chǎn)煤大國(guó)，也是世界煤礦事故高發(fā)國(guó)家，需要非常重視煤礦生產(chǎn)的安全。這種探測(cè)機(jī)器人可在災(zāi)害發(fā)生前對(duì)隱患進(jìn)行準(zhǔn)確及時(shí)的檢測(cè)與預(yù)防，災(zāi)后進(jìn)行施救等重要的危險(xiǎn)任務(wù)。
關(guān)于探測(cè)機(jī)器人應(yīng)用范圍比我們想象的要廣泛的多，在軍事方面，已經(jīng)研究出了反坦克雷探測(cè)機(jī)器人；還有醫(yī)學(xué)探測(cè)機(jī)器人等。
2006年，中國(guó)政府制定的《國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十一個(gè)五年規(guī)劃綱要》和《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006－2020年）》，將發(fā)展航天事業(yè)置于重要地位。根據(jù)上述兩個(gè)規(guī)劃綱要，中國(guó)政府制定了新的航天事業(yè)發(fā)展規(guī)劃，明確了未來(lái)五年及稍長(zhǎng)一段時(shí)期的發(fā)展目標(biāo)和主要任務(wù)。按照這一發(fā)展規(guī)劃，國(guó)家將啟動(dòng)并繼續(xù)實(shí)施載人航天、月球探測(cè)、高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)、新一代運(yùn)載火箭等重大航天科技工程，以及一批重點(diǎn)領(lǐng)域的優(yōu)先項(xiàng)目，加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，超前部署和發(fā)展航天領(lǐng)域的若干前沿技術(shù)，加快航天科技的進(jìn)步和創(chuàng)新。要發(fā)展航空事業(yè)，對(duì)月球進(jìn)行探索，那么研究設(shè)計(jì)探測(cè)機(jī)器人是必不可少的過(guò)程。
1.2 探測(cè)機(jī)器人的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
1） 在行星探測(cè)機(jī)器人的研制方面，美國(guó)和俄羅斯處于世界領(lǐng)先地位。從20世紀(jì)60年代開(kāi)始，美、蘇向月球以及金、火、水、木、土等星球發(fā)射了許多探測(cè)器。格林威治時(shí)間1997年7月4日17時(shí)07分，美國(guó)國(guó)家航空航天局困ASA)發(fā)射的火星探路者號(hào)宇宙飛船成功地在火星表面著陸。探路者登陸器上帶有各種儀器及“索杰納”火星車團(tuán)。這是上世紀(jì)自動(dòng)化技術(shù)最高成就之一。
日本對(duì)機(jī)器人的設(shè)計(jì)也處于領(lǐng)先地位。日本京都大學(xué)科研人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種新型機(jī)器人,能在強(qiáng)烈地震發(fā)生后到廢墟中探測(cè)被埋人員。還專門進(jìn)行了實(shí)用演示。這種機(jī)器人外表象是一條粗大的節(jié)足昆蟲(chóng),長(zhǎng)1·43 m,由7節(jié)組成,有人的小腿一般粗細(xì),每節(jié)周身都纏滿縱向履帶。它可以在遙控下從瓦礫的夾縫中蜿蜒穿行,裝在頭部的攝像機(jī)鏡頭會(huì)隨時(shí)傳輸觀察到的影像和搜集到的聲音,從而供控制者判斷里面是否有需要救助的存活人員。
未來(lái)的空間探測(cè)任務(wù)要求機(jī)器人系統(tǒng)能夠在預(yù)先未知或非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中執(zhí)行變化的任務(wù)，機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)應(yīng)具備良好的幾何通過(guò)性、越障性、抗傾覆性、行駛平順性、牽引控制特性和能耗特性。基于不同的原理和性能側(cè)重點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外提出并試驗(yàn)了多種類型的空間探測(cè)機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)。
2）探測(cè)機(jī)器人移動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)如下:
(1)輪腿式，履腿式等復(fù)合型結(jié)構(gòu)的移動(dòng)機(jī)器人是一個(gè)研制方向。
(2)由于航天器技術(shù)、尺寸、質(zhì)量和費(fèi)用的限制,微小型行星探測(cè)機(jī)器人是目前發(fā)展的主流。
(3)由于通信時(shí)延和微重力作用的緣故,中低速移動(dòng)機(jī)器人是研制的主流。
(4)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制方案相結(jié)合是研制靈活可靠的行星探測(cè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)方向。
3）設(shè)計(jì)探測(cè)機(jī)器人所面臨的問(wèn)題
盡管國(guó)內(nèi)外已經(jīng)研制出了輪式、腿式、輪腿式、履帶式和其它特殊形式的移動(dòng)機(jī)器人,但到目前為止,無(wú)論國(guó)內(nèi)還是國(guó)外,同時(shí)具備以下性能的移動(dòng)機(jī)器人還沒(méi)有出現(xiàn):(1)能跨越大于輪子直徑的壕溝和高于輪子半徑的臺(tái)階;(2機(jī)器人陷入軟土壤中時(shí),能自動(dòng)脫離軟土壤區(qū),恢復(fù)正常的行駛能力;(3)整機(jī)的可密封性和可壓縮性良好;(4)克服傾翻對(duì)機(jī)器人行駛能力的不良影響;(5)行駛的高速高效性;(6)容積可進(jìn)行擴(kuò)充，而這些又是行星探測(cè)等領(lǐng)域移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)所應(yīng)具備的重要性能,因此,研制出新型的、綜合性能更好的行星探測(cè)機(jī)器人是行星探測(cè)機(jī)器人移動(dòng)系統(tǒng)研究中有待解決的問(wèn)題之一。
1.3 研究?jī)?nèi)容
本設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，以便根據(jù)要求選擇和定制配置，并在需要的時(shí)候方便更換和添加其他模塊，而且給出了兩種移動(dòng)方式的設(shè)計(jì)方案，即履帶式移動(dòng)方式和輪式的設(shè)計(jì)，兩者都有各自的特點(diǎn)，但主要以研究設(shè)計(jì)履帶式為主，它具有良好的機(jī)動(dòng)性，在越障、跨溝、攀爬方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。該機(jī)器人的最大優(yōu)點(diǎn)是具有良好的越障性能、環(huán)境適應(yīng)性能、防摔抗沖擊性能并具備全地形通過(guò)能力。而輪式探測(cè)機(jī)器人則機(jī)動(dòng)性能比較好。除了設(shè)計(jì)探測(cè)機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)外，還給出了移動(dòng)控制方案。
其具體研究?jī)?nèi)容如下：
1、 研究探測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則。
依據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行性能指標(biāo)分析，動(dòng)態(tài)分析，使機(jī)器人能夠自適應(yīng)路面，即具有抗傾覆性、爬坡性能、越障性能、跨溝性能等功能。
2、確定探測(cè)機(jī)器人的移動(dòng)方式，并對(duì)整個(gè)探測(cè)機(jī)器人的整體進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)。
1）移動(dòng)方式的確定；
2）總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；
3）傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
3、給出移動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。
1）監(jiān)測(cè)方法；
2）計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；
3）計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
4、探測(cè)機(jī)器人的擬定工作流程如圖1-1。
接通通訊電纜
打開(kāi)控制界面
點(diǎn)擊所需運(yùn)動(dòng)
機(jī)器人開(kāi)始運(yùn)行
圖1-1機(jī)器人工作流程
第二章 機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)對(duì)探測(cè)機(jī)器人采用了模塊化設(shè)計(jì)，總體分為四個(gè)模塊，即計(jì)算機(jī)模塊，傳感器模塊，電源及驅(qū)動(dòng)模塊，運(yùn)動(dòng)底盤模塊。模塊化設(shè)計(jì)的探測(cè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)比較明了，而且在一些模塊預(yù)留了一些空間，可以在需要的時(shí)候更換或添加其他模塊。其簡(jiǎn)圖如圖2-1
控制計(jì)算機(jī)模塊
傳感器模塊
電源驅(qū)動(dòng)模塊
底盤運(yùn)動(dòng)模塊
圖2-1測(cè)機(jī)器人簡(jiǎn)圖
其性能參數(shù)的基本要求如表所示2-1
表2-1 機(jī)器人性能參數(shù)基本要求
性能
參數(shù)
額定電壓
24VDC
工作電流
2A
驅(qū)動(dòng)方式
直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)
電池
鉛酸蓄電池組
最大速度
3m/s
最小速度
0.01m/s
最大負(fù)載
30kg
工作時(shí)間
6小時(shí)
爬地能力
15度
越障能力
3cm
2.1計(jì)算機(jī)模塊的設(shè)計(jì)
計(jì)算機(jī)模塊分為兩部分結(jié)構(gòu)，上端為度支撐架，下端是計(jì)算機(jī)的保護(hù)架。其中支撐架是用來(lái)控制攝像頭的監(jiān)測(cè)方向，將攝像頭安裝在支撐架的套筒里，此設(shè)計(jì)是為減小外界環(huán)境對(duì)攝像頭表面和線路的影響，如水，陽(yáng)光的腐蝕等，雖然不能完全隔離外界的影響，但盡量增加了攝像頭的使用壽命。在支撐架的右方和下方安裝兩個(gè)舵機(jī)，使套筒具有上下，左右兩個(gè)自由度，從而使攝像頭可以全方位的監(jiān)測(cè)周圍的環(huán)境。保護(hù)架是用來(lái)防止計(jì)算機(jī)受到外界環(huán)境的撞擊，另外，保護(hù)架提高了攝像設(shè)備的高度，可以看的更遠(yuǎn)一些。
其簡(jiǎn)圖如圖2-2所示
圖2-2探測(cè)機(jī)器人攝像云臺(tái)簡(jiǎn)圖
2.2傳感器模塊的設(shè)計(jì)
傳感器就像人類的感覺(jué)器官，探測(cè)機(jī)器人必需要有這方面的設(shè)計(jì)，視覺(jué)傳感器也有他的局限性，實(shí)現(xiàn)視覺(jué)的功能是需要光的，如果在夜間執(zhí)行任務(wù)時(shí)就很難實(shí)現(xiàn)其功能，為更好的使機(jī)器人完成認(rèn)為，再加一組超聲波傳感器。
傳感器模塊是一個(gè)由金屬材料板組成的圓柱體，這種結(jié)構(gòu)是根據(jù)主板的形狀設(shè)計(jì)的，傳感器模塊雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但里邊所安裝的電路主板是機(jī)器人的樞紐，機(jī)器人個(gè)部分的電路板都在這里，所以密封工作一定要做好。傳感器塊周圍安裝了24路紅外傳感器和超聲波傳感器。當(dāng)人遙控機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)且視頻效果較好時(shí)可以關(guān)閉紅外和超聲波傳感器，當(dāng)視頻效果不好或是機(jī)器人自行執(zhí)行任務(wù)時(shí)，紅外和超聲波傳感器都要開(kāi)啟。傳感器與箱體板安裝如圖所示：
2.3電源及驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)
電源及驅(qū)動(dòng)模塊是為機(jī)器人提供能源的部分，安裝有電池組和左右電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，因?yàn)殡姵亟M喝驅(qū)動(dòng)部分有一些重量，所以采用鑄鐵作為箱體。
2.4底盤運(yùn)動(dòng)模塊
2.4.1移動(dòng)方式的選擇
機(jī)器人的移動(dòng)方式主要有輪式、履帶式、腿足式三種，另外還有步進(jìn)移動(dòng)式、混合移動(dòng)式、蛇行移動(dòng)式等，各種移動(dòng)方式的機(jī)動(dòng)性能對(duì)比如表2-2
表2-2 車輪式、輪、履、腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)性能比較：
移動(dòng)機(jī)構(gòu)方式
輪式
履帶式
腿式
移動(dòng)速度
快
較快
慢
越障能力
差
一般
好
機(jī)構(gòu)復(fù)雜程度
簡(jiǎn)單
一般
復(fù)雜
能耗量
小
較小
大
機(jī)構(gòu)控制難易程度
易
一般
復(fù)雜
探測(cè)器需要一個(gè)良好的工作性能，要想較好的完成任務(wù)，需要平穩(wěn)的移動(dòng)方式。很明顯，履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能居于輪式和腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)之間，在地面適應(yīng)性能、越障性能方面有良好表現(xiàn)。履帶移動(dòng)機(jī)構(gòu)地面適應(yīng)性能好，在復(fù)雜的野外環(huán)境中能通過(guò)各種崎嶇路面以及溝壑等，它的活動(dòng)范圍廣，性能可靠，使用壽命長(zhǎng)，輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)無(wú)法與其比擬，適合作為探測(cè)機(jī)器人的推進(jìn)系統(tǒng)。所以采用履帶式的移動(dòng)方式。另外，考慮到履帶移動(dòng)方式的機(jī)動(dòng)性能比較差，所以，本章節(jié)也設(shè)計(jì)了2輪+1個(gè)萬(wàn)向輪的移動(dòng)方案，這樣可以根據(jù)地形的不同，才用不同的移動(dòng)方式，在平緩的地形中，可以采用輪式，在有溝壑的地形中采用履帶式。這樣就增加了探測(cè)機(jī)器人的工作效率。
2.4.2 履帶的選擇
根據(jù)探測(cè)機(jī)器人性能參數(shù)表可知，要求的移動(dòng)速度不高，但移動(dòng)距離應(yīng)該精準(zhǔn)，根據(jù)這些要求，履帶選用梯形齒同步帶，其特點(diǎn)如下：
結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2-3
圖2-3 履帶簡(jiǎn)圖
結(jié)構(gòu)：工作面為梯形齒，承載層為玻璃纖維繩芯、鋼絲繩等環(huán)形帶，有氯丁膠和聚氨酯橡膠兩種。
特點(diǎn)：靠嚙合傳動(dòng)，承載層保證帶齒嚙合齒距不變，傳動(dòng)比較準(zhǔn)確，軸壓力小，結(jié)構(gòu)緊湊，耐油，耐磨性好，但安裝制造要求較高。
應(yīng)用：v<50m/s P<300kw i<10要求同步的傳動(dòng)，也可用于低速傳動(dòng)。
2.4.3 履帶、齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算
常見(jiàn)的行走機(jī)構(gòu)形式就是同步帶/齒形帶。同步帶/齒形帶傳動(dòng)具有帶傳動(dòng)，鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。同步帶傳動(dòng)由于帶與帶輪是靠嚙合傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，故帶與帶輪間無(wú)相對(duì)滑動(dòng)，能保證準(zhǔn)確的傳動(dòng)比。同步帶通常以鋼絲或玻璃纖維為抗拉體，氯丁橡膠或聚氨酯為基體，這種帶薄而且輕，故可以用于較高速度。傳動(dòng)的線速度可達(dá)50m/s，傳動(dòng)比可達(dá)10，效率可達(dá)98% 。傳動(dòng)噪音比帶傳動(dòng)，鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)小，耐磨性好，不需有潤(rùn)滑，壽命比摩擦帶長(zhǎng)。其主要缺點(diǎn)是制造和安裝精度要求較高，中心距要求較嚴(yán)格。所以同步帶廣泛應(yīng)用于要求傳動(dòng)比準(zhǔn)確地中，小功率傳動(dòng)中，如家用電器，計(jì)算機(jī)，儀器及機(jī)器人，機(jī)床，化工，石油等機(jī)械。
同步帶的設(shè)計(jì)計(jì)算
1．選擇設(shè)計(jì)功率
(1)
2．選擇帶型和節(jié)距
選取帶型為H型
(2)
3．根據(jù)帶型H和小帶輪轉(zhuǎn)速n1
查得最小齒輪，此處取Z=20
小帶輪節(jié)圓直徑d1
(3)
查表得其外徑
設(shè)計(jì)Z2=Z1=20
4．帶速 v= (4)
5．定軸間距=400mm
6．帶長(zhǎng)及其齒數(shù)
(5)
7．查表應(yīng)選用帶長(zhǎng)代號(hào)為420的H型同步帶，其節(jié)線長(zhǎng)，節(jié)線上的齒數(shù)Z=84
8．實(shí)際軸間距a= (6)
9．小帶輪嚙合齒數(shù) (7)
10．基本額定功率 (8)
查得
所需帶寬 (9)
查表得：H型帶
查表得應(yīng)選帶寬代號(hào)為150的H型帶，其
11．帶輪結(jié)構(gòu)和尺寸
傳動(dòng)選用同步帶為H150
帶輪Z1=Z2=20，d1=d2=80.85mm,da1=da2=79.48mm
采用同步帶作為履帶的優(yōu)點(diǎn)是：效率高，最高效率能達(dá)到90%以上；設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，只須根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格選擇節(jié)矩，齒數(shù)，長(zhǎng)度，寬度就可以了。但是同步帶一旦選定，長(zhǎng)度，寬度就是固定的，因此基本屬于定制，設(shè)計(jì)不同的履帶式平臺(tái)就需要不同的同步帶。這個(gè)特點(diǎn)限制了同步帶應(yīng)用的靈活性。
本設(shè)計(jì)還附加了輪式底盤的移動(dòng)方式，2輪加萬(wàn)向輪，因?yàn)楸M管履帶移動(dòng)方式的穩(wěn)定性比較強(qiáng)，但機(jī)動(dòng)性比較差，所以，在必要的時(shí)候，可以根據(jù)地形的不同，裝配不同的移動(dòng)方式。輪式底盤的裝配圖在附錄中，其他模塊不便。
2.4.4錐齒輪的設(shè)計(jì)
這是輪式移動(dòng)方式中，傳動(dòng)是通過(guò)錐齒輪來(lái)實(shí)現(xiàn)的。錐齒輪的計(jì)算如下：
齒輪比 u=1
大端分度圓直徑 de1=20mm
齒數(shù) Z1=Z2=30
大端模數(shù) me1=de1/Z1=6.67
分錐角δ1=45°
外錐距 Re=de1/2sinδ1=141.4
齒寬 b1=φRRe=42.42
齒寬系數(shù) φR=b/Re=0.3
平均分度圓直徑 dm1=de1 (1-0.5φR)=170
中錐距 Rm=Re((1-0.5φR)=120.19
平均模數(shù) Mm=me1 (1-0.5φR)=5.6695
切向變位系數(shù) Xt=0
徑向變位系數(shù) Xε=0.46（1-cosδ2/ucosδ1）=0
齒頂高 ha1=me（1+x1）=6-67
齒根高 hf1=me（1+c＊-x1）=8.004
頂隙 c= c＊m
齒距角 θa1=θf(wàn)2=θf(wàn)1
齒根角θf(wàn)1=arctan(hf1/Re)=3.24°
頂錐角 δa1=δ1+δf2=48.24°
根錐角 δf1=δ1-θf(wàn)1=41.76°
齒頂圓直徑 da1=de1+2ha1cosδ1=209.43
安裝距A1
冠頂距 Ak1=de2/2-ha1sinaδ1=95.285
輪冠距=H1=A1-Ak1
大端分度圓齒厚S1=me（π/2+2x1tanα+xt1）
端面當(dāng)量齒數(shù) Zv1=z1/cosδ1=42.43
錐齒輪在這個(gè)設(shè)計(jì)中的作用是連接電機(jī)轉(zhuǎn)軸和車輪轉(zhuǎn)軸，采用的兩個(gè)90度錐齒輪進(jìn)行連接，這樣既可以保證兩個(gè)轉(zhuǎn)軸之間的傳動(dòng)，有可以很好的黏合。
2.5 各模塊的連接
2.5.1 計(jì)算機(jī)模塊與傳感器模塊的連接如圖2-4所示
傳感器箱體
連接件
傳感器蓋板
計(jì)算機(jī)模塊
圖2-4 計(jì)算機(jī)模塊與傳感器模塊的連接
計(jì)算機(jī)模塊與傳感器模塊的連接很簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)的原則就是模塊化設(shè)計(jì)，各模塊的拆裝應(yīng)該簡(jiǎn)單明了。其中連接計(jì)算機(jī)模塊與蓋板的是8顆M3內(nèi)六角沉頭螺釘，圖中顯示的是其中的兩個(gè)，其它6顆都與這兩個(gè)對(duì)稱。注意，這里的螺釘式直接連接到蓋板上的，并且計(jì)算機(jī)固定架僅僅靠著幾顆螺釘連接。因此，安裝時(shí)務(wù)必裝緊，避免由于震動(dòng)等造成螺釘?shù)乃蓜?dòng)。
傳感器上的蓋板則是用8顆M5內(nèi)六角沉頭螺釘固定的，一個(gè)連接機(jī)構(gòu)需兩個(gè)螺釘，其它六個(gè)與這兩個(gè)均勻分布，這樣的拆卸非常方便。從圖中可以看出，8顆內(nèi)六角沉頭螺釘都固定在了計(jì)算機(jī)模塊的外部，很明顯，這樣連接即使不拆除計(jì)算機(jī)模塊，也可以打開(kāi)蓋板看到傳感器模塊里的情況，為排查故障等提供了方便，還有就是，蓋板要比傳感器的箱體要大，因?yàn)?，傳感器箱體里放的是幾乎所有機(jī)器人所需要的電路板，防止大量灰塵進(jìn)入到里邊影響電路的正常工作。
在傳感器模塊與蓋板之間有一條扁平電纜連接，在末端分成兩個(gè)插頭，其中一個(gè)是插在傳感器主板上，是24V電源插頭，為傳感器層頂?shù)挠秒娫O(shè)備提供24V電源插頭；另一個(gè)插在傳感器主板上的一個(gè)擴(kuò)展卡上。作用是將機(jī)器人底層的RS-485總線轉(zhuǎn)換為方便連接計(jì)算機(jī)的RS-232電平。
2.5.2 傳感器模塊與電源驅(qū)動(dòng)模塊的部分連接
傳感器箱體
連接方法如圖2-5
兩模塊連接件
電源及驅(qū)動(dòng)模塊蓋板
圖2-5 傳感器模塊與電源驅(qū)動(dòng)模塊的連接
如圖所示，這里蓋板的連接方式與傳感器蓋板的連接方式相同，用8顆M5內(nèi)六角沉頭螺釘固定。
由于傳感器箱體底部安裝了電路主板等，所以是封閉的，用計(jì)算機(jī)架的連接方式就不能實(shí)現(xiàn)拆卸方便的原則，所以采用途中所示的方法，兩個(gè)模塊分別固定各自的連接快，然后結(jié)合到一塊兒，然后用一顆M5內(nèi)六角圓柱頭螺釘進(jìn)行緊固，螺釘頭朝外，這樣拆裝就相當(dāng)簡(jiǎn)單了，兩個(gè)模塊之間共有四組這樣的連接方式，分布在蓋板的四周。
2.5.3電源驅(qū)動(dòng)模塊與底盤運(yùn)動(dòng)模塊的連接圖
如圖2-6所示，1為電源及驅(qū)動(dòng)模塊，2為減振機(jī)構(gòu)，3為連接架，4位履帶當(dāng)板。這兩個(gè)模塊連接較其它模塊有所不同，電源及驅(qū)動(dòng)模塊與運(yùn)動(dòng)底盤連接，它的穩(wěn)定性直接影響機(jī)器人的工作效率，為了減小底盤移動(dòng)產(chǎn)生的震動(dòng)，在與電源及驅(qū)動(dòng)模塊的連接中，加進(jìn)一個(gè)減震機(jī)構(gòu)，如圖所示，這個(gè)結(jié)構(gòu)剛性比較好，可以消除一些由于路面不平產(chǎn)生的震動(dòng)。連接架的下端用四顆M5螺栓進(jìn)行固定。機(jī)器人共有四組這樣的減振機(jī)構(gòu)，左右各兩組。
電源及驅(qū)動(dòng)模塊
減震機(jī)構(gòu)
連接架
運(yùn)動(dòng)底盤
圖2-6電源驅(qū)動(dòng)模塊與底盤運(yùn)動(dòng)模塊的連接
第三章 能源驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)選擇
機(jī)器人運(yùn)行條件不同消耗的電能如表3-1
表3-1 機(jī)器人消耗電能量
運(yùn)行條件
電流（A）
機(jī)器人待機(jī)（傳感器處于休眠狀態(tài)）
<0.5A
機(jī)器人靜止（所有傳感器工作）
2A
機(jī)器人前進(jìn)（最大3m/s速度）
3.5A
機(jī)器人旋轉(zhuǎn)（1m/s速度）
4.5A
從表中可以看出，機(jī)器人的功耗控制的較低，并且散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有效的利用了金屬殼作為散熱器。在正常工作環(huán)境下，機(jī)器人長(zhǎng)時(shí)間工作也不會(huì)過(guò)熱，所以可以放心使用。
3.1能源的供給
本機(jī)器人的能源裝置配置了兩單元鉛酸蓄電池，其參數(shù)如下：
容量： 24V17Ah(2單元12V串聯(lián)，單元容量12V17Ah),408Wh
重量： 11kg
放電能力： 10-20,170-340A連續(xù)電路
能量密度： 39Wh/kg
循環(huán)壽命： 〉500次
工作時(shí)間： 4---6小時(shí)
3.2電機(jī)的選用
驅(qū)動(dòng)裝置的選擇
按照能源的不同 ，可分為液動(dòng)，氣動(dòng)，電動(dòng)三大類。電驅(qū)動(dòng)器由于電能易于獲取，容易傳輸，沒(méi)有污垢，易于維修等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用。在機(jī)器人使用的電驅(qū)動(dòng)器中，步進(jìn)電機(jī)與數(shù)字電子計(jì)算機(jī)的結(jié)合上，表現(xiàn)出很好的發(fā)展前景。
根據(jù)第二章計(jì)算結(jié)果和機(jī)器人性能要求，配置了樂(lè)日本三洋公司生產(chǎn)的Super_L直流電機(jī)，外觀如圖3-1所示：
圖3-1 Super L三洋直流電機(jī)
電機(jī)參數(shù)如下：
額定電壓 24V
額定功率 60W
額定轉(zhuǎn)速 3000n/min
減速比 1:5
編碼盤線數(shù) 512-1024
3.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)的選擇
直流電機(jī)將軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)輸入到齒輪箱，然后齒輪箱的輸出軸控制輪子轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)整個(gè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。直流電機(jī)上的電壓大小影響它的轉(zhuǎn)速和扭矩。
探測(cè)機(jī)器人的調(diào)速是通過(guò)直流運(yùn)動(dòng)控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，此探測(cè)機(jī)器人配置了瑞士FAULHABER公司的MCDC2805，如圖3-2所示：
圖3-2MCDC2805驅(qū)動(dòng)器
MCDC2805運(yùn)動(dòng)控制器是專為直流電機(jī)而量身定做的，配合性能優(yōu)異的SANYOSuperL電機(jī)及集成編碼器，即使在轉(zhuǎn)速非常低的情況下，也能到達(dá)0.18度的定位控制精度。
MCDC 2805 運(yùn)動(dòng)控制器由功能強(qiáng)大的16位處理器和性能卓越的數(shù)字濾波器組成智能化的MCDC 2805 能實(shí)現(xiàn)以下功能：
1．速度控制：在絕大多數(shù)應(yīng)用中，均能達(dá)到優(yōu)異的速度同步性能，同時(shí)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)最小內(nèi)置PI調(diào)節(jié)器能準(zhǔn)確到達(dá)指定位置。
2．速度模式可以方便實(shí)現(xiàn)諧波，三角形，梯形及更復(fù)雜的復(fù)合運(yùn)動(dòng)速度圖運(yùn)行模式。
3．位置控制：采用限位開(kāi)關(guān)，參考令位及高分辨率的編碼器，可以實(shí)現(xiàn)高精度定位控制。
4．附加控制模式：可以通過(guò)步進(jìn)控制模式同步控制多個(gè)電機(jī)工作。
5．轉(zhuǎn)矩控制：通過(guò)調(diào)節(jié)電流實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制
6．保存和運(yùn)行程序：可以完全脫離PC主機(jī)獨(dú)立運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)所有控制功能。
7．輸入輸出：
給定信號(hào)輸入：可以用模擬方式或數(shù)字方式輸入給定速度，此書(shū)如也可以作為參考信號(hào)用。根據(jù)不同的工作模式，又是需要頻率信號(hào)輸入。
故障輸出端（集成極開(kāi)路輸出）：可以設(shè)置成旋轉(zhuǎn)方向輸入，數(shù)字輸入或參考輸入
口。
RS232串口：用于與PC主機(jī)通訊和控制程序運(yùn)作。
MDCD2805接線口如表3-2
表3-2 MDCD2805的接線表如下：
電源側(cè)
9針D型串口
電機(jī)側(cè)
接線端
功能
接線端
功能
接線端
功能
V1
RS-232 TXD
(RS-232發(fā)送端)
2
RS-232RXD(RS-232接收端)
M1
InputNo.5(第三輸入端)
V2
RS-232RXD
(RS-232接收端)
3
RS-232TXD(RS-232發(fā)送端)
M2
InputNo.4(第三輸入端)
V3
AnalogGND
(模擬地)
5
GND(地)
M3
Channel A (編碼器A通道)
V4
Fault Ouput
(故障輸出端)
M4
Channel B (編碼器B通道)
V5
Analog Input（模擬輸入端）
M5
VCC(+5)(系統(tǒng)提供+5V)
V6
+24V(點(diǎn)源正極)
M6
Signal GND (信號(hào)地)
V7
GND(地)
M7
MOTOR+(接電機(jī)正極)
V8
Input No.3
(第三輸入端)
M8
MOTOR_（接電機(jī)負(fù)極）
第四章 傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
首先，機(jī)器人的傳感器就像人體上的感覺(jué)器官，它可以探測(cè)到周圍的環(huán)境，然后經(jīng)過(guò)綜合性的測(cè)量、計(jì)算，對(duì)他的行為進(jìn)行選擇判斷。其中，視覺(jué)是最重要的，因?yàn)椋词怪挥幸曈X(jué)的時(shí)候，也能根據(jù)看到的進(jìn)行前行或是改變行為方式，但如果失去了視覺(jué)，即使其他的感覺(jué)功能都存在，也很難判斷周圍的環(huán)境，很難對(duì)行為方式進(jìn)行判斷。所以首先應(yīng)選擇視覺(jué)傳感器。
4.1視覺(jué)傳感器
因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)過(guò)程中，為了保護(hù)好攝像設(shè)備的連接線以及防止設(shè)備被環(huán)境腐蝕等，已經(jīng)設(shè)計(jì)了用舵機(jī)控制自由度的攝像云臺(tái)，安裝攝像頭的部位可以在控制下朝向任何的方向，所以只需一個(gè)USB攝像頭即可。
如圖3-3所示；具體視覺(jué)參數(shù)如表4-1
圖4-1
表4-1 視覺(jué)具體參數(shù)如下：
傳感器類型
Ccd感光器
傳感器像素
130
最高分辨率(dpi)
1280*960
最大帖數(shù)(FPS)
30
色彩位數(shù)(bit)
24
對(duì)焦方式/范圍
自動(dòng)對(duì)焦
攝像頭壓縮比
5:1
兼容操作系統(tǒng)
Windows 2000/Windows XP
PC接口類型
USB 2.0
顏色
銀灰色
其它
內(nèi)置麥克風(fēng)，用Rightsound技術(shù)，清晰，無(wú)回音的語(yǔ)音系統(tǒng)。
為了使機(jī)器人更好地執(zhí)行任務(wù)，配置了24路超聲波傳感器和PSD紅外傳感器。兩種測(cè)距傳感器可以互補(bǔ)，例如有些不反射紅外的物體（像黑色塑料等）卻能很好地反射超聲波，反之，很多超聲波傳感器無(wú)法檢測(cè)到的物體（像纖細(xì)的織物）很容易被紅外測(cè)距傳感器檢測(cè)到。
4.2超聲波傳感器
超聲波傳感器安裝如圖４-2
圖4-2 超聲波傳感器安裝圖
超聲波傳感器就是被兩個(gè)螺釘固定在了箱體上，共配置了24路超聲波傳感器安裝到了傳感器的箱體周圍的壁上。
超聲波傳感器的測(cè)距工作原理：超聲波傳感器激發(fā)出一束很窄的超聲波在空氣中傳播，當(dāng)遇到障礙物時(shí)，超聲波返回。根據(jù)超聲波的傳遞時(shí)間就能準(zhǔn)確地計(jì)算出障礙物的相對(duì)距離。
原理如圖4-3
定時(shí)器
控制
顯示器
調(diào)制器
計(jì)時(shí)器
接受檢驗(yàn)
振蕩器
超聲波接收器
超聲波發(fā)生器
圖4-3 超聲波檢測(cè)距板原理圖
本設(shè)計(jì)采用的使集成的超聲測(cè)距傳感器，使用簡(jiǎn)單。首先將超聲波傳感器的INIT信號(hào)拉到高電平，此時(shí)超聲波傳感器換能器的將激發(fā)超聲波。INIT信號(hào)高電平的時(shí)間與需要測(cè)量的最長(zhǎng)距離有關(guān)。當(dāng)超聲波遇到障礙物時(shí)，超聲波將返回，超聲波傳感器檢測(cè)到回波信號(hào)后，將ECHO置為高電平。當(dāng)INIT信號(hào)為低電平時(shí)，ECHO同時(shí)也變?yōu)榈碗娖?。因此可以?jì)算障礙物的距離：
障礙物的距離S=（INIT高電平時(shí)間T1---ECHO高電平的時(shí)間）*聲速/2。超聲波傳感器工作的時(shí)序如圖4-4所示
圖4-4 超聲波傳感器工作時(shí)序圖
4.3紅外傳感器的配置
除了超聲波傳感器，還為探測(cè)機(jī)器人配置了24路紅外傳感器參數(shù)的型號(hào)為E18-B0，規(guī)格數(shù)據(jù)為：
VCC: 6V----36V(典型12V)
工作電流: 小于300mA
輸出形式: NPN三極管OC輸出
封裝形勢(shì): 工程材料
安裝方式: 直徑17mm殼體螺紋，帶鎖緊螺母
光電開(kāi)關(guān)輸出是開(kāi)關(guān)量，只能判斷在測(cè)量距離內(nèi)有無(wú)障礙物，不成給出障礙物的實(shí)際距離，而且其開(kāi)關(guān)的臨界距離要受外界光環(huán)境的影響。因此僅作為超聲波傳感器的補(bǔ)充，以測(cè)量超聲波傳感器的補(bǔ)充，以測(cè)量超聲波傳感器的盲區(qū)內(nèi)有無(wú)障礙物。另外，該傳感器有一個(gè)靈敏度調(diào)節(jié)旋鈕，可以調(diào)節(jié)傳感器觸發(fā)的距離。隨供電電壓不同，最遠(yuǎn)探測(cè)距離在5-60cm可調(diào)。雖然紅外傳感器的功能有限，但恰恰與超聲波的功能互補(bǔ)，所以為了使探測(cè)機(jī)器人更好的執(zhí)行任務(wù)，紅外傳感器是必不可少的。
第五章 探測(cè)機(jī)器人的硬件系統(tǒng)
5.1 傳感器采集系統(tǒng)
5.1.1 傳感器主板如圖5-1
圖5-1 傳感器主板
圖中只顯示了一個(gè)超聲波傳感器，其他24路沿主板均勻排列，將收集到的信息存到采集卡里，并傳輸給計(jì)算機(jī)。
5.1.2 電源輸入以及簡(jiǎn)單保護(hù)電路 ：
傳感器主板電源輸入如圖5-2：由兩針接口POWER輸入之后分成兩路，一路經(jīng)過(guò)可恢復(fù)保險(xiǎn)管與TVS管（用于反接與過(guò)壓保護(hù)）為傳感器系統(tǒng)提供24V電源，另一路直接為PC提供電源。其中LED01與LED02分別是傳感器系統(tǒng)與PC系統(tǒng)電源指示電源電路。
圖5-2 傳感器主板電源輸入
5.2電源保護(hù)電路
電源保護(hù)電路如圖5-3
為了便于用擴(kuò)展，對(duì)各擴(kuò)展卡的每一路電源以及信號(hào)都進(jìn)行可靠的保護(hù)如圖，即使用出現(xiàn)把短路，接反，信號(hào)混亂也不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)崩潰。
圖5-3 電源保護(hù)電路
5.3紅外傳感器的接線
紅外傳感器輸入接口如圖5-4
傳感器供電為5V,HY_OUT為輸入端。
圖5-4紅外傳感器輸入接口圖
5.4超聲波傳感器的接線
超聲波傳感器輸入接口如圖5-5
傳感器主板上24路超聲波傳感器接口，其定義如圖所是：
POWER,GND是12V供電接口
ECHO_OUT是超聲波傳感器回波信號(hào)輸出
INT_IN是超聲波傳感器使能輸入
圖5-5 超聲波傳感器接口圖
5.5羅盤處理
基本工作原理：
在接收到PC查詢指令后讀取羅盤數(shù)據(jù)，并按標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議發(fā)送到PC.
程序基本流程圖5-6
初始化
發(fā)送
總指令為查詢羅盤？
向羅盤發(fā)出讀指令
羅盤返回?cái)?shù)據(jù)？
加入數(shù)據(jù)包頭和校驗(yàn)
十次連續(xù)查詢
是
是
否
否
是
是
圖5-6 羅盤數(shù)據(jù)基本流程圖
5.6 RS485-RS232轉(zhuǎn)換電路
基本工作原理： 通過(guò)MAX491將+12V~-17V的RS485差分電平轉(zhuǎn)化為0-5V的CMOS電平，然后通過(guò)MAX232將CMOS電平轉(zhuǎn)化為PC的+12~-7的VRS232電平，實(shí)現(xiàn)PC與模塊設(shè)備的通信。如圖5-7所示
圖5-7 RS485-RS232轉(zhuǎn)換電路
第六章 探測(cè)機(jī)器人計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)
在機(jī)器人的研究中，機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一直是人們關(guān)注的熱點(diǎn)。通用開(kāi)放式機(jī)器人系統(tǒng)是今后發(fā)展的趨勢(shì)。首先，開(kāi)放機(jī)器人應(yīng)具備以下特征：
1． 使用基于非專用局算機(jī)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)；
2． 使用標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)的控制語(yǔ)言；
3． 硬件基于標(biāo)準(zhǔn)總線結(jié)構(gòu)，能夠與各種外圍設(shè)備和傳感器接口；
4． 能與分布式系統(tǒng)中其他單元共享數(shù)據(jù)，并允許遠(yuǎn)程操作；
5． 機(jī)器人系統(tǒng)的性能和功能可以根據(jù)使用需求很方便地增減。
本人設(shè)計(jì)的探測(cè)機(jī)器人符合上述條件，是開(kāi)放式的機(jī)器人。本設(shè)計(jì)采用筆記本電腦架構(gòu)，集成Windows操作系統(tǒng)和VC開(kāi)發(fā)環(huán)境?；诩軜?gòu)的機(jī)器人系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：
1． 通用的機(jī)器人系統(tǒng)，開(kāi)放性好；
2． 良好的通訊功能；PC很容易與其他設(shè)備實(shí)現(xiàn)通訊，因此很容易擴(kuò)展其他硬件設(shè)備；
3． 具有成熟的標(biāo)準(zhǔn)總線結(jié)構(gòu)，能夠與各種外圍設(shè)備和傳感器接口；
4． 系統(tǒng)的處理能力強(qiáng)，容易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算法；
5． 機(jī)器人系統(tǒng)的性能和功能可以根據(jù)實(shí)用需求很方便的增減。
基于操作系統(tǒng)和開(kāi)發(fā)環(huán)境的機(jī)器人系統(tǒng)有點(diǎn)是：
1． 友好的人機(jī)界面；
2． 廣泛的用戶基礎(chǔ)；
3． 完備的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境；
4． 豐富的軟件資源；
6.1無(wú)線電臺(tái)通訊系統(tǒng)
無(wú)線電臺(tái)通訊系統(tǒng)通過(guò)USB與筆記本或PC上的接口連接。此特定的USB最好不要用隨意改變，否則需要重新安裝驅(qū)動(dòng)。目前無(wú)線電臺(tái)通訊的波特率19200。
6.2電子羅盤
所選三軸電子羅盤的參數(shù)為：
1． 主要用于自主機(jī)器人定位和導(dǎo)航，以及姿態(tài)測(cè)量；
2． 三軸電子羅盤可以進(jìn)行機(jī)器人自身的滾轉(zhuǎn)，俯仰姿態(tài)測(cè)量，峰—峰值（最大誤差）精度可高達(dá)1度，典型精度0.5度，分辨率0.度。
3． 帶有電子常平架的羅盤即使傾斜達(dá)40度，也能給出精度的航向。
4． 完善的羅盤自動(dòng)標(biāo)定程序?qū)⑿拚脚_(tái)的磁影響。磁場(chǎng)計(jì)的寬度范圍（正負(fù)1G或100）允許工作在當(dāng)?shù)剌^大的磁場(chǎng)。
6．3電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制原理如圖6-1
顯示電路
脈沖整形
PWM功放電路
編碼盤
鍵盤
MCS51-8051
PWM波形發(fā)生器
M
圖6-1 電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制原理
調(diào)速系統(tǒng)的硬件原理是以MCS51-8051彈片機(jī)為控制核心，包括測(cè)速電路，PWM波形發(fā)生器和PWM功放電路。其電路圖在附件中。
主程序流程圖如圖6-2
顯示速度
送入控制系統(tǒng)
偏差=即時(shí)速度-鍵值
開(kāi)外不中斷
讀取鍵值
系統(tǒng)初始化
開(kāi)始
按鍵S是否按下
圖6-2主程序流程圖
第七章 探測(cè)機(jī)器人軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)
機(jī)器人的控制系統(tǒng)是指機(jī)器人的信息處理裝置，在本設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，選擇數(shù)字電子計(jì)算機(jī)。這是一個(gè)依據(jù)事先和事后的信息而產(chǎn)生對(duì)機(jī)器人的控制命令的系統(tǒng)。信息主要來(lái)自人---機(jī)對(duì)話和感覺(jué)系統(tǒng)。機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)前。在計(jì)算機(jī)重要貯存好一個(gè)運(yùn)動(dòng)模型，一個(gè)環(huán)境模型，一些與執(zhí)行任務(wù)有關(guān)的數(shù)據(jù)及一定數(shù)量的執(zhí)行任務(wù)的策略和算法，在執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中，計(jì)算機(jī)接受來(lái)自傳感器的機(jī)器人目前狀態(tài)的信息和涉及到目前包括工作對(duì)象在內(nèi)的環(huán)境狀況的信息。依據(jù)上述的所有數(shù)字模型，原始數(shù)據(jù)，感受的信息，利用控制策略和算法，以及過(guò)去執(zhí)行任務(wù)的經(jīng)驗(yàn)等，計(jì)算機(jī)產(chǎn)生一個(gè)對(duì)機(jī)器人的控制命令。
7.1移動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
一個(gè)在實(shí)際工作中的機(jī)器人，他的運(yùn)動(dòng)由驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，任務(wù)的具體執(zhí)行有終端機(jī)具完成。在執(zhí)行任務(wù)的過(guò)程中，感覺(jué)系統(tǒng)將內(nèi)感受和外感受的信息反饋給控制系統(tǒng)，有控制系統(tǒng)對(duì)整個(gè)機(jī)器人的活動(dòng)作決策和付諸實(shí)施。系統(tǒng)的控制部分的工作方式要適合于執(zhí)行的任務(wù)。采用某一種工作方式，例如，人進(jìn)行的干預(yù)很少---自由方式；人的干預(yù)很多---手動(dòng)方式；斷斷續(xù)續(xù)干預(yù)---監(jiān)督管理方式等，都要按任務(wù)的需求而定。
在控制機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中涉及三方面：
信息---機(jī)器人自身及環(huán)境的信息。他們來(lái)自感覺(jué)系統(tǒng)即感知的機(jī)器人自身狀態(tài)。
決定---產(chǎn)生執(zhí)行任務(wù)的行動(dòng)方式，任務(wù)的程序設(shè)計(jì)。
行動(dòng)---控制信號(hào)的產(chǎn)生和實(shí)施。
如圖7-1所示
人
決定
行動(dòng)（控制）
信息（感覺(jué)）
環(huán)境
操作部分
控制部分
圖7-1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
需要注意的是,傳感器能幫助機(jī)器人采集到周圍的環(huán)境情況，在機(jī)器人采集到信息進(jìn)行處理后,不是所有行動(dòng)都由他自己來(lái)決定,因?yàn)闄C(jī)器人畢竟不是人,在一些簡(jiǎn)單的地形可以由它自行決定行為,但是在復(fù)雜的地形當(dāng)中,還得由人來(lái)控制,以免出現(xiàn)損壞,或不能較好的完成任務(wù)。所以，應(yīng)隨時(shí)觀察機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)的情況，在出現(xiàn)機(jī)器人出現(xiàn)差錯(cuò)時(shí)及時(shí)進(jìn)行更改，使其順利完成認(rèn)為。
7.2演示控制界面
本設(shè)計(jì)用c++作操作控制界面，用單片機(jī)語(yǔ)言控制探測(cè)機(jī)器人的移動(dòng)狀況。
顯示界面如圖
設(shè)置：
這個(gè)模塊分兩部分，一個(gè)是與機(jī)器人的通訊串口屬性設(shè)置；另一個(gè)是傳感器使能配置。探測(cè)機(jī)器人的控制軟件必須與硬件連接才能發(fā)揮作用，在這里可以設(shè)置連接的串口號(hào)以及波特率，點(diǎn)擊“打開(kāi)”按鈕即可建立與機(jī)器人軟件上的連接。
此機(jī)器人配置了24路組超聲波傳感器，在這里可以通過(guò)24個(gè)復(fù)選框在軟件上配置傳感器的讀取和顯示。
當(dāng)控制軟件與機(jī)器人建立了連接之后，可以通過(guò)這個(gè)模塊進(jìn)行超聲與紅外傳感的自動(dòng)查詢工作。
輸入超聲的查詢間隔，然后點(diǎn)擊“激活超聲”即可激活超聲傳感器自動(dòng)查詢功能控制軟件會(huì)定時(shí)查詢傳感數(shù)據(jù)，并顯示在界面上。點(diǎn)擊“關(guān)閉超聲”即可停止超聲傳感器的自動(dòng)查詢動(dòng)作。紅外傳感器的操作與超聲類似。
根據(jù)傳感器本身的原理，超聲波傳感器的查詢間隔一般不應(yīng)低于200ms。紅外傳感器查詢間隔盡量不低于100ms，以保證總線暢通。
數(shù)據(jù)顯示
當(dāng)進(jìn)行超聲波傳感器或者紅外傳感器的數(shù)據(jù)的采集的過(guò)程中，傳感器返回的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)換算，成為具體數(shù)值顯示在這模塊當(dāng)中。超聲部分顯示的是以米為單位的數(shù)值，表示單個(gè)超聲傳感器探測(cè)到前方障礙的距離；紅外傳感器的顯示的是在其檢測(cè)范圍內(nèi)是否存在障礙物。
運(yùn)動(dòng)控制
這部分是普通的運(yùn)動(dòng)控制模塊，在于機(jī)器人建立了連接之后可以控制機(jī)器人進(jìn)行簡(jiǎn)單的前進(jìn)，后退，左右轉(zhuǎn)向等操作，輸入移動(dòng)速度，點(diǎn)擊“更新”按鈕，所輸入速度值便作為上述操作的默認(rèn)速度。
下面的兩個(gè)輸入框分別為左右電機(jī)的輸入，輸入相應(yīng)的數(shù)值并點(diǎn)擊“執(zhí)行”按鈕，機(jī)器人便在左右電機(jī)分別按輸入量運(yùn)轉(zhuǎn)。
視頻
在連接了USB攝像頭之后，可以通過(guò)視頻模塊進(jìn)行視頻圖像的采集，點(diǎn)擊“開(kāi)啟視頻”打開(kāi)攝像頭畫(huà)面，點(diǎn)擊“停止視頻”關(guān)閉攝像頭畫(huà)面。在開(kāi)啟視頻的狀態(tài)可以對(duì)畫(huà)面中的紅色，藍(lán)色，綠色物體的識(shí)別篩選。
注：程序和機(jī)器人的電氣總圖在附錄中。
結(jié)束語(yǔ)
本設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是采用了模塊化設(shè)計(jì)方案，看起來(lái)機(jī)構(gòu)很簡(jiǎn)單，但功能突出，并且聯(lián)接方式大都采用螺釘，螺栓的方式，拆裝比較方便。缺點(diǎn)就是，采用了履帶的行走方式，雖然移動(dòng)比較平穩(wěn)，而且可以越障，跨過(guò)溝壑等。但機(jī)動(dòng)性能比較差，而且，由于大量采用螺釘，螺栓的連接，所以一定要經(jīng)常禁固螺釘，螺母。
在設(shè)計(jì)機(jī)器人的過(guò)程中，遇到的最大難點(diǎn)就是機(jī)器人的通訊運(yùn)動(dòng)過(guò)程，經(jīng)過(guò)大量的學(xué)習(xí)詢問(wèn)，同學(xué)老師的幫助，本人基本掌握了這個(gè)過(guò)程。但細(xì)節(jié)問(wèn)題需要在以后繼續(xù)學(xué)習(xí)。
本人在畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中得到了很多老師的幫助，向各位老師表示真誠(chéng)感謝，不僅僅是在畢業(yè)設(shè)計(jì)當(dāng)中的幫助，也包括這四年來(lái)，所有老師對(duì)我們的教誨。很多同學(xué)說(shuō)上大學(xué)是沒(méi)用的，是在浪費(fèi)時(shí)光。有這種看法的人無(wú)非就是有的在網(wǎng)游的世界里徘徊，要么就是沒(méi)有真正理解大學(xué)生會(huì)給我們帶來(lái)的真正意義。在我看來(lái)，對(duì)大學(xué)
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