超聲波導航履帶式移動機器人小車設計（全套含CAD圖紙）

超聲波導航履帶式移動機器人小車設計（全套含CAD圖紙）,超聲波,導航,履帶式,移動,機器人,小車,設計,全套,CAD,圖紙 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 摘 要 2 Abstract 3 1 緒 論 4 1.1 機器人的研究背景及意義 4 1.11 機器人的研究背景 4 1.1.2 研究機器人的意義 4 1.2移動機器人的發(fā)展現(xiàn)狀 5 2 總體方案的確定 6 2.1 機械部分 6 2.1.1電動機的選擇 6 2.1.2 傳動裝置的確定 8 2.2 控制部分的確定 9 2.3 傳感器類型的確定 11 3 機械部分設計 13 3.1參數(shù)的確定 13 3.2 減速系統(tǒng)的設計 14 3.2.1 齒輪的設計 14 3.2.2 軸的設計 16 4 控制與傳感裝置的設計 28 4.1 控制與運動思路 28 4.1.1 機器人控制的總體思路 28 4.1.2 機器人運動的總體思路 28 4.2 單片機控制系統(tǒng) 29 4.2.1 AT80F51單片機 29 4.2.2 復位電路設計 29 4.2.3 穩(wěn)壓芯片 30 4.3 電機驅動電路系統(tǒng) 30 4.3.1 電機驅動芯片 30 4.3. 2 電機驅動電路 31 4.4超聲波測距算法 31 4.4.1 超聲波應用的可行性 31 4.4.2 超聲波的產(chǎn)生和接收 32 4.4.3 超聲波的產(chǎn)生 32 4.4.4 超聲波的接收 33 4.4.5 超聲波的傳輸特性 34 4.4.6 超聲波測距原理 34 4.4.7 計算超聲波傳播時間 35 4.4.8 測渡越時間測量法 35 結論 36 致 謝 37 參考文獻 38 附 錄 39 英文資料 39 中文翻譯 45 摘 要 本設計的研究內容是超聲波導航履帶式移動機器人小車的研究設計，其核心內容是應用單片機控制電機實現(xiàn)機器人小車的左轉彎、右轉彎、前進和停止等動作。 論文內容包括四個部分：簡要介紹了移動機器人研究背景、意義、現(xiàn)狀及發(fā)展前景，超聲波導航履帶式移動機器人小車的設計原理及方案，機械部分的結構設計，控制系統(tǒng)設計和視覺系統(tǒng)設計。論文詳細地介紹了移動機器人機械部分的結構設計。 設計小車利用履帶式底盤作為機械裝置，采用雙驅控制，加裝超聲波傳感器、控制電機，編碼器等裝置實現(xiàn)對電動車的速度、位置、運行狀況的實時測量，并將測量數(shù)據(jù)傳送至單片機進行處理，然后由單片機根據(jù)所檢測的各種數(shù)據(jù)實現(xiàn)對電動車的智能控制。 主要設計內容包括： 1.機械結構設計：機器人采用兩輪獨立驅動的履帶結構，動力源采用直流無刷電機，減速和傳動裝置采用齒輪傳動，利用差速移動平臺實現(xiàn)機器人的轉向，選用增量式光電編碼器進行對機器人速度的檢測，實現(xiàn)機器人的定位。 2.控制結構設計：控制部分采用AT80F51型號單片機進行接受命令和產(chǎn)生驅動信號，電機的驅動部分采用L298控制芯片，芯片利用接受到的單片機發(fā)出的信號來控制電機的轉速。 3. 傳感器部分：利用超聲波傳感器，送至上位機進行聲波處理 關鍵詞：移動機器人，運動控制，單片機控制，超聲波系統(tǒng) Abstract The design of the study content is Ultrasonic navigation of mobile robot car USES the core content of study design, application of single-chip microcomputer control motor is the robot car turn left, right, forward and stop such action. Includes four parts: the paper briefly introduced the mobile robot research background, significance, the present situation and development prospect, visual navigation crawler mobile robot car design principles and schemes of the structure design, mechanical parts, control system design and visual system design. Paper introduced in detail the mobile robot mechanical parts of the structure design. Car chassis design using a mechanical device USES, adopt double drive control, add the Ultrasonic navigation, control motor, electric coder to the device such as position, velocity, the operation condition of real-time measurement, and the measured data transfer process, then by single-chip microcontroller according to test data of intelligent control of electric cars. Main contents include: 1 mechanical structure design: use two rounds independent robots driven by caterpillar structure, brushless dc motor for electric power transmission device, the deceleration and by using differential gears, mobile robot's platform to choose the solid-axes photoelectric encoder and the detection rate of robot, robot localization. 2 control structure design: the control part AT80F51 single-chip model for accept orders and produce, motor driver drive signal control chip, L298 part adopts chip using SCM to receive signals to control motor speed. 3 parts: using visual sensor sensor, send images supreme image processing machine Key words：Mobile robot, motion control, the single-chip microcomputer control, the Ultrasonic system 1 緒 論 1.1 機器人的研究背景及意義 1.11 機器人的研究背景 機器人技術的發(fā)展是一個國家高科技水平和工業(yè)自動化程度的重要標志和體現(xiàn)。機器人在當前生產(chǎn)生活中的應用也越來越廣泛，因此幾乎每一個領域都應用到了機器人。移動機器人是機器人學中的一個重要分支，早在 60年代，就已經(jīng)開始了關于移動機器人的研究。關于移動機器人的研究涉及以下幾個方面： 1移動機器人的移動方式，可以是輪式的或履帶式的。根據(jù)負載大小、移動靈活性要求等方面確定移動方式。 2 移動機器人導航和路徑規(guī)劃，對于后者有更多的方面要考慮如特征提取。 3 移動機器人驅動器的控制，以使機器人達到期望的行為。各種控制器（如單片機、PLC、PC機等）作為控制裝置應用于移動機器人，對移動機器人的驅動器進行控制。 因此，移動機器人是一個集環(huán)境感知、動態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合系統(tǒng)。對移動機器人的研究，提出了許多新的或挑戰(zhàn)性的理論與工程技術課題，引起越來越多的專家學者和工程技術人員的興趣。 目前許多高校和科研單位對移動機器人的導航與定位進行了深入的研究，并且隨著傳感器技術的迅速發(fā)展，移動機器人的導航、避障能力也不斷得到提高，常用的傳感裝置主要應用紅外傳感器或超聲波傳感器做為傳感檢測裝置，本畢業(yè)設計中移動機器人就采用了超聲波傳感器做傳感檢測裝置。 1.1.2 研究機器人的意義 研究移動機器人的意義是重大的，除了提高生產(chǎn)或工作效率外還有其它方面的意義，例如： 1 機器人可以把人從有毒的、有害的、高溫的或危險的環(huán)境中解放出來。 2 不知疲倦的重復做乏味的工作，同時保證工作效率。 3 在人類不能進入的環(huán)境（太空、深海）做一些人類不能做的工作。 由此看來，大力發(fā)展機器人技術是將人從各種惡劣工作條件下解放出來的一條必由之路。 1.2移動機器人的發(fā)展現(xiàn)狀 移動機器人的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段：第一階段為可編程示教再現(xiàn)型機器人，其特征是機器人能夠按照事先教編制的程序進行重復工作，第二階段是具有一定的感覺功能和自適應能力的離線編程機器人，第三階段是智能機器人，這種機器人帶有多種傳感器，能夠將多種傳感器得到的信息進行融合，能夠有效的適應變化的環(huán)境，具有很強的自適應能力、學習能力和自治功能。 就目前移動機器人的發(fā)展來看，國內外的主要研究對象為智能型的移動機器人，這些智能機器人在移動能力、自主性、專業(yè)性和對環(huán)境的適應性等方面非常先進，但這些方面的提高依賴于其控制系統(tǒng)和傳感檢測系統(tǒng)性能的提高。 國外對智能機器人的研究主要有著幾個方面，管道機器人、水下機器人、空中機器人、仿人機器人等。 管道機器人是一種可沿細小管道內部或外部自動行走、攜帶一種或多種傳感器即操作機械，在工作人員的遙控操作或計算機自動控制下進行一系列管道作業(yè)的機電一體化系統(tǒng)。 水下機器人是以進行水下搜救或海底探測為目的的機器人，通過工作人員的遠程遙控對其進行控制，它想一艘微型的探測潛艇進入水下，利用各種傳感裝置收集所需信息。 空中機器人大致分為兩類，仿昆蟲型的飛行器和微型飛行器。它們在通信、氣象、災害監(jiān)測、軍事等方面的應用的非常廣泛。目前，日本和美國在空中機器人的研究技術上走在前列。 仿人機器人是一種模擬人智能型移動機器人，它不僅模仿人的生理特征，而且模擬人的思維推理方式，此外，國外許多研究機構也對機器人如何擁有人的情感進行了研究。 我國對于現(xiàn)代機器人研究和開發(fā)始于20世紀70年代，從80年代中期進入快速發(fā)展階段，但總體上仍然處于一個非常落后的水平?，F(xiàn)在國家科技攻關計劃、國家高技術研究與發(fā)展計劃等都將機器人的研究和開發(fā)列為重點。相信在不遠的將來，我國的機器人技術將會有一個非常大的飛躍。 2 總體方案的確定 2.1 機械部分 2.1.1電動機的選擇 控制電動機是移動機器人的動力部件，它是將電能轉化為機械能的一種能量轉換裝置?？刂齐妱訖C有著在很寬的速度和負載范圍內進行連續(xù)、精確控制的能力，因而能用于移動機器人的驅動裝置。常用的控制電動機有步進電動機、交流伺服電動機、直流伺服電動機，現(xiàn)將各電動機進行介紹和比較。 1、各電動機的介紹 （1） 步進電動機 步進電動機是將電脈沖控制信號轉換成機械角位移的執(zhí)行元件。每接受一個電脈沖，在驅動電源的作用下，步進電動機轉子就轉過一個相應的步距角。轉子角位移的大小及轉速分別于輸入的控制電脈沖數(shù)及其頻率成正比，并在實踐上與輸入脈沖同步，只要控制輸入電脈沖的數(shù)量、頻率以及電機繞組的通電相序即可獲得所需的轉角、轉速及轉向，所以用微機很容易實現(xiàn)步進電動機的開環(huán)數(shù)字控制。步進電動機的特點： 1）轉速可由脈沖信號的的頻率控制，輸出角位移和脈沖數(shù)成正比。 2）轉向可由通電相序改變 3）步進電動機工作狀態(tài)不易受各種干擾因素影響。 4）易于直接與微機的I/O接口。 5）步進電動機具有自鎖功能，只要維持繞組通電電動 機就可以保持在 固定位置。 采用步進電動機作動力部件，通過控制裝置對其轉速和轉向進行控制，通過功率放大器或其它裝置將其弱電信號放大來驅動步進電動機。 （2）交流電動機 交流伺服電動機采用了全封閉無刷結構以適應實際生產(chǎn)環(huán)境，它不需要定期檢查和維修，其定子省去了鑄件客體、結構緊湊、外形小、重量輕（只有同類直流電動機重量的75%——90%）。定子鐵心較一般電動機開槽都且深，圍繞在定子鐵心上，絕緣可靠，磁場均勻?？蓪Χㄗ予F芯直接冷卻，散熱效果好，因而傳給機械部分的熱量小，提高了整個系統(tǒng)的可靠性。轉子采用具有精密磁極形狀的永久磁鐵，因而可實現(xiàn)高轉矩/慣量比，動態(tài)響應好，運行平穩(wěn)。轉軸安裝有高精度的脈沖編碼器作檢測元件。因此交流伺服電動機以其高性能、大容量日益受到廣泛的重視和應用。 （3）直流電動機 直流伺服電動機是用直流供電的電動機，當它作為機器人的動力部件時，其功能是將輸入的受控電壓/電流能量，轉換為電樞軸上的角位移或角速度輸出。 直流伺服電動機的特點： 1）穩(wěn)定性好 直流伺服電動機具有下垂的機械性，能在較寬的速度范圍內穩(wěn)定運行。 2）可控性好 直流伺服電動機具有線性的調節(jié)特性，能使轉速正比與控制電壓的大小；轉向取決于控制電壓的極性（或相位）；控制電壓為零時，轉子慣性很小，能立即停止。 3）響應迅速 直流伺服電動機具有較大的啟動轉矩和較小的轉動慣量，在控制信號增加、減小或消失的瞬間，直流伺服電動機能快速啟動、快速增速、快速減速和快速停止。 4) 轉矩大 直流伺服電動機廣泛應用在寬調速系統(tǒng)和精確位置控制系統(tǒng)中，其輸出功率一般為1——600W，也有達數(shù)千瓦。電壓有6V、9V、12V、24V、27V、48V、110V、220V等。轉速可達1500——1600r/min. 5）控制功率低、損耗小。 直流伺服電動機用直流供電的電動機，為調節(jié)電動機轉速和方向需要對其直流電壓的大小和方向進行控制。 2、比較交流電機和步進電機 (1)步進電動機和交流伺服電動機在控制方式上相似（脈沖串和方向信號），但在使用性能和應用場合上存在著較大的差異?，F(xiàn)就二者的使用性能進行比較： 1）、低頻特性不同 　步進電機在低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象。振動頻率與負載情況和驅動器性能有關，一般認為振動頻率為電機空載起跳頻率的一半。這種由步進電機的工作原理所決定的低頻振動現(xiàn)象對于機器的正常運轉非常不利。當步進電機工作在低速時，一般應采用阻尼技術來克服低頻振動現(xiàn)象，比如在電機上加阻尼器，或驅動器上采用細分技術等。 交流伺服電機運轉非常平穩(wěn)，即使在低速時也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機械的剛性不足，并且系統(tǒng)內部具有頻率解析機能（FFT），可檢測出機械的共振點，便于系統(tǒng)調整。 2）、矩頻特性不同 　步進電機的輸出力矩隨轉速升高而下降，且在較高轉速時會急劇下降，所以其最高工作轉速一般在300～600RPM。交流伺服電機為恒力矩輸出，即在其額定轉速（一般為2000RPM或3000RPM）以內，都能輸出額定轉矩，在額定轉速以上為恒功率輸出。 　　　　 3）、過載能力不同 　步進電機一般不具有過載能力。交流伺服電動機具有較強的過載能力。 (2)步進電動機相對于直流電動機有著幾個明顯的缺點： 1）步進電機在低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象, 這種由步進電機的工作原理所決定的低頻振動現(xiàn)象對于機器的正常運轉非常不利。 2）步進電機的輸出力矩隨轉速升高而下降，且在較高轉速時會急劇下降。 3）步進電機一般不具有過載能力。 4）步進電機的控制為開環(huán)控制，啟動頻率過高或負載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉的現(xiàn)象，停止時轉速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象。 5）步進電機從靜止加速到工作轉速用時較長，不易用于要求快速啟停的控制場合。 通過以上比較，相對于步進電動機，交流伺服電動機更適于做超聲波機器人的動力部件，但是，直流伺服電動機具有和交流伺服電動機相似的優(yōu)點，并且對于本機器人應用較方便，如用交流電動機則需在機器人只上安置一根電源線，這對移動性機器人是一個極大的累贅，不僅限制其移動范圍而且對機器人的速度和轉向有一定影響，所以經(jīng)過比較， 選用直流電動機作為移動機器人的驅動裝置較為合適。所選用的直流電動機輸出功率為50W，額定電壓24V，轉速時600r/min，額定電流為2.8A。 該電動機可以使用電池作電源，適用于普通傳動力及機械設備的驅動，該電動機具有一下特點：　1、改變供電電壓的方法來調節(jié)轉速，可以使用較低于技術指標內的電壓以獲得較低的轉速。2、電機可以正、反轉，一般紅色線接正極，黑色線接負極。如果需反方向旋轉，只需將紅色線接負極，黑色線接正極即可。 2.1.2 傳動裝置的確定 在機械傳動裝置中，常見的有齒輪傳動、帶傳動和鏈傳動，各種傳動的特點如下： 1、齒輪傳動 齒輪傳動包括直齒傳動、斜齒傳動和錐齒傳動。齒輪傳動具有以下以下特點： (1)效率高。在常用的機械傳動中，一齒輪的傳動效率為最高。如一級圓柱齒輪傳動的效率可達99%。這對大功率傳動十分重要，因為即使效率只提高1%，也有很大的經(jīng)濟意義； (2)工作可靠、壽命長。設計制造正確合理、使用維護良好的齒輪傳動，工作十分可靠，壽命可長達一、二十年，這也是其他機械傳動所不能比擬大； (3)傳動比穩(wěn)定。傳動比穩(wěn)定往往是對傳動性能的基本要求。齒輪傳動獲得廣泛的應用，也就是由于具有了這一特點； (4)機構緊湊。在同樣的使用下，齒輪傳動所需的空間尺寸一般較??； 齒輪傳動主要用于中心距較小的兩平行軸或交叉軸間的傳動，傳動效率高，結構緊湊，其瞬時傳動比和平均傳動比在傳動中都保持不變，特別適于尺寸有限制的減速裝置中。 2、鏈傳動 鏈傳動是一種撓性傳動，它由鏈條和鏈輪組成。通過鏈輪輪齒與鏈條的嚙合來傳遞運動和動力。鏈傳動按用途的不同可以分為傳動鏈、輸送鏈和起重鏈。傳動鏈可以分為滾子鏈、齒形鏈等。 鏈傳動缺點是不適于急速方向，頻繁啟動，急速加速或減速的傳動中，主要應用于中心距較大的兩平行軸間的傳動，由于小車本身尺寸應較小，所以不應用鏈做為傳動裝置，此外較小的鏈條亦不易于傳動。 3、帶傳動 帶傳動也是一種撓性傳動，帶基本組成零件為帶輪和傳動帶。傳動帶按工作原理不同又可分為摩擦型帶傳動和嚙合型帶傳動。摩擦型帶傳動按截面又可分為平帶傳動，圓帶傳動，V帶傳動和多楔帶傳動。其中以V帶傳動應用最廣泛。摩擦型帶傳動具有下列優(yōu)點： 嚙合型帶傳動一般也稱為同步帶傳動。它通過傳動帶內表面上等距分布的橫向齒和帶輪上的相應齒槽的嚙合開傳遞運動。與摩擦型帶傳動比較，同步帶的帶輪和傳動帶之間沒有相對滑動，能夠保證嚴格傳動比。但相對于摩擦型帶其對中心距及其尺寸的穩(wěn)定性要求較高。 帶傳動亦是主要用于中心距較大的兩平行軸間的傳動，若中心距較小，帶單位時間內的回轉次數(shù)就會增大，加速其疲勞破壞，同時轉角增大不宜于傳動，此外中心距較小不能傳遞大的傳動比，這對減速裝置沒有大的實際意義。 綜上所訴，齒輪傳動更適于小型移動機器人的傳動裝置，由于小車底盤的尺寸限制，齒輪更適于做移動機器人的減速傳動裝置。 2.2 控制部分的確定 目前，各種機器人的控制系統(tǒng)主要是用單片機或PLC做主要的控制器，也有一些智能化程度很高的機器人是用性能較高的PC機進行實時控制。根據(jù)機器人任務的不同合理的選擇控制系統(tǒng)，不僅可以節(jié)省設計制造成本而且節(jié)省設計時間，同時避免浪費控制裝置的性能。 基于超聲波的移動機器人鑒于其功能的單一性和簡單性，其控制部分不需要用性能相對較高的微處理器，單片機或PLC就可以完全滿足其控制需要，因此就其控制系統(tǒng)的選擇有兩個方案： 方案一： 使用單片機做控制器 單片機是指一個集成在一塊芯片上的完整計算機系統(tǒng)。盡管它的大部分功能集成在一塊小芯片上，但是它具有一個完整計算機所需要的大部分部件，單片機也被稱為微控制器（Microcontroler）。單片機具有體積小、質量輕、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點，結合不同類型的傳感器，可實現(xiàn)各種控制功能，并且使控制更數(shù)字化、智能化、微型化。 它是一種在線式實時控制計算機，在線式就是現(xiàn)場控制，有較強的抗干擾能力。單片機的程序是可以修改，通過不同的程序實現(xiàn)不同的功能，尤其是特殊的獨特的一些功能，這是別的器件需要費很大力氣才能做到的，有些則是花大力氣也很難做到的。 目前單片機滲透到我們生活的各個領域，幾乎很難找到哪個領域沒有單片機的蹤跡，特別是自動控制領域的機器人。 使用單片機作為基于超聲波機器人的控制系統(tǒng)是一種可行的方案，通過單片機對直流電動機的轉速和轉向進行控制來實現(xiàn)該移動機器人的速度和行進方向的控制，同時處理超聲波傳感器反饋的信息。 方案二：使用PLC做控制器 PLC即可編程控制器（Programmable logic Controller），是指以計算機技術為基礎的新型控制裝置。 PLC有以下特點： 1可靠性高，抗干擾能力強 2功能完善，適用性強 3體積小，重量輕，能耗低 4系統(tǒng)的設計、建造工作量小，維護方便，容易改造　　 PLC作為控制裝置可實現(xiàn)的功能有: 1 開關量的邏輯控制。這是PLC最基本、最廣泛的應用領域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，從而實現(xiàn)邏輯控制和順序控制。 2模擬量控制。在工業(yè)生產(chǎn)過程當中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量， PLC都配有的A/D和D/A轉換模塊用于模擬量控制，使可編程控制器實現(xiàn)模擬量（Analog）和數(shù)字量（Ditigal）之間的A/D和D/A轉換。 3 運動控制。PLC可以用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機構配置來說，現(xiàn)在一般使用專用的運動控制模塊。如可驅動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。 4 過程控制。過程控制室指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。 5 數(shù)據(jù)處理?，F(xiàn)代PLC具有數(shù)學運算（含矩陣運算、函數(shù)運算、邏輯運算）、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。 使用PLC做超聲波機器人的控制系統(tǒng)也是一個可行的方案，和單片機一樣通過對直流電動機的轉速和轉向進行控制來實現(xiàn)該移動機器人的速度和行進方向的控制，同時處理超聲波傳感器反饋的信息。 以上兩個方案都是可行的，但相比較之下單片機和PLC之間還有一些區(qū)別： 1、應用場合，PLC主要應用在工業(yè)干擾性強、可靠性要求高的環(huán)境，單片機商業(yè)和一般工業(yè)的環(huán)境。 2、PLC工作電壓一般較高，可以控制較高的電壓而不易受干擾，單片機工作電壓一般較低，控制較高電壓時得加可靠的驅動器件。 總的說來，PLC可靠性較高，但價格昂貴；單片機相對較低。在一定場合，單片機可以代替PLC。 基于超聲波移動機器人的控制較簡單，使用單片機足以滿足其控制要求，并且PLC價格較高，控制較單片機復雜，所以其不宜用于基于超聲波移動機器人的控制裝置。單品機除具有體積小、質量輕、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點外，它還易于與超聲波傳感器結合實現(xiàn)控制，工作電壓低，抗干擾能力強等諸多優(yōu)點，綜上所訴，單片機更適于做該移動機器人的控制裝置。 目前較常用的單片機是51結構的AT80F51，而且使用 AT80F51能夠滿足移動機器人的控制要求。 2.3 傳感器類型的確定 移動機器人是一種在復雜的環(huán)境下工作的具有自規(guī)劃、自組織、自適應能力的機器人。在移動機器人的相關技術研究中，導航技術可以說是其核心技術，也是其實現(xiàn)真正的智能化和完全的自主移動的關鍵技術。導航研究的目標就是在沒有人干預下使機器人有目的地移動并完成特定任務，進行特定操作。機器人通過裝配的信息獲取手段，獲得外部環(huán)境信息，實現(xiàn)自我定位，判定自身狀態(tài)，規(guī)劃并執(zhí)行下一步動作。 移動機器人的導航方式很多，有慣性導航、視覺導航、基于傳感器數(shù)據(jù)導航，衛(wèi)星導航等。這些導航方式分別適用于各種不同的環(huán)境，包括室內和室外環(huán)境，結構化環(huán)境與非結構化環(huán)境. 本畢業(yè)設計中采用基于傳感器數(shù)據(jù)導航的方式對移動機器人的工作環(huán)境進行探測，常用的傳感器導航有超聲波傳感器和紅外傳感器兩種，利用這些傳感器亦可以實現(xiàn)移動機器人的導航，因此本畢業(yè)設計有兩種較為合適的方案： 方案一：使用紅外傳感器導航 任何物質，只要它本身具有一定的溫度（高于絕對零度），都能輻射紅外線。紅外線傳感器是利用紅外線的物理性質來進行測量的傳感器，紅外線傳感器測量時不與被測物體直接接觸，因而不存在摩擦，并且有靈敏度高，響應快等優(yōu)點。但是紅外傳感器在測距和探障過程中易受可見光的影響，特別在一些光線較強以及環(huán)境溫度基本一樣的條件下，其性能下降迅速，此外，使用紅外傳感器還需預先設定好軌跡，不宜于移動機器人的自主移動。 方案二：使用超聲波傳感器導航 超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。超聲波對液體、固體的穿透本領很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應。因此超聲波檢測廣泛應用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學、機器人導航等方面。 超聲波傳感器應用于移動機器人中主要起探測和測距的作用,相對于紅外傳感器其工作性能穩(wěn)定，對環(huán)境要求低，適應性強，抗干擾能力好，非常適于做移動機器人的導航裝置，所以我選超聲波傳感器作為機器人的傳感裝置。 超聲波測距有兩種方式即反射法和強度法。強度法是利用聲波在空氣中的傳輸損耗值來測量被測物的距離，被測物越遠其反射信號越弱，根據(jù)反射信號的強弱就可以知道被測物的遠近，但在使用這種方法時由于換能器之間的直接耦合信號很難消除，在放大器增益較高時這一直接耦合信號就可使放大器飽和從而使整套系統(tǒng)失效。反射時間法是利用檢測聲波發(fā)出到接收到被測物反射回波的時間來測量距離對于距離較短和要求不高的場合我們可認為空氣中的聲速為常數(shù)，我們通過測量回波時間T利用公式 其中，S為被測距離、V為空氣中聲速、T為回波時間（），可以計算出路程，這種方法不受聲波強度的影響，因此這種方法非常適合較遠距離的測距，如果對聲速進行溫度修訂，其精度還可進一步提高。所以使用發(fā)射時間法更適于作為移動機器人的測距方法。 3 機械部分設計 3.1參數(shù)的確定 齒輪傳動時本設計中要采用的傳動方式，但需要進行多少級的減速傳動則需根據(jù)電動機的轉速、車輪的直徑和機器人的移動速度確定。 電動機轉度已知為n=600r/min，機器人行進最大速度為v=0.3m/s,車輪直徑為d=100mm，則可求得總的傳動比。 電動機的角速度為 w=2n/60 =62.8 車輪的角速度為 w d =2v/d=6 總的傳動比為 i=w/ w d=10.5 由此可知需二級傳動，有因為高速級傳動比應是低速級的1.2倍，所以高速級的傳動比為3.55，低速級的傳動比應為2.96。 減速箱各軸用深溝球做支撐支撐，輸入軸與電動機轉軸用形面進行連接，齒輪與軸之間用A型普通平鍵進行連接，鍵的材料為鑄鐵，電動機功率為P=0.05KW，深溝球的傳動效率為=0.99，齒輪間的傳動效率為=0.96。由此可得各軸的一些參數(shù)。 1.各軸轉速： 輸入軸： 中間軸： 低速軸： 2．各軸輸入功率： 輸入軸： 中間軸： 輸出軸： 3．各軸輸入轉矩： 輸入軸： 中間軸： 輸出軸： 3.2 減速系統(tǒng)的設計 3.2.1 齒輪的設計 一、高速級齒輪設計 1、選定齒輪的類型、精度等級、材料及齒數(shù) （1）由設計要求可知，選用直齒圓柱齒輪傳動。 （2）減速箱的精度等級為6至8級，故可選用齒輪的精度等級為7級 （3）小齒輪材料為40（調質），硬度280HBS，大齒輪材料為45鋼（調質），硬度為240HBS，二者硬度差為40 HBS。 （4）選校齒輪齒數(shù)=15，大齒輪齒數(shù)= i1=75.15，取=75. 2、按齒面接觸強度設計 由設計計算公式進行試算，即 （1） 確定公式內的各計算數(shù)值 1） 試選載荷系數(shù)Kt=1.3. 2）計算小齒輪傳遞的轉矩，即小齒輪輸出的功率 3）查表選取齒寬系數(shù)=1。 4）查表得材料的彈性影響系數(shù) =189.8。 5）查表的小齒輪的疲勞強度極限，大齒輪的接觸疲勞強度極限=550。 6）查表取接觸疲勞壽命系數(shù);. 7) 計算接觸疲勞許用應力。 取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，則由計算公式得 （2）計算 1） 試算小齒輪分度圓直徑，帶入較小的值。 取小齒輪分度圓直徑為=15mm 2）計算圓周速度V1。 V1=/60*1000=0.19m/s 計算齒寬 ==15mm 計算模數(shù) 3）大齒輪的齒寬 =10mm 4） 大齒輪的分度圓直徑 =75mm 5) 中心距a a=（+）/2=45mm 二、低速級齒輪設計 1、選定齒輪的類型、精度等級、材料及齒數(shù) (1）由設計要求可知，選用直齒圓柱齒輪傳動。 (2）減速箱的精度等級為6至8級，故可選用齒輪的精度等級為7級 (3）小齒輪材料為40（調質），硬度280HBS，大齒輪材料為45鋼（調質），硬度為240HBS，二者硬度差為40 HBS。 (4）選校齒輪齒數(shù)=16，大齒輪齒數(shù)= =66.88，取=67。 2、按齒面接觸強度設計 由設計計算公式3-2進行試算 (1)確定公式內的各計算數(shù)值 1)試選載荷系數(shù)Kt=1.3. 2)計算小齒輪傳遞的轉矩，即小齒輪輸出的功率 。 3）查表選取齒寬系數(shù)=1。 4）查表得材料的彈性影響系數(shù)=189.8。 5）查表的小齒輪的疲勞強度極限； 大齒輪的接觸疲勞強度極限=550。 6）查表取接觸疲勞壽命系數(shù);. 7) 計算接觸疲勞許用應力。 取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，則由計算公式得 (2)計算 1）試算小齒輪分度圓直徑，帶入 較小的值 取小齒輪分度圓直徑為=18mm 2）計算圓周速度V3。 V3=/60*1000=0.05m/s 計算齒寬。 ==18mm 計算模數(shù) 3） 大齒輪的齒寬 =13mm 4） 大齒輪的分度圓直徑 =65mm 5) 中心距a a=（+）/2=41.5mm 3.2.2 軸的設計 一、輸入軸的設計 (1） 材料：選用45號鋼調質處理。查課本第230頁表14-2取 C=100。 (2） 各軸段直徑的確定： ①計算最小軸段直徑。因為軸主要承受轉矩作用，所以按扭轉強度計算，：根據(jù)計算公式得： (3-2) ②直徑的確定。 與電動機主軸相連，其大小為8mm。 與密封墊圈接觸，，其大小為9mm。 段裝配軸承且，其大小為10mm。 段是定位軸肩，取。 為齒輪軸， 分度圓直徑為15mm。 為定位軸段，其大小為12mm。 段裝配軸承所以。 (3） 軸段長度的確定 L1段長度為10mm。 L2段長度為10.5mm。 L3段長度為8mm。 L4段長度為42.5mm。 L5段長度為15mm。 L6段長度為10mm。 L7段長度為9mm。 (4）校核該軸： 作用在齒輪上的圓周力為： 徑向力為 求垂直面的支反力： 求垂直彎矩，并繪制垂直彎矩圖： 求水平面的支承力：由得 N N 求并繪制水平面彎矩圖： 求F在支點產(chǎn)生的反力： 求并繪制F力產(chǎn)生的彎矩圖： F在a處產(chǎn)生的彎矩： 求合成彎矩圖： 考慮最不利的情況，把與直接相加。 求危險截面當量彎矩： 從圖可見，m-m處截面最危險，其當量彎矩為：（取折合系數(shù)） (3-3) 計算危險截面處軸的直徑： 因為材料選擇調質，查表得，查表得許用彎曲應力，則： 因為，所以該軸是安全的。彎矩及軸的受力分析圖如下： 圖 3-1 輸入軸彎矩及軸的受力圖 二、中間軸的設計： (1） 材料：選用45號鋼調質處理。查課本第230頁表14-2取。 (2） 各軸端的直徑的確定： 1) 計算最小軸段直徑。因為軸主要承受轉矩作用，所以按扭轉強度計算，：根據(jù)計算公式得： ② 直徑的確定。 段要裝配軸承，所以查資料取，選用6000軸承。 為定位軸段，其大小為12mm。 段為齒輪軸，其分度圓直徑為18mm。 段主要是定位齒輪，所以取。 裝配大齒輪，取。 段要裝配軸承，所以查手冊第9頁表1-16取，查手冊選用6000軸承。 (3) 軸段長度的確定： L1段長度為8.5mm。 L2段長度為25mm。 L3段長度為15mm。 L4段長度為13.5mm。 L5段長度為9mm（比齒輪寬度小1mm）。 L6段長度為21mm。 （4） 校核該軸： 作用在2、3齒輪上的圓周力： N 徑向力： 求垂直面的支反力 計算垂直彎矩： 求水平面的支承力： 計算、繪制水平面彎矩圖： 求合成彎矩圖，按最不利情況考慮： 求危險截面當量彎矩： 從圖可見，m-m,n-n處截面最危險，其當量彎矩為：（取折合系數(shù)） 計算危險截面處軸的直徑： n-n截面: m-m截面: 由于，所以該軸是安全的。彎矩及軸的受力分析圖如下： 圖 3-2 中間軸彎矩及軸的受力圖 三、 輸出軸的設計： (1）材料：選用45號鋼調質處理。查課本第230頁表14-2取。 (2）確定各軸段直徑 1) 計算最小軸段直徑。因為軸主要承受轉矩作用，所以按扭轉強度計算,根據(jù)計算公式得： 2) 直徑的確定。 段軸承配合，其大小為10mm。 段裝配齒輪，其大小為15mm。 段為定位軸肩，其大小為17mm。 段為定位軸段，其大小為12mm。 段與軸承配合，其大小為10mm。 段與法蘭相接，其大小為9mm。 3） 各軸的長度。 L1段與軸承配合，因軸承寬為8mm且需裝配軸套，所以長度應為35mm。 L2段應相對于齒輪小，長度為12.5mm。 L3段其定位作用，長度可定為5mm。 L4段長度為31mm。 L5段長度為7.5mm。 L6段長度為17mm。 （3） 校核該軸： 求作用力、力矩和和力矩、危險截面的當量彎矩。 作用在齒輪上的圓周力： 徑向力: 求垂直面的支反力： 計算垂直彎矩： .m 求水平面的支承力： 計算、繪制水平面彎矩圖： 求F在支點產(chǎn)生的反力： 求F力產(chǎn)生的彎矩圖： F在a處產(chǎn)生的彎矩： 求合成彎矩圖： 考慮最不利的情況，把與直接相加。 求危險截面當量彎矩： 從圖可見，m-m處截面最危險，其當量彎矩為：（取折合系數(shù)） 計算危險截面處軸的直徑： 因為材料選擇調質，查課本225頁表14-1得，查課本231頁表14-3得許用彎曲應力，則： 考慮到鍵槽的影響，取 因為，所以該軸是安全的。 （4）彎矩及軸的受力分析圖如下： 圖 3-3 輸出軸彎矩及軸的受力圖 四、 軸承的校核： （1） 輸入軸上支撐軸承壽命的校核： 軸承壽命可由式 進行校核，由于軸承主要承受徑向載荷的作用，所以，查資料取取按最不利考慮，則有： 則因此所該軸承符合要求。 (2）中間軸上支撐軸承壽命的校核： 軸承壽命可由式進行校核，由于軸承主要承受徑向載荷的作用，所以，查課本259頁表16-9，10資料取取 則，軸承使用壽命在年范圍內，因此所該軸承符合要求。 (3） 輸出軸上支撐軸承壽命的校核： 軸承壽命可由式進行校核，由于軸承主要承受徑向載荷的作用，所以，查課本259頁表16-9，10取取按最不利考慮，則有： 則 , （3-8） 該軸承壽命為64.8年,所以軸上的軸承是適合要求的。 五、鍵的校核： (1) 中間軸上輸入齒輪與軸間的鍵校核 根據(jù)軸徑尺寸（12mm），該鍵的尺寸為44，鍵長L為5mm，普通平鍵的失效形式為工作面被壓潰，所以通常按工作面的擠壓應力進行強度校核計算。 假定載荷在鍵的工作面上的壓力均勻分布，普通平鍵的強度條件為，為鍵的許用擠壓應力，（鍵的許用擠壓應力在三者中最?。? =240 （3-9） 所以，該鍵滿足強度條件。 (2) 輸出軸上齒輪與軸間的鍵校核 根據(jù)軸徑的尺寸（15mm），該鍵的尺寸為55，鍵長為6mm，普通平鍵的失效形式為工作面被壓潰，所以通常按工作面的擠壓應力進行強度校核計算。 假定載荷在鍵的工作面上的壓力均勻分布，普通平鍵的強度條件為，為鍵的許用擠壓應力，（鍵的許用擠壓應力在三者中最?。? =240 所以，該鍵滿足強度條件。 4 控制與傳感裝置的設計 4.1 控制與運動思路 4.1.1 機器人控制的總體思路 控制裝置使用了AT80F51單片機做控制器，通過控制永磁無刷直流電動機的轉速和轉向來確定移動機器人的行進速度和方向，永磁無刷直流電動機作為移動機器人的動力部件有著許多優(yōu)點，例如在快速性、可控性、可靠性、體積小、重量輕、節(jié)能、效率高、耐受環(huán)境和經(jīng)濟性等方面具有明顯的優(yōu)勢，在全面分析了永磁無刷直流電動機的結構特點、工作原理、運行方式以及外部特性的基礎上，提出了利用轉子位置傳感器信號間接測量電機轉速進行電機轉速閉環(huán)穩(wěn)速控制的策略。 在本文中對無刷直流電動機控制器的硬件電路和軟件程序問題進行了設計。采用性能相對較高的AT80F51單片機作為微處理器，用模擬控制技術對電機進行調速和轉速閉環(huán)控制，使電機在一定范圍內能夠進行精確調速和速度穩(wěn)定控制。通過優(yōu)化設計、軟硬件結合，實現(xiàn)了控制器小型化，提高了控制器可靠性，減小了體積與重量。 直流電機調速基本原理是比較簡單的（相對于交流電機），只要改變電機的電壓就可以改變轉速了。 改變電壓的方法很多，最常見的一定是PWM脈寬調制，調節(jié)電機的輸入占空比就可以控制電機的平均電壓，控制轉速。 電機調速一般分為三個級，控制級，驅動級和反饋級。 單片機屬于前端的控制級，只需要能夠產(chǎn)生可調的PWM波形就可以（很多單片機都有專用PWM輸出功能，有定時器就能做到）。 驅動級，在控制級后。因為單片機弱電不能直接驅動電機這樣的強電，所以需要用功率開關器件（如MOSFET等）來驅動電機?；舅悸肪褪峭ㄟ^弱點控制強電。 通常，驅動級和控制級還需要電氣隔離（光耦器件）保證安全。 反饋級是為了實現(xiàn)精確調速的。一般是電流反饋，也有用轉速反饋的，也有電流轉速雙閉環(huán)反饋控制的。 PWM輸出的占空比具體是多少由單片機通過反饋的信息綜合運算得到（是負反饋控制）。 4.1.2 機器人運動的總體思路 本文研究的于視覺的移動機器人實用履帶式結構，用采用7.2V可充電動力電池組，使用直流電機作為機器人的動力源。結構簡單，其越障能力取決于前導輪的高度。如果要求機器人攀爬較高障礙物，則要提高前導輪距地面高度。從而整個結構高度增大，不利于穿越涵洞等類似障礙物。利用超聲波傳感器獲取障礙物信息，通過單片機控制直流電機可以實現(xiàn)小車的前進，后退以及轉向等功能。 4.2 單片機控制系統(tǒng) 4.2.1 AT80F51單片機 AT80F51單片機最小系統(tǒng)是超聲波測距儀的核心部分。它是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。 （1）AT80F51的主要性能包括： 1)與MCS-51 兼容 ;2)4K字節(jié)可編程閃爍存儲器; 3)壽命：1000寫/擦循環(huán);4)數(shù)據(jù)保留時間：10年;5)全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz;6)三級程序存儲器鎖定7)128*8位內部RAM;(8)32可編程I/O線;9)兩個16位定時器/計數(shù)器;10)5個中斷源 ;11)可編程串行通道;12)低功耗的閑置和掉電模式 ;13)片內振蕩器和時鐘電路 。 （2）AT80F51內部分工： AT80F51內部有256個字節(jié)的RAM，地址范圍是00H-FFH，但實際提供給用戶使用的只有128個字節(jié)（00H-7FH），另128個字節(jié)(80H-FFH)是特殊寄存器區(qū)。除ROM和RAM外，芯片內部還有三個16位的定時器/計數(shù)器。在本系統(tǒng)中定時器T0用來計時，定時器Ｔ１用來做波特率發(fā)生器。 4.2.2 復位電路設計 復位電路目的：在需要的時候，單片機復位，保證正常的工作循環(huán)。 復位電路有各種各樣，但是工作環(huán)境惡劣，復位電路要求嚴格，本系統(tǒng)中采用MAX5045芯片專做復位芯片。 MAX5045最主要特點有： 1) 512字節(jié)串行EEPROM； 2) 集成了可編程看門狗定時器（可設定看門狗超時時間，典型時間200ｍｓ，600ｍｓ，1.4ｓ或禁止）； 3) 上電復位及低電壓檢測，即在上電和VCC低于檢測門限時，輸出復位信號。X5045輸出復位高電平有效，X5043輸出復位低電平有效，確保直至VCC=1V復位信號仍有效 ； 4) 編程的復位門限。需加高電壓（15-18V加在WP引腳）及一個專門時序； 5) SP1接口方式，最高可達 1MHZ串行時鐘頻率； 6) 低功耗CMOS電路（備用電流10PA、工作電流3MA）； 7) 功耗低，通信速度快（最高3.3HZ，X5045/3為1MHZ）已經(jīng)得到廣泛應用。 圖4-1 X5045引腳圖 4.2.3 穩(wěn)壓芯片 穩(wěn)壓電路選用7812芯片，采用兩片7812將電壓穩(wěn)壓至24V后給直流電機供電，然后采用2576將電壓穩(wěn)至5V。2576的輸出電流最大可至3A，完全滿足系統(tǒng)要求。 4.3 電機驅動電路系統(tǒng) 4.3.1 電機驅動芯片 L298采用16引腳DIP封裝，其內部集成了雙極型H-橋電路，所有的開量都做成n型。這種雙極型脈沖調寬方式具有很多優(yōu)點，如電流連續(xù)；電機可四角限運行；電機停止時有微振電流，起到“動力潤滑”作用，消除正反向時的靜摩擦死區(qū)：低速平穩(wěn)性好等。 L298通過內部邏輯生成使能信號。H-橋電路的輸入量可以用來設置馬達轉動方向，使能信號可以用于脈寬調整（PWM）。另外，L298將2個H-橋電路集成到1片芯片上，這就意味著用1片芯片可以同時控制2個電機。每1個電機需要3個控制信號EN12、IN1、IN2，其中EN12是使能信號，IN1、IN2為電機轉動方向控制信號，IN1、IN2分別為1，0時，電機正轉，反之，電機反轉。選用一路PWM連接EN12引腳，通過調整PWM的占空比可以調整電機的轉速。選擇一路I/O口，經(jīng)反向器74HC14分別接IN1和IN2引腳，控制電機的正反轉。 4.3. 2 電機驅動電路 我們采用電機驅動芯片L298N作為電機驅動，驅動電路的設計如圖4-2所示： 圖4-2 L298內部邏輯圖 L298N的5、7、10、12四個引腳接到單片機上，通過對單片機的編程就可以實現(xiàn)兩個直流電機的PWM調速以及正反轉等功能。 4.4超聲波測距算法 4.4.1 超聲波應用的可行性 超聲波是指頻率超過20kHz的聲波。其相關的特性： （1）聲速特性：超聲波可以在固體、液體和氣體中以不同的速度進行傳播，其速度受介質溫度、壓力等因素的影響，但在相同外部環(huán)境下，超聲波在同一介質中的傳播速度是一常數(shù)。 （2）反射特性： 超聲波從一種介質進入另一種介質時，由于兩種介質密度不同，因而在兩種介質分界面，其方向傳播會發(fā)生改變：其中一部分折射入另一種介質，另一部分被反射回來。當超聲波以氣體傳播到固體或液體時，由于兩種介質密度相差懸殊，聲波幾乎全部被反射，利用這一特性通過接收裝置可進行超聲波探測和測距。 （3）衰減特性：超聲波在傳播過程中，由于受介質和介質中雜質的阻礙或吸收，其強度會產(chǎn)生衰減，而超聲波接收裝置對所接受的聲波強度都有一定要求。 4.4.2 超聲波的產(chǎn)生和接收 超聲波是指頻率超過20kHz的聲波。超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強。為此，利用超聲波的這種性能就可制成超聲波傳感器。另外，超聲波在空氣中的傳播速度較慢，為340m／s，這就使得超聲波傳感器使用變得非常簡單。 以超聲波為檢測手段，包括有發(fā)射超聲波和接收超聲波，并將接收的超聲波轉換成電量輸出的裝置稱為超聲波傳感器。習慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。常用的超聲波傳感器有兩種，即壓電式超聲波傳感器(或稱壓電式超聲波探頭)和磁滯式超聲波傳感器。本設計中采用的是壓電式超聲波傳感器，主要由超聲波發(fā)射器(或稱發(fā)射探頭)和超聲波接收器(或稱接收探頭)兩部分組成，它們都是利用壓電材料(如石英、壓電陶瓷等)的壓電效應進行工作的。利用逆壓電效應將高頻電振動轉換成高頻機械振動，產(chǎn)生超聲波，以此作為超聲波的發(fā)射器。而利用正壓電效應將接收的超聲振動波轉換成電信號，以此作為超聲波的接收器。 4.4.3 超聲波的產(chǎn)生 超聲波屬于機械波，由于物體機械振蕩產(chǎn)生的。目前產(chǎn)生和接收的超聲波的器件通常采用壓電晶體作為換能器。壓電晶體具有兩種可逆的能量轉變效應即在交變電場的作用下導致厚度的交替改變從而產(chǎn)生聲震動，即由電能轉變?yōu)槁暷?，稱為逆壓電效應；相反，有聲波的壓力變化使壓電晶體兩端的電極隨聲波的壓縮與弛張發(fā)生正負電位交替變化，稱為