基于單片機的履帶式移動機器人(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 矩/Nm轉(zhuǎn)動慣量/583546300矩角特性:步進(jìn)電機靜轉(zhuǎn)矩和失調(diào)角的關(guān)系稱為矩角特性。靜轉(zhuǎn)矩是指步進(jìn)電機轉(zhuǎn)子靜止時，控制繞組通以直流電，由失調(diào)角(定轉(zhuǎn)子齒中心線間夾角)的存在而引起的電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)繞組內(nèi)電流不變時，靜轉(zhuǎn)矩隨失調(diào)角在一個齒距角范圍內(nèi)變化一個周期，在近似分析中視矩角特性為正弦曲線。最大靜轉(zhuǎn)矩T：即矩角特性上最大電磁轉(zhuǎn)矩值。它的值取決于繞組內(nèi)電流的值及通電相數(shù)。履帶式移動機器人的兩條履帶的兩臺130BYG550ESAKRNI 0801型五相混合式步進(jìn)電機的參數(shù)如31表所示。兩履帶在步進(jìn)電機的驅(qū)動下，當(dāng)兩步進(jìn)電機由相同脈沖驅(qū)動時，履帶車直線前進(jìn)或后退，改變脈沖頻率改變行進(jìn)速度。當(dāng)用不同脈沖頻率驅(qū)動時，履帶車轉(zhuǎn)彎一前進(jìn)或后退，當(dāng)以相同頻率但相序相反的脈沖驅(qū)動時，兩履帶向相反方向運動，履帶車在原地旋轉(zhuǎn)。機械手臂由五自由度機械臂與夾鉗式手爪構(gòu)成，具體如22圖。機械臂有三個典型關(guān)節(jié)，肩關(guān)節(jié)肘關(guān)節(jié)5及腕關(guān)節(jié)8，在肩關(guān)節(jié)與肘關(guān)節(jié)之間為大臂3，肘關(guān)節(jié)與腕關(guān)節(jié)之間為小臂7，與肩關(guān)節(jié)下端相連的是一使整個機械臂回轉(zhuǎn)的大臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)1，在肘關(guān)節(jié)與腕關(guān)節(jié)之間有一使小臂回轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)6。在大臂上有安放攝機用的云臺4。五個關(guān)節(jié)都用兩相混合式步進(jìn)電機進(jìn)行驅(qū)動，這些電機都具有體積小、震動小、力矩相對大等特點。五個關(guān)節(jié)所選用的步進(jìn)電機的型號及相關(guān)參數(shù)如表32所示。表32五個關(guān)節(jié)步進(jìn)電機的型號及參數(shù)Tbale22 The step motor type and parameter of five joints關(guān)節(jié)名稱步進(jìn)電動機型號相電流/A步距角/176。保持轉(zhuǎn)矩/Nm轉(zhuǎn)動慣量/大臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)57BYG250B32000肩關(guān)節(jié)86BYG250C64500肘關(guān)節(jié)86BYG250B43000腕關(guān)節(jié)45BYG250B83小臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)45BYG250B83由于電機是高轉(zhuǎn)速，低力矩的驅(qū)動部件，電機輸出軸要經(jīng)過減速器進(jìn)行減速，才能獲得所需的轉(zhuǎn)速和力矩。機械臂的五個關(guān)節(jié)都選用諧波減速器進(jìn)行減速。諧波傳動是利用柔性元件可控的彈性變形來傳動運動和力矩。諧波傳動包括三個基本構(gòu)件，波發(fā)生器、柔輪、剛輪。三個構(gòu)件中可任意固定一個，其余兩個一為主動一為從動，可實現(xiàn)減速或增速(固定傳動比)，也可以變換成兩個輸入一個輸出，組成差動傳動。諧波減速器與一般的齒輪等減速器相比較具有顯著的優(yōu)點:單級傳動比大，且范圍廣，精度高，空回小，承載能力大，效率高，體積小，重量輕，傳動平穩(wěn)，噪聲小，可向密封空間傳遞動力。3)行程開關(guān)的設(shè)計履帶式移動機器人五自由度機械臂各關(guān)節(jié)的極限檢測是由行程開關(guān)實現(xiàn)的。我們設(shè)計的行程開關(guān)結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、便于安裝。行程開關(guān)SWPB是接觸式開關(guān)，其工作原理是通過機械力使觸點閉合，通過復(fù)位彈簧使開關(guān)復(fù)位。當(dāng)機器人各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動到極限位置時通過機械力使觸點閉合，Uol=VCC，光電藕合器的發(fā)光二極管發(fā)光，光電三極管導(dǎo)通，Uo2= L，通過74LS14整形Uo3= H”利用此信號去觸發(fā)下位機AT89C2051的外中斷0。當(dāng)開關(guān)SWPB斷開時，Uol懸浮，流過光電二極管的電流為零，光電三極管截止，Uo2= H , Uo3= L。為防止Uol懸浮，可在光電二極管的輸入端接對地電阻，使Uol接近于零電位。行程開關(guān)的電路圖如圖312所示。圖312行程開關(guān)的電路圖Fig312 The circuit of journey switch4)步進(jìn)電機的驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計步進(jìn)電機是一種作為控制用的特種電機，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度(稱為“步進(jìn)角”)一步一步運行的。它的運行要有步進(jìn)電機驅(qū)動器來進(jìn)行驅(qū)動，驅(qū)動器把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機的角位移，也就是說，控制系統(tǒng)每發(fā)出一個脈沖信號，通過驅(qū)動器就是步進(jìn)電機旋轉(zhuǎn)一個步距角，因此步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)速與脈沖信號的頻率成正比。驅(qū)動器是把計算機系統(tǒng)提供的弱電信號放大為步進(jìn)電機能夠接受的強電信號[9]。控制系統(tǒng)提供給驅(qū)動器的信號主要有以下兩路:(1)步進(jìn)脈沖信號CP:這是最重要的一路信號，因為步進(jìn)電機驅(qū)動器的原理就是要把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機的角位移，或者說，驅(qū)動器每接受一個脈沖信號CP就是驅(qū)動步進(jìn)電機旋轉(zhuǎn)一個步距角，CP的頻率和步進(jìn)電機的旋轉(zhuǎn)速度成正比，CP的脈沖個數(shù)決定了步進(jìn)電機旋轉(zhuǎn)的角度。這樣，控制系統(tǒng)通過脈沖信號CP就可以達(dá)到電機調(diào)速和定位的目的。(2)方向電平信號DIR:此信號決定電機的旋轉(zhuǎn)方向。比如說，此信號為高電平時電機為順時針旋轉(zhuǎn)，此信號為低電平時電機則為反方向逆時針旋轉(zhuǎn)。此種換向方式叫做單脈沖方式。另外還有一種雙脈沖換向方式:驅(qū)動器接受兩路脈沖信號(一般標(biāo)注為CW和CCW )，當(dāng)其中一路(如CW)有脈沖信號時，電機正向運行，當(dāng)另一路(如CCW)有脈沖信號時，電機反向運行。步進(jìn)電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成直線或角位移的執(zhí)行元件，它不能直接接到交直流電源上工作，而必須使用專用設(shè)備形成步進(jìn)電機控制驅(qū)動系統(tǒng) [10]。典型步進(jìn)電機控制驅(qū)動系統(tǒng)如圖313所示。變頻信號源環(huán)形分配器功率放大器步進(jìn)電機負(fù)載方向信號圖313典型步進(jìn)電機控制驅(qū)動系統(tǒng)框圖Fig313 The frame of the controlling system of typical stepping motor driver變頻信號源是一個脈沖頻率從幾赫到幾十千赫可以連續(xù)變化的信號發(fā)生器，它為環(huán)形分配器提供脈沖序列。環(huán)形分配器的主要功能是把來自控制環(huán)節(jié)的脈沖序列按一定的規(guī)律分配后，經(jīng)過功率放大器的放大驅(qū)動步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)動。環(huán)形分配器主要有兩大類[11]:一類是用計算機軟件設(shè)計的方法實現(xiàn)環(huán)分器要求的功能，通常稱軟環(huán)形分配器。另一類是用硬件構(gòu)成的環(huán)形分配器，通常稱為硬環(huán)形分配表33履帶式移動機器人步進(jìn)電機對應(yīng)的驅(qū)動器型號及參數(shù)Table 33 The stepping motor drivers39。type and parameter of robot驅(qū)動部位電機型號驅(qū)動器型號相數(shù)輸出相電流/A供電電源履帶車130BYG550ESH5100858100VAC大臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)57BYG250BSH20806C2348VDC肩關(guān)節(jié)86BYG250BSH21006C26100VAC肘關(guān)節(jié)86BYG250BSH21006C24100VAC小臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)45BYG250BSH20402A224VDC腕關(guān)節(jié)45BYG250BSH20402A224VDC器。功率放大器主要對環(huán)形分配器的較小輸出信號進(jìn)行放大，以達(dá)到驅(qū)動步進(jìn)電機的目的。我們設(shè)計的步進(jìn)電機控制電路主要由主單片機,履帶式移動機器人及五自由度機械臂各關(guān)節(jié)步進(jìn)電機驅(qū)動器組成。我們采用的是北京四通電機有限責(zé)任公司生產(chǎn)的混合式步進(jìn)電動機細(xì)分驅(qū)動器，具體型號與參數(shù)如表33所示。從單片機與驅(qū)動器接線非常簡單，而且兩相驅(qū)動器與五相驅(qū)動器類似只是與電動機接線時多了三相。步進(jìn)電機驅(qū)動電路如圖314所示。圖314 步進(jìn)電動機的驅(qū)動電路圖Fig The driving circuit of the stepping motor，由脈沖頻率控制電機的速度。，決定電機的轉(zhuǎn)向。而驅(qū)動時鐘電路行程開關(guān)從單片機XTAL1XTAL2RST復(fù)位電路主單片機步進(jìn)電機驅(qū)動器圖315 從單片機控制結(jié)構(gòu)圖 Fig315 The controlling circuit of subsidiary SCM器的FREE口為脫機模式此處不用，故懸空。OPTO為共陽接法。驅(qū)動器的A、B、分別于步進(jìn)電機的A、B、C、D端連接，實現(xiàn)對電機的控制。據(jù)此可得履帶式移動機器人的從單片機控制結(jié)構(gòu)圖如圖315所示。 履帶式移動機器人的超聲波感知模塊設(shè)計超聲波傳感器具有成本低廉，采集信息速率快，距離分辨率高，質(zhì)量輕、體積小、易于裝卸等優(yōu)點。并且超聲波傳感器在采集環(huán)境信息時不存在復(fù)雜的圖像匹配技術(shù)，不需要通過大量的計算而獲得距離數(shù)據(jù)，因此其測距速度快，實時性好。同時超聲波傳感器不易受到如天氣條件、環(huán)境光照及障礙物陰影、表面粗糙度、裂縫等外界環(huán)境條件的影響。鑒于以上的種種優(yōu)點，使得超聲波傳感器在移動機器人應(yīng)用中具有很大的優(yōu)勢。 超聲波傳感器的原理分析為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計和制成了許多超聲波傳感器。總體上講，超聲波傳感器可以分為兩大類:一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等。機械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波傳感器。壓電式超聲波傳感器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。它有兩個壓電晶片和一個共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間沒有外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波與光波的某些特性相似，如反射、折射等，波長短，繞射小，能成為射線定向傳播。這些特性使之能應(yīng)用于距離探測。超聲波的聲強隨距離增加而呈指數(shù)衰減：，其中d為介質(zhì)的厚度。A為介質(zhì)對超聲波能量的吸收系數(shù)。為超聲波進(jìn)入介質(zhì)的強度。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(TimeofFlight, TOF)三種。其中相位檢測法雖然精度高，但檢測范圍有限，而聲波幅值檢測法易受反射波的影響，所以現(xiàn)在用于移動機器人探障的測距方法一般使用渡越時。渡越時間法的原理很簡單，很容易實現(xiàn)。其原理為:檢測從發(fā)射換能器發(fā)出的超聲波，經(jīng)氣體介質(zhì)傳播到接收換能器的時間，即渡越時間，渡越時間與氣體介質(zhì)中的聲速相乘，便可得到超聲波發(fā)射器和接收器之問的距離。超聲波障礙距離探測系統(tǒng)的原理如圖316所示。單片機系統(tǒng)超聲波振蕩器觸發(fā)器整形超聲波換能器驅(qū)動超聲波換能器障礙物接收放大圖316超聲波障礙距離探測系統(tǒng)的原理圖Fig316 The chart of ultrasonic distance survey system其計算公式為: (31)其中D為移動機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:米/秒，(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)定為C=343. 2m/s. [12] 超聲波傳感器測距模塊的設(shè)計考慮到履帶式移動機器人的使用環(huán)境，要求超聲波換能器能適應(yīng)一般的惡劣環(huán)境，并便于多個超聲波傳感器的靈活使用。因此選用的超聲換能器是收發(fā)一體型的EFR240RSC，它性價比高，體積小，工作頻率40kHz，使用溫度40～+80℃，防塵、防水，測距范圍0. 2～5m。超聲波傳感器系統(tǒng)主要由超聲波發(fā)生電路、超聲波接收電路等模塊組成，整個系統(tǒng)主要是由主單片機來控制，從而完成超聲波信號的發(fā)射與接收。另外本系統(tǒng)設(shè)有接近開關(guān)，接近開關(guān)的觸發(fā)響應(yīng)及發(fā)出移動機器人緊急停車信號、控制通訊等功能也都是通過主單片機SPCE061A來完成的在移動機器人中，為了對環(huán)境有充分的了解，獲取足夠的環(huán)境信息，建立有效的環(huán)境模型，單個傳感器不足以完成機器人對環(huán)境的感知，必須采用多個傳感器組成機器人的感知系統(tǒng)。典型的做法是按照15度的間隔進(jìn)行配置，這樣一周360度共需要24個。該履帶式移動機器人擬配備10個超聲傳感器，在機器人的前進(jìn)方向按照15度的間隔配置7個，覆蓋前方105度的區(qū)域，另外三個分別安裝在正左方、正右方及正后方，可以用來探測穿過狹窄通道時的環(huán)境信息。1）超聲波傳感器的發(fā)射和接收電路設(shè)計超聲波發(fā)射部分主要由超聲波信號發(fā)生電路、多路選擇開關(guān)、緩沖升壓放大和超聲波換能器等環(huán)節(jié)構(gòu)成。為有效探測機器人周圍的環(huán)境信息，除了盡量使超聲波發(fā)射頻率達(dá)到40 kHz的最佳工作頻率外，緩沖升壓驅(qū)動也非常關(guān)鍵的。超聲波發(fā)射過程是:首先由主單片機控制多路模擬開關(guān)(CD4052，雙4路模擬開關(guān))，循環(huán)啟動10路發(fā)射電路，經(jīng)IOB9口產(chǎn)生脈寬為25的40kHz的調(diào)制脈沖波，再經(jīng)脈沖變壓器產(chǎn)生幅度達(dá)60V的瞬間高能激勵信號，激發(fā)換能器產(chǎn)生超聲波信號[13]。超聲波傳感器收發(fā)電路圖如圖317所示。圖317超聲波傳感器收發(fā)電路圖Fig317The receiving and sending circuit of ultrasonic sensor超聲波的接收與發(fā)射必須協(xié)調(diào)一致工作，才能保證信號準(zhǔn)確靈敏地接收。該部分主要由接收換能器、放大濾波、多路模擬開關(guān)、整形觸發(fā)輸出等環(huán)節(jié)組成。由于超聲波在傳播中，其能量會隨傳輸距離的增大而減小，從遠(yuǎn)距離障礙物反射的回波信號一般比較弱(為mV級)，將信號放大約150萬倍，然后經(jīng)整形電路輸出。第一級為初級放大，“強”虛假反射波串入后對電路的沖擊影響，采用兩個二極管D1, :第二級位諧振選頻放大電路，放大40 kHz左右的超聲波信號，同時濾出其他頻率的干擾信號。接著，經(jīng)過由二極管D3, D4及電容構(gòu)成的整形電路，對信號進(jìn)行第三級放大整形處理，形成正相脈沖波，最后激發(fā)由三極管TR2構(gòu)成的脈沖輸出電路產(chǎn)生中斷申請信號，使單片機的EXT1口響應(yīng)中斷，并停止高速計數(shù)器TimerB的計數(shù)，計算出距離。本系統(tǒng)采用分時工作，按五個方向10個傳感器