輪式移動機器人課程設(shè)計

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　目 錄1</b></p><p><b>　　摘 要2</b></p><p>　　1.移動機器人技術(shù)發(fā)展概況3</p><p>　　1.1 機器人研究意義及應(yīng)用領(lǐng)域3</p>

2、<p>　　1.1.1 機器人的研究意義3</p><p>　　1.1.2 機器人的應(yīng)用領(lǐng)域3</p><p>　　1.2 移動機器人的發(fā)展概況3</p><p>　　1.2.1 移動機器人的國內(nèi)發(fā)展概況3</p><p>　　1.2.2 移動機器人的國外發(fā)展概況3</p><p>　　2.輪式移

3、動機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計3</p><p>　　2.1移動機器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3</p><p>　　2.2 輪式移動機器人主要結(jié)構(gòu)3</p><p>　　3.輪式移動機器人的控制系統(tǒng)3</p><p>　　3.1 控制系統(tǒng)硬件選型與配置3</p><p>　　3.1.1 驅(qū)動電機的選型3</p>&l

4、t;p>　　3.1.2 伺服電機的選型3</p><p>　　3.1.3 輪轂電機的選型3</p><p>　　3.2 輪式移動機器人控制系統(tǒng)框架3</p><p><b>　　4.結(jié)論和總結(jié)3</b></p><p><b>　　致 謝3</b></p><p

5、><b>　　參考文獻3</b></p><p><b>　　附 錄3</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　移動機器人是機器人家族中的一個重要的分支，也是進一步擴展機器人應(yīng)用領(lǐng)域的重要研究發(fā)展方向。自上世紀(jì)九十年代以來，人們廣泛開展了對機器人移動功能的

6、研制和開發(fā)，為適應(yīng)各種工作環(huán)境的不同要求而開發(fā)出各種移動機構(gòu)。</p><p>　　論文內(nèi)容包括四個部分：簡要介紹了移動機器人研究現(xiàn)狀、對所設(shè)計移動機器人系統(tǒng)進行了描述、視覺導(dǎo)航輪式移動機器人底層硬件設(shè)計和視覺輪式移動移動機器人的底層控制。</p><p>　　論文詳細地介紹了移動機器人底層硬件系統(tǒng)元件的選型和原理電路圖的設(shè)計。我們選用PIC16F877單片機作為下位機接收上位機傳來的命令

7、和產(chǎn)生驅(qū)動信號。步進電機的驅(qū)動電路采用兩個步進電機驅(qū)動器-L298，驅(qū)動程序?qū)懭隤IC16F877單片機，通過程序控制步進電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。采用Propel設(shè)計了底層控制系統(tǒng)的原理圖和PCB版圖，采用Proteus進行程序和硬件系統(tǒng)的仿真。仿真結(jié)果表明：步進電機運行穩(wěn)定、可靠性高，實現(xiàn)了對步進電機的預(yù)期控制。</p><p>　　關(guān)鍵詞：移動機器人；運動控制；PIC16F877；步進電機</p>&

8、lt;p>　　1.移動機器人技術(shù)發(fā)展概況</p><p>　　1.1 機器人研究意義及應(yīng)用領(lǐng)域</p><p>　　1.1.1 機器人的研究意義</p><p>　　人們對于未知的探索總是充滿危險，而且人類的研究活動領(lǐng)域已由陸地擴展到海底和空間，所以機器人的產(chǎn)生解決人類這一大難題。利用移動機器人進行空間探測和開發(fā)，己成為21世紀(jì)世界各主要科技發(fā)達國家開發(fā)空間資

9、源的主要手段之一。研究和發(fā)展月球探測移動機器人技術(shù)，對包括移動機器人在內(nèi)的相關(guān)前沿技術(shù)的研究將產(chǎn)生巨大的推動作用。</p><p>　　移動機器人是一種能夠通過傳感器感知外界環(huán)境和自身狀態(tài)，實現(xiàn)在有障礙物的環(huán)境中面向目標(biāo)的自主運動，從而完成一定作業(yè)功能的機器人系統(tǒng)。本課題選用輪式作為機器人平臺設(shè)計研究[1]，兩輪式機器人在國內(nèi)外還處于剛剛起步階段，其前景廣闊，適用性較廣，在教學(xué)、科研、野外作業(yè)、民用運輸方面有著廣

10、泛的應(yīng)用前景，在反恐及其它尖端領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用價值。已經(jīng)初步做出了簡單的實驗?zāi)Ｐ停鉀Q了輪式機器人的傳動機構(gòu)難題。該輪式機器人運動響應(yīng)迅速，具有高機動的零半徑轉(zhuǎn)向能力，并且在運動過程中不存在失穩(wěn)狀態(tài)。攝像頭的密封式結(jié)構(gòu)可以將內(nèi)部器件密封保護起來，免受外界環(huán)境的影響，非常適合在潮濕、多塵土、多輻射或有毒的環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)。</p><p>　　1.1.2 機器人的應(yīng)用領(lǐng)域</p><p>　

11、　從最早出現(xiàn)的機器人到現(xiàn)在涌現(xiàn)出的形態(tài)各異的移動小車，其移動機構(gòu)的形式層出不窮，以美國、俄羅斯、法國和日本為首的西方發(fā)達國家己經(jīng)研制出了多種復(fù)雜奇特的三維移動機構(gòu)，有的已經(jīng)進入了實用化和商業(yè)化階段。面對21世紀(jì)深空探測的挑戰(zhàn)，對各種自主系統(tǒng)的研制是必須的，而移動機構(gòu)又是各種自主系統(tǒng)的最基本和最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。這些應(yīng)用范圍包括工業(yè)生產(chǎn)、?？仗剿鳌⒖祻?fù)和軍事等。此外，機器人已逐漸在醫(yī)院、家庭和一些服務(wù)行業(yè)獲得應(yīng)用。根據(jù)其功能可分為以下幾個功能：

12、 工業(yè)機器人、探索機器人、服務(wù)機器人、軍事機器人 。制造工業(yè)部門應(yīng)用機器人的主要目的在于削減人員編制和提高產(chǎn)品質(zhì)量。與傳統(tǒng)的機器相比，它具有兩個主要優(yōu)點： 1．生產(chǎn)過程的幾乎完全自動化；2．生產(chǎn)設(shè)備的高度適應(yīng)能力?，F(xiàn)在工業(yè)機器人主要用于汽車工業(yè)、機電工業(yè)（包括電訊工業(yè)）、通用機械工業(yè)、建筑業(yè)、金屬加工、鑄造以及其它重型工業(yè)和輕工業(yè)部門。在農(nóng)業(yè)方面，已把機器人用于水果和蔬菜嫁接、收獲、檢驗與分類，剪羊毛和擠牛奶等。這是一個潛在的產(chǎn)業(yè)機器人

13、應(yīng)用領(lǐng)域。機器人除了在工農(nóng)業(yè)上廣泛應(yīng)用之外，還用于進行探索，即在惡劣或不適于人類工作的環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)。研制其用來為病人看病</p><p>　　1.2 移動機器人的發(fā)展概況</p><p>　　1.2.1 移動機器人的國內(nèi)發(fā)展概況</p><p>　　機器人在我國已被廣泛地用于生產(chǎn)和生活的許多領(lǐng)域,按其擁有智能的水平可以分為三個層次。一是工業(yè)機器人,它只能死板地按照

14、人給它規(guī)定的程序工作,不管外界條件有何變化,自己都不能對程序也就是對所做的工作作相應(yīng)的調(diào)整.如果要改變機器人所做的工作,必須由人對程序作相應(yīng)的改變,因此它是毫無智能的.二是初級智能機器人.它和工業(yè)機器人不一樣,具有象人那樣的感受,識別,推理和判斷能力.可以根據(jù)外界條件的變化,在一定范圍內(nèi)自行修改程序,也就是它能適應(yīng)外界條件變化對自己怎樣作相應(yīng)調(diào)整.不過,修改程序的原則由人預(yù)先給以規(guī)定.這種初級智能機器人已擁有一定的智能,雖然還沒有自動規(guī)

15、劃能力,但這種初級智能機器人也開始走向成熟,達到實用水平.三是高級智能機器人.它和初級智能機器人一樣,具有感覺,識別,推理和判斷能力,同樣可以根據(jù)外界條件的變化,在一定范圍內(nèi)自行修改程序.所不同的是,修改程序的原則不是由人規(guī)定的,面是機器人自己通過學(xué)習(xí),總結(jié)經(jīng)驗來獲得修改程序的原則.所以它的智能高出初能智能機器人.這種機器人已擁有一定的自動規(guī)劃能力,能夠自己安排自己的工作.這種機器人可以不要人的照料,完全獨立的工作,故稱為高級自律機器人

16、.這</p><p>　　1.2.2 移動機器人的國外發(fā)展概況</p><p>　　輪式移動機構(gòu)具有運動速度快、能量利用率高、結(jié)構(gòu)簡單、控制方便和能借鑒至今已很成熟的汽車技術(shù)等優(yōu)點，只是越野性能不太強。但隨著各種各樣的車輪底盤的出現(xiàn)，如日本NASDA的六輪柔性底盤月球漫游車LRTV，俄羅斯TRANSMASH的六輪三體柔性框架移動機器人Marsokohod，美國CMU的六輪三體柔性機器人Ro

17、bby系列以及美國JPL的六輪搖臂懸吊式行星漫游車Rocky系列，已使輪式機器人越野能力大大增加，可以和腿式機器人相媲美。于是人們對機器人機構(gòu)研究的重心也隨之轉(zhuǎn)移到輪式機構(gòu)上來，特別是最近日本開發(fā)出一種結(jié)構(gòu)獨特的五點支撐懸吊結(jié)構(gòu)Micros，其卓越的越野能力較腿式機器人有過之而不及。</p><p>　　輪式結(jié)構(gòu)按輪的數(shù)量分可分為二輪機構(gòu)、三輪機構(gòu)、四輪機構(gòu)、六輪以及多輪機構(gòu)。二輪移動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)非常簡單，但是在靜

18、止和低速時非常不穩(wěn)定。三輪機構(gòu)的特點是機構(gòu)組成容易，旋轉(zhuǎn)中心是在連接兩驅(qū)動輪的直線上，可以實現(xiàn)零回轉(zhuǎn)半徑。四輪機構(gòu)的運動特性基本上與三輪機構(gòu)相同，由于增加了一個支撐輪，運動更加平穩(wěn)。以上幾種輪式移動機構(gòu)的共同特點是它們所有的輪子在行駛過程中，只能固定在一個平面上，不能作上下調(diào)整，因此，地面適用能力差。一般的六輪機構(gòu)主要就是為了提高移動機器人的地面適應(yīng)能力而在其結(jié)構(gòu)上作了改進，增加了搖臂結(jié)構(gòu)，使得機器人在行駛過程中，其輪子可以根據(jù)地形高低

19、作上下調(diào)整，從而提高了移動機器人的越野能力。</p><p>　　歐盟在2000—2004年啟動的信息社會技術(shù)計劃中開展了探測火山環(huán)境的機器人、用來評估地振危險性的爬行機器人(ROBOSENSE)、借助機器人的交互式博物館臨場感(TOURBOT)等項目研究。在火山爆發(fā)的發(fā)作階段觀測和測量火山活動的相關(guān)變量最有意義，但對研究人員也是最危險的時刻。在1993年的一次火山口考察中，8名火山研究人員遇難。ROBOVOLC

20、將開發(fā)和測試一個自動化機器人系統(tǒng)，在火山環(huán)境下進行探測與測量，可以幫助科學(xué)家遠離危險環(huán)境進行分析研究。ROBOSENSE將開發(fā)一臺能夠攜帶探傷儀器的移動機器人，對地振造成的建筑物結(jié)構(gòu)性損害進行檢測。TOURBOT的目標(biāo)是發(fā)一個交互式導(dǎo)游機器人，通過因特網(wǎng)實現(xiàn)個性化的臨場感，同時TOURBOT能夠在現(xiàn)場引導(dǎo)參觀游客。此外歐盟還開展了移動機器人應(yīng)用于人道主義排雷等研究。法國國家科學(xué)研究中心)于2001年中期，提出了一項有關(guān)機器人技術(shù)的大型國

21、家計劃，稱作“機器人與人工體”。這項跨學(xué)科的計劃涵蓋了機器人學(xué)中信息科學(xué)與技術(shù)方面的主要研究領(lǐng)域。Robe計劃對“感知器執(zhí)行器”與認(rèn)知功能進行跨學(xué)科的研究。實現(xiàn)這些功能在智能系統(tǒng)內(nèi)的集成，能夠在開放的、變化的環(huán)</p><p>　　前蘇聯(lián)曾經(jīng)在移動機器人技術(shù)方面居于世界領(lǐng)先的地位，Lunokhod-1是最早登上月球的遙控式移動機器人。俄羅斯作為前蘇聯(lián)的繼承者，在機器人技術(shù)領(lǐng)域依然具有當(dāng)雄厚的技術(shù)基礎(chǔ)，ROVER科

22、技有限公(Rover Science & Technology Joint-stock Company Ltd., RCL)把在開發(fā)空間機器人中獲得的經(jīng)驗應(yīng)用于開發(fā)地面機器人系統(tǒng)，如極坐標(biāo)平面移動車、爬行移動機器人、球形機器人、工作伙伴平臺以及ROSA-2移動車等。日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省(Ministry of Economy, Trade and Industry, M ETI)1998年開始啟動了人形機器人技術(shù)研究計劃(HRP)。在

23、這一年，日本本田(Honda)公司展出了人形移動機器人的一個主要目標(biāo)就是開發(fā)一個開放體系結(jié)構(gòu)的人形機器人平臺(簡稱Open HRP)，用來探索人形機器人的各種應(yīng)用.METI從2002年又啟動了一項國家項目一一“21世紀(jì)機器人挑戰(zhàn)”,其中一個三年的子項目是開發(fā)應(yīng)用于機器人開放式結(jié)構(gòu)的中間件)。中間件能夠?qū)κ袌錾箱N售的各種機器人零件實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，并且能夠更加容易地對這些零件進行系統(tǒng)集成。</p><p>　　韓國科學(xué)技

24、術(shù)部(Ministry of Science and Technology，MOST)于1999年啟動的“21世紀(jì)尖端研究發(fā)展計劃”(21"Century Frontier R&D Program)，包括了服務(wù)機器人、惡劣環(huán)境中的機器人、微型機器人以及排雷機器人項目韓國信息與通訊部(Ministry of Information and Communication , MIC)發(fā)布了旨在促進IT增長的9個優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域(

25、Top 9 IT Growth Sectors)，其中智能化的服務(wù)機器人被列為首位。</p><p>　　美國在行星移動機器人以及軍用移動機器人的研究與應(yīng)用方面投入了大量資金與科研力量。如:美國NASA支持的火星探測計劃、美國國防部支持的無人戰(zhàn)車研究計劃UGV(Unmanned Ground Vehicle)美國能源部的核廢料等危險品搜集、搬運自主車研究計劃等項目，吸收J(rèn)PL, MIT AI Lab. CMU R

26、obotics Institute、Georgia Tech Mobile Robot Lab, Naval Warfare Systems Center of San Diego以Stanford Robotics Institute等許多知名大學(xué)與研究所的科研人員參與。最近的突出成果是2003年發(fā)射的火星漫游機器人—“勇氣”號與“機遇”號，它們的頂部裝有全景照相機及具有紅外探測能力的微型熱輻射分光計，攜帶多種分析儀器對火星巖石紋理及

27、其成分進行探測。。</p><p>　　2.輪式移動機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p>　　現(xiàn)在主流的移動方式基本是輪式，腿式，和履帶式，但由于其各有各的優(yōu)點與缺點，現(xiàn)在的科學(xué)家越來越追求綜合性能的提高。輪式移動機構(gòu)具有運動速度快、能量利用率高、結(jié)構(gòu)簡單、控制方便和能借鑒至今已很成熟的汽車技術(shù)等優(yōu)點。</p><p>　　2.1移動機器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</p>

28、<p>　　整體車身結(jié)構(gòu)是本小型輪式智能移動機器人所采用得。車身通過軸與前后四個車輪連接，使車身及承載物的重量能被四個車輪平均承受，再平均分配給每個車輪，從而使各車輪的受力均衡，提高整個車輛的承載能力。機器人的主要運動結(jié)構(gòu)為前后四個車輪及其相關(guān)機構(gòu)。前車輪為萬向輪，后車輪連接電機，可以分別實現(xiàn)轉(zhuǎn)向和滾動。四個車輪的接地點呈矩形分布，使車身具有一定的穩(wěn)定性。各個車輪各自通過一根軸跟車身相連，通過簡單的機構(gòu)傳動，可以使車實現(xiàn)協(xié)

29、調(diào)的運動。在車體上設(shè)有中央控制單元，實現(xiàn)對電機的運行控制?？刂颇Ｊ娇紤]采用自主導(dǎo)航和遠距離控制相結(jié)合的模式。車上設(shè)有傳感系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，機器人本身具有一定自主導(dǎo)航能力，可以實現(xiàn)自動避障。機器人自帶蓄電池等能源設(shè)備，可以在一定時間段內(nèi)實現(xiàn)能源的自動供給，保證機器人在失去外部電源的情況下能自動返回出發(fā)地。</p><p>　　2.2 輪式移動機器人主要結(jié)構(gòu)</p><p>　　車輪：

30、一般來說，機器人越重，要求車輪的結(jié)構(gòu)越堅固。 小于2磅的輕型機器人，可以使用軟性泡沫塑料車輪。 由于機器人的重量輕，軟性材料的變形還不至于太嚴(yán)重，而且 能在摩擦力很小時工作良好。超過 2磅機器人，需要選用 質(zhì)地更為堅硬的材料做車輪，不充氣的中空橡膠輪胎能夠在 6—10磅下工作。超過 l0磅，就要考慮實心橡膠輪胎或者充 氣輪胎。而類似割草機的車輪，不管是實心的還是充氣的，在 機器人的重量接近 40磅的場合都可以成為選擇的方案。機器人超過4

31、0磅時，可以考慮試用諸如小型機車輪、手推車輪，或者其他相似的高效率的充氣輪胎。按照車輛理論的分析，車輪的直徑增大可以明顯提高機器人的越障能力。但是，車輪直徑變大的同時，車輪表面所受的電機轉(zhuǎn)矩卻會下降。根據(jù)車輛地面力學(xué)理論，剛性車輪的寬度越寬，車輪的土壤沉陷量越小，土壤的壓實阻力也就越小。不過，車輪變寬后，機器人的轉(zhuǎn)向阻力也會變大。另外，增加車輪的直徑比增加車輪寬度對減小壓實阻力更為有效。因此，必須根據(jù)實際情況設(shè)定車輪直徑和寬度，不能盲目

32、加大車輪直徑和寬度。如圖2-2所示。</p><p>　　2、攝像頭：攝像頭對于基于視覺導(dǎo)航的機器人來說是至關(guān)重要的。它要根據(jù)系統(tǒng)要求準(zhǔn)確地分辨目標(biāo)物（調(diào)色板），盡量降低誤判，漏判的機率，并有一定的抗干擾能力。能對目標(biāo)物定位，為機器人的運動控制提供參照物、障礙物的位置信息，并能滿足精度要求。滿足系統(tǒng)實時性的要求。機器人攝像機每秒鐘要從比賽場地上攝取30幀圖像數(shù)據(jù)，如果視覺子系統(tǒng)達不到實時的要求，則系統(tǒng)所處理的前后

33、兩幀圖像數(shù)據(jù)差異太大，不僅影響識別跟蹤的順利完成，而且也使動作表現(xiàn)為反應(yīng)遲鈍，所以視覺子系統(tǒng)的實時性越好，則系統(tǒng)反應(yīng)越快。如圖2-3所示。</p><p>　　3、萬向輪：萬向輪能夠在許多不同的方向移動，左右車輪的小光盤將全力推出，但也將極大的方便橫向滑動。這是一個建立完整的驅(qū)動器的方法。全輪可以像一個正常的車輪或使用滾輪的輥側(cè)向滾動。其膠輥提供了極大的扣人心弦。它適用於在使用機器人，手推車，轉(zhuǎn)移輸送機，貨運車，

34、行李。全方位車輪將提供完善的性能，當(dāng)集成與傳統(tǒng)的車輪。例如，您可以使用兩種傳統(tǒng)的車輪中心車軸和四個全方位前軸和后軸車輪，以建立一個六輪車輛。全方位輪移動和旋轉(zhuǎn)，這是很容易的方向控制和跟蹤，并盡可能快地轉(zhuǎn)動。全方位輪無需潤滑或現(xiàn)場維護和安裝選項是非常簡單和穩(wěn)定。全方位輪通?？梢源笾驴梢苑譃?種類型：一類是單盤的全方位輪，一個是雙排的全方位輪。單盤全方位輪的被動輥的單盤，而雙板的全方位輪被動輥有兩個板塊是相互尊重，旋轉(zhuǎn)稍。相比單盤的全方位輪

35、，雙板的全方位輪滾筒之間沒有死區(qū)的優(yōu)勢。如圖2-4所示。 </p><p>　　3.輪式移動機器人的控制系統(tǒng)</p><p>　　移動機器人的運動控制系統(tǒng)是機器人系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，對系統(tǒng)精確地完成各項任務(wù)起著重要作用，有時也可作為一個簡單的控制器。構(gòu)成機器人運動控制系統(tǒng)的要素有:計算機硬件系統(tǒng)及控制軟件、輸入/輸出設(shè)備、驅(qū)動器、傳感器系統(tǒng)。</p><p>　　3

36、.1 控制系統(tǒng)硬件選型與配置</p><p>　　3.1.1 驅(qū)動電機的選型</p><p>　　步進電機是數(shù)字控制電機，它將脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個脈沖信號，步進電機就轉(zhuǎn)動一個角度，因此非常適合于單片機控制。步進電機可分為反應(yīng)式步進電機（簡稱VR）、永磁式步進電機（簡稱PM）和混合式步進電機（簡稱HB）。</p><p>　　步進電機區(qū)別于其他控制電機的最大

37、特點是，它是通過輸入脈沖信號來進行控制的，即電機的總轉(zhuǎn)動角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機的轉(zhuǎn)速由脈沖信號頻率決定。步進電機的驅(qū)動電路根據(jù)控制信號工作，控制信號由單片機產(chǎn)生。其基本原理作用如下：</p><p><b>　　(1)控制換相順序</b></p><p>　　通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如：三相步進電機的三拍工作方式，其各相通電順序為A-B-C－D,通電控制

38、脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制A,B,C，D相的通斷。</p><p>　　(2)控制步進電機的轉(zhuǎn)向</p><p>　　如果給定工作方式正序換相通電，步進電機正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，則電機就反轉(zhuǎn)。</p><p>　　(3)控制步進電機的速度</p><p>　　如果給步進電機發(fā)一個控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉(zhuǎn)一步。兩個

39、脈沖的間隔越短，步進電機就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整單片機發(fā)出的脈沖頻率，就可以對步進電機進行調(diào)速。</p><p>　　步進電機是依靠有序的步進脈沖運動的，利用單片機控制步進電機運動是非常適合的。整個系統(tǒng)包含PIC16F877，步進電機驅(qū)動器L298和步進電機。本設(shè)計是單片機控制兩臺步進電機。PIC16f877單片機的作用是接受命令，完成相應(yīng)的功能，并作為脈沖邏輯分配器，輸出步進電機所需要的時序脈沖。步進電機可以向任意方向

40、旋轉(zhuǎn)和停止，實現(xiàn)了所謂“位置控制”的動作。每個輸入脈沖決定了步進電機轉(zhuǎn)動的角度。步進電機只是根據(jù)輸入脈沖數(shù)旋轉(zhuǎn)和停止，適合于位置控制，把運動所必需的脈沖數(shù)，以動作所需要的速度輸入給電機，就能夠正確的控制位置而運動。</p><p>　　步進電機的運行要有一個電子裝置進行控制，這個裝置就是步進電機驅(qū)動器，它是將控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號放大以驅(qū)動步進電機。步進電機的轉(zhuǎn)速與脈沖信號的頻率成正比，控制脈沖信號的頻率可以對電

41、機精確調(diào)整；控制脈沖數(shù)可以對電機精確定位。選擇步進電機為移動機器人驅(qū)動電機。上層系統(tǒng)計算移動機器人的角度和距離等信息傳給下層系統(tǒng)，通過分析得到機器人的運動狀態(tài)，計算等到輪子的步數(shù)等。完成軟件的編寫，實現(xiàn)了對步進電機的預(yù)期控移動機器人的兩個重要部分（視覺處理和運動控制）。</p><p>　　3.1.2 伺服電機的選型</p><p>　　所有的主控制功能是微處理器，驅(qū)動為DA模擬轉(zhuǎn)換器，以

42、產(chǎn)生一個模擬扭矩需求信號。從這個角度上，這臺機器非常很像一個模擬伺服放大器。反饋的信息是來自隸屬該電機軸的一個編碼器。編碼器生成脈沖流可確定傳輸路程，并通過計算脈沖頻率，是可以測定轉(zhuǎn)速的。</p><p>　　數(shù)碼驅(qū)動通過求解一系列的方程式，履行同樣類似的功能。微處理器是與數(shù)學(xué)模型（或“算法"）的等效的編程模擬系統(tǒng)。這模型預(yù)測系統(tǒng)的行為。它響應(yīng)一個給定輸入的信號并產(chǎn)生速度。它同樣也考慮到額外信息如輸出速

43、度，速率轉(zhuǎn)變中的投入和各種調(diào)校設(shè)定。解決所有方程需數(shù)額需有限的時間，即使是一個快速的處理器一次處理通常也是100ms和2ms之間。在此之間，在改變輸入或輸出，先前的計算值將有沒有回應(yīng)時，扭矩要求必須保持恒定。因此更新時間成為數(shù)字伺服和一臺高性能系統(tǒng)關(guān)鍵的因素，它必須保持及時更新[4]。調(diào)試數(shù)字伺服電機可按鈕或從一個計算機或終端調(diào)試。電位器調(diào)整是涉及的。調(diào)試數(shù)據(jù)是設(shè)置在伺服算法的各種系數(shù)，因此，它決定了系統(tǒng)的性能。即使如果調(diào)諧進行使用按鈕

44、，終值也可以上傳到終端，讓其進行簡單的重復(fù)。</p><p>　　在某些應(yīng)用中，因負載慣量各異，例如一個機器手臂卸載后又帶有沉重的負荷。改變慣性可能是一個系數(shù)為20或以上，而這樣的變化需要該驅(qū)動器重新調(diào)整，以保持其穩(wěn)定。這只不過是在操作系統(tǒng)的適當(dāng)點通過發(fā)送新的調(diào)試參數(shù)來實現(xiàn)的。</p><p>　　3.1.3 輪轂電機的選型</p><p>　　圖3-2為輪子的示意

45、圖，設(shè)移動機器人與跟蹤物體的原始距離為，上層系統(tǒng)傳送移動機器人與跟蹤物體的距離為，則移動機器人運動的距離為L=-。設(shè)計選用步進角為1.8°的步進電機。</p><p><b>　　輪子轉(zhuǎn)動的角度為：</b></p><p><b>　　步進電機的步數(shù)位：</b></p><p>　　當(dāng)=時，機器人不運動，步進電機

46、沒有轉(zhuǎn)動。</p><p>　　圖3-3為移動機器人直線運動示意圖，當(dāng)移動機器人的上層傳達一個角度為a=0°時，在直角坐標(biāo)系上，沒有往X軸上有分量，移動機器人則直線運動。當(dāng)L>0時，移動機器人前進。當(dāng)L<0時，移動機器人后退。當(dāng)移動機器人直線運動時，左輪和右輪保持相同的速度運動和轉(zhuǎn)向[5]。則輪子移動的距離就是移動機器人與跟蹤物體的距離。則步進電機的步數(shù)位：</p><p

47、>　　圖3-4為機器人前進并轉(zhuǎn)彎運動示意圖，當(dāng)機器人上層系統(tǒng)傳送“機器人旋轉(zhuǎn)a°和L>0”的命令時，則移動機器人從X1-Y1坐標(biāo)系運動到X2-Y2坐標(biāo)系。</p><p>　　移動機器人先完成轉(zhuǎn)彎在進行前進。在轉(zhuǎn)彎時，從圖可知左輪為正轉(zhuǎn)，右輪為反轉(zhuǎn)。輪子移動的距離為：</p><p>　　則輪子移動的角度為：</p><p>　　則驅(qū)動步進電機

48、的脈沖數(shù)為：</p><p>　　轉(zhuǎn)彎完成后，移動機器人為直線運動。左輪為正轉(zhuǎn)，右輪為正轉(zhuǎn)。公式參考4-3.</p><p>　　移動機器人前進左轉(zhuǎn)和后退轉(zhuǎn)彎時，我們可以參照前進右轉(zhuǎn)時計算。</p><p>　　對本類移動機器人的控制就是通過控制算法求出輪子的步速，通過改變單片機輸出的脈沖波，完成對移動機器人的底層控制。</p><p>　　

49、3.2 輪式移動機器人控制系統(tǒng)框架</p><p>　　控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案：</p><p>　　(1)微處理器模塊:是控制系統(tǒng)的核心，包括微控制器及其相關(guān)外圍電路主要進行各種信息、數(shù)據(jù)的處理，協(xié)調(diào)系統(tǒng)中各功能模塊完成預(yù)定的任務(wù)；</p><p>　　(2)驅(qū)動模塊:控制機器人系統(tǒng)中的舵機和傳感器模塊預(yù)定的任務(wù);實現(xiàn)舵機速度和位置的控制，完成前進、后退、直行、轉(zhuǎn)彎

50、、避障、抓取等動作；</p><p>　　(3)傳感器模塊:有速度、位置、距離、聲音等傳感器，主要負責(zé)移動機器人移動過程中的障礙物、聲音等檢測;</p><p>　　(4)電源模塊:負責(zé)整個移動機器人的電源供給，使系統(tǒng)能離線運動，主要由12V蓄電池及相關(guān)調(diào)壓穩(wěn)壓電路組成；</p><p>　　(5)串口通信模塊:根據(jù)RS232通信標(biāo)準(zhǔn)與上位機進行串口通信;</

51、p><p>　　(6)JTAG調(diào)試:可以實現(xiàn)在線編程、調(diào)試仿真。</p><p><b>　　4.結(jié)論和總結(jié)</b></p><p>　　經(jīng)過我閱讀一些關(guān)于移動機器人的文獻資料，設(shè)計出了一種輪式移動機器人。移動機器人技術(shù)是當(dāng)今科學(xué)研究領(lǐng)域的前沿，在這方面的研究工作，也正隨著移動機器人越來越多地走進人類的世界，而更加受到了國內(nèi)外科學(xué)家和研究學(xué)者們的關(guān)

52、心和熱愛。研究與開發(fā)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移動機器人的綜合控制系統(tǒng)，勢在必行。本文針對基于多傳感器的輪式移動機器人行為控制技術(shù)，對移動機器人硬件和軟件體系結(jié)構(gòu)、機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計、運動控制零部件等方面展開了深入的研究和探討，提出了一個運動控制的方案，并應(yīng)用于移動機器人行為控制系統(tǒng)。</p><p>　　本論文學(xué)習(xí)了一個輪式移動機器人的一些基本結(jié)構(gòu)以及輪式移動機器人的一些用途。本論

53、文完成的主要工作包括以下幾個方面:</p><p>　　1、簡要的介紹了移動機器人的歷史和在國內(nèi)外的現(xiàn)狀。從總體上介紹了視覺導(dǎo)航；</p><p>　　2、選擇步進電機為移動機器人驅(qū)動電機。上層系統(tǒng)計算移動機器人的角度和距離等信息傳給下層系統(tǒng)，通過分析得到機器人的運動狀態(tài)，計算等到輪子的步數(shù)等。完成軟件的編寫，實現(xiàn)了對步進電機的預(yù)期控移動機器人的兩個重要部分（視覺處理和運動控制）。<

54、/p><p>　　3、選擇電路元件—單片機PIC16F877、步進電機驅(qū)動器L298、穩(wěn)壓電源LM7805。完成了底層控制原理圖的設(shè)計。設(shè)計應(yīng)用了propel99SE軟件制作電路圖并完成PCB版圖的設(shè)計。</p><p>　　由于自身知識的匱乏，我查閱了許多資料，最終簡單的設(shè)計了控制系統(tǒng)的框架，并沒有對內(nèi)部指令等進行編輯。希望以后能夠?qū)W習(xí)此方面的知識。</p><p>

55、<b>　　致 謝</b></p><p>　　首先感謝**老師給我這次機會做這個設(shè)計，并且**老師對知識追求孜孜不倦、精益求精的治學(xué)態(tài)度，給我留下了深刻的印象，也使我在大學(xué)學(xué)習(xí)期間受益匪淺。</p><p>　　感謝我所有的同學(xué)，一直以來大家共同努力、共同進步，遇到困難互相幫助、互相勉勵，一齊前進。感謝機械系所有老師大學(xué)期間在我學(xué)習(xí)及工作方面的關(guān)心與幫助。他們對我

56、的悉心指導(dǎo)和無微不至的關(guān)懷將使我終身難忘。感謝所有幫助過我，和我所結(jié)識的所有的人們，是你們一起成就著我的人生。課程設(shè)計過程中，不免遇到許多問題和困難，但是**老師都細心認(rèn)真為我解答，她認(rèn)真負責(zé)的工作態(tài)度、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)風(fēng)格深深感染了我,從一開始的毫無頭緒，無從下手，到后來對各部分的理解，**老師的指導(dǎo)對我都是十分重要的。首先她給了我很大的自由空間和充分的信任，促使我在設(shè)計方面進行自己的思考，其次在細節(jié)上又能循循善導(dǎo)，提出我設(shè)計的不足和改進辦

57、法，使我認(rèn)識到自己需要提高的地方，讓我的設(shè)計做的更加有條有序，對我以后的學(xué)習(xí)也會有很大幫助。另外，在校圖書館查找資料的時候，圖書館的老師也給我提供了很多方面的支持與幫助。</p><p>　　最后，再次感謝所有在設(shè)計中曾經(jīng)幫助過我的良師益友和同學(xué)，以及在設(shè)計中被我引用或參考的論著的作者。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p&

58、gt;　　[1] 王文學(xué)，孫萍，徐心和.足球機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)研究[[J].控制與決策，2001，16(2): 233-235.</p><p>　　[2] 柳洪義，宋偉剛.機器人技術(shù)基礎(chǔ)「M].北京:冶金工業(yè)出版社，2002. 16-29,49-50, 165-174.</p><p>　　[3] 祖莉，王華坤.智能移動機器人運動控制系統(tǒng)及算法的設(shè)計[[J].機器人技術(shù)與應(yīng)用，20

59、02, 24(5): 39-42.</p><p>　　[4]王福瑞.單片機微機測控系統(tǒng)設(shè)計大全[M]．北京航空航天大學(xué)出版社,1998．</p><p>　　[5] 王鴻鈺. 步進電機控制技術(shù)入門[M]. 同濟大學(xué)出版社，1990.</p><p>　　[6] 孫迪生，王炎.機器人控制技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社，1997. 45-56.</p>

60、<p><b>　　附 錄</b></p><p><b>　　程序</b></p><p>　　LISP=16F877</p><p>　　#INCLUDE<PIC16F877></p><p>　　PCL EQU 02H</p><

61、p>　　STATUS EQU 03H</p><p>　　PORTC EQU 07H</p><p>　　PORTD EQU 08H</p><p>　　TRISC EQU 87H</p><p>　　TRISD EQU 88H</p><p>　　IN

62、TCON EQU 0BH</p><p>　　CCP1IF EQU 2H</p><p>　　CCP1CON EQU 17H</p><p>　　CCPR1L EQU 0EH</p><p>　　CCPR1H EQU 0FH</p><p>　　PIR1

63、 EQU 0CH</p><p>　　PIR2 EQU 0DH</p><p>　　TMR1L EQU 0EH</p><p>　　TMR1H EQU 0FH</p><p>　　ADRESH EQU 1EH</p><p>　　ADCON0 E

64、QU 1FH</p><p>　　PIE1 EQU 8CH</p><p>　　PIE2 EQU 8DH</p><p>　　ADCON1 EQU 9FH</p><p>　　T1CON EQU 10H</p><p>　　RP1 E

65、QU 06H</p><p>　　RP0 EQU 05H</p><p>　　Z EQU 02H</p><p>　　C EQU 00H</p><p>　　TMR1IF EQU 00H</p><p>　　DATA1 E

66、QU 20H</p><p>　　DATA2 EQU 21H</p><p>　　TEMP EQU 22H</p><p>　　W_TEMP EQU 25H</p><p>　　S_TEMP EQU 26H</p><p>　　SCALER EQU

67、27H</p><p>　　AD_STATTUS EQU 28H</p><p>　　SIGN EQU 22H</p><p>　　SUN EQU 24H</p><p>　　INDEX EQU 25H</p><p>　　W_BUF EQU 26H</

68、p><p>　　VALUE EQU 27H</p><p>　　NUM EQU28H</p><p>　　COUNT1 EQU 1AH</p><p>　　COUNT2 EQU 0FFH</p><p>　　ORG 00H</p><p><

69、;b>　　NOP</b></p><p>　　GOTO MAIN</p><p>　　ORG 04H</p><p>　　GOTO INT</p><p><b>　　INT </b></p><p>　　MOVWF W_TEMP</p&

70、gt;<p>　　SWAPF STATUS,0</p><p>　　MOVWF S_TEMP</p><p>　　BCF STATUS,RP0</p><p>　　BCF STATUS,RP1</p><p>　　BTFSC PIR1,TMR1IF</p><p

71、>　　GOTO NEXT1</p><p>　　GAOTO NEXT2</p><p><b>　　NEXT1</b></p><p>　　BTFSC SIGN,0</p><p>　　GOTO NEXT3</p><p>　　BCF POR

72、TC,2</p><p><b>　　NEXT3</b></p><p>　　COMF SIGN,1</p><p>　　BCF PIR1,TMR1IF</p><p>　　CLRF TMR1H</p><p>　　MOVLW 0F5H</p>

73、<p>　　MOVWF TMR1H</p><p>　　MOVLW 48H</p><p>　　MOVWF TMR1L</p><p><b>　　NEXT2</b></p><p>　　SWAPF S_TEMP,0</p><p>　　MOVWF

74、STATUS</p><p>　　SWAPF W_TEMP,1</p><p>　　SWAPF W_TEMP,0</p><p><b>　　RETFIE</b></p><p><b>　　MAIN </b></p><p>　　CALL I

75、NITIAL </p><p><b>　　LOOP</b></p><p>　　CALL AAA</p><p><b>　　NOP</b></p><p><b>　　S_0</b></p><p>　　BTFSS SIGN,

76、0</p><p>　　GOTO S_0</p><p><b>　　S_1</b></p><p>　　BTFSC SIGN,0</p><p>　　GOTO S_1</p><p>　　GAOTO LOOP</p><p><

77、;b>　　INTTAL </b></p><p>　　BCF STATUS,RP0</p><p>　　BCF STATUS,RP1</p><p>　　CLRF W_TEMP</p><p>　　CLRF W_BUF</p><p>　　CLRE SI

78、GN</p><p>　　BSF STATUS,RP1</p><p>　　BCF STATUS,RP1</p><p>　　BCF TRISC,2</p><p>　　BCF STATUS,RP0</p><p>　　BCF STATUS,RP1<

79、/p><p>　　CLRF T1CON</p><p>　　MOVLW 0F5H</p><p>　　MOVWF TMR1H</p><p>　　MOVLW 048H</p><p>　　MOVWF TMR1L</p><p>　　CLRF INTC

80、ON </p><p>　　BSF INTCON,6</p><p>　　BSF STATUS,RP0</p><p>　　BCF STATUS,RP1</p><p>　　BSF PIE1,0</p><p>　　BCF STATUS,RP0</p&g

81、t;<p>　　BCF STATUS,RP1</p><p>　　CLRF PIR1</p><p>　　BSF STATU,RP0</p><p>　　BCF STATUSPR1</p><p>　　BSF T1CON,0</p><p>　　B

82、CF STATUS,PR0</p><p>　　BCF STATUS,RP1</p><p>　　BSF INTCON,7</p><p>　　BCF PORTC,2</p><p>　　CLRF NUM</p><p>　　CLRF VALUE<

83、;/p><p>　　CLRF NUM</p><p>　　CLRF NDEEX</p><p><b>　　RETURN</b></p><p><b>　　AAA</b></p><p>　　BCF STATUS,RP0</p>&

84、lt;p>　　BCF STATUS,RP1</p><p>　　MOVF NUM,0</p><p>　　BTFSS STATUS,Z</p><p>　　GOTO BBB</p><p>　　CLRF NUM</p><p>　　BTFSC INDE

85、X,4</p><p>　　CLRF INDEX</p><p>　　CALL TABLE</p><p>　　MOVWF VALUE</p><p>　　INCF INDEX,0</p><p><b>　　BBB</b></p><

86、;p>　　MOVF VALUE,0</p><p>　　ADDWF NUM,0</p><p>　　BTFSC STATUS,0</p><p>　　BTFSC TATS,C</p><p>　　GOTO NEXT4</p><p>　　GOTO

87、NEXT4</p><p>　　BCF PORTC,2</p><p><b>　　RETURN</b></p><p><b>　　NEXT4</b></p><p>　　BSF PORTC2 </p><p><b>　　RETU

88、RN</b></p><p><b>　　TABLE </b></p><p>　　MOVF INDEX,W</p><p>　　ADDWF PCL,F</p><p>　　RETLW 00H</p><p>　　RETLW 04H</p>

89、<p>　　RETLW 08H</p><p>　　RETLW 0CH</p><p>　　RETLW 10H</p><p>　　RETLW 14H</p><p>　　RETLW 14H</p><p>　　RETLW 14H</p><

90、p>　　RETLW 14H</p><p>　　RETLW 14H</p><p>　　RETLW 14H</p><p>　　RETLW 0CH</p><p>　　RETLW 08H</p><p>　　RETLW 04H</p><p>