包裹采集机器人设计.docx

包裹采集机器人设计摘要：此机器人参加了“中控杯”机器人实物组的比赛，包裹采集机器人对抗赛，在这一过程中完成一个全自主小机器人的机械、电路、驱动、传感、路径规划等多方面的设计与制作。本文也将从机械结构，电路设计，方案确定和建模等几个方面描述这个机器人。关键词：机器人 机械 电路 设计 原理0. 引言本机器人为比赛作品，所以要满足一下的比赛要求：主题：“同一个世界，同一个梦想”。 2008年是奥运年，与此同时，火炬传递工作正在全球进行着。火炬传递地点分为主办国所在洲和其他四个洲。火炬分为普通火炬和特色火炬。当一方先将普通火炬传递到标有本队颜色的其他两个洲并将两个标有本队颜色的特色火炬传递到主办国所在洲则称为“火炬传递成功”，比赛提前结束。 比赛场地： 图1.01比赛场地为木板，涂有黑色亚光漆。 1. 为400cm400cm的矩形区域，涂有黑色亚光漆。 2. 区域两侧围有5cm高的围栏 3. 区域内用白线分为1010个方格，每个方格尺寸为40cm40cm，白线用白色双面胶粘合而成，宽度为2.5cm。 4. 18个待传递火炬放置在区域内的18个点上，具体位置见图1中红色、蓝色和黄色方块标志。该标志只表示包裹放置位置，实际场地上没有此标志，而是直接放在白线交点处。黄色标志处放置普通火炬，红色方块处放置红队火炬，蓝色方块处放置蓝队火炬。 2. 比赛场地由“五大洲”和“启动区”组成。 1. 中心区“亚洲”：尺寸为80cm80cm，颜色为绿，此区域为特色火炬收集区。在正对红队和蓝队启动区的方向有长120cm，高3cm的白色围栏，位置如图1中紫色粗线标注。该紫色标志只表示围栏的位置，实际场地上没有此标志。 2. 其他四个大洲：红色的美洲和非洲是红队普通火炬收集区，蓝色的欧洲和大洋洲是蓝队普通火炬收集区。对场外的两侧围有10cm高的围栏，面向场中央两侧没有围栏。 3. 所有围栏内侧涂有白色亚光漆。 4. “启动区”：启动区尺寸为30cm30cm，如图中标有“红队”和“蓝队”的区域所示。 3. 比赛场地水平放置。 4. 实物场地尺寸与规则中所标注的尺寸可能存在2cm的误差，实物颜色可能与规则中的颜色有一定色差。 5. 由于场地由木板拼接组成，拼接之处可能会存在拼缝，机器人应能适应场地可能存在的轻微起伏，起伏高度不超过3mm。 火炬:1. 火炬为边长54mm的立方体，重量约60克。 2. 场上共有16个火炬。 3. 火炬分为火炬分为特色火炬和普通火炬。特色火炬分为红色和蓝色，分属于红队和蓝队，普通火炬为黄色。 4. 火炬的实际尺寸与规则中标注尺寸可能存在5mm误差，重量以实物为准。机器人:1. 每队只能制作一个机器人。 2. 比赛开始前，机器人尺寸不能超过300mm300mm300mm，启动后体积不限。 3. 机器人重量不能超过8kg。 4. 机器人所用电源电压不得超过24伏，也不能使用组委会认为有危险或不合适的能源。 5. 机器人必须是完全自主机器人。不允许从机器人分离出任何物品，包括另一台自主机器人。 6. 机器人必须一次操作启动。 7. 一旦机器人启动，参赛队员不能接触机器人。但是，某队叫“重试”且裁判允许后，全队均可在启动区重新设置和启动机器人。 针对上述要求，我们开始设计机器人，以达到使用目的。【1】1. 机器人的外观、结构以及元件分布1.1机器人的外观效果图图1.1（斜轴向） 图1.2（俯视图） 图1.3（仰视图）1.2机器人的各个部件位置示意图图1.4（1）左右支持底盘（2）驱动轮（3）弹射板（4）驱动电机（5）电路板、蓄电池等电路元件放置（6）收集装置（7）支架、小电机（8）木块进入车内的扫板（9）万向从动轮（10）底板图1.51.3各部件功能及加工图（1）底板此底板是用铝合金材料用来做左右支撑，首先按照图上的尺寸进行打孔，然后变形成九十度。图1.6（2） 左右支撑板图1.7同样是用铝合金材料做成T型，按照图纸进行切割后，使得弹射板上的凸起可以粘接上。除了连接弹射版，还要上面放置驱动轮（3） 弹射板图1.8这块弹射板上面要储存多个木块，而且还要在工作前设定好弹射的方向，同样是用铝合金制作（4） 弹射小开关图1.9工作时，钩子要钩住弹射板，开关旋转一个角度后，即能绕着销进行弹射，此材料是铁。（5） 扫动支架 图1.10作为扫动件的支架未列出的组件：电动机（带减速器），玩具轮胎万向轮，电磁铁【2】2. 电路部分要求：给传感器提供电源，使其工作，通过感应黑白网格线路，向单片机传输信息，从而确定行走路线。控制电机的驱动，包括正反转，舵机，完成小车的行走，扫动件，电磁铁工作2.1电路原理图图2.12.2 PCB图 图2.22.3单片机ATmega8515L（dip封装） 高性能、低功耗的 8 位AVR 微处理器 RISC 结构 130 条指令 大多数指令执行时间为单个时钟周期 32个8 位通用工作寄存器 全静态工作 工作于16 MHz 时性能高达16 MIPS 只需两个时钟周期的硬件乘法器 8K字节的系统内可编程Flash，擦写寿命: 10,000 次 512 字节的EEPROM，擦写寿命: 100,000 次 512 字节的片内SRAM 达到 64K 字节的可选外部 存储器空间 可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密 具有独立预分频器和比较器功能的8 位定时器/ 计数器 一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16 位定器/ 计数器 三通道 PWM 可编程的串行USART 可工作于主机/ 从机模式的SPI 串行接口 具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器 片内模拟比较器 上电复位以及可编程的掉电检测 片内经过标定的RC 振荡器 片内/ 片外中断源三种睡眠模式: 空闲模式、掉电模式及Standby 模式工作电压2.7 - 5.5V 【3】引脚设置： 图2.3PB0-PB4: 预留管脚PB5、PB6、PB7、PD0: 接isp下载口PD1-PD7: 接LED指示灯XTAL1(19),XTAL2(18): 外接晶振PA0-PA5: 外接电动机PA6,PA7: 预留管脚PC0-PC5: 外接传感器PC6： 预留管脚PC7: 外接电磁铁驱动电路PE0-PE2: 预留管脚RESET、GND、VCC分别接复位电路、地、电源2.4稳压电路 图2.4Header2接12V直流蓄电池，VCC处为5V直流稳压电压输出2.5 isp下载电路10针接口，接isp下载线的接口，如图2.52.6传感器电路与安装图2.624针header中，每四针为一组传感器（如：1，2，3，4为外接一组传感器），共六个，可变电阻调节传感器灵敏度，DB0-DB5接到单片机相应管脚传感器选型普通光电传感器 图2.7接法： 图2.8所有传感器均只分辨黑白两种颜色，不做强度检测2.7复位电路图2.9 【4】按下触动开关后即可给单片机上电复位，低电平复位2.8电磁铁驱动电路 图2.102针header接电磁铁的两个头若PC.7输出高电平，三极管导通电流流过电磁铁若PC.7输出低点平，三极管截至，电磁铁不工作电磁铁上的二极管起到保护电路的作用2.9 8M晶振 图2.112.10电机驱动电路图2.12中三个芯片是电机驱动芯片LG9110，P5六针header接三个电机（1，2脚接一个，类似），IB,IA为pwm波形输入。2.11 LED指示灯 图2.133. 工作原理3.1小车的运动靠四个轮子，两个驱动轮，两个从动轮，转向靠驱动轮分别驱动完成。收集木块：扫动件通过电机驱动转动，按规定路线行进的小车会把沿途的木块收入车中，并放在弹射架上，然后再按照预定路线行进将其弹射到指定区域。弹射控制：弹簧预紧在小车启动前应该设置好，当小车将木块收集好后，在指定的区域，单片机会给小车的继电器信号，信号到后，将把收集好的三个木块一次性进行弹射。3.2机器人所具备的功能（1）能通过传感器感知周围的环境。（2）单片机的程序处理信号，并通过相应针脚输出信号到指定位置。（3）电动机接受信号驱动轮子转动，使车能正常行走，不打滑、不停滞，速度适中。（4）扫动机构能保证能扫进每个木块到弹射板上（5）弹射机构应准确接受信号后弹射，弹射的落地点应较为精确，不至于使木块没落到中央区域。（6）整车重量不宜过轻。由于此次场地的特殊，期间与对方车辆的碰撞的概率较大，为了不失去方向，所以应把车做的较重，从而改用功率较大的电机。（7）电路部分的保护。碰撞时候为保证电路以及驱动轮万向轮的安全，故支撑板的外部有垂直挡板挡住敌方进攻。3.3路线图此比赛实际上是不光是要把木块成功的运输成功，而且还要尽可能的组织其他队的机器人的运输。所以我们采用了两个方案来对付不同的机器人组。对于机器人速度较快的队伍，采用方案1，对于机器人速度较慢的队伍，采用方案2.方案一图3.1图3.2假设车的头尾如图3.2定义过程如下：头部向前，收集储存第一个黄色木块，达到破坏对方直接取胜的目的左转，头部向前，收集储存第一个红色木块左转，头部向前，收集存储第二个红色木块，启用弹射触发开关，把这三个木块全部投入中央区域不转弯，直接尾部向前，收集第一个黄木块左转，接着收集木块，推入己方区域倒车左转，按照图示方向收集木块推入自己区域倒车等待结束方案二图3.3尾向前行走将左方黄色木块 推入己方区域不转弯，直接倒车，头向前，收集第一个木块储存好，同时降低了对方直接取胜的可能性左转，收集第一个红色木块储存左转，收集第二个红色木块储存，将这三个储存好的木块弹入中央区域不转弯，直接尾向前将三个黄色方块推入己方区域4. 创新点弹射板块：针对比赛的特殊性，机器人采用一次性弹射的方案，应付了中央区域围墙的阻挠，同时省去了走入中央区域的时间，提高了实际行走的效率双头行走：即一端用扫帚搜集木块进入储存区，令一端用伸出杆收集，这样就省去了倒车的时间，也减少了程序出错的概率.5. 总结 此机器人看似简陋，但实际上在设计制造过程中遇到了许多困难，一些可以购买的，比如电机和电磁铁由于事先设计时错误的估计尺寸，导致要重新修改。一些材料的选择也比较伤脑筋，在金工中心加工的部分材料由于事先没有做好预计，使得安装时还要进行调整。编程和电子电路知识的缺少，使得方案的实现比较困难。 此机器人虽然为比赛使用，传感器只能分辨场地的黑白颜色，但是也有实际的应用价值。如果合理的采用适合的传感器，再将机械机构设计的精密一些，使得运动精确，并根据实际情况编程出行走方案，完全可以用于办公地点底板杂物的清理，我们还构想使得其可以用于乒乓球场馆的乒乓球自动收集。实物图说明：此机器人为“中控杯”实物组比赛作品，在比赛前，本人并没有参加此项目，后来一同学由于中途退出，我顶替他进行了机械结构的设计，电路和编程主要由小组其他成员完成。此论文为尹旭（3050821006）撰写（40%），另一位成员为周