（通信与信息系统专业论文）基于arm的履带机器人控制系统设计.pdf

哈尔滨理- 1 2 人学t 学硕l j 论文 基于a r m 的履带机器人控制系统设计 摘要 履带式移动机器人是一个综合性的系统，它集运动控制和执行、外界环境 感知、智能规划和决策于一身，涉及到人工智能、电子电气、机械构造、计算 机、传感器、自动化控制等多方面学科的研究，是现在世界上理论科学与工程 实践所结合的最为活跃的学科之一，已经广泛的应用在服务、军事和工业之 中。 本论文应用了嵌入式相关技术、传感器采集数据技术、电机控制技术以及 无线通信技术，设计了一种小型的履带式移动机器人，它具有在野外或是高危 环境下收集数据并将数据传输到上位机进行处理的功能。 在微处理器的选用上选择的是a r m 7 的l p c 2 1 3 2 作为核心处理器：在运 动结构上选用的是履带式移动装置，能够为机器人的稳定行进提供保证；系统 应用了各类传感器如温度传感器、视觉传感器、红外传感器、光敏传感器以及 气体传感器等作为感知和收集外界环境信息的元器件；在动力上使用的是直流 电动机，它能给履带的移动以及向各方向的转动提供动力；应用了基于r f 4 0 1 无线通信单片机为基础的无线通信模块。 控制系统采用模块化的结构设计，包含有主控模块、传感器数据采集模 块、控制模块和无线通信模块，并设计了微处理器的应用电路、传感器输入输 出接口电路和电机控制电路等，使机器人能够完成在控制系统方面基本的要 求。 关键词机器人；传感器数据采集；无线通信；直流电机 哈尔演理t 人学t 学硕i j 学位论文 d e s i g no nc o n t r o ls y s t e mo fc r a w l e r r o b o tb a s e d o na r m a b s t r a c t c r a w l e rm o v e m e n tr o b o ti sac o m p r e h e n s i v es y s t e m ，t h es y s t e mi n c l u d i n gm a n y f u n c t i o no fm o t i o nc o n t r o la n de x e c u t i o n ，p e r c e p t i o ni nt h ee x t e r n a le n v i r o n m e n t ， i n t e l l i g e n tp l a n n i n ga n d d e c i s i o nm a k i n g i n v o l v e sv a r i o u ss u b j e c t so fa r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e ，e l e c t r o n i c ，m e c h a n i c a ls t r u c t u r e ，c o m p u t e r ，s e n s o r ，a u t o m a t i o nc o n t r o l ， e t c i ti so n eo ft h em o s ta c t i v ed i s c i p l i n e si nt h ew o r l d ，c o m b i n e st h e o r ys c i e n c ea n d e n g i n e e r i n gp r a c t i c e h a sb e e nw i d e l yu s e di ns e r v i c e ，m i l i t a r ya n di n d u s t r i a l t h et h e s i sa p p l i c a t e se m b e d d e dt e c h n i q u e s ，s e n s o r sc o l l e c td a t at e c h n o l o g y ， m o t o rc o n t r o lt e c h n o l o g ya n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，d e s i g nak i n do f s m a l lc r a w l e rm o v e m e n tr o b o t i tc o n t a i n st h ef u n c t i o no fc o l l e c t i n gd a t ai nt h ew i l d o rh i g h r i s ke n v i r o n m e n ta n dt r a n s f e r i n gt h ed a t at ot h ep c t h es e l e c t i o no fm i c r o p r o c e s s o r si sl p c 2 1 3 2o fa r m 7a st h ec o r ep r o c e s s o r t h es y s t e mc h o o s e sc r a w l e rm o b i l ed e v i c ea st h em o v e m e n ts t r u c t u r e ，g u a r a n t e et h e s t a b i l i t yo ft h er o b o tm o v e m e n t v a r i o u ss e n s o r sa p p l i c a t e di n t h es y s t e m ，s u c ha s t e m p e r a t u r es e n s o r , v i s u a ls e n s o r , i n f r a r e ds e n s o r ，p h o t o s e n s i t i v es e n s o r , g a ss e n s o r ， e t c ，t h e ya r et h ee l e c t r o n i cc o m p o n e n t so fp e r c e i v i n ga n dc o l l e c t i n gt h ee x t e r n a l e n v i r o n m e n ti n f o r m a t i o n d cm a c h i n e sp r o v i d et h ep o w e r ，i tw i l lp r o v i d em o t i v a t i o n t ot h ec r a w l e rm o v e m e n ta n dt h ed i r e c t i o no fr o t a t i o n a p p l i c a t i o no fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nm o d u l eb a s e do ns i n g l e c h i pr f 4 0 1 t h ed e s i g no fc o n t r o ls y s t e ma d o p t sm o d u l a rs t r u c t u r e ，c o n t a i nc o n t r o lm o d u l e ， s e n s o rd a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e ，c o n t r o lm o d u l ea n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l e a n dd e s i g n e dm i c r o p r o c e s s o r a p p l i c a t i o nc i r c u i t ，s e n s o r si n p u t o u t p u t i n t e r f a c e c i r c u i ta n dm o t o rc o n t r o lc i r c u i t ，e t c m a k et h er o b o ta c c o m p l i s hb a s i cr e q u i r e m e n t s o fc o n t r o ls y s t e m s k e y w o r d sr o b o t ，s e n s o rd a t aa c q u i s i t i o n ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，d cm o t o r 哈尔滨理t 人学t 学硕l ：学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 当前，机器人应用的领域很广，很多地方都有它的身影存在。移动式机器 人在机器人学科之中是非常重要的一个方面。六十年代的时候研究移动机器人 就已经在发展了，有关它的研究分为方方面面。第一，需要选择移动的方式， 分为轮式的，履带式的和腿行走式的，在水中的机器人安装有推进器。第二， 需要分析怎样控制机器人的驱动器，使其能完成我们所希望的动作。第三，论 文里要分析机器人行进导航和行进路径的规划，特别是行进路径的规划，要分 析很多方面的情形，例如提取特征，环境映射和避开障碍等等。所以说移动机 器人是包括环境感知、动态决策与规划，驱动控制等很多的功能在一起的综合 性的系统【。 近年来，在移动机器人的研究上，专家们提出了不少最新的或者最具挑战 性的理论和工程技术方面的课题，许许多多的学者以及工程技术方面的人员对 它很感兴趣，在军事侦察、排除险情、核辐射的防护还有管人类搬运很重的材 料等方面上面有非常有前途的发展空间，世界上很多国家在机器人的研究上都 投入很大的关注【2 1 。随着我们进入九十年代，计算机与网络技术、微电子方面 的技术有了高速的发展，现在国际上全都在加大投资，加紧研究计划，在智能 化和多样化的领域有所发展，智能型的机器人，特别是小型智能的移动机器人 在民用方面和军事方面都有非常重要的意义。九十年代中期以来，移动机器人 搬运传送装置已经得到应用，没有人类的操控就可以按照设计好的路线前进， 能自动的装载与自我保护，作为关键设备应用在现在的物流系统之中。对军事 上来说，指导未来战争的高科技将充分运用到智能型移动机器人之中，成为国 防战争罩的重要武器【引。 为了让机器人越来越经济、实用、快速、智能等的想法下，本论文“基于 a r m 的履带机器人控制系统设计”，主要用在高危险情况下的数据采集和远程 控制与数据传输。在嵌入式系统思想和它的主要功能中我们能发现它能够非常 好的处理现代的移动机器人的各种复杂问题【4 l 。基于a r m 的嵌入式履带机器 人控制系统，其控制结构使机器人体形变小，达到了快速、灵活的目的，又解 决了控制系统通常应用单板机而导致的功能很少的缺点。运用其系统中的通信 模块的作用能够完成移动机器人的远程控制和远程监视等行为1 5 1 。 哈尔滨理t 人学丁学硕i ：学位论文 此论文设计的控制系统能够应用在机器人控制方面，将改变现有机器人体 型庞大而且笨重的缺剧6 1 。嵌入式系统的运用，使移动机器人的控制系统有了 质的变化，提升了移动机器人控制方面的快速性、开放性与同步性f 7 l 。 1 2 课题相关领域发展现状 1 2 1 国外研究现状 在微型履带式移动机器人的丌发上，美国在世界上处于领先地位，它研究 出单机型实验性质的无人操作机器人方案，这几年的反恐怖活动和城市问街道 作战的要求，微型智能履带式机器人的开发计划让军方非常关注【8 】。 美国投入了非常多的研究人员和物质资料在微型机器人的开发计划上，尤 其在最新型、高速度、高质量的移动机器人上【9 j 。像战术移动机器人方案中可 携带式机器人系统。这种机器人多用在巷战和救援中。伊拉克和阿富汗战争 罩，可携带式机器人系统在搜查地下洞口、坑道和大楼里面、探查拆除反步兵 地雷任务中起到了非常有效地帮助【l o l 。 i r o b o t 公司开发了微型可携带式机器人p a c k 系列，这种机器人有履带式结 构和鳍状肢，能够按照任务不同在前面或者前后两面安装一对，运用鳍状肢帮 助跨越陡坡【l l 】。p a c k 的驱动电机有三个，两个分别操作两边履带的活动，一个 用作转动鳍状肢。p a c k 有激光测距仪、立体摄像器、g p s 用在探查上【1 2 l 。 m i l l e r 公司开发了t a l o n 机器人，同样运用履带方式前进，有两个直流电 机，其通过两个链条使履带的小轮转动以让其运动【1 3 】。它的前后履带轮之l 日j 有 一个小型的承重轮，作用是承担部分的重量和改变方向时有支撑的用处，去除 履带和地面摩擦力，加强变向功能。t a l o n 重要的作用是武器型机器人，能应 用于战争中，可执行很多搜查监视行动【1 4 i 。 美国丌发的微型六自由度机器人，主要部分由本体和两个履带模块组成， 两个模块和本体在前后两个旋转节点连接，单个的旋转接点有两个自由度，一 个让机器人履带模块随本体竖着变向，一个让机器人履带模块随本体横着变向 1 1 5 1 。每个模块罩面安装两个直流电机，用来控制履带活动和竖着旋转；本体里 面有两个对称的直流电机，分别控制两个模块随本体竖着旋转【1 6 l 。其运用六个 直流电机控制自己的外形束行进于外界，在纷乱的地貌中进行检测任务【1 7 1 。 微型机器人在战争与防护形式运用中有所改变，现在的可携带式机器人智 能无人战斗机水平还处于低位，在战争中运用的方面也比较狭窄，施展不了它 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论文 在军事上的用途【1 8 l 。以后的可携带式机器人在整体构造上要有所改进，安装智 能定位控制模块，操控与独自完成任务的能力合而为一，独自完成活动的功效 会大大提高，完成活动的地域会越来越广f 1 9 i 。 1 2 2 国内研究现状 目前，我国在可携带式履带机器人方面的丌发大多数在公共安全和民用等 非战斗方向。近年来国家为了在经济的快速成长，在这种微型机器人的发展上 成果非常显著i 矧。 中科大精密机械和仪器系开发了一种微型的独立的包括轮式、履带式等很 多翻越障碍方法在一起的综合性翻越机器人，其中有本体、行进部分、旋转翻 越结构三个部分：本体的作用在于装配稳定个机械零件；行进部分有4 个驱动 转轮与两个直流电机和降速连接传送部分构成，驱动转轮中直流电机蜗轮降速 器驱动，两个直流电机相对控制翻越障碍机器人的两边的轮子，两边的小轮运 用差动的方法以达到改变方向的目的【2 l 】。旋转翻越障碍的部分构成分为4 个在 纵向平面里3 6 0 。度变向的手臂与两个直流电机加上降速连接传送部分，当面对 翻越障碍时，旋转手臂能够与行进机械部分共同运作实现翻越障碍【2 2 i 。这种机 器人安装有c m o s 探头、红外线感应装置、超声波感应装置等，等够应用于 探查与监视。 北航大学研究所与北京相关的公司共同开发策划，对于在我国发展比较慢 的微型排爆机器人的方面进行研究，共同研制了r t 3 微型排爆机器人与t o r 中型排爆机器人【2 4 l 。对于困难的狭小地形研究开发的排爆用途的微型机器人， 能够非常好的补充大型机器人巨大、行动不灵活等困难1 2 5 1 。r t 3 型距地面高度 只有8 c m ，能够装备探测头等各式各样的探测装置，行进在车辆下面、宴会厅 的桌下面进行探测工作【2 6 】。时间紧迫时，工作单位能够运用车辆及用手提式将 机器人运至现场，以最快的速度进行任务1 2 7 1 。 t o r 中型的排爆机器人作为行进速率很高的一种排爆机器人，运用履带式 结构进行移动能够在城镇问的道路上行进并翻越障碍，像攀登梯子、道边沿 等；在开发时考虑了大型机器人的搬运作用与微型机器人的行动快速性，体重 大概为5 0 k g ，其装配有一个多自由度旋转机械臂，整个伸开时能够提举6 k g 的 重物，最快的行进速度能够达到1 2 m s ，它的体积在车辆内部和飞机内部执行 排爆行动时很有潜力【2 8 i 。 现在看来，我国对于可携带式机器人的丌发虽然得到了很多成果，可是在 喻尔演理t 人学t 学硕i ：学位论文 整体上依然处在刚开始发展的阶段，技术上大多也只是在国外的同类型机器人 进行仿造研究，与其有关的资料知识研究很有局限，还有传感器和机械构造方 面的知识技术开发被其他发达国家甩在后面，很多原因牵制着国内微型机器人 的开发【2 9 i 。就现在的形势看来，我国的微型机器人发展前景还是很乐观的。 1 2 3 机器人的未来发展趋势 1 2 3 1 开发便携式和履带式机器人的运用领域现在可携带式履带机器人在公 共安全方面主要用在监控、反恐、排弹、灭火、搜查等；在军事战争方面用在 探测地洞、大楼内部、扫雷、排除障碍物、探测生化毒品等；很多的作用仍不 能够填补现在每同剧增的生产需要与战斗需要，所以，世界上很多国家已经在 大力发展微型履带式机器人的应用领域，其中有将其应用在家里内部进行服 务、科学上代替人类进入危险地带采集数据、外出时为人类服务以及在战斗中 完成破坏目标的探测、导弹发射、运送伤员、联系通信设备等。 1 2 3 2 在实战中运用的便携式履带机器人现在，可携带式履带机器人对于军 事上和生活上没有大范围的运用，原因是这种机器人的成本太高，就像一台 p a c k 机器人价格为5 万美元左右，尽管美军在战争中运用过它，可是它的成本 过于大，美军没有应用很多【3 1 i 。怎样才能使机器人的价格降下来，将其运用在 同常生活中才能够使机器人的用途得到全方面的开发【3 羽。 1 2 3 3 提高便携式履带机器人和另外的型号互相的协作功能独立的微型履带 机器人能够进行的工作很少，想要提升工作效率，使机器人在各种复杂的情况 下工作，比如地上、地下、水底与空间中，多种类型的机器人需要团结协作， 增强他们之间的相互合作的功能，信息间的相互交流、传送、处理和人机接口 的关键技术p 3 i 。 1 2 3 4 想办法加强便携式机器人行进的速度与行进的稳定度机器人能够依据 外面的情形改变自主改变行进的角度帮助翻越障碍，进而提高其行进的速度； 还有机器入可以更好的提高它的行进稳定度，像是机器人可以以提高防摔防冲 功能，完成工作时被砸被摔不容易破损【3 4 i 。 1 2 3 5 研究通用机器人与“即插即用 功能在机器人主体上安装各种“即插 即用 的装置，能够降低专业类犁机器人的个数，加强基础机器人的功能，能 够在很大程度上提升机器人的j ：作效率，减小它的运用与维修价格f 3 5 i 。例如美 困的c o u g a r 机器入运用“即插即用 攻击功能，能够发射很多的致命与非 致命武器，比如导弹、火箭、橡皮子弹等，在不同情况下，操作人员可以迅速 哈尔滨胖t 人学t 学硕i j 学位论文 更换不同的武器而应付各种需求【州。 1 2 3 6 加强机器人的智能性可携带式履带机器人可控的距离比较近，当其在 危险度很高的地带工作时，工作人员的人身安全程度低，操作机器人的专业人 员必须进行专业培训，所以要求加强微型履带式机器人的智能性【3 7 l 。 1 2 3 7 运用标准化、网络化、模块化机器人安装了通信模块，远程操控其做 数据信息交换时，应用标准化接口技术，能够让便携式机器人有更好的控制性 能，会有通信系统清晰传输各种数据，维修和兼容性更好1 3 8 】。 1 2 - 3 8 应用商业现货与开放式系统机器人在研发安装时最好运用标准商业化 器件【3 9 】。这样的话能够减少微型履带式机器人在价格上、制造时间等的成本， 而且替换机器人各部件也会更加的方便快捷m 1 。 1 3 本文的主要研究内容 本文设计一种履带式机器人控制系统，主要研究内容如下： 1 研究移动机器人系统的硬件实现及核心处理器的控制，简要了解通信 模块的性能和各传感器，了解直流电机的工作原理及其控制方法。 2 研究设计控制系统各部分电路的原理图。 3 简要了解g c o s i i 在l p c 2 1 3 2 上的移植，完成控制系统部分的软件设 计。 哈尔滨理t 人学下学硕i j 学位论文 第2 章移动机器人控制系统总体设计 本论文中设计的履带式机器人控制系统是包含传感器数据采集、数据无线 传输和直流电机驱动为一体的系统。本章将介绍履带式机器人控制系统的设计 要求、各模块方案及实现的功能，并对该系统的总体结构、器件选择和工作原 理进行阐述。 2 1 移动机器人系统结构 移动机器人在不同的工作领域，各自的功能不同，之问区别很大。基本的 移动机器人系统仍然要有主要的几个方面：机械设备、直流电机、驱动方式、 机器人装备上的传感器和根据不同情况进行控制的软件系统。 1 机械设备机器人的机械装置是其硬件平台，各种不一样的机械部分 都可以称作机器人。上漆与焊接等工作由关节手臂来完成，厂子罩面的机械零 件由起重机与运输传送来完成，开采矿石的泥土和石料由大型机器人来搬运完 成。总的来说，机器人需要一种智能形式，它们最基本的动作是行动。履带是 机器人行动时从一处到另一处的机械装置，它还必须要靠电力使转轮在接到命 令时转动起来。机械设备一般有电机、驱动机制、电源系统与控制系统等。 2 电机机器人的移动需要电机来赋予机械运动，编写不同的程序可使 机器人执行不同的命令，比如搬运货物、零件、工具或是设备等。电机效率的 级别表示了消耗电能转化为机械能的数量。现在的机器人技术罩面不少都被应 用在大量的机械设备中，电机中经常用到的有直流电机、交流电机、步进电机 等。其中伺服电机作为一个闭坏的控制系统，当信号到来它接收到时，能够自 动进行调整，一直调整到和接受的信号匹配为止。伺服电机大多应用在无线电 设备控制的车辆与飞机上，是一种包括传动的装置与反馈控制系统在内的基本 的简单直流电机。 3 驱动机制驱动机制的含义是将电机的机械运动转化成我们所需要的 速度和方式，经常用到的驱动机制一般有其中包含了齿轮与链条的机械平台， 还有滑轮、皮带与变速箱。 4 传感器传感器的作用是能够使机器人在瞬间测量中快速的做出相应 的反应。大部分的系统之中对于时问的感知一般都是在电路中与编程中内建 的。如果要在实用之中捌有生产性，机器人本身不但要感知软硬件，还必须能 哈尔滨理t 人学t 学硕l j 学位论文 够迅速的更新。无论传感器软硬件怎样，感知与传感器能够作为和外界发生事 件的交互。交换器和传感器两个词往往都被交替的使用，交换器的含义是一种 传感器的机制亦或是一种元素，传感器能够把测量到的能源转化为其他一种能 源形式，它用来接收外界能源并且传送发送个信号到显示屏或是计算机上。 传感器可以用变换器把输入的信号变换成为机器人能够使用的模拟或数字形 式。 5 软件系统目前有专门针对嵌入式系统设计的软件系统，世界上很多 的开发硬件的公司都为自身的嵌入式系统开发研究专用的操作系统。而且有好 多以私人的或团队的形式开发了专门针对嵌入式系统的操作系统，其源代码是 开放的，例如有名的l i n u x 操作系统、g c o s i i 操作系统等。 2 2 移动机器人的运动控制 2 2 1 移动方式 移动机器人是智能机器人中智能最高的机器人，它可以在动态环境中无须 人工干预便自主完成从起点到终点的行驶任务。在机器人行进方式上来看大致 可分为轮式、足式、履带式等。其中的轮式它在结构上有很强的机动性，但是 适合的范围只有比较平的地带。足式的机器人的结构与其他类型相比比较复杂 而且行进起来非常缓慢。在这之中履带式机器人拥有稳定的运动结构、上坡机 动性强、行进平稳等特点；改变了轮式机器人跨越障碍与沟渠的能力差的弊 端；两边并行的履带式机器人行进方式和坦克相似，在行进能力与地貌适应性 上都有了很大提高。这类的机器人既可以纵向行驶，也能够运用履带差动进行 原地转动。每一边的履带上有两个驱动轮驱动，两边的履带速度就由它们来控 制，做出各种基本动作。其特点有构造简单，制作方便，旋转半径小等；驱动 电机给予机器人行进的动力，还有旋转动力等。 2 2 2 电机驱动控制系统 履带式机器人的动力系统如图2 - 1 各结构构成。电池b a t t e r y l 作用是提供 电力给控制电路，电池b a t t e r y 2 提供电力给电机驱动。处理器的作用是利用电 机驱动来进行电机运动的控制。光电码盘的作用是用来反馈电机的各种运动情 况。电机驱动和微处理器之问的双向箭头含义是反馈电机的电枢电流。微处理 哈尔滨理t 人学t 学顾l j 学位论文 器控制两边履带的行进以达到对履带式机器人运动控制的目的。两边履带装备 了反馈设备，用来反馈信息，如速度和位置等。控制器依照两边运动设定值及 设备反馈回来的信息，用不同的控制策略分别对两侧4 个电机进行控制，这样 机器人就会按计划行进。 图2 - 1 机器人小车动力系统结构 f i g 2 1r o b o tc a rd y n a m i cs y s t e ms t r u c t u r e 2 2 3 硬件实现 2 2 3 1 底盘履带式机器人底盘的构造应用的是积木式套件的一些零部件。这 钟类型的机器人特点在于类积木化、可安装，可以把每个部件用有孔的基板、 铜柱，还有螺丝与螺母等快速简单的装配起来，它的扩展性能很好，安装简 单。基板作用是各式的机械结构的安装母板，它的下方安装电机，上方安装电 池与控制电路板等。 2 2 3 2 电机履带机器人的体积限制和功耗大小，应该使用体积和功耗都小的 直流电动机，其中励磁磁通是一定的数值。控制系统之中，一般束说常用电压 来控制信号。转矩固定的时候，端电压的高低和电机转动速度之间的关系是线 性的，变换电压的极性，电机转动的方向就会改变。电机部分还有与电机连接 的降速齿轮箱，其作用是用来加大输出力矩，并且减小输出转速。选择电机首 哈尔滨理丁人学t 学硕l j 学位论义 = = = = ! 喜皇= 喜詈= = i i 葛i 詈詈詈詈詈詈詈詈詈暑暑詈皇暑詈詈詈詈詈詈詈暑詈昌昌暑暑暑暑詈詈暑昌詈暑詈昌暑詈暑昌昌暑暑皇詈! 曼! 詈置量寡詈詈詈詈詈詈詈詈詈摹詈詈詈詈詈詈! 詈詈詈詈詈鲁暑詈鼍詈一 先要进行机器人的负载计算。在这之前先写出部分的参数，如表2 - 1 所示： 表2 1 机器人小车部分参数1 t a b 2 - 1s o m ep a r a m e t e r so fr o b o tc a r1 参数数值备注 机器人质量：m 2 k g 估计 主动轮、| ，径：r 3 4 m m 估计 小轮与地嘶静摩擦系数：p o 3 5 估计 齿轮箱变速比：n3 0已知 齿轮箱效率：1 1 8 0 估计 传动效率：l 0 7 2 估计 需要最高速度：v 4 0 0 m m s估计 根据履带式机器人参数计算电机负载： 静摩擦力： f 一旧 n g 一0 3 5 2 9 8 = 6 8 6 n ( 2 1 ) 驱动轮力矩： 一f 。：r = o 2 5 6 8 6 x3 4 5 8 3 1 m n 。朋 ( 2 - 2 ) 每个电机的力矩： 一( n i r ) f f i5 8 3 1 ( 3 0 x 0 7 2x 0 8 ) - 3 3 7 m n m ( 2 3 ) 最高电机转速： 万一旦6 。n 一万4 0 面0 x 6 0 3 0 一3 3 7 0 3 r p 肼( 2 - 4 2 z r ) 纫3 4 7 按照要求，经研究选择p c 2 8 0 1 6 2 1 0 微型直流电动机，并接着求出另外 想要的参数值，电机参数如表2 2 所示： 表2 22 8 0 微型直流电机参数 t a b 2 22 8 0m i n i a t u r ed cm o t o rp a r a m e t e r s v o l t a g en ol o a dm a x l m u me f f i c i e n c y m o d e lo p e r a n o n t n a l s p e e dc u r r e n ts p e e dt o r o u e r a n g e r p ma r p mq c m m n m p c 2 8 0 6 0 v 1 6 2 1 0 3 0 1 2 o 6 0 0 0 o 0 74 2 6 0 1 8 0 31 7 7 c o n s t 根据公式2 5 得出： 9 哈尔演理t 人学t 学硕 j 学f 征论文 _ ，；堕+ ，。k7 u( 2 - 5 ) 将已知的性能指标中的空载电流j o = 0 0 7 a 代入，与在最高效率时的电流 j r10 2 8 a 与力矩t1 7 7 m n m 得到力矩常数： k ri8 4 3 m n m a 依据： n = 一l r 、 k 蚰时 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 将己知的性能指标里面的空载和最高效率时的转动速度和电流值代入，写 出方程组，最后可以得出： 电枢电阻： 电动势常数： ，i7 5 6 q k 的m f 1 0 9 1 2 v 1 0 0 0 r p m 电机的详细参数如表2 3 所示： 表2 - 3 机器人小车部分参数2 t a b 2 - 3s o m e p a r a m e t e r so fr o b o tc a r2 ( 2 8 ) ( 2 - 9 ) 测越参数 单位 p c 2 8 0 1 6 2 1 0 i ：作电爪范罔 v 3 1 2 本系统提供的最高电压：u v7 2 空载转速 r p m 6 0 0 0 堵转转矩：t s t a l l m n m8 0 3 空载l 也流：1 0a 0 0 7 电动势常数：l ( b e m f v 10 0 0 r p m0 9 1 2 转矩常数：k t m n m a8 4 3 电枢电阻：rq 7 5 6 各个电机的输出力矩： 此时的电枢电流： 电机转速： t m 一3 3 7 m n m t m 【l ，一- - 妻；+ i of f i 丽3 3 7 + o 叭叫7 爿 ( 2 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 ，l ：u - r ；7 2 - 0 4 7 7 5 6 ；4 0 0 0 r p m 3 3 7 0 3 r p ，刀( 2 12 ) 丹= 一昌一= )删一z - k 铯m f 0 9 1 2 、 电机是机器人进行运动不可缺少的器件，对电机进行不同编程后机器人会 按照程序的指令进行搬运货物、器件、工具或大型设备。 电机的效率等级所表示的是有多少电量能够转化为机械能。机器人技术目 前经常被使用在机械设备中，常用的电机包括有直流电机、交流电机和步进电 机。 伺服电机是闭环控制系统，它可以在接收信号的时候进行自我调整直到与 该信号匹配。伺服电机有传动装置和反馈控制系统的简单的直流电动机。 机器人底盘左右两边的履带各装有两个小型电机，电机和履带装配完成如 图2 2 所示： 图2 2 装配好的小车底盘 f i g 2 - 2a s s e m b l yg o o dc a rc h a s s i s 2 2 3 3 电源装配履带式机器人的过程中，我们可以发现，应用同个电源 给电机与处理器供电的时候，因为电机之中的线路引起的噪声比较大，可能会 出现比较大的影响对于处理器方面，可能出现误触发中断而引起的状况。为了 避免这种情况，电机和电路的控制系统部分以及它的驱动部分可以用两个分别 的电源，可以解决电机所产生的电流噪声影响数字电路的问题。 1 电机及驱动部分电源电机和它的驱动部分所消耗的电量占全系统消 耗电量的大部分，这样就要求电源能够有充足的电量提供给履带式机器人使其 行进时问更长，另外要求电压必须稳定，这样才能供给电机以用来驱动电路。 按照上方的推算，如果每个电机的电流需求是4 0 0m a ，那么4 个电机的电流 需求就是1 6 0 0m a ；再已知驱动电机所用的芯片为l 2 9 8 n ，它在工作时所需的 电流小于5 0m a ，最后估算出这部分电流的总和大概不超过1 7 0 0m a 。 哈尔滨理t 人学t 学硕f j 学位论义 我们为系统选择了电量总容量是1 3 0 0 m a h 的1 2 v 的能够充电的镍氢( n i m h ) 型电池，它连续工作时间可以在一小时以上，最高的放电电流能够为 3 c ，即3 9 0 0 m a ，能够达到我们的要求。还有就是这种电池的能量密度大约是 生活中常用到的n i c d 型电池的1 5 倍，故此体积和重量上都比较小。电机在 正常工作时，它所需的电压是7 2 伏左右，镍氢型充电电池组可以提供电量给 电机。 2 控制部分电源机器人的控制部分大多都是需要电量很少的数字电 路，处理器核心板、光电编码器等需要由电源供电。 控制部分同样要求使用s p x l l l 7 m 3 3 3 芯片转换为3 3 v 的稳定电压，适用 于微型处理器的i o 口与内核电压，由s p x i i l 7 m 3 3 3 芯片所转换的电压等够 给控制部分提供所需的3 3 v 电压。 2 3 控制系统总体设计方案 2 3 1 移动机器人系统组成 移动机器人控制系统 图2 - 3 移动机器人系统组成框图 f i g 2 3m o b i l er o b o ts y s t e mc o m p o s i t i o nd i a g r a m 履带式移动机器人系统的构成大概分为三个部分：机器人的机械结构、机 器人的控制系统与远程监控平台，如图2 3 所示： 履带式机器人的构造主要由两侧履带的差动式驱动而构成的机器人的底盘 构造，应用这样的设计方式能够让机器人有很强的翻越障碍和攀上陡坡的功 呛尔滨理t 人学t 学硕f j 学位论义 能。履带式机器人的控制系统应用的是分部分的模块化设计，主要有主体控制 模块、无线通信的模块、传感器数据采集模块与直流电机控制电路模块。 1 机器人感知外界情况主要依靠传感器来完成，这罩应用到的传感器主 要有温度传感器、视觉传感器、红外传感器、光敏传感器与气体传感器等。 2 主体控制模块相当于机器人的头脑，主要作用就是按照不同情况安排 任务，处理传感器所搜集的外界信息以对外部环境进行了解，从而将最终的命 令发给执行命令的部分。 3 视觉模块对于机器人来说同样是重要的感知部分，外界大约有8 0 的 信息是从视觉模块部分得来的，机器人如果想加强理解性、拥有更加智能和独 立的能力，视觉模块是不可或缺的一部分。 4 直流电机控制电路和其配套的机械构造作为机器人执行命令的部分， 主要作用是收到主体控制模块的信号，并且驱动机器人进行相应的动作。 5 无线通信模块作为机器人和远距离遥控的上位机之间进行数据传输的 平台，主要用来收到远距离上位机发送的动作命令，又把机器人搜集到的外界 信息与自身的状况消息传给远距离的上位机，这样就能够完成远距离上位机的 实时控制。 远距离控制平台主要作用是发送动作命令给机器人，而且把机器人的自身 情况与外界信息显示在显示器上，需要的话还可以把重要的信息保存在电脑 里，等待下一步的详细数据分析。 2 3 2 主控平台选择 简单的微型系统大多使用前后台系统。应用程序在运行时它的循环是无限 的，在这个循环的过程中可以调用相应的函数来应对不同的操作，这一块作为 后台行为。在异步事件发生时使运行中的服务程序中断这一块作为前台行为。 当信息到来时前后台系统处理它们的实时性可能比实际应用中要差。g c o s i i 作为完整的操作系统，能够移植的、能够裁剪的并且可以剥夺的多任务的实时 的内核，应用编写而成的语言足a n s i c ，其中还含有一些汇编语言的代码，让 此操作系统能够在不一样构造的微处理器上面应用。并且它运用了可剥夺型实 时内核，确保了系统对外界快速响应的时间。应用这种内核，我们就能够知道 最高级别的仟务什么时候能够执行，什么时候能够有c p u 的使用权，这种内 核优化了让任务级别的响应时间。g c o s i i 内核我们可以把它当做是调度很多 不同任务的机器，并在它身上增加和加强了与多任务操作系统之间有关系的服 哈尔滨理t 人学t 学硕 ：学位论文 务，像管理信号量、消息队列和时间延时等。 2 4 本章小结 本章从应用需求的角度分析，根据系统所要实现的功能来设计机器人控制 系统的各模块方案。然后对各模块方案经行整合提出系统的总体方案，最后对 系统的工作模式及工作原理进行了介绍。 哈尔滨理t 人学t 学硕f j 学位论义 第3 章移动机器人控制系统的硬件设计 系统的硬件设计是整个系统的基础骨架，其它的设计都建立此基础之上。 硬件设计的优良不仅能抵抗各种干扰，而且有利于系统软件的设计。移动机器 人控制系统的硬件分为几个部分：主控模块、传感器数据采集模块、运动控制 模块和无线通信模块。本章将分别详细介绍这几个模块的组成、原理图与工作 原理。 3 1 控制系统硬件组成结构 整个履带式机器人最重要的部分就是它的控制部分和驱动部分，能够控制 履带式机器人本身全部的运行状态。本论文使用了l p c 2 1 3 2 微处理器，它是 其中的一种a r m 7 的微处理器。它的特点是低功耗，而且是小封装；其中包 含有两个3 2 位定时器，9 个外部中断，还有十位的d a c 与4 7 个g p i o ，这使 它们能够被使用在工业控制上或者是被使用在医疗系统里面。而且此微处理器 有能够发出p w m 信号的7 个输出口，能够完成6 个单边沿控制，亦或是完成 3 个双边沿控制，被用来控制p w m 输出，或者是单边沿和双边沿在一起的混 合p w m 输出，在控制履带式机器人电机的运行上很有优势。 本论文罩面设计的控制电路整体一共由三块分部的电路板所构成，其中有 a r mc p u 的电路板、控制电路的电路板与a r m 的电路主板，这样的设计能 够让履带式机器人更轻便灵活，解决了原来的机器人由于结构过于笨重复杂而 导致的行动时消耗功率的增多。 1 控制系统电路在控制电路的电路板上包含了各种电路，其中有可以 报警的蜂鸣器电路、提供电量的电源电路、将传感器信号传送的输入输出电 路、可以进行数据通信的串口通信电路、为机器人提供动力的电机驱动电路等 不同部分的电路，经l p c 2 1 3 2 微控制器的控制，履带式机器人就能够达到识 别行进轨迹、避开障碍物和跟踪等目的。在传感器传送信号的输入输出电路 罩，通常使用的接口标准都是3 p ，这样的接口标准能够很简单的用在不一样 的功能和类型的传感器上，让履带式机器人进行不同的工作。当输入电路连着 发光二极管、输出电路也连着发光二极管，其问输入的信号还有输出的信号都 是低电平为0 的时候，可以使发光二极管发出亮光，并且当进行系统调试时可 以观测每个输入端口和输出端口它们的状态。 哈尔演理t 人学t 学硕l j 学位论文 2 a r m 主板电路a r m 在主板电路的设计上基于的是l p c 2 1 3 2 的最小 系统，其中有时钟电路、复位电路与用来调试的接口电路等等，对于用来下载 程序的i s p 电路部分则用的是串口通信，能够应用跳线来决定是进行串行通信 还是进行下载i s p 的程序。在设计主板电路时，将一部分微处理器的引脚引出 来，以后能够作为外围电路的扩展。主板电路设计了两排单列的插座，这样的 设计能够与控制电路板相连，便于变换使用各种电路主板。 3 a r mc p u 板电路l q f p 6 4 封装作为l p c 2 1 3 2 微型处理器的封装， 它的各个引脚排列非常紧凑，使用人工焊接的困难比较大，焊接需要花费的成 本很大，所以我们选用了l p c 2 1 3 2c p up a c k 电路板。其中的运动控制模 块、主体控制平台与各个传感器组成的模块能够直接与a h b 总线相连接，如 果要添加其他的模块，则可将各模块经过a h b 的接口直接连接到a h b 的总线 之上，不用改变之前的硬件电路构造。 图3 - 1 移动机器人控制系统便什组成结构 f i g 3 1m o b i l er o b o tc o n t r o ls y s t e mh a r d w a r es t r u c t u r e 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论文 3q 2 微处理器介绍 3 2 1l p c 2 1 3 2 l p c 2 1 3 2 是一种3 2 位的a r m 7 微处理器，它拥有实时仿真的功能，还拥 有嵌入式跟踪的功能，而且还有f l a s h 存储器，其性能很好、速度很快。这种 存储器的接口的宽度有1 2 8 位，它本身含有特别的加速结构，这样的结构可以 让3 2 位代码运行在最高的时钟速率之下。因为代码规模不容许太大，控制非 常严格，这种情况下可应用1 6 位t h u m b 的模式，这样做可以把代码的规模减 小3 0 以上，但是基本性能上并没有多少改变。 g s m w a k e g s m s y s r 图3 - 2l p c 2 1 3 2 最小系统电路阁 f i g 3 2t h es m a l l e s ts y s t e ml p c 2 1 3 2 c i r c u i td i a g r a m 封装小、功耗低让l p c 2 1 3 2 能够被广泛的应用于小型的系统之中，典型 的例子像p o s 机等等。串行通信的接口有着非常宽的范围，芯片内部的 哈尔演理t 人学t 学硕l j 学位论义 s r a m 为1 6 k b ，这样的构造让l p c 2 1 3 2 用在低端成像、协议转换器、分辨音 色、通信网关与软m o d e m 上很合适，可以满足它们要求很大的缓冲空间以及 要求高性能的强处理功能方面的需要。9 个边沿触发与电平触发的外部中断、 十位的d a c 、传递p w m 信号的通道、一至两个十位八路的a d c 、4 7 个 g p i o 口再加上很多的3 2 位定时器，这些结构让其在医疗或者是工业上有着广 泛的用途，图3 2 所示为l p c 2 1 3 2 的最小系统电路图： 3 2 2 l p c 2 1 3 2 中的功能模块 在l p c 2 1 3 2 之中含有与芯片内v l s i 外设的总线v p b 、a m b a 的高性能 总线a h b 、可以仿真的a r m 7 的t d m i sc p u 还有能