自动机器人平台使用说明手册1概要

1、2011年全国职业院校技能大赛高职组机器人赛项自动机器人平台说明目录第一章自动机器人平台概述31.1自动机器人平台的总体构成31.2动机器人平台按键部分41机器人平台的充电第二章自动机器人平台系统结构42.1自动机器人平台机械部分4 2.1机器人平台机械部分组成42.1.2器人平台运动详解52.2动机器人平台控制系统52.2概述5 2.2.2主控制板52.2.3巡线传感器92.24感器信号处理板10 2.2电机驱动板12 2机器人平台控制程序 14 2.3.1控制程序流程图 15 2.3.2软件函数说但三章自动机18器人平台的装配和调试3.1机器人装配过程18 3.1点动轮电机装配18 3.1

2、电机安装至铝合金架板 18 3.13动轮及传感器安装 19 3.1闻路板的安装1932器人平台的调试21第一章自动机器人平台概述自动机器人平台是专门为高职类机器人大赛提供的一个统一的机器人底盘，可 以实现在比赛场地全场范围内的运动、定位；并提供了充足的I/O接口，参赛队可以根据大赛任务的要求，在此平台上进一步设计制作各种抓取、投放机构，利用机 器人平台提供的主控制板和编程算法实现整体机器人的控制。1.1自动机器人平台的总体构成机器人平台的总体构成参见图1-1和图1-2所示，由包括主动车轮、从动车 轮、铝合金框架、直流电机、电池、电路板以及安装在底部的16路传感器组成。铝合金线板从动鸵.图1-1

3、自动机器人平台的总体构成优扳及开先后音船甲板自通电机.1 r图1-2自动机器人平台的侧面图1.2自动机器人平台按键部分自动机器人平台上共有三个按键，12V电源开关、24V电源开关以及启动按 钮。在开机时，注意先打开12V电源开关，再打开24V电源开关，最后按下启动 按钮，机器人开始运行；关机时，先关闭 24V电源开关，再关闭12V电源开关。1.3机器人平台的充电机器人平台的电源为三节铅酸电池。电池充满电压可以达到13V ,额定工作电压12V o其中一节电池专门给主控制板和传感器信号处理板供电，另 2节电池 串联成24V ,给电机驱动板供电，用于驱动机器人上的各种电机，为了提高整体 的抗干扰性能

4、，12V和24V的电池不要共地。电池可重复充电 1000次以上。充电 时需先取出电池。我们可按下面步骤进行：1.关闭机器人平台的电源；2.拔掉连接线，将电池依次取出，充电。 3.重新装上充好的电池。每个平台配备了一个充电器，可以给一个电池充电，充电时，充电器上面的指 示灯呈蓝色，充电完毕呈红色。第二章自动机器人平台系统结构2.1 自动机器人平台机械部分2.1.1 机器人平台机械部分组成机器人平台的机械部分是指机器人执行具体功能时所要用到的机械部件，共有 以下几个部分：1 .主动轮机器人平台的主动轮有两只，金属铝芯，外包三根 O型圈，能够完成向前直 走，向后转弯，左转，右转等这些平地上的技术动作

5、。2 .从动轮机器人平台有1只从动轮，和两只主动轮形成三角支撑着机器人的身体。从动 轮随着主动轮的方向改变自己的方向。众所周知，三点支撑结构是最稳定的结构， 从动轮和两个主动轮形成了一个稳定的支撑结构。3 .直流电机机器人平台上有两个2台额定电压24VDC、150转/分、70W功率直流减速电 机。4.铝合金框架机器人平台的框架使用了铝合金型材制成，参赛队可以很方便地利用配备的专 用螺母将设计的上部机构安装在平台上。5 .铝板机器人平台上铺设了 5块4mm厚的铝板，参赛队可以根据自己的需要在这些 铝板上打孔，用于固定安装上部机构，若需要这些铝板，参赛队可以自行卸下，以 减轻整体重量。6 .1.2

6、机器人平台运动详解1.机器人的动作机器人一共有三种动作：1）前进两个电机等速正转时，机器人前进。2）后退两个电机等速反转时，机器人后退。3）转弯两个电机按一定比例不等速正转时，机器人转弯。2.机器人运动原理 机器人运动时，通过直流电机的轴转动来驱动两个主动轮的运动，利用两个主动轮来控 制底盘的各种运动（前进，后退或者转弯）。底盘前端的从动轮前端有一个传感 器，用于探测地面白条的位置。探测后把相关数据传给控制装置（单片机），控制装置分析计算后把相应运动指令转化为 PWM脉宽调速信号来控制电机的转速，从 而使机器人能够沿着白条运行。2.2自动机器人平台控制系统2.2.1 概述自动机器人平台控制系统

7、包括16路巡线传感器、传感器信号处理板、主控制 板、电机驱16 16- 1 -k -动板和其他待开发扩展部件组成。组成框图如图 2.1所示。16图2-1自动机器人平台控制系统组成框图16图2-1中，虚线框中的部分是机器人平台已经配备的部分，其他部分需要参赛队在设计中根据所设计的上部机构的动作情况自行开发，并用主控制板统一控制。2.2.2主控制板1 .概述主控制板是机器人的大脑，承担着信息接收、处理、外部设备控制的重要任 务，主控制板中处理器选用了 STC12C5A60S2芯片为主控芯片，控制板支持两大 类输入，既16通道专用巡线传感器输入，和8通道传感器输入；输出也是支持 2 大类，即可调速行

8、走电机控制输出和不可调速行走电机控制输出；具有一个可扩展 接口。STC12C5A60S2单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T的单片机，是高 速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统 8051,但速度 快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM,8路高速10位A/D转换 （250K/S,抗干扰能力强，适合应用在强干扰场合。具体功能和参数可以参考 STC12C5A60S2 数据手册。主控制板使用的是40个引脚的单片机，共有35个I/O接口，其中，P0、P2和 P4.6 口用于输入，共17个端口，P1和P3部分接口用于输出，共12个端口。主控制板实物

9、如图2-2所示。图中，12V电源输入插座连接12V电源，12V电 源输出插座连接传感器信号处理板的 12V电源插座（注意板子上的电源正极标 志，不要插反），巡线传感器输入接口用于连接传感器信号处理板，启动按钮输入 插座连接面板上启动按钮，左右车轮电机接口连接驱动板上的电机信号控制插座， 程序下载接口用于程序的在线下载，8通道传感器输入接口可以用于连接 8个NPN型传感器，非调速电机输出接口用于上部机构各种电机的控制主控制板的信号流程图如图2-3所示图2-3主控制板信号流程图2 .巡线传感器输入接口2-4巡线传感器输入接口主要是用于接收 16路巡线传感器信号，电路图如图所示。图2-4巡线传感器输

10、入接口图中，为了减少对单片机端口的占用，使用了2片74HC245总线驱动电路构成对单片机P2 口的复用，用单片机P4.4 口的信号加以控制。当P4.4为低电平 时，P2 口接收到的是16路传感器的低8位信号QQ 0-QQ 7,当P4.4为高电平时, P2 口接收到的是16路传感器的高8位信号QQ 8-QQ 15。3 . 8通道传感器输入接口8通道传感器输入接口用于连接光电、接近或者超声传感器等，可以让参赛队在整体设计机器人时，充分利用各种传感器探测外部信息，其中 4通道输入接口电 路图如图2-5所示。J11+12VTYl 1VI*IN3-|vcc15 Zl 13J10+12VY2 3i IN2

11、 J9+12V*11110IRIjvccZ2 5JvccZ3 3jvccZ4 1U5F12 PD34HC14H4HC14U 5c 6 P02口U5B4 P014HC144HC14口U5A 2 POOJ8521-4+ 12VT图2-5 4通道传感器输入接口图中，展示了 4路传感器输入接口，输入信号使用了单片机的P0.0-P0.3口,插座J8-J11分别接4个不同传感器，传感器直接使用市场现有的成熟产品，主要 有：图2-6所示的红外传感器，在机器人中，主要用来探测四周是否存在障碍或者是否到达预定物体附近，其最大探测距离根据所用型号的不同，有 30cm、1m、2m多种；图2-7所示为接近开关，主要用

12、在机器人上探测一些运动部件是否到位，探测距离一般在5mm以下。传感器上有3根引线，分别接J8-J11的3个引脚。需要注意的是：使用的传感器必须是 NPN型，工作电压在6V-36V之间。图2-5所示的的电路均为低电平有效，即传感器探测到目标时，反相器输出端 即单片机的P0-P3脚为低电平信号，否则为高电平。LPWM P14 fr4函】3图2-6红外传感器 图2-7接近开关4 . PWM和电机方向控制电路PWM和电机方向控制电路如图 2-8所示，STC12C5A60S2本身具有2路PWM输出，即P1.3和P1.4为PWM输出端口，分别控制左（P1.4控制）右（P1.3控 制）电机的转速，单片机 P

13、WM的设置请详见STC12C5A60S2数据手册。W6图2-8 PWM和电机方向控制电路图2-8中，P15和P12分别是左（P1.5控制）右（P1.2控制）电机的方向控制 信号，需要注意的是，P1.5和P1.2是低电平有效，即P1.5和P1.2是低电平时，电 机驱动板上的继电器常开触点闭合，电机反转。5 .非调速电机输出接口本电路板上设置了 8个非调速电机输出接口，可以用来控制 4个正反转直流电 机或者8个单向运转直流电机，电路图如图 2-9所示。V4图2-9非调速电机输出接口图2-9中，P16、P17, P32-P37为8个控制信号，使用了单片机的 P1.6、P1.7和P3.2-P3.7口，

14、同样需要注意，这些信号均是低电平有效。6 .扩展接口主控制板中，P1.0和P4.5两个接口没有使用，用插座对外引出，参赛队可以 根据自己机器人的设计情况加以使用7 .下载接口本电路板上有一个DB9用口接口，可以用来实现程序的在线下载。在线下载 的主要步骤为：1）首先关闭本电路板的12V电源，取出串口连接线。一头接本电路板的 DB9下载口，另一头接PC机箱后的9针用口。如果你的电脑后面没有空余 9针串口， 可以使用USB转用口转接头。2）打开STC-ISP在线下载软件，进行程序的下载，具体操作方法见 STC12C5A60S2数据手册；下载完毕，从电路板上取下串口下载线。8 .2.3巡线传感器自动

15、机器人平台底部安装了 16路巡线传感器，可以可靠地探测到地面白条以及白条的十字交叉点。巡线传感器的实物如图2-10所示。图2-10 16路巡线传感器实物图中，光源发射部分采用了 16个高亮LED发射管，用16个光敏电阻接受地 面反射回来的光线，输出插座连接传感器信号处理板的巡线传感器输入接口。9 .2.4传感器信号处理板1 .概述传感器信号处理板仅自动机器人平台使用，电路板实物如图2-11所示。图中，巡线传感器输入接口连接安装在机器人平台底部的16路巡线传感器；信号输出接口连接单片机控制板，插座 JP接12V电源，注意板子上的电源正极标志发光二极管图2-11传感器信号处理板外图传感器信号处理板

16、电路原理框图如图2-12所示，完整的电路原理图和 PCB版图另见附件。16路巡线传感器将采集到的地面白条信息送入本电路板，对 于采集的信息先进行放大处理，放大后的信号跟标准电压比较，保留白条反射的有 效信号，过滤掉地面背景反射信号，有效信号再通过稳压、反向、放大处理后送入 单片机控制板，同时用发光二极管的亮暗指示当前某路传感器是否在地面白条上。图2-12传感器信号处理板原理框图2 .信号放大电路信 号 住县2-13 所本电路板使用了 16路信号放大电路，第一路传感器信号放大电路如图示。（其余15路电路均相同）图2-13单路信号放大电路图2-13中，Q 0为单路传感器输入信号，数值很小，若巡线传

17、感器在地面白条上，大约在0.9V左右；若巡线传感器不在地面白条上，数值大约在0.3V左右，此信号输入到由运放LM324组成的同相放大电路，调节电位器 RW1可以改变整个 放大电路的放大倍数（实际电路中，RL使用了阻值1K。的排阻），即调节了放 大电路输出的QQ 00若Q 0为地面白条反射的有效信号，通过调节 RW1 ,使QQ 0的电压输出为9.5V-10V左右，若Q 0为地面背景反射的信号，根据地面背景的 颜色以及光滑程度，QQ 0大致在4-6V左右，越低越好。为了便于测量放大电路的输出 QQ 0- QQ15的数值，电路板上专门设置了测试 点，如图2-11所示。3 .信号比较电路第一路信号比较

18、电路如图2-14所示。R37十 12VlQVOD168VR37+ 12V|2yoD168V图2-14单路信号放大电路 图2-15基准电压电路图中用LM324运放连接成一个电压比较器，反相输入端为信号放大电路的输 出QQ 0,比较器的同相端接基准电压 QV 0,图2-15为基准电压电路，12V电源 电压通过稳压管D16产生大约8V左右的基准电压。当传感器检测到地面白条时， QQ 0电压大约为9.5V-10V左右，比较器输出低电平，接近于 0V ,通过反相器使 得QA 0输出为5V ;若传感器检测的是地面背景，QQ 0电压大约为4-6V左右， 比较器输出高电平，接近于12V ,通过4.5V的稳压管

19、，使得反相器输入端为 4.5V 左右的高电压，反相器输出 QA 0为0V左右。16路的卒&出QA 0 yA 15送入主控 制板。4 .传感器信号处理板的调试本电路板的调试主要是通过调节电位器，从而改变信号放大电路的放大倍数， 保证放大电路的输出QQ 0- QQ15在合适的数值。调试步骤如下：(1)将机器人放到调试场地上，机器人底部的 16路传感器全部对准白条， 打开12V电源开关，先测量此时12V电压数值，确保电源电压在11.8V以上，否 则，应给电池充电。(2)用万用表测量测试点的电压，调节电位器，使得电压保证在9.5V-10V左右，此时，电路板上16个指示发光二极管全亮。(3)移动机器人，

20、使机器人底部的16路传感器全部对准地面背景，此时， 16个发光二极管全暗；测量测试点的电压，电压大约为4-6V左右。5 .2.5电机驱动板1 .概述电机驱动板接受主控制板发来的电机 PWM脉宽调制信号和方向信号，驱动机 器人平台上的2个24V直流减速电机。利用PWM信号占空比的不同，来控制电 机的不同转速；利用方向信号，控制直流电机的正反转，从而实现机器人平台的前 进、后退和转弯。电路板实物如图 2-16所示。控制信号插座连接主控制板，24V 电源插座接24V电源(注意板子上的电源正极标志，不要插反)，左右电机输出 插座接左右电机。原理框图如图 2-17所示。图2-17电机驱动板原理框图2 .

21、 MOS管驱动电路本电路板设置了 2路MOS管驱动电路，分别用来驱动左轮和右轮电机，左轮 电机驱动电路如图2-18所示。本电路采用了 IR2110功率驱动集成芯片，该芯片是 一种双通道、栅极驱动、高压高速功率器件的单片式集成驱动模块，可靠性很高，具体参数可以参考IR2110数据手册。IR2210输入信号为主控制器送出的 PWM脉宽信号，其输出直接控制75N75MOS管的通断。UILI卜+ 12VC2vccKET175 N7；*IILPWM 1LI I165IR2110o o c c c H L N N N GOA Soo 00 SSA mJNDzbzs H L s V VFET2Lib图2-1

22、8左轮电机MOS管驱动电路3.继电器输出电路继电器输出电路如图2-19所示LPWM IDLINSDVbVsHOLONCNCNCR2110图2-19继电器输出电路图中，LO1和LO2接直流电机，LDIR为主控制板发出的左电机方向控制信 号，通过三极管控制继电器的常开触点是否动作，当 LDIR为低电平时，继电器常 开触点未动作，直流电机正转；当 LDIR为高电平时，继电器常开触点闭合，直流 电机反转；使用了继电器电路而不是采用一般的MOS管桥式电路作为电机正反转控制电路，主要是在实际比赛中，对于频繁进行启动、停止以、正反转运行、与对 方发生冲撞的机器人来说，继电器电路更加可靠安全。2.3机器人平台

23、控制程序2.3.1 控制程序流程图自动机器人平台附带了一个顺时钟连续运行程序，将机器人按照图2-20所示放在场地上，场地上预先用30mm宽的白条铺设了一个闭合四边形。打开电源， 按下启动按钮，机器人沿着闭合四边形连续运转。此程序的流程图如图2-21所图2-20机器人运的蛤化图2-21主程序流程图自动机器人平台提供了 16路巡线传感器信号接受处理，平台左右轮调速电机 的控制以及相关程序，平台可以沿白色引导线巡线前进、经过了指定数量的白色引 导线交叉点后后停止、转弯等。但是对于场地上桥墩的识别、球的抓取投放等所需 要的硬件和软件需要参赛队自行设计。整体程序设计流程图可以参考图 2-22。机器人平台

24、所提供的程序可以实现图中虚线框内的功能，虚线框外部的功能实现需要参赛队自己编写程序2.3.2 软件函数说明平台提供了一些常用的函数，用户可以直接使用这些函数，也可以自己定义和 扩展函数。 ST_B(-程序初始化设置【功能】此函数为初始化程序设置。【说明】ST_B(函数包括端口设置、PCA时钟源、控制寄存器、计数初值、启 动按键等设置，该函数只需在主程序开始时调用一次即可。 S_S(s-加速启动【功能】此函数为加速启动函数，实现平台从静止状态加速启动运行。【说明】参数s:加速启动时的最大值设置，占空比为 s的十倍，s最大为10, 输出占空比由0%增加到100%。如：S_S(40;表示平台从静止状

25、态加速启动运行至速度为40时。 delay_ms(T-延时【功能】此函数为毫秒级延时函数。【说明】参数T用于调用时的延时时间设置，T的取值范围是1 60000。如：delay_ms(1000;表示延时时间为1秒。 motor( m,乙n-电机运行 【功能】此函数为电机运行函数。【说明】参数m :选择电机，l代表左电机，r代表右电机。参数z：设置电 机的正反转，f代表正转，b代表反转。参数n :电机的占空比设置(转速)。如：motor(l,f,50;表示左电机以50%的占空比正转。 stop (m-电机停止【功能】此函数为电机停止函数。【说明】参数m :选择电机，l代表左电机，r代表右电机，rl

26、代表同时选择 左右电机。如：stop (rl;表示左右电机同时停止。 FOLL_FINE(ti-巡线计数【说明】参数ti ：巡线条数设置(即寻到设定条数时会跳出此函数)，范围 1 255。如：FOLL_FINE(3;表示平台沿引导线前进检测到 3条交叉引导线。TURN90(e-旋转 90 度【功能】此函数为平台人旋转90度(即寻找与前进方向90度交叉的白条)。 【说明】参数e：选择机器人左转或右转，l左转90度，r右转90度。如：TURN90(r;表示平台右转90度。 BACK(ms-延时后退【功能】此函数为平台延时后退。【说明】参数ms：设定后退时间，ms级延时，范围是1 60000。如： BAKE(200;表示平台后退0.2秒。第三章自动机器人平台的装配和调试3.1 机器人装配过程机器人底盘安装即把主动轮，电机，从动轮，传感器依次安装至底盘铝合金框 架上以及完成线路板之间的连接。在出厂时，这些部件均已经安装完毕，轻易不要 去拆卸。3.1.1 主动轮电机装配图3-1底盘局部爆炸图安装步骤：从左至右，依次结合螺栓，主动轮，连接钢板，以及电机，并且旋紧，把三个 轮套套在主动轮上。3.1.2 电机安装至铝合金架板底盘局部如图3-2所示，直流电机直接对准相应钢板部位，螺丝旋紧即可。图3-2底