哈工大自动控制元件课程设计 捡乒乓球机器人小车

1、捡乒乓球机器人小车 Harbin Institute of Technology课程设计论文课程名称：自动控制元件及线路设计题目：捡乒乓球机器人小车的设计院系：航天学院控制科学与工程系班级： 1304105班设计者： 杨明阳 1130410501徐云飞 1130410502姚晨蔚 1130410516指导教师：马广程设计时间：2016年3-5月捡乒乓球机器人小车摘要：随着科学技术的日益发展，越来越多的科技被应用在了生活的方方面面。当然也包括运动赛场上，帮助选手以及裁判解决一部分的麻烦，使得比赛进行的更加流畅。这里为解决乒乓球比赛上乒乓球的捡取问题，设计了一种以单片机作为主控制器的自动捡球机器人

2、。该捡球机器人采用风扇产生的吸力来实现捡球；利用超声波传感器实现对乒乓球的自动识别；通过红外传感器监测周围环境，实现自动避障。本系统会在裁判对每一个球做出判决后开始工作，先按照预定路线绕场地前进，同时在行进过程中利用传感器寻找掉落的小球。当找到目标并确认后，改变预定路线转而向目标前进，最终捡起乒乓球，之后再回到原点。完成捡球功能，保证比赛的连续性。关键词：捡乒乓球机器人 超声波传感器 红外传感器 过程控制 目录1.功能设计-42.系统的性能指标和技术要求-43.背景及意义-44.系统的总体结构与设计方案-54.1 预定路线前进-64.2 目标寻找-74.3 捡起目标乒乓球-94.4 判断乒乓球

3、是否捡起-94.5 绕开障碍-94.6 返回原点-105.执行元件-10 5.1 行进电机的选择-10 5.1.1 直流伺服电机结构-10 5.1.2 直流伺服电机驱动原理-11 5.1.3 直流伺服电机的分类及特点-11 5.1.4 指标的计算和直流伺服电机的选择-12 5.1.5 直流伺服电机调速-15 5.1.5.1 直流伺服电机调速原理-15 5.1.5.2 直流速度控制方式-15 5.2 捡球装置的选择-22 5.2.1 捡球原理级实现-23 5.2.2 吸球管设计-24 6.测量元件-26 6.1 测速传感器的选取-26 6.1.1 三种传感器的对比分析-26 6.1.2 对光电编

4、码器的论证分析和选取-28 6.2 位置和避障传感器的选取-34 6.2.1 常用传感器及特点-34 6.2.2 根据超声传感器实现定位和物体识别-36 6.2.3 根据红外感器实现障碍躲避-41 6.3 根据红外传感器实现捡球信号的反馈-44 6.4 传感器设计中的缺陷及可改进的地方-45 6.4.1 传感器设计中的缺陷-45 6.4.2 传感器设计中可改进的部分-457.单片机-467.1 常用单片机-467.2 单片机选型-477.3 所选单片机特点及可行性-478.系统硬件清单-489.自评-48 9.1 优点-48 9.2 缺点以及不足-4910.分工-4911.心得体会-50参考文

5、献-50一、功能设计1.裁判做出判决后自行定位乒乓球掉落位置2.迅速移动至掉落乒乓球所在位置3.捡起乒乓球，并回到起点4.行进过程中躲避场地选手以及其他人员或障碍5.利用尺寸确认目标乒乓球二、系统的性能指标和技术要求1.机器人移动至乒乓球顶点位置精度±3cm2.机器人移动速度2 m/s3.紧急刹车时间0.3s4.总捡球时间21s5.判断乒乓球是否捡起6.能够辨认出乒乓球和障碍物三、背景及意义随着人们对机器人技术智能化本质认识的加深，机器人技术开始源源不断地向人类活动的各个领域渗透。在这其中，服务机器人作为一个重要分支，在国内外研究领域已经得到普遍重视。服务机器人的应用范围很广，主要从

6、事维护保养、修理、运输、清洗、保安、救援、监护等工作。文中所述的捡乒乓球机器人，正是一种应用于乒乓球体育赛事的自主式移动的服务机器人。在乒乓球室里，由于比赛时，每打完一个球就必须要求有人转身去捡掉落的乒乓球。如果由选手来捡球，将会压缩选手短暂的暂歇时间，影响比赛连续性、流畅性。因此，如果能有一种捡球机器人应用于乒乓球赛场上里，且能迅速找到球的位置并能够实现自动捡球的功能，将可以帮助选手减轻比赛压力（尤其在比较焦灼的对抗中）。目前已有的乒乓球捡球机器人种类较少，且捡球动作的实现主要是通过机械手等机械装置来捡球。这些捡球装置多因为机械机构的限制，对于位于墙角处和藏于障碍物之间的乒乓球不能有效捡取，

7、因而只适用于障碍物较少且远离墙壁的乒乓球的捡取。四、系统的总体结构与设计方案对外部环境的分析：（1）乒乓球乒乓球的质量在2.7克左右一般比赛用球为黄、白色球。所选用的材质为塑料。（2）比赛场地图4-a 场地尺寸示意图场地示意图如下：本系统主要由测量元件、执行元件、功率放大元件、主控电路、调节装置构成。整体系统由六个功能环节组成，分别为按预定路线巡逻、检测乒乓球位置、到达乒乓球位置、捡起乒乓球、回到原点以及期间规避障碍。图4-b 驱动电机位置示意图每个过程均有其独立的闭环或开环控制子系统，其流程如下：4.1 预定路线前进此模块属于开环系统，将固定的前进方向控制信号储存在控制器内，若无目标寻找中断

8、或者障碍中断，驱动电机和方向控制电机将一直执行，最后返回原点。因为系统检测自身位置成本较大（至少需要增加传感器，如果没有参照信号源需要通过大量计算来得出当前位置，会占用较多的CPU），另外巡逻过程中只要传感器的监控范围能足够覆盖球场，可以无视小车前进过程中的干扰误差，而控制信号结束后，若没有到达原点，则可以执行返回原点的闭环控制。赛场球桌小车图4-1-1 大致巡逻路线实现此功能，是将控制小车的两个驱动电机按固定路线、以设定速度跑完全程时电机所需的控制信号和时间的函数编写出来（例如图4.1.2），储存到单片机内，当执行此功能时，只要调取储存的控制信号并输出即可。（图4.1.2仅供参考，事实上控制

9、信号为数字信号，由于函数编写过程太过复杂，此处略过。）Utt电机A1电机A2图4-1-2 控制信号示意函数4.2 目标寻找在预定路线的行进过程中，两个装在小车底部两头的超声波传感器将一直搜索目标位置，图4.2.1。发现目标后，两传感器信号对比，可得目标准确方向，图4.2.2，再控制方向电机使小车面向目标前进。赛场球桌小车图4-2-1 检测范围示意图乒乓球距离a1距离a2小车图4-2-2目标位置确定在发现乒乓球并向目标前进过程中，根据传感器反馈得到的离目标距离来控制小车是否开始减速。使得小车能够恰好停在目标位置（方便下一步捡球）。之后再启动捡球电机捡起小球。输入a1，a2控制系统W2输出c1，c

10、2图4-2-3控制系统的输入输出如图4.2.3所示，该子控制系统中，以传感器A1，A2的距离信号a1，a2为输入，以控制电机C1，C2的电信号c1，c2为输出。4.3 捡起目标乒乓球乒乓球的直径为40mm，质量为2.7g，具有体积小、质量轻的特点，特别适合吸力装置吸取。风扇在转动时，抽风的一端会形成负压；如果将一个管道与风扇的抽风面相连接，则在风扇的作用下，管道内的气压将小于管道外的大气压，管道口附近的物体将在压力差的作用下被吸进管道里。因此，若采用由强力风扇与一个两端开口的管道组成的吸球管，乒乓球就可以顺利被吸取。而如果采用机械臂类的抓取方案时，对小车的位置控制精度将会更高，而且受到的干扰较

11、大（小车靠近乒乓球时，所带起的空气流动可能会吹动乒乓球，产生干扰）。本系统采用的风扇抽气方案则可以很大程度上得缓解这一干扰。4.4 判断乒乓球是否捡起由于本系统应用在正式比赛的条件下，场地干净，无类乒乓球形杂物，故只需在抽风管道中添加一个红外光电门，光电门被阻挡即可视为乒乓球被捡起。4.5 绕开障碍在系统运行过程中时，另一个较高的红外传感器检测小车面前是否有障碍阻挡。若有，则减速并在安全距离外绕开障碍继续之前的前进任务。此处由于本系统无法检测自身所在位置，所以在闭环控制后无法检测自身与预定路线的误差（此处指捡起乒乓球前需要按预定路线巡逻时先遇到障碍），无法继续按预定路线前进。故此处问题处理同4

12、.1，可以做一个开环系统。鉴于实际比赛场地中并没有那么多种类的障碍（本系统中将障碍理想化为只有球桌腿和选手的腿部），因此将绕开障碍的控制做成一个开环系统，其控制信号按最粗的障碍设计，一致按相同地绕行半径绕开障碍。（下图仅供参考，事实上控制信号为数字信号，由于函数编写过程太过复杂，此处略过。）障碍距离a1距离a2小车Utt电机A1电机A2图4-5-1障碍位置确定图4-5-2 控制信号示意函数4.6 返回原点为了能够精确地回到原点，有必要在原点设置参照信号源。在小车捡起小球或者巡逻完毕后，将以原点为目标前进，控制过程同4.2。输入a1，a2控制系统W6输出c1，c2图4-6-1控制系统的输入输出五

13、、执行元件5.1乒乓球捡球机器人行进电机的选择结合供电以及成本等方面的考虑，行进过程中的电机在直流伺服电机和步进电机中选择，由于需要闭环控制，并且需要可靠性较高，启动转矩较大等，因此直流伺服电机是最佳选择。5.1.1直流伺服电机结构直流伺服电机，它包括定子、转子铁芯、电机转轴、伺服电机绕组换向器、伺服电机绕组、测速电机绕组、测速电机换向器，所述的转子铁芯由矽钢冲片叠压固定在电机转轴上构成。 图5-1-1 直流伺服电机结构5.1.2直流伺服电机的驱动原理伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能

14、，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm。直流伺服电机特指直流有刷伺服电机电机成本高结构复杂，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护方便（换碳刷），会产生电磁干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。5.1.3直流伺服电机的分类及特点1分类常用的直流电机有：永磁式直流电机（有槽、无槽、杯型、印刷绕组）、励磁式直流电机、混合式直流电机、无刷直流电机、直

15、流力矩电机。直流进给伺服系统：永磁式直流电机类型中的有槽电枢永磁直流电机（普通型）。直流主轴伺服系统：励磁式直流电机类型中的他激直流电机。2永磁直流伺服电机的性能特点1）低转速大惯量2）转矩大3）起动力矩大4）调速泛围大，低速运行平稳，力矩波动小5.1.4指标的计算和直流伺服电机的选择指标名称指标估计值指标名称指标估计值机器人质量2.5kg场地大小7m×14m行进速度2m/s加速度0.5m/s2滑动摩擦系数0.600.90滚动摩擦系数0.010.03车轮质量0.3kg车轮半径6cm表5-1-1 直流伺服电机性能指标要求直流伺服电机功率公式：P=260nT（5-1-1）车轮转速推导：

16、v=R（5-1-2）n=602（5-1-3）n=602vR（5-1-4）每个车轮滚动摩擦力阻力力矩推导：Tf=FR（5-1-5）F=mg（5-1-6）Tf=mgR（5-1-7）车轮转速以及每个车轮摩擦阻力力矩：n=320r/min（5-1-8）Tf=0.045Nm（5-1-9）因齿轮组两侧力矩相同，因此在只考虑外部阻力矩时，由于共有四个轮子和两个直流伺服电机，在匀速行进时每个电机需要产生的机械转矩为：T1=2Tf=0.09Nm（5-1-10）若考虑小车内部的摩擦阻力转矩，假设内部摩擦阻力转矩：T2=0.03Nm得到点击所需要的额定转矩：T=T1+T2=0.12Nm（5-1-11）留出余量，取额

17、定转矩T=0.15Nm选取电机额定转速为：n=3000r/min那么得到额定功率为：P=47w结合以上计算，我们选取瑞士瑞诺集团的小型直流伺服电机 CML-50，其参数如下图所示（其额定转速3000r/min，额定转矩0.15N·m，额定功率47w，与所需直流伺服电机指标几乎一致）：图5-1-2 直流伺服电机实物图及特点 图5-1-3 直流伺服电机技术参数图5-1-4 直流伺服电机剖面图图5-1-5 直流伺服电机特性曲线图为了降低调速难度，因此我们决定在电机输出转速和车轮之间采用齿轮组以1：5的比例使得电机转速与车轮转速的比例为5：1。5.1.5直流伺服电机调速由于电机额定转速与实际

18、所需转速有所差距，同时，在机器人转向时需要控制两个伺服电机一个正转、一个反转，因此需要采用调速系统。5.1.5.1直流伺服电机的调速原理根据机械特性公式可知调速有二种方法:电枢电压Ua和气隙磁通。1电枢控制（改变电枢外加电压Ua）：由于绕组绝缘耐压的限制，调压只能在额定转速以下进行。n=UaCe-RaTceCeCT2=n0-n（5-1-12）2磁场控制（改变气隙磁通量）：改激磁电流即可改，在Ua恒定情况下，磁场接近饱和，故只能弱磁调速，在额定转速以上进行。3改变电枢回路电阻Ra：要在电枢回路中串联一个电阻Rs，这个电阻称为调节电阻。改变Rs大小，也就改变了电枢回路总电阻Ra+Rs。n=UaCe

19、-(Ra+Rs)TceCeCT2=n0-n（5-1-13）5.1.5.2直流速度控制方式（a）晶闸管（可控硅）调速系统（b）晶体管脉宽调制（PWM）调速系统a.晶闸管调速系统1系统的组成1）控制回路：速度环、电流环、触发脉冲发生器等。速度环：速度调节（PI），作用：获得好的静态、动态特性。电流环：电流调节(P或PI)。作用：加快响应、启动、低频稳定等。触发脉冲发生器：产生移相脉冲，使可控硅触发角前移或后移。2）主回路：可控硅整流放大器等。可控硅整流放大器：整流、放大、驱动，使电机转动。图5-1-6 晶闸管调速系统组成2主回路工作原理组成：由大功率晶闸管构成的三相全控桥式（三相全波）反并接可逆电

20、路，分成二大部分（和），每部分内按三相桥式连接，两组反并接，分别实现正转和反转。图5-1-7 主回路工作原理图原理: 三相整流器，由二个半波整流电路组成。每部分内又分成共阴极组（1、3、5）和共阳极组（2、4、6）。为构成回路，这二组中必须各有一个可控硅同时导通。1、3、5在正半周导通，2、4、6在负半周导通。每组内（即二相间）触发脉冲相位相差120º，每相二个触发脉冲相差180º。按管号排列，触发脉冲的顺序1-2-3-4-5-6，相邻之间相位差60º。为保证合闸后两个串联可控硅能同时导通，或已截止的相再次导通，采用双脉冲控制。既每个触发脉冲在导通60º

21、后，在补发一个辅助脉冲；也可以采用宽脉冲控制，宽度大于60º，小于120º。只要改变可控硅触发角（即改变导通角），就能改变可控硅的整流输出电压，从而改变直流伺服电机的转速：触发脉冲提前来，增大整流输出电压；触发脉冲延后来，减小整流输出电压。 图5-1-8 主回路波形图 图5-1-9 控制回路波形图3控制回路分析触发脉冲产生的过程：改变触发角，即改变控制角。（可控硅导通时间），可调速。没反馈，开环，特性软。1）速度调节器：比例积分PI，高放大（相当C短路）-缓放大-增放大-稳定（相当C开路）无静差。2）电流调节器:同上，加快电流的反应。3）触发脉冲发生器：正弦波同步锯齿波触发

22、电路，与F直流信号叠加。 图5-1-10 速度调节器、电流调节器示意图 图5-1-11 触发脉冲发生器示意图4速度控制的原理总结调速：当给定的指令信号增大时，则有较大的偏差信号加到调节器的输入端，产生前移的触发脉冲，可控硅整流器输出直流电压提高，电机转速上升。此时测速反馈信号也增大，与大的速度给定相匹配达到新的平衡，电机以较高的转速运行。干扰：假如系统受到外界干扰，如负载增加，电机转速下降，速度反馈电压降低，则速度调节器的输入偏差信号增大，其输出信号也增大，经电流调节器使触发脉冲前移，晶闸管整流器输出电压升高，使电机转速恢复到干扰前的数值。电网波动：电流调节器通过电流反馈信号还起快速的维持和调

23、节电流 作用，如电网电压突然短时下降，整流输出电压也随之降低，在电机转速由于惯性还未变化之前，首先引起主回路电流的减小，立即使电流调节器的输出增加，触发脉冲前移，使整流器输出电压恢复到原来值，从而抑制了主回路电流的变化。启动、制动、加减速：电流调节器还能保证电机启动、制动时的大转矩、加减速的良好动态性能。二、晶体管脉宽调制（PWM）调速系统1系统的组成及特点图5-1-12 晶体管脉宽调速系统示意图 主回路：大功率晶体管开关放大器；功率整流器。 控制回路：速度调节器；电流调节器；固定频率振荡器及三角波发生器；脉宽调制器和基极驱动电路。区别：与晶闸管调速系统比较，速度调节器和电流调节器原理一样。不

24、同的是脉宽调制器和功率放大器。直流脉宽调制：功率放大器中的大功率晶体管工作在开关状态下，开关频率保持恒定，用调整开关周期内晶体管导通时间（即改变基极调制脉冲宽度）的方法来改变输出。从而使电机获得脉宽受调制脉冲控制的电压脉冲，由于频率高及电感的作用则为波动很小的直流电压（平均电压）。脉宽的变化使电机电枢的直流电压随着变化。直流脉宽调调制的基本原理：图5-1-13 直流脉宽调调制的基本原理示意图脉冲宽度正比代表速度F值的直流电压。2脉宽调制器USr速度指令转化过来的直流电压U三角波USC脉宽调制器的输出（USr+U）图5-1-14 脉宽调制器电路图调制波形图：图5-1-15 调制波形图3开关功率放

25、大器1）电路组成主回路：可逆H型双极式PWM开关功率放大器电路图：由四个大功率晶体管（GTR）T 1、T 2、T 3、T4及四个续流二极管组成的式电路。H型：又分为双极式、单极式和受限单极式三种。Ub1、Ub2、Ub3、Ub4为调制器输出，经脉冲分配、基极驱动转换过来的脉冲电压。分别加到T1 、T2、T3 、T4的基极。图5-1-16 开关功率放大器电路图 图5-1-17 轻载时波形图 图5-1-18 重载时波形图2）工作原理：T1和T4同时导通和关断，其基极驱动电压Ub1= Ub4。T2和T3同时导通和关断，基极驱动电压Ub2=Ub3=-Ub1。以正脉冲较宽为例，既正转时。负载较重时：电动状

26、态：当0tt1时，Ub1、Ub4为正，T1和T4导通；Ub2、Ub3为负，T2和T3截止。电机端电压UAB=US，电枢电流id= id1，由UST1T4地。续流维持电动状态：在t1tT时，Ub1、Ub4为负，T1和T4截止；Ub2、Ub3变正，但T2和T3并不能立即导通，因为在电枢电感储能的作用下，电枢电流id= id2，由D2D3续流，在D2、D3上的压降使T2、T3的c-e极承受反压不能导通。UAB=-US。接着再变到电动状态、续流维持电动状态反复进行，如上面右图。负载较轻时： 反接制动状态，电流反向：状态中，在负载较轻时，则id小，续流电流很快衰减到零，即t =t2时（见上面左图），id

27、=0。在t2T区段，T2、T3在US和反电动势E的共同作用下导通，电枢电流反向，id= id3由UST3T2地。电机处于反接制动状态。 电枢电感储能维持电流反向：在Tt3区段时，驱动脉冲极性改变，T2、T3截止，因电枢电感维持电流，id=id4，由D4D1。电机正转、反转、停止：由正、负驱动电压脉冲宽窄而定。当正脉冲较宽时，既t1> T/2，平均电压为正，电机正转；当正脉冲较窄时，既t1< T/2，平均电压为负，电机反转；如果正、负脉冲宽度相等，t1=T/2，平均电压为零，电机停转。电机速度的改变：电枢上的平均电压UAB越大，转速越高。它是由驱动电压脉冲宽度决定的。双极性：由以上分

28、析表明：可逆H型双极式PWM开关功率放大器，无论负载是重还是轻、电机是正转还是反转，加在电枢上的电压极性在一个开关周期内，都在US和-US之间变换一次，故称为双极性。4PWM调速系统的特点频带宽、频率高: 晶体管“结电容”小，开关频率远高于可控（50Hz)，可达2-10KHz。快速性好。电流脉动小:由于PWM调制频率高，电机负载成感性对电流脉动由平滑作用，波形系数接近于1。电源的功率因数高: SCR系统由于导通角的影响，使交流电源的波形畸变、高次谐波的干扰，降低了电源功率因数。PWM系统的直流电源为不受控的整流输出，功率因数高。动态硬度好:校正瞬态负载扰动能力强，频带宽，动态硬度高。综上所述，

29、PWM调速控制系统更加简单，而晶闸管方法控制的更加可靠，由于对机器人的安全特性有较高要求，即在有人突然出现在机器人前方或是桌子腿挡住机器人时要求伺服电机可以很快制动，所以对于伺服电机的启动转矩和制动特性有较高的要求，晶闸管法的一大特点就是电流调节器能保证电机启动、制动时的大转矩、加减速的良好动态性能，所以综合考虑，我们选择晶闸管调速法。以上调速电路也可以使用瑞士瑞诺集团的标准型伺服驱动器 CD系列实现。若使用电路实现成本较低，相应但是精度也会较低，若使用驱动器驱动电机精度虽然高但是成本也会较高一些。5.2乒乓球捡球机器人捡球装置的选择在乒乓球室里，由于训练或者比赛的时候，地面上将会有

30、一些出界或者无效的乒乓球。如果由人工来捡球，将会造成效率低、工作量大等弊端。因此，如果能有一种捡球机器人应用于乒乓球场馆里，且能迅速找到球的位置并能够实现自动捡球的功能，将可以使人们摆脱一些繁琐的工作、大大减轻人们的劳动强度。乒乓球捡球机器人很重要的一个部分是捡球装置，目前已有的乒乓球捡球机器人种类较少，且捡球动作的实现主要是通过机械手、机械臂等机械装置来捡球。这些捡球装置多因为机械机构的限制，对于位于墙角处和藏于障碍物之间的乒乓球不能有效捡取，因而只适用于障碍物较少且远离墙壁的乒乓球的捡取。即使对于能够捡起的乒乓球，由于其高精度要求，成本也因此较高，事实上，若是对于其他较重的球来说，机械臂、

31、机械手是必要的，而对于乒乓球来说，机械臂、机械手带来的效益并不足以弥补它们的成本。因此，我们决定采用精度相对低，但是成本也相对低的吸力装置捡取乒乓球，虽然精度相对低，但足以满足捡取乒乓球的要求。5.2.1捡球原理设计及实现乒乓球的直径为40 mm，质量为2. 7 g，具有体积小、质量轻的特点，特别适合吸力装置吸取。风扇在转动时，抽风的一端会形成负压; 如果将一个管道与风扇的抽风面相连接，则在风扇的作用下，管道内的气压将小于管道外的大气压，管道口附近的物体将在压力差的作用下被吸进管道里。因此，若采用由强力风扇与一个两端开口的管道组成的吸球管，乒乓球就可以顺利被吸取。同时，为了提高吸球的效率与稳定

32、性，可将吸球管道沿斜面布置，通过斜面减轻乒乓球向上运动所需的力。在风力作用下，若乒乓球在斜面上作瞬时纯滚动，其受力如下图所示：图5-2-1 乒乓球受力分析图根据理论力学平衡方程：Fw-GsinR=Mf（5-2-1）式中：Fw为风作用力，R为乒乓球半径，Mf为滚动摩阻，则有：Fw=12v2AfRe=12v2CFA（5-2-2）Mf=N=mgcos（5-2-3）其中：CF为风力系数（球体取0.5）；为空气密度，在地球近地面环境，温度为20，标准大气压下，=1.2kg/m3；v为风速；A为迎风面积，A=R2；为滚动摩擦系数，取=5mm。可以解得要使乒乓球顺利在斜面上向上滚动的最小风速为：v=cos+

33、RsinR3CF2mg（5-2-4）设吸球管管口最大面积为Smax，安全系数为k，则选用风扇的排量可以近似为：V=kvSmax=kSmaxcos+RsinR3CF2mg（5-2-5）5.2.2吸球管设计乒乓球的直径为40mm，吸球管与水平的倾斜角度=37°。为了提高捡球效率，将吸球口改为敞口设计。同时，考虑到敞口会降低吸球管的负压，增大乒乓球的吸取难度，敞口部分不宜过大。综合考虑各种影响因素，该捡球机器人的敞口尺寸设计为: 最大敞口面积Smax=140mm×50mm、敞口锥角45°，其设计效果如下图所示：图5-2-2 吸球管示意图根据以上设计，则选用风扇的最小排量

34、为：V=kSmaxcos+RsinR3CF2mg，考虑到存在漏气等情况，取安全系数k=1.5，代入=37°，Smax=140×50mm2，m=2.7g，g=9.78N/kg，可以计算出风扇最小排量V=70dm3/min。在选择空气泵时要考虑到排量和体积等因素，因此我们选用成都新为诚科技有限公司的VCA5038B大流量微型气泵:图5-2-3 空气泵示意图图5-2-4 空气泵参数为了达到所需排量，结合计算中可能存在的误差，根据实际情况可以选择1-3个VCA5038B空气泵。为了使被吸起的乒乓球能顺利落到装球腔内，在吸球管的末端设计有一个方形的出球口，并设计长度为20mm的轨道确

35、保乒乓球的下落位置。出球口的设置，将不可避免地降低吸球管内的负压程度，增大球的吸取难度。于是，在出球口的末端，设计一个质量很轻的;lo.lllo.;.;方形挡板(自复位挡板):平时在重力作用下，挡板会自动处于垂直位置，出球口为打开状态; 当捡球风扇启动时，由于吸球管内的负压，挡板将在气压差作用下被吸起，覆盖在出球口上，从而提高吸球管内部的负压程度，确保吸球的有效性。吸球风扇关闭时，挡板自动打开，球也顺利落进装球腔。下图是出球口自复位挡板的示意图，左图是吸球风扇未启动时挡板位置的示意图，右图是吸球风扇启动时挡板位置的示意图:图5-2-5 挡板示意图为了减缓乒乓球被吸起进入吸球管的阻力，在吸球管的

36、前端设计了一个伸出板。伸出板是配合吸球管吸球的部分，对它的设计主要就是计算它距离地面的高度和伸出的长度: 如果距离地面太近，可能会因为微小的起伏就导致伸出板与地面接触，不利于机器人的行走; 如果距离地面太高，会出现伸出板挡住球运动从而捡不到球的情况，影响捡球的效果。在本设计中，伸出板的最前端距离地面高度为3mm。六、测量元件6.1测速传感器的选取 测速环节如下图所示：测速传感器图6-1-1 流程图中测速环节 当今最常使用的测速传感器中有：霍尔传感器、旋转变压器、和光电编码器等，本文针对上述三种测速传感器展开对比论证。6.1.1 三种传感器的对比分析1.霍尔传感器：利用霍尔效应表达式U=KIB，

37、当被测圆盘上装上N只磁性体时，圆盘每转一周，磁场就变化N次，霍尔电势相应变化N次，输出电势通过放大、整形和计数电路就可以测量被测旋转物的转速（转速=60*频率/12）。且霍尔传感器灵敏度高，体积小，价格便宜。但霍尔式传感器在测速上有所限制，需要具有磁钢。且互换性差，信号随温度变化，非线性输出，使用时需要单片机进行非线性和温度校正 ，增加电路设计难度。此外，相对于旋转变压器和光电编码器等测量元件可以直接插在电机轴上测速，霍尔传感器在和电机装配问题上更为复杂一些。顾不使用霍尔传感器。2.旋转变压器：旋转变压器是一种电磁式传感器，又称同步分解器。用来测量旋转物体的转轴角位移和角速度，由定子

38、和转子组成。其中定子绕组作为变压器的原边，接受励磁电压，励磁频率通常用400、3000及5000Hz等。转子绕组作为变压器的副边，通过电磁耦合得到感应电压。其输出的电压信号与输入转角（转角差）信号通常呈正余弦变化、线性变化和特种函数变化。按照其结构分类可以分成有刷式，无刷式。对应结构的旋转变压器的性能如下表所示：类型精度工艺性相位移可靠性结构成本有刷型低差小差复杂高无刷型低一般比较大好一般一般表6-1-1各种类型的旋转变压器性能、特点比较 旋转变压器的优点在于适合高速工作状态、有绝对位置信号输出以及处理电路相对简单。其缺点也很明显，及精度相对于光电编码器要低，以及低速时的误差较大。且市面价格平

39、均在400左右，约是符合性能指标的光电编码器的10倍。此外，由于旋转变压器的输出信号为电压信号，在送入单片机先还要设计数字电路进行A/D转换，而编码器的输出量本身就是数字量，只需设计数字电路保证信号的稳定性和可靠性即可。综上所述，不采用旋转变压器。3.光电编码器：编码器俗称码盘，用来测量转角并把它转换成脉冲或数字形式的输出信号。按照其输出信号的基本形式分类可分为增量式和绝对式按照其结构和原理分类可分为光电式、电磁式。其中光电式编码器是目前用的较多的一种测角元件，它没有触点磨损，允许转速高，精度高，耐用性好，寿命长。其输入信号为角度信号，输出信号为对应角度的数字信号，由于本设计对转速的精度要求不

40、是特别高，采用精度相对较低但是价格极低的增量式光电编码器即可胜任。6.1.2 对光电编码器的论证分析和选取：1.增量式编码器结构和工作信号处理：增量式光电编码器结构如下图所示：图6-1-2 增量式光电编码器结构结构中最大的部分是一个圆盘，大圆盘上刻有均匀分布的辐射状窄缝，窄缝分布的周期称为节距，记为L。与圆盘对应的是两组检测窄缝，它们的节距和圆盘上的节距是相等的。两组检测窄缝的位置相隔(K±1/4)节距，其目的是使两个输出信号在相位上相差90°。从而使其能分辨出电机的转向。电路框图和信号分析如下：图6-1-3 电路框图及信号从图6-1-3，可以看出，在图示位置，过窄缝a的光

41、线光强处于中间位置，正转时光强减弱，反转时光强增强。正反转时，a的两个波形相位反相。通过窄缝b的光强处于最弱的位置，无论正转反转，b的光强都增强。正反转时，b的两个波形相位相等。还可以看出，a、b波形之间的相位差90°。正转时，电路输出正脉冲，反转时输出反转脉冲。每发出一个脉冲，表示转过了一个节距。单位时间内发出的脉冲数，就代表了转速。2.绝对式编码器的结构和工作信号处理：绝对式编码器由三大部分组成：旋转的码盘、光源和光电敏感元件。码盘上有光学码道，每个码道上按一定规律分布着透明和不透明区。如下图：图6-1-4 绝对式光电编码器结构光源的光通过光学系统，穿过码盘的透光区被窄缝后面的光

42、敏元件接收，输出为“1” ；若被不透明区遮挡，光敏元件输出 为“0”。各个码道的输出编码组合就表示码盘的转角位置。3.增量式和绝对式编码器的优缺点对比及选取：方式优点缺点增量式精度高开机后先要寻零构造简单，成本较低在脉冲传输过程中，干扰产生累计误差既适合测角也适合测速需要计数器、速度受到一定限制无接触测量，可靠性高，寿命长绝对式精度高,无接触，寿命长结构复杂，体积大开机不需要寻零价格高没有累计误差不需要计数器、允许转速高表6-1-2增量式与绝对式光电编码器优缺点比较 捡球小车在驱动行进过程中，两个电机对前轮分别驱动，为了调节电机转速使之转速相同，需要将电机转速作为反馈信号输入给单片机进行调节，

43、且对精度有一定的要求，综合增量式和绝对式编码器的特点，二者的精度都可以满足要求，且二者测量时都没有接触，所以都有可靠性强，使用寿命高的特点。但是绝对式编码器不仅结构复杂体积庞大，最大的缺点在于价格高昂。通常在300到700元之间，更有上千的绝对式编码器。而且增量式编码器的价格在30到200元间。但是增量式编码器带来的一个问题就是启动停止瞬间的抖动带来的干扰，这会使编码器输出脉冲抖动，从而起误计数。如图（a）中某一相为高电平时，另一相因抖动产生多个脉冲。图6-1-5 抖动产生干扰时的波形图但这可以通过FPGA滤波电路消抖。如图：图6-1-6 消抖电路4.测速方法：常用测速方法主要有定时测角法(M

44、法)及定角测时法(T法)，后来发展有M/T法及变M/T法等其他一些方法。这些方法基于增量式编码器，编码器测速脉冲可以看作一位二进制数，每次脉冲跳变表示转到新的分辨率区间。为了选择合适的测速方法，本研究进行了以下比较分析。M法：M法通过测量一定时间内编码器的脉冲个数来获得速度值。设编码器每圈发出脉冲数为P，在指定的测量时间Tg 内，编码器共发出m1 个脉冲，则电机转速n和分辨率Q的表达式如下表所示。M法的分辨率与转速无关，在任何转速情况下，能检测到的速度最小改变量都相等。但是相对误差与转速成反比。因此M法适用于高速情况下的测量。T法：T法的原理是通过测量相邻两个编码器脉冲的时间间隔来得到速度信息

45、，即测频法。如果计时用的高频时钟脉冲频率为fc，由编码器的相邻两个测速脉冲控制计时的起始和终止，如计时器计数值为m2，则转速n、分辨率Q表达式图所示。因此，T法的Q值随转速上升而增加，分辨率减小，在低速时有较高的分辨率。转速增加时，m2减小，测量误差增大，可见T法适合于低速情况下的测量，但低速测量时间会较长。本次设计的额定转速为3000r/min不适合用T法M/T法：M/T法是综合M法和T法进行改进得来的，它同时测量检测时间和此段时间内的编码器脉冲数。其原理是，由时钟脉冲m2测出时间T，再由传感器脉冲个数m1计算出速度。其转速n和分辨率Q如表所示方法转速分辨率误差（相对误差）M法T法M/T法表

46、6-1-3 三种测速方法的比较将以上的分析综合起来，可以看出，分辨率与测量时间及转速都有关系。但是捡球机器人处于高速运动的状态，采用M法进行测试，其精度更高、误差更小，因此本研究也采用M法实现转速测量。5. 增量式光电编码器的选取和内部结构信号的分析：1）增量式光电编码器的选取：综合性能、价格我们选取杰特仕增量式光电编码器。图6-1-7 选取的增量式光电编码器600脉冲时编码器的分辨率为：360°/600=0.6°，M法测速（Tg取1s）的分辨率为60/(600*1)=0.1。对于精度要求不高的转速控制系统来说能够胜任。其他性能如下：2）增量式光电编码器内部结构和信号分析：

47、捡球机器人的驱动电机采用的是有刷直流电机， 附有光电编码器和减速箱，测速系统采用FPGA作为逻辑芯片，系统的硬件结构和测速组成如图所示。图6-1-8 对光电编码器产生信号的处理图6-1-8其中，FPGA 芯片选用Altera公司的Cyclone系列EP2C5Q 208C8N，核电压Vccint接1.2V，I/0电源Vccio接3.3V电源，4个BANK连接相同的两组输入电压。电源管理模块采用低压稳压器AMS1117和AMS1117-ADJ，输入5V工作电压，前者可输出3.3V电压，后者利用ADJ端输出1.2V电压，供FPGA使用。FPGA 的配置芯片选用串行配置器件EPCS1，提供1MB 的F

48、LASH 存储容量，用来存储硬件配置信息和控制程序。EPCS1的工作电压是3.3V，将DATA、DCLK、nCS、ASDI与FPGA 相连，并连接到EPCS下载口，用来下载配置信息。驱动电机上的光电编码器在机器人运动时发出光电脉冲信号，构成测速系统的输入信号。测速系统主要包括滤波模块和测速模块。由于脉冲信号通常会有很多杂波及其他未知的噪声信号，滤波模块可以滤去杂波，从而提高了系统的抗干扰能力，保证测量的准确性。测速模块对脉冲信号进行处理，获得速度信号。FPGA 嵌入的软核处理器NIOS是机器人的主控芯片，读取测速模块传送过来的数据，从而可以对系统进行运动控制。6.2 位置和避障传感器的选取避障

49、环节图6-2-1 流程图中的避障环节位置传感环节图6-2-2 流程图中位置传感环节6.2.1常用传感器及特点测距定位传感器有很多种，其中常用的有：GPS定位、激光定位、视觉定位、超声波定位以及红外定位。本设计采用超声波传感器与红外传感器结合工作。1.GPS传感器GPS定位即全球定位系统(global positioning system GPS)，是美国国防部主要为满足军事部门对海上、陆地和空中设施进行高精度导航和定位要求而建立的，以卫星为基础的无线电测时、导航系统，其具有全天候、高精度、自动测量、方便灵活以及全球覆盖能力。近年来，随养GPS技术的蓬勃发展，GPS追踪系统、GPS导航系统、GPS定位系统作为一种高科技产品在民用方面(尤其在手机定位、汽车导航、物流方而)得到了快速广泛的应用。但是，现有的GPS设备需要的所有电子地图都不是免费的，而且GPS地图的数据信息不够详尽，并且无法实时更新，给用户带来很多不便。而其精度已在几米以上，根本无法满足设计需求。2.激光传感器激光与一般灯光、太阳光同是电磁波，但它产生的机理与特性不同，即它是一种物质的原子“受激辐射光放大”。在前人研究的基础上，于1960年美国梅曼发明了红宝石激光器，1961年出现了氦氖(He-Ne)激光器等等，在激光器的装置中，一般由工作物质、谐振腔和激励能源三部分组成。工作物质有固体、半导体