全自动抓斗式清淤机窨井激光测距定位技术研究

1、 摘要移动机器人的现阶段发展迅速，转向功能是移动机器人能够工作的基础要求。本文从舵机转向进行研究，探究舵机实现移动机器人转向的可行性和意义。首先，介绍了移动机器人的重要意义和发展简史，对移动机器人的基本结构和组成部分作出简单介绍，简述了机器人的工作原理。其次，对于舵机结构做了一定的介绍，并且介绍了舵机的工作原理。再次，根据研究课题的需求，制作了一辆智能小车，能够模拟实现移动机器人的转向，并且对智能小车的使用模块介绍，阐述其工作原理。最后，根据模型的转向模拟图，构建了数学模型，编写出运动方程，并且分析得到小车转角的最小角。1绪论引言移动机器人作为机器人学科的一个重要发展方向，在对周围环境的判决的

2、基础上能够根据指示或前期目的自行做出反应，现在的移动机器人的行业的发展，相关的机器人的使用方向有了更大范围的扩充，将更多的学科综合使用到移动机器人当中。从最初的军事国防行业，到后来的普通工业的使用，以及现今的家庭日常生活中的简易机器人的大范围使用，已经让全世界都意识到了机器人这一行业在各行各业和日常的不可或缺。不止是作为机器人和智能化的基础，基本的转向的实现也就是一项基础的要求。现阶段对移动机器人的普遍采用的转向方式也就差速和舵机的方法。本文采用了舵机的控制方法实现转向。当今时代的发展带动了城市的繁荣，城市也在日益的扩大规模，与此同时凸显出的交通，环境，安全等等都出现了很多严重的问题。工业和经

3、济的全面发展保证了社会的全面发展，保障了人民的基础需要，但是科技实力的进步意味着生产的规模化和产业链化，工人们在生产过程中由手工业者向设备操作者的变化是必然的发展趋势。周围的交通安全问题和生产工作的安全问题都在提出了对车辆和机器人等生产生活工具智能化的要求，对于个人和生产者而言智能化是必然的。 现在的移动机器人按运动方式进行区分的话可以分成轮式，腿式和混合式三种。而按照现在实际生活中的需求，从稳定性和效率方面进行比较的话，轮式机器人更能满足日常的生产生活需要，同样也能在智能车上有更多的实际应用。 最开始的移动机器人是在上个世纪六十年代被美苏两个超级大国用于月球的勘测工作，首先是美国的探月机器人

4、被宇宙飞船发送到月球之后再由地球上的指挥中心发出指令后在月球上工作，完成了地表勘测并回传相关数据；再有苏联的探月机器人在无人宇宙飞船的传送下到达月球，将月球表面的部分岩石采集之后顺利的装回到回收舱内运回到地球，为之后的月球表层成分研究提供了基础。 国外的许多国家在移动机器人方面走在了世纪的前列，他们已经取得了令人称赞的成果。不只是在航天事业上的应用与开发，从上世纪六十年代开始由斯坦福大学研究成功的Shakey和同时期的步行机器人General Electric Quadruped引领了移动机器人的诞生，开始了移动机器人的发展之途。七十年代时期，机器人主要应用于军事领域，早稻田大学顺利的开发出了

5、类人型机器人，能够模仿人类动作并且有行走功能，不只是使用陆上，特殊环境下的机器人使用范围更加的广泛，水下机器人和 其他能够适应特殊环境的机器人也应运而生。在七十年代后，电路集成化越来越高，促进计算机技术的发展，伴随着计算机技术的突飞猛进，移动机器人技术也随之产生质的飞跃，特别是美国，日本，欧洲这些国家和地区的一系列在机器人上的投入带动了整个产业的发展。不止各国政府在机器人研究上花费了大量人力物力，众多的世界大型公司也纷纷投掷重金于机器人产业，开发了诸多出色的机器人模型和控制系统，并且将部分机器人投入到生产，开发出不可估量的商业价值。 由于机器人的使用方向越来越大，为了机器人能够适应不同的需要，

6、差别化的设计也就是必然趋势。虽然机器人出现了差异化，但是在传感器，控制等方面依然是相同的技术发展要求，例如在传感器方面是每个机器人不可或缺的一项基本功能要求，如若缺少了传感器机器人根本不能认知周围的现实环境从而根据实际做出相应的动作。移动机器人在被设计的时候会根据使用环境采用合适的移动方式，轮式被更多运用在平整的路面上，而腿式用在了山地和不平整的地带。移动机器人的控制也从最初的遥控器手动遥控到后来的半自动监控方式，直到现今的高度自动化能够自动应对周围环境，现在从多个学科共同研究更高自动化程度的移动机器人。 国外从上世纪80年代中期就在日常的生产和生活当中大规模的使用机器人，减免人类的工作量，提

7、高生产效率和生活质量，尤其现在，特定行业的专业化区分使用格外醒目。 我国在机器人领域进入的时间较晚一些，但是我们在这上面投入还是较大的，较为早期的863发展规划里就是将机器人作为发展的重点，发展到现今的阶段拥有了大量的实力不容小觑的专业素质人才，为我国未来的机器人事业奠定了基础。 邻国的日本因为目前人口负增长很早之前就发现了机器人对于未来的影响，国家和大型企业都相继投入大量人力物力在机器人事业当中，在普通民众当中也形成了对于机器人的重视观念：机器人是未来必不可少的。 美国发明机器人之后曾经有过理论重于实际，但是其技术基础远远优于他国，机器人技术仍然是其他国家望其项背。 机器人还在不断的发展当中

8、，各行各业的特殊要求为机器人行业注入了动力，同时也为开发增加了不小的挑战。 由于技术不断进步，多种多样的驱动装置被研发出来，舵机自研制成功之后就被大量的应用于机器人的驱动之中。舵机兴起于航模，现在也被运用于赛车中用来控制前轮转向。舵机的个头不大但是简单易用且能提供较大的功率，因此被广泛的应用在机器人上特别是小型机器人上更是十分实用的。 舵机也叫做伺服电机，运用的是闭环控制系统。在一定的指令控制之下，舵机能够运动到准确的角度上，这一项的准确性适用于对运动角度有高要求的类人型机器人的关节运动。 现在舵机的发展前景令人看好，众多的相关生产和研发企业都竭尽全力投入其中，追求高效益的同时也在间接的让舵机

9、的发展更上了一个台阶。 舵机目前主要有模拟舵机和数字舵机两种。本文主要围绕模拟舵机展开。 现阶段的驱动方式除开舵机以外，还有的较多的采用直流电机和步进电机在机器人的控制的控制上，除了小型的机器人外，大型机器人采用以上两种控制方式的也较多。 步进电机能够准确的让运动轴运转至转角点，而且由于步进电机通常运动的角度只在1左右因此其能够准确的运动至相应的的角度。然而步进电机也存在一定的不足之处，它只能够依照已有的规律为各绕组供电且循环往复才能保证电机的正常运转。步进电机与普通的直流电机不同，步进电机的转矩相对较小些，但是同时消耗的电量不小，而且控制电流存在着不稳定的因素。不只是大量电量损耗的问题，步进

10、电机还存在一定的失步问题。步进电机按照一个控制脉冲就能够移动一步的工作方式。但是在日常的工作当中，电动机因为连续运动会产生失步，造成实际的前进步数少于理论步数即脉冲的数量。造成失步问题的原因有以下几点如因运行频率上升反而使步进电动机的的户数转矩下降，在此之中出现的较高的工作频率而出现失步；也可能因步进电机的负载的惯性使得电机在启动时不能快速启动而出现了失步问题;共振问题也会引发失步现象。这些都导致了步进电机在小型机器人上的不、难以操控。 除却步进电机之外，直流电机也会被运用在机器人之上。直流电机在启动和制动上面存在明显的优势，在直流电机的运动过程中可以非常直接地测速。直流电机的正常转速较高，但

11、是与机器人控制的速度要求不相符，机器人的控制并不需要直流电机的高速运转，为了满足机器人控制上的实际要求，因此我们往往要加入其它设施减速之后再来满足机器人运动控制的要求。现在我们使用的舵机就是直流电机的基础上采用伺服形成闭环系统来有效的保证实际前进步数的正确性。 舵机的构造相对来说并不复杂，主要就是包括了舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计、直流电机、控制电路板等。它能够结合直流电机的作用，保证了能够快速的到达要求位置，不会因为速度过快而出现误差。而且因为使用减速器能够直接的且大幅度的减少了电机的速度。另外也因为使用的齿轮组通过增加转矩来提升电机的负载，直接的扩大了舵机的使用范围和应用方向。舵机同样

12、有部分的不足之处。舵机无法直接通过仪器在表面测出它的速度，必须采用特殊的设备才能测出。此外，因为旋转限定问题，舵机的脉冲周期限定在了20ms以上才能动作。舵机也有些许的不足。舵机是由表壳，无核心马达，舵盘，齿轮组，位置反馈装置，控制电路等等组成。表壳的主要作用是简单的保护措施，避免外部物体进入，影响多级工作。表壳的材质采用较多的是塑料的，质量较轻，有效的减轻了舵机重量，在微小模型的使用上较为方便实用。也有的是采用合金的材质，能够增加保护性能和导热性能。对于一些有着较高要求的舵机在选择是可以采用金属制式的外壳，加快散热和对内部器件的保护功能。无核心马达也就是空心杯电机，是直流电机的一种。无核心马

13、达的独特的结构构造与以往电机的传统转子截然不同，它拥有独特的节能能力。因为其无铁芯转子的结构，充分满足了伺服电机对于高转速的要求。舵盘将舵机的运动输出，带动其它装置的运动，例如实现移动机器人的转向，人型机器人的关节部位的转动做出相应的动作。齿轮组配合无核心马达，达到减速的效果，满足机器人控制的需求。齿轮组和表壳一样，在材质上有塑料和合金的不同选用。塑料制成的齿轮组可以有效的减轻重量，经济成本较低，经济实惠；但是质量参差不齐，部分工作无法完成，容易磨损，影响工作。合金的齿轮组质量过硬，不易损坏，工作使用期限较长；但是也存在一定缺陷，如重量较大，花费较大，齿轮之间密合度不高有问题等等。两种材质各有

14、各的有点与不足。也有部分采取了混合材质的齿轮，部分取用合金剩余使用塑料的方法保证质量。现在的主流的舵机类型主要是根据功率高低来选用适合的材质，对于小功率的使用塑料，大功率的使用了合金甚至使用较为昂贵的钛合金材质来保证质量，普通功率的采用混合材质的。位置反馈装置是在接受控制电路的信号之后已经变化后的方向进行进判断后再次的传回控制电路当中进行二次比较后，多次调整来达到方向的转变，完成转向。 舵机的核心也就在于它的控制电路，直接连接各个部件运作，虽然每个部件都是不可或取得，相对而言，控制电路的重要性更为突出。所有的舵机驱动电路都是由信号调制芯片和电机驱动芯片两个大部件组成。信号调制芯片通过信号的到相

15、应的偏置电压，加载在驱动芯片上。驱动芯片控制电机的转动速度。此外，整个的控制电路中还有部分电容和电阻在其中工作，保证电路的正常工作。 根据舵机的结构原理图将舵机的工作原理进行细致的说明。 理想的控制脉冲发送到了控制电路之后，控制电路会根据这个控制脉冲在信号芯片运行后产生直流偏执电压。电机驱动电路在接受到了直流偏置电压之后会依照电压的大小使得电机做出对应的工作。电机的转速会在齿轮组的调节下大幅度的减小，而使得电机的输出扭矩在输出之前成反比的放大，扩大作用。最尾端的齿轮可以带动电位器工作，在得出舵机实际的转动角后将数值回馈到控制电路中去。控制电路依照电位器的反馈信息与要求的转角进行比较，再发出新的

16、控制脉冲转动角度或者已经完成转角要求，没有新的脉冲。 现在使用的模拟舵机不可能单独使用，舵机的控制器必须依照脉冲宽度来进行相应的控制，而这个不可少的脉宽信号则是采用外在的控制器发出的信号对舵机做出控制工作。因此，舵机还有3根线必须与外部连接。第一个是电源线，为舵机提供电力来源和动力基础，供电电压基本在4.8V6V之间。第二根是地线，起到接地的作用。第三根是信号线，也是最为重要的，它提供了脉宽信号，周期是20ms，脉宽则在0.5ms2.5ms之间，能够使得舵机的角度从-90到90的精准调整。 实际应用的时候，可以依照转动的角度需求进行准确的调整。使用外联的控制器依照我们实际的需求角度对脉宽进行调

17、节，在0.5ms2.5ms之间调整脉宽，传送到舵机内部的信号会使得舵机有相应的转动，精准转动到达需求的位置。 现在对于脉宽信号的输入方式也是比较多的，可以采用单片机，FPGA和PLC等可编程器件直接采用程序的方式输出相应的脉宽信号进入舵机。此外，也会模拟电路的方式组成外联控制器。 单片机，PLC这些可编程器件都是独立运行的系统，内部相对稳定，而且可以控制单个或同时控制多个舵机，经济方便，控制方法也很灵活，可以多次反复使用。而且相对而言输出的脉宽信号非常稳定，不会出现较大误差。 FPGA虽然在各种控制其中精准度最高，而且最为稳定，但是制作工艺要求过高，成本较大。 而模拟电路则是通过运放器件这些组

18、成外部的控制电路后输出有源滤波后的稳定电压。舵机的本身转动角度的需求，信号一定为50Hz即周期为20ms的硬性要求。实际使用的过程当中，模拟电路在使用时会由于运放器件的质量出入出现电压的浮动，然而舵机的使用要求却对这点较高，即5mV的不显著变化也会造成舵机抖动。实际的模拟电路不只是因为运放器件会出现电压不稳，电源本身也会因电路影响出现电压变动。实际使用的时候，电路的电力损耗的浪费，占据空间的阻碍，搭建电路的繁杂等等问题，以及基础的不能很好的满足脉宽信号的要求注定了模拟电路的实际应用的局限性。舵机在使用的时候进行选用时要在多个方向进行对比选用：如转速、转矩、电压、体积、材料、重度等等，每一项的差

19、别都会造成舵机在使用时的效果，影响整个工作人的工作效果。的范围内。具体情况下要依照速度的需求做出合适的选择决定。舵机在转矩方面的选择上也是必不可少的。舵机因为它的体积的大小限定，舵机的舵盘不会较大，舵盘和舵机轴的直线距离也就相对较小，其转矩的适用单位都是KGCM即是在距离舵机轴的一定距离的舵盘所能够带动转动的物体质量。考虑舵机的时候必要考虑舵机所要带动的物体的大小和质量，要相匹配。例如制造类人机器人的时候就要考虑机器人的不同关节承载的不同的部位和在机器人的所处的位置，依照具体的应用选用能够提供不同大小的转矩的舵机来完成机器人的正常动作，因此转矩的考虑是必不可少的。普遍的应用中，JR生产的舵机基

20、本是采用4.8V作为标准工作电压，而Futaba是采用6.0V为标准工作电压。一般的情况下，电压与电机转速和转矩是成正比关系的，一般都是选择较高的工作电压；但是在实际应用的时候，舵机是作为机器人的配件，舵机的实际工作电压要视能够获得的来自机器人的电压而定，没有额外的供电来源。舵机的体积、重量和材质等等虽然有不同的选择但能够提供相近的功能，因此没有硬性的使用规定，具体的选择时看使用是否存在可能的限制，在这些方面有所选择，保证舵机能够正常使用并且保证一定的工作时长。3.硬件平台分析 本文为能够直观的实现舵机转向的工作过程，因此设计并且构造出一个移动机器人的硬件平台，用于研究舵机转向的方面，此平台使

21、用的是日本的FUTABA-S3003型舵机，使用的是STC12C5A60S2的单片机作为外接的舵机控制器。电机驱动电路 电机的驱动电路采用了两个直流电动机作为智能小车的动力来源，采用串联的电池组提供能源动力。6和11口即实物图中的通道A和通道B 输入PWM信号后对A，B两个电动机即移动小车上的左右后轮进行驱动，PWM信号通过对占空比的大小调节能够直接调节速度。5，7，10，12四个口两两对应，通过单片机输入实物图中的逻辑输入口，对照下表，可以根据输入电平的高低在驱动电路中产生的结果得知下表中的控制方式和电动机状态结果。 EN A/EN BIN1/IN3IN2/IN4电动机状态0XX停止100制

22、动101正转110反转111制动 在实际的小车组装过程当中，移动平台的基础就是小车能够有效的运动， 电机调速是不可少的过程。在调试过程中，先行组装好底盘后即对后轮的左右两轮的驱动电机进行调速，并且保证在输入不同大小占空比的PWM信号后，测得的驱动电机的两端电压大小相同和相近，因为电机的两端电压大小决定了功率大小进而决定两轮的转速，必须保证左右两轮的转速相同，才能使得智能小车在直行状态下匀速稳定运动。 3.2 FUTABA-S3003型舵机分析移动平台的组建目的是使用舵机能够准确的转向，应用于这个移动平台的舵机就选用了S3003型舵机。S3003型舵机是由直流电机，齿轮组，位置反馈电位器5k，舵

23、盘，电机驱动芯片BAL6686和信号调制芯片BA6688L以及控制电路板组成的。简述一下S3003型舵机的工作流程就是PWM信号由接收通道进入信号调制芯片BA6688L的12脚进行调制，得到直流偏置电压。将直流偏置电压和电位器的电压进行比较，获得的电压差由信号调制芯片的3脚输出。当输出近入电机驱动芯片BAL6686后，驱动电机，使得直流电机作出正转或反转。当直流电机转动时，通过级联减速齿轮带动电位器Rw1旋转，当电压差为0V后，电机就不会再转动，舵机也就运动到需求的角度上了。下表是S3003的一些基本参数：参数数值尺寸(Dimensions)36.0 mm重量(Weight)37.2 g工作速

24、度(Operating speed)0.23 sec/60(4.8V) ，0.19 sec/60(6.0V)输出力矩(Output torque)3.2 kg (4.8V) ，4.1 kg (6.0V)3.3 STC12C5A60S2型单片机介绍 STC12C5A60S2型单片机能够输出两路PWM信号,能够主要是通过单片机的辅助寄存器AUXR1的B6口输出功能，对于输出的两路PWM将两路信号分别从P1.3和P1.4转换到P4.2和P4.3口，但是 HC-SR04模块使用超声波原理测量距离，不需要直接触碰即可测量0.02m-4m的范围，而且准确度可以达到3mm；其整个模块是由超声波信号发射器、接

25、收器和模块控制电路组成的。外界通过I/O口TRIG输入进10us的高电平信号，模块发射出8个40khz的方波，模块对信号的发射和接受自动判别，当接受到信号后在通过I/O口的ECHO向外界传出一个高电平，因此高电平存在的时间就是超声波从模块传出到传回的时间，测得距离就是高电平存在时间的一半与声速的乘积。模块接口的功能和电气参数如下表 接口名称接口功能VCC提供5V电源GND接地TRIG触发控制信号输入ECHO回传控制信号输出电气参数HC-SR04超声波模块工作电压DC 5V工作电流15mA工作频率40Hz最远射程4m最近射程2cm测量角度15输入触发信号10us的TTL脉冲输出回响信号输出TTL电平信号，与射程成比例规格尺寸45*20*15mm小车的数学模型4.1 小车整体的运动数学模型 移动平台使用的是前轮转向的方式，参照下图的模拟图。 由上图的转向示意图可以看出小车在向右转弯，在小车的中心处有一个明显的向外的角度，将小车中心处的角度进行平行车身和垂直车身两方向的速度分解后可以明显看到即在垂直方向的速度分量是朝向车外的，小车在朝向右转时必然会有向外的趋向；舵机转向的运动方程舵机转向的数学模型 建立下图的运动控制模型，用于分析移动机器人在动作时的舵机转动角度 将舵机的中心作为坐标原点来建立二维坐标系来分析，将车的中心线定义