毕业论文-机器爬虫的研制

1、机器爬虫的研制作者： 执导教师：学号:(届别：2005届 专业：电子信息工程 班级：2001级电子甲班) 摘要：当今世界电子技术迅速发展，微处理器、微型计算机在各技术领域得到了广泛应用，对各领域技术的发展起到了极大的推动作用。机电一体化的发展趋势更是无法避免，而且二者的结合正向着更高更深的层次发展。一个较完善的机电一体化系统，应包含以下几个基本要素：机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分。机电一体化是系统技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术、检测传感技术、伺服传动技术和机械技术等多学科技术领域综合交叉的技术密集型系统工程。“机器爬虫”就是在这种知识体系的支撑下

2、开发和研制而成的。我们从仿生学的角度出发，深入浅出，通过模仿爬虫的一些基行为和动作，在实体上实现了爬虫直线行走、转弯、自动蔽障等基本功能。仿生物系统化将是未来机器人开发的主要方向。新一代的cnc ( Computer Numerical Control ) 系统，这类典型机电一体化产品正朝着高性能、智能化、系统化以及轻量、微型化方向发展。关键字： 机电一体化伺服电机爬虫单片机Research of The Machine reptileAuthor : Zhang yong Yang peilie Tutor : Pei dong Wang quanzhou( Year:2005th fall

3、s due Major: Electronic information projectClass:In 2001 level electronic first class )Abstract :Now the world electronic technology rapid development, the microprocessor, the microcomputer obtained the widespread application in various area of technology, to various domains technology development t

4、o enormous impetus function. The integration of machinery development tendency is unable to avoid, moreover the two union is turning towards the Gauguin deep level development. A perfect integration of machinery system, should contain following several basic essential factors: Mechanical main body,

5、power and actuation part, implementing agency, sensing measurement component, control and information processing part. The integration of machinery is the system technology, the computer and the information processing, the automatic control technology, the examination sensing technology, the servo d

6、rive technology and the mechanical technology and so on the multi-disciplinary area of technology synthesis overlapping technology-intensive systems engineering. “the machine reptile” is the development and the development but becomes in under this kind of knowledge system strut. We embark from the

7、bionics angle, explain the profound in simple language, through the imitation reptiles some base behaviors and the movement, realized the reptile straight line in the entity to walk, the curve, automatically blocks and so on the basic function. The biological modelling systematization will be the ma

8、in direction which the future robot will develop. New generation of cnc (Computer Numerical Control) the system, this kind of model integration of machinery product is facing the high performance,the intellectualization, the systematization as well as the featherweight,the microminiaturized directio

9、n develops.Key words : Mechanical-electrical integration Actuating motor Reptile Single chip computer引 言电子信息产业是当今世界上最具竞争力的战略性产业。九十年代以来，以通信、计算机及软件产业为主体的世界电子信息产业在激烈竞争和产业结构升级中高速发展，增速远高于世界GDP 的增长速度，是全球增长最快的产业之一。电子信息产业不仅本身增长速度快，而且以其高渗透性、高倍增性和高带动性，已经成为世界各国经济发展的主要动力。踏着世界电子信息产业快速发展的步伐，电子信息科学与技术已成为推动国民经济发展的最

10、活跃因素，并极大地改变了人类生活和社会面貌。在我国电子信息产业-包括计算机、通信、自动化和控制技术，不但自身在迅速发展，而且已渗透到各行各业，成为改造传统产业、实现经济腾飞的重要力量。而大批掌握电子信息技术，会从事相关产业开发、管理、生产、维护的不同层次科技人员，又是国民经济和科技发展得以长盛不衰的保证。“机器爬虫”作为电子信息技术的平台，汇集系统技术、计算机与信息处理术、单片机应用技术、自动控制技术、检测传感技术、伺服传动技术和机械技术等多学科技术和领域。充分体现了电子信息类工科设计开发、研究制作，理论、实践结合的实用性和创新性。另外，研究制造昆虫机器人，其前景也是非常美好的。例如，通过一只

11、“虫王”就可以控制一大群机器昆虫，由它以接力形式把控制指令传送给每个机器昆虫。应用这种机器昆虫可以在战场上完成侦查、运送物品，或在其他星球进行探路。作为机器爬虫项目研发集体的一员，笔者亲历了整个项目的开发过程，并在其中担负了一定的实际工作，尤其是在系统材料选型、应用，PCB设计制作方面积累了一定经验，取得了一些收获。本篇文章将结合作者的工作经验，从电子系统设计的选型，单元电路设计制等方面详细论述。目 录1总体设计思路1 1.1语音学的相关知识1 1.2语音信号的压缩和编码2 1.3语音识别2 方案比较与论证12.1中央控制系统12.2电源选择43系统设计53.1语音识别原理分析与说明53.1.

12、1语音识别基本原理53.1.2爬虫直行原理分析63.1.3爬虫自动避障原理分析63.2器件的选型与外围部件的制作73.2.1中央控制系统 AT89C205173.3电路设计与说明83.3.1电源电路103.3.2控制系统电路103.4机械构架的设计与制作103.5自由度的选择114系统调试124.1硬件调试124.2软件调试134.2.1第一阶段134.2.2第二阶段135指标测试146 系统说明156.1使用说明156.2技术特点156.3系统设计理念及功能创新157 结束语16参考文献17 总体设计思路第一步，研究昆虫的相关知识；第二步研究电机的相关知识；第三步，设计并制作电路、设计并制作

13、机械构架，力求用最少的电机完成最多的功能（如模仿爬虫的的动作、生理功能等）。可发展目标是实现多只机器爬虫的通讯，相互配合完成一定的任务。总体设计流程图如下：1.1昆虫的相关知识 我们的设计是从仿生学的角度出发，模拟和实现昆虫的一些基本行为和动作。因而在前期对昆虫的相关知识做了基本的研究。其中主要用到了六足爬虫行走时的动作特点。我们发现，昆虫行走是以三条腿为-组进行的，即一侧的前、后足与另一侧的中足为一组。这样就形成了一个三角形支架结构，当这三条腿放在地面并向后蹬时，另外三条腿即抬起向前准备轮换，靠两组腿前后交替运动而行走。让我们具体来看看一组中的三条腿是怎样相互配合的：前足用爪固定物体后拉动虫

14、体向前，中足用来支持并举起所属一侧的身体，后足则推动虫体前进，同时使虫体转向。这种行走方式使昆虫可以随时随地停息下来，因为重心总是落在三角支架之内。并不是所有昆虫都用六条腿来行走，有些昆虫由于前足发生了特化，有了其他功用或退化，行走就主要靠中、后足来完成了。1.2电机相关知识 微型伺服电机原理分析1）微型伺服电机内部结构一个微型伺服电机内部包括了一个小型直流电机；一组变速齿轮组；一个反馈可调电位器；及一块电子控制板。其中，高速转动的直流电机提供了原始动力，带动变速（减速）齿轮组，使之产生高扭力的输出，齿轮组的变速比愈大，伺服电机的输出扭力也愈大，也就是说越能承受更大的重量，但转动的速度也愈低。

15、2）微行伺服电机的工作原理一个微型伺服电机是一个典型闭环反馈系统，其原理可由下图表示：减速齿轮组由电机驱动，其终端（输出端）带动一个线性的比例电位器作位置检测，该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给控制线路板，控制线路板将其与输入的控制脉冲信号比较，产生纠正脉冲，并驱动电机正向或反向地转动，使齿轮组的输出位置与期望值相符，令纠正脉冲趋于为0，从而达到使伺服电机精确定位的目的。3）伺服电机的控制标准的微型伺服电机有三条控制线，分别为：电源、地及控制。电源线与地线用于提供内部的直流电机及控制线路所需的能源，电压通常介于4V6V之间，该电源应尽可能与处理系统的电源隔离（因为伺服电机会产生噪音）。甚

16、至小伺服电机在重负载时也会拉低放大器的电压，所以整个系统的电源供应的比例必须合理。输入一个周期性的正向脉冲信号，这个周期性脉冲信号的高电平时间通常在1ms2ms之间，而低电平时间应在5ms到20ms之间，并不很严格，下表表示出一个典型的20ms周期性脉冲的正脉冲宽度与微型伺服电机的输出臂位置的关系：2 方案比较与论证2.1 中央控制系统我们采用ATMEL的AT89C2051单片机作为机器爬虫的核心控制芯片，考虑到爬虫的功能比较简单，以及爬虫的驱动所选取的电机为普通伺服电机，力矩不是很大所以我们尽量将爬虫制作的小巧一些。2.2 爬虫足数选择方案一：四足优点：制作简单。缺点：平衡性差，支撑性能差。

17、方案二：六足优点：制作难度适中，平衡性好，支撑性能好。缺点：电机匹配调试复杂。方案三：八足优点：制作难度高，平衡性好，支撑性能好。缺点：电机匹配调试非常复杂。综上所述，我们考虑使用难度适中的六足爬虫方案。2.3电机选择从广义上讲，电机是电能的变换装置，包括旋转电机和静止电机。旋转电机是根据电磁感应原理实现电能与机械能之间相互转换的一种能量转换装置；静止电机是根据电磁感应定律和磁势平衡原理实现电压变化的一种电磁装置，也称其为变压器。我们这里使用的是旋转电机，其具体分类如图2：方案一：直流电机优点：价格低廉，体积小巧。缺点：速度与电压相关，不便于控制调节。方案二：伺服电机优点：控制简单，反应速度快

18、，体积小，功耗小，大扭力，装配灵活，相对经济。缺点：首先它是一个精细的机械部件，超出它承受范围的外力会导致其损坏，其次它内藏电子控制线路，不正确的电子连接也会对它造成损毁。方案三：步进电机优点：通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达调速的目的。因此在需要准确定位或调速控制时均可考虑使用步进电机。缺点：由于步进电机存在空载启动频率，所以步进电机可以低速正常运转，但若高于一定速度时就无法启动，并伴有尖锐的啸叫声；不同厂家的细分驱动器精度可能差别很大，细分数越大精度越难控制；并且，步进电机低速转动时有较大的振动和噪声。为

19、了在体积、质量上尽量的小，而且控制方便，我们选择了功耗比较低、控制较为灵活的伺服电机。2.4传感器选择方案一：微波传感器优点：感应距离远，灵敏度高，还可附带测距功能。缺点：覆盖面积过大，价格昂贵。方案二：红外传感器优点：调节方便，使用简单。缺点：覆盖面积小，可测距离与器件价格成指数关系。方案三：轻触开关优点：调节简单，价格低廉。缺点：灵敏度低。综上考虑，我们选择了轻触开关2.5电源选择方案一：开关电源优点：采用功率半导体器件作为开关，通过控制开关的占空比调整输出电压。以功率晶体管（GTR）为例，当开关管饱和导通时，集电极和发射极两端的压降接近零，在开关管截止时，其集电极电流为零，所以其功耗小，

20、效率可高达70%95%。而功耗小，散热器也随之减小。此外开关电源具有重量轻，体积小等特点。缺点：产生较强的电磁干扰（EMI），EMI信号既具有很宽的频率范围，又有一定的幅度，经传导和辐射会污染电磁环境，对通信设备和电子产品造成干扰。如果处理不当，开关电源本身就会变成一个干扰源。方案二：稳压电源优点：电路制作简单，体积小巧，功耗低。缺点：滤波效果一般，容易被杂波干扰。2.6运动方式选择2.6.1 直线行走方案通过对单片机编程，设定脉冲输出，驱动伺服电机实现直线行走。优点：控制灵活，步幅可调缺点：由于电机不是完全匹配，在直线行走的调节上难度很大，只能通过不断的对程序改动来实现。2.6.2 自动避障

21、方案使用轻触开关作为机器爬虫的触角，将轻触开关检测到障碍物的信号传给单片机，单片机通过中断方式识别。识别后先后退，再转弯，最大限度的模仿了爬虫的功能。优点：中断方式避查询方式反映速度快，节省单片机资源。缺点：对电磁干扰敏感，容易发生异常中断。2.6.3 转弯方案通过单片机给伺服电机不同脉冲的方法实现差速转弯。优点：转弯稳定。缺点：速度慢3 系统设计3.1 原理分析与说明3.1.1 昆虫行走的特点（这里以六足爬虫为例）：昆虫行走是以三条腿为-组进行的，即一侧的前、后足与另一侧的中足为一组。这样就形成了一个三角形支架结构，当这三条腿放在地面并向后蹬时，另外三条腿即抬起向前准备轮换，靠两组腿前后交替

22、运动而行走。让我们具体来看看一组中的三条腿是怎样相互配合的：前足用爪固定物体后拉动虫体向前，中足用来支持并举起所属一侧的身体，后足则推动虫体前进，同时使虫体转向。这种行走方式使昆虫可以随时随地停息下来，因为重心总是落在三角支架之内。并不是所有昆虫都用六条腿来行走，有些昆虫由于前足发生了特化，有了其他功用或退化，行走就主要靠中、后足来完成了。3.1.2 自动避障主要采用的器件是轻触开关，它有三个接头，中间接头与系统信号接口连接。两边的其中一个作为低电平输入，另一个作为高电平输入。我们用轻触开关作成爬虫的左右两个触角，在爬虫直线行走的过程中，当它的一个触角碰到障碍物时，触角的一端跟中间的信号接头连

23、通，此时向系统发出一个高电平（或低电平）信号，从而启动后退、转弯程序。当左边的触角碰到障碍物时，就调用右转程序来绕开障碍物。当右边的触角碰到障碍物时，就调用左转程序来绕开障碍物。3.1.3通过单片机给伺服电机不同脉冲的方法实现差速转弯。我们给左右两电机不同的正脉冲，则左右两电机就会以不同的转角工作，这样就可以实现爬虫的转弯，而且也减少了爬虫的腿与地面的摩擦。使得原本驱动能力很小的电机也可以带着大质量的负载完成转弯动作。3.2 器件的选型与外围部件的制作3.2.1 中央控制系统 AT89C2051 AT89C2051是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS 8 位单片机，片内含2K by

24、tes 的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128 bytes 的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元。基于以上特点，加之AT89C2051为双列直插20管脚结构，比较小，适合总体要求的小而轻的原则所以我们选用该芯片。3.3 电路设计与说明3.3.1 控制系统电路用12M晶振和两个30P的电容构成一个2051的最小系统，内设复位电路，可通过复位开关使其在程序跑飞时手动复位，而不用关闭电源。2051芯片的P1和P3口线全部以插针形式引出方便外部扩展。3.3.2 电源电

25、路系统电路采用稳压电路电路如下图所示。通过电解电容和瓷片电容分别滤去低频和高频的干扰波。3.4机械构架的设计与制作选材方案一 铝合金 优点： 硬度高 耐磨损 较轻便 缺点： 可塑性差 加工难度大 价格比较高 方案二 塑料板 优点： 可塑性好 易加工 轻便 价格低廉 缺点： 机械性能差 易磨损 我们从实验而非应用的角度出发，重在模拟和演示昆虫的简单功能。因而选择了成本低，易加工的塑料板作为机械构架的制作材料。加工考虑到目标对象的外观和其驱动装置电机的负载能力等综合因素，我们选择了如下尺寸：26cm18cm9.5cm首先找一块大小适中的塑料板，按照图纸设计好的尺寸在上面画出需要切割的轮廓线并标出需

26、要打孔的准确位置。然后用锯子，台钻，电钻等工具进行切割加工。调试、打磨 为了使爬虫在行走时能够保持平衡，必须对加工好的部件进行精细的调试和打磨，使六条腿的高度达到平行。3.5 自由度的选择 从理论上讲，要行走，每条腿至少需要两个自由度，即垂直方向和水平方向。也就是说每条腿要用两个伺服电机来控制。要用六条腿行走，就至少需要12个电机。如果选择这个方案会有很多不便，如：功耗大、笨重、成本高、制作难度增加等。但这样做也有优点，如：机器人的灵活度会大大提高。我们从实验的目的出发，利用机械设计技术，引入了三根钢丝，将电动机的数量减少到三个，既实现了所预期的功能，又降低了制作成本跟制作难度。4 系统调试4

27、.1 硬件调试首先，我们对爬虫的机械性能作了一系列的测试：平衡性问题、爬虫的足与地面的摩擦问题、各足之间的连动的灵活性问题等。其次，我们对轻触开关位置的放置，触角长度的选择也作了相应的调试。4.2 软件调试机器爬虫的软件调试分为几个阶段第一阶段：对伺服电机的旋转角度的调试，由于资料中的理论数据与实际测试值有一定的差距，我们以理论值为标准，取其左右偏差脉冲进行了多次实测，最终取得了满意的结果。第二阶段：整体的统调，我们在将电路板装到机器爬虫虫体上之后，由于受到电机的驱动能力、电池提供的功率等外界因素的影响，我们又对其进行了长时间的实测调试。5 指标测试可持续工作时间：4小时爬行速度：2厘米/秒4厘米转弯角度：30度60度（程序可调）6 系统说明6.1 工作流程本产品的运行流程概述：启动开关后，爬虫会自动进行直线行走，并在行走的过程中通过触角来判断是否遇到障碍物，没有障碍物时继续直线行走，当有障碍物时，再进一步判断是在左边还是在右边，障碍物在左边时爬虫右转，在右边时左转。绕过障碍物后继续直线行走并重复前面的过程。如遇到强干扰源使得程序跑飞，只需安下复位键或关闭电源，重新启动。要让它停止时只需再次按下开关即可。6.2 技术特点 1)我们采用了机械设计原理，用三个电机控制实现了至少要用十二个电机才能实现的功能。2) 机械爬