包裹采集机器人对抗赛电路技术实现讨论

包裹采集机器人对抗赛

电路技术实现讨论浙江大学工业控制技术国家重点实验室陈首先2006-10-211.概述包裹采集机器人的基本组成部分2.主控处理器选型目前可采用的主控处理器主要有:单片机(80C51，C8051F，PIC，……）DSP（TI公司的TMS320C2000系列）嵌入式处理器（ARM7：S3C44B0X，……）FPGA（Altera公司的EP1C3，EP1C6，……）可用于扩展处理器外围逻辑的器件：CPLD（Altera公司的MAX7000A系列，MAXII系列，……）2.1单片机主控处理器优点：使用简单价格便宜，外围电路简单缺点：功能相对简单大多数情况下需要仿真器和编程器可选型号：80C51系列C8051F系列PIC系列AVR系列……2.2DSP主控处理器TI公司用于电机控制等领域的DSP有如下优点：专为电机控制设计，具有许多电机控制所需要的片上外设，如PWM发生器，正交编码器外围电路简单（片上集成Flash和SRAM）开发较容易价格适中DSP的缺点：需要仿真器可选型号：TMS320LF2407TMS320LF28122.3嵌入式主控处理器嵌入式处理器目前应用很广，其优点有：性能较强，有丰富的片上外设，大多数处理器带有PWM模块可以移植操作系统（uClinux，Linux等），为使用USB摄像头等提供了可行方案有丰富的开发资料可以参考不需要仿真器嵌入式处理器的缺点：外围电路复杂，多数情况下需要扩展Flash和SDRAM如果采用现成的开发板成本较高基于操作系统环境，移植USB摄像头等难度较大2.3嵌入式主控处理器可选型号：ARM7系列：三星公司的S3C44B0X（片上外设丰富，有PWM发生器，需要外扩Flash和SDRAM，有移植好的uClinux，不需要仿真器）飞利浦公司的LPC213X系列（更像一块高性能的单片机，片上外设丰富，有PWM发生器，片上集成Flash和SRAM，外围电路简单，不需要仿真器。个人比较推荐）ARM9系列：三星公司的S3C2410（功能相当强大，系统复杂，有移植好的Linux，为使用USB摄像头等提供了可能，价格不菲）2.4FPGA主控处理器FPGA（现场可编程门阵列）是一种可编程器件，其优点有：器件可编程，可以根据自己需要添加各种外设，使得开发具有极大灵活性在Altera公司的FPGA上可以使用NIOSII处理器软核，使得FPGA变成一片32位的嵌入式处理器，极大的方便了开发使用NIOSII处理器软核可在线调试，不需要仿真器外围电路极其简单价格适中FPGA的缺点：不同于一般的MCU，开发过程中会使用到硬件描述语言，对没有基础的同学来说起步相对较难可选型号：Altera公司的Cyclone系列FPGA，如EP1C3，EP1C62.5CPLD用于外扩逻辑 CPLD也是一种硬件可编程器件，其工作原理和FPGA基本一样，但CPLD门数较小，价格便宜，其用途有：扩展主控处理器没有的外设功能，如正交编码单元，PWM发生器等实现主控处理器与外设的时序转换实现各种数字逻辑，简化外围电路设计 可选型号：Altera公司的MAX7000S系列（EPM7064,EPM7128)Altera公司的MAX3000A系列（EPM3064，EPM3128）Altera公司的MAXII系列（EPM240，EPM570）3.常用传感器介绍 在机器人中，传感器占有重要位置。在包裹采集机器人里，传感器可以完成寻线，视觉，测距，辨识目标等功能。常用的传感器有：红外传感器超声波传感器光敏传感器CCD……3.1红红外传感器器红外传感器器由红外发发射二极管管和红外接接收三极管管构成。通通常使用的的红外光波波长是940nm。。红外发射二二极管红红外接接收三极管管3.1红红外传感器器为了提高抗抗干扰能力力，发射管管发射的红红外光通常常被调制到到38KHz的频率率。为了提提高红外灵灵敏度和作作用范围，，通常调制制波的占空空比较小但但幅值很大大。3.1红红外传感器器红外接收管管通常分为为分离式红外外三极管和一体化红外外接收管。红外三极管管集、射级级加一电压压，当接收收到红外光光时集射级级电流较大大，当没有有红外光时时集射级电电流较小。。使用较为麻麻烦，需要要自己用锁锁相环对38KHz红外光进进行锁相检检测。一体化红外外接收管如如图所示。。

当接收收管接受到到38KHz红外光光

时输出出高电平或或脉冲，否否则输出出低电平。。

使用简简单，但体体积略大。。3.1红红外传感器器红外线发射射与接收的的方式有两两种，其一一是直射式，其二是反射式。直射式指发光管和和接收管相相对

安放放在发射与与受控物的的两端，中中间相距距一定距离离。可用于于探

测目目标物和电电机测速。。反射式指发光管和和接收管并并列

一起起，平时接接收管始终终无光照，，

只在发发光管发出出的红外光光遇到反反射物或反反光物质时时，接收管管

收到反反射回来的的红外线才才工作。可可用于寻寻线，探测测目标物等等。

常用用型号HS0038A,HS0038B。3.2超超声波传感感器超声波传感感器由超声声波发生器器和超声波波接收器组组成。超声波发生生器超超声波波接收器3.2超超声波传感感器实际应用中中，采用的的超声波频频率通常为为40KHz，即加加在超声波波发生器两两端的方波波电压频率率为40KHz。3.2超超声波传感感器超声波接收收器是一种种无源器件件，它能将将接收到的的超声波能能量转化成成电压信号号输出。此此输出电压压幅值较小小，需要经经过放大并并通过锁相相环识别才才能成为MCU能处处理的逻辑辑信号。3.2超超声波传感感器超声波传感感器主要用用于探测前方物物体和测距。超声波发发生器发出出的超声波波碰到前方方障碍物后后被反射回回来并被超超声波接收收器接收。。通过计算算发出超声声波与接受受到超声波波的时间差差可以计算算出前方障障碍物的距距离。和红外传感感器相比，，超声波传传感器在在测距和探探测障碍物物方面精准度和作用范围都好很多。。通

常超超声波测距距距离可达达5～10米，精精度可达0.1米。。超声波在空空气中的传播速度与与声速相相同，与温温度有关。。3.3光光敏传感器器常用的光敏敏传感器包包括：光敏电阻光敏二极管管光敏三极管管光敏传感器器可以用在在可见光反射射寻物，电机测速等方面。3.3光光敏传感器器光敏电阻是是一种阻值值随光照强强度变化而而变化的电电阻。其优优点包括灵灵敏度高，，光谱特性性好，体积积小，重量量轻和成本本低等。3.3光光敏传感器器光敏二极管管和一般的的二极管相相似。但光光敏二极管管一般工作作在反偏状状态下。无无光照时光光敏二极管管的反向电电流很小，，当有光照照时反向电电流增加。。3.3光光敏传感器器光敏三极管管和红外接接收管相似似。它除了了把光信号号转换成电电流信号外外，同时又又将电流信信号加以放放大。因此此光敏三极极管的光电电流比相同同管型的二二极管光电电流大很多多。3.4CCD/CMOS摄摄像头典型的USB摄像头头组成框图图左：CMOS传感感器右：CCD传感器器3.4CCD/CMOS摄摄像头方案一：在uClinux/Linux下移植植USB摄摄像头驱动动方案二：采用现成的的USB摄摄像头，不不用其接口口芯片，而而直接用MCU控制制感光传感感器，得到到需要的视视频信号。。（例如采采用CMOS传感为为HY7131R/镁光MI360的摄像头头）方案三：采用手机摄摄像头。（（例如采用用OV9650的摄摄像头）注意：如果采用方方案二、三三，最重要要的是能否否找到对应应芯片的datasheet4.电机机及驱动包裹采集机机器人中可可能用到的的电机包括括：直流电机有刷直流电电机无刷直流电电机步进电机伺服电机（（舵机）4.1直直流电机直流电机主主要包括有刷直流电电机和无刷直流电电机。这里主要要讨论有刷刷直流电机机（下简称称直流电机机）。直流电机的的参数主要要有：功率W输出力矩N最高转速rpm电压V电流I4.1直直流电机直流电机的的工作特性性:转速n=n0–ke·I(n0是空载转速速，ke是转速常数数，I是电流）输出转矩T=km·I(km是转矩常数数，I是电流）电机电动势势E＝ke·n电流I＝（U－－E）/r0(U是加加在电机两两端的电压压，r0是是电机绕组组的内阻））直流电机的的工作特性性曲线4.1直直流电机直流电机多多采用PWM（脉宽宽调制）方方式进行控控制。其加加在电机两两端的电压压为PWM波：占空比:电机两端电电压的直流分量:由此可见,电机电压压的平均值值与PWM波的占空空比成正比比，可以通通过调节占占空比实现现直流电机机的调速。。通常情况况下，PWM波的频频率为几十十KHz。。4.1直直流电机直流电机的的PWM调调速通常由由H桥实现。4.1直直流电机常用H桥芯芯片：L298N（电流2A）4.1直直流电机电机通常采采用码盘反反馈速度和转向：光学式码盘盘：码盘发射端：红红外发射器器或可见光光源接收端：红红外接收器器或光敏器器件正交编码脉脉冲：可以提高转速检检测精度和测定转向。4.1直直流电机直流电机控控制系统：：4.2步进电机步进电机是是一种用电电脉冲信号号进行控制制，并将电电脉冲信号号转换成相相应角位移移或线位移移的控制电电机。其特特点有：可以根据控控制转过精精确的角度度无需反馈，，是一个半半闭环系统统步距误差不不会积累停止时有自自锁功能多数情况下下需要使用用步进电机机专用驱动动器5.机器器人的供电电系统包裹采集机机器人可采采用的供电电方式主要要是电池供供电。常用用的电池类类型有：碱性电池镍氢电池锂电池电池选取的的主要参数数：电池组电压压（ie:12V）电池组的容容量（ie:2200mAH）电池组的最最大输出电电流（（ie：10A）5.1降降压的实现现措施通常情况下下，机器人人使用的电电池为十几几伏，而很很多芯片的的供电电压压为5V，，3.3V，甚至1.8V。。因此需要要采用降压压电路来得得到需要的的电压。降降压电路分分为两类：：线性降压电电路优点：简单单，可靠性性较高缺点：效率率低，器件件发热厉害害开关型降压压电路优点：效率率高，器件件发热量小小缺点：电路路较为复杂杂5.1降降压的实现现措施采用LM2576得得到＋5V电压的开开关式降压压电路5.1降降压的实现现措施采用TPS767D318得得到＋3.3V和＋＋1.8V电压的线线性降压电电路5.2获获得负电压压的措施机器人一般般采用单电电源正电