机器人培训第二讲课件

传感器与电机控制邮箱：

USTBRobocon2011培训（二）Contents机器人的整体设计1机器人的动力系统2机器人的感知系统3巡线算法4机器人的整体设计

要做好机器人，首先需要考虑的是我们做的机器人到底像不像“人”？电控系统的组成电控系统结构框图机器人的动力系统

机器人的动力来源：电机舵机气动装置：气缸、人工肌肉……直流电机构成：减速箱和直流电机

电机拖动系统：电动机传动机构控制设备电源负载

减速箱又名“减速机”等，是一种降低电机转速和放大电机扭矩的装置。直流电机的机械特性n：转速U：电压T：转矩红线为正极，黑线为负极电流红进黑出，电机正转电流红出黑进，电机反转直流电机的调速方式

PWM：pulsewidthmodulatorPWM波调速：改变电压的占空比，使平均电压随占空比的变化而变化，从而达到调节电机转速的目的。如果脉冲周期足够短，电机就能很平滑的转动。一般取周期为5ms。直流电机的H桥驱动方式继电器的换向速度为2ms；H桥换向速度低于1us电路比较复杂，若是同臂导通，会烧毁MOS管甚至电池MOS管导通后，D和S之间的电阻<0.1欧我们使用专门的H桥芯片IR2104其他电机控制方式电机控制盒专用电机控制芯片如L293、L298N、LMD18200、LG9110等……直流电机的速度闭环即使电机两端电压不变，如果负载变化，电机的转速也会变化。如果使用光电编码器，测量电机的转速，与理想的转速做PID调节，就能保持电机在变化负载下的恒速。直流电机的速度闭环光电编码器的信号处理电路74LS14整形，74LS74鉴向舵机舵机是一种航模用品，优点是重量轻、力矩较大、控制简单（PWM波）

输出角度值：0-180°（理论值）控制信号：周期20ms的矩形波，脉冲宽度从0.5ms-2.5ms线性对应舵盘的位置0－180度。机器人的感知系统机器人的感知系统由传感器组成。传感器相当于机器人的五官，在机器人控制中起着至关重要的作用。典型的传感器有：光电传感器(反射，对射)，红外传感器光纤传感器行程开关磁传感器(霍尔元件)

超声波传感器旋转编码器(光码盘)陀螺仪、加速度计、电子罗盘图像传感器(CCD,CMOS)……光电巡线传感器：发射电路注意：⒈我们使用的接收管只能接收调制光，因此发射管必须经过调制电路发射调制光，否则接收管无法接收光信号；⒉调制管管脚（正面看）：中间+5V，左OUT，右悬空光电巡线传感器：发射电路发射管分类：LED发光二极管——基本技术要求最低，也是最基本最常见的巡线传感器。有可见光和红外两种。由于普通连续光传感器易受外部环境光线干扰，对环境的适应能力较差，所以要使用经过调制管调制的LED光电传感器来避免外部连续光的干扰。激光发射管——进阶采用激光发射管与可见光LED原理相同，但是由于激光的特性(功率大、不易散射)可以得到较远的接收距离(即前瞻)。前瞻决定反应速度，所以采用激光发射管的车相对于LED有着较大的优势，更容易提速和控制。但是，激光传感器也有着造价非常高，驱动电路复杂、接收时容易相互干扰，调试难度很大，容易烧坏等缺点光电巡线传感器：接收电路注意：⒈接收管信号端接发光二极管显示，串联的电阻也同时起到输出信号上拉的作用⒉接收管管脚（正面看）：中间OUT，左负右正接受电路的主要元件是接收管，是光敏三极管的一种。一般的接收管接收到光时输出低电平(输出0)，即在白条上接收不到光时为高电平(输出1)，即在场地其他颜色上白线检测光电传感器

普通光电传感器，为红色可见光带调制的传感器，其可见光的强度可通过的传感器上的多圈电位器进行调节，即灵敏度可调。我们将其用来做机器人的到位判断。

行程开关

行程开关可作为机构的定位传感器。把行程开关安装在移动部位的挡块、凸轮的滑块等零件，使机械式开关的触点执行开、关动作，从而获得位置信号。

行程开关的常开端（NO）和常闭端（NC）分别接数字部分的地和正，中央触点端（COM）则作为信号端带上拉电阻和发光二极管接入单片机的输入I/O。当行程开关受到触发，中央触点端与常开端接触时，COM端输出低电平，表示机构已经到位。霍尔传感器

霍尔器件是一种磁传感器。用它们可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合使用。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。霍尔器件有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高，耐震动，不怕灰尘、油污、水气及烟雾等的污染和腐蚀。巡线算法传感器状态的获取和编码-7-5-3-11357本来传感器状态就少，所以要细分传感器状态，即每两个传感器在线上时，也是一种状态。这样的一排传感器可以有16种状态。传感器状态分析在线传感器S1S1S2S2S1S2S3S2S3S3S2S3S4S3S4S4状态定义A123345567在线传感器S3S4S5S4S5S5S4S5S6S5S6S6S5S6S7S6S7S7状态定义A78991011111213在线传感器S6S7S8S7S8S8

都不在线状态定义A13141516巡线传感器状态采集程序1读取每一位接收管的状态，并进行编码2记录通过的白线的数目巡线算法：PID控制原理连续系统的PID控制：巡线算法：PID控制原理连续系统PID的数字化：位置式：增量式：巡线算法：PID控制原理Pproportion比例：PID用于控制精度它直接影响精度,影响控制的结果

Iintegration积分：它相当于力学的惯性能使震荡趋于平缓

Ddifferentiation微分：控制提前量它相当于力学的加速度影响控制的反应速度.太大会导致大的超调量使系统极不稳定.太小会使反应缓慢.

一般而言PID调节是一个整体的说法在实际中PID的比例积分微分并非总是同时使用PI调节和PD调节使用较多.巡线算法：PID控制P控制PI控制PID控制巡线算法：PID控制的输入位置信息：单排传感器获取传感器与白线的位置信息。角度信息：2排传感器的状态差反应车体中心偏离白线中心的角度偏离角度=后排传感器状态值-前排传感器状态值巡线算法：PID控制流程采集前排传感器状态采集后排传感器状态角度PID位置PID计算得出两轮需要的转速单片机通过驱动控制电机PID参数测定方法

先比例，再积分，最后微分

（1）整定比例控制 将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。

（2）整定积分环节

若在比例控制下稳态误差不能满足要求，需加入积分控制。

先将步骤（1）中选择的比例系数减小为原来的50～80％，再将积分时间置一个较大值，观测响应曲线。然后减小积分时间，加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑至得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。

（3）整定微分环节

若经过步骤（2），PI控制只能消除稳态误差，而动态过程不能令人满意，则应