机器人控制技术与实践 课件 第3、4章 机器人电源设计、机器人中的传感器

1机器人控制技术与实践2第三章机器人电路设计3.1机器人的电源系统3.2机器人的驱动器系统3.3机器人常见电路接口3.4机器人处理控制器3.5机器人的串口通信3第三章机器人电路设计

机器人是模仿人或者其他生物制作出来的自动化机器。机器人如何给自身补充能量？如何执行动作？43.1机器人的电源系统

一、机器人供电方式1、电缆供电方式适用于功率较大的机器人53.1机器人的电源系统

一、机器人供电方式2、电池供电方式适用于移动机器人63.1机器人的电源系统二、锂电池

靠锂离子在正负极之间的转移来完成电池充放电工作73.1机器人的电源系统二、锂电池1、锂电池的主要参数（1）电池容量（2）标称电压（3）充电终止电压

83.1机器人的电源系统二、锂电池1、锂电池的主要参数航模电池中的参数25C20C指的是放电的倍率。航模电池还有一个参数叫放电量多少MA，比如是3000MA，那么这个电池能承受的最大电流是：3000ma*25=75A,对应选择合适的电调。电池放电C率，1C,2C,0.2C是电池放电速率：表示放电快慢的一种量度。所用的容量1小时放电完毕，称为1C放电；5小时放电完毕，则称为1/5=0.2C放电。

93.1机器人的电源系统二、锂电池2、锂电池的正确使用方法（1）按照规定充电（2）切不可过分放电（3）长期不使用，需要取出

103.1机器人的电源系统二、锂电池3、锂电池的接插口

T型头公母一对T60公母一对

113.1机器人的电源系统二、锂电池3、锂电池的接插口

品字型插头

转换头

123.1机器人的电源系统三、直流稳压电路1、稳压二极管构成的稳压电路

稳压二极管适合给那些电流消耗不大的电路（一般为1A或者2A）进行稳压。133.1机器人的电源系统三、直流稳压电路1、稳压二极管构成的稳压电路

稳压二极管适合给那些电流消耗不大的电路（一般为1A或者2A）进行稳压。143.1机器人的电源系统三、直流稳压电路2、

集成式直流稳压模块

稳压模块在选用时要注意输出电压、输入电压和最大输出电流参数153.1机器人的电源系统四、充电装置

1、充电器技术参数输入电压：100-240V；输入频率：50-60HZ；单节锂电池充电电压:4.2V。163.1机器人的电源系统四、充电装置

1、常见锂电池充电器B3充电器，一般也叫简易充电器，可以充2S电池（7.4V，即两节单节大小为4.2V锂电池串联而成的电池）或者3S电池（11.1V，即三节单节大小为4.2V锂电池串联而成的电池）。每次只允许插入一种电池。173.1机器人的电源系统四、充电装置

1、常见锂电池充电器B6充电器，可以充1-6S电池（7.4V，即两节单节大小为4.2V锂电池串联而成的电池充电。每次只允许插入一种电池。183.2机器人的驱动器系统一、驱动器种类

1、电器驱动器2、液压驱动器3、气动驱动器等。193.2机器人的驱动器系统二、电机

电动机是一种旋转式电动机器，它将电能转变为机械能，它主要包括一个用以产生磁场的电磁铁绕组或分布的定子绕组和一个旋转电枢或转子。1、电机种类按工作电源种类划分：可分为直流电机和交流电机。按结构及工作原理可划分：无刷直流电动机和有刷直流电动机；交流电机可划分：单相电机和三相电机。203.2机器人的驱动器系统二、电机2、电机型号Y2-160M1-8：Y表示机型为异步电动机；2为设计序号，“2”表示第一次基础上改进设计的产品；160为中心高，是轴中心到机座平面高度；M1为机座长度规格，M是中型，其中脚注“2”是M型铁心的第二种规格，而“2”型比“1”型铁心长。8为极数，“8”是指8极电动机。

213.2机器人的驱动器系统二、电机3、驱动电路（LM298）

电机旋转方式控制端IN1控制端IN2控制端IN3控制端IN4输入PWM信号改变脉宽可调速调速端A调速端BM1正转高低//高/反转低高//高/停止低低//高/M2正转//高低/高反转//低高/高停止低低///高223.2机器人的驱动器系统三、舵机（伺服电机）

舵机主要由以下几个部分组成，

舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计、直流电机、

控制电路板等。233.2机器人的驱动器系统三、舵机（伺服电机）

1、舵机的工作原理243.2机器人的驱动器系统三、舵机（伺服电机）

2、舵机的接口及供电方式舵机的输入线共有三条，

红色中间，

是电源线，一边黑色（棕）的是地线，

这辆根线给舵机提供最基本的能源保证，主要是电机的转动消耗，还有一条白色（橙色）是信号线，用于调速。供电有6V或者4.8V直流。253.2机器人的驱动器系统三、舵机（伺服电机）

3、用单片机来控制舵机（1）控制速度舵机和角度舵机工作（2）角度舵机的调速方法（3）模拟舵机和数字舵机263.3机器人常见电路接口一、ADC接口电路

在机器人制作过程中经常会用到模拟传感器，模拟传感器输出的信号是模拟信号，由于单片机只能处理数字信号，不能直接读取模拟信号。类型并行比较器分级型逐次逼近型积分型VFC型主要特点超高速高速速度、精度、价格等综合性价比高高精度、低成本、高抗干扰能力低成本、高分辨率分辨率6108-168-1616-248-16转换时间几十ns几十-几百ns几十-几百kSPS几十kSPS几-几十SPS价格高高中中低主要用途超高速视频处理视频处理高速数据采集数据采集工业控制音频处理数字仪表数字仪表简易ADC典型器件TLC5510MAX1200TLC0831AD7705AD650273.3机器人常见电路接口二、上拉和下拉电路

上拉就是将不确定的信号通过一个电阻钳位在高电平，电阻同时起限流作用，下拉同理，上拉是对器件注入电流，下拉是输出电流。在电路连接上，上拉电阻就是电阻一端接VCC，一端接逻辑电平接入引脚(如单片机引脚)，如图4-26所示。下拉电阻就是电阻一端接GND，一端接逻辑电平接入引脚(如单片机引脚)，如图4-27所示。283.3机器人常见电路接口二、上拉和下拉电路

上拉和下拉电阻有很多应用的场合(1)当TTL电路驱动COMS电路时，如果TTL电路输出的高电平低于COMS电路的最低高电平（一般为3.5V），这时就需要在TTL的输出端接上拉电阻，以提高输出高电平的值。(2)OC门电路必须加上拉电阻，才能使用。(3)为加大输出引脚的驱动能力，有的单片机管脚上也常使用上拉电阻。(4)在COMS芯片上，为了防止静电造成损坏，不用的管脚不能悬空，一般接上拉电阻产生降低输入阻抗，提供泄荷通路。(5)芯片的管脚加上拉电阻来提高输出电平，从而提高芯片输入信号的噪声容限增强抗干扰能力。293.3机器人常见电路接口二、上拉和下拉电路

上拉和下拉电阻有很多应用的场合(6)提高总线的抗电磁干扰能力。管脚悬空就比较容易接受外界的电磁干扰。(7)长线传输中电阻不匹配容易引起反射波干扰，加上下拉电阻是电阻匹配，有效的抑制反射波干扰。(8)对于非集电极(或漏极)开路输出型电路(如普通门电路)提升电流和电压的能力是有限的，上拉电阻的功能主要是为集电极开路输出型电路输出电流通道。303.3机器人常见电路接口三、OC/OD门电路

04机器人的供电方式3.4机器人处理控制器一、单片机字长：CPU能并行处理二进制的数据位数8位机、16位机、32位机和64位机；内存容量：存储单元能容纳的二进制数的位数；容量单位：1K，1M、8K、64K、16M、64M；运算速度：CPU处理速度；内存存取时间：内存读写速度50nS、70nS、200nS。04机器人的供电方式3.4机器人处理控制器一、单片机04机器人的供电方式3.4机器人处理控制器二、51系列单片机端口线（4×8=32条）:P0;P1;P2;P3电源线（2条）:VCC;GND控制线（6条）:RST;晶振等04机器人的供电方式3.4机器人处理控制器二、51系列单片机端口线（4×8=32条）:P0;P1;P2;P3电源线（2条）:VCC;GND控制线（6条）:RST;晶振等04机器人的供电方式3.4机器人处理控制器二、51系列单片机04机器人的供电方式3.4机器人处理控制器二、STM32系列单片机04机器人的供电方式3.4机器人处理控制器二、STM32系列单片机①HSI是高速内部时钟，RC振荡器,频率为8MHz。②HSE是高速外部时钟,可接石英/陶瓷谐振器,或者接外部时钟源，频率范围为4MHz~16MHz。我们的开发板接的是8M的晶振。③LSI是低速内部时钟，RC振荡器，频率为40kHz。独立看门狗的时钟源只能是LSI,同时LSI还可以作为RTC的时钟源。④LSE是低速外部时钟，接频率为32.768kHz的石英晶体。这个主要是RTC的时钟源。⑤PLL为锁相环倍频输出，其时钟输入源可选择为HSI/2、HSE或者HSE/2。倍频可选择为2~16倍，但是其输出频率最大不得超过72MHz383.5机器人中的串口通信一、串行通信和并行通信

并行通信

串行通信393.5机器人中的串口通信二、串行通信原理

1、异步通信方式403.5机器人中的串口通信二、串行通信原理

2、同步通信方式413.4机器人中的串口通信三、串行通信应用

1、TTL：全双工423.5机器人中的串口通信三、串行通信应用

2、RS232：

全双工433.5机器人中的串口通信三、串行通信应用

3、不同电平接口通信串口转换模块小结机器人电源系统的组成。机器人驱动器系统。机器人常用电路接口种类。机器人处理控制器的种类及用法。机器人中的串口通信方式。45机器人控制技术与实践

46第四章机器人中的传感器4.1传感器4.2测距传感器4.3灰度和颜色传感器4.4视觉传感器4.5惯性测量传感器47第四章机器人中的传感器

机器人是由计算机控制的复杂机器，为了不完全依赖人的操纵而完成一定的作业任务，它就需要具备一定程度的智能。为了完成与外部交互，就需具有类似人的感官功能。机器人传感器在机器人的控制中起了非常重要的作用，传感器犹如人类的感知器官，是机器人感知世界的媒介。484.1传感器

一、传感器的概念

传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。国际电工委员会的定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件,它将输入变量转换成可供测量的信号”。按照Gopel等的说法是：“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”,而“传感器系统则是组合有某种信息处理(模拟或数字)能力的系统”。494.1传感器

一、传感器的组成

504.1传感器

一、传感器的功能1、敏感元件直接感受被测量，并输出与被测量有确定关系的物理量信号；2、转换元件将敏感元件输出的物理量信号转换为电信号；3、变换电路负责对转换元件输出的电信号进行放大调制；4、转换元件和变换电路一般还需要辅助电源供电。514.1传感器

一、传感器的分类1、根据检测对象：内部传感器和外部传感器；2、根据敏感元件：热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类；3、按输出信号：模拟传感器、数字传感器、开关传感器；4、按作用形式：主动型传感器、被动型传感器。524.1传感器

一、传感器的参数1、传感器线性度；2、灵敏度；3、传感器分辨率；4、线性范围；5、传感器稳定性；6、传感器精度。

534.2测距传感器

在机器人运动和作业过程中，通常需要测度与目标物或背景物的距离。距离传感器可用于机器人导航和回避障碍物，也可用于机器人空间内的物体进行定位及确定其一般形状特征。最常用有超声波传感器、激光传感器和红外传感器。544.2测距传感器

一、超声波传感器超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器，它可将超声波信号转换成其他能量信号（通常是电信号）。超声波传感器主要通过发送超声波并接受超声波来对被检测物进行非接触式无磨损的检测。超声波传感器通常由发送器、接收器、控制部分与电源部分组成。554.2测距传感器

一、超声波传感器

该模块有四个外接端口：VCC、trig、echo、GND。其中VCC是外加电源端口，通常在5V左右，GND是接地端，trig是控制端口，用于上位机产生触发模块测距的脉冲，echo是接收端口，用于检测超声波模块的返回。564.2测距传感器

一、超声波传感器

模块的工作过程如下：（1）初始化。初始化时将trig和echo端口都置低。（2）触发测距。（3）捕捉返回。（4）计算距离。图5-4HC-SR04超声波模块574.2测距传感器

二、激光测距传感器激光传感器是利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检测器和测量电路组成。它通过记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标距离。利用激光的高方向性、高单色性和高亮度等特点可实现无接触远距离测量。它的优点是速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等。584.2测距传感器

二、激光测距传感器1、工作原理激光传感器工作时，先由激光发射二极管对准目标发射激光脉冲。经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号，并将其转化为相应的电信号。激光测距一般采用三种方式来测量距离：脉冲法、相位法和三角测距法。59图5-8L1A05RS232激光测距传感器L1A05R3232模块是一种基于相位式测量原理的激光测距模块，它的测量范围为0.03-50米，分辨率为1毫米。当用于测量距离时，它与外部设备有四个引脚相连，即电源、地、TX和RX，电源通常为5V，TX和RX用于和上位机通过串口通信，默认的通信速率为19200比特/秒。4.2测距传感器604.2测距传感器

三、红外传感器红外传感器是一种以红外线为介质来完成测量功能的传感器，具有响应速度快等诸多优点，现已在工农业、国防、科技等诸多领域应用广泛。红外传感器可根据某些条件的不同进行进一步的分类。根据红外线对射管的驱动方式不同可分为电平型和脉冲型;根据探测原理的不同可分为光子探测器(探测原理基于光电效应的)和热探测器(探测原理基于热效应)；根据功能的不同可分为辐射计、搜索跟踪系统、热成像系统、红外测距通信系统和混合系统五大类。

614.2测距传感器

三、红外传感器

1、工作原理（1）时间差法测距原理（2）反射能量法测距原理（3）相位法测距原理（4）三角测量原理

624.2测距传感器三、红外传感器

2、红外测距传感器的应用

图5-12SharpGP2Y0A21YK0F模块模块对外有三个端口，分别为VCC、Vo和GND。VCC是外加电源端口，通常可设定为5V左右，GND接地，Vo是测量信号模拟输出，大小与测量距离相对应，可直接和外部的A/D电路相连，转换为数字值。634.3灰度传感器

灰度传感器利用不同颜色的检测面对光的反射程度不同，光敏电阻对不同检测面返回的光其阻值也不同的原理进行颜色深浅检测。它输出的是连续的模拟信号，因而能很容易地通过A/D转换器或简单的比较器实现对物体反射率的判断，是一种实用的机器人巡线传感器。64