哈工大自控元件课设概要.ppt

1、哈尔滨工业大学,网球训练服务机器人,The design of service robot for tennis trainning,Harbin Institute of Technology,答 辩 人：何太航 丁业峰 戴 明,指导教师：马广程 解伟男,总体架构,电机的选择,传感器的选择,FPGA及运动控制,难点总结,目录 / CONTENTS,设计背景,自主避障,小车尺寸：长1m(包含0.3m的机械铲)、宽0.6m、高0.6m、重15kg、前后轮轴距L=0.6m、小车车轮半径0.05m、最大转向角a=45,系统总体流程,FPGA,视觉传感器,超声波传感器,障碍物距离,小球分布,转向,行进

2、,转向电机,行进电机,小车状态,机械臂,电机1,电机2,机械铲合拢,机械铲抬起,发球装置,电磁铁的通电,视觉传感器,视觉传感器是整个机器视觉系统信息的直接来源，主要由一个或者两个图形传感器组成，有时还要配以光投射器及其他辅助设备。视觉传感器的主要功能是获取足够的机器视觉图像信息。 在这个系统中我们使用两类视觉传感器，一种固定在场地四个角落，用于全局观察场地内网球的散落情况，另一种固定在机器人上，用于在捡网球过程中对网球的精确观察，指导捡球装置的运行。,视觉传感器一 视觉传感器二,对于固定在场地四周的视觉传感器，我们不需要很高的精度，只需要知道，在哪块区域里有网球即可，并不需要通过这个传感器知道

3、网球的精确位置。所以这个传感器的分辨率不需要很高，但是需要有较大的可视角。联想街道使用的监视器，这种监视器符合我们的要求。初步选定龙视安 LS-Z633DM这种型号的监视器。其产品参数如右图。查取其具体规格，得知在使用4mm镜头焦距时，其可视角为69.9，基本上可以满足我们的远程监测网球的要求。,小车上搭载的传感器需要其具有较高的精度，且对灰度的辨识度较高，经过比较暂定选择西门子公司生产的SIMATICVS120型号传感器。 SIMATIC VS120型传感器可以通过对拍摄的图像与设定图像的对比，识别出特定的物体，并可记录其数量。这两者是我们控制捡球装置所需要的信息。,视觉传感器与FPGA的通

4、讯,位于场边的四个摄像头要实时向FPGA传输图像信息，数据量大，且要求远距离无线传输，故可采用WiFi技术。Wi-Fi是一种可以将个人电脑、手持设备（如pad、手机）等终端以无线方式互相连接的技术，事实上它是一个高频无线电信号，传输速度非常快，可以达到54Mbps，符合这个智能机器人系统的需求，并且由于发射信号功率低于100mw，低于手机发射功率，所以WiFi也是最安全健康的。,图像识别及灰度处理,对于采集到的图像，我们进行灰度处理，其灰度范围为0255，在图像处理中可以识别特定的灰度进行处理。进过matlab的简单的图像处理，得知网球在图片中的灰度介于45-65之间，编写程序，使灰度满足条件

5、的像素点为1，其他为0，进行二值化处理，再确定物体的轮廓，即可知道网球的位置。这是对于外围场地四周的监视器得到的图像的处理过程，而对于在机器人上搭载的视觉传感器，可以通过上文所提到的识别图像与设定图像的对比得知网球的具体位置与数量，也可以使用上诉的监视器所得图像的处理算法处理图像，具体使用时因综合考虑，选取合适的算法。,超声波测距传感器,在机器人小车上我们需要探测需要避让的物体，这里我们使用超声波传感器进行检测，检测范围为1m，使用BANNER ENGINEERING T186UEQ超声波发生器与MULTICOMP MCUSR10P40B07RO超声波接收器。,发球装置,理论计算,假设机器人在

6、离中心线1.5米一侧以垂直高度一米、倾角20发球，球运动轨迹的俯视图如上图所示，红线为最远落点，蓝线为最近落点。 最大射速 最小射速 解之得，小球射速在12.6m/s和16.4m/s之间。 推杆以平均力F(为简化计算)作用在小球上使之加速运动0.1m后脱离推杆并射出，小球的一般质量在57.5g左右，由动能定理 计算出此力F约为56N。,发球装置的设计,考虑到市面上小型气动装置提供的作用力普遍不超过20N,故采用弹性系数选择范围很宽、力与位移呈线性关系的弹簧来提供推力。 由胡克定律与功能关系 计算可知，应采用弹性系数为1100N/m的弹簧。 由于直线电机高转矩、低转速的特性，并不能满足发球频率6

7、次/秒的要求，且给弹簧储能后不好释放，这里采用非接触式的电磁开关，执行机构简图如右： 前端磁性圆盘与弹簧焊接固定，上端滑槽内是一个限位开关，可实现最大射速与最小射速之间的任意调节，右端是一个电磁铁吸引圆盘并使弹簧储能。,电磁铁的选择,弹簧长20cm，压缩10cm需要110N的力，可选用直流吸盘式电磁铁，它在通电状态下可产生强劲吸附力，省力省电，安全可靠，并可进行远程操作。在多次比较价格及性能参数后，决定选用乐青市鸣豫电气有限公司的设备： 留出一定裕量，选用吸引力为180N的型号CNMYE1-P34，可以满足性能要求， 价格为78元，经济上也能接受。,控制器的选择,在网球机器人这个系统里，控制器

8、要接收视觉传感器和距离传感器发送来的信息，并对其作出处理，发送指令控制控制小车转向、行进及捡球，单片机难以胜任，故采用在图像处理领域广泛应用的FPGA，具体型号为：ALINX822。核心板主要由 FPGA+两片 DDR2 构成，承担视频图像处理的核心算法，充分利用了 FPGA 并行处理的能力，加上两片 DDR2 构建 32bit 总线，整个系统的带宽高达 10Gb/s；两片 DDR2 容量高达2Gbit，满足视频处理过程中对高缓冲区的需求。我们选用的 FPGA 为 ALTERA 公CYCLONE IV 系列的EP4CE30F23C6N 这款高速的 FPGA 芯片。我们选用 CYCLONE IV

9、 系列中速度级别最高的 C6 级别，FPGA 和 DDR2 之间的时钟频率达到 200M，DDR2 内部 400M，充分满足了四路 1080p 视频处理的需求。,FPGA的供电,为了让 FGPA 可以正常的工作，我们需要为 FPGA 提供 3.3V、2.5V、1.2V 三路电源，三 路电源均美国 MPS 公司进口的 MP2359 DCDC 芯片，具有效率高，不发 热，可提供电流大，纹波小等特点，是 FPGA 绝佳的电源解决方案；大量使用高档进口的电容电感，保证系统的电源稳定可靠；电源部分原理图如下：,运动控制,主程序：路径规划,场边的摄像头将整个球场上网球的分布情况采集下来，根据网球的分布情况

10、划分集中分布区域A、B、C、D、E等，定义一个分布密度p=N/S,当密度小于2个/平方分米时，可认为是区域的边界。主程序就是规划一个从信号源到各个区域的闭合回路，小车到达每个区域时，再执行相应的子程序，即收集网球。,子程序：收集网球,收集网球时，小车上的摄像头锁定区域内的任意一个球，形成一个指向小球的矢量A,并不断测量它与垂直于车前端的矢量B的夹角，通过FPGA控制转向电机使夹角不断变小，当小于3时，可认为小车已朝着小球运动。到达小球所在点时，合拢机械铲并上抬完成收集动作，对于边缘墙角这种情况，使机械铲以合拢的状态铲球至墙角再上抬完成动作。重复此过程直至收集完该区域及附近的小球再继续执行主程序

11、。,中断：避让障碍物,高度为30cm的声波测距传感器以1s的采样周期不断扫描四周，一单发现3m以内的障碍物，FPGA发出指令控制转向电机进行转向避让，驶离障碍物后，跳出中断程序，继续执行主程序。距离传感器采集的信号作为优先等级最高的中断信号，可以在任意时间打断主程序及子程序的运行，从而及时完成避让。,行进电机的选择,电动机的功率公式： 由恒速v = 2 m/s算出n = 382.0 r/min ， 这里的M等于滚动摩擦力所产生的阻力矩约等于0.66Nm， 计算出在以2 m/s的速度行进时， 直流电机的机械功率约为13.2w 在此以恒定速度时的功率外加20%的余量来计算， 所选电机的额定功率约为

12、15.84w 根据求得的参数得知， 电机正常工作的最大机械功率为13.2W， 恒定行进速度为2 m/s ， 车轮半径为 0.05 m， 根据公式: 其中: T 电机轴端的输出转矩 P 电机输出的机械功率 旋转角速度 求得所选电机的额定转矩约为0.396Nm 根据计算出的数据，我们选取了上海矩奉自动化有限公司生产的50SZD No.01直流伺服电机,并配备减速比为2的减速器。,转向电机的选择,小车转向时车轮要克服摩擦力矩。此时的摩擦力按照滑动摩擦力来计算，小车质量为15kg，车轮与地面的滑动摩檫系数最大为0.9，假定车轮与地面接触面为一个半径为2cm的圆，那么摩擦力矩约为 。经过机械传动装置后，

13、作用在电机上的力矩约为2 Nm，因此，我们仍然采用上海矩奉自动化有限公司生产的50SZD No.01直流伺服电机,并配备减速比为10：1的减速器。,机械铲,网球场服务机器人的一项基本功能就是捡球，所以在外部要设计一套机械臂铲组件，用以收集网球，过程中需要连杆机构给予推进，这样就需要电机给杆机构以驱动力。而这两项功能的实现都需要电机的驱动,考虑到直流伺服电机相比步进电机来说具有更优越的性能，因此我们仍然采用直流伺服电机来驱动小车的机械臂铲组件。机械臂铲的运动分为两部分。第一步，V字臂铲合拢，收集地面的小球。第二步，抬起臂铲，让小球滚入箱子。这两部分都分别需要一个电机。,机械铲中电机的选择,第一个电机，其功能是合拢V字臂铲。 根据公式: 其中: Tst 起动转矩 J阻力转动惯量 F阻力 由于齿轮传动间摩擦力较小，忽略不计。而齿轮见传动力为主要力，假定为10N（外部机械臂）/5N（内部传动杆），电机上安装的齿轮半径定为1cm，则公式中第二项为0.1Nm/0.05Nm。齿轮以及电机本身的转动惯量所产生的力矩项数值较小，所以合在一起进行估算大约为0.05Nm。这样根据公式计算得出直流电机的起动转矩约为0.2Nm。第二个电机的功能是抬起臂铲。臂铲的长度为30cm，假设一次最多铲起10个网球。那么由网球及机械臂铲所产生的重力力矩约为1.5Nm。这两个部分的运