手动机器人自控系统设计毕业设计论文(编辑修改稿)

手动机器人自控系统设计毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

ure as a whole 方向盘的设计与讨论 为了把方向盘转动的角度传动转化为编码器的 信号，我们设计方向盘时必须充分考虑如何把方向盘与编码器连接起来 才能使方向盘的转动与编码器一致，其次，要在方向盘上安装了按键方便操作 ，而且还要 设计方向盘具有自动回正装置，即当操作者从方向盘松开手时，方向盘会 自动回到初始位置使编码器转角信号归零。 方向盘机构总体图如图 45 所示 图 4 方向盘与编码器的连接方式 Steering and connection way of the encoder 7 图 5 方向盘安装后的实物图 Physical picture of the steering wheel is installed 棘轮机构的设计与讨论 手动机器人要通过升降平台抬起 15kg 的采集机器人，在上升或者下降阶段我们只要控制升 降电机，但是升降平台停止在某一高度 时，即保持抬起采集机器人停在某 一高度时，伺服电机是处于锁死状态。 此时电机并没有停止工作而是通过后轴编码器反馈信息和 PID 算法调整反复运行电机锁死在了这个位置。 在 带有较大负载 下 电机处于锁死状态是 非常容易烧毁电机。 所以 这需要我们想办法使升降机构抬起一 定高度时机械锁死 并关闭电机。 为了解决这个问题，我们 采用棘轮机构： 在抬起采集机 器人停在某 一高度时采用棘轮 锁死 其位置，当其要升降时机将其打开，然后启动 升降电机从而实现升降。 图 6 棘轮机构实物图 Ratchet physical figure 8 3 机器人自控部分设计 总体方案设计 本设计是基于 STM32 单片机的 手动机器人控制系统。 本系统主要由中央处理模块、直流电机驱动模块、 电子方向盘 模块、 电子刹车模块、 棘轮 模块、 LM629 模块、单片机模块、串口模块、 电子油门 模块、 通信模块、 与电 源模块等 模块组成。 中央处理模块是整个系统的核心。 它与其它各个模块之间通过不同电路和接口协议进行相连。 电子方向盘模块、电子油门模块、 电子刹车、 按键模块等传感器输入部分对系统外界信息进行采集和处理后，将数据通过电平信号、 PWM 信号等方式发送到中央处理模块。 然后按照通信协议，接口协议等要求和其他模块进行信息交换， 由中央处理模块根据软件设计中的流程图和所设计的算法，对数据进行分析与处理。 从而得到相关的最优输出操作，通过输出 PWM（ Pulse Width Modulation，脉宽调制）波的方式 向单片机模块发命令 ， 单 片机模块再通过串口通信控制 LM629 模块从而控制电机的运行状态。 通过电平控制启动模块的状态。 从而达到对手动机器人各部分的控制。 其对应的系统方框图如图 7所示。 图 7 系统方框图 Schematic Block Diagram 9 各模块 硬件部分设计 中央处理模块 中央处理模块是整个手动机器人的核心环节。 它是实现信息处理、命令输出与智能算法等的平台。 本设计对中央处理模块有以下三种方案： 方案一：采用 ATMEL 公司研制的基于 AVR RISC 结构的 8 位低功耗 CMOS 微处理器 ATMEGA128 单片机作为主控板。 AVR 单片机是高速 嵌入式单片机 ，数据处理速度快、中断响应迅速。 其次， AVR 单片机高性能、低功耗，且其快速的存取寄存器组、单周期指令系统，很大程度上优化了目标代码所占用的存储空间，也在一定程度下提高了程序的执行效率，部分型号 FLASH 非常大，特别适用于使用高级语言进行开发。 但是 AVR 系列单片机都不具备硬件正交增量编码器功能。 方案二：采用 ARM 公司研制的基于最新 Cortex™M3 内核的 32 位 ARM7 微处理器STM32 开发板。 STM32 系列基于专 求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用 专门设计的 ARM Cortex™M3 内核。 STM32 专门为工业控制设计拥有比 AVR 单片机更高的性能且工业控制硬件功能更加丰富（具有 DMA、硬件正交增量编码器等），并且开发工具齐全，开发环境更优越。 方案三：根据手动机器人控制性能的要求，在使用方向盘控制底盘电机的同时，按键也能控制升降电机和气动装置。 如果仅仅使用一块 STM32 芯片执行所有程序会造成程序编写复杂、芯片负载过高（堆栈溢出）、响应速 度缓慢、端口配置冲突（如 TIM8和 TIM1 不能同时使用）等问题。 这与机器人的设计要求不符故采用 2 块 STM32 芯片做分级系统。 共同构成中央处理单元从而具有并行处理的能力。 这样在串口通信的前提下既保证了手动机器人各个模块控制灵活性，又同时保证了中央处理模块的响应速度和处理能力。 由于 STM32 单片机具有更优良的性能，同时分级系统拥有更高效的控制性能和并行处理能力，所以我们最终选择方案三作为本设计的中央处理模块。 本设计采用 ARM 公司研制的 STM32。 STM32 系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专 门设计的 ARM CortexM3 内核。 频率达到 72MHz，是同类产品中性能最高的产品；以 16 位产品的价格得到比 16 位产品大幅提升的性能是 16 位产品用户的最佳选择。 STM32 功耗 36mA，是 32 位市场上功耗最低的产品，相当于。 CortexM3 是一款低功耗处理器，具有门数目少，中断延迟短，调试成本低的特点，是为要求有快速中断响应能力的深度嵌入式应用而设计 的。 该处理器采用 ARMv7M 架构。 CortexM3 处理器整合了以下组件： 10 (1) ARMv7M： Thumb2 ISA 子集，包含所有基本的 16 位和 32 位 Thumb2 指令， (2) 硬件除法指令， SDIV 和 UDIV（ Thumb2 指令） (3) 处理模式（ handler mode）和线程模式（ thread mode） (4) 可中断 可继续（ interruptiblecontinued）的 LDM/STM， PUSH/POP，实现低中 断延迟。 (5) 自动保存和恢复处理器状态，可以实现 低延迟地进入和退出中断服务程序 (6) 支持 ARMv6 架构 BE8/LE (7) ARMv6 非对齐访问 (8) 嵌套向量中断控制器（ NVIC）。 它与处理器内核紧密结合实现低延迟中断处理，并 具有以下特性： 外部中断可配置为 1～ 240 个 优先级位可配置为 3～ 8 位 中断优先级可动态地重新配置 优先级分组。 分为占先中断等级和非占先中断等级 支持末尾连锁（ tailchaining）和迟来（ late arrival）中断。 这样，在两个中断 之间没有多余的状态保存和状态恢复指令 的情况下，使能背对背中断（ backtoback interrupt）处理。 (9) 处理器状态在进入中断时自动保存，中断退出时自动恢复，不需要多余的指令。 图 8 STM32 外形 The STM32 shape Figure 11 图 9 STM32 引脚图 STM32 pin diagram STM32 最小系统 最小系统电路是处理器芯片能工作所必需的电路结构，包括电源电路、复位电路、晶振以及调试接口（这里是 JLink 接口）。 因为 STM32 内部包含 128KB 的 FLASH 以及 32KB 的 SRAM，满足设计需要，所以不再进行存储器扩展。 如下图所示是STM32F103VET6 的最小工作系统原理图。 BT1CR1220 holder14 32B1RESETR210K+3V3C5100nFC420pFC320pFX28MHz (with socket)R11M4 13 2X1 (manufacturer JFVNY)C110pFC210pFMB525 2 11STM32F10X128KEVAL MCUL1BEADC5510uFC5610nFJP9+3V3C60100nFC59100nFC58100nFC61100nFVDDC57100nFPB5PB6PB7PA4PA5PA6PA7R8610K+3V3231SW1R8710K+3V3231SW2PA11PA12PE0PD0PD1PA9PA10PD3PD4PD5PD6PC10PC11PB12PB13PB14PB15PB10PB11PC12PE14RESETPB8PC5PA0PB9PC13PD8PD9PD10PD11PD12PC6PC7PC8PC9R150PE15PE9PE8PE11PE10PE12PE13PA1PC1PC2PC3PD13PD2PE1PB1PB2PA15PB3PD14PB0R8347R840PC4PE2PE3PE4PE5PE6PA3PA13PA14PB4PC0PA2PA8PD7PD15PE7PC14PC15OSC_INOSC_OUTBOOT0VDDAVDDTP8MCOMC_EnA/WAKEUPMC_EnBJOY_DOWNMC_BusVoltageSPI1_NSSSPI1_SCKSPI1_MISOSPI1_MOSILCD_backlightUSART0_TXUSART0_RXUSB_DMUSB_DPTMS/SWDIOTCK/SWCLKTDIMC_PFCsync1MC_PFCpwmTDO/SWOTRSTTemperatureSensor_INTTemperatureSensor_SCLTemperatureSensor_SDAAudio_PWMUser_ButtonSmartCard_IOSmartCard_RSTSmartCard_CLKLCD_CLKLCD_DOLCDI_DILCD_CSRESETVDDLCD_WRMC_EnIndexMC_DissipativeBrakeJOY_SELSmartCard_3/5VMC_NTCUSB_DisconnectJOY_UPUSART1_RXUSART1_TXUSART1_RTSUSART1_CTSMC_PFCsync2CAN_TXCAN_RXMC_EmergencySTOPSmartCard_OFFMC_WLMC_VHMC_VLMC_UHMC_ULSmartCard_CMDVCCTRACE_D3TRACE_D2TRACE_D1TRACE_D0TRACE_CKJOY_LEFTJOY_RIGHTMC_WHLCD_RSAnti_TamperMicroSDCard_CSIrDA_RXIrDA_TXLED4LED3LED1MIC_INPotentiometerMC_CurrentCMC_CurrentBMC_CurrentA/BNCMC_HeatsinkTemperatureLED2PA4PA5PA6PA7PA11PA12PA9PA10PA0PA1PA15PA3PA13PA14PA2PA8PB5PB6PB7PB12PB13PB14PB15PB10PB11PB8PB9PB1PB2PB3PB0PB4PC10PC11PC12PC5PC13PC6PC7PC8PC9PC1PC2PC3PC4PC0PC14PC15PD0PD1PD3PD4PD5PD6PD8PD9PD10PD11PD12PD13PD2PD14PD7PD15PE0PE14PE15PE9PE8PE11PE10PE12PE13PE1PE2PE3PE4PE5PE6PE7PA[0..15]PA[0..1。