超声波移动机器人控制系统设计_毕业设计(编辑修改稿)

超声波移动机器人控制系统设计_毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

是的本体方向定位精度较低。 三轮全驱动全导向 具有很高的运动灵活性，但是该机构的整体结构比较复杂，完成每个动作都需对 6 个伺服电机进行合理控制，且对于方向和驱动的伺服控制精度有较高的要求，控制难度较大。 综合以上的分析与比较，本文最终选择两轮独立驱动的三轮机构作为移动机器人的驱动机构。 此处省略 NNNNNNNNNNNN 字。 如需要完整说明书和设计 图纸等 .请联系 扣扣： 九七 一 九二 零八零零 另提供全套机械毕业设计下载。 该论文已经通过答辩 机器人的动力源主要有交流电机，直流电机和步进电机。 其中 交流电机：输 出或输入为交流电能的旋转电机，称为交流电机，是用于实现机械能和交流电能相互转换的机械。 主要分为同步交流电机和异步交流电机两种。 直流电机：输出或输入为直流电能的旋转电机，称为直流电机，它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。 当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能，其种类主要有无刷直流电动机，永磁式直流电动机，电磁式直流电动机。 步进电机：步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。 通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设 定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。 您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。 步进电机分三种：永磁式（ PM） ，反应式（ VR）和混合式（ HB） 动力源的选择 „„本科毕业设计说明书（论文） 9 优点 缺点 直流电机 无刷直流电机采用方波电流供电，所用电机的转矩 /体积比更高。 无刷直流电机结构更简单、制造成本更低。 产生方波电压和电流的变频器比产生正弦波电压和电流的变频器简单，选用无刷直流电机更好。 的最高转速。 ，调激磁电压，适合应用在基速以上，弱磁升速。 不能得到电机的较低转速。 ，调电枢电压，电枢全电压之后，弱磁升速。 设备复杂，造价高。 交流电机 、结构简单、体积小、重量轻、动态响应好； 、调速范围广、响应频率高。 ，一般需用齿轮减速装置； 小型数控机床。 步进电机 ； ； 3．有较好的位置精度和运动的重复性； 4．优秀的 起停和反转响应 5． 没有电刷，可靠性较高，电机的寿命仅仅取决于轴承的寿命； 6． 电机的响应仅由数字输入脉冲确定，因而可以采用开环控制，这使得电机的结构可以比较简单而且控制成本较低； 7． 仅仅将负载直接连接到电机的转轴上也可以极低速的同步旋转。 8． 由于速度正比于脉冲频率，因步进电机适用于中、小型机床和速度精度要求不高的地方。 „„本科毕业设计说明书（论文） 10 通过几种电机的比较，我们可以发现虽然直流电机虽然有诸多的优点，但机器人控制系统的判断较为精确，与此同时我们从经济条件及其的具体应用环境方面考虑得知， 在此次设计中机器人动力部分选择步进电机最为合适。 传动方式主要对比齿轮传动 [6]和带传动，链传动来确定： 带传动是利用张紧在带轮上的柔性带进行运动或动力传递的一种 机械传动。 根据传动原理的不同，有靠带与带轮间的摩擦力传动的摩擦型带传动，也有靠带与带轮上的齿相互啮合传动的 同步带 传动。 链传动是通过 链条 将具有特殊齿形的主动链轮的运动和动力传递到具有特殊齿形的从动链轮的一种传动方式。 齿轮传动是利用两齿轮的轮齿相互啮合传递动力和运动的 机械传动。 按齿轮轴线的相对位置分平行轴圆柱齿轮传动、相交轴圆锥齿轮传动和交错轴螺旋齿轮传动。 具有结构紧凑、效率高、寿命长等特点。 优点 缺 点 带传动 ，因此传动过程中可以起到缓冲和吸震的作用，是传动平稳； ，带会产生打滑，能防止工件的损坏，从而保护原动机； 带是靠摩擦进行传动的，而带传动产生的打滑使传动比不确定， 带寿命低、轴上载荷较大 ，同时代的尺寸较大，传动效率低， 带传动常适用于大中心距、中小功率 而有比较宽的转速范围。 传动方式的选择 „„本科毕业设计说明书（论文） 11 链传动 与 带传动 相比，无 弹性滑动 和 打滑 现象，平均 传动比 准确，工作可靠， 效率 高 ；能在高温、潮湿、多尘、有污染等恶劣环境中工作 仅能用于两平行轴间的传动；成本高，易磨损，易伸长，传动平稳 性差，运转时会产生附加动载荷、 振动 、 冲击 和 噪声 ，不宜用在急速反向的传动中。 因此，链传动多用在不宜采用带传动与 齿轮传动 ，而两轴平行，且距离较远，功率较大，平均传动比准确的场合。 经过 经过比较，机器人的运动速度及电机的减速等需要有较为严格的减速比例，虽然带传动有诸多的优点，结合实际情况，本文决定选择齿轮传动。 而齿轮又分圆柱齿轮，斜齿轮，圆锥齿轮。 圆柱直齿轮用于平行轴传动，齿轮啮合与退出时沿着齿宽同时进行， 高速 容易产生冲击，振动和噪音。 圆柱斜齿轮除可用于平行中传动，还可用于交叉轴传动（螺旋齿轮机构）其特点：重合系数大，传动平稳，齿轮强度高，适于重负载，相比直齿而言：斜齿有轴向力 ，价格太贵。 锥齿轮具有传动平稳、噪声小及承载能力大等特点 ,用于高速重载的场合。 但是传动需成一定角度。 直齿轮虽然有重多缺点，但由于电机转速不大，所以噪音、震动都不明显，而且直齿轮在价格上的优势非常明显，本文最终决定使用直齿轮进行传动。 编码器 [7]（ encoder）是将信号（如 比特流 ）或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。 按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。 增量式编码器 是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。 绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。 编码器常用的有绝对式和增量式两种。 1． 绝对式编码器（ Absolute encoder） 绝对编码器由机械位置决定的每个位置的唯一性，它无需记忆，无需找参考点，而且不用一直计 数，什么时候需要知道位置，什么时候就去读取它的位置。 编码器的选择 „„本科毕业设计说明书（论文） 12 这样，编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了。 由于绝对编码器在位置定位方面明显地优于增量式编码器，已经越来越多地应用于工控定位中。 2．增量式编码器（ Incremental encoder） 增量编码器是一种将旋转位移转换为一连串数字脉冲信号的旋转式传感器。 增量式编码器转轴旋转时，有相应的脉冲输出，其计数起点任意设定，可实现多圈无限累加和测量。 编码器轴转一圈会输出固定的脉冲，脉冲数由编码器光栅的线数决定。 需要提高分辨率时，可利用 90 度相位差的 A、 B 两路信号进行倍频或更换高分辨率编码器。 它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。 其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。 测速度需要可以无限累加测量，目前增量型编码器在测速应用方面仍处于无可取代的主流位置。 考虑到编码器将应用在移动机器人上，本文决定选择增量式光电编码器。 如图 21 所示： 图 21 光电编码器 机器人的控制系统是智能机器人的关键，相当于人类的大脑，而现在比较流行的控 制器主要有 PLC 和单片机。 PLC 和单片机都可以作为机器人的控制系统。 PLC ( Programmable logic Controller)，可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。 它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入 /输出控制各种类型的机械或生产过程。 PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同， 由CPU、储存器、电源构成。 单片机是一种集成在电路芯 片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器 CPU 随机存储器 RAM、只读存储器 ROM、多种 I/O 口和 超声波移动机器人控制系统设计方案 „„本科毕业设计说明书（论文） 13 中断系统、定时器 /计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、 A/D 转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。 PLC 和单片机虽然都是控制器，广泛的应用在控制系统中，但是它们依然具有不同，他们的区别为： 控制，普遍的应用，厂矿车间，各种中大型生产设备的自动控制。 具体包括矿山，炼钢，机床，生产加工等等，应用广泛。 大部分用在较大型的 设备上。 因为其价格较高，一般都是附加值较高的自动控制系统才会考虑。 PLC的特点： 可靠性高，抗干扰能力强 ； 硬件配套齐全，功能完善，适用性强 ； 易学易用，深受工程技术人员欢迎 ； 系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造 ； 体积小，重量轻，能耗低。 ，目前单片机渗透到我们生活的各个领域，仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。 单片机的特点： 单片机又称单片微控制器 ,它不是完成某一个逻辑功能的芯片 ,而是把一个计算机系统集成到 一个芯片上。 相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了 I/O 设备。 概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。 它的体积小、质量轻、为学习、应用和开发提供了便利条件 ，同时单片机的成本比 PLC 略微低廉，综合考虑我们决定选择单片机控制。 单片机有 8 位， 16 位， 32 位等，这里的位指单片机 CPU每次处理能力 ,8 位是指单片机一次可以计算 8 位数据 ,16 位是指单片机一次可以计算 16 位数据 ,依次类推，在此次设计中用 8 位单片机完全可以完成对机器人的控制，另考虑经济等方面，我们决定选择 8 位单片机 . 传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。 它是实现自动检测和自动控制的首要环节。 它相当于移动机器人的感觉器官，把 探知的信息传递给其他装置。 测距传感器主要有红外测距传感器、激光测距传感器、超声波传感器等 红外测距传感器利用红外信号遇到障碍物距离的不同反射的强度也不同的原理，进行障碍物远近的检测。 它的优点是便宜，易制，安全，缺点是精度低，方向性差，距离近， 传感器检测距离 3cm30cm之间。 移动机器人需要对信号进 移动机器人传感器设计方案 „„本科毕业设计说明书（论文） 14 行处理，要有一段缓冲时间，而红外测距传感器很难满足。 所以红外测距传感器不适合应用在本文中。 激光测距传感器 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。 激光传感器是新型测量仪表， 的优点是 能实现无接触远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等。 缺点是需要注意人体安全，且制做的难度较大，成本较高，而且光学系统需要保持干净，否则将影响测量。 超声波测距的优点是比较耐脏污，即使传感器上有尘土，只要没有堵死就可以测量，可以在较差的环境中使用 ，所以倒车雷达多半使用超声波，缺点是精度较低。 综合考虑，我们选择超声波传感器。 超声波传感器的选择： 单个超声波传感器，可是使机器人的结果和编程简单，但不利于机器人的灵活性。 超声波传感器具有一定的扩散特性，发射的超声能量主要集中在主波瓣上，沿着主波轴两侧呈波浪型衰减，左右约 30176。 的扩散角。 因此，我们决定选择由 16个超声波传感器组成的超声波环，等角度分布。 为了让结构及其编程简单，我们将选择超声波发射与接收一起的超声波传感器。 超声波环避免了机器人经常转身，节省了时间，提高了机器人的灵活性。 我们决定选择超声波环 ，超声波传感器是收发一体型的 EFR40RSC，它性价比高，体积小 ( Ф l6 m m) ， 工作频率 4 0 k H z ，使用温度 4 0～ +80℃ ， 防尘、 防水， 测距范围 0 ． 2～ 5 m。 整个超声波环由 1 6 个超声波传感器组成。 为了避免相邻超声波传感器问的信号干扰问题， 本系统采用了分组循环发射， 即循环交错启动的方法，并考虑到移动机器人对超声波传感器探测时间的限制 ( 时延 0 .1S ) ， 将超声波传感器以 2 个一组的方式进行循环探测， 发射时序如图 22 所示。 图 22 多 超声波循环发射时序图 „„本科毕业设计说明书（论文） 15。