機器人設(shè)計論文.doc

科大roboshow邀請賽1 創(chuàng)意：1.1 創(chuàng)意背景： 我們的創(chuàng)意來自于目前全世界都面臨的一個生存危機問題水資源的匱乏。椐統(tǒng)計： 人類擁有的水資源：自然界中的水（覆蓋地球表面約71%）海洋水約占96.5%淡水資源約占全球總水量的2.53%，其中可利用的淡水資源只有30.4%，占總水量不到1%，所以世界上有許多國家和地區(qū)存在著缺水危機。我國的水資源狀況：我國的水資源并不富裕，居世界第六位。人均水量約為世界人均水量的四分之一，許多地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)水資源短缺影響人民生活，制約經(jīng)濟發(fā)展的局面，此外許多地區(qū)和企業(yè)浪費水資源，使水資源受到的污染也很嚴(yán)重，應(yīng)與于重視?；谝陨犀F(xiàn)況，我們設(shè)計如下場景：一天,（機器人）小女孩“毛毛”在放學(xué)回家的路上，看見一株因缺水而枯萎的小花，善良的毛毛不想讓這株可憐的小花這樣的死去，于是為了救這一株小花而到處去找水，但是她所看到的卻是干涸的河床、枯黃的野草，最終沒有找到一滴水，于是她無奈地回到了小花的跟前，眼看著奄奄一息的花兒，自己卻無能為力，就傷心地哭了，淚水落到了花的身上。突然，奇跡出現(xiàn)了，小花因小女孩的淚水而神奇的復(fù)活了，小女孩見到此情此景時，轉(zhuǎn)悲為喜，以一段歡快的舞蹈表達小女孩此時此刻的愉快心情。最后用一段發(fā)人深思的告白結(jié)束全場的表演。1.2 構(gòu)思過程 經(jīng)過多次征求意見，組內(nèi)討論，我們設(shè)計的故事情節(jié)如下：（舞臺布景：陽光，小路，干涸的河床，干枯的野草野花等等）傍晚，陽光依然沒有半點退卻的意思。當(dāng)下課鈴響時，毛毛如往常一樣高高興興地回家。就在回家的路上，偶然在路邊看見一株已經(jīng)凋零的小花。善良的毛毛不忍心讓它就這樣無聲無息的死去。與是毛毛轉(zhuǎn)身去找水來就活小花，但是找來找去都沒有找到一滴水，連小河都枯竭了。無奈之下，小女孩只好再次回到小花身邊，面對即將死去的小花，小女孩流下了傷心的淚水。突然，小花竟然緩緩地復(fù)活了。噢，原來是淚水！是淚水滴在了花的身上！小女孩見到花兒的復(fù)活，轉(zhuǎn)悲為喜，歡快地圍繞著花兒舞蹈。跳舞的過程中的旁白：（朋友，你知道是誰把生命給了我們？是誰把綠色給了山川？是誰把豐收給了田野？是水！是水！水是生命之源！當(dāng)宇宙中那顆冰球與地球相撞后，地球便有了水。因為有了水人類才開始生生息息地繁衍，因為有了水大地才披上了綠裝，萬物才有了生機勃勃的容顏。）最后以一句發(fā)人深省的話“為了我們共同的家園，請珍惜每一滴水”結(jié)束了全場的表演。2 機械部分2.1頭部結(jié)構(gòu)設(shè)計機器人頭部可以實現(xiàn)兩個自由度的運動，使用兩臺小型減速直流電機，其安裝方式如圖2.1.1所示：圖1 頭部電機示意圖頭部電機1可以實現(xiàn)昂頭、低頭兩種動作，電機1正轉(zhuǎn)由連軸器帶動電機2正向轉(zhuǎn)動，如圖 2.1.1所示。電機2反轉(zhuǎn)實現(xiàn)頭部動作如圖2.1.2所示。電機2的正反轉(zhuǎn)帶動頭部可以實現(xiàn)搖頭的動作。圖2 頭部電機詳解圖假設(shè)毛毛面部在xoz平面內(nèi)，旋轉(zhuǎn)電機2，其面部轉(zhuǎn)到y(tǒng)oz面內(nèi)，由頭部兩個自由度的組合，可以實現(xiàn)頭部各種動作。2.2機器人手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計機器人肩部使用角鐵連接，角鐵機械強度高，不易變形，在機器人動作時可以有效保持本體形態(tài)，不發(fā)生抖動現(xiàn)象；手臂使用鋁合金材料連接，鋁合金質(zhì)輕、強度高，安裝在手臂上可以有效減輕手臂電機的負(fù)荷、保證其穩(wěn)定性。整個手臂共使用6個電機，其中左右手各使用3個電機，左右手安裝形式完全相同，下面介紹手部電機安裝結(jié)構(gòu)。安裝形式如圖2.2.1。圖3 手部電機示意圖電機1、2、3組合，可以使機器人手臂實現(xiàn)三個自由度的運動，能很好地模擬人手大小臂的各種動作。電機1實現(xiàn)張合臂動作，電機2實現(xiàn)大臂動作，電機3實現(xiàn)小臂動作。由此組合成手臂的第二個關(guān)節(jié)，在整個空間內(nèi)自由運動。由這4個電機的組合運動，控制手臂在空間內(nèi)自由運動，實現(xiàn)手臂的自由彎曲。在我們的表演中，可實現(xiàn)毛毛的各種舞蹈動作及其它細(xì)微動作。圖4 手部電機立體圖2.3腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計腰部由電機5驅(qū)動，一改傳統(tǒng)的拉線式結(jié)構(gòu)，我們通過連桿與轉(zhuǎn)動軸相連實現(xiàn)彎腰動作。腰部機械結(jié)構(gòu)設(shè)計精巧，巧妙的利用了杠桿的原理，電機負(fù)荷大大減輕，控制精確，工作穩(wěn)定。平面設(shè)計圖如下：圖5 腰部電機示意圖2.4機器人底盤底盤安裝了三個輪，其中由兩個驅(qū)動輪和一個萬向輪組成，安裝結(jié)構(gòu)如圖 2.4.1所示。圖6 底盤俯視圖萬向輪安裝在最前端，可實現(xiàn)0360度自由轉(zhuǎn)向，后輪由兩個大功率減速直流電機帶動機器人前后運動。3 硬件電路設(shè)計系統(tǒng)的硬件電路主要由以下幾個模塊組成：+5v電源穩(wěn)壓電路及+9v電壓穩(wěn)壓電路、紅外傳感器調(diào)理電路、直流電機驅(qū)動電路、單片機最小系統(tǒng)板電路。以下分別介紹：3.1 控制模塊單片機最小系統(tǒng)板的設(shè)計圖7 at89s52單片機最小系統(tǒng)原理圖該模塊的附加功能如下：單片機的p3.3口接一按鈕開關(guān)，即可用于人機交互的i/o口輸入按鍵，又可作為外部中斷1的人為輸入端；p3.4口接一個發(fā)光二極管，用于顯示一個i/o口的狀態(tài)；p3.5接蜂鳴器，編寫相關(guān)程序可實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計的報警功能。該最小系統(tǒng)板有上電按鍵復(fù)位電路，有電源指示燈，有外部擴展eeprom接口，有防電源反接保護電路，四組i/o口均可接排阻，由跳線帽設(shè)置。本系統(tǒng)板適用51系列其它任何單片機芯片，具有良好的通用性。單片機使用晶振為11.0592mhz。3.2 傳感器的設(shè)計與安裝圖8 紅外傳感器驅(qū)動原理圖該電路可以驅(qū)動四個紅外對管，集成運放用最實用的四運放芯片lm324。本電路圖利用簡單的紅外發(fā)射接收原理及運放制作的電壓比較器將信號調(diào)整成ttl高低電平。便于單片機的實時采集。車底座四個紅外發(fā)射接收傳感器，用于檢測地面及記錄路程狀態(tài)，便于返回安全區(qū)域。車身四角上方各有一個紅外接收管，呈45度角裝置，便于當(dāng)小車走到白色節(jié)點時檢測四周四個黑色方格內(nèi)是否有火源。與風(fēng)扇吹風(fēng)相同的方向裝有兩個紅外接收傳感器，判定風(fēng)扇是否已經(jīng)轉(zhuǎn)向火源。具體參考：5.1.6 整機裝備圖解。關(guān)于尋跡及計白線傳感器的安裝是經(jīng)過多重考慮最終確定的。將四個傳感器放在小車車身中央同一條直線上，這樣組合使用可以實現(xiàn)功能如下：尋跡、計白色線數(shù)、處理臨界狀態(tài)、防出界、防遇到障礙物等等功能。但它也有局限性，小車后退尋跡無法實現(xiàn)，只有靠轉(zhuǎn)彎來后退，如果將傳感器都放后輪軸下方，就可以很好地跟隨主動輪一起實現(xiàn)前進或后退尋跡功能，但裝在后輪下方就會失去更多功能。權(quán)衡利弊，確定讓四傳感器裝在車底座中央下方一條直線上。3.3 直流電機驅(qū)動模塊直流電動機的驅(qū)動一般可以采用兩種方法：由三極管組成的h橋驅(qū)動和集成電路驅(qū)動。從穩(wěn)定性的角度考慮，我們選用了集成芯片l298。一片l298可以用來驅(qū)動兩個直流電動機，工作電壓最高可達到46v，在646v的電壓下，可以提供2a的工作電流，l298自帶過熱保護電路。利用l298及其外部輔助電路和電機構(gòu)成驅(qū)動電路。單片機控制口接l298的四個輸入控制端in1,in2,in3,in4。l298的兩個輸出端out1,out2接電機。電機轉(zhuǎn)動狀態(tài)編碼如表1.2所示。表1.2電動機狀態(tài)編碼表左電機右電機左電機右電機電動車運行狀態(tài)1in11in22in12in21010正轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)前行1001正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)左轉(zhuǎn)1000正轉(zhuǎn)停以左電機為中心原地左轉(zhuǎn)0110反轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)0010停正轉(zhuǎn)以右電機為中心原地右轉(zhuǎn)0101反轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)后退圖9 直流電機驅(qū)動板根據(jù)上表可知，只要設(shè)定一塊l298的in1,in2,in3,in4四個控制端口的不同編碼，就可得到電機的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)等不同的運行狀態(tài)；可使電機穩(wěn)定運行，l298如圖3.3所示。3.4 電源模塊電源無疑是機器人設(shè)計中一個非常重要的一個模塊，只有電源的穩(wěn)定可靠才使機器人有可靠運行的可能。因為是移動的機器人，所以它的能源需要與自身本體一起移動，可充電電池成了最好的選擇。在選擇電池的時候主要從以下幾個方面考慮：充電性能、功率密度、電壓、容量、內(nèi)阻。綜合考慮我們選擇了鎳氫電池，鎳氫電池的類型比較多，電池和充電器的花費比較節(jié)省。其記憶效應(yīng)遠(yuǎn)小于鎳鎘電池，功率密度也比較高。機器人本體上共用到11個12v直流電機。使用固定電壓給直流電機供電可使機器人的動作及底盤運動保持相對恒定，故我們選擇了集成穩(wěn)壓芯片7809，使充電電池輸入的+12v轉(zhuǎn)換成+9v供給各直流電機，保證了調(diào)試的方便、降低了表演出錯率。系統(tǒng)一共用到兩種電源，控制電路部分5v和電機的9v。本系統(tǒng)采用兩塊充電電池（充滿電+13.7v）和一個四節(jié)南孚電池組成的電池盒（約+5.5v）供電，5v電壓供單片機工作；從12v電源穩(wěn)壓得到9v供機器人本體中的各個直流電機工作。直流電機，集成驅(qū)動芯片，都會在電源總線上產(chǎn)生噪聲，對此采用了在每個電機的輸出端接上旁路電容來消除噪聲。4 軟件設(shè)計4.1 程序框圖4.2 程序流程圖圖10 尋跡流程圖圖11 定位流程圖圖12 上身動作流程圖4.3 程序思想4.3.1 底盤思想通過程序控制電機的正反轉(zhuǎn)，即可控制機器人底盤的各種運動，包括原地左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)、左轉(zhuǎn)彎右轉(zhuǎn)彎、前進、后退、剎車等運動狀態(tài)。通過紅外傳感器對運動軌跡的檢測，控制機器人底盤做相應(yīng)的動作。底盤程序中加入了一種巧妙的算法，在尋跡的過程中檢測節(jié)點數(shù)，當(dāng)程序執(zhí)行到尋跡模塊，進入死循環(huán)，只有當(dāng)檢測到節(jié)點時才跳出死循環(huán)；并且在每一個節(jié)點出發(fā)處屏蔽節(jié)點計數(shù)器，使傳感器能正常檢測到下一個節(jié)點。4.3.2 上身思想 為了使機器人能夠做出抬頭，搖頭，彎腰，舞蹈等動作，機器人的上身共用了9個直流電機。能實現(xiàn)9個自由度，基本上能表現(xiàn)出人基本的單間的動作。6 總結(jié) 經(jīng)過全體隊員的十多天的努力，我們的機器人從一個想法和概念變成了現(xiàn)實，并走上了舞臺。在整個制作過程中，大部分電路都是我們自己手焊的，所以有時會因為某個元件的虛焊會使我們白白浪費很多的時間去找軟件的錯。在動作的調(diào)試過程中因為直流電機的累積誤差和不能精確控制使得調(diào)試工作量變得非常大。有時一個動作要調(diào)上五，六個小時。在多人合作中由于有明確的分工，相互協(xié)作也變的尤為重要，軟件離不開電路和機械的支持，電路和機械更是離不開軟件來賦予它發(fā)揮更強大功用的能力。為了保證我們的工作順手如意，從制作機器人一開始我們便通力協(xié)作，遇到問題和困難就一起動手，在解決問題的過程中提高了我們分析和解決問題的能力，也進一步認(rèn)識到了電路，機械和程序之間密不可分的聯(lián)系。由于沒在意到電源供電的問題，最后出現(xiàn)了一件很麻煩的事：充電電池供電有限，調(diào)試過程中，經(jīng)常可以看到在供電未變的情況下，已調(diào)好的動作變得又不精確。7 致謝首先要感謝是電子電氣工程系對我們機器人競賽的大力支持，系里支持才使得我們的許多工作能夠順利的進展。感謝譚老師的關(guān)愛、王敬生老師和儲忠老師在整個制作過程的鼓勵和指導(dǎo)。懸掛運動控制系統(tǒng)（e題）設(shè)計與總結(jié)報告摘要：本設(shè)計以單片機（c8051f005）作為懸掛運動控制系統(tǒng)的控制核心，整個系統(tǒng)由中央控制模塊、鍵盤輸入模塊、跟蹤檢測模塊、液晶顯示模塊、執(zhí)行機構(gòu)等部分組成，可實現(xiàn)懸掛物體的自行設(shè)定“m”形軌跡運動，直線運動，圓心任意設(shè)定，直徑為50cm的圓周運動和軌跡跟蹤運動等功能。控制系統(tǒng)接收用戶設(shè)定參數(shù)并進行合法性檢驗，然后控制物體按要求運動，同時用畫筆畫出物體的運動軌跡。跟蹤檢測模塊以光電傳感器構(gòu)成十字交叉型陣列，搜索標(biāo)定的任意曲線，控制懸掛物體沿標(biāo)定的任意曲線運動。執(zhí)行機構(gòu)由兩臺混合步進電機28byj48a和相關(guān)電機驅(qū)動電路組成，解決了電機運行的同步問題。大屏幕的液晶顯示模塊可清晰顯示設(shè)定參數(shù)，實時顯示物體所在位置的坐標(biāo)值，并同步顯示懸掛物體的運動軌跡。關(guān)鍵詞：智能控制，軌跡跟蹤，液晶顯示屏（lcd），鍵盤a movement control system of a suspending objectabstract: a system, which uses a micro-control unit (mcu) as its controlling unit, is designed for controlling movement of a suspending object in a pre-defined way, i.e. linear, circular or track-tracing. it is composed of a center control unit, a keyboard input unit, a track-tracing unit, a liquid crystal display unit and a performing unit. the control system after receiving users information judges first, and then controls the movement of the object according to requirements while painting the movement track. the track-tracing unit, consisting of five photoelectric transducers arranged cross-shaped, searches the pre-defined movement track of the object and controls the object to move along it. the performing unit is composed of two hybrid step motors (28byj48a) and motor-driving circuits, and it is used to deal with synchronization of running of the motors. the liquid crystal display unit is used to display the pre-defined parameters and the movement track of the object.keywords: intellegent control track-tracing liquid crystal display keyboard1. 系統(tǒng)方案選擇和論證1.1 設(shè)計要求1.1.1基本要求：（1）控制系統(tǒng)能夠通過鍵盤或其他方式任意設(shè)定坐標(biāo)點參數(shù)； （2）控制物體在80cm*100cm的范圍內(nèi)作自行設(shè)定的運動，運動軌跡長度不小100cm，物體在運動時能夠在板上畫出運動軌跡，限300秒內(nèi)完成；（3）控制物體作圓心可任意設(shè)定、直徑為50cm的圓周運動，限300秒內(nèi)完成；（4）物體從左下角坐標(biāo)原點出發(fā)，在150秒內(nèi)到達設(shè)定的一個坐標(biāo)點（兩點間直線距離不小于40cm）。1.1.2發(fā)揮部分（1）能夠顯示物體中畫筆所在位置的坐標(biāo)；（2）控制物體沿板上標(biāo)出的任意曲線運動（見示意圖），曲線在測試時現(xiàn)場標(biāo)出，線寬1.5cm1.8 cm，總長度約50 cm，顏色為黑色；曲線的前一部分是連續(xù)的，長約30 cm；后一部分是兩段總長約20 cm的間斷線段，間斷距離不大于1 cm；沿連續(xù)曲線運動限定在200秒內(nèi)完成，沿間斷曲線運動限定在300秒內(nèi)完成；（3）其他。1.2 系統(tǒng)基本方案根據(jù)題目要求，系統(tǒng)可規(guī)劃為中央控制部分，軌跡跟蹤部分、輸入模塊、執(zhí)行機構(gòu)、顯示部分和供電部分。如圖1.1所示：220v中央控制模塊輸入模塊顯示模塊軌跡跟蹤模塊執(zhí)行機構(gòu)圖1.1 系統(tǒng)的基本模塊方框圖電源模塊 1.2.1 各模塊方案選擇與論證(1) 控制器模塊中央控制器為整個系統(tǒng)的核心，通過接受外部信息，按照控制算法驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)。對中央處理器的選擇多種多樣，但我們熟練掌握8051系列單片機的控制原理和設(shè)計方法，所以我們選擇c8051f005作為系統(tǒng)控制器。該單片機運算功能強，軟件編程靈活，自由度大，并且其功耗低，體積小，技術(shù)成熟，完全適合在本系統(tǒng)中應(yīng)用。 (2) 執(zhí)行機構(gòu)本系統(tǒng)中要求電動機步距角小，動態(tài)性能好，并能實現(xiàn)精確定位。方案1：直流電機。使用直流電機作為動力驅(qū)動。在電機上安置碼盤和紅外接收管或霍爾器件，通過計數(shù)器對接收到的脈沖進行計數(shù)，從而算出電機的轉(zhuǎn)速和繩子改變的長度。但此種方法需要半閉環(huán)控制（即需要線位移反饋或速度反饋），結(jié)構(gòu)復(fù)雜，計算困難。方案2：步進電機。反應(yīng)式步進電動機（variable reluctance,簡稱vr） 反應(yīng)式步進電動機的轉(zhuǎn)子是由軟磁材料制成的，轉(zhuǎn)子中沒有繞組，步距角可做得很小，但動態(tài)性能較差。永磁式步進電動機（permanent magnet,簡稱pm）永磁式步進電動機的轉(zhuǎn)子是用永磁材料制成的，轉(zhuǎn)子本身就是一個磁源。它的輸出轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)性能好，轉(zhuǎn)子的極數(shù)與定子的極數(shù)相同，所以步距角一般較大?；旌鲜讲竭M電動機(hybrid,簡稱hb)混合式步進電動機綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點，它的輸出轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)性能好，步距角小。所以我們選用混合式步進電動機。并選擇與其適配的專用驅(qū)動集成芯片l297+l298，l297+l298集驅(qū)動和保護于一體，性能穩(wěn)定，易調(diào)試，且使用方便。（3）輸入模塊方案1：鍵盤輸入。采用優(yōu)良的4*4行列矩陣式鍵盤，此方法操作簡單，節(jié)省單片機資源，且價格便宜。方案2：觸摸屏輸入。通過觸摸檢測部件檢測用戶觸摸位置，接受觸摸信息后送觸摸屏控制器，觸摸屏控制器將它轉(zhuǎn)換成觸點坐標(biāo)送給cpu，它同時接收cpu發(fā)來的命令并加以執(zhí)行。此方法操作方便，簡單，但價格昂貴。所以選擇方案1。 （4）顯示模塊本模塊將實現(xiàn)的功能是實時顯示物體所在位置的坐標(biāo)并同步顯示物體的運動軌跡。方案1：采用傳統(tǒng)的數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管具有低壓、壽命長、耐老化、防潮，對環(huán)境要求低以及精確可靠、操作簡單、易于維護等特點，但顯示信息量小，只能顯示坐標(biāo)數(shù)值，無法顯示運動軌跡。方案2：采用液晶顯示屏（lcd）顯示。液晶顯示屏具有低耗電量，無輻射危險，以及影像不閃爍等優(yōu)勢，可視面積大，畫面效果好，分辨率高，抗干擾能力強等特點。并能顯示各種波形，菜單等，顯示內(nèi)容十分豐富。 基于以上分析，擬訂方案2。（5）軌跡跟蹤模塊方案1：采用攝像頭。利用圖像提取技術(shù)或色素提取技術(shù)，根據(jù)攝像頭拍攝到的圖片決定下一步的運動方向。其優(yōu)點是控制精確，但其對硬件和軟件的要求都較高，處理起來困難。方案2：采用熱探測器。熱探測器是根據(jù)接收到紅外輻射后溫度變化，溫度的變化引起電信號輸出，且輸出的電信號與溫度的變化成比例的原理工作的。當(dāng)紅外線被黑線吸收時，溫度會減小，電壓變低，而紅外線沒有被吸收時，電壓不變，單片機可以根據(jù)電壓的變化來判斷路面的狀態(tài)。由于溫度變化是因為吸收熱輻射能量引起的，與吸收紅外輻射的波長沒有關(guān)系，即對紅外輻射吸收沒有波長的選擇，因此受外界影響較大，抗干擾較弱。方案3：采用光電傳感器。光電傳感器接收紅外輻射后，紅外光子直接把材料的束縛態(tài)電子激發(fā)成傳導(dǎo)電子，由此引起電信號輸出，輸出信號大小與所吸收的光子數(shù)成比例。且這些紅外光子能量的大小（即紅外光還必須滿足一定的波長范圍），必須滿足一定的要求才能激發(fā)束縛電子，起激發(fā)作用。光電傳感器吸收的光子必須滿足一定的波長，否則不能被吸收，所以受外界影響比較小，抗干擾比較強?；谝陨戏治觯瑪M訂方案3。1.2.2 系統(tǒng)各模塊的最終方案經(jīng)過仔細(xì)分析和論證，決定了系統(tǒng)各模塊的最終方案如下：（1）控制器模塊：采用單片機c8051f005控制。（2）執(zhí)行機構(gòu)：采用混合式步進電機和專用的驅(qū)動集成芯片l297+l298。（3）輸入模塊：采用4*4行列矩陣式鍵盤。（4）顯示模塊：采用點陣型液晶顯示屏（lcd）wg320*240。（5）軌跡跟蹤模塊：采用紅外光電傳感器。系統(tǒng)的基本框圖如圖1.4所示。圖1.4 系統(tǒng)的基本組成框圖中央控制模塊c8051f0054*4鍵盤lcd顯示步進電機驅(qū)動電路軌跡跟蹤模塊步進電機及相關(guān)機械裝置直流穩(wěn)壓電源2. 系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)系統(tǒng)功能簡述：（1）控制系統(tǒng)能夠通過4*4鍵盤輸入物體的運動形式，例如直線運動，圓周運動，自行設(shè)定軌跡運動和軌跡跟蹤運動?？梢匀我庠O(shè)定坐標(biāo)點參數(shù)，并進行輸入數(shù)據(jù)合法性檢驗；（2）在規(guī)定時間內(nèi)完成物體在80cm*100cm的范圍內(nèi)作自行設(shè)定的“m”形運動并能夠在白板上畫出物體的運動軌跡；（3）在規(guī)定的時間內(nèi)完成懸掛物體作圓心任意設(shè)定，直徑為50cm的圓周運動；（4）在規(guī)定的時間內(nèi)完成懸掛物體作起點在原點，終點任意設(shè)定的直線運動；（5）能夠通過大屏幕的液晶屏顯示當(dāng)前的運動形式以及與其相關(guān)的特定參數(shù)，實時顯示物體中畫筆所在位置的坐標(biāo)值，并同步顯示物體的運動軌跡；（6）在規(guī)定的時間內(nèi)實現(xiàn)軌跡跟蹤的功能。軌跡為任意設(shè)定的黑色軌跡，分為連續(xù)部分和間斷部分。2.1 系統(tǒng)的硬件組成部分本題是一個光、機、電一體的綜合設(shè)計，在設(shè)計中運用了檢測技術(shù)、自動控制技術(shù)和電子技術(shù)。系統(tǒng)可分為傳感器檢測部分，智能控制部分，lcd顯示部分和供電部分。傳感器檢測部分：系統(tǒng)利用光電傳感器將檢測到的外部信息（例如軌跡情況）轉(zhuǎn)化為可被控制器件辨認(rèn)的電信號。軌跡跟蹤模塊即屬于這一部分。智能控制部分：系統(tǒng)中控制器件根據(jù)傳感器變換輸出的電信號進行邏輯判斷和計算，控制電機動作，完成懸掛物體的軌跡跟蹤運動。同時還可根據(jù)鍵盤的輸入?yún)?shù)，控制懸掛物體作相應(yīng)的軌跡運動。lcd顯示部分：液晶顯示屏（lcd）顯示當(dāng)前的運動形式以及與其相關(guān)的設(shè)定參數(shù)，實時顯示物體所在位置的坐標(biāo)值，并同步顯示物體的運動軌跡。供電部分：為系統(tǒng)各個單元提供正常穩(wěn)定的工作電壓。2.2主要單元電路設(shè)計2.2.1 智能控制部分的單元電路設(shè)計（1） 中央控制模塊電路的設(shè)計單片機的最小系統(tǒng)及外圍電路具體如圖2.1所示。單片機c8051f005接收鍵盤的輸入和軌跡跟蹤模塊的信息，并將輸入信號進行運算處理，以控制脈沖的形式來控制電機動作，從而完成各項任務(wù)要求。為了方便單片機引腳的使用，我們將單片機的所有引腳用接口引出。其中： 鍵盤接口：p2口；電機接口：左邊電機脈沖輸入端：p0.6，方向控制端：p0.7；右邊電機脈沖輸入端：p3.6，方向控制端：p3.7；液晶顯示屏接口：a0、wr、rd、cs、rst：p3.0p3.4； 數(shù)據(jù)線db0db7：p1口； 軌跡跟蹤模塊的輸入接口：紅外光電傳感器的輸出接口根據(jù)傳感器的位置從上到左按逆時針分別接p0.0p0.4。 光指示二極管接口：p3.5圖2.1 c8051f005的最小系統(tǒng)及外圍電路（2）電機模塊 電機的選擇：本系統(tǒng)是一個電機控制系統(tǒng)，所以電機的選擇至關(guān)重要?，F(xiàn)對懸掛物體進行受力分析， 15cmmgf1f212圖2.2 物體的受力分析如圖2.2所示：f1sin1 = f2sin2f1cos1 + f2cos2 = mg其中：根據(jù)白板尺寸, 張角max=arctg(115/15)82.5min=arctg(15/115)7.4所以，7.4182.5；7.4282.5。由于是定滑輪兩邊受力相同，所以繩子對物體的拉力等于繞線輪對繩子的拉力，則算出繩子的最大拉力就可以得到拉力對繞線輪的最大轉(zhuǎn)矩。根據(jù)上述數(shù)學(xué)公式求得拉力的極值，f11.9mg。取f1=2mg，電動機上的繞線輪直徑為4.9cm，則半徑r=2.45 cm懸掛物對繞線輪的轉(zhuǎn)矩：tn=f1r=20.1kg9.8n/kg0.0245m=48mn.m即所選電機扭矩為48mn.m對照電機手冊，我們選擇了混合式步進電機28byj48a，洛社微特電機廠。供電電壓：直流電壓12v電壓供電。脈沖步長：繞線輪周長為4.9cm，發(fā)2050個脈沖，電機轉(zhuǎn)動一圈。脈沖步長= 4.92050=0.0075cm。（3）電機驅(qū)動模塊的設(shè)計與實現(xiàn)28byj48a型步進電機有與其配套的專用驅(qū)動芯片l297+l298，具體電路如圖2.3所示。 l298的2、3、13和14腳分別接四相步進電機的 a相，b相，c相和d相 ； l297的17腳（cw/ccw）為轉(zhuǎn)向控制端。高電平，電機順時針轉(zhuǎn)動，低電平，電機逆時針轉(zhuǎn)動； l297的18腳（clk）為脈沖輸入端。每接收一個脈沖，步進電機前進一步； l297的19腳(half/full) 為模式控制端。高電平為單步工作方式，低電平為雙步工作方式，單步工作的步距角為雙步的兩倍； l297的15腳（vref）控制負(fù)載的最大電流； 其他控制管腳接有效電平。工作過程：電機上5根接線分別接l298的a、b、c、d四相和com端，當(dāng)l297的clock端接收到一個脈沖，電機根據(jù)cw/ccw端的電平，順時針或者逆時針運動一步，步長為0.0075cm。圖2.3電機的專用驅(qū)動電路（4）鍵盤模塊鍵盤上設(shè)有：數(shù)字鍵：數(shù)字09，用于輸入x軸坐標(biāo)，y軸坐標(biāo)和圓心坐標(biāo)等數(shù)值。功能鍵：x軸坐標(biāo)值與y軸坐標(biāo)值之間的分隔符，確認(rèn)鍵，清除鍵，自行設(shè)定軌跡運動的標(biāo)志鍵，圓周運動的標(biāo)志鍵和軌跡跟蹤標(biāo)志鍵。設(shè)定直線運動的終點坐標(biāo)時，分隔符之前的值表示x坐標(biāo)值，范圍為080cm；分隔符之后的值表示y坐標(biāo)值，范圍為0100 cm。若作圓周運動，先按下圓周運動標(biāo)志鍵，圓心坐標(biāo)可以任意設(shè)定，設(shè)定過程與直線的終點坐標(biāo)設(shè)定相同。按下自行設(shè)定軌跡運動的標(biāo)志鍵后，物體即可按照預(yù)先設(shè)定的“m”形軌跡運動。確認(rèn)鍵按下后程序開始執(zhí)行。清除鍵可以用來重新設(shè)置運動形式或坐標(biāo)參數(shù)。整個鍵盤操作界面十分友好。（5）顯示模塊 采用lcd顯示懸掛物體運動的相關(guān)內(nèi)容，設(shè)計中選擇sed1335，其特點如下： 有較強功能的i/o緩沖器； 指令功能豐富； 四位數(shù)據(jù)并行發(fā)送，最大驅(qū)動能力為640256點陣； 圖形和文本方式混合顯示。接口電路如圖2.4所示：a. db0-db7：三態(tài)，數(shù)據(jù)總線，可直接掛在mcu數(shù)據(jù)總線上； bcs：輸入，片選信號、低電平有效。當(dāng)mcu訪問sed1335時，將其置低； c a0：輸入，i/o緩沖器選擇信號，a0=1寫指令代碼和讀數(shù)據(jù)，a0=0時寫數(shù)據(jù)參數(shù)和讀忙標(biāo)志； drd：輸入，讀操作信號； ewr：輸入，寫操作信號；fres：輸入，復(fù)位信號，低有效，當(dāng)重新啟動sed1335時也需用指令systemset。整個屏幕的最下方顯示“懸掛運動控制系統(tǒng)”字樣。左半邊同步顯示物體的運動軌跡，右上方根據(jù)鍵盤的輸入情況顯示物體的運動形式以及相關(guān)參數(shù)，右下方實時顯示物體所在位置坐標(biāo)值。例如作直線運動時，右上方會顯示“直線”字樣，“直線”字樣下方顯示用戶設(shè)定的直線運動終點坐標(biāo)，右下方實時顯示物體所在位置的坐標(biāo)值；左半邊同步顯示直線運動的運動軌跡。作圓周運動時，右上方會顯示“圓”的字樣，字樣下方顯示圓心坐標(biāo)和半徑，右下方實時顯示物體所在位置的坐標(biāo)值；左半邊同步顯示圓周運動的運動軌跡。其他運動時顯示界面基本相同，此顯示界面清晰、明了、美觀、大方。圖2.4 液晶與單片機接口2.2.2 檢測部分的單元電路設(shè)計軌跡跟蹤模塊 根據(jù)題目要求，懸掛物體能沿著黑色軌跡運動。為了使物體能在特定的黑色軌跡上運動，系統(tǒng)需要將軌跡的狀態(tài)及時的以電信號的形式反饋到控制部分，控制部分控制電機相應(yīng)的動作，使物體一直沿著黑色軌跡運動。圖2.5為紅外光電傳感器具體的電路圖。傳感器工作過程如下：紅外發(fā)光二極管導(dǎo)通，發(fā)出紅外光，經(jīng)反射物體反射到接收管上，接收管導(dǎo)通，比較器lm324的正向輸入端電壓低于反向輸入端電壓，比較器輸出為低電平；當(dāng)紅外光照射到黑色膠帶時，反射到接收管上的光量減少，接收管處于截止?fàn)顟B(tài)，則比較器的正向輸入端電壓高于反向輸入端電壓，輸出為高電平。由于光電傳感器受外界的影響較大，容易引起單片機誤判，因此在電路中加入了一個電位器（阻值為300k），調(diào)整電位器的阻值即可改變接收管的靈敏度，10k電阻可調(diào)節(jié)比較器的反向輸入端電壓。圖2.5 紅外發(fā)射接收電路圖跟蹤原理：（1）線寬的選擇：題目要求軌跡的寬度為1.5 cm1.8cm，我們選定寬為1.7 cm的黑色電工膠帶，符合要求。（2）傳感器的安裝：傳感器的安裝對軌跡狀態(tài)的檢測有至關(guān)重要的影響。安裝時應(yīng)該讓傳感器檢測到的狀態(tài)正確反應(yīng)黑色軌跡的狀態(tài)，從而正確判斷下一步的走向，使物體能沿著黑色軌跡正確運動。如圖2.6所示，物體上安裝五個紅外傳感器，成上、下、左、右和正中的十字交叉形陣列，實現(xiàn)軌跡跟蹤運動功能。白色小框表示發(fā)射管，黑色小框表示接收管。分別假定上方傳感器為a，右方傳感器為b，下方傳感器為c，左方傳感器為d，正中間傳感器為e。其中：為了不使五個傳感器同時檢測到軌跡（當(dāng)五個傳感器同時檢測到軌跡時無法判斷下一步的方向），故四周的傳感器到中心位置的傳感器的距離應(yīng)大于軌跡寬度的1/2，即n1.7/2cm，同時n的值又不能大于軌跡寬度（大于軌跡寬度容易丟失軌跡，也導(dǎo)致無法判斷），即n1.7cm，又因為傳感器自身長度為0.4 cm，所以我們選擇a，b，c，d四個傳感器與e傳感器發(fā)射管之間的距離為1.5 cm。另外我們還做了兩套傳感器，四周傳感器a,b,c,d與e傳感器之間的距離分別為0.8 cm和1.7 cm，經(jīng)過反復(fù)實驗，證明四周傳感器與中心傳感器之間的距離為1.5 cm的傳感器陣列檢測效果最好，是檢測軌跡狀態(tài)的最佳選擇。 abcde圖2.6傳感器陣列（3） 跟蹤思想：單片機接收傳感器檢測的輸出信號數(shù)據(jù)，來控制懸掛物體沿給定軌跡運動。根據(jù)+y走向（向上運動）和-y走向（向下運動）不可能同時有效，+x走向（向右運動）和-x走向（向左運動）也不可能同時有效，但 +y和-x，+y和+x，-y和-x，-y和+x走向可以同時有效的思想，來實現(xiàn)全方位軌跡跟蹤的。 設(shè)定運動方向標(biāo)志位設(shè)定向上標(biāo)志位為bitup，向下標(biāo)志位為bitdown，向左標(biāo)志位為bitleft，向右標(biāo)志位為bitright。標(biāo)志位為“1”表示相應(yīng)運動方向有效，為“0”表示相應(yīng)運動方向無效。bitup和bitdown，bitleft和bitright不能同時有效，最先檢測到黑色軌跡傳感器則設(shè)定該方向的運動方向標(biāo)志位為“1”，當(dāng)中心傳感器e脫離了軌跡，并且該方向的方向傳感器也為無效時，清除該方向的運動標(biāo)志位。 判斷規(guī)則：a.連續(xù)軌跡判定：將傳感器探頭放在軌跡開始位置，保證中心傳感器和一方向傳感器在軌跡上。開始跟蹤，系統(tǒng)檢測五只傳感器的狀態(tài)，根據(jù)上述方法設(shè)置bitup和 bitdown，bitleft和bitright方向標(biāo)志，然后沿該方向運動一步（物體運動一步是指物體移動0.1cm，以下相同），同時再檢測該方向的方向傳感器，是否仍然為有效，若有效將繼續(xù)沿該方向運動一步，再檢測e傳感器，若中心傳感器e的檢測狀態(tài)為0，判斷方向傳感器的檢測狀態(tài)也為0時，原方向退回二步（因為軌跡的寬度為1.7, 傳感器之間的距離為1.5 cm），并清除該方向標(biāo)志位。否則，繼續(xù)上述過程。 b.間斷軌跡判定：當(dāng)中心傳感器e狀態(tài)為“0”，而某一方向傳感器的狀態(tài)為“1”時，說明物體正處在間斷軌跡上，這時繼續(xù)向此方向走動12步（1.2 cm，大于間斷曲線之間的距離1 cm），若中心傳感器的檢測狀態(tài)為“1”則根據(jù)上述方法判定軌跡形態(tài)，繼續(xù)跟蹤；若不能檢測到任何狀態(tài)，當(dāng)所有方向傳感器都檢測不到任何有效信息時，判斷軌跡跟蹤結(jié)束。2.2.3 供電部分的設(shè)計電源模塊電源模塊的電路圖如圖2.7所示：系統(tǒng)通電后，交流電壓220v經(jīng)過變壓器變換成交流電壓14v，經(jīng)過整流，濾波，可調(diào)式三端穩(wěn)壓器lm317和三端穩(wěn)壓器7805分別得到12v和 5v的穩(wěn)定電壓。lm317系列穩(wěn)壓器能在輸出電壓為1.2537v的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，其芯片內(nèi)也有過流、過熱和安全工作區(qū)保護。最大輸出電流為1.5a。輸出電壓uo的表達式為： uo=1.25（1+rp1/r1）式中，r1=100，輸出端與調(diào)整端壓差為穩(wěn)壓器的基準(zhǔn)電壓（典型值為1.25v），uo=12v,rp1=(12/1.25-1)*r1=860,取rp1為一個5.1k的電位器。 圖2.7系統(tǒng)電源電路圖3.軟件設(shè)計系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用高級語言，c語言編寫的，對單片機編程實現(xiàn)各項功能，程序是在windows 2000環(huán)境下采用 keil uvision 2軟件編寫的，可以實現(xiàn)單片機對紅外傳感器的查詢、電機方向的確定等功能。電動機電動機l1 l2圖3.1 整體框架原點80cm15 cm15cm15cm100cm 15cm 如圖3.1所示，建立數(shù)學(xué)模型： l1= l2= (0=x=80cm;0=y=x0&y1=y0fmx0&y1y0x1y0x1x0&y1y0x0+=1fm=0fm=0fm=0?-y走步+x走步f=f-2y+