階梯攀爬機(jī)器人

1、階梯攀爬智能機(jī)器人 -自動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師：楊 萍 李翠明 許軍山主 講：梁俊峰 成 員：常 明 黃志發(fā) 蘇軍昌2013年6月設(shè)計(jì)內(nèi)容一、階梯攀爬機(jī)器人簡(jiǎn)介二、機(jī)械部分介紹 變形輪、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)系統(tǒng)、 重心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、 底盤。三、機(jī)器人電路硬件設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、主控芯片、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、 電源、舵機(jī)。四、機(jī)器人軟件設(shè)計(jì) 超聲波測(cè)距程序、系統(tǒng)初始化程序、 電機(jī)舵機(jī)控制程序。 階梯攀爬智能機(jī)器人簡(jiǎn)介 機(jī)器人三維效果圖 階階梯攀爬智能機(jī)器人是一種梯攀爬智能機(jī)器人是一種可以在陸地和階梯間任意前行可以在陸地和階梯間任意前行的機(jī)器人。的機(jī)器人。攀爬機(jī)器人主要由主控電路板、電機(jī)驅(qū)動(dòng)板、超板、電機(jī)驅(qū)動(dòng)板、

2、超聲波測(cè)距模塊、變形輪、轉(zhuǎn)向聲波測(cè)距模塊、變形輪、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、底板以及重心轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)、底板以及重心轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)組成。在平路上變形輪以不變組成。在平路上變形輪以不變形的狀態(tài)像汽車一樣可以在平形的狀態(tài)像汽車一樣可以在平路上以一定速度前行，在前行路上以一定速度前行，在前行的過(guò)程中的過(guò)程中四個(gè)超聲波傳感器檢四個(gè)超聲波傳感器檢測(cè)障礙物，四個(gè)傳感器測(cè)得的測(cè)障礙物，四個(gè)傳感器測(cè)得的距離經(jīng)程序處理后來(lái)控制機(jī)器距離經(jīng)程序處理后來(lái)控制機(jī)器人該執(zhí)行相應(yīng)的程序人該執(zhí)行相應(yīng)的程序。在遇到。在遇到障礙物的時(shí)候，由舵機(jī)控制轉(zhuǎn)障礙物的時(shí)候，由舵機(jī)控制轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)或者變形輪上的舵機(jī)動(dòng)向機(jī)構(gòu)或者變形輪上的舵機(jī)動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人繞過(guò)障礙物

3、作，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人繞過(guò)障礙物或者是越過(guò)障礙物?；蛘呤窃竭^(guò)障礙物。 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)：變形輪的設(shè)計(jì)。主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)：變形輪的設(shè)計(jì)。 一、階梯攀爬機(jī)器人簡(jiǎn)介機(jī)器人實(shí)物圖 一、機(jī)械部分 1、特色創(chuàng)新設(shè)計(jì)-變形輪 樓梯攀爬智能機(jī)器人的主要?jiǎng)?chuàng)新機(jī)構(gòu)是變形輪的設(shè)計(jì)，當(dāng)車體在平地運(yùn)行時(shí)，車輪為圓形輪轂式，通過(guò)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)使機(jī)器人前進(jìn)或停止或后退，當(dāng)超聲波模塊檢測(cè)到到達(dá)階梯時(shí)，機(jī)器人停止前進(jìn)，單片機(jī)控制舵機(jī)使變形輪變形為三角形，接著機(jī)器人開始攀爬樓梯。通過(guò)實(shí)驗(yàn)計(jì)算，在此形狀運(yùn)行下車輪攀爬效果明顯，所需要的驅(qū)動(dòng)力小。 正常狀態(tài)變形狀態(tài) 安裝在內(nèi)盤上的舵機(jī)通過(guò)控制轉(zhuǎn)動(dòng)軸，將舵機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角度值傳遞給變形輪的輪轂，以實(shí)現(xiàn)用單片機(jī)控制

4、舵機(jī)角度來(lái)控制變形輪的變形與恢復(fù)。2、 變形輪變形機(jī)構(gòu)變形機(jī)構(gòu)三維圖變形機(jī)構(gòu)原理圖變形輪實(shí)物 重心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是一個(gè)多桿機(jī)構(gòu)，單片機(jī)通過(guò)控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)連桿擺動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)重心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)整車的重心位置，從而達(dá)到機(jī)器人在攀爬階梯的時(shí)候重心靠前。3、特色創(chuàng)新設(shè)計(jì)-重心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)重心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)三維效果圖重心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)實(shí)物圖 安裝在底盤上的舵機(jī)與連桿相連，控制平行四邊形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，單片機(jī)控制舵機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)向右轉(zhuǎn)，舵機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)向左轉(zhuǎn)。4、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)三維效果圖轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)實(shí)物圖 直流減速電機(jī)經(jīng)過(guò)一級(jí)減速箱雙向輸出給傳動(dòng)軸，前后兩根傳動(dòng)軸將動(dòng)力傳送給前后橋差速器，

5、差速器經(jīng)減速后輸出給輪子上的輸出軸以驅(qū)動(dòng)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)。創(chuàng)新點(diǎn)：通過(guò)電磁離合器的作用實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)兩驅(qū)變四驅(qū)。5、傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)系統(tǒng)三維效果圖 直流減速電機(jī)經(jīng)過(guò)減速比2.8的減速箱減速后雙向輸出給前后兩個(gè)傳動(dòng)軸。5、1一級(jí)減速箱一級(jí)減速箱三維效果圖一級(jí)減速箱實(shí)物圖 汽車在拐彎時(shí)車輪的軌線是圓弧，如果汽車向左轉(zhuǎn)彎，圓弧的中心點(diǎn)在左側(cè)，在相同的時(shí)間里，右側(cè)輪子走的弧線比左側(cè)輪子長(zhǎng)，為了平衡這個(gè)差異，就要左邊輪子慢一點(diǎn)，右邊輪子快一點(diǎn)，用不同的轉(zhuǎn)速來(lái)彌補(bǔ)距離的差異。 減速電機(jī)的轉(zhuǎn)速經(jīng)前傳動(dòng)軸傳送掃差速器的輸入軸，經(jīng)傘齒和行星輪系減速后輸出到輸出軸。5.2前后橋差速器差速器三維效果圖 底盤作用是支承、安裝汽車發(fā)動(dòng)機(jī)

6、及其各部件、總成，形成汽車的整體造型，并接受發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力，使汽車產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，保證正常行駛 6、底盤底盤三維效果圖三、電路部分1、特色創(chuàng)新設(shè)計(jì)-控制系統(tǒng)方案原理圖2、主控芯片 MC9S12XS128是16位單片機(jī)，由16位中央處理單元（CPU12X）、128KB程序Flash(P-lash)、8KB RAM、8KB數(shù)據(jù)Flash(D-lash)組成片內(nèi)存儲(chǔ)器。 主要功能模包括：內(nèi)部存儲(chǔ)器、內(nèi)部PLL鎖相環(huán)模塊、2個(gè)異步串口通訊SCI 、1個(gè)串行外設(shè)接口SPI 、MSCAN 模塊、1個(gè)8通道輸入/輸出比較定時(shí)器模塊TIM 、周期中斷定時(shí)器模塊PIT、 16通道A/D轉(zhuǎn)換模塊ADC 、1個(gè)8通道脈沖寬

7、度調(diào)制模塊PWM 、輸入/輸出數(shù)字I/O口XS128最小系統(tǒng) BTS7960的芯片內(nèi)部為一個(gè)半H橋，INH引腳為高電平，使能BTS7960.IN引腳確定那個(gè)MODFET導(dǎo)通，IN=1，INH=1時(shí)，高邊MOSFET導(dǎo)通，OUT引腳輸出高電平，IN=0，INH=1時(shí)，低邊MOSFET導(dǎo)通，OUT引腳輸出低電平，SR引腳外接電阻的大小，可以調(diào)節(jié)MOS管導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間，具有防電磁干擾的功能，IS引腳是電流檢測(cè)輸出引腳。PP4=1，PP5=0電機(jī)正轉(zhuǎn)，PP4=0，PP5=1電機(jī)反轉(zhuǎn)。3、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)物圖電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖4、超聲波模塊 HC-SR04超聲波測(cè)距模塊可提供2cm-400cm的非接

8、觸式距離感測(cè)功能，測(cè)距精度可達(dá)高到3mm；模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。HC-SR04實(shí)物圖HC-SR04原理圖5、穩(wěn)壓模塊 LM2596開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器是降壓型電源管理單片集成電路，能夠輸出3A的驅(qū)動(dòng)電流，同時(shí)具有很好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性。在特定的輸入電壓和輸出負(fù)載的條件下，輸出電壓的誤差可以保證在4%的范圍內(nèi)，振蕩頻率誤差在15%的范圍內(nèi)。穩(wěn)壓模塊實(shí)物圖穩(wěn)壓模塊原理圖6、舵機(jī)控制電路 舵機(jī)常用的控制信號(hào)是一個(gè)周期為20毫秒左右，寬度為1毫秒到2毫秒的脈沖信號(hào)。當(dāng)舵機(jī)收到該信號(hào)后，會(huì)馬上激發(fā)出一個(gè)與之相同的，寬度為1.5毫秒的負(fù)向標(biāo)準(zhǔn)的中位脈沖。之后二個(gè)脈沖在一個(gè)加法器中進(jìn)行相加得到

9、了所謂的差值脈沖。輸入信號(hào)脈沖如果寬于負(fù)向的標(biāo)準(zhǔn)脈沖，得到的就是正的差值脈沖。如果輸入脈沖比標(biāo)準(zhǔn)脈沖窄，相加后得到的肯定是負(fù)的脈沖。此差值脈沖放大后就是驅(qū)動(dòng)舵機(jī)正反轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力信號(hào)。舵機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)齒輪組減速后，同時(shí)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤和標(biāo)準(zhǔn)脈沖寬度調(diào)節(jié)電位器轉(zhuǎn)動(dòng)。直到標(biāo)準(zhǔn)脈沖與輸入脈沖寬度完全相同時(shí)，差值脈沖消失時(shí)才會(huì)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。舵機(jī)原理圖SR-811舵機(jī) 四、軟件部分1、超聲波測(cè)距時(shí)序圖 (1)采用IO口TRIG觸發(fā)測(cè)距，給最少10us的高電平信呈。 (2)模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40khz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回； (3)有信號(hào)返回，通過(guò)IO口ECHO輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到

10、返回的時(shí)間。測(cè)試距離=(高電平時(shí)間*聲速(340M/S)/2。超聲波時(shí)序圖while(1) if(PORTA_PA1 = 0) break; /等待 if(Time1 = 5000) Error_Flag1 = 1;return 0; /超時(shí) DisableInterrupts /關(guān)中斷 Length1 = (float)(175*Time1)/100.0); /測(cè)得距離340m/s * T，2、超聲波測(cè)距程序 PORTA_PA0 = 1;/給控制端高電平 delay(10); /高電平保持10us PORTA_PA0 = 0;/控制端拉低 while(1) if(PORTA_PA1 = 1)

11、 break; /等待 if(PORTA_PA1 = 0) Count1+; if(Count1 = 400)Error_Flag1 = 1;return 0; Time1 = 0; PITCFLMT_PITE=1; /定時(shí)器使能 PITCE_PCE0=1; /定時(shí)器0使能 PITINTE_PINTE0=1; /定時(shí)器中斷0使能 EnableInterrupts /開中斷 3、PLL系統(tǒng)時(shí)鐘初始化void PLL_Init(void) CLKSEL = 0X00;/disengage PLL to system PLLCTL_PLLON = 1; /turn on PLL SYNR =0 xc

12、0 | 0 x02; REFDV=0 xc0 | 0 x01; POSTDIV=0 x00; /pllclock=2*osc*(1+SYNR)/(1+REFDV)=48MHz;24m _asm(nop); /BUS CLOCK=24M T =41.66ns _asm(nop); while(!(CRGFLG_LOCK = 1); /when pll is steady ,then use it; CLKSEL_PLLSEL = 1; /engage PLL to system; 3、PWM初始化流程圖/*/ /通道1初始化 PWMCLK_PCLK1=1;/選擇時(shí)鐘SA PWMPOL_PPOL1

13、=1;/初始電平為高 PWMCAE_CAE1=0; /左對(duì)齊輸出 PWMPER1=200;/輸出周期50HZ=SA/200 PWMDTY1=14;/舵機(jī)靜止占空比為7.5%=15/200 PWMCNT1=0;/計(jì)數(shù)器清零 PWME_PWME1=1;/通道1使能/*/4、PWM初始化程序void PWM_Init(void) PWME=0 x00;/禁止通道 PWMPRCLK=0 x33;/A=B=24/8=3MHZ PWMSCLA=150;/SA=A/2/150=10kHZPWMSCLB=150;/SB=B/2/150=10kHZ/*/ PWMCTL_CON01=0;/01不級(jí)聯(lián) /通道0初始

14、化 PWMCLK_PCLK0=1;/選擇時(shí)鐘SA PWMPOL_PPOL0=1;/初始電平為高 PWMCAE_CAE0=0; /左對(duì)齊輸出 PWMPER0=200;/輸出周期50HZ=SA/200 PWMDTY0=12;/舵機(jī)靜止占空比7.5%=15/200 PWMCNT0=0;/計(jì)數(shù)器清零 PWME_PWME0=1;/通道0使能/*/ 電機(jī)控制程序 PWMCTL_CON45=0;/45不級(jí)聯(lián) /通道4初始化 PWMCLK_PCLK4=1;/選擇時(shí)鐘SA PWMPOL_PPOL4=1;/初始電平為高 PWMCAE_CAE4=0; /左對(duì)齊輸出 PWMPER4=3;/輸出周期20kHZ=SA/1

15、 PWMDTY4=0;/ PWMCNT4=0;/計(jì)數(shù)器清零 PWME_PWME4=1;/通道4使能/*/ /通道5初始化 PWMCLK_PCLK5=1;/選擇時(shí)鐘A PWMPOL_PPOL5=1;/初始電平為高 PWMCAE_CAE5=0; /左對(duì)齊輸出 PWMPER5=3;/輸出周期20kHZ=SA/1 PWMDTY5=0;/電機(jī)靜止占空比為0 PWMCNT5=0;/計(jì)數(shù)器清零 PWME_PWME5=1;/通道5使能void DCMotor(int c,int d )/電機(jī)控制 (3,0)反轉(zhuǎn),(0,3)正轉(zhuǎn) PWMDTY4=c; PWMDTY5=d; 5、電機(jī)與舵機(jī)控制程序七、舵機(jī)控制程序void deform() int m; for(m=0;m26;m+) PWMDTY2=deform_tablem; Delay(); if(PWMDTY2=25) break ; void regain() int m,n; for(n=0;n26;n+) PWMDTY2= regain_