哈工大自動控制元件課程設(shè)計(jì) 撿乒乓球機(jī)器人小車

1、撿乒乓球機(jī)器人小車 Harbin Institute of Technology課程設(shè)計(jì)論文課程名稱：自動控制元件及線路設(shè)計(jì)題目：撿乒乓球機(jī)器人小車的設(shè)計(jì)院系：航天學(xué)院控制科學(xué)與工程系班級： 1304105班設(shè)計(jì)者： 楊明陽 1130410501徐云飛 1130410502姚晨蔚 1130410516指導(dǎo)教師：馬廣程設(shè)計(jì)時間：2016年3-5月?lián)炱古仪驒C(jī)器人小車摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，越來越多的科技被應(yīng)用在了生活的方方面面。當(dāng)然也包括運(yùn)動賽場上，幫助選手以及裁判解決一部分的麻煩，使得比賽進(jìn)行的更加流暢。這里為解決乒乓球比賽上乒乓球的撿取問題，設(shè)計(jì)了一種以單片機(jī)作為主控制器的自動撿球機(jī)器人

2、。該撿球機(jī)器人采用風(fēng)扇產(chǎn)生的吸力來實(shí)現(xiàn)撿球；利用超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)對乒乓球的自動識別；通過紅外傳感器監(jiān)測周圍環(huán)境，實(shí)現(xiàn)自動避障。本系統(tǒng)會在裁判對每一個球做出判決后開始工作，先按照預(yù)定路線繞場地前進(jìn)，同時在行進(jìn)過程中利用傳感器尋找掉落的小球。當(dāng)找到目標(biāo)并確認(rèn)后，改變預(yù)定路線轉(zhuǎn)而向目標(biāo)前進(jìn)，最終撿起乒乓球，之后再回到原點(diǎn)。完成撿球功能，保證比賽的連續(xù)性。關(guān)鍵詞：撿乒乓球機(jī)器人 超聲波傳感器 紅外傳感器 過程控制 目錄1.功能設(shè)計(jì)-42.系統(tǒng)的性能指標(biāo)和技術(shù)要求-43.背景及意義-44.系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)方案-54.1 預(yù)定路線前進(jìn)-64.2 目標(biāo)尋找-74.3 撿起目標(biāo)乒乓球-94.4 判斷乒乓球

3、是否撿起-94.5 繞開障礙-94.6 返回原點(diǎn)-105.執(zhí)行元件-10 5.1 行進(jìn)電機(jī)的選擇-10 5.1.1 直流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)-10 5.1.2 直流伺服電機(jī)驅(qū)動原理-11 5.1.3 直流伺服電機(jī)的分類及特點(diǎn)-11 5.1.4 指標(biāo)的計(jì)算和直流伺服電機(jī)的選擇-12 5.1.5 直流伺服電機(jī)調(diào)速-15 5.1.5.1 直流伺服電機(jī)調(diào)速原理-15 5.1.5.2 直流速度控制方式-15 5.2 撿球裝置的選擇-22 5.2.1 撿球原理級實(shí)現(xiàn)-23 5.2.2 吸球管設(shè)計(jì)-24 6.測量元件-26 6.1 測速傳感器的選取-26 6.1.1 三種傳感器的對比分析-26 6.1.2 對光電編

4、碼器的論證分析和選取-28 6.2 位置和避障傳感器的選取-34 6.2.1 常用傳感器及特點(diǎn)-34 6.2.2 根據(jù)超聲傳感器實(shí)現(xiàn)定位和物體識別-36 6.2.3 根據(jù)紅外感器實(shí)現(xiàn)障礙躲避-41 6.3 根據(jù)紅外傳感器實(shí)現(xiàn)撿球信號的反饋-44 6.4 傳感器設(shè)計(jì)中的缺陷及可改進(jìn)的地方-45 6.4.1 傳感器設(shè)計(jì)中的缺陷-45 6.4.2 傳感器設(shè)計(jì)中可改進(jìn)的部分-457.單片機(jī)-467.1 常用單片機(jī)-467.2 單片機(jī)選型-477.3 所選單片機(jī)特點(diǎn)及可行性-478.系統(tǒng)硬件清單-489.自評-48 9.1 優(yōu)點(diǎn)-48 9.2 缺點(diǎn)以及不足-4910.分工-4911.心得體會-50參考文

5、獻(xiàn)-50一、功能設(shè)計(jì)1.裁判做出判決后自行定位乒乓球掉落位置2.迅速移動至掉落乒乓球所在位置3.撿起乒乓球，并回到起點(diǎn)4.行進(jìn)過程中躲避場地選手以及其他人員或障礙5.利用尺寸確認(rèn)目標(biāo)乒乓球二、系統(tǒng)的性能指標(biāo)和技術(shù)要求1.機(jī)器人移動至乒乓球頂點(diǎn)位置精度±3cm2.機(jī)器人移動速度2 m/s3.緊急剎車時間0.3s4.總撿球時間21s5.判斷乒乓球是否撿起6.能夠辨認(rèn)出乒乓球和障礙物三、背景及意義隨著人們對機(jī)器人技術(shù)智能化本質(zhì)認(rèn)識的加深，機(jī)器人技術(shù)開始源源不斷地向人類活動的各個領(lǐng)域滲透。在這其中，服務(wù)機(jī)器人作為一個重要分支，在國內(nèi)外研究領(lǐng)域已經(jīng)得到普遍重視。服務(wù)機(jī)器人的應(yīng)用范圍很廣，主要從

6、事維護(hù)保養(yǎng)、修理、運(yùn)輸、清洗、保安、救援、監(jiān)護(hù)等工作。文中所述的撿乒乓球機(jī)器人，正是一種應(yīng)用于乒乓球體育賽事的自主式移動的服務(wù)機(jī)器人。在乒乓球室里，由于比賽時，每打完一個球就必須要求有人轉(zhuǎn)身去撿掉落的乒乓球。如果由選手來撿球，將會壓縮選手短暫的暫歇時間，影響比賽連續(xù)性、流暢性。因此，如果能有一種撿球機(jī)器人應(yīng)用于乒乓球賽場上里，且能迅速找到球的位置并能夠?qū)崿F(xiàn)自動撿球的功能，將可以幫助選手減輕比賽壓力（尤其在比較焦灼的對抗中）。目前已有的乒乓球撿球機(jī)器人種類較少，且撿球動作的實(shí)現(xiàn)主要是通過機(jī)械手等機(jī)械裝置來撿球。這些撿球裝置多因?yàn)闄C(jī)械機(jī)構(gòu)的限制，對于位于墻角處和藏于障礙物之間的乒乓球不能有效撿取，

7、因而只適用于障礙物較少且遠(yuǎn)離墻壁的乒乓球的撿取。四、系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)方案對外部環(huán)境的分析：（1）乒乓球乒乓球的質(zhì)量在2.7克左右一般比賽用球?yàn)辄S、白色球。所選用的材質(zhì)為塑料。（2）比賽場地圖4-a 場地尺寸示意圖場地示意圖如下：本系統(tǒng)主要由測量元件、執(zhí)行元件、功率放大元件、主控電路、調(diào)節(jié)裝置構(gòu)成。整體系統(tǒng)由六個功能環(huán)節(jié)組成，分別為按預(yù)定路線巡邏、檢測乒乓球位置、到達(dá)乒乓球位置、撿起乒乓球、回到原點(diǎn)以及期間規(guī)避障礙。圖4-b 驅(qū)動電機(jī)位置示意圖每個過程均有其獨(dú)立的閉環(huán)或開環(huán)控制子系統(tǒng)，其流程如下：4.1 預(yù)定路線前進(jìn)此模塊屬于開環(huán)系統(tǒng)，將固定的前進(jìn)方向控制信號儲存在控制器內(nèi)，若無目標(biāo)尋找中斷

8、或者障礙中斷，驅(qū)動電機(jī)和方向控制電機(jī)將一直執(zhí)行，最后返回原點(diǎn)。因?yàn)橄到y(tǒng)檢測自身位置成本較大（至少需要增加傳感器，如果沒有參照信號源需要通過大量計(jì)算來得出當(dāng)前位置，會占用較多的CPU），另外巡邏過程中只要傳感器的監(jiān)控范圍能足夠覆蓋球場，可以無視小車前進(jìn)過程中的干擾誤差，而控制信號結(jié)束后，若沒有到達(dá)原點(diǎn)，則可以執(zhí)行返回原點(diǎn)的閉環(huán)控制。賽場球桌小車圖4-1-1 大致巡邏路線實(shí)現(xiàn)此功能，是將控制小車的兩個驅(qū)動電機(jī)按固定路線、以設(shè)定速度跑完全程時電機(jī)所需的控制信號和時間的函數(shù)編寫出來（例如圖4.1.2），儲存到單片機(jī)內(nèi)，當(dāng)執(zhí)行此功能時，只要調(diào)取儲存的控制信號并輸出即可。（圖4.1.2僅供參考，事實(shí)上控制

9、信號為數(shù)字信號，由于函數(shù)編寫過程太過復(fù)雜，此處略過。）Utt電機(jī)A1電機(jī)A2圖4-1-2 控制信號示意函數(shù)4.2 目標(biāo)尋找在預(yù)定路線的行進(jìn)過程中，兩個裝在小車底部兩頭的超聲波傳感器將一直搜索目標(biāo)位置，圖4.2.1。發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后，兩傳感器信號對比，可得目標(biāo)準(zhǔn)確方向，圖4.2.2，再控制方向電機(jī)使小車面向目標(biāo)前進(jìn)。賽場球桌小車圖4-2-1 檢測范圍示意圖乒乓球距離a1距離a2小車圖4-2-2目標(biāo)位置確定在發(fā)現(xiàn)乒乓球并向目標(biāo)前進(jìn)過程中，根據(jù)傳感器反饋得到的離目標(biāo)距離來控制小車是否開始減速。使得小車能夠恰好停在目標(biāo)位置（方便下一步撿球）。之后再啟動撿球電機(jī)撿起小球。輸入a1，a2控制系統(tǒng)W2輸出c1，c

10、2圖4-2-3控制系統(tǒng)的輸入輸出如圖4.2.3所示，該子控制系統(tǒng)中，以傳感器A1，A2的距離信號a1，a2為輸入，以控制電機(jī)C1，C2的電信號c1，c2為輸出。4.3 撿起目標(biāo)乒乓球乒乓球的直徑為40mm，質(zhì)量為2.7g，具有體積小、質(zhì)量輕的特點(diǎn)，特別適合吸力裝置吸取。風(fēng)扇在轉(zhuǎn)動時，抽風(fēng)的一端會形成負(fù)壓；如果將一個管道與風(fēng)扇的抽風(fēng)面相連接，則在風(fēng)扇的作用下，管道內(nèi)的氣壓將小于管道外的大氣壓，管道口附近的物體將在壓力差的作用下被吸進(jìn)管道里。因此，若采用由強(qiáng)力風(fēng)扇與一個兩端開口的管道組成的吸球管，乒乓球就可以順利被吸取。而如果采用機(jī)械臂類的抓取方案時，對小車的位置控制精度將會更高，而且受到的干擾較

11、大（小車靠近乒乓球時，所帶起的空氣流動可能會吹動乒乓球，產(chǎn)生干擾）。本系統(tǒng)采用的風(fēng)扇抽氣方案則可以很大程度上得緩解這一干擾。4.4 判斷乒乓球是否撿起由于本系統(tǒng)應(yīng)用在正式比賽的條件下，場地干凈，無類乒乓球形雜物，故只需在抽風(fēng)管道中添加一個紅外光電門，光電門被阻擋即可視為乒乓球被撿起。4.5 繞開障礙在系統(tǒng)運(yùn)行過程中時，另一個較高的紅外傳感器檢測小車面前是否有障礙阻擋。若有，則減速并在安全距離外繞開障礙繼續(xù)之前的前進(jìn)任務(wù)。此處由于本系統(tǒng)無法檢測自身所在位置，所以在閉環(huán)控制后無法檢測自身與預(yù)定路線的誤差（此處指撿起乒乓球前需要按預(yù)定路線巡邏時先遇到障礙），無法繼續(xù)按預(yù)定路線前進(jìn)。故此處問題處理同4

12、.1，可以做一個開環(huán)系統(tǒng)。鑒于實(shí)際比賽場地中并沒有那么多種類的障礙（本系統(tǒng)中將障礙理想化為只有球桌腿和選手的腿部），因此將繞開障礙的控制做成一個開環(huán)系統(tǒng)，其控制信號按最粗的障礙設(shè)計(jì)，一致按相同地繞行半徑繞開障礙。（下圖僅供參考，事實(shí)上控制信號為數(shù)字信號，由于函數(shù)編寫過程太過復(fù)雜，此處略過。）障礙距離a1距離a2小車Utt電機(jī)A1電機(jī)A2圖4-5-1障礙位置確定圖4-5-2 控制信號示意函數(shù)4.6 返回原點(diǎn)為了能夠精確地回到原點(diǎn)，有必要在原點(diǎn)設(shè)置參照信號源。在小車撿起小球或者巡邏完畢后，將以原點(diǎn)為目標(biāo)前進(jìn)，控制過程同4.2。輸入a1，a2控制系統(tǒng)W6輸出c1，c2圖4-6-1控制系統(tǒng)的輸入輸出五

13、、執(zhí)行元件5.1乒乓球撿球機(jī)器人行進(jìn)電機(jī)的選擇結(jié)合供電以及成本等方面的考慮，行進(jìn)過程中的電機(jī)在直流伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)中選擇，由于需要閉環(huán)控制，并且需要可靠性較高，啟動轉(zhuǎn)矩較大等，因此直流伺服電機(jī)是最佳選擇。5.1.1直流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)直流伺服電機(jī)，它包括定子、轉(zhuǎn)子鐵芯、電機(jī)轉(zhuǎn)軸、伺服電機(jī)繞組換向器、伺服電機(jī)繞組、測速電機(jī)繞組、測速電機(jī)換向器，所述的轉(zhuǎn)子鐵芯由矽鋼沖片疊壓固定在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上構(gòu)成。 圖5-1-1 直流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)5.1.2直流伺服電機(jī)的驅(qū)動原理伺服主要靠脈沖來定位，基本上可以這樣理解，伺服電機(jī)接收到1個脈沖，就會旋轉(zhuǎn)1個脈沖對應(yīng)的角度，從而實(shí)現(xiàn)位移，因?yàn)?，伺服電機(jī)本身具備發(fā)出脈沖的功能

14、，所以伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個角度，都會發(fā)出對應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣，和伺服電機(jī)接受的脈沖形成了呼應(yīng)，或者叫閉環(huán)，如此一來，系統(tǒng)就會知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機(jī)，同時又收了多少脈沖回來，這樣，就能夠很精確的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)精確的定位，可以達(dá)到0.001mm。直流伺服電機(jī)特指直流有刷伺服電機(jī)電機(jī)成本高結(jié)構(gòu)復(fù)雜，啟動轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，控制容易，需要維護(hù)，但維護(hù)方便（換碳刷），會產(chǎn)生電磁干擾，對環(huán)境有要求。因此它可以用于對成本敏感的普通工業(yè)和民用場合。5.1.3直流伺服電機(jī)的分類及特點(diǎn)1分類常用的直流電機(jī)有：永磁式直流電機(jī)（有槽、無槽、杯型、印刷繞組）、勵磁式直流電機(jī)、混合式直流電機(jī)、無刷直流電機(jī)、直

15、流力矩電機(jī)。直流進(jìn)給伺服系統(tǒng)：永磁式直流電機(jī)類型中的有槽電樞永磁直流電機(jī)（普通型）。直流主軸伺服系統(tǒng)：勵磁式直流電機(jī)類型中的他激直流電機(jī)。2永磁直流伺服電機(jī)的性能特點(diǎn)1）低轉(zhuǎn)速大慣量2）轉(zhuǎn)矩大3）起動力矩大4）調(diào)速泛圍大，低速運(yùn)行平穩(wěn)，力矩波動小5.1.4指標(biāo)的計(jì)算和直流伺服電機(jī)的選擇指標(biāo)名稱指標(biāo)估計(jì)值指標(biāo)名稱指標(biāo)估計(jì)值機(jī)器人質(zhì)量2.5kg場地大小7m×14m行進(jìn)速度2m/s加速度0.5m/s2滑動摩擦系數(shù)0.600.90滾動摩擦系數(shù)0.010.03車輪質(zhì)量0.3kg車輪半徑6cm表5-1-1 直流伺服電機(jī)性能指標(biāo)要求直流伺服電機(jī)功率公式：P=260nT（5-1-1）車輪轉(zhuǎn)速推導(dǎo)：

16、v=R（5-1-2）n=602（5-1-3）n=602vR（5-1-4）每個車輪滾動摩擦力阻力力矩推導(dǎo)：Tf=FR（5-1-5）F=mg（5-1-6）Tf=mgR（5-1-7）車輪轉(zhuǎn)速以及每個車輪摩擦阻力力矩：n=320r/min（5-1-8）Tf=0.045Nm（5-1-9）因齒輪組兩側(cè)力矩相同，因此在只考慮外部阻力矩時，由于共有四個輪子和兩個直流伺服電機(jī)，在勻速行進(jìn)時每個電機(jī)需要產(chǎn)生的機(jī)械轉(zhuǎn)矩為：T1=2Tf=0.09Nm（5-1-10）若考慮小車內(nèi)部的摩擦阻力轉(zhuǎn)矩，假設(shè)內(nèi)部摩擦阻力轉(zhuǎn)矩：T2=0.03Nm得到點(diǎn)擊所需要的額定轉(zhuǎn)矩：T=T1+T2=0.12Nm（5-1-11）留出余量，取額

17、定轉(zhuǎn)矩T=0.15Nm選取電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為：n=3000r/min那么得到額定功率為：P=47w結(jié)合以上計(jì)算，我們選取瑞士瑞諾集團(tuán)的小型直流伺服電機(jī) CML-50，其參數(shù)如下圖所示（其額定轉(zhuǎn)速3000r/min，額定轉(zhuǎn)矩0.15N·m，額定功率47w，與所需直流伺服電機(jī)指標(biāo)幾乎一致）：圖5-1-2 直流伺服電機(jī)實(shí)物圖及特點(diǎn) 圖5-1-3 直流伺服電機(jī)技術(shù)參數(shù)圖5-1-4 直流伺服電機(jī)剖面圖圖5-1-5 直流伺服電機(jī)特性曲線圖為了降低調(diào)速難度，因此我們決定在電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速和車輪之間采用齒輪組以1：5的比例使得電機(jī)轉(zhuǎn)速與車輪轉(zhuǎn)速的比例為5：1。5.1.5直流伺服電機(jī)調(diào)速由于電機(jī)額定轉(zhuǎn)速與實(shí)際

18、所需轉(zhuǎn)速有所差距，同時，在機(jī)器人轉(zhuǎn)向時需要控制兩個伺服電機(jī)一個正轉(zhuǎn)、一個反轉(zhuǎn)，因此需要采用調(diào)速系統(tǒng)。5.1.5.1直流伺服電機(jī)的調(diào)速原理根據(jù)機(jī)械特性公式可知調(diào)速有二種方法:電樞電壓Ua和氣隙磁通。1電樞控制（改變電樞外加電壓Ua）：由于繞組絕緣耐壓的限制，調(diào)壓只能在額定轉(zhuǎn)速以下進(jìn)行。n=UaCe-RaTceCeCT2=n0-n（5-1-12）2磁場控制（改變氣隙磁通量）：改激磁電流即可改，在Ua恒定情況下，磁場接近飽和，故只能弱磁調(diào)速，在額定轉(zhuǎn)速以上進(jìn)行。3改變電樞回路電阻Ra：要在電樞回路中串聯(lián)一個電阻Rs，這個電阻稱為調(diào)節(jié)電阻。改變Rs大小，也就改變了電樞回路總電阻Ra+Rs。n=UaCe

19、-(Ra+Rs)TceCeCT2=n0-n（5-1-13）5.1.5.2直流速度控制方式（a）晶閘管（可控硅）調(diào)速系統(tǒng)（b）晶體管脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速系統(tǒng)a.晶閘管調(diào)速系統(tǒng)1系統(tǒng)的組成1）控制回路：速度環(huán)、電流環(huán)、觸發(fā)脈沖發(fā)生器等。速度環(huán)：速度調(diào)節(jié)（PI），作用：獲得好的靜態(tài)、動態(tài)特性。電流環(huán)：電流調(diào)節(jié)(P或PI)。作用：加快響應(yīng)、啟動、低頻穩(wěn)定等。觸發(fā)脈沖發(fā)生器：產(chǎn)生移相脈沖，使可控硅觸發(fā)角前移或后移。2）主回路：可控硅整流放大器等?？煽毓枵鞣糯笃鳎赫?、放大、驅(qū)動，使電機(jī)轉(zhuǎn)動。圖5-1-6 晶閘管調(diào)速系統(tǒng)組成2主回路工作原理組成：由大功率晶閘管構(gòu)成的三相全控橋式（三相全波）反并接可逆電

20、路，分成二大部分（和），每部分內(nèi)按三相橋式連接，兩組反并接，分別實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。圖5-1-7 主回路工作原理圖原理: 三相整流器，由二個半波整流電路組成。每部分內(nèi)又分成共陰極組（1、3、5）和共陽極組（2、4、6）。為構(gòu)成回路，這二組中必須各有一個可控硅同時導(dǎo)通。1、3、5在正半周導(dǎo)通，2、4、6在負(fù)半周導(dǎo)通。每組內(nèi)（即二相間）觸發(fā)脈沖相位相差120º，每相二個觸發(fā)脈沖相差180º。按管號排列，觸發(fā)脈沖的順序1-2-3-4-5-6，相鄰之間相位差60º。為保證合閘后兩個串聯(lián)可控硅能同時導(dǎo)通，或已截止的相再次導(dǎo)通，采用雙脈沖控制。既每個觸發(fā)脈沖在導(dǎo)通60º

21、后，在補(bǔ)發(fā)一個輔助脈沖；也可以采用寬脈沖控制，寬度大于60º，小于120º。只要改變可控硅觸發(fā)角（即改變導(dǎo)通角），就能改變可控硅的整流輸出電壓，從而改變直流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速：觸發(fā)脈沖提前來，增大整流輸出電壓；觸發(fā)脈沖延后來，減小整流輸出電壓。 圖5-1-8 主回路波形圖 圖5-1-9 控制回路波形圖3控制回路分析觸發(fā)脈沖產(chǎn)生的過程：改變觸發(fā)角，即改變控制角。（可控硅導(dǎo)通時間），可調(diào)速。沒反饋，開環(huán)，特性軟。1）速度調(diào)節(jié)器：比例積分PI，高放大（相當(dāng)C短路）-緩放大-增放大-穩(wěn)定（相當(dāng)C開路）無靜差。2）電流調(diào)節(jié)器:同上，加快電流的反應(yīng)。3）觸發(fā)脈沖發(fā)生器：正弦波同步鋸齒波觸發(fā)

22、電路，與F直流信號疊加。 圖5-1-10 速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器示意圖 圖5-1-11 觸發(fā)脈沖發(fā)生器示意圖4速度控制的原理總結(jié)調(diào)速：當(dāng)給定的指令信號增大時，則有較大的偏差信號加到調(diào)節(jié)器的輸入端，產(chǎn)生前移的觸發(fā)脈沖，可控硅整流器輸出直流電壓提高，電機(jī)轉(zhuǎn)速上升。此時測速反饋信號也增大，與大的速度給定相匹配達(dá)到新的平衡，電機(jī)以較高的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。干擾：假如系統(tǒng)受到外界干擾，如負(fù)載增加，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，速度反饋電壓降低，則速度調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號增大，其輸出信號也增大，經(jīng)電流調(diào)節(jié)器使觸發(fā)脈沖前移，晶閘管整流器輸出電壓升高，使電機(jī)轉(zhuǎn)速恢復(fù)到干擾前的數(shù)值。電網(wǎng)波動：電流調(diào)節(jié)器通過電流反饋信號還起快速的維持和調(diào)

23、節(jié)電流 作用，如電網(wǎng)電壓突然短時下降，整流輸出電壓也隨之降低，在電機(jī)轉(zhuǎn)速由于慣性還未變化之前，首先引起主回路電流的減小，立即使電流調(diào)節(jié)器的輸出增加，觸發(fā)脈沖前移，使整流器輸出電壓恢復(fù)到原來值，從而抑制了主回路電流的變化。啟動、制動、加減速：電流調(diào)節(jié)器還能保證電機(jī)啟動、制動時的大轉(zhuǎn)矩、加減速的良好動態(tài)性能。二、晶體管脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速系統(tǒng)1系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)圖5-1-12 晶體管脈寬調(diào)速系統(tǒng)示意圖 主回路：大功率晶體管開關(guān)放大器；功率整流器。 控制回路：速度調(diào)節(jié)器；電流調(diào)節(jié)器；固定頻率振蕩器及三角波發(fā)生器；脈寬調(diào)制器和基極驅(qū)動電路。區(qū)別：與晶閘管調(diào)速系統(tǒng)比較，速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器原理一樣。不

24、同的是脈寬調(diào)制器和功率放大器。直流脈寬調(diào)制：功率放大器中的大功率晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)下，開關(guān)頻率保持恒定，用調(diào)整開關(guān)周期內(nèi)晶體管導(dǎo)通時間（即改變基極調(diào)制脈沖寬度）的方法來改變輸出。從而使電機(jī)獲得脈寬受調(diào)制脈沖控制的電壓脈沖，由于頻率高及電感的作用則為波動很小的直流電壓（平均電壓）。脈寬的變化使電機(jī)電樞的直流電壓隨著變化。直流脈寬調(diào)調(diào)制的基本原理：圖5-1-13 直流脈寬調(diào)調(diào)制的基本原理示意圖脈沖寬度正比代表速度F值的直流電壓。2脈寬調(diào)制器USr速度指令轉(zhuǎn)化過來的直流電壓U三角波USC脈寬調(diào)制器的輸出（USr+U）圖5-1-14 脈寬調(diào)制器電路圖調(diào)制波形圖：圖5-1-15 調(diào)制波形圖3開關(guān)功率放

25、大器1）電路組成主回路：可逆H型雙極式PWM開關(guān)功率放大器電路圖：由四個大功率晶體管（GTR）T 1、T 2、T 3、T4及四個續(xù)流二極管組成的式電路。H型：又分為雙極式、單極式和受限單極式三種。Ub1、Ub2、Ub3、Ub4為調(diào)制器輸出，經(jīng)脈沖分配、基極驅(qū)動轉(zhuǎn)換過來的脈沖電壓。分別加到T1 、T2、T3 、T4的基極。圖5-1-16 開關(guān)功率放大器電路圖 圖5-1-17 輕載時波形圖 圖5-1-18 重載時波形圖2）工作原理：T1和T4同時導(dǎo)通和關(guān)斷，其基極驅(qū)動電壓Ub1= Ub4。T2和T3同時導(dǎo)通和關(guān)斷，基極驅(qū)動電壓Ub2=Ub3=-Ub1。以正脈沖較寬為例，既正轉(zhuǎn)時。負(fù)載較重時：電動狀

26、態(tài)：當(dāng)0tt1時，Ub1、Ub4為正，T1和T4導(dǎo)通；Ub2、Ub3為負(fù)，T2和T3截止。電機(jī)端電壓UAB=US，電樞電流id= id1，由UST1T4地。續(xù)流維持電動狀態(tài)：在t1tT時，Ub1、Ub4為負(fù)，T1和T4截止；Ub2、Ub3變正，但T2和T3并不能立即導(dǎo)通，因?yàn)樵陔姌须姼袃δ艿淖饔孟?，電樞電流id= id2，由D2D3續(xù)流，在D2、D3上的壓降使T2、T3的c-e極承受反壓不能導(dǎo)通。UAB=-US。接著再變到電動狀態(tài)、續(xù)流維持電動狀態(tài)反復(fù)進(jìn)行，如上面右圖。負(fù)載較輕時： 反接制動狀態(tài)，電流反向：狀態(tài)中，在負(fù)載較輕時，則id小，續(xù)流電流很快衰減到零，即t =t2時（見上面左圖），id

27、=0。在t2T區(qū)段，T2、T3在US和反電動勢E的共同作用下導(dǎo)通，電樞電流反向，id= id3由UST3T2地。電機(jī)處于反接制動狀態(tài)。 電樞電感儲能維持電流反向：在Tt3區(qū)段時，驅(qū)動脈沖極性改變，T2、T3截止，因電樞電感維持電流，id=id4，由D4D1。電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止：由正、負(fù)驅(qū)動電壓脈沖寬窄而定。當(dāng)正脈沖較寬時，既t1> T/2，平均電壓為正，電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)正脈沖較窄時，既t1< T/2，平均電壓為負(fù)，電機(jī)反轉(zhuǎn)；如果正、負(fù)脈沖寬度相等，t1=T/2，平均電壓為零，電機(jī)停轉(zhuǎn)。電機(jī)速度的改變：電樞上的平均電壓UAB越大，轉(zhuǎn)速越高。它是由驅(qū)動電壓脈沖寬度決定的。雙極性：由以上分

28、析表明：可逆H型雙極式PWM開關(guān)功率放大器，無論負(fù)載是重還是輕、電機(jī)是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，加在電樞上的電壓極性在一個開關(guān)周期內(nèi)，都在US和-US之間變換一次，故稱為雙極性。4PWM調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)頻帶寬、頻率高: 晶體管“結(jié)電容”小，開關(guān)頻率遠(yuǎn)高于可控（50Hz)，可達(dá)2-10KHz。快速性好。電流脈動小:由于PWM調(diào)制頻率高，電機(jī)負(fù)載成感性對電流脈動由平滑作用，波形系數(shù)接近于1。電源的功率因數(shù)高: SCR系統(tǒng)由于導(dǎo)通角的影響，使交流電源的波形畸變、高次諧波的干擾，降低了電源功率因數(shù)。PWM系統(tǒng)的直流電源為不受控的整流輸出，功率因數(shù)高。動態(tài)硬度好:校正瞬態(tài)負(fù)載擾動能力強(qiáng)，頻帶寬，動態(tài)硬度高。綜上所述，

29、PWM調(diào)速控制系統(tǒng)更加簡單，而晶閘管方法控制的更加可靠，由于對機(jī)器人的安全特性有較高要求，即在有人突然出現(xiàn)在機(jī)器人前方或是桌子腿擋住機(jī)器人時要求伺服電機(jī)可以很快制動，所以對于伺服電機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩和制動特性有較高的要求，晶閘管法的一大特點(diǎn)就是電流調(diào)節(jié)器能保證電機(jī)啟動、制動時的大轉(zhuǎn)矩、加減速的良好動態(tài)性能，所以綜合考慮，我們選擇晶閘管調(diào)速法。以上調(diào)速電路也可以使用瑞士瑞諾集團(tuán)的標(biāo)準(zhǔn)型伺服驅(qū)動器 CD系列實(shí)現(xiàn)。若使用電路實(shí)現(xiàn)成本較低，相應(yīng)但是精度也會較低，若使用驅(qū)動器驅(qū)動電機(jī)精度雖然高但是成本也會較高一些。5.2乒乓球撿球機(jī)器人撿球裝置的選擇在乒乓球室里，由于訓(xùn)練或者比賽的時候，地面上將會有

30、一些出界或者無效的乒乓球。如果由人工來撿球，將會造成效率低、工作量大等弊端。因此，如果能有一種撿球機(jī)器人應(yīng)用于乒乓球場館里，且能迅速找到球的位置并能夠?qū)崿F(xiàn)自動撿球的功能，將可以使人們擺脫一些繁瑣的工作、大大減輕人們的勞動強(qiáng)度。乒乓球撿球機(jī)器人很重要的一個部分是撿球裝置，目前已有的乒乓球撿球機(jī)器人種類較少，且撿球動作的實(shí)現(xiàn)主要是通過機(jī)械手、機(jī)械臂等機(jī)械裝置來撿球。這些撿球裝置多因?yàn)闄C(jī)械機(jī)構(gòu)的限制，對于位于墻角處和藏于障礙物之間的乒乓球不能有效撿取，因而只適用于障礙物較少且遠(yuǎn)離墻壁的乒乓球的撿取。即使對于能夠撿起的乒乓球，由于其高精度要求，成本也因此較高，事實(shí)上，若是對于其他較重的球來說，機(jī)械臂、

31、機(jī)械手是必要的，而對于乒乓球來說，機(jī)械臂、機(jī)械手帶來的效益并不足以彌補(bǔ)它們的成本。因此，我們決定采用精度相對低，但是成本也相對低的吸力裝置撿取乒乓球，雖然精度相對低，但足以滿足撿取乒乓球的要求。5.2.1撿球原理設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)乒乓球的直徑為40 mm，質(zhì)量為2. 7 g，具有體積小、質(zhì)量輕的特點(diǎn)，特別適合吸力裝置吸取。風(fēng)扇在轉(zhuǎn)動時，抽風(fēng)的一端會形成負(fù)壓; 如果將一個管道與風(fēng)扇的抽風(fēng)面相連接，則在風(fēng)扇的作用下，管道內(nèi)的氣壓將小于管道外的大氣壓，管道口附近的物體將在壓力差的作用下被吸進(jìn)管道里。因此，若采用由強(qiáng)力風(fēng)扇與一個兩端開口的管道組成的吸球管，乒乓球就可以順利被吸取。同時，為了提高吸球的效率與穩(wěn)定

32、性，可將吸球管道沿斜面布置，通過斜面減輕乒乓球向上運(yùn)動所需的力。在風(fēng)力作用下，若乒乓球在斜面上作瞬時純滾動，其受力如下圖所示：圖5-2-1 乒乓球受力分析圖根據(jù)理論力學(xué)平衡方程：Fw-GsinR=Mf（5-2-1）式中：Fw為風(fēng)作用力，R為乒乓球半徑，Mf為滾動摩阻，則有：Fw=12v2AfRe=12v2CFA（5-2-2）Mf=N=mgcos（5-2-3）其中：CF為風(fēng)力系數(shù)（球體取0.5）；為空氣密度，在地球近地面環(huán)境，溫度為20，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，=1.2kg/m3；v為風(fēng)速；A為迎風(fēng)面積，A=R2；為滾動摩擦系數(shù)，取=5mm?？梢越獾靡蛊古仪蝽樌谛泵嫔舷蛏蠞L動的最小風(fēng)速為：v=cos+

33、RsinR3CF2mg（5-2-4）設(shè)吸球管管口最大面積為Smax，安全系數(shù)為k，則選用風(fēng)扇的排量可以近似為：V=kvSmax=kSmaxcos+RsinR3CF2mg（5-2-5）5.2.2吸球管設(shè)計(jì)乒乓球的直徑為40mm，吸球管與水平的傾斜角度=37°。為了提高撿球效率，將吸球口改為敞口設(shè)計(jì)。同時，考慮到敞口會降低吸球管的負(fù)壓，增大乒乓球的吸取難度，敞口部分不宜過大。綜合考慮各種影響因素，該撿球機(jī)器人的敞口尺寸設(shè)計(jì)為: 最大敞口面積Smax=140mm×50mm、敞口錐角45°，其設(shè)計(jì)效果如下圖所示：圖5-2-2 吸球管示意圖根據(jù)以上設(shè)計(jì)，則選用風(fēng)扇的最小排量

34、為：V=kSmaxcos+RsinR3CF2mg，考慮到存在漏氣等情況，取安全系數(shù)k=1.5，代入=37°，Smax=140×50mm2，m=2.7g，g=9.78N/kg，可以計(jì)算出風(fēng)扇最小排量V=70dm3/min。在選擇空氣泵時要考慮到排量和體積等因素，因此我們選用成都新為誠科技有限公司的VCA5038B大流量微型氣泵:圖5-2-3 空氣泵示意圖圖5-2-4 空氣泵參數(shù)為了達(dá)到所需排量，結(jié)合計(jì)算中可能存在的誤差，根據(jù)實(shí)際情況可以選擇1-3個VCA5038B空氣泵。為了使被吸起的乒乓球能順利落到裝球腔內(nèi)，在吸球管的末端設(shè)計(jì)有一個方形的出球口，并設(shè)計(jì)長度為20mm的軌道確

35、保乒乓球的下落位置。出球口的設(shè)置，將不可避免地降低吸球管內(nèi)的負(fù)壓程度，增大球的吸取難度。于是，在出球口的末端，設(shè)計(jì)一個質(zhì)量很輕的;lo.lllo.;.;方形擋板(自復(fù)位擋板):平時在重力作用下，擋板會自動處于垂直位置，出球口為打開狀態(tài); 當(dāng)撿球風(fēng)扇啟動時，由于吸球管內(nèi)的負(fù)壓，擋板將在氣壓差作用下被吸起，覆蓋在出球口上，從而提高吸球管內(nèi)部的負(fù)壓程度，確保吸球的有效性。吸球風(fēng)扇關(guān)閉時，擋板自動打開，球也順利落進(jìn)裝球腔。下圖是出球口自復(fù)位擋板的示意圖，左圖是吸球風(fēng)扇未啟動時擋板位置的示意圖，右圖是吸球風(fēng)扇啟動時擋板位置的示意圖:圖5-2-5 擋板示意圖為了減緩乒乓球被吸起進(jìn)入吸球管的阻力，在吸球管的

36、前端設(shè)計(jì)了一個伸出板。伸出板是配合吸球管吸球的部分，對它的設(shè)計(jì)主要就是計(jì)算它距離地面的高度和伸出的長度: 如果距離地面太近，可能會因?yàn)槲⑿〉钠鸱蛯?dǎo)致伸出板與地面接觸，不利于機(jī)器人的行走; 如果距離地面太高，會出現(xiàn)伸出板擋住球運(yùn)動從而撿不到球的情況，影響撿球的效果。在本設(shè)計(jì)中，伸出板的最前端距離地面高度為3mm。六、測量元件6.1測速傳感器的選取 測速環(huán)節(jié)如下圖所示：測速傳感器圖6-1-1 流程圖中測速環(huán)節(jié) 當(dāng)今最常使用的測速傳感器中有：霍爾傳感器、旋轉(zhuǎn)變壓器、和光電編碼器等，本文針對上述三種測速傳感器展開對比論證。6.1.1 三種傳感器的對比分析1.霍爾傳感器：利用霍爾效應(yīng)表達(dá)式U=KIB，

37、當(dāng)被測圓盤上裝上N只磁性體時，圓盤每轉(zhuǎn)一周，磁場就變化N次，霍爾電勢相應(yīng)變化N次，輸出電勢通過放大、整形和計(jì)數(shù)電路就可以測量被測旋轉(zhuǎn)物的轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)速=60*頻率/12）。且霍爾傳感器靈敏度高，體積小，價格便宜。但霍爾式傳感器在測速上有所限制，需要具有磁鋼。且互換性差，信號隨溫度變化，非線性輸出，使用時需要單片機(jī)進(jìn)行非線性和溫度校正 ，增加電路設(shè)計(jì)難度。此外，相對于旋轉(zhuǎn)變壓器和光電編碼器等測量元件可以直接插在電機(jī)軸上測速，霍爾傳感器在和電機(jī)裝配問題上更為復(fù)雜一些。顧不使用霍爾傳感器。2.旋轉(zhuǎn)變壓器：旋轉(zhuǎn)變壓器是一種電磁式傳感器，又稱同步分解器。用來測量旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)軸角位移和角速度，由定子

38、和轉(zhuǎn)子組成。其中定子繞組作為變壓器的原邊，接受勵磁電壓，勵磁頻率通常用400、3000及5000Hz等。轉(zhuǎn)子繞組作為變壓器的副邊，通過電磁耦合得到感應(yīng)電壓。其輸出的電壓信號與輸入轉(zhuǎn)角（轉(zhuǎn)角差）信號通常呈正余弦變化、線性變化和特種函數(shù)變化。按照其結(jié)構(gòu)分類可以分成有刷式，無刷式。對應(yīng)結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)變壓器的性能如下表所示：類型精度工藝性相位移可靠性結(jié)構(gòu)成本有刷型低差小差復(fù)雜高無刷型低一般比較大好一般一般表6-1-1各種類型的旋轉(zhuǎn)變壓器性能、特點(diǎn)比較 旋轉(zhuǎn)變壓器的優(yōu)點(diǎn)在于適合高速工作狀態(tài)、有絕對位置信號輸出以及處理電路相對簡單。其缺點(diǎn)也很明顯，及精度相對于光電編碼器要低，以及低速時的誤差較大。且市面價格平

39、均在400左右，約是符合性能指標(biāo)的光電編碼器的10倍。此外，由于旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出信號為電壓信號，在送入單片機(jī)先還要設(shè)計(jì)數(shù)字電路進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，而編碼器的輸出量本身就是數(shù)字量，只需設(shè)計(jì)數(shù)字電路保證信號的穩(wěn)定性和可靠性即可。綜上所述，不采用旋轉(zhuǎn)變壓器。3.光電編碼器：編碼器俗稱碼盤，用來測量轉(zhuǎn)角并把它轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字形式的輸出信號。按照其輸出信號的基本形式分類可分為增量式和絕對式按照其結(jié)構(gòu)和原理分類可分為光電式、電磁式。其中光電式編碼器是目前用的較多的一種測角元件，它沒有觸點(diǎn)磨損，允許轉(zhuǎn)速高，精度高，耐用性好，壽命長。其輸入信號為角度信號，輸出信號為對應(yīng)角度的數(shù)字信號，由于本設(shè)計(jì)對轉(zhuǎn)速的精度要求不

40、是特別高，采用精度相對較低但是價格極低的增量式光電編碼器即可勝任。6.1.2 對光電編碼器的論證分析和選?。?.增量式編碼器結(jié)構(gòu)和工作信號處理：增量式光電編碼器結(jié)構(gòu)如下圖所示：圖6-1-2 增量式光電編碼器結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)中最大的部分是一個圓盤，大圓盤上刻有均勻分布的輻射狀窄縫，窄縫分布的周期稱為節(jié)距，記為L。與圓盤對應(yīng)的是兩組檢測窄縫，它們的節(jié)距和圓盤上的節(jié)距是相等的。兩組檢測窄縫的位置相隔(K±1/4)節(jié)距，其目的是使兩個輸出信號在相位上相差90°。從而使其能分辨出電機(jī)的轉(zhuǎn)向。電路框圖和信號分析如下：圖6-1-3 電路框圖及信號從圖6-1-3，可以看出，在圖示位置，過窄縫a的光

41、線光強(qiáng)處于中間位置，正轉(zhuǎn)時光強(qiáng)減弱，反轉(zhuǎn)時光強(qiáng)增強(qiáng)。正反轉(zhuǎn)時，a的兩個波形相位反相。通過窄縫b的光強(qiáng)處于最弱的位置，無論正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)，b的光強(qiáng)都增強(qiáng)。正反轉(zhuǎn)時，b的兩個波形相位相等。還可以看出，a、b波形之間的相位差90°。正轉(zhuǎn)時，電路輸出正脈沖，反轉(zhuǎn)時輸出反轉(zhuǎn)脈沖。每發(fā)出一個脈沖，表示轉(zhuǎn)過了一個節(jié)距。單位時間內(nèi)發(fā)出的脈沖數(shù)，就代表了轉(zhuǎn)速。2.絕對式編碼器的結(jié)構(gòu)和工作信號處理：絕對式編碼器由三大部分組成：旋轉(zhuǎn)的碼盤、光源和光電敏感元件。碼盤上有光學(xué)碼道，每個碼道上按一定規(guī)律分布著透明和不透明區(qū)。如下圖：圖6-1-4 絕對式光電編碼器結(jié)構(gòu)光源的光通過光學(xué)系統(tǒng)，穿過碼盤的透光區(qū)被窄縫后面的光

42、敏元件接收，輸出為“1” ；若被不透明區(qū)遮擋，光敏元件輸出 為“0”。各個碼道的輸出編碼組合就表示碼盤的轉(zhuǎn)角位置。3.增量式和絕對式編碼器的優(yōu)缺點(diǎn)對比及選?。悍绞絻?yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)增量式精度高開機(jī)后先要尋零構(gòu)造簡單，成本較低在脈沖傳輸過程中，干擾產(chǎn)生累計(jì)誤差既適合測角也適合測速需要計(jì)數(shù)器、速度受到一定限制無接觸測量，可靠性高，壽命長絕對式精度高,無接觸，壽命長結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大開機(jī)不需要尋零價格高沒有累計(jì)誤差不需要計(jì)數(shù)器、允許轉(zhuǎn)速高表6-1-2增量式與絕對式光電編碼器優(yōu)缺點(diǎn)比較 撿球小車在驅(qū)動行進(jìn)過程中，兩個電機(jī)對前輪分別驅(qū)動，為了調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速使之轉(zhuǎn)速相同，需要將電機(jī)轉(zhuǎn)速作為反饋信號輸入給單片機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)，

43、且對精度有一定的要求，綜合增量式和絕對式編碼器的特點(diǎn)，二者的精度都可以滿足要求，且二者測量時都沒有接觸，所以都有可靠性強(qiáng)，使用壽命高的特點(diǎn)。但是絕對式編碼器不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜體積龐大，最大的缺點(diǎn)在于價格高昂。通常在300到700元之間，更有上千的絕對式編碼器。而且增量式編碼器的價格在30到200元間。但是增量式編碼器帶來的一個問題就是啟動停止瞬間的抖動帶來的干擾，這會使編碼器輸出脈沖抖動，從而起誤計(jì)數(shù)。如圖（a）中某一相為高電平時，另一相因抖動產(chǎn)生多個脈沖。圖6-1-5 抖動產(chǎn)生干擾時的波形圖但這可以通過FPGA濾波電路消抖。如圖：圖6-1-6 消抖電路4.測速方法：常用測速方法主要有定時測角法(M

44、法)及定角測時法(T法)，后來發(fā)展有M/T法及變M/T法等其他一些方法。這些方法基于增量式編碼器，編碼器測速脈沖可以看作一位二進(jìn)制數(shù)，每次脈沖跳變表示轉(zhuǎn)到新的分辨率區(qū)間。為了選擇合適的測速方法，本研究進(jìn)行了以下比較分析。M法：M法通過測量一定時間內(nèi)編碼器的脈沖個數(shù)來獲得速度值。設(shè)編碼器每圈發(fā)出脈沖數(shù)為P，在指定的測量時間Tg 內(nèi)，編碼器共發(fā)出m1 個脈沖，則電機(jī)轉(zhuǎn)速n和分辨率Q的表達(dá)式如下表所示。M法的分辨率與轉(zhuǎn)速無關(guān)，在任何轉(zhuǎn)速情況下，能檢測到的速度最小改變量都相等。但是相對誤差與轉(zhuǎn)速成反比。因此M法適用于高速情況下的測量。T法：T法的原理是通過測量相鄰兩個編碼器脈沖的時間間隔來得到速度信息

45、，即測頻法。如果計(jì)時用的高頻時鐘脈沖頻率為fc，由編碼器的相鄰兩個測速脈沖控制計(jì)時的起始和終止，如計(jì)時器計(jì)數(shù)值為m2，則轉(zhuǎn)速n、分辨率Q表達(dá)式圖所示。因此，T法的Q值隨轉(zhuǎn)速上升而增加，分辨率減小，在低速時有較高的分辨率。轉(zhuǎn)速增加時，m2減小，測量誤差增大，可見T法適合于低速情況下的測量，但低速測量時間會較長。本次設(shè)計(jì)的額定轉(zhuǎn)速為3000r/min不適合用T法M/T法：M/T法是綜合M法和T法進(jìn)行改進(jìn)得來的，它同時測量檢測時間和此段時間內(nèi)的編碼器脈沖數(shù)。其原理是，由時鐘脈沖m2測出時間T，再由傳感器脈沖個數(shù)m1計(jì)算出速度。其轉(zhuǎn)速n和分辨率Q如表所示方法轉(zhuǎn)速分辨率誤差（相對誤差）M法T法M/T法表

46、6-1-3 三種測速方法的比較將以上的分析綜合起來，可以看出，分辨率與測量時間及轉(zhuǎn)速都有關(guān)系。但是撿球機(jī)器人處于高速運(yùn)動的狀態(tài)，采用M法進(jìn)行測試，其精度更高、誤差更小，因此本研究也采用M法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量。5. 增量式光電編碼器的選取和內(nèi)部結(jié)構(gòu)信號的分析：1）增量式光電編碼器的選取：綜合性能、價格我們選取杰特仕增量式光電編碼器。圖6-1-7 選取的增量式光電編碼器600脈沖時編碼器的分辨率為：360°/600=0.6°，M法測速（Tg取1s）的分辨率為60/(600*1)=0.1。對于精度要求不高的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)來說能夠勝任。其他性能如下：2）增量式光電編碼器內(nèi)部結(jié)構(gòu)和信號分析：

47、撿球機(jī)器人的驅(qū)動電機(jī)采用的是有刷直流電機(jī)， 附有光電編碼器和減速箱，測速系統(tǒng)采用FPGA作為邏輯芯片，系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和測速組成如圖所示。圖6-1-8 對光電編碼器產(chǎn)生信號的處理圖6-1-8其中，F(xiàn)PGA 芯片選用Altera公司的Cyclone系列EP2C5Q 208C8N，核電壓Vccint接1.2V，I/0電源Vccio接3.3V電源，4個BANK連接相同的兩組輸入電壓。電源管理模塊采用低壓穩(wěn)壓器AMS1117和AMS1117-ADJ，輸入5V工作電壓，前者可輸出3.3V電壓，后者利用ADJ端輸出1.2V電壓，供FPGA使用。FPGA 的配置芯片選用串行配置器件EPCS1，提供1MB 的F

48、LASH 存儲容量，用來存儲硬件配置信息和控制程序。EPCS1的工作電壓是3.3V，將DATA、DCLK、nCS、ASDI與FPGA 相連，并連接到EPCS下載口，用來下載配置信息。驅(qū)動電機(jī)上的光電編碼器在機(jī)器人運(yùn)動時發(fā)出光電脈沖信號，構(gòu)成測速系統(tǒng)的輸入信號。測速系統(tǒng)主要包括濾波模塊和測速模塊。由于脈沖信號通常會有很多雜波及其他未知的噪聲信號，濾波模塊可以濾去雜波，從而提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，保證測量的準(zhǔn)確性。測速模塊對脈沖信號進(jìn)行處理，獲得速度信號。FPGA 嵌入的軟核處理器NIOS是機(jī)器人的主控芯片，讀取測速模塊傳送過來的數(shù)據(jù)，從而可以對系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動控制。6.2 位置和避障傳感器的選取避障

49、環(huán)節(jié)圖6-2-1 流程圖中的避障環(huán)節(jié)位置傳感環(huán)節(jié)圖6-2-2 流程圖中位置傳感環(huán)節(jié)6.2.1常用傳感器及特點(diǎn)測距定位傳感器有很多種，其中常用的有：GPS定位、激光定位、視覺定位、超聲波定位以及紅外定位。本設(shè)計(jì)采用超聲波傳感器與紅外傳感器結(jié)合工作。1.GPS傳感器GPS定位即全球定位系統(tǒng)(global positioning system GPS)，是美國國防部主要為滿足軍事部門對海上、陸地和空中設(shè)施進(jìn)行高精度導(dǎo)航和定位要求而建立的，以衛(wèi)星為基礎(chǔ)的無線電測時、導(dǎo)航系統(tǒng)，其具有全天候、高精度、自動測量、方便靈活以及全球覆蓋能力。近年來，隨養(yǎng)GPS技術(shù)的蓬勃發(fā)展，GPS追蹤系統(tǒng)、GPS導(dǎo)航系統(tǒng)、GPS定位系統(tǒng)作為一種高科技產(chǎn)品在民用方面(尤其在手機(jī)定位、汽車導(dǎo)航、物流方而)得到了快速廣泛的應(yīng)用。但是，現(xiàn)有的GPS設(shè)備需要的所有電子地圖都不是免費(fèi)的，而且GPS地圖的數(shù)據(jù)信息不夠詳盡，并且無法實(shí)時更新，給用戶帶來很多不便。而其精度已在幾米以上，根本無法滿足設(shè)計(jì)需求。2.激光傳感器激光與一般燈光、太陽光同是電磁波，但它產(chǎn)生的機(jī)理與特性不同，即它是一種物質(zhì)的原子“受激輻射光放大”。在前人研究的基礎(chǔ)上，于1960年美國梅曼發(fā)明了紅寶石激光器，1961年出現(xiàn)了氦氖(He-Ne)激光器等等，在激光器的裝置中，一般由工作物質(zhì)、諧振腔和激勵能源三部分組成。工作物質(zhì)有固體、半導(dǎo)體