機(jī)器人羽毛球比賽行走裝置設(shè)計(jì)

1、 畢業(yè)論文機(jī)器人羽毛球比賽行走裝置設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 潘偉 學(xué)號(hào)： 11202201 系 部： 電子工程系 專 業(yè)： 測(cè)控技術(shù)與儀器 指導(dǎo)教師： 張平（教授） 2015年6月誠信聲明本人鄭重申明：所呈交的畢業(yè)論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 本人簽名： 年 月 日 機(jī)器人羽毛球比賽行走裝置設(shè)計(jì)摘 要 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展社會(huì)的發(fā)展，為移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的研究越來越受到人們的重視和關(guān)注。而

2、雙足機(jī)器人和輪式移動(dòng)機(jī)器人相比較，輪式移動(dòng)機(jī)器人的底盤在速度方面，運(yùn)行平穩(wěn)，利用范圍，裝載能力具有明顯的優(yōu)勢(shì)，尤其是在服務(wù)機(jī)器人、巡檢機(jī)器人、探測(cè)機(jī)器人等領(lǐng)域，輪式移動(dòng)機(jī)器人的利用就更為普遍。移動(dòng)機(jī)器人能夠持續(xù)，快速，準(zhǔn)確的操作運(yùn)行，離不開它具有良好的機(jī)械系統(tǒng)。這種設(shè)計(jì)論文主要目的是對(duì)全方向輪式移動(dòng)機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的研究和分析，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)可以適用于全向移動(dòng)機(jī)器人羽毛球公開賽通用底盤，以及基于模塊化，系列化的設(shè)計(jì)理念，形成的各種通用底盤的模型，以滿足行走機(jī)器人羽毛球比賽設(shè)備的功能的需求。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)我所需要工作主要內(nèi)容如下：（1） 引進(jìn)三軸輪式移動(dòng)機(jī)器人在國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，總結(jié)優(yōu)勢(shì)和輪

3、式移動(dòng)機(jī)器人的優(yōu)缺點(diǎn)，以及移動(dòng)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域。其次，簡(jiǎn)要介紹了全向輪和常見類型的發(fā)展歷程，總結(jié)了不同類型之間的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，最終詳細(xì)說明輪式移動(dòng)機(jī)器人在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。（2） 概述全方位移動(dòng)平臺(tái)的常用輪系布局結(jié)構(gòu)，比較輪式移動(dòng)機(jī)器人底盤二輪布局和四輪布局各自的優(yōu)缺點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上建立通用底盤的動(dòng)力學(xué)模型以及全方位輪的動(dòng)力學(xué)模型。 (3) STM32主控芯片介紹 (4) CAN總線的主要特點(diǎn) （5） 設(shè)計(jì)合理的機(jī)械裝置； （6） 完成機(jī)器人羽毛球比賽行走裝置設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：輪式移動(dòng)機(jī)器人，全向輪，通用底盤，羽毛球， STM32， CAN總線 第1章 緒 論.11.1 機(jī)器人概述.1 1.2機(jī)器人

4、的分類.11.3 移動(dòng)機(jī)器人研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì).31.3.1 國外移動(dòng)機(jī)器人研究現(xiàn)狀及發(fā)展歷史.31.3.2 國內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人研究現(xiàn)狀及發(fā)展歷史.3 1.4.1 移動(dòng)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù).4 1.4.2 移動(dòng)機(jī)器人控制技術(shù).4 1.5 課題意義與背景. 5第2章 輪式移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析.5 2.1 底盤移動(dòng)能力分析.52.2 三軸輪式底盤介紹.5第3章 硬件及單元電路設(shè)計(jì).113.1 三軸輪式驅(qū)動(dòng)底盤設(shè)計(jì).113.2 STM32主控芯片介.113.3 單片機(jī)在三軸輪式底盤行走的功能.123.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì).143.5 CAN總線通信簡(jiǎn)介.163.6穩(wěn)壓電路與穩(wěn)壓芯片簡(jiǎn)介 .17第4章 軟件

5、原理設(shè)計(jì).194.1 AB相編碼器原理.194.2 紅外遙控的工作原理.19 4.2.1 紅外線的特性.19 4.2.2 紅外遙控的四個(gè)環(huán)節(jié).204.3 小車的狀態(tài).20 4.4 PID控制算法.21 第5章 系統(tǒng)調(diào)試.255.1 調(diào)試環(huán)境介紹.255.2 調(diào)試結(jié)果記錄分析.26第1章 緒 論1.1 機(jī)器人的概述及分類1.1.1 機(jī)器人的概述（改過）機(jī)器人是一種機(jī)器裝置，它可以自己執(zhí)行工作任務(wù)。它可以按照人們的思想來運(yùn)作，又可以按照預(yù)定的程序來完成，也可以按照人工智能技術(shù)的原則來完成，研究機(jī)器人的工作任務(wù)主要是來幫助人們解決危險(xiǎn)或者重復(fù)性的工作，讓人們能夠在某一方面得到放松。機(jī)器人的概念和被大

6、家了解的情況在國際上已經(jīng)趨于統(tǒng)一，說明機(jī)器人越來越接近社會(huì)，然而這種機(jī)器是有著自身動(dòng)力和控制能力的一種機(jī)器，它可以實(shí)現(xiàn)各種功能。聯(lián)合國標(biāo)準(zhǔn)化組織采用了美國機(jī)器人協(xié)會(huì)給機(jī)器人下的定義：“機(jī)器人是一種可編程和多功能的智能機(jī)器人，用來搬運(yùn)材料、零件、工具的操作機(jī)；它是一種可以執(zhí)行各種有差別的工作的專門系統(tǒng)，因?yàn)樗梢愿淖儾⑶铱删幊虅?dòng)作從而讓它執(zhí)行任務(wù)。”而我國對(duì)機(jī)器人的定義是：“機(jī)器人是一種自動(dòng)化的機(jī)器，所不同的是這種機(jī)器已經(jīng)有些接近人或生物智能的能力，如肢體的感覺，運(yùn)動(dòng)能力和相互協(xié)作能力，規(guī)劃能力，是一種高度靈敏的自動(dòng)化機(jī)器“。這些年來，智能機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展被不斷擴(kuò)大，發(fā)展應(yīng)用到了各個(gè)領(lǐng)域，不僅僅

7、只是被制造業(yè)所應(yīng)用，它也逐漸向著非制造業(yè)發(fā)展，應(yīng)用的越來越多，變得越來越廣泛，以前只是在工業(yè)機(jī)器人上發(fā)展，等到現(xiàn)在，它已經(jīng)被應(yīng)用到了現(xiàn)在的宇宙探測(cè)、開采、影視、醫(yī)院、服務(wù)等行業(yè)，以及在人們身邊接觸到的大部分等都被應(yīng)用到了智能機(jī)器人，被應(yīng)用到這些行業(yè)的機(jī)器人都要求要利用自動(dòng)化和機(jī)器人化，證明了我國對(duì)智能機(jī)器人的研究蒸蒸日上，所以我國智能機(jī)器人的發(fā)展速度很快。它與應(yīng)用于制造業(yè)的工業(yè)機(jī)器人相比，它有著不確定的工作環(huán)境，并且非結(jié)構(gòu)化明顯，因而要研究更高水平的智能機(jī)器人，移動(dòng)只是機(jī)器人行為的一點(diǎn)點(diǎn)特征，它不能單單只需要行走功能，還要擁有一定的自主能力和感知能力，讓它具有一定的自主規(guī)劃能力等，因此，機(jī)器人

8、發(fā)展是今后一項(xiàng)很重要的發(fā)展方向?，F(xiàn)在主要發(fā)展的技術(shù)是自動(dòng)化技術(shù)和人工智能機(jī)器人技術(shù)，它也是機(jī)器人發(fā)展的重要表現(xiàn)，它象征著新水平的制造技術(shù)發(fā)展。機(jī)器人被廣泛應(yīng)用，尤其是在工業(yè)機(jī)器人上的大部分利用，它極大地提升了勞動(dòng)生產(chǎn)效率。反過來，控制技術(shù)、智能技術(shù)、傳感技術(shù)、制造技術(shù)這些對(duì)機(jī)器人的發(fā)展也有了更高的要求?，F(xiàn)在的機(jī)器人具有較強(qiáng)的操控能力，一定的移動(dòng)能力，初級(jí)的看、聽、說能力，簡(jiǎn)易的決策能力?？梢韵胂笪磥淼臋C(jī)器人將會(huì)有擁有更強(qiáng)的能力，更接近社會(huì)的機(jī)械制造。1.1.2 機(jī)器人分類 機(jī)器人有很多，分為很多形式，要是給機(jī)器人分類基本都是按用途和活動(dòng)范圍和運(yùn)動(dòng)構(gòu)造來區(qū)分，要是按用途來分的話，它包括軍用機(jī)器人

9、和民用機(jī)器人，要是從它們的活動(dòng)空間來區(qū)分的話，它包括可以在水里潛行的機(jī)器人，可以在地上行走的陸地機(jī)器人，可以飛在空中的空中機(jī)器人等：要是按運(yùn)動(dòng)構(gòu)造區(qū)分，可分為輪式、履帶式等各種形式，履帶式因?yàn)榻拥乇葔盒?，有著良好的抓地和行走性能，所以常常被利用到路面難走的野外去勘測(cè)；相比之下，輪式移動(dòng)機(jī)器人它的體重比較小，容易操作，并且行走也方便，速度快，工作效率高，它的承載的能力也比其他種類大、而且機(jī)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，這么多的優(yōu)點(diǎn)足以讓它被廣泛地應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域。 1.2移動(dòng)機(jī)器人研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)1.2.1 國外的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀早在世紀(jì)年代，智能移動(dòng)機(jī)器人就已經(jīng)被西方發(fā)達(dá)國家研究出來了。以前的這種早期移動(dòng)機(jī)器

10、人主要就分為地面移動(dòng)機(jī)器人，代表性機(jī)器人主要有：美國斯坦福研究所研制的Shakey法國Hilare研究計(jì)劃所研制的Hilare機(jī)器人，Moravec等研制的stanford cart等。圖1-1 美國斯坦福研究所的機(jī)器人HilareShakey(如圖1-1所示）這臺(tái)機(jī)器人，它是世界上第一臺(tái)移動(dòng)的機(jī)器人，然而這臺(tái)移動(dòng)機(jī)器人的證明了人工智能學(xué)的發(fā)展。所以Shakey具備一定人工智能，這種人工智能體現(xiàn)在它可以自主進(jìn)行感知、而非人工控制，它可以按照指定的程序來完成任務(wù)。并且在這人工智能機(jī)器人裝備了攝像機(jī)、三角法測(cè)距儀、碰撞傳感器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及編碼器，需要通過無線系統(tǒng)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上控制。因?yàn)楫?dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)的

11、體積特別大，并且反應(yīng)運(yùn)行速度特別慢，所以Shakey想要分析環(huán)境和規(guī)劃路線的話要需要特別長(zhǎng)的時(shí)間，大概幾個(gè)小時(shí)。八十年代前期，在美國國防部高級(jí)研究規(guī)劃局（DARPA）的同意下，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)（CMU），斯坦福大學(xué)和麻省理工學(xué)院等單位展開了研發(fā)自主地面車輛（ALV）的做法；美國能源部開會(huì)制定了要重點(diǎn)研究自主能力并且開發(fā)機(jī)器人智能系統(tǒng)的計(jì)劃，但是結(jié)果是美國的研究人員低估了移動(dòng)機(jī)器人的信息處理量，這次的失敗說明沒有達(dá)到未來戰(zhàn)術(shù)系統(tǒng)的要求。在這之后，DAPRA和國防部長(zhǎng)辦公室推出了Demo1、2、3的設(shè)計(jì)想法，Demo3 B型無人自主車輛可達(dá)到64Km/h的行駛速度，通信距離10-15Km。機(jī)器人的研

12、究策劃也被發(fā)展到了歐洲尤里卡中心。到八十年代后期，輪式移動(dòng)機(jī)器人的研究發(fā)展取得了又取得了不錯(cuò)的成果，研制出了智能輪椅機(jī)器，它越來越向著接近于人們的生活所發(fā)展，研究成果上升了一個(gè)層面，現(xiàn)在的老人不斷增加，說明世界已進(jìn)入了老齡化時(shí)代，所以各個(gè)國家開始對(duì)智能輪椅進(jìn)行研究，為了給老齡化如此迅速增長(zhǎng)的老人們提供一種性能優(yōu)越的代步工具。這種輪椅不同于普通的，他要具有記憶地圖，自動(dòng)行走等功能；好多開始對(duì)這個(gè)智能輪椅機(jī)器項(xiàng)目開始研究，他們發(fā)現(xiàn)這有很大的開發(fā)空間和市場(chǎng)價(jià)值，不惜一切的都在自主研究，但是所用的研究方法都不大一樣，但都是可以為老年人提供的一種代步工具，如美國麻省理工學(xué)院的WHEELESLEY項(xiàng)目、法

13、國的VAHM項(xiàng)目是比較好的研制開發(fā)出了智能輪椅機(jī)器。雖然許多都在設(shè)計(jì)這種輪椅，但是每種輪椅的能力和功能也不會(huì)相同，這可能是因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)室各種各樣的外部原因?qū)е碌?，還有可能采用的方法不同。到90年代以后，已經(jīng)出現(xiàn)了很多的智能移動(dòng)機(jī)器人，都有著各自的發(fā)展方向，但是它們都開始向著實(shí)用、智能的這個(gè)方向發(fā)展。有很多都研制出智能移動(dòng)機(jī)器人，但是他們都不能代表什么，只有當(dāng)時(shí)的美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)研制出來的智能車，它代表著當(dāng)時(shí)研究智能車輛的發(fā)展方向，他研制出的代表作就是NavLab-5系統(tǒng)，它的時(shí)速可以到達(dá)88.5km/h，智能移動(dòng)車的發(fā)展證明科技水平越來越高，越來越向著實(shí)用的方向發(fā)展，也有很多技術(shù)部門開始合作完

14、成智能系統(tǒng)，智能系統(tǒng)會(huì)更好更快的發(fā)展。近年來，智能機(jī)器越來越多，但是越來越多開始研究可以向各種方位移動(dòng)的移動(dòng)平臺(tái)，這就是全方位移動(dòng)平臺(tái)，它的主要特點(diǎn)就是可以向360各個(gè)方向移動(dòng)，這種特點(diǎn)可以很好地幫助殘疾人生活、可以向人一樣向各個(gè)方向行走，并且可以在工廠里全方位移動(dòng)搬東西，這種功能的服務(wù)移動(dòng)機(jī)器人發(fā)展迅速以全向輪為主要應(yīng)用的移動(dòng)小車有著非常廣泛的應(yīng)用。當(dāng)時(shí)韓國的研究出了全方位移動(dòng)機(jī)器人（如圖1-4所示），它的車輪子采用的一種新型輪子，并采用獨(dú)立的4電機(jī)驅(qū)動(dòng)，它可以通過切換主動(dòng)滾子和被動(dòng)滾子從而達(dá)到良好的連續(xù)觸地效果。然而輔助機(jī)器人，主要應(yīng)用在工廠，它主要有三個(gè)模塊，這三個(gè)模塊包括移動(dòng)控制模塊，

15、升降控制模塊，椅子和聲納模塊。各個(gè)模塊有著不同的作用，相應(yīng)的模塊接受相應(yīng)的指令，并且相互獨(dú)立，不會(huì)相互影響。圖 1-4 全方位移動(dòng)機(jī)器人 圖1-5 輔助移動(dòng)機(jī)器人賽格威在美國匹茲堡機(jī)器人會(huì)議和展覽上，推出一個(gè)簡(jiǎn)單的自動(dòng)輸送機(jī)（如圖1-6）。賽格威全方位移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)可以有效承載400磅東西，主要應(yīng)用于軍工，院校和倉庫。該平臺(tái)可在所有方向上從靜止?fàn)顟B(tài)下移動(dòng)，使得它在小空間中最合適的工作。 加拿大布魯克大學(xué)開發(fā)AZIMUT - 3移動(dòng)平臺(tái)，（如圖1-7）。 AZIMUT有4個(gè)獨(dú)立的關(guān)節(jié)可以是圓形，輪式或履帶或這些條件的組合。通過改變接頭的方向，AZIMUT橫向運(yùn)動(dòng)，而不改變車體的方向。所有這些能力

16、使得機(jī)器人具有在狹窄的空間中移動(dòng)的能力。 AZIMUT被設(shè)計(jì)為放置在關(guān)節(jié)使車輪可通過腿部容易更換的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是高度模塊化，這樣。通過在接頭安裝了電動(dòng)垂直懸掛和柔性驅(qū)動(dòng)使這個(gè)平臺(tái)可以增強(qiáng)它的穩(wěn)定性和靈活性。放在驅(qū)動(dòng)接頭和傳感器的彈性單元可感測(cè)并控制驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的扭矩。提高對(duì)惡劣的地形移動(dòng)機(jī)器人，使機(jī)器人能夠“感覺”跌宕起伏的道路。圖1-6 Segway機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái) 圖1-7 The AZIMUT-3 platform1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 我們國內(nèi)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的研究從來沒有懈怠，而是以其他先進(jìn)國家為動(dòng)力，更加積極研究開發(fā)，然而我國開始研究這類移動(dòng)機(jī)器人實(shí)在八五期間。和其他國家移動(dòng)機(jī)器人相比，我們國

17、家對(duì)移動(dòng)機(jī)器人研究比較晚。所以國家計(jì)劃，加大對(duì)智能移動(dòng)機(jī)器人的研究，國家的各種研究這方面的大學(xué)及研究所展開了全面的研究發(fā)展。在我們國家的各種努力下，我們已經(jīng)掌握了室外移動(dòng)機(jī)器人研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，并且已經(jīng)達(dá)到了國際先進(jìn)水平。在國家的各種專項(xiàng)支持下，1994年，清華大學(xué)已經(jīng)將THM R-V智能移動(dòng)機(jī)器人研制成功，其涉及到很多技術(shù)，這些關(guān)鍵技術(shù)為智能移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)做出了重大貢獻(xiàn)，包括地圖的全局路徑規(guī)劃技術(shù)、傳感器信息的局部路徑規(guī)劃技術(shù)、路徑規(guī)劃的仿真技術(shù)、傳感器信息融合技術(shù)及智能移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)等五個(gè)技術(shù)，這次研制的成功充分說明我國已經(jīng)達(dá)到了國際先進(jìn)水平，2003年無人駕駛車被國防科技大

18、學(xué)賀漢根教授主持研制，它釆用了四層遞階控制體系結(jié)構(gòu)，以及各種控制算法，他可以在高速上高速行駛，可以達(dá)到130km/h的穩(wěn)定速度，最高時(shí)速170km/h，還可以進(jìn)行超車，這些技術(shù)指標(biāo)都已經(jīng)領(lǐng)先世界。 圖1-8沈陽新松的智能巡檢AGV 圖1-9昆明船舶的道型電磁導(dǎo)引AGVAGV這智能移動(dòng)機(jī)器人就是帶有自動(dòng)的引導(dǎo)裝置的自動(dòng)引導(dǎo)車，它的主要特點(diǎn)就是按照規(guī)定的路線來引導(dǎo)行駛，并且它具有安全保護(hù)作用，以及各種裝載功能的運(yùn)輸車，這類智能移動(dòng)機(jī)器人也是屬于輪式移動(dòng)機(jī)器人的一種。我國在1976年成功研制出第一臺(tái)AGV智能機(jī)器人，在北京起重機(jī)研究所研制出來，此后有很多研究所都開始對(duì)AGV智能移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行相關(guān)研究

19、，并且已經(jīng)有不同的AGV被批量生產(chǎn)出來，并且生產(chǎn)出來的AGV也已經(jīng)被大部分公司和企業(yè)認(rèn)可，這次研制的成功又一次奠定了我國智能的高水平技術(shù)，研制出來這機(jī)器人的代表公司有：沈陽新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司和昆明船舶設(shè)備集團(tuán)有限公司，各自的代表產(chǎn)品如圖1-8、圖1-9所示。 隨著智能移動(dòng)機(jī)器人的廣泛深入與應(yīng)用，國內(nèi)也有不少的科研工作者對(duì)智能移動(dòng)機(jī)器人展開了深入研究，所以智能機(jī)器人正在接近人的生活，把越來越多的簡(jiǎn)單工作者從簡(jiǎn)單的體力勞動(dòng)中解放出來，我國研制的第一臺(tái)智能型的服務(wù)機(jī)器人被海爾哈工大技術(shù)有限公司開發(fā)研制的，這種機(jī)器人采用了先進(jìn)的傳感系統(tǒng)(包括CCD攝像機(jī)、激光量測(cè)系統(tǒng)、超聲傳感器、紅外線傳感

20、器等)，它身高170cm，并且它是帶有語音系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，這些系統(tǒng)使它更接近人，表現(xiàn)的更智能，它可以在地面上自由行走，實(shí)現(xiàn)較多的人機(jī)對(duì)話，并且還安裝了12個(gè)超聲波傳感器在它身上，它可以從任何角度檢測(cè)出障礙物的位置，從而進(jìn)行躲避行走。在這之后，該公司又研制了更加智能的第二代機(jī)器人，是導(dǎo)游機(jī)器人，它增加了多媒體功能，可以自動(dòng)查詢和場(chǎng)景解釋。2010年浙江大學(xué)和中控科技集團(tuán)聯(lián)合研制出了高智能型服務(wù)機(jī)器人，采用四輪底盤支撐，并由四個(gè)獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)完成。這臺(tái)服務(wù)型機(jī)器人應(yīng)用了激光量測(cè)系統(tǒng)、光電編碼器與超聲傳感器，它利用避障和路徑規(guī)劃來控制小車的行走移動(dòng)，AGV系列自主車型的沉陽自動(dòng)化201，上海

21、交通大學(xué)研制的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（211 AMCTB）與邊疆的行走機(jī)構(gòu) - ITM自主移動(dòng)機(jī)器人等，211 AMCTB采取聯(lián)合輪式行走機(jī)構(gòu)，具有較強(qiáng)的能力第三，克服障礙;航空航天，科技，南開大學(xué)等高校及國內(nèi)一些高科技企業(yè)北京理工大學(xué)北京工業(yè)大學(xué)，一直從事研究和智能移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展。AGV系列自主車型的沉陽自動(dòng)化201，上海交通大學(xué)研制的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（211 AMCTB）與邊疆的行走機(jī)構(gòu) - ITM自主移動(dòng)機(jī)器人等，211 AMCTB采取聯(lián)合輪式行走機(jī)構(gòu)，具有較強(qiáng)的能力第三，克服障礙;航空航天，科技，南開大學(xué)等高校及國內(nèi)一些高科技企業(yè)北京理工大學(xué)北京工業(yè)大學(xué)，一直從事研究和智能移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展。世博會(huì)期間海寶

22、擔(dān)任了部分講解工作，其智能的語音對(duì)一話系統(tǒng)給中外游客留下了深刻的印象【I 9。此外，還有中科院沈陽自動(dòng)化所的AGV系列自主車201、上海交通大學(xué)研制的移動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(211 AMCTB )和Frontier-ITM自主移動(dòng)機(jī)器人等，211AMCTB采用了關(guān)節(jié)輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，具有較強(qiáng)的越障能力;北京航空航天大學(xué)、北京理工大學(xué)、南開大學(xué)等高等院校以及國內(nèi)一些高科企業(yè)也一直從事于智能移動(dòng)機(jī)器人的研究與開發(fā)工作。總體而言，做這些智能移動(dòng)機(jī)器人先進(jìn)的國家主要還是在西方國家和日本的企業(yè)，主要他們對(duì)機(jī)器人的研究開發(fā)以形成規(guī)模，并且在大規(guī)模的應(yīng)用，機(jī)器人市場(chǎng)穩(wěn)定，這就是我國和他們之間的差距;我國國內(nèi)機(jī)器人由于

23、剛起步，我國國內(nèi)機(jī)器人行業(yè)剛起步，現(xiàn)在主要在學(xué)校科研機(jī)構(gòu)應(yīng)用，還在起步階段，雖然研制的技術(shù)性能和基本的性能和西方國家相差不多，但是在可靠性方面確實(shí)存在了很大的差距。所以我國要學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)他國的經(jīng)驗(yàn)。1.3移動(dòng)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì) 一個(gè)移動(dòng)機(jī)器人能夠自主移動(dòng)它需要一個(gè)完善的機(jī)構(gòu)組織，而它通常是由移動(dòng)機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、感知系統(tǒng)和控制系統(tǒng)這四部分組成。移動(dòng)機(jī)器人顧名思義就是要它移動(dòng)，所以知道它的主體部分就是移動(dòng)機(jī)構(gòu)，移動(dòng)機(jī)構(gòu)可以提供給機(jī)器人良好的移動(dòng)功能，沒有移動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)器人就不會(huì)行走，常見的移動(dòng)機(jī)構(gòu)包括輪式機(jī)構(gòu)、履帶式機(jī)構(gòu)、關(guān)節(jié)式機(jī)構(gòu)和混合式機(jī)構(gòu)這幾種。履帶式機(jī)構(gòu)一般把野外視為工作點(diǎn)，它是主要用于軍

24、事偵查、勘探的移動(dòng)機(jī)器人，然而采用輪式機(jī)構(gòu)的話，它可以應(yīng)用于室內(nèi)室外，并且可以行駛在良好路面上的。如果要機(jī)器人實(shí)現(xiàn)各種作業(yè)功能必須利用執(zhí)行機(jī)構(gòu)，例如挖掘、搬運(yùn)、探測(cè)拍照等，機(jī)械臂這種活動(dòng)關(guān)節(jié)是常見的形式。各種傳感器組成了感知系統(tǒng)，而感知系統(tǒng)是要搜集各種內(nèi)部信息和外部信息傳給機(jī)器人，我們知道很多常見的傳感器，例如:CCD攝像機(jī)、激光量測(cè)系統(tǒng)、超聲傳感器、接觸和接近傳感器、紅外線傳感器、雷達(dá)定位傳感器、陀螺儀、電子羅盤等。控制系統(tǒng)相當(dāng)于移動(dòng)機(jī)器人的“大腦”，像具備圖像識(shí)別、環(huán)境感知、路徑規(guī)劃、障礙物檢測(cè)這種等多項(xiàng)技術(shù)一般為自主移動(dòng)機(jī)器人，能夠根據(jù)設(shè)定的功能要求進(jìn)行自主行進(jìn)和完成任務(wù)。1.3.1移動(dòng)

25、機(jī)器人的導(dǎo)航技術(shù)機(jī)器人是移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)的核心技術(shù)之一，也應(yīng)具有移動(dòng)機(jī)器人的基本功能。它能夠通過傳感器使移動(dòng)機(jī)器人感測(cè)信息的環(huán)境自身的工作狀態(tài)，并且當(dāng)沒有一個(gè)人干預(yù)先獨(dú)立地到達(dá)所希望的目的地。目前，移動(dòng)機(jī)器人主要的導(dǎo)航方式包括：磁導(dǎo)航和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，GPS導(dǎo)航，視覺導(dǎo)航等。其中磁導(dǎo)航主要用于自動(dòng)導(dǎo)引車（AGV ），它的原理是在AGV運(yùn)動(dòng)路徑上開出一個(gè)槽，埋入導(dǎo)線，施加5和30千赫的交流電流，從而在磁場(chǎng)中，磁傳感器能夠檢測(cè)AGV上的磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而引導(dǎo)所述車輛的運(yùn)行。慣性導(dǎo)航主要是方位角陀螺儀被用來測(cè)試移動(dòng)機(jī)器人，通過比較移動(dòng)機(jī)器人的當(dāng)前位置，并設(shè)置路線地圖的差異來實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航。GPS導(dǎo)航，顧名

26、思義，是通過空間衛(wèi)星來測(cè)量用戶和衛(wèi)星接收機(jī)之間的距離，從而實(shí)現(xiàn)用戶的位置，當(dāng)前的導(dǎo)航模式是非常廣泛的應(yīng)用前景。視覺導(dǎo)航是通過安裝在移動(dòng)機(jī)器人完全阻塞照相機(jī)和簽名的檢測(cè)和識(shí)別，是機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)在未來發(fā)展方向，但是在關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域，例如圖像識(shí)別，也存在很大的問題。1.3.2移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù)根據(jù)某些性能指標(biāo)的搜索從起始點(diǎn)到最好路徑的目標(biāo)是沒有碰撞路徑規(guī)劃，路徑規(guī)劃的基礎(chǔ)上，環(huán)境信息掌握程度，路徑規(guī)劃可分為：完全清楚全局路徑環(huán)境信息規(guī)劃和不完整的信息，或基于傳感器未知的路徑規(guī)劃。焦點(diǎn)的研究，近年來，有不完整的信息或未知的環(huán)境和局部路徑規(guī)劃技術(shù)，主要方法有：人工勢(shì)場(chǎng)法，遺傳算法和模糊邏輯法等。1.3

27、.3移動(dòng)機(jī)器人多傳感器信息融合技術(shù) 移動(dòng)機(jī)器人多傳感器信息融合技術(shù)是它的關(guān)鍵技術(shù)之一。將多個(gè)傳感器所提供的環(huán)境信息進(jìn)行集成處理的這種功能叫做信息融合技術(shù)，該技術(shù)以形成外部環(huán)境的統(tǒng)一。這個(gè)信息互補(bǔ)，冗余，實(shí)時(shí)和低成本各種優(yōu)秀特性全被融合起來，因此它可以把環(huán)境特性更加完整的，精確地反映出來，以便作出正確的判斷和決策，保證快速，機(jī)器人系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性的運(yùn)動(dòng)。 1.3.4移動(dòng)機(jī)器人模塊化技術(shù)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展速度越來越快，已經(jīng)得到越來越多范圍廣泛應(yīng)用，而機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，沒有統(tǒng)一的架構(gòu)體系，缺乏相應(yīng)的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)體系和接口協(xié)議規(guī)范，研究和開發(fā)工作的基礎(chǔ)上也有很多低層次重復(fù)，無法實(shí)現(xiàn)各種功能組件的重用和掉期交易，

28、而不是協(xié)調(diào)，沒有形成產(chǎn)業(yè)鏈中勞動(dòng)的專業(yè)化產(chǎn)業(yè)鏈分工，制約工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)的形成和發(fā)展的根本原因是需要很高的成本，所以研究的未來產(chǎn)業(yè)化發(fā)展機(jī)器人模塊化體系結(jié)構(gòu)框架的設(shè)計(jì)也是移動(dòng)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)之一，重點(diǎn)包括在國內(nèi)外機(jī)器人模塊化體系結(jié)構(gòu)的研究，模塊化機(jī)器人系統(tǒng)框架技術(shù)，機(jī)器人技術(shù)，模塊化設(shè)計(jì)過程仿真演示系統(tǒng)典型的機(jī)器人功能模塊組件技術(shù)，機(jī)器人模塊化架構(gòu)產(chǎn)業(yè)升級(jí)機(jī)制研究等。 研究移動(dòng)機(jī)器人需要涉及到很多的工程和技術(shù)，它需要各個(gè)領(lǐng)域的工程技術(shù)，如機(jī)械工程、傳感器技術(shù)，電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)，控制技術(shù)以及人工智能等多學(xué)科技術(shù)。隨著社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步，以及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)機(jī)器人開始向家用領(lǐng)域發(fā)展，這樣移動(dòng)機(jī)器

29、人必然要向著高智能，高情感的方向發(fā)展，但是要讓機(jī)器人具有情感化，不是簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單的事情，一定要實(shí)現(xiàn)對(duì)人工智能的突破和加強(qiáng)對(duì)機(jī)器腦的研制，這樣才有可能實(shí)現(xiàn)情感化機(jī)器人。此外，隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和人工智能的不斷發(fā)展，會(huì)研制出很多智能機(jī)器人，具有多機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和協(xié)作機(jī)制，遠(yuǎn)程信息交互技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人也將在軍用和民用上得到廣泛的應(yīng)用。1.4本文結(jié)構(gòu)與內(nèi)容本課題所研究的移動(dòng)機(jī)器人通用底盤通過模塊化設(shè)計(jì)，使之能夠?yàn)槎喾N服務(wù)型機(jī)器人提供移動(dòng)能力。通過對(duì)通用底盤的二次應(yīng)用，安裝各類控制板卡、傳感器和人機(jī)交互設(shè)備，可搭配出適應(yīng)與不同場(chǎng)合，能夠?qū)崿F(xiàn)各種功能的移動(dòng)機(jī)器人，為機(jī)器人的研制工作縮短周期。本文各章節(jié)的結(jié)構(gòu)與

30、主要內(nèi)容: 第一章介紹移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展歷史以及國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，詳細(xì)說明移動(dòng)機(jī)器人在各領(lǐng)域的應(yīng)用以及在未來的發(fā)展前景。 第二章介紹全方位平臺(tái)的輪系布局結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上建立通用底盤的動(dòng)力學(xué)模型以及全方位輪的動(dòng)力學(xué)模型。第三章主要介紹STM32主控芯片的特點(diǎn)和CAN總線的主要特點(diǎn)。第四章主要介紹讓底盤通過PID算法合理完成起步、行走、剎車等動(dòng)作。 1.5本章小結(jié) 本章主要講述了國內(nèi)外移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展情況，介紹了移動(dòng)機(jī)器人國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，闡述了移動(dòng)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)，最后給出了本人的主要工作以及后文的章節(jié)內(nèi)容。第二章 輪式移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析2.1 底盤移動(dòng)能力分析 在移動(dòng)機(jī)器人中，輪式機(jī)器人相

31、比較雙足式機(jī)器人而言控制簡(jiǎn)單，平穩(wěn)性更好，運(yùn)行速度更快，相比較履帶式機(jī)器人噪音情況和乘坐舒適性更好，因此輪式機(jī)器人具有良好的綜合性能，此外，輪式機(jī)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，容易裝拆，便于維護(hù)和修理，對(duì)于立足于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的通用底盤更為合適,在機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，全向移動(dòng)機(jī)器人以其高機(jī)動(dòng)性和穩(wěn)定性得到了廣泛的研究，其具有靈活性、穩(wěn)定性等特點(diǎn)，能夠滿足機(jī)器人多樣化、靈活以及準(zhǔn)確的移動(dòng)。目前在移動(dòng)機(jī)構(gòu)輪可以分為履帶式、輪式和腿式等，而輪式由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定并且易控制的優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用，輪式機(jī)構(gòu)又根據(jù)它是否存在迂回半徑分為全向輪和非全向輪。全向移動(dòng)機(jī)器人能有具有這樣的優(yōu)勢(shì)主要是因?yàn)樗鼈兪褂玫氖蔷哂袃蓚€(gè)方向移動(dòng)自由度

32、的全向輪，其全向輪可以使機(jī)器人在移動(dòng)過程中重心平移相對(duì)穩(wěn)定。具備全向運(yùn)動(dòng)能力的機(jī)器人，它們?cè)诙S平面上可以獨(dú)立控制機(jī)器人的重心平移和旋轉(zhuǎn)速度，這是傳統(tǒng)的輪式機(jī)器人也無法達(dá)到的。通過對(duì)多種機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)效果比較，三輪全向機(jī)器人由于可以個(gè)輪軸同時(shí)對(duì)車身所產(chǎn)生的合速度相互 左右來決定移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)效果，并且運(yùn)動(dòng)過程相對(duì)穩(wěn)定，從而選擇其成為本次研究的對(duì)象。 本設(shè)計(jì)需要了解全向輪的底盤機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，全方位移動(dòng)機(jī)器人具有全方位運(yùn)動(dòng)能力的關(guān)鍵在于全方位輪系結(jié)構(gòu)，其具有的大輪邊緣套有小輪的機(jī)構(gòu)能夠避免普通輪系不能側(cè)滑帶來的非完整性運(yùn)動(dòng)限制從而實(shí)現(xiàn)全方位運(yùn)動(dòng)。研究的全方位機(jī)器人底盤以 3 個(gè)全向輪1組成。實(shí)際使用中

33、考慮到增加輪子的負(fù)載能力并使每個(gè)輪子更接近整圓而采用了兩個(gè)全向輪并排使用。機(jī)器人底盤三維模型，如圖 1 所示。三個(gè)全向輪運(yùn)動(dòng)軸心夾角按照 120進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)機(jī)器人運(yùn)行工況假設(shè)底盤是剛體，底盤三個(gè)全向輪由獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。底盤運(yùn)動(dòng)信息主要通過兩個(gè)編碼器和一個(gè)陀螺儀獲取。為適應(yīng)底盤全方位移動(dòng)的特點(diǎn)，編碼器尾部連接一個(gè)小型全向輪，并將兩個(gè)編碼器的運(yùn)動(dòng)軸心成90夾角布置。陀螺儀水平固定在底盤上（模型中未畫出），檢測(cè)機(jī)器人的角度信息。 圖1 全向輪底盤三維模型 2.2全向輪底盤的定位模型與運(yùn)動(dòng)模型目前全向輪底盤定位方式包括傳感器定位，單碼盤加陀螺儀定位等。傳感器的實(shí)時(shí)定位精度較低，無法滿足定位要求；單碼

34、盤加陀螺儀定位精度較高，但理論上要求碼盤安裝在機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)中心，機(jī)械安裝誤差對(duì)定位效果影響很大。使用的定位方式為正交碼盤加陀螺儀定位，具有定位精度高、安裝方便、支持全向行走的特點(diǎn)。下面建立基于正交碼盤與陀螺儀的三輪全向輪底盤定位模型與運(yùn)動(dòng)模型。 建立場(chǎng)地全局坐標(biāo)系 Xa-Ya和機(jī)器人自身坐標(biāo)系 Xr-Yr2，如圖 2 所示。Xr-Yr坐標(biāo)系原點(diǎn)為機(jī)器人三個(gè)全向輪運(yùn)動(dòng)軸心交線處，a 為 Xa與編碼器 1 運(yùn)動(dòng)軸心的夾角， 為 Xa與 Xr的夾角，L1、L2、L3為 Xr-Yr坐標(biāo)系原點(diǎn)到三個(gè)全向輪中分面的垂直距離，l1、l2為機(jī)器人坐標(biāo)系原點(diǎn)到兩個(gè)編碼器連接的小型全向輪中分面的垂直距離，Vi為碼

35、盤沿碼盤連接的小型全向輪驅(qū)動(dòng)方向的速度，V輪 1、V輪 2、V輪 3分別代表三個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的底盤全向輪速度。 圖2 全局坐標(biāo)系與機(jī)器人坐標(biāo)系 考慮到靈活性、小型化、穩(wěn)定性、模塊化等特點(diǎn)，基于嵌入式平臺(tái)，設(shè)計(jì)了三輪全向移動(dòng)機(jī)器人的軟硬件架構(gòu)，其主要有控制模塊(stm32)，內(nèi)部通信模塊 （串行通信協(xié)議），外部通信模塊(CAN總線)，傳感模塊，運(yùn)動(dòng)控制模塊。2.3 方案的確定經(jīng)過反復(fù)的比較論證，最終確定方案如下：（1） 采用三軸輪式底盤，使它完成任何方向的行駛。（2） 采用STM32單片機(jī)作為主控制器。（3） 用L298N作為直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片。（4） 利用PID算法合理的完成起步、行走、剎車等動(dòng)作

36、。 第三章 硬件及單元電路設(shè)計(jì)3.1 主控制器的選擇 任何一個(gè)機(jī)器人都有一個(gè)主控制器，主控制器是整個(gè)移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)的核心，貫穿在各個(gè)分系統(tǒng)之間。主控制器的選擇考慮方向有兩大類，一類是選擇單片機(jī)來搭建電路，另外一類的使用現(xiàn)成的微型PC系統(tǒng)。如果只需要自動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單的操作，可以優(yōu)先考慮使用單片機(jī)芯片控制；如果對(duì)于完成復(fù)雜任務(wù)要求的自動(dòng)機(jī)器人來說，要用微型計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行控制15。因?yàn)槲疫@個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)的任務(wù)書要求采用STM32芯片作為主控制器，所以采用了采用ST（意法半導(dǎo)體）公司的STM32F103作為主控制器。這款芯片具有先進(jìn)的內(nèi)核結(jié)構(gòu)以及優(yōu)秀的功耗控制，性能出眾而且具有豐富的外設(shè)，這適合

37、做多種擴(kuò)展開發(fā)，高度的集成整合使得芯片體積小，這款芯片廣泛的應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)，考慮到在以后讓小車進(jìn)去起步、行走、剎車等功能實(shí)現(xiàn)，因此選擇這款芯片作為本次設(shè)計(jì)的主控制器，同時(shí)也可以接受和學(xué)習(xí)先進(jìn)的嵌入式技術(shù)。3.2 三軸輪式底盤車身設(shè)計(jì)全向輪具有全方位移動(dòng)的優(yōu)勢(shì)，它的主要特點(diǎn)就是可以按照任何方向移動(dòng)，這樣機(jī)器人就可以按照操控者設(shè)計(jì)的任何方向進(jìn)行移動(dòng)，這種三輪全向移動(dòng)機(jī)器人是利用軟件結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型完成的智能機(jī)器人，不像傳統(tǒng)的移動(dòng)輪只能前后移動(dòng)，它具有能夠在兩個(gè)方向上移動(dòng)的自由度，并且不存在回轉(zhuǎn)半徑的問題。全向輪是由若干小滾輪組成，使各滾輪的母線共同形成一個(gè)完整的圓周，從而使輪子可以全方位轉(zhuǎn)動(dòng)。本

38、文采用的全向輪由16個(gè)小滾輪組成， 輪子半徑為52.5mm。機(jī)器人通過STM32主控芯片收到串口通訊命令啟動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)板，驅(qū)動(dòng)板會(huì)帶動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)全向輪的輪軸，從而控制全向輪轉(zhuǎn)動(dòng)。本文所用機(jī)器人高128mm，長(zhǎng)340mm，寬390mm。底盤設(shè)計(jì)：為了便于操作，而且方便在上邊安裝其他東西，因此選擇尺寸較寬的底板，在與同學(xué)交流討論過程中，發(fā)現(xiàn)如果選擇全鋼結(jié)構(gòu)的小車車身，這樣車身重量大，比較穩(wěn)，載重量也會(huì)強(qiáng)很多，所以我選擇了下面這個(gè)底盤，它是最適合這種需要的底盤。 三軸輪式底盤實(shí)物3.3 STM32主控芯片介紹2006年，ARM公司推出了基于ARMv7架構(gòu)的Cortex系列的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，用來滿足不同場(chǎng)合不同

39、要求的領(lǐng)域，包含了A、R、M三個(gè)分工明確的系列。其中A系列是面向尖端的基于虛擬內(nèi)存的操作系統(tǒng)和用戶應(yīng)用，也叫應(yīng)用程序處理器。應(yīng)用包括：智能手機(jī)、數(shù)字電視、智能本和上網(wǎng)本、家用網(wǎng)關(guān)、電子書閱讀器等；R系列是針對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，面向深層的嵌入式實(shí)時(shí)應(yīng)用。應(yīng)用包括：汽車制動(dòng)系統(tǒng)、動(dòng)力傳動(dòng)解決方案、大容量存儲(chǔ)控制器以及聯(lián)網(wǎng)和打??；M系列針對(duì)微控制器，在這個(gè)領(lǐng)域中需要進(jìn)行快速且具有高確定性的中斷管理、同時(shí)需將門數(shù)和可能功耗控制在最低。應(yīng)用包括：微控制器、混合信號(hào)設(shè)備、智能傳感器、汽車電子和氣囊。半導(dǎo)體制造廠商意法半導(dǎo)體ST公司是ARM公司Cortex-M3內(nèi)核開發(fā)項(xiàng)目的一個(gè)主要的合作方，2007年6月11日S

40、T公司率先推出了基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32系列的內(nèi)核。該款芯片一出現(xiàn)就迅速占領(lǐng)了市場(chǎng)，得到了廣泛的應(yīng)用。STM32系列處理器目前分為2個(gè)系列：STM32F101是標(biāo)準(zhǔn)型系列，工作在36Hz；而STM32F103是增強(qiáng)型系列，工作在72MHz，帶有更多片內(nèi)RAM和更豐富的外設(shè)。這兩個(gè)系列的產(chǎn)品擁有相同的片內(nèi)Flash選項(xiàng)，在軟件和引腳封裝方面是兼容的14。本次設(shè)計(jì)采用的STM32F103RCT6作為STM32增強(qiáng)型系列芯片，具有以下的功能：內(nèi)核：ARM 32位的Cortex-M3 CPU - 最高72MH工作頻率，在存儲(chǔ)器的0等待周期訪問時(shí)可達(dá)1.25DMips/MHz（Dhryst

41、one2.1) - 單周期乘法和硬件除法 存儲(chǔ)器：- 64K字節(jié)的閃存程序存儲(chǔ)器- 以及高達(dá)20K字節(jié)的SRAM時(shí)鐘、復(fù)位和電源管理- 2.03.6伏寬范圍供電和i/o引腳- 上電/斷電復(fù)位（POR/PDR）、可編程電壓檢測(cè)器（PVD）- 416MHz晶體振蕩器- 內(nèi)嵌在出廠時(shí)已經(jīng)調(diào)校的8MHz的RC振蕩器- 內(nèi)嵌帶有校準(zhǔn)的40kHz的RC振蕩器- 產(chǎn)生CPU時(shí)鐘的PLL- 帶有校準(zhǔn)功能的32kHz RTC振蕩器低功耗：- 睡眠、停機(jī)和待機(jī)三種模式- Vbat 為RTC以及后備寄存器供電2個(gè)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，1us轉(zhuǎn)換時(shí)間（多達(dá)16個(gè)輸入通道）- 轉(zhuǎn)換范圍：0V至3.6V- 具有雙采用和保持功

42、能- 內(nèi)置溫度傳感器DMA：- 7通道DMA控制器- 支持的外設(shè)：定時(shí)器、ACC、SPI、IIC和USART多達(dá)80個(gè)快速I/O端口- 26/37/51/80個(gè)I/O口，所有的I/O口均可以映像到16個(gè)外部中斷；幾乎所有的端口都可容忍5V信號(hào)調(diào)試模式- 串行單線調(diào)試（SWD）和JTAG接口多達(dá)7個(gè)定時(shí)器- 3個(gè)16位定時(shí)器，每個(gè)定時(shí)器都有多達(dá)4個(gè)用于輸入捕獲/輸出比較/PWM或脈沖計(jì)數(shù)的通道和增量編碼器輸入- 1個(gè)16位帶死區(qū)控制和緊急剎車，用于電機(jī)控制的PWM高級(jí)控制定時(shí)器- 2個(gè)看門狗定時(shí)器（獨(dú)立的和窗口型的）- 系統(tǒng)時(shí)間定時(shí)器：24位的自減型計(jì)數(shù)器多達(dá)9個(gè)通信接口- 多達(dá)2個(gè)IIC接口（

43、支持SMBus/PMBus）- 多達(dá)3個(gè)USART接口（支持ISO7816接口，LIN,IrDA接口以及調(diào)制解調(diào)控制）- 多達(dá)2個(gè)SPI接口（18M/秒）- CAN 接口（2.0B標(biāo)準(zhǔn) 主動(dòng)）CRC計(jì)算單元，96位的芯片唯一代碼ECOPACK封裝 引腳圖如圖3.2所示 圖3.2 STM32F103RCT6引腳圖3.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理 從STM32單片機(jī)輸出的信號(hào)很弱，在沒有其它的外在負(fù)載時(shí)也不能帶動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，所以在實(shí)際電路中需要加入電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片來提高輸入電機(jī)信號(hào)的功率，使它達(dá)到電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的要求。根據(jù)驅(qū)動(dòng)功率大小以及為了連接電路簡(jiǎn)單，選擇驅(qū)動(dòng)芯片L298N，驅(qū)動(dòng)模塊電路原理圖如圖3.3所示。 圖3

44、.4驅(qū)動(dòng)模塊電路原理圖 L298N是由ST公司生產(chǎn)的一種專用驅(qū)動(dòng)集成電路，屬于H橋集成電路，與L293D相比，輸出的電流增大，功率增強(qiáng)。其輸出電流為2A，最高可達(dá)4A，最高工作電壓為50V，還可以驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載，比如大功率的步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)、電磁閥等。其中最方便的一點(diǎn)是輸入端可以直接與單片機(jī)相連，這樣很容易通過單片機(jī)進(jìn)行控制。當(dāng)驅(qū)動(dòng)是直流電機(jī)時(shí)，可以直接控制直流電機(jī)，并且還可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的反轉(zhuǎn)和正轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能只需要改變輸入端的邏輯電平就可。此外，為了避免電機(jī)對(duì)單片機(jī)產(chǎn)生干擾，本模塊加入了光耦來進(jìn)行光電隔離，使得系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠的進(jìn)行工作。3.5 CAN總線通信簡(jiǎn)介3.5.1CAN總線的主要特

45、點(diǎn)CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network ,CAN）的簡(jiǎn)稱，是由研發(fā)和生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品著稱的德國BOSCH公司開發(fā)的，并最終成為國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO11898）。是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。作為現(xiàn)場(chǎng)總線之一的CAN總線具有以下一些特點(diǎn)：1. CAN可以多主式工作，在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的任意節(jié)點(diǎn)都可以主動(dòng)的向其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行發(fā)送信息，沒有主從之分，通信方式靈活：CAN節(jié)點(diǎn)在偵聽到網(wǎng)絡(luò)上至少有3個(gè)隱性位之后，便認(rèn)為總線是空閑狀態(tài)，這時(shí)可以想網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送信息。2. CAN節(jié)點(diǎn)可以借助報(bào)文濾波技術(shù)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)以及全局廣播等幾種通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的發(fā)送和接收。在SJA1

46、000中，可以通過設(shè)置驗(yàn)收代碼寄存器ACR和驗(yàn)收屏蔽寄存器AMR來確定CAN節(jié)點(diǎn)的地址，允許接收郵箱RXFIFO只接收同識(shí)別碼和驗(yàn)收濾波器中預(yù)先設(shè)定相同值的信息，并且還可以通過設(shè)置模式寄存器MOD的AFM位來選擇濾波模式。3. CAN采用非破壞性仲裁技術(shù)，當(dāng)兩個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)同時(shí)向網(wǎng)絡(luò)上傳數(shù)據(jù)時(shí)，優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)主動(dòng)停止數(shù)據(jù)的上傳，優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)上傳不受影響，這種技術(shù)有效的避免了總線的沖突，在負(fù)載嚴(yán)重的情況下也不會(huì)立即出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓。4. CAN采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀數(shù)據(jù)的有效字節(jié)數(shù)為8個(gè)（這是CAN技術(shù)規(guī)范2.0A），數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間特別短，受干擾的概率低，重新發(fā)送時(shí)間短。5. CAN的每一幀數(shù)據(jù)都有

47、CRC校驗(yàn)已經(jīng)其他的檢錯(cuò)措施，從而保證了數(shù)傳傳輸過程中的可靠性，適合用于高干擾的環(huán)境中。6. CAN節(jié)點(diǎn)在嚴(yán)重錯(cuò)誤的情況下，還具有自動(dòng)關(guān)閉總線的功能，切斷了該節(jié)點(diǎn)與總線之間的聯(lián)系，從而使得總線上其他操作不受影響。7.CAN總線直接通信距離可達(dá)10Km/5Kbps，通信速率最高可達(dá)1Mbps/40m。8.采用不歸零碼（NRZ）編碼/解碼方式，并采用位填充（插入）技術(shù)。3.5.2 CAN總線的幀結(jié)構(gòu)1. 數(shù)據(jù)幀（Data Frame）CAN協(xié)議處理兩種類型的數(shù)據(jù)幀標(biāo)準(zhǔn)2.0 A和2.0 B，兩者的本質(zhì)區(qū)別在于，ID的長(zhǎng)度是不同的。在2.0 A，該ID的長(zhǎng)度為11位;在2.0B中， ID的長(zhǎng)度是29

48、位，主要包括在信息幀中的七個(gè)字段：幀起始域 - 標(biāo)志數(shù)據(jù)幀的開始，占有主導(dǎo)地位構(gòu)成。仲裁域 - 由標(biāo)識(shí)符和遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求（RTR）組成，RTR用于表示信息幀是數(shù)據(jù)幀還是不包含任何請(qǐng)求數(shù)據(jù)幀。當(dāng)2.0 A和2.0B在同一總線上傳輸數(shù)據(jù)幀，首先確定優(yōu)先級(jí)，當(dāng)在同一ID階段中，擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀格式擴(kuò)展較高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)幀，控制域r0、r1是保留位，作為擴(kuò)展位，DLC表示一幀中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。數(shù)據(jù)域包含08個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。校驗(yàn)域校驗(yàn)位使用的是循環(huán)冗余校驗(yàn)域，一共15位。應(yīng)答域包含應(yīng)答位和應(yīng)答分隔符。幀結(jié)束由7位隱性電平組成。2. 遠(yuǎn)程幀（Remote Frame） 接收數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)可以通過發(fā)遠(yuǎn)程幀請(qǐng)求源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。由6個(gè)域組成：幀起始、仲裁域、控制域、校驗(yàn)域、應(yīng)答域、幀結(jié)束。3. 錯(cuò)誤幀由錯(cuò)誤標(biāo)志和錯(cuò)誤分界兩個(gè)域組成。接收節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)總線上的報(bào)文有錯(cuò)誤時(shí)，將自動(dòng)的發(fā)出“活動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志”，其他節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到活動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志后發(fā)送“錯(cuò)誤認(rèn)可標(biāo)志”。4. 過載幀 由過載符號(hào)和過載分隔符組成。過載幀只能在一個(gè)幀結(jié)束后開始。當(dāng)接收方接收下一幀之前，需要一