畢業(yè)論文-機器爬蟲的研制

1、機器爬蟲的研制作者： 執(zhí)導(dǎo)教師：學(xué)號:(屆別：2005屆 專業(yè)：電子信息工程 班級：2001級電子甲班) 摘要：當(dāng)今世界電子技術(shù)迅速發(fā)展，微處理器、微型計算機在各技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，對各領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展起到了極大的推動作用。機電一體化的發(fā)展趨勢更是無法避免，而且二者的結(jié)合正向著更高更深的層次發(fā)展。一個較完善的機電一體化系統(tǒng)，應(yīng)包含以下幾個基本要素：機械本體、動力與驅(qū)動部分、執(zhí)行機構(gòu)、傳感測試部分、控制及信息處理部分。機電一體化是系統(tǒng)技術(shù)、計算機與信息處理技術(shù)、自動控制技術(shù)、檢測傳感技術(shù)、伺服傳動技術(shù)和機械技術(shù)等多學(xué)科技術(shù)領(lǐng)域綜合交叉的技術(shù)密集型系統(tǒng)工程?！皺C器爬蟲”就是在這種知識體系的支撐下

2、開發(fā)和研制而成的。我們從仿生學(xué)的角度出發(fā)，深入淺出，通過模仿爬蟲的一些基行為和動作，在實體上實現(xiàn)了爬蟲直線行走、轉(zhuǎn)彎、自動蔽障等基本功能。仿生物系統(tǒng)化將是未來機器人開發(fā)的主要方向。新一代的cnc ( Computer Numerical Control ) 系統(tǒng)，這類典型機電一體化產(chǎn)品正朝著高性能、智能化、系統(tǒng)化以及輕量、微型化方向發(fā)展。關(guān)鍵字： 機電一體化伺服電機爬蟲單片機Research of The Machine reptileAuthor : Zhang yong Yang peilie Tutor : Pei dong Wang quanzhou( Year:2005th fall

3、s due Major: Electronic information projectClass:In 2001 level electronic first class )Abstract :Now the world electronic technology rapid development, the microprocessor, the microcomputer obtained the widespread application in various area of technology, to various domains technology development t

4、o enormous impetus function. The integration of machinery development tendency is unable to avoid, moreover the two union is turning towards the Gauguin deep level development. A perfect integration of machinery system, should contain following several basic essential factors: Mechanical main body,

5、power and actuation part, implementing agency, sensing measurement component, control and information processing part. The integration of machinery is the system technology, the computer and the information processing, the automatic control technology, the examination sensing technology, the servo d

6、rive technology and the mechanical technology and so on the multi-disciplinary area of technology synthesis overlapping technology-intensive systems engineering. “the machine reptile” is the development and the development but becomes in under this kind of knowledge system strut. We embark from the

7、bionics angle, explain the profound in simple language, through the imitation reptiles some base behaviors and the movement, realized the reptile straight line in the entity to walk, the curve, automatically blocks and so on the basic function. The biological modelling systematization will be the ma

8、in direction which the future robot will develop. New generation of cnc (Computer Numerical Control) the system, this kind of model integration of machinery product is facing the high performance,the intellectualization, the systematization as well as the featherweight,the microminiaturized directio

9、n develops.Key words : Mechanical-electrical integration Actuating motor Reptile Single chip computer引 言電子信息產(chǎn)業(yè)是當(dāng)今世界上最具競爭力的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。九十年代以來，以通信、計算機及軟件產(chǎn)業(yè)為主體的世界電子信息產(chǎn)業(yè)在激烈競爭和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級中高速發(fā)展，增速遠高于世界GDP 的增長速度，是全球增長最快的產(chǎn)業(yè)之一。電子信息產(chǎn)業(yè)不僅本身增長速度快，而且以其高滲透性、高倍增性和高帶動性，已經(jīng)成為世界各國經(jīng)濟發(fā)展的主要動力。踏著世界電子信息產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的步伐，電子信息科學(xué)與技術(shù)已成為推動國民經(jīng)濟發(fā)展的最

10、活躍因素，并極大地改變了人類生活和社會面貌。在我國電子信息產(chǎn)業(yè)-包括計算機、通信、自動化和控制技術(shù)，不但自身在迅速發(fā)展，而且已滲透到各行各業(yè)，成為改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、實現(xiàn)經(jīng)濟騰飛的重要力量。而大批掌握電子信息技術(shù)，會從事相關(guān)產(chǎn)業(yè)開發(fā)、管理、生產(chǎn)、維護的不同層次科技人員，又是國民經(jīng)濟和科技發(fā)展得以長盛不衰的保證?！皺C器爬蟲”作為電子信息技術(shù)的平臺，匯集系統(tǒng)技術(shù)、計算機與信息處理術(shù)、單片機應(yīng)用技術(shù)、自動控制技術(shù)、檢測傳感技術(shù)、伺服傳動技術(shù)和機械技術(shù)等多學(xué)科技術(shù)和領(lǐng)域。充分體現(xiàn)了電子信息類工科設(shè)計開發(fā)、研究制作，理論、實踐結(jié)合的實用性和創(chuàng)新性。另外，研究制造昆蟲機器人，其前景也是非常美好的。例如，通過一只

11、“蟲王”就可以控制一大群機器昆蟲，由它以接力形式把控制指令傳送給每個機器昆蟲。應(yīng)用這種機器昆蟲可以在戰(zhàn)場上完成偵查、運送物品，或在其他星球進行探路。作為機器爬蟲項目研發(fā)集體的一員，筆者親歷了整個項目的開發(fā)過程，并在其中擔(dān)負了一定的實際工作，尤其是在系統(tǒng)材料選型、應(yīng)用，PCB設(shè)計制作方面積累了一定經(jīng)驗，取得了一些收獲。本篇文章將結(jié)合作者的工作經(jīng)驗，從電子系統(tǒng)設(shè)計的選型，單元電路設(shè)計制等方面詳細論述。目 錄1總體設(shè)計思路1 1.1語音學(xué)的相關(guān)知識1 1.2語音信號的壓縮和編碼2 1.3語音識別2 方案比較與論證12.1中央控制系統(tǒng)12.2電源選擇43系統(tǒng)設(shè)計53.1語音識別原理分析與說明53.1.

12、1語音識別基本原理53.1.2爬蟲直行原理分析63.1.3爬蟲自動避障原理分析63.2器件的選型與外圍部件的制作73.2.1中央控制系統(tǒng) AT89C205173.3電路設(shè)計與說明83.3.1電源電路103.3.2控制系統(tǒng)電路103.4機械構(gòu)架的設(shè)計與制作103.5自由度的選擇114系統(tǒng)調(diào)試124.1硬件調(diào)試124.2軟件調(diào)試134.2.1第一階段134.2.2第二階段135指標測試146 系統(tǒng)說明156.1使用說明156.2技術(shù)特點156.3系統(tǒng)設(shè)計理念及功能創(chuàng)新157 結(jié)束語16參考文獻17 總體設(shè)計思路第一步，研究昆蟲的相關(guān)知識；第二步研究電機的相關(guān)知識；第三步，設(shè)計并制作電路、設(shè)計并制作

13、機械構(gòu)架，力求用最少的電機完成最多的功能（如模仿爬蟲的的動作、生理功能等）?？砂l(fā)展目標是實現(xiàn)多只機器爬蟲的通訊，相互配合完成一定的任務(wù)。總體設(shè)計流程圖如下：1.1昆蟲的相關(guān)知識 我們的設(shè)計是從仿生學(xué)的角度出發(fā)，模擬和實現(xiàn)昆蟲的一些基本行為和動作。因而在前期對昆蟲的相關(guān)知識做了基本的研究。其中主要用到了六足爬蟲行走時的動作特點。我們發(fā)現(xiàn)，昆蟲行走是以三條腿為-組進行的，即一側(cè)的前、后足與另一側(cè)的中足為一組。這樣就形成了一個三角形支架結(jié)構(gòu)，當(dāng)這三條腿放在地面并向后蹬時，另外三條腿即抬起向前準備輪換，靠兩組腿前后交替運動而行走。讓我們具體來看看一組中的三條腿是怎樣相互配合的：前足用爪固定物體后拉動蟲

14、體向前，中足用來支持并舉起所屬一側(cè)的身體，后足則推動蟲體前進，同時使蟲體轉(zhuǎn)向。這種行走方式使昆蟲可以隨時隨地停息下來，因為重心總是落在三角支架之內(nèi)。并不是所有昆蟲都用六條腿來行走，有些昆蟲由于前足發(fā)生了特化，有了其他功用或退化，行走就主要靠中、后足來完成了。1.2電機相關(guān)知識 微型伺服電機原理分析1）微型伺服電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)一個微型伺服電機內(nèi)部包括了一個小型直流電機；一組變速齒輪組；一個反饋可調(diào)電位器；及一塊電子控制板。其中，高速轉(zhuǎn)動的直流電機提供了原始動力，帶動變速（減速）齒輪組，使之產(chǎn)生高扭力的輸出，齒輪組的變速比愈大，伺服電機的輸出扭力也愈大，也就是說越能承受更大的重量，但轉(zhuǎn)動的速度也愈低。

15、2）微行伺服電機的工作原理一個微型伺服電機是一個典型閉環(huán)反饋系統(tǒng)，其原理可由下圖表示：減速齒輪組由電機驅(qū)動，其終端（輸出端）帶動一個線性的比例電位器作位置檢測，該電位器把轉(zhuǎn)角坐標轉(zhuǎn)換為一比例電壓反饋給控制線路板，控制線路板將其與輸入的控制脈沖信號比較，產(chǎn)生糾正脈沖，并驅(qū)動電機正向或反向地轉(zhuǎn)動，使齒輪組的輸出位置與期望值相符，令糾正脈沖趨于為0，從而達到使伺服電機精確定位的目的。3）伺服電機的控制標準的微型伺服電機有三條控制線，分別為：電源、地及控制。電源線與地線用于提供內(nèi)部的直流電機及控制線路所需的能源，電壓通常介于4V6V之間，該電源應(yīng)盡可能與處理系統(tǒng)的電源隔離（因為伺服電機會產(chǎn)生噪音）。甚

16、至小伺服電機在重負載時也會拉低放大器的電壓，所以整個系統(tǒng)的電源供應(yīng)的比例必須合理。輸入一個周期性的正向脈沖信號，這個周期性脈沖信號的高電平時間通常在1ms2ms之間，而低電平時間應(yīng)在5ms到20ms之間，并不很嚴格，下表表示出一個典型的20ms周期性脈沖的正脈沖寬度與微型伺服電機的輸出臂位置的關(guān)系：2 方案比較與論證2.1 中央控制系統(tǒng)我們采用ATMEL的AT89C2051單片機作為機器爬蟲的核心控制芯片，考慮到爬蟲的功能比較簡單，以及爬蟲的驅(qū)動所選取的電機為普通伺服電機，力矩不是很大所以我們盡量將爬蟲制作的小巧一些。2.2 爬蟲足數(shù)選擇方案一：四足優(yōu)點：制作簡單。缺點：平衡性差，支撐性能差。

17、方案二：六足優(yōu)點：制作難度適中，平衡性好，支撐性能好。缺點：電機匹配調(diào)試復(fù)雜。方案三：八足優(yōu)點：制作難度高，平衡性好，支撐性能好。缺點：電機匹配調(diào)試非常復(fù)雜。綜上所述，我們考慮使用難度適中的六足爬蟲方案。2.3電機選擇從廣義上講，電機是電能的變換裝置，包括旋轉(zhuǎn)電機和靜止電機。旋轉(zhuǎn)電機是根據(jù)電磁感應(yīng)原理實現(xiàn)電能與機械能之間相互轉(zhuǎn)換的一種能量轉(zhuǎn)換裝置；靜止電機是根據(jù)電磁感應(yīng)定律和磁勢平衡原理實現(xiàn)電壓變化的一種電磁裝置，也稱其為變壓器。我們這里使用的是旋轉(zhuǎn)電機，其具體分類如圖2：方案一：直流電機優(yōu)點：價格低廉，體積小巧。缺點：速度與電壓相關(guān)，不便于控制調(diào)節(jié)。方案二：伺服電機優(yōu)點：控制簡單，反應(yīng)速度快

18、，體積小，功耗小，大扭力，裝配靈活，相對經(jīng)濟。缺點：首先它是一個精細的機械部件，超出它承受范圍的外力會導(dǎo)致其損壞，其次它內(nèi)藏電子控制線路，不正確的電子連接也會對它造成損毀。方案三：步進電機優(yōu)點：通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時您可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達調(diào)速的目的。因此在需要準確定位或調(diào)速控制時均可考慮使用步進電機。缺點：由于步進電機存在空載啟動頻率，所以步進電機可以低速正常運轉(zhuǎn)，但若高于一定速度時就無法啟動，并伴有尖銳的嘯叫聲；不同廠家的細分驅(qū)動器精度可能差別很大，細分數(shù)越大精度越難控制；并且，步進電機低速轉(zhuǎn)動時有較大的振動和噪聲。為

19、了在體積、質(zhì)量上盡量的小，而且控制方便，我們選擇了功耗比較低、控制較為靈活的伺服電機。2.4傳感器選擇方案一：微波傳感器優(yōu)點：感應(yīng)距離遠，靈敏度高，還可附帶測距功能。缺點：覆蓋面積過大，價格昂貴。方案二：紅外傳感器優(yōu)點：調(diào)節(jié)方便，使用簡單。缺點：覆蓋面積小，可測距離與器件價格成指數(shù)關(guān)系。方案三：輕觸開關(guān)優(yōu)點：調(diào)節(jié)簡單，價格低廉。缺點：靈敏度低。綜上考慮，我們選擇了輕觸開關(guān)2.5電源選擇方案一：開關(guān)電源優(yōu)點：采用功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)，通過控制開關(guān)的占空比調(diào)整輸出電壓。以功率晶體管（GTR）為例，當(dāng)開關(guān)管飽和導(dǎo)通時，集電極和發(fā)射極兩端的壓降接近零，在開關(guān)管截止時，其集電極電流為零，所以其功耗小，

20、效率可高達70%95%。而功耗小，散熱器也隨之減小。此外開關(guān)電源具有重量輕，體積小等特點。缺點：產(chǎn)生較強的電磁干擾（EMI），EMI信號既具有很寬的頻率范圍，又有一定的幅度，經(jīng)傳導(dǎo)和輻射會污染電磁環(huán)境，對通信設(shè)備和電子產(chǎn)品造成干擾。如果處理不當(dāng)，開關(guān)電源本身就會變成一個干擾源。方案二：穩(wěn)壓電源優(yōu)點：電路制作簡單，體積小巧，功耗低。缺點：濾波效果一般，容易被雜波干擾。2.6運動方式選擇2.6.1 直線行走方案通過對單片機編程，設(shè)定脈沖輸出，驅(qū)動伺服電機實現(xiàn)直線行走。優(yōu)點：控制靈活，步幅可調(diào)缺點：由于電機不是完全匹配，在直線行走的調(diào)節(jié)上難度很大，只能通過不斷的對程序改動來實現(xiàn)。2.6.2 自動避障

21、方案使用輕觸開關(guān)作為機器爬蟲的觸角，將輕觸開關(guān)檢測到障礙物的信號傳給單片機，單片機通過中斷方式識別。識別后先后退，再轉(zhuǎn)彎，最大限度的模仿了爬蟲的功能。優(yōu)點：中斷方式避查詢方式反映速度快，節(jié)省單片機資源。缺點：對電磁干擾敏感，容易發(fā)生異常中斷。2.6.3 轉(zhuǎn)彎方案通過單片機給伺服電機不同脈沖的方法實現(xiàn)差速轉(zhuǎn)彎。優(yōu)點：轉(zhuǎn)彎穩(wěn)定。缺點：速度慢3 系統(tǒng)設(shè)計3.1 原理分析與說明3.1.1 昆蟲行走的特點（這里以六足爬蟲為例）：昆蟲行走是以三條腿為-組進行的，即一側(cè)的前、后足與另一側(cè)的中足為一組。這樣就形成了一個三角形支架結(jié)構(gòu)，當(dāng)這三條腿放在地面并向后蹬時，另外三條腿即抬起向前準備輪換，靠兩組腿前后交替

22、運動而行走。讓我們具體來看看一組中的三條腿是怎樣相互配合的：前足用爪固定物體后拉動蟲體向前，中足用來支持并舉起所屬一側(cè)的身體，后足則推動蟲體前進，同時使蟲體轉(zhuǎn)向。這種行走方式使昆蟲可以隨時隨地停息下來，因為重心總是落在三角支架之內(nèi)。并不是所有昆蟲都用六條腿來行走，有些昆蟲由于前足發(fā)生了特化，有了其他功用或退化，行走就主要靠中、后足來完成了。3.1.2 自動避障主要采用的器件是輕觸開關(guān)，它有三個接頭，中間接頭與系統(tǒng)信號接口連接。兩邊的其中一個作為低電平輸入，另一個作為高電平輸入。我們用輕觸開關(guān)作成爬蟲的左右兩個觸角，在爬蟲直線行走的過程中，當(dāng)它的一個觸角碰到障礙物時，觸角的一端跟中間的信號接頭連

23、通，此時向系統(tǒng)發(fā)出一個高電平（或低電平）信號，從而啟動后退、轉(zhuǎn)彎程序。當(dāng)左邊的觸角碰到障礙物時，就調(diào)用右轉(zhuǎn)程序來繞開障礙物。當(dāng)右邊的觸角碰到障礙物時，就調(diào)用左轉(zhuǎn)程序來繞開障礙物。3.1.3通過單片機給伺服電機不同脈沖的方法實現(xiàn)差速轉(zhuǎn)彎。我們給左右兩電機不同的正脈沖，則左右兩電機就會以不同的轉(zhuǎn)角工作，這樣就可以實現(xiàn)爬蟲的轉(zhuǎn)彎，而且也減少了爬蟲的腿與地面的摩擦。使得原本驅(qū)動能力很小的電機也可以帶著大質(zhì)量的負載完成轉(zhuǎn)彎動作。3.2 器件的選型與外圍部件的制作3.2.1 中央控制系統(tǒng) AT89C2051 AT89C2051是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS 8 位單片機，片內(nèi)含2K by

24、tes 的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和128 bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元?；谝陨咸攸c，加之AT89C2051為雙列直插20管腳結(jié)構(gòu)，比較小，適合總體要求的小而輕的原則所以我們選用該芯片。3.3 電路設(shè)計與說明3.3.1 控制系統(tǒng)電路用12M晶振和兩個30P的電容構(gòu)成一個2051的最小系統(tǒng)，內(nèi)設(shè)復(fù)位電路，可通過復(fù)位開關(guān)使其在程序跑飛時手動復(fù)位，而不用關(guān)閉電源。2051芯片的P1和P3口線全部以插針形式引出方便外部擴展。3.3.2 電源電

25、路系統(tǒng)電路采用穩(wěn)壓電路電路如下圖所示。通過電解電容和瓷片電容分別濾去低頻和高頻的干擾波。3.4機械構(gòu)架的設(shè)計與制作選材方案一 鋁合金 優(yōu)點： 硬度高 耐磨損 較輕便 缺點： 可塑性差 加工難度大 價格比較高 方案二 塑料板 優(yōu)點： 可塑性好 易加工 輕便 價格低廉 缺點： 機械性能差 易磨損 我們從實驗而非應(yīng)用的角度出發(fā)，重在模擬和演示昆蟲的簡單功能。因而選擇了成本低，易加工的塑料板作為機械構(gòu)架的制作材料。加工考慮到目標對象的外觀和其驅(qū)動裝置電機的負載能力等綜合因素，我們選擇了如下尺寸：26cm18cm9.5cm首先找一塊大小適中的塑料板，按照圖紙設(shè)計好的尺寸在上面畫出需要切割的輪廓線并標出需

26、要打孔的準確位置。然后用鋸子，臺鉆，電鉆等工具進行切割加工。調(diào)試、打磨 為了使爬蟲在行走時能夠保持平衡，必須對加工好的部件進行精細的調(diào)試和打磨，使六條腿的高度達到平行。3.5 自由度的選擇 從理論上講，要行走，每條腿至少需要兩個自由度，即垂直方向和水平方向。也就是說每條腿要用兩個伺服電機來控制。要用六條腿行走，就至少需要12個電機。如果選擇這個方案會有很多不便，如：功耗大、笨重、成本高、制作難度增加等。但這樣做也有優(yōu)點，如：機器人的靈活度會大大提高。我們從實驗的目的出發(fā)，利用機械設(shè)計技術(shù)，引入了三根鋼絲，將電動機的數(shù)量減少到三個，既實現(xiàn)了所預(yù)期的功能，又降低了制作成本跟制作難度。4 系統(tǒng)調(diào)試4

27、.1 硬件調(diào)試首先，我們對爬蟲的機械性能作了一系列的測試：平衡性問題、爬蟲的足與地面的摩擦問題、各足之間的連動的靈活性問題等。其次，我們對輕觸開關(guān)位置的放置，觸角長度的選擇也作了相應(yīng)的調(diào)試。4.2 軟件調(diào)試機器爬蟲的軟件調(diào)試分為幾個階段第一階段：對伺服電機的旋轉(zhuǎn)角度的調(diào)試，由于資料中的理論數(shù)據(jù)與實際測試值有一定的差距，我們以理論值為標準，取其左右偏差脈沖進行了多次實測，最終取得了滿意的結(jié)果。第二階段：整體的統(tǒng)調(diào)，我們在將電路板裝到機器爬蟲蟲體上之后，由于受到電機的驅(qū)動能力、電池提供的功率等外界因素的影響，我們又對其進行了長時間的實測調(diào)試。5 指標測試可持續(xù)工作時間：4小時爬行速度：2厘米/秒4厘米轉(zhuǎn)彎角度：30度60度（程序可調(diào)）6 系統(tǒng)說明6.1 工作流程本產(chǎn)品的運行流程概述：啟動開關(guān)后，爬蟲會自動進行直線行走，并在行走的過程中通過觸角來判斷是否遇到障礙物，沒有障礙物時繼續(xù)直線行走，當(dāng)有障礙物時，再進一步判斷是在左邊還是在右邊，障礙物在左邊時爬蟲右轉(zhuǎn)，在右邊時左轉(zhuǎn)。繞過障礙物后繼續(xù)直線行走并重復(fù)前面的過程。如遇到強干擾源使得程序跑飛，只需安下復(fù)位鍵或關(guān)閉電源，重新啟動。要讓它停止時只需再次按下開關(guān)即可。6.2 技術(shù)特點 1)我們采用了機械設(shè)計原理，用三個電機控制實現(xiàn)了至少要用十二個電機才能實現(xiàn)的功能。2) 機械爬