轮式机器人-设计报告

专业综合实验设计报告项目：自动循迹轮式机器人的设计制作班级：电131姓名：学号：同组同学：学期：2016-2017-11实验目的和要求1.1实验目的自动循迹、智能避障机器人是一个与电气工程专业有着密切关系的实际工程装备，本综合实验以此为依托，把自动循迹避障轮式机器人能够沿着设置的道路路线运动作为控制目标，完成从模型建立、控制方案确定、控制参数仿真分析、硬件线路设计到实物机械安装、硬件安装调试、控制程序编写集成、系统调试等步骤过程的训练。本实验涉及到《电路分析》、《电子技术》、《电力电子技术》、《电机学》、《电力拖动》、《自动控制原理》、《传感器与检测技术》、《电机控制技术》等课程的理论和实验知识。是学生接触实际电气工程专业复杂工程问题的重要及关键途径。通过实验培养学生实践动手能力，运用现代工程工具和信息技术工具的能力，分析和解决实际工程问题的能力。从而使学生初步能够解决主要涉及电气工程专业知识的复杂工程问题。1.2实验要求要求同学综合运用课程的理论和实验知识，以自动循迹避障轮式机器人能够以一定的速度沿着设置的道路路线运动作为控制目标（技术指标为：机器人行走速度≥1m/s，行走偏离导航的线速度≤2/3车身宽度），要求完成从模型建立、控制方案确定、控制参数仿真分析、硬件线路设计到实物机械安装、硬件安装调试、控制程序编写集成、系统调试等实验步骤。具体要求为：1）检索资料，对自动循迹避障轮式机器人的发展状况，当前的研究热点，技术发展的现状，发展趋势有所了解，查阅工程规范文件、产品样本、使用说明，了解实际系统运行时必须遵守的工程规范和系统实现时所受到的商用产品的实际限制。2）理解自动循迹避障轮式机器人的机械结构，用CAD软件绘制机械零部件的加工图纸，安装自动循迹避障轮式机器人。3）综合运用物理特性分析法和实验参数测定法建立自动循迹避障轮式机器人的数学模型，必要时在工作点附近近似线性化，以获得线性数学模型。4）设计自动循迹避障轮式机器人控制系统的硬件系统，包括控制芯片的选型，外围电路的设计，传感器类型型号的选择、功率驱动电路的选择、人机交互部件的选择，掌握所选择元器件、部件的性能、用法。用电子线路设计软件绘制硬件原理图，设计相应的PCB设计图，安装硬件并调试。5）根据控制要求，设计控制系统的控制结构，选择合适的控制算法，结合具体数学模型，计算系统所能达到性能指标，利用MATLAB软件进行必要的系统仿真，通过仿真掌握控制参数的整定方法，使自动循迹避障轮式机器人系统满足性能指标。6）掌握系统联调的步骤方法，调试参数的记录方法，动态曲线的测定记录方法。记录实验数据，采用数值处理方法和相关软件对实验数据进行处理并加以分析，记录实验曲线，与理论分析结果对比，得出有意义的结论。2实验仪器设备与器件表1：设备与器件器件名称数量双12V变压器1红外避障传感器直流电机1声音传感器1有源蜂鸣器1红外循迹传感器1稳压芯片7805/78125继电器1红外避障传感器1LM298电机驱动1STC15W4K58S4单片机1四轮车模型1PC机1烙铁1焊锡1起子1按键若干软件平台：window7操作平台keil软件编程protues软件AD软件AutoCAD软件Matlab软件3实验原理分析3.1自动循迹避障轮式机器人的工作原理智能车，又称为自动循迹避障轮式机器人，它是以轮子作为移动设备、实现自主行驶的移动机器人。智能车是一种基于计算机技术、电子技术、传感器技术、信息融合技术、通信技术、网络技术、导航技术、智能控制技术及自动化控制技术等发展起来的现代智能控制系统，是一个集环境感知、规划决策、自主行驶与行为控制等功能于一体的高技术综合系统[1]，它可以在复杂环境下，通过计算机控制调节行驶方向、控制启停、实现速度的自主控制等。目前，智能车在各个领域都具有广泛的应用前景，如它可以代替人类对零部件、线路板等类似产品进行检测；可以为顾客提供导购帮助；可以帮助残疾人改善生活质量和生活自由度;可以用于水下、太空及远程的服务与探测；可以完成在各种恶劣环境下的货物搬运以及系统维护和监测等工作；可以代替人类在危险地带完成军事任务；可以帮助人类完成地质勘探；可以改善道路交通安全，提高道路网络利用率，降低能源消耗等等。自动循迹避障轮式机器人要实现自动寻迹功能和避障功能就必须要感知导引线和障碍物，感知导引线相当给机器人一个视觉功能[2]。避障控制系统是基于自动导引自动循迹避障轮式机器人(avg—auto-guidevehicle)系统，基于它的自动循迹避障轮式机器人实现自动识别路线，判断并自动避开障碍，选择正确的行进路线.使用传感器感知路线和障碍并作出判断和相应的执行动作。本设计自动循迹避障轮式机器人主要由主控模块的单片机开发板，遥控模块的遥控板，电源模块，电机驱动模块，超声波模块，机械臂控制模块等组成。根据研究进展的深浅可基于单片机开发板增加声控模块，避障模块，循迹模块，跟踪模块等等。3.2数学模型的建立3.2.1运动数学模型的建立采用的四轮结构，驱动系统采用两轮差速驱动方式，后两个为从动轮，只起到支撑平衡作用。假定左右两个驱动轮与地面之间没有滑动，也没有侧移，只是做纯粹的滚动，则机器人满足钢体运动规律。图3.1所示｛XW,YW,O｝为世界坐标系，｛X,Y,O｝为移动坐标系，PX为机器人前进方向。YWXWOθYXPyx图1坐标系图智能循迹机器人运动学主要处理控制参数和系统在状态空间的运动两者之间的关系，它包括正运动学和逆运动学两个方面。正运动学解决如何根据智能循迹机器人的速度来计算它的位姿或运动轨迹，当机器人的位姿（x，y,𝜃）时，差动智能循迹机器人的正运动学就是利用这连个差动轮的速度（rv，lv）来计算其位置，通用公式计算如下01()[()()]cos[()]2trlxtvtvttdt（1）01()[()()]sin[()]2trlytvtvttdt（2）01()[()()]trltvtvtdtl（3）其中，rv和lv分别为左右轮的驱动速度，l是两个驱动轮之间的距离，r为智能循迹机器人的驱动轮半径；智能循迹机器人逆运动学解决如何控制轮子的速度以达到智能循迹机器人所需的运动轨迹或位姿，即在已知位置（x，y，）时，如果根据以上公式，求出两轮差动速度（rv，lv）。由于差动轮式驱动属于非完整性约束问题，故智能循迹机器人逆运动学只有在特殊条件下求解，其解往往不唯一，根据系统的需求，本文对智能循迹机器人的运动学分析按照两种情况分别进行。直线运动当差动轮式智能循迹机器人左右两轮的速度大小相等且方向相同时，机器人的运动轨迹为直线，所图3.2所示。YWOYtY0X0P0PtXt图2直线运动原理图设t=0时，机器人移动坐标系｛X0，Y0，P0｝与世界坐标系｛XW,YW,O｝重合，经过时间t后机器人运动到新的移动坐标系｛Xt，Yt，Pt｝，当机器人左右两轮的速度大小相等且方向相同(即rv=lv)时由公式(3)有：01()[()()]0trltvtvtdtl将其代入公式（1）、（2）得：tvtxr)(（4）0)(ty（5）由0q和公式（4）、（5）式可知：机器人左右两轮的速度大小相等而方向相同时机器人的运动轨迹为直线。圆弧运动当差动智能循迹机器人左右两轮的运动方向相同速度大小保持不变且差速度固定不变时，机器人的运动轨迹为圆弧。设t=0时，机器人移动坐标系｛X0，Y0，P0｝与世界坐标系｛XW,YW,O｝重合，经过时间ｔ后机器人运动到新的移动坐标系｛Xt，Yt，Pt｝，如图：YWXWOY0X0P0PtXtYt图3圆弧运动原理图当机器人左右两轮的速度差恒定，且方向保持不变时，由公式(3)有：01()[()()]trlvtVtVtdttll（6）将()vttl和rlvvv代入公式(1)有：（7）求定积分得：2()()sin()2lvtvlvxttvl（8）将()vttl和rlvvv代入公式(2)有：2()()[1sin()]2lvtvlvyttvl（9）由公式（9）有：2sin()()2()lvvtxtlvttl（10）由公式（10）有：2cos()1()2()lvvtytlvttl（11）22cos()sin()1vvttll2222[()][1()]12()2()llvvxtytvtvlvttl（12）由上可知，机器人的运动轨迹为一圆弧，将上式转化为圆的标准方程：2222()2()1()[()][]22llvtvvtlxtytvv由式（11）、（12）可知，当机器人左右两轮的运动方向相同、速度大小保持不变且速度固定不变时，机器人的运动轨迹为圆弧。圆心在世界坐标系YW的轴上。其圆心坐标为：(0,(2())2lvtvlv),圆弧半径为：(2())2lvtvlv当机器人右轮速度大于左轮速度时，机器人的运动轨迹在世界坐标系的一、二象限；当机器人右轮速度小于左轮速度时，机器人的运动轨迹在世界坐标系的三、四象限。运动轨迹如图：01()(2)cos()2tlvxtvttdtlYWOY0X0P0PtXtYtYWXWOY0X0P0PtXtYta:0rlvvvb:0rlvvv图4圆弧运动图电机模型的建立轮式机器人运动过程中，轮子受到的力包括电机牵引力，摩擦力、转弯引起的滚转阻力改变，轮式机器人加速度为dvdt，根据力矩平衡原理，可得：2Tfmgfmdvdtr（13）轮式机器人动力为直流电动机，机械特性为：202ajEETRRTTUnCCC（14）260nrv（15）假设电池电压为U0，控制满肚为Xumax，电压为：0maxpwmuUUuX（16）其中：U为电枢端的输入电压；Ra为电枢绕组电阻；Rj为串入电枢回路的调节电阻；CE为电动势常数；CT为转矩常数；T2为机械输出转矩，T0为空载转矩，为每极磁通量。01max30EurUkCX，20230ajETrRRkfmgrTCC，（17）23230ajETRRrmkCC，2230ajETRRrkfCC（18）其中：，可见：3k，1k，2k与电机本身，电池电压，轮式机器人质量、匀速行驶的阻力等有关，可通过实验获得；()k是轮式机器人转向的影响，与因转弯而增加的滚动摩擦阻力呈正比，因此，假设可表示为：45()||kkk（19）实验大致过程为：先假设偏转角为0，将3k，1k，2k看作待定系数，理论上来说，如果有三组占空比与轮式机器人速度v、速度变化率v的对应关系，就可以求出3k，1k，2k，实际上考虑实验误差和可靠性，应进行多次实验，采用最小二乘法估计3k，1k，2k。然后将3k，1k，2k带入，通过多次实验，得到大量与v的对应关系，确定45,kk。3.3.1车体设计本次设计的机器人采用轮式结构，它共有四个车轮，前面两个车轮为舵轮，控制车体运动时的转角方向，前轮转动轮采用连杆式结构，由一个57式步进电机控制;后面两个为驱动轮，不可转向，分别由两个同步的步进电机控制，作为驱动的步进电机与后轮采取直连的方式，即不经过任何传动装置和减速器，电机转子的角速度即为后轮转动的角速度。车体采用长方体结构，车体牢固可靠，能够承载需要的载重重量。3.3.2电机驱动设计驱动模块目前，驱动智能循迹机器人行走或是机械转动所使用的动力装置有很多种，大部分采用以下几类驱动电机。1、直流伺服电机(DCServoMotor)其特点是运行稳定性好、控制容易、响应速度快，调速范围宽，损耗小、启动转矩大，但制造成本高、结构复杂，会产生电磁干扰，容易受工作环境的影响。因此它可以用于成本敏感的普通工业和民用场合。2、交流伺服电机，主要由定子和转子构成，其工作原理是通电线圈在磁场中受到力的作用而发生转动。多用于需要高转速大力矩输出的条件要求。3、步进电