轮式机器人电机驱动系统设计 - 图文(2)

安徽三联学院毕业论文

1 绪论

1.1 引言

当今社会发展迅速，人民生活水平提高，自动化设备充实了我们的生活，方便了我们的生活，提高了人们的生活和工作质量。机器人的发展也及其迅速，从以前的国家高端军事航空领域渗透到我们生活中的每个角落。小至楼宇办公、餐医疗，大到航空航天、军事武器、重工业生产，大量的各种各样的机器人充实着我们的生活，其环境适应能力强，能够完成人类不能完成的任务。随着现代化的逼近，人们都机器人的需求越来越高，机器人的种类需求越来越大，机器人所肩负的使命越来越重要，使机器人的控制变得越来越复杂。现在整体机器人研究方向朝三个目标发展：一是机器人的高智能化。二是让机器人更像人。三是让机器人更小，能够胜任更精细的工作。因此需要在机器人的驱动控制系统以及算法上深入研究。

1.2研究背景和意义

进入21世纪，经济全球化及多元化快速发展，人类进入智能化信息化时代。人们对信息的获取量、信息的传递周期、人们的生活水平、工作质量提出了更高的要求。更多信息，更舒适的生活环境，更方便快捷的工作方式是现代每个人所共同期望的。机器人在各个领域发展极为迅速，在各个技术难题上都有了很大的突破。生活类的机器人走进了普通家庭，如安保、教育、清洁、服务、娱乐、康复、治疗等智能机器人获得了极高的评价和社会实用价值，为广大人们所欢迎。

机器人技术是众多学科知识交叉融汇的结晶，对人工智能、模式识别、自动控制、电子电气、机械设计电子电路等多个学科提出了很高的要求，复杂条件下运动控制系统是机器人完成智能化多功能化中最基础的研究内容，它涉及自动控制，电子电气，电子电路等多个领域；机器人运动控制系统的研究是机器人智能化进程中的关键所在，对自动控制、电子电气相关领域的发展意义重大。

现代工业、军事装备、航空航天以及民用领域无处不依赖机器人，其对我国现代化建设提高人民工作生活质量意义重大。机器人可归结为三个大类，第一种是一代机器人，亦可称作示教再现型机器人，是通过一台计算机来控制一个可自由调整工作角度的机械，将程序和信息存储进入示教，机器运行时随时调取数据

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信息发出指令。如此便可重复的根据实时示教结果，再现出种动作，例如点焊机器人，它只要首次完成点焊示教，以后便重复这种工作，但是其不能感知外界环境，所以此种机器人不能独自判断用力大小工件是否存在以及焊点的好坏，因此第一代机器人存在很多缺陷。自20世纪70年代末期，第二代机器人的研究相继开始，称作带感觉的机器人，这种带感觉的机器人能模仿人类的某些感觉，如力度的大小、触碰、滑落、视觉成像、听力和人进行相类比，有了这些基础感知能力，当机器人抓一个物体的时候，它实时用力大小就能感觉出来，亦能够通过视觉成像，去感受和识别它的形状、大小、颜色。拿一只鸡蛋，其能通过特种触觉实时测算力矩和滑动的情况。

第三代机器人，是现代对机器人研究中所要攀登的最高阶段，称为智能机器人，此种机器人可人工声控，只需下达命令机器人就能以特种方式完成任务，也就是其能自主思考将要如何完成任务。能像人一样去思考一件事情该怎么去做，该不该做，此种概念型机器人还局限在某些领域内能够达到这种智能水平，完全具备像人脑这样的思维境界的机器人还不存在，但是我们相信科技的发展进步，更多智能概念的丰富，将会向着这种概念型机器人无限趋近。。

1.3研究内容

对于工业机器人的设计可分为三部分：执行部件、驱动系统和控制系统。控制系统包括决策、策略构思和执行机构。决策层可实时识别环境，构建模型概念，将将要执行的任务分割成最基础动作序列；策略层将基本动作转变为关节坐标协调变化的规律，分配给各关节的伺服系统；执行机构将某种特定序列及坐标变化规律分配给不同的关节伺服系统。一般对机器人的研究有对机器人在运动中平稳性的研究；有在复杂环境下自主运行及自我诊断的研究；有对机器人在不同环境下的通讯能力的研究；还有对机器人小型化甚至微型化的研究。

本设计的是一种基于单片机最小系统的轮式移动机器人的驱动系统。此系统选用STC89C52单片机为核心，通过其产生的PWM信号控制驱动芯片；系统连接完成，实现对电机的起停调速控制。因此我们需要研究驱动电路的控制原理以及实现方法，了解何为PWM及其产生方法、工作原理，单片机对机器人的控制原理，控制算法，讨论使用何种电源。了解机器人的电源分配、稳压、电路保护方法，选择合适的电机种类为其动力装置，保障机器人的灵活性。

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2 驱动系统方案设计及论证

2.1主控系统

依据设计内容的要求可知此系统输入变量多，系统控制复杂，因此可草拟两种设计构思进行整体比较论证，论点如下： 方案一：

选用一片CPLD（如EPM7128LC84-15）作为系统的核心部件，实现控制与处理的功能。CPLD运算速度快、编程较为简单、可用资源颇为丰富、开发实现周期短等优点，编程可用VHDL语言。但CPLD在控制上不如单片机，其运算速度极快，机器人的运转速度不需要很高，所以其整个系统不需要过高的信息处理能力，按照此种要求，MCU就足能完成处理任务。所以此种方案会给控制问题带来很多不必要的麻烦，不优先考虑此种构思。 方案二：

以单片机为系统核心，实现对运行中的机器人实时数据采集处理，达到需要的性能指标。实际上此系统关键是要对机器人运动控制实现，重点放在这上面的话，不难发现单片机具有很大的优势，控制简单快捷，这样一来，资源极其丰富、控制能力极强以及可位寻址的优点显露无疑。因此此种构思较为理想

此设计内容具有如下特点：开关量输入量多，系统控制较为复杂，因此不宜使用精简版的点数极少的单片机。为此可选用STC89C52单片机作为系统的核心，因为其具有很强的位操作功能，输入输出口也可四线位寻址，此系列单片机拥有8K可用资源，足以满足系统要求，其次51单片机低廉的价格也是其不可掩埋的优势。

两种方案对比中选择51系列单片机更适合此系统，故决定采用STC89C52为此设计的核心处理器。

2.2电机驱动模块

方案一：

用继电器控制电机的运行和停止,利用开关档的切换控制小车的速度，这样设计出来的电路极为简单易懂容易实现,但是长时间的高频率的开关降低了继电器的使用寿命，而且继电器响应时间慢可靠性不高。

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方案二：

电机速度和运行状态的调节可使用电阻网络或者数字电位器。关键在于电阻网络不能实现连续调速，可靠性不高，性能指标不易实现。数字电位器价格代价过高，在此系统使用不够理想。电机阻值较小且电流又比较大，效率很低难以实现分压。 方案三：

直流电动机的控制可用功率三极管。由达林管可组成H型桥式电路，线性驱动电路不仅电路和原理简单而且其具有较强的加速能力，采用此种H桥电路只要工作在占空比可调的状态便可实时精确调节电机运行状态，而且此电路运行效率可观，调节精度高，控制简单稳定性好，是很常用的PWM调速技术。根据以上分析，此系统可选用L298N电机驱动芯片。

2.3机械系统

此种机器人要求机械系统稳定，运动灵活简单，可采用两轮式前驱方式，两轮各由一部直流电机带动，利用前两轮差 …… 此处隐藏：1857字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……