哈工大自动控制元件课程设计-捡乒乓球机器人小车Word文档格式.docx
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2.系统的性能指标和技术要求------------------------------------------4
3.背景及意义--------------------------------------------------------4
4.系统的总体结构与设计方案------------------------------------------5
4.1预定路线前进---------------------------------------------------6
4.2目标寻找-------------------------------------------------------7
4.3捡起目标乒乓球-------------------------------------------------9
4.4判断乒乓球是否捡起---------------------------------------------9
4.5绕开障碍-------------------------------------------------------9
4.6返回原点------------------------------------------------------10
5.执行元件---------------------------------------------------------10
5.1行进电机的选择------------------------------------------------10
5.1.1直流伺服电机结构-------------------------------------------10
5.1.2直流伺服电机驱动原理---------------------------------------11
5.1.3直流伺服电机的分类及特点-----------------------------------11
5.1.4指标的计算和直流伺服电机的选择-----------------------------12
5.1.5直流伺服电机调速-------------------------------------------15
5.1.5.1直流伺服电机调速原理------------------------------------15
5.1.5.2直流速度控制方式----------------------------------------15
5.2捡球装置的选择------------------------------------------------22
5.2.1捡球原理级实现---------------------------------------------23
5.2.2吸球管设计-------------------------------------------------24
6.测量元件---------------------------------------------------------26
6.1测速传感器的选取----------------------------------------------26
6.1.1三种传感器的对比分析---------------------------------------26
6.1.2对光电编码器的论证分析和选取-------------------------------28
6.2位置和避障传感器的选取----------------------------------------34
6.2.1常用传感器及特点-------------------------------------------34
6.2.2根据超声传感器实现定位和物体识别---------------------------36
6.2.3根据红外感器实现障碍躲避-----------------------------------41
6.3根据红外传感器实现捡球信号的反馈------------------------------44
6.4传感器设计中的缺陷及可改进的地方------------------------------45
6.4.1传感器设计中的缺陷-----------------------------------------45
6.4.2传感器设计中可改进的部分-----------------------------------45
7.单片机-----------------------------------------------------------46
7.1常用单片机----------------------------------------------------46
7.2单片机选型----------------------------------------------------47
7.3所选单片机特点及可行性----------------------------------------47
8.系统硬件清单-----------------------------------------------------48
9.自评-------------------------------------------------------------48
9.1优点----------------------------------------------------------48
9.2缺点以及不足--------------------------------------------------49
10.分工------------------------------------------------------------49
11.心得体会--------------------------------------------------------50
参考文献-----------------------------------------------------------50
一、功能设计
1.裁判做出判决后自行定位乒乓球掉落位置
2.迅速移动至掉落乒乓球所在位置
3.捡起乒乓球,并回到起点
4.行进过程中躲避场地选手以及其他人员或障碍
5.利用尺寸确认目标乒乓球
二、系统的性能指标和技术要求
1.机器人移动至乒乓球顶点位置精度±
3cm
2.机器人移动速度≤2m/s
3.紧急刹车时间≤0.3s
4.总捡球时间≤21s
5.判断乒乓球是否捡起
6.能够辨认出乒乓球和障碍物
三、背景及意义
随着人们对机器人技术智能化本质认识的加深,机器人技术开始源源不断地向人类活动的各个领域渗透。
在这其中,服务机器人作为一个重要分支,在国内外研究领域已经得到普遍重视。
服务机器人的应用范围很广,主要从事维护保养、修理、运输、清洗、保安、救援、监护等工作。
文中所述的捡乒乓球机器人,正是一种应用于乒乓球体育赛事的自主式移动的服务机器人。
在乒乓球室里,由于比赛时,每打完一个球就必须要求有人转身去捡掉落的乒乓球。
如果由选手来捡球,将会压缩选手短暂的暂歇时间,影响比赛连续性、流畅性。
因此,如果能有一种捡球机器人应用于乒乓球赛场上里,且能迅速找到球的位置并能够实现自动捡球的功能,将可以帮助选手减轻比赛压力(尤其在比较焦灼的对抗中)。
目前已有的乒乓球捡球机器人种类较少,且捡球动作的实现主要是通过机械手等机械装置来捡球。
这些捡球装置多因为机械机构的限制,对于位于墙角处和藏于障碍物之间的乒乓球不能有效捡取,因而只适用于障碍物较少且远离墙壁的乒乓球的捡取。
四、系统的总体结构与设计方案
对外部环境的分析:
(1)乒乓球
乒乓球的质量在2.7克左右一般比赛用球为黄、白色球。
所选用的材质为塑料。
(2)比赛场地
图4-a场地尺寸示意图
场地示意图如下:
本系统主要由测量元件、执行元件、功率放大元件、主控电路、调节装置构成。
整体系统由六个功能环节组成,分别为按预定路线巡逻、检测乒乓球位置、到达乒乓球位置、捡起乒乓球、回到原点以及期间规避障碍。
图4-b驱动电机位置示意图
每个过程均有其独立的闭环或开环控制子系统,其流程如下:
4.1预定路线前进
此模块属于开环系统,将固定的前进方向控制信号储存在控制器内,若无目标寻找中断或者障碍中断,驱动电机和方向控制电机将一直执行,最后返回原点。
因为系统检测自身位置成本较大(至少需要增加传感器,如果没有参照信号源需要通过大量计算来得出当前位置,会占用较多的CPU),另外巡逻过程中只要传感器的监控范围能足够覆盖球场,可以无视小车前进过程中的干扰误差,而控制信号结束后,若没有到达原点,则可以执行返回原点的闭环控制。
赛场
球桌
小车
图4-1-1大致巡逻路线
实现此功能,是将控制小车的两个驱动电机按固定路线、以设定速度跑完全程时电机所需的控制信号和时间的函数编写出来(例如图4.1.2),储存到单片机内,当执行此功能时,只要调取储存的控制信号并输出即可。
(图4.1.2仅供参考,事实上控制信号为数字信号,由于函数编写过程太过复杂,此处略过。
)
U
t
电机A1
电机A2
图4-1-2控制信号示意函数
4.2目标寻找
在预定路线的行进过程中,两个装在小车底部两头的超声波传感器将一直搜索目标位置,图4.2.1。
发现目标后,两传感器信号对比,可得目标准确方向,图4.2.2,再控制方向电机使小车面向目标前进。
图4-2-1检测范围示意图
乒乓球
距离a1
距离a2
图4-2-2
目标位置确定
在发现乒乓球并向目标前进过程中,根据传感器反馈得到的离目标距离来控制小车是否开始减速。
使得小车能够恰好停在目标位置(方便下一步捡球)。
之后再启动捡球电机捡起小球。
输入a1,a2
控制系统W2
输出c1,c2
图4-2-3控制系统的输入输出
如图4.2.3所示,该子控制系统中,以传感器A1,A2的距离信号a1,a2为输入,以控制电机C1,C2的电信号c1,c2为输出。
4.3捡起目标乒乓球
乒乓球的直径为40mm,质量为2.7g,具有体积小、质量轻的特点,特别适合吸力装置吸取。
风扇在转动时,抽风的一端会形成负压;
如果将一个管道与风扇的抽风面相连接,则在风扇的作用下,管道内的气压将小于管道外的大气压,管道口附近的物体将在压力差的作用下被吸进管道里。
因此,若采用由强力风扇与一个两端开口的管道组成的吸球管,乒乓球就可以顺利被吸取。
而如果采用机械臂类的抓取方案时,对小车的位置控制精度将会更高,而且受到的干扰较大(小车靠近乒乓球时,所带起的空气流动可能会吹动乒乓球,产生干扰)。
本系统采用的风扇抽气方案则可以很大程度上得缓解这一干扰。
4.4判断乒乓球是否捡起
由于本系统应用在正式比赛的条件下,场地干净,无类乒乓球形杂物,故只需在抽风管道中添加一个红外光电门,光电门被阻挡即可视为乒乓球被捡起。
4.5绕开障碍
在系统运行过程中时,另一个较高的红外传感器检测小车面前是否有障碍阻挡。
若有,则减速并在安全距离外绕开障碍继续之前的前进任务。
此处由于本系统无法检测自身所在位置,所以在闭环控制后无法检测自身与预定路线的误差(此处指捡起乒乓球前需要按预定路线巡逻时先遇到障碍),无法继续按预定路线前进。
故此处问题处理同4.1,可以做一个开环系统。
鉴于实际比赛场地中并没有那么多种类的障碍(本系统中将障碍理想化为只有球桌腿和选手的腿部),因此将绕开障碍的控制做成一个开环系统,其控制信号按最粗的障碍设计,一致按相同地绕行半径绕开障碍。
(下图仅供参考,事实上控制信号为数字信号,由于函数编写过程太过复杂,此处略过。
障碍
图4-5-1
障碍位置确定
图4-5-2控制信号示意函数
4.6返回原点
为了能够精确地回到原点,有必要在原点设置参照信号源。
在小车捡起小球或者巡逻完毕后,将以原点为目标前进,控制过程同4.2。
控制系统W6
图4-6-1
控制系统的输入输出
五、执行元件
5.1乒乓球捡球机器人行进电机的选择
结合供电以及成本等方面的考虑,行进过程中的电机在直流伺服电机和步进电机中选择,由于需要闭环控制,并且需要可靠性较高,启动转矩较大等,因此直流伺服电机是最佳选择。
5.1.1直流伺服电机结构
直流伺服电机,它包括定子、转子铁芯、电机转轴、伺服电机绕组换向器、伺服电机绕组、测速电机绕组、测速电机换向器,所述的转子铁芯由矽钢冲片叠压固定在电机转轴上构成。
图5-1-1直流伺服电机结构
5.1.2直流伺服电机的驱动原理
伺服主要靠脉冲来定位,基本上可以这样理解,伺服电机接收到1个脉冲,就会旋转1个脉冲对应的角度,从而实现位移,因为,伺服电机本身具备发出脉冲的功能,所以伺服电机每旋转一个角度,都会发出对应数量的脉冲,这样,和伺服电机接受的脉冲形成了呼应,或者叫闭环,如此一来,系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机,同时又收了多少脉冲回来,这样,就能够很精确的控制电机的转动,从而实现精确的定位,可以达到0.001mm。
直流伺服电机特指直流有刷伺服电机——电机成本高结构复杂,启动转矩大,调速范围宽,控制容易,需要维护,但维护方便(换碳刷),会产生电磁干扰,对环境有要求。
因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。
5.1.3直流伺服电机的分类及特点
1.分类
常用的直流电机有:
永磁式直流电机(有槽、无槽、杯型、印刷绕组)、励磁式直流电机、混合式直流电机、无刷直流电机、直流力矩电机。
直流进给伺服系统:
永磁式直流电机类型中的有槽电枢永磁直流电机(普通型)。
直流主轴伺服系统:
励磁式直流电机类型中的他激直流电机。
2.永磁直流伺服电机的性能特点
1)低转速大惯量
2)转矩大
3)起动力矩大
4)调速泛围大,低速运行平稳,力矩波动小
5.1.4指标的计算和直流伺服电机的选择
指标名称
指标估计值
机器人质量
2.5kg
场地大小
7m×
14m
行进速度
≤2m/s
加速度
≤0.5m/s2
滑动摩擦系数
0.60~0.90
滚动摩擦系数
0.01~0.03
车轮质量
0.3kg
车轮半径
6cm
表5-1-1直流伺服电机性能指标要求
直流伺服电机功率公式:
P=2π60nT (5-1-1)
车轮转速推导:
v=ωR (5-1-2)
n=602πω (5-1-3)
n=602πvR (5-1-4)
每个车轮滚动摩擦力阻力力矩推导:
Tf=FR (5-1-5)
F=μmg (5-1-6)
Tf=μmgR (5-1-7)
车轮转速以及每个车轮摩擦阻力力矩:
n=320r/min (5-1-8)
Tf=0.045N∙m (5-1-9)
因齿轮组两侧力矩相同,因此在只考虑外部阻力矩时,由于共有四个轮子和两个直流伺服电机,在匀速行进时每个电机需要产生的机械转矩为:
T1=2Tf=0.09N∙m (5-1-10)
若考虑小车内部的摩擦阻力转矩,假设内部摩擦阻力转矩:
T2=0.03N∙m
得到点击所需要的额定转矩:
T=T1+T2=0.12N∙m (5-1-11)
留出余量,取额定转矩T=0.15N∙m
选取电机额定转速为:
n=3000r/min
那么得到额定功率为:
P=47w
结合以上计算,我们选取瑞士瑞诺集团的小型直流伺服电机CML-50,其参数如下图所示(其额定转速3000r/min,额定转矩0.15N·
m,额定功率47w,与所需直流伺服电机指标几乎一致):
图5-1-2直流伺服电机实物图及特点
图5-1-3直流伺服电机技术参数
图5-1-4直流伺服电机剖面图
图5-1-5直流伺服电机特性曲线图
为了降低调速难度,因此我们决定在电机输出转速和车轮之间采用齿轮组以1:
5的比例使得电机转速与车轮转速的比例为5:
1。
5.1.5直流伺服电机调速
由于电机额定转速与实际所需转速有所差距,同时,在机器人转向时需要控制两个伺服电机一个正转、一个反转,因此需要采用调速系统。
5.1.5.1直流伺服电机的调速原理
根据机械特性公式可知调速有二种方法:
电枢电压Ua和气隙磁通Φ。
1.电枢控制(改变电枢外加电压Ua):
由于绕组绝缘耐压的限制,调压只能在额定转速以下进行。
n=UaCeΦ-RaTceCeCTΦ2=n0-∆n (5-1-12)
2.磁场控制(改变气隙磁通量Φ):
改激磁电流即可改Φ,在Ua恒定情况下,磁场接近饱和,故只能弱磁调速,在额定转速以上进行。
3.改变电枢回路电阻Ra:
要在电枢回路中串联一个电阻Rs,这个电阻称为调节电阻。
改变Rs大小,也就改变了电枢回路总电阻Ra+Rs。
n=UaCeΦ-(Ra+Rs)TceCeCTΦ2=n0-∆n (5-1-13)
5.1.5.2直流速度控制方式
(a)晶闸管(可控硅)调速系统
(b)晶体管脉宽调制(PWM)调速系统
a.晶闸管调速系统
1.系统的组成
1)控制回路:
速度环、电流环、触发脉冲发生器等。
①速度环:
速度调节(PI),作用:
获得好的静态、动态特性。
②电流环:
电流调节(P或PI)。
作用:
加快响应、启动、低频稳定等。
③触发脉冲发生器:
产生移相脉冲,使可控硅触发角前移或后移。
2)主回路:
可控硅整流放大器等。
①可控硅整流放大器:
整流、放大、驱动,使电机转动。
图5-1-6晶闸管调速系统组成
2.主回路工作原理
组成:
由大功率晶闸管构成的三相全控桥式(三相全波)反并接可逆电路,分成二大部分(Ⅰ和Ⅱ),每部分内按三相桥式连接,两组反并接,分别实现正转和反转。
图5-1-7主回路工作原理图
原理:
三相整流器,由二个半波整流电路组成。
每部分内又分成共阴极组(1、3、5)和共阳极组(2、4、6)。
为构成回路,这二组中必须各有一个可控硅同时导通。
1、3、5在正半周导通,2、4、6在负半周导通。
每组内(即二相间)触发脉冲相位相差120º
,每相二个触发脉冲相差180º
。
按管号排列,触发脉冲的顺序1-2-3-4-5-6,相邻之间相位差60º
为保证合闸后两个串联可控硅能同时导通,或已截止的相再次导通,采用双脉冲控制。
既每个触发脉冲在导通60º
后,在补发一个辅助脉冲;
也可以采用宽脉冲控制,宽度大于60º
,小于120º
只要改变可控硅触发角(即改变导通角),就能改变可控硅的整流输出电压,从而改变直流伺服电机的转速:
触发脉冲提前来,增大整流输出电压;
触发脉冲延后来,减小整流输出电压。
图5-1-8主回路波形图图5-1-9控制回路波形图
3.控制回路分析
触发脉冲产生的过程:
改变触发角,即改变控制角。
(可控硅导通时间),可调速。
没反馈,开环,特性软。
1)速度调节器:
比例积分PI,高放大(相当C短路)-缓放大-增放大-稳定(相当C开路)无静差。
2)电流调节器:
同上,加快电流的反应。
3)触发脉冲发生器:
正弦波同步锯齿波触发电路,与F直流信号叠加。
图5-1-10速度调节器、电流调节器示意图图5-1-11触发脉冲发生器示意图
4.速度控制的原理总结
调速:
当给定的指令信号增大时,则有较大的偏差信号加到调节器的输入端,产生前移的触发脉冲,可控硅整流器输出直流电压提高,电机转速上升。
此时测速反馈信号也增大,与大的速度给定相匹配达到新的平衡,电机以较高的转速运行。
干扰:
假如系统受到外界干扰,如负载增加,电机转速下降,速度反馈电压降低,则速度调节器的输入偏差信号增大,其输出信号也增大,经电流调节器使触发脉冲前移,晶闸管整流器输出电压升高,使电机转速恢复到干扰前的数值。
电网波动:
电流调节器通过电流反馈信号还起快速的维持和调节电流作用,如电网电压突然短时下降,整流输出电压也随之降低,在电机转速由于惯性还未变化之前,首先引起主回路电流的减小,立即使电流调节器的输出增加,触发脉冲前移,使整流器输出电压恢复到原来值,从而抑制了主回路电流的变化。
启动、制动、加减速:
电流调节器还能保证电机启动、制动时的大转矩、加减速的良好动态性能。
二、晶体管脉宽调制(PWM)调速系统
1.系统的组成及特点
图5-1-12晶体管脉宽调速系统示意图
①主回路:
大功率晶体管开关放大器;
功率整流器。
②控制回路:
速度调节器;
电流调节器;
固定频率振荡器及三角波发生器;
脉宽调制器和基极驱动电路。
区别:
与晶闸管调速系统比较,速度调节器和电流调节器原理一样。
不同的是脉宽调制器和功率放大器。
直流脉宽调制:
功率放大器中的大功率晶体管工作在开关状态下,开关频率保持恒定,用调整开关周期内晶体管导通时间(即改变基极调制脉冲宽度)的方法来改变输出。
从而使电机获得脉宽受调制脉冲控制的电压脉冲,由于频率高及电感的作用则为波动很小的直流电压(平均电压)。
脉宽的变化使电机电枢的直流电压随着变化。
直流脉宽调调制的基本原理:
图5-1-13直流脉宽调调制的基本原理示意图
脉冲宽度正比代表速度F值的直流电压。
2.脉宽调制器
USr–速度指令转化过来的直流电压
U△–三角波
USC–脉宽调制器的输出
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