機(jī)器人設(shè)計(jì)論文
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1、科大RoboShow邀請(qǐng)賽 1 創(chuàng)意: 1.1 創(chuàng)意背景: 我們的創(chuàng)意來(lái)自于目前全世界都面臨的一個(gè)生存危機(jī)問(wèn)題——水資源的匱乏。椐統(tǒng)計(jì): 人類擁有的水資源:自然界中的水(覆蓋地球表面約71%)海洋水約占96.5%淡水資源約占全球總水量的2.53%,其中可利用的淡水資源只有30.4%,占總水量不到1%,所以世界上有許多國(guó)家和地區(qū)存在著缺水危機(jī)。 我國(guó)的水資源狀況: 我國(guó)的水資源并不富裕,居世界第六位。人均水量約為世界人均水量的四分之一,許多地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)水資源短缺影響人民生活,制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的局面,此外許多地區(qū)和企業(yè)浪費(fèi)水資源,使水資源受到的污染也
2、很嚴(yán)重,應(yīng)與于重視。 基于以上現(xiàn)況,我們?cè)O(shè)計(jì)如下場(chǎng)景:一天,(機(jī)器人)小女孩“毛毛”在放學(xué)回家的路上,看見(jiàn)一株因缺水而枯萎的小花,善良的毛毛不想讓這株可憐的小花這樣的死去,于是為了救這一株小花而到處去找水,但是她所看到的卻是干涸的河床、枯黃的野草,最終沒(méi)有找到一滴水,于是她無(wú)奈地回到了小花的跟前,眼看著奄奄一息的花兒,自己卻無(wú)能為力,就傷心地哭了,淚水落到了花的身上。突然,奇跡出現(xiàn)了,小花因小女孩的淚水而神奇的復(fù)活了,小女孩見(jiàn)到此情此景時(shí),轉(zhuǎn)悲為喜,以一段歡快的舞蹈表達(dá)小女孩此時(shí)此刻的愉快心情。最后用一段發(fā)人深思的告白結(jié)束全場(chǎng)的表演。 1.2 構(gòu)思過(guò)程 經(jīng)過(guò)多次征求意見(jiàn),組內(nèi)討論
3、,我們?cè)O(shè)計(jì)的故事情節(jié)如下:(舞臺(tái)布景:陽(yáng)光,小路,干涸的河床,干枯的野草野花等等) 傍晚,陽(yáng)光依然沒(méi)有半點(diǎn)退卻的意思。當(dāng)下課鈴響時(shí),毛毛如往常一樣高高興興地回家。就在回家的路上,偶然在路邊看見(jiàn)一株已經(jīng)凋零的小花。 善良的毛毛不忍心讓它就這樣無(wú)聲無(wú)息的死去。與是毛毛轉(zhuǎn)身去找水來(lái)就活小花,但是找來(lái)找去都沒(méi)有找到一滴水,連小河都枯竭了。 無(wú)奈之下,小女孩只好再次回到小花身邊,面對(duì)即將死去的小花,小女孩流下了傷心的淚水。突然,小花竟然緩緩地復(fù)活了。噢,原來(lái)是淚水!是淚水滴在了花的身上!小女孩見(jiàn)到花兒的復(fù)活,轉(zhuǎn)悲為喜,歡快地圍繞著花兒舞蹈。跳舞的過(guò)程中的旁白:(朋友,你知道是誰(shuí)把生命給了我們
4、?是誰(shuí)把綠色給了山川?是誰(shuí)把豐收給了田野?是水!是水!水是生命之源!當(dāng)宇宙中那顆冰球與地球相撞后,地球便有了水。因?yàn)橛辛怂祟惒砰_(kāi)始生生息息地繁衍,因?yàn)橛辛怂蟮夭排狭司G裝,萬(wàn)物才有了生機(jī)勃勃的容顏。)最后以一句發(fā)人深省的話“為了我們共同的家園,請(qǐng)珍惜每一滴水”結(jié)束了全場(chǎng)的表演。 2 機(jī)械部分 2.1頭部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)器人頭部可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng),使用兩臺(tái)小型減速直流電機(jī),其安裝方式如圖2.1.1所示: 圖1 頭部電機(jī)示意圖 頭部電機(jī)1可以實(shí)現(xiàn)昂頭、低頭兩種動(dòng)作,電機(jī)1正轉(zhuǎn)由連軸器帶動(dòng)電機(jī)2正向轉(zhuǎn)動(dòng),如圖 2.1.1所示。電機(jī)2反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)頭部動(dòng)作如圖2.1.2所
5、示。電機(jī)2的正反轉(zhuǎn)帶動(dòng)頭部可以實(shí)現(xiàn)搖頭的動(dòng)作。 圖2 頭部電機(jī)詳解圖 假設(shè)毛毛面部在xoz平面內(nèi),旋轉(zhuǎn)電機(jī)2,其面部轉(zhuǎn)到y(tǒng)oz面內(nèi),由頭部?jī)蓚€(gè)自由度的組合,可以實(shí)現(xiàn)頭部各種動(dòng)作。 2.2機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)器人肩部使用角鐵連接,角鐵機(jī)械強(qiáng)度高,不易變形,在機(jī)器人動(dòng)作時(shí)可以有效保持本體形態(tài),不發(fā)生抖動(dòng)現(xiàn)象;手臂使用鋁合金材料連接,鋁合金質(zhì)輕、強(qiáng)度高,安裝在手臂上可以有效減輕手臂電機(jī)的負(fù)荷、保證其穩(wěn)定性。整個(gè)手臂共使用6個(gè)電機(jī),其中左右手各使用3個(gè)電機(jī),左右手安裝形式完全相同,下面介紹手部電機(jī)安裝結(jié)構(gòu)。安裝形式如圖2.2.1。 圖3 手部電機(jī)示意
6、圖 電機(jī)1、2、3組合,可以使機(jī)器人手臂實(shí)現(xiàn)三個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng),能很好地模擬人手大小臂的各種動(dòng)作。電機(jī)1實(shí)現(xiàn)張合臂動(dòng)作,電機(jī)2實(shí)現(xiàn)大臂動(dòng)作,電機(jī)3實(shí)現(xiàn)小臂動(dòng)作。由此組合成手臂的第二個(gè)關(guān)節(jié),在整個(gè)空間內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)。由這4個(gè)電機(jī)的組合運(yùn)動(dòng),控制手臂在空間內(nèi)自由運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)手臂的自由彎曲。在我們的表演中,可實(shí)現(xiàn)毛毛的各種舞蹈動(dòng)作及其它細(xì)微動(dòng)作。 圖4 手部電機(jī)立體圖 2.3.腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 腰部由電機(jī)5驅(qū)動(dòng),一改傳統(tǒng)的拉線式結(jié)構(gòu),我們通過(guò)連桿與轉(zhuǎn)動(dòng)軸相連實(shí)現(xiàn)彎腰動(dòng)作。腰部機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)精巧,巧妙的利用了杠桿的原理,電機(jī)負(fù)荷大大減輕,控制精確,工作穩(wěn)定。平面設(shè)計(jì)圖如
7、下: 圖5 腰部電機(jī)示意圖 2.4.機(jī)器人底盤 底盤安裝了三個(gè)輪,其中由兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪和一個(gè)萬(wàn)向輪組成,安裝結(jié)構(gòu)如圖 2.4.1所示。 圖6 底盤俯視圖 萬(wàn)向輪安裝在最前端,可實(shí)現(xiàn)0~360度自由轉(zhuǎn)向,后輪由兩個(gè)大功率減速直流電機(jī)帶動(dòng)機(jī)器人前后運(yùn)動(dòng)。 3 硬件電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的硬件電路主要由以下幾個(gè)模塊組成:+5V電源穩(wěn)壓電路及+9V電壓穩(wěn)壓電路、紅外傳感器調(diào)理電路、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)板電路。 以下分別介紹: 3.1 控制模塊 單片機(jī)最小系統(tǒng)板的設(shè)計(jì) 圖7 AT89S52單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖 該模塊的附
8、加功能如下:?jiǎn)纹瑱C(jī)的P3.3口接一按鈕開(kāi)關(guān),即可用于人機(jī)交互的I/O口輸入按鍵,又可作為外部中斷1的人為輸入端;P3.4口接一個(gè)發(fā)光二極管,用于顯示一個(gè)I/O口的狀態(tài);P3.5接蜂鳴器,編寫相關(guān)程序可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的報(bào)警功能。該最小系統(tǒng)板有上電按鍵復(fù)位電路,有電源指示燈,有外部擴(kuò)展EEPROM接口,有防電源反接保護(hù)電路,四組I/O口均可接排阻,由跳線帽設(shè)置。本系統(tǒng)板適用51系列其它任何單片機(jī)芯片,具有良好的通用性。單片機(jī)使用晶振為11.0592MHz。 3.2 傳感器的設(shè)計(jì)與安裝 圖8 紅外傳感器驅(qū)動(dòng)原理圖 該電路可以驅(qū)動(dòng)四個(gè)紅外對(duì)管,集成運(yùn)放用最實(shí)用的四運(yùn)放芯片LM324。本電路
9、圖利用簡(jiǎn)單的紅外發(fā)射接收原理及運(yùn)放制作的電壓比較器將信號(hào)調(diào)整成TTL高低電平。便于單片機(jī)的實(shí)時(shí)采集。 車底座四個(gè)紅外發(fā)射接收傳感器,用于檢測(cè)地面及記錄路程狀態(tài),便于返回安全區(qū)域。車身四角上方各有一個(gè)紅外接收管,呈45度角裝置,便于當(dāng)小車走到白色節(jié)點(diǎn)時(shí)檢測(cè)四周四個(gè)黑色方格內(nèi)是否有火源。與風(fēng)扇吹風(fēng)相同的方向裝有兩個(gè)紅外接收傳感器,判定風(fēng)扇是否已經(jīng)轉(zhuǎn)向火源。具體參考:5.1.6 整機(jī)裝備圖解。 關(guān)于尋跡及計(jì)白線傳感器的安裝是經(jīng)過(guò)多重考慮最終確定的。將四個(gè)傳感器放在小車車身中央同一條直線上,這樣組合使用可以實(shí)現(xiàn)功能如下:尋跡、計(jì)白色線數(shù)、處理臨界狀態(tài)、防出界、防遇到障礙物等等功能。但它也有局限性,
10、小車后退尋跡無(wú)法實(shí)現(xiàn),只有靠轉(zhuǎn)彎來(lái)后退,如果將傳感器都放后輪軸下方,就可以很好地跟隨主動(dòng)輪一起實(shí)現(xiàn)前進(jìn)或后退尋跡功能,但裝在后輪下方就會(huì)失去更多功能。權(quán)衡利弊,確定讓四傳感器裝在車底座中央下方一條直線上。 3.3 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)一般可以采用兩種方法:由三極管組成的H橋驅(qū)動(dòng)和集成電路驅(qū)動(dòng)。從穩(wěn)定性的角度考慮,我們選用了集成芯片L298。一片L298可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電動(dòng)機(jī),工作電壓最高可達(dá)到46V,在6—46V的電壓下,可以提供2A的工作電流,L298自帶過(guò)熱保護(hù)電路。 利用L298及其外部輔助電路和電機(jī)構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路。單片機(jī)控制口接L298的四個(gè)輸入控制端IN1,I
11、N2,IN3,IN4。L298的兩個(gè)輸出端OUT1,OUT2接電機(jī)。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)編碼如表1.2所示。 表1.2電動(dòng)機(jī)狀態(tài)編碼表 左電機(jī) 右電機(jī) 左電機(jī) 右電機(jī) 電動(dòng)車運(yùn)行狀態(tài) 1IN1 1IN2 2IN1 2IN2 1 0 1 0 正轉(zhuǎn) 正轉(zhuǎn) 前行 1 0 0 1 正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 左轉(zhuǎn) 1 0 0 0 正轉(zhuǎn) 停 以左電機(jī)為中心原地左轉(zhuǎn) 0 1 1 0 反轉(zhuǎn) 正轉(zhuǎn) 右轉(zhuǎn) 0 0 1 0 停 正轉(zhuǎn) 以右電機(jī)為中心原地右轉(zhuǎn) 0 1 0 1 反轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 后退 圖9 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)板 根據(jù)
12、上表可知,只要設(shè)定一塊L298的IN1,IN2,IN3,IN4四個(gè)控制端口的不同編碼,就可得到電機(jī)的正轉(zhuǎn),反轉(zhuǎn)等不同的運(yùn)行狀態(tài);可使電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行,L298如圖3.3所示。 3.4 電源模塊 電源無(wú)疑是機(jī)器人設(shè)計(jì)中一個(gè)非常重要的一個(gè)模塊,只有電源的穩(wěn)定可靠才使機(jī)器人有可靠運(yùn)行的可能。因?yàn)槭且苿?dòng)的機(jī)器人,所以它的能源需要與自身本體一起移動(dòng),可充電電池成了最好的選擇。在選擇電池的時(shí)候主要從以下幾個(gè)方面考慮:充電性能、功率密度、電壓、容量、內(nèi)阻。綜合考慮我們選擇了鎳氫電池,鎳氫電池的類型比較多,電池和充電器的花費(fèi)比較節(jié)省。其記憶效應(yīng)遠(yuǎn)小于鎳鎘電池,功率密度也比較高。 機(jī)器人本體上共用到11
13、個(gè)12V直流電機(jī)。 使用固定電壓給直流電機(jī)供電可使機(jī)器人的動(dòng)作及底盤運(yùn)動(dòng)保持相對(duì)恒定,故我們選擇了集成穩(wěn)壓芯片7809,使充電電池輸入的+12V轉(zhuǎn)換成+9V供給各直流電機(jī),保證了調(diào)試的方便、降低了表演出錯(cuò)率。 系統(tǒng)一共用到兩種電源,控制電路部分5V和電機(jī)的9V。本系統(tǒng)采用兩塊充電電池(充滿電+13.7V)和一個(gè)四節(jié)南孚電池組成的電池盒(約+5.5V)供電,5V電壓供單片機(jī)工作;從12V電源穩(wěn)壓得到9V供機(jī)器人本體中的各個(gè)直流電機(jī)工作。 直流電機(jī),集成驅(qū)動(dòng)芯片,都會(huì)在電源總線上產(chǎn)生噪聲,對(duì)此采用了在每個(gè)電機(jī)的輸出端接上旁路電容來(lái)消除噪聲。 4 軟件設(shè)計(jì) 4.1 程序框圖
14、4.2 程序流程圖 圖10 尋跡流程圖 圖11 定位流程圖 圖12 上身動(dòng)作流程圖 4.3 程序思想 4.3.1 底盤思想 通過(guò)程序控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn),即可控制機(jī)器人底盤的各種運(yùn)動(dòng),包括原地左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)、左轉(zhuǎn)彎右轉(zhuǎn)彎、前進(jìn)、后退、剎車等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。通過(guò)紅外傳感器對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡的檢測(cè),控制機(jī)器人底盤做相應(yīng)的動(dòng)作。底盤程序中加入了一種巧妙的算法,在尋跡的過(guò)程中檢測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù),當(dāng)程序執(zhí)行到尋跡模塊,進(jìn)入死循環(huán),只有當(dāng)檢測(cè)到節(jié)點(diǎn)時(shí)才跳出死循環(huán);并且在每一個(gè)節(jié)點(diǎn)出發(fā)處屏蔽節(jié)點(diǎn)計(jì)數(shù)器,使傳感器能正常檢測(cè)到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。 4.3.2 上身思想 為了使機(jī)器人能夠做出抬頭,搖
15、頭,彎腰,舞蹈等動(dòng)作,機(jī)器人的上身共用了9個(gè)直流電機(jī)。 能實(shí)現(xiàn)9個(gè)自由度,基本上能表現(xiàn)出人基本的單間的動(dòng)作。 6 總結(jié) 經(jīng)過(guò)全體隊(duì)員的十多天的努力,我們的機(jī)器人從一個(gè)想法和概念變成了現(xiàn)實(shí),并走上了舞臺(tái)。在整個(gè)制作過(guò)程中,大部分電路都是我們自己手焊的,所以有時(shí)會(huì)因?yàn)槟硞€(gè)元件的虛焊會(huì)使我們白白浪費(fèi)很多的時(shí)間去找軟件的錯(cuò)。在動(dòng)作的調(diào)試過(guò)程中因?yàn)橹绷麟姍C(jī)的累積誤差和不能精確控制使得調(diào)試工作量變得非常大。有時(shí)一個(gè)動(dòng)作要調(diào)上五,六個(gè)小時(shí)。在多人合作中由于有明確的分工,相互協(xié)作也變的尤為重要,軟件離不開(kāi)電路和機(jī)械的支持,電路和機(jī)械更是離不開(kāi)軟件來(lái)賦予它發(fā)揮更強(qiáng)大功用的能力。為了保證我們的工作
16、順手如意,從制作機(jī)器人一開(kāi)始我們便通力協(xié)作,遇到問(wèn)題和困難就一起動(dòng)手,在解決問(wèn)題的過(guò)程中提高了我們分析和解決問(wèn)題的能力,也進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到了電路,機(jī)械和程序之間密不可分的聯(lián)系。 由于沒(méi)在意到電源供電的問(wèn)題,最后出現(xiàn)了一件很麻煩的事:充電電池供電有限,調(diào)試過(guò)程中,經(jīng)??梢钥吹皆诠╇娢醋兊那闆r下,已調(diào)好的動(dòng)作變得又不精確。 7 致謝 首先要感謝是電子電氣工程系對(duì)我們機(jī)器人競(jìng)賽的大力支持,系里支持才使得我們的許多工作能夠順利的進(jìn)展。感謝譚老師的關(guān)愛(ài)、王敬生老師和儲(chǔ)忠老師在整個(gè)制作過(guò)程的鼓勵(lì)和指導(dǎo)。 懸掛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)(E題)設(shè)計(jì)與總結(jié)報(bào)告 摘要:本設(shè)計(jì)以單片機(jī)(C8051F005)作為懸掛運(yùn)動(dòng)
17、控制系統(tǒng)的控制核心,整個(gè)系統(tǒng)由中央控制模塊、鍵盤輸入模塊、跟蹤檢測(cè)模塊、液晶顯示模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部分組成,可實(shí)現(xiàn)懸掛物體的自行設(shè)定“M”形軌跡運(yùn)動(dòng),直線運(yùn)動(dòng),圓心任意設(shè)定,直徑為50cm的圓周運(yùn)動(dòng)和軌跡跟蹤運(yùn)動(dòng)等功能??刂葡到y(tǒng)接收用戶設(shè)定參數(shù)并進(jìn)行合法性檢驗(yàn),然后控制物體按要求運(yùn)動(dòng),同時(shí)用畫筆畫出物體的運(yùn)動(dòng)軌跡。跟蹤檢測(cè)模塊以光電傳感器構(gòu)成十字交叉型陣列,搜索標(biāo)定的任意曲線,控制懸掛物體沿標(biāo)定的任意曲線運(yùn)動(dòng)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)由兩臺(tái)混合步進(jìn)電機(jī)28BYJ48A和相關(guān)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路組成,解決了電機(jī)運(yùn)行的同步問(wèn)題。大屏幕的液晶顯示模塊可清晰顯示設(shè)定參數(shù),實(shí)時(shí)顯示物體所在位置的坐標(biāo)值,并同步顯示懸掛物體的運(yùn)動(dòng)軌
18、跡。 關(guān)鍵詞:智能控制,軌跡跟蹤,液晶顯示屏(LCD),鍵盤 A movement control system of a suspending object Abstract: A system, which uses a micro-control unit (MCU) as its controlling unit, is designed for controlling movement of a suspending object in a pre-defined way, i.e. linear, circular or track-tracing. It is compos
19、ed of a center control unit, a keyboard input unit, a track-tracing unit, a liquid crystal display unit and a performing unit. The control system after receiving user’s information judges first, and then controls the movement of the object according to requirements while painting the movement track.
20、 The track-tracing unit, consisting of five photoelectric transducers arranged cross-shaped, searches the pre-defined movement track of the object and controls the object to move along it. The performing unit is composed of two hybrid step motors (28BYJ48A) and motor-driving circuits, and it is used
21、 to deal with synchronization of running of the motors. The liquid crystal display unit is used to display the pre-defined parameters and the movement track of the object. Keywords: intellegent control track-tracing liquid crystal display keyboard 1. 系統(tǒng)方案選擇和論證 1.1 設(shè)計(jì)要求 1.1.1基本要求: (1)控制系統(tǒng)能夠
22、通過(guò)鍵盤或其他方式任意設(shè)定坐標(biāo)點(diǎn)參數(shù); (2)控制物體在80cm*100cm的范圍內(nèi)作自行設(shè)定的運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)軌跡長(zhǎng)度不小100cm,物體在運(yùn)動(dòng)時(shí)能夠在板上畫出運(yùn)動(dòng)軌跡,限300秒內(nèi)完成; (3)控制物體作圓心可任意設(shè)定、直徑為50cm的圓周運(yùn)動(dòng),限300秒內(nèi)完成; (4)物體從左下角坐標(biāo)原點(diǎn)出發(fā),在150秒內(nèi)到達(dá)設(shè)定的一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)(兩點(diǎn)間直線距離不小于40cm)。 1.1.2發(fā)揮部分 (1)能夠顯示物體中畫筆所在位置的坐標(biāo); (2)控制物體沿板上標(biāo)出的任意曲線運(yùn)動(dòng)(見(jiàn)示意圖),曲線在測(cè)試時(shí)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)出,線寬1.5cm~1.8 cm,總長(zhǎng)度約50 cm,顏色為黑色;曲線的前一部分是連續(xù)的,
23、長(zhǎng)約30 cm;后一部分是兩段總長(zhǎng)約20 cm的間斷線段,間斷距離不大于1 cm;沿連續(xù)曲線運(yùn)動(dòng)限定在200秒內(nèi)完成,沿間斷曲線運(yùn)動(dòng)限定在300秒內(nèi)完成; (3)其他。 1.2 系統(tǒng)基本方案 根據(jù)題目要求,系統(tǒng)可規(guī)劃為中央控制部分,軌跡跟蹤部分、輸入模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、顯示部分和供電部分。如圖1.1所示: ~220V 中央控制模塊 輸入 模塊 顯示 模塊 軌跡跟蹤模塊 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 圖1.1 系統(tǒng)的基本模塊方框圖 電源模塊 1.2.1 各模塊方案選擇與論證 (1) 控制器模塊 中央控制器為整個(gè)系統(tǒng)的核心,
24、通過(guò)接受外部信息,按照控制算法驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。對(duì)中央處理器的選擇多種多樣,但我們熟練掌握8051系列單片機(jī)的控制原理和設(shè)計(jì)方法,所以我們選擇C8051F005作為系統(tǒng)控制器。該單片機(jī)運(yùn)算功能強(qiáng),軟件編程靈活,自由度大,并且其功耗低,體積小,技術(shù)成熟,完全適合在本系統(tǒng)中應(yīng)用。 (2) 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 本系統(tǒng)中要求電動(dòng)機(jī)步距角小,動(dòng)態(tài)性能好,并能實(shí)現(xiàn)精確定位。 方案1:直流電機(jī)。 使用直流電機(jī)作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。在電機(jī)上安置碼盤和紅外接收管或霍爾器件,通過(guò)計(jì)數(shù)器對(duì)接收到的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù),從而算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速和繩子改變的長(zhǎng)度。但此種方法需要半閉環(huán)控制(即需要線位移反饋或速度反饋),結(jié)構(gòu)復(fù)雜,計(jì)算困難。
25、 方案2:步進(jìn)電機(jī)。 ①反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(variable reluctance,簡(jiǎn)稱VR) 反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子是由軟磁材料制成的,轉(zhuǎn)子中沒(méi)有繞組,步距角可做得很小,但動(dòng)態(tài)性能較差。 ②永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(permanent magnet,簡(jiǎn)稱PM) 永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子是用永磁材料制成的,轉(zhuǎn)子本身就是一個(gè)磁源。它的輸出轉(zhuǎn)矩大,動(dòng)態(tài)性能好,轉(zhuǎn)子的極數(shù)與定子的極數(shù)相同,所以步距角一般較大。 ③混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(hybrid,簡(jiǎn)稱HB) 混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點(diǎn),它的輸出轉(zhuǎn)矩大,動(dòng)態(tài)性能好,步距角小。 所以我們選用混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。并選擇與其適配的專用驅(qū)
26、動(dòng)集成芯片L297+L298,L297+L298集驅(qū)動(dòng)和保護(hù)于一體,性能穩(wěn)定,易調(diào)試,且使用方便。 (3)輸入模塊 方案1:鍵盤輸入。 采用優(yōu)良的4*4行列矩陣式鍵盤,此方法操作簡(jiǎn)單,節(jié)省單片機(jī)資源,且價(jià)格便宜。 方案2:觸摸屏輸入。 通過(guò)觸摸檢測(cè)部件檢測(cè)用戶觸摸位置,接受觸摸信息后送觸摸屏控制器,觸摸屏控制器將它轉(zhuǎn)換成觸點(diǎn)坐標(biāo)送給CPU,它同時(shí)接收CPU發(fā)來(lái)的命令并加以執(zhí)行。此方法操作方便,簡(jiǎn)單,但價(jià)格昂貴。 所以選擇方案1。 (4)顯示模塊 本模塊將實(shí)現(xiàn)的功能是實(shí)時(shí)顯示物體所在位置的坐標(biāo)并同步顯示物體的運(yùn)動(dòng)軌跡。 方案1:采用傳統(tǒng)的數(shù)碼管顯示。 數(shù)碼管具有低
27、壓、壽命長(zhǎng)、耐老化、防潮,對(duì)環(huán)境要求低以及精確可靠、操作簡(jiǎn)單、易于維護(hù)等特點(diǎn),但顯示信息量小,只能顯示坐標(biāo)數(shù)值,無(wú)法顯示運(yùn)動(dòng)軌跡。 方案2:采用液晶顯示屏(LCD)顯示。 液晶顯示屏具有低耗電量,無(wú)輻射危險(xiǎn),以及影像不閃爍等優(yōu)勢(shì),可視面積大,畫面效果好,分辨率高,抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。并能顯示各種波形,菜單等,顯示內(nèi)容十分豐富。 基于以上分析,擬訂方案2。 (5)軌跡跟蹤模塊 方案1:采用攝像頭。 利用圖像提取技術(shù)或色素提取技術(shù),根據(jù)攝像頭拍攝到的圖片決定下一步的運(yùn)動(dòng)方向。其優(yōu)點(diǎn)是控制精確,但其對(duì)硬件和軟件的要求都較高,處理起來(lái)困難。 方案2:采用熱探測(cè)器。 熱探測(cè)
28、器是根據(jù)接收到紅外輻射后溫度變化,溫度的變化引起電信號(hào)輸出,且輸出的電信號(hào)與溫度的變化成比例的原理工作的。當(dāng)紅外線被黑線吸收時(shí),溫度會(huì)減小,電壓變低,而紅外線沒(méi)有被吸收時(shí),電壓不變,單片機(jī)可以根據(jù)電壓的變化來(lái)判斷路面的狀態(tài)。由于溫度變化是因?yàn)槲諢彷椛淠芰恳鸬?,與吸收紅外輻射的波長(zhǎng)沒(méi)有關(guān)系,即對(duì)紅外輻射吸收沒(méi)有波長(zhǎng)的選擇,因此受外界影響較大,抗干擾較弱。 方案3:采用光電傳感器。 光電傳感器接收紅外輻射后,紅外光子直接把材料的束縛態(tài)電子激發(fā)成傳導(dǎo)電子,由此引起電信號(hào)輸出,輸出信號(hào)大小與所吸收的光子數(shù)成比例。且這些紅外光子能量的大小(即紅外光還必須滿足一定的波長(zhǎng)范圍),必須滿足一定的要求才
29、能激發(fā)束縛電子,起激發(fā)作用。光電傳感器吸收的光子必須滿足一定的波長(zhǎng),否則不能被吸收,所以受外界影響比較小,抗干擾比較強(qiáng)。 基于以上分析,擬訂方案3。 1.2.2 系統(tǒng)各模塊的最終方案 經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析和論證,決定了系統(tǒng)各模塊的最終方案如下: (1)控制器模塊:采用單片機(jī)C8051F005控制。 (2)執(zhí)行機(jī)構(gòu):采用混合式步進(jìn)電機(jī)和專用的驅(qū)動(dòng)集成芯片L297+L298。 (3)輸入模塊:采用4*4行列矩陣式鍵盤。 (4)顯示模塊:采用點(diǎn)陣型液晶顯示屏(LCD)WG320*240。 (5)軌跡跟蹤模塊:采用紅外光電傳感器。 系統(tǒng)的基本框圖如圖1.4所示。 圖1.4
30、系統(tǒng)的基本組成框圖 中央控制模塊 C8051F005 4*4鍵盤 LCD顯示 步進(jìn)電機(jī) 驅(qū)動(dòng)電路 軌跡跟蹤模塊 步進(jìn)電機(jī)及相關(guān)機(jī)械裝置 直流穩(wěn)壓 電源 2. 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)功能簡(jiǎn)述: (1)控制系統(tǒng)能夠通過(guò)4*4鍵盤輸入物體的運(yùn)動(dòng)形式,例如直線運(yùn)動(dòng),圓周運(yùn)動(dòng),自行設(shè)定軌跡運(yùn)動(dòng)和軌跡跟蹤運(yùn)動(dòng)。可以任意設(shè)定坐標(biāo)點(diǎn)參數(shù),并進(jìn)行輸入數(shù)據(jù)合法性檢驗(yàn); (2)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成物體在80cm*100cm的范圍內(nèi)作自行設(shè)定的“M”形運(yùn)動(dòng)并能夠在白板上畫出物體的運(yùn)動(dòng)軌跡; (3)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成懸掛物體作圓心任意設(shè)定,直徑為50cm
31、的圓周運(yùn)動(dòng); (4)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成懸掛物體作起點(diǎn)在原點(diǎn),終點(diǎn)任意設(shè)定的直線運(yùn)動(dòng); (5)能夠通過(guò)大屏幕的液晶屏顯示當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)形式以及與其相關(guān)的特定參數(shù),實(shí)時(shí)顯示物體中畫筆所在位置的坐標(biāo)值,并同步顯示物體的運(yùn)動(dòng)軌跡; (6)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)軌跡跟蹤的功能。軌跡為任意設(shè)定的黑色軌跡,分為連續(xù)部分和間斷部分。 2.1 系統(tǒng)的硬件組成部分 本題是一個(gè)光、機(jī)、電一體的綜合設(shè)計(jì),在設(shè)計(jì)中運(yùn)用了檢測(cè)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和電子技術(shù)。系統(tǒng)可分為傳感器檢測(cè)部分,智能控制部分,LCD顯示部分和供電部分。 傳感器檢測(cè)部分:系統(tǒng)利用光電傳感器將檢測(cè)到的外部信息(例如軌跡情況)轉(zhuǎn)化為可被控制器件辨認(rèn)的電
32、信號(hào)。軌跡跟蹤模塊即屬于這一部分。 智能控制部分:系統(tǒng)中控制器件根據(jù)傳感器變換輸出的電信號(hào)進(jìn)行邏輯判斷和計(jì)算,控制電機(jī)動(dòng)作,完成懸掛物體的軌跡跟蹤運(yùn)動(dòng)。同時(shí)還可根據(jù)鍵盤的輸入?yún)?shù),控制懸掛物體作相應(yīng)的軌跡運(yùn)動(dòng)。 LCD顯示部分:液晶顯示屏(LCD)顯示當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)形式以及與其相關(guān)的設(shè)定參數(shù),實(shí)時(shí)顯示物體所在位置的坐標(biāo)值,并同步顯示物體的運(yùn)動(dòng)軌跡。 供電部分:為系統(tǒng)各個(gè)單元提供正常穩(wěn)定的工作電壓。 2.2主要單元電路設(shè)計(jì) 2.2.1 智能控制部分的單元電路設(shè)計(jì) (1) 中央控制模塊電路的設(shè)計(jì) 單片機(jī)的最小系統(tǒng)及外圍電路具體如圖2.1所示。單片機(jī)C8051F005接收鍵盤的輸
33、入和軌跡跟蹤模塊的信息,并將輸入信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理,以控制脈沖的形式來(lái)控制電機(jī)動(dòng)作,從而完成各項(xiàng)任務(wù)要求。 為了方便單片機(jī)引腳的使用,我們將單片機(jī)的所有引腳用接口引出。 其中: ①鍵盤接口:P2口; ②電機(jī)接口:左邊電機(jī)脈沖輸入端:P0.6,方向控制端:P0.7; 右邊電機(jī)脈沖輸入端:P3.6,方向控制端:P3.7; ③液晶顯示屏接口:A0、WR、RD、CS、RST:P3.0~P3.4; 數(shù)據(jù)線DB0~DB7:P1口; ④ 軌跡跟蹤模塊的輸入接口:紅外光電傳感器的輸出接口根據(jù)傳感器的位置從上到左按逆時(shí)針?lè)謩e接P0.0~P0.4。 ⑤ 光指示二極管接口:P3.5 圖2.1
34、C8051F005的最小系統(tǒng)及外圍電路 (2)電機(jī)模塊 電機(jī)的選擇:本系統(tǒng)是一個(gè)電機(jī)控制系統(tǒng),所以電機(jī)的選擇至關(guān)重要?,F(xiàn)對(duì)懸掛物體進(jìn)行受力分析, 15cm mg F1 F2 θ1 θ2 圖2.2 物體的受力分析 如圖2.2所示: F1sinθ1 = F2sinθ2 F1cosθ1 + F2cosθ2 = mg 其中:根據(jù)白板尺寸, 張角θmax=arctg(115/15)≈82.5 θmin=arctg(15/115)≈7.4 所以,7.4≤θ1≤82.5;7.4≤θ2≤82.5。 由于是定滑輪兩邊受力相同,所以繩子對(duì)物體的拉力等
35、于繞線輪對(duì)繩子的拉力,則算出繩子的最大拉力就可以得到拉力對(duì)繞線輪的最大轉(zhuǎn)矩。 根據(jù)上述數(shù)學(xué)公式求得拉力的極值,F(xiàn)1≤1.9mg。 取F1=2mg,電動(dòng)機(jī)上的繞線輪直徑為4.9cm,則半徑r=2.45 cm 懸掛物對(duì)繞線輪的轉(zhuǎn)矩:Tn=F1r=20.1kg9.8N/kg0.0245m=48mN.m 即所選電機(jī)扭矩為≥48mN.m 對(duì)照電機(jī)手冊(cè),我們選擇了混合式步進(jìn)電機(jī)28BYJ48A,洛社微特電機(jī)廠。 供電電壓:直流電壓12V電壓供電。 脈沖步長(zhǎng):繞線輪周長(zhǎng)為4.9πcm,發(fā)2050個(gè)脈沖,電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈。 脈沖步長(zhǎng)= 4.9π2050=0.0075cm。 (3)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)
36、計(jì)與實(shí)現(xiàn) 28BYJ48A型步進(jìn)電機(jī)有與其配套的專用驅(qū)動(dòng)芯片L297+L298,具體電路如圖2.3所示。 ① L298的2、3、13和14腳分別接四相步進(jìn)電機(jī)的 A相,B相,C相和D相 ; ② L297的17腳(cw/ccw)為轉(zhuǎn)向控制端。高電平,電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),低電平,電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng); ③ L297的18腳(clk)為脈沖輸入端。每接收一個(gè)脈沖,步進(jìn)電機(jī)前進(jìn)一步; ④ L297的19腳(half/full) 為模式控制端。高電平為單步工作方式,低電平為雙步工作方式,單步工作的步距角為雙步的兩倍; ⑤ L297的15腳(Vref)控制負(fù)載的最大電流; ⑥ 其他控制管腳接有效電平。
37、 工作過(guò)程: 電機(jī)上5根接線分別接L298的A、B、C、D四相和COM端,當(dāng)L297的clock端接收到一個(gè)脈沖,電機(jī)根據(jù)cw/ccw端的電平,順時(shí)針或者逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)一步,步長(zhǎng)為0.0075cm。 圖2.3電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)電路 (4)鍵盤模塊 鍵盤上設(shè)有: 數(shù)字鍵:數(shù)字0~9,用于輸入X軸坐標(biāo),Y軸坐標(biāo)和圓心坐標(biāo)等數(shù)值。 功能鍵:X軸坐標(biāo)值與Y軸坐標(biāo)值之間的分隔符,確認(rèn)鍵,清除鍵,自行設(shè)定軌跡運(yùn)動(dòng)的標(biāo)志鍵,圓周運(yùn)動(dòng)的標(biāo)志鍵和軌跡跟蹤標(biāo)志鍵。 設(shè)定直線運(yùn)動(dòng)的終點(diǎn)坐標(biāo)時(shí),分隔符之前的值表示X坐標(biāo)值,范圍為0~80cm;分隔符之后的值表示Y坐標(biāo)值,范圍為0~100 cm。若作
38、圓周運(yùn)動(dòng),先按下圓周運(yùn)動(dòng)標(biāo)志鍵,圓心坐標(biāo)可以任意設(shè)定,設(shè)定過(guò)程與直線的終點(diǎn)坐標(biāo)設(shè)定相同。按下自行設(shè)定軌跡運(yùn)動(dòng)的標(biāo)志鍵后,物體即可按照預(yù)先設(shè)定的“M”形軌跡運(yùn)動(dòng)。確認(rèn)鍵按下后程序開(kāi)始執(zhí)行。清除鍵可以用來(lái)重新設(shè)置運(yùn)動(dòng)形式或坐標(biāo)參數(shù)。整個(gè)鍵盤操作界面十分友好。 (5)顯示模塊 采用LCD顯示懸掛物體運(yùn)動(dòng)的相關(guān)內(nèi)容,設(shè)計(jì)中選擇SED1335,其特點(diǎn)如下: ① 有較強(qiáng)功能的I/O緩沖器; ② 指令功能豐富; ③ 四位數(shù)據(jù)并行發(fā)送,最大驅(qū)動(dòng)能力為640256點(diǎn)陣; ④ 圖形和文本方式混合顯示。 接口電路如圖2.4所示: a. DB0-DB7:三態(tài),數(shù)據(jù)總線,可直接掛在MCU數(shù)據(jù)
39、總線上; b.CS:輸入,片選信號(hào)、低電平有效。當(dāng)MCU訪問(wèn)SED1335時(shí),將其置低; c. A0:輸入,I/O緩沖器選擇信號(hào),A0=1寫指令代碼和讀數(shù)據(jù),A0=0時(shí)寫數(shù)據(jù)參數(shù)和讀忙標(biāo)志; d.RD:輸入,讀操作信號(hào); e.WR:輸入,寫操作信號(hào); f.RES:輸入,復(fù)位信號(hào),低有效,當(dāng)重新啟動(dòng)SED1335時(shí)也需用指令SYSTEMSET。 整個(gè)屏幕的最下方顯示“懸掛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”字樣。左半邊同步顯示物體的運(yùn)動(dòng)軌跡,右上方根據(jù)鍵盤的輸入情況顯示物體的運(yùn)動(dòng)形式以及相關(guān)參數(shù),右下方實(shí)時(shí)顯示物體所在位 置坐標(biāo)值。例如作直線運(yùn)動(dòng)時(shí),右上方會(huì)顯示“直線”字樣,“直線”字樣下方顯
40、示用戶設(shè)定的直線運(yùn)動(dòng)終點(diǎn)坐標(biāo),右下方實(shí)時(shí)顯示物體所在位置的坐標(biāo)值;左半邊同步顯示直線運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)軌跡。作圓周運(yùn)動(dòng)時(shí),右上方會(huì)顯示“圓”的字樣,字樣下方顯示圓心坐標(biāo)和半徑,右下方實(shí)時(shí)顯示物體所在位置的坐標(biāo)值;左半邊同步顯示圓周運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)軌跡。其他運(yùn)動(dòng)時(shí)顯示界面基本相同,此顯示界面清晰、明了、美觀、大方。 圖2.4 液晶與單片機(jī)接口 2.2.2 檢測(cè)部分的單元電路設(shè)計(jì) 軌跡跟蹤模塊 根據(jù)題目要求,懸掛物體能沿著黑色軌跡運(yùn)動(dòng)。為了使物體能在特定的黑色軌跡上運(yùn)動(dòng),系統(tǒng)需要將軌跡的狀態(tài)及時(shí)的以電信號(hào)的形式反饋到控制部分,控制部分控制電機(jī)相應(yīng)的動(dòng)作,使物體一直沿著黑色軌跡運(yùn)動(dòng)。 圖2.5
41、為紅外光電傳感器具體的電路圖。 傳感器工作過(guò)程如下:紅外發(fā)光二極管導(dǎo)通,發(fā)出紅外光,經(jīng)反射物體反射到接收管上,接收管導(dǎo)通,比較器LM324的正向輸入端電壓低于反向輸入端電壓,比較器輸出為低電平;當(dāng)紅外光照射到黑色膠帶時(shí),反射到接收管上的光量減少,接收管處于截止?fàn)顟B(tài),則比較器的正向輸入端電壓高于反向輸入端電壓,輸出為高電平。由于光電傳感器受外界的影響較大,容易引起單片機(jī)誤判,因此在電路中加入了一個(gè)電位器(阻值為300K),調(diào)整電位器的阻值即可改變接收管的靈敏度,10K電阻可調(diào)節(jié)比較器的反向輸入端電壓。 圖2.5 紅外發(fā)射—接收電路圖 跟蹤原理: (1)線寬的選擇:
42、題目要求軌跡的寬度為1.5 cm~1.8cm,我們選定寬為1.7 cm的黑色電工膠帶,符合要求。 (2)傳感器的安裝: 傳感器的安裝對(duì)軌跡狀態(tài)的檢測(cè)有至關(guān)重要的影響。安裝時(shí)應(yīng)該讓傳感器檢測(cè)到的狀態(tài)正確反應(yīng)黑色軌跡的狀態(tài),從而正確判斷下一步的走向,使物體能沿著黑色軌跡正確運(yùn)動(dòng)。 如圖2.6所示,物體上安裝五個(gè)紅外傳感器,成上、下、左、右和正中的十字交叉形陣列,實(shí)現(xiàn)軌跡跟蹤運(yùn)動(dòng)功能。白色小框表示發(fā)射管,黑色小框表示接收管。分別假定上方傳感器為a,右方傳感器為b,下方傳感器為c,左方傳感器為d,正中間傳感器為e。其中:為了不使五個(gè)傳感器同時(shí)檢測(cè)到軌跡(當(dāng)五個(gè)傳感器同時(shí)檢測(cè)到軌跡時(shí)無(wú)法判斷下一步
43、的方向),故四周的傳感器到中心位置的傳感器的距離應(yīng)大于軌跡寬度的1/2,即n>1.7/2cm,同時(shí)n的值又不能大于軌跡寬度(大于軌跡寬度容易丟失軌跡,也導(dǎo)致無(wú)法判斷),即n<1.7cm,又因?yàn)閭鞲衅髯陨黹L(zhǎng)度為0.4 cm,所以我們選擇a,b,c,d四個(gè)傳感器與e傳感器發(fā)射管之間的距離為1.5 cm。另外我們還做了兩套傳感器,四周傳感器a,b,c,d與e傳感器之間的距離分別為0.8 cm和1.7 cm,經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn),證明四周傳感器與中心傳感器之間的距離為1.5 cm的傳感器陣列檢測(cè)效果最好,是檢測(cè)軌跡狀態(tài)的最佳選擇。 a b c d e 圖2.6傳感器陣列
44、 (3) 跟蹤思想: 單片機(jī)接收傳感器檢測(cè)的輸出信號(hào)數(shù)據(jù),來(lái)控制懸掛物體沿給定軌跡運(yùn)動(dòng)。根據(jù)+Y走向(向上運(yùn)動(dòng))和-Y走向(向下運(yùn)動(dòng))不可能同時(shí)有效,+X走向(向右運(yùn)動(dòng))和-X走向(向左運(yùn)動(dòng))也不可能同時(shí)有效,但 +Y和-X,+Y和+X,-Y和-X,-Y和+X走向可以同時(shí)有效的思想,來(lái)實(shí)現(xiàn)全方位軌跡跟蹤的。 ① 設(shè)定運(yùn)動(dòng)方向標(biāo)志位 設(shè)定向上標(biāo)志位為bitup,向下標(biāo)志位為bitdown,向左標(biāo)志位為bitleft,向右標(biāo)志位為bitright。標(biāo)志位為“1”表示相應(yīng)運(yùn)動(dòng)方向有效,為“0”表示相應(yīng)運(yùn)動(dòng)方向無(wú)效。bitup和bitdown,bitleft和
45、bitright不能同時(shí)有效,最先檢測(cè)到黑色軌跡傳感器則設(shè)定該方向的運(yùn)動(dòng)方向標(biāo)志位為“1”,當(dāng)中心傳感器e脫離了軌跡,并且該方向的方向傳感器也為無(wú)效時(shí),清除該方向的運(yùn)動(dòng)標(biāo)志位。 ② 判斷規(guī)則: a.連續(xù)軌跡判定:將傳感器探頭放在軌跡開(kāi)始位置,保證中心傳感器和一方向傳感器在軌跡上。開(kāi)始跟蹤,系統(tǒng)檢測(cè)五只傳感器的狀態(tài),根據(jù)上述方法設(shè)置bitup和 bitdown,bitleft和bitright方向標(biāo)志,然后沿該方向運(yùn)動(dòng)一步(物體運(yùn)動(dòng)一步是指物體移動(dòng)0.1cm,以下相同),同時(shí)再檢測(cè)該方向的方向傳感器,是否仍然為有效,若有效將繼續(xù)沿該方向運(yùn)動(dòng)一步,再檢測(cè)e傳感器,若中心傳感器e的檢測(cè)狀態(tài)為
46、0,判斷方向傳感器的檢測(cè)狀態(tài)也為0時(shí),原方向退回二步(因?yàn)檐壽E的寬度為1.7, 傳感器之間的距離為1.5 cm),并清除該方向標(biāo)志位。否則,繼續(xù)上述過(guò)程。 b.間斷軌跡判定:當(dāng)中心傳感器e狀態(tài)為“0”,而某一方向傳感器的狀態(tài)為“1”時(shí),說(shuō)明物體正處在間斷軌跡上,這時(shí)繼續(xù)向此方向走動(dòng)12步(1.2 cm,大于間斷曲線之間的距離1 cm),若中心傳感器的檢測(cè)狀態(tài)為“1”則根據(jù)上述方法判定軌跡形態(tài),繼續(xù)跟蹤;若不能檢測(cè)到任何狀態(tài),當(dāng)所有方向傳感器都檢測(cè)不到任何有效信息時(shí),判斷軌跡跟蹤結(jié)束。 2.2.3 供電部分的設(shè)計(jì) 電源模塊 電
47、源模塊的電路圖如圖2.7所示:系統(tǒng)通電后,交流電壓220V經(jīng)過(guò)變壓器變換成交流電壓14V,經(jīng)過(guò)整流,濾波,可調(diào)式三端穩(wěn)壓器LM317和三端穩(wěn)壓器7805分別得到12V和 5V的穩(wěn)定電壓。 LM317系列穩(wěn)壓器能在輸出電壓為1.25~37V的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào),其芯片內(nèi)也有過(guò)流、過(guò)熱和安全工作區(qū)保護(hù)。最大輸出電流為1.5A。輸出電壓Uo的表達(dá)式為: Uo=1.25(1+RP1/R1) 式中,R1=100Ω,輸出端與調(diào)整端壓差為穩(wěn)壓器的基準(zhǔn)電壓(典型值為1.25V),Uo=12V,RP1=(12/1.25-1)*R1=860Ω,取RP1為一個(gè)5.1K的電位器。
48、 圖2.7系統(tǒng)電源電路圖 3.軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用高級(jí)語(yǔ)言,C語(yǔ)言編寫的,對(duì)單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能,程序是在Windows 2000環(huán)境下采用 Keil uVision 2軟件編寫的,可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)紅外傳感器的查詢、電機(jī)方向的確定等功能。 電動(dòng)機(jī) 電動(dòng)機(jī) L1 L2 圖3.1 整體框架 原點(diǎn) 80cm 15 cm 15cm 15cm 100cm 15cm
49、 如圖3.1所示,建立數(shù)學(xué)模型: L1= L2= (0<=x<=80cm;0<=y<=100cm) 控制思想: 設(shè)定左邊電機(jī)控制L1的長(zhǎng)度,右邊電機(jī)控制L2的長(zhǎng)度,通過(guò)電動(dòng)機(jī)順時(shí)針或者逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)放線或者收線(跟繞線方向有關(guān)),以此改變L1和L2的長(zhǎng)度。當(dāng)X方向或Y方向改變了一個(gè)單位長(zhǎng)度,通過(guò)上述關(guān)系式得到L1和L2的值,與未運(yùn)動(dòng)之前的數(shù)值進(jìn)行比較,得出的差值轉(zhuǎn)換成電機(jī)的動(dòng)作。根據(jù)此數(shù)學(xué)模型,有兩種算法可以實(shí)現(xiàn)物體的運(yùn)動(dòng)。 (1)
50、逐點(diǎn)比較法 原理:計(jì)算機(jī)在控制加工過(guò)程中,能逐點(diǎn)的計(jì)算和判別加工誤差與規(guī)定的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行比較,由比較結(jié)果決定下一步的移動(dòng)方向。 特點(diǎn):運(yùn)算直觀,插補(bǔ)誤差小于一個(gè)脈沖當(dāng)量,輸出脈沖均勻而且輸出脈沖的速度變化小,調(diào)節(jié)方便。 (xe,ye) Y 圖3.2 直線示意圖 A C B O 工作節(jié)拍:偏差 判別 進(jìn)給 x 直線上方(點(diǎn)A),直線上(B點(diǎn)),直線下方(點(diǎn)C)。顯然,在點(diǎn)A處,為使物體向輪廓直線靠攏,應(yīng)+X向走一步;C點(diǎn)處,應(yīng)+Y向走一步;至
51、于B點(diǎn),看來(lái)兩個(gè)方向均可以,但考慮編程時(shí)的方便,現(xiàn)規(guī)定往+X向走一步。 F=XeY-XYe為原始的偏差計(jì)算公式(X,Y為當(dāng)前插補(bǔ)點(diǎn)動(dòng)態(tài)坐標(biāo); Xe,Ye為終點(diǎn)坐標(biāo)),F稱為偏差,每走一步到達(dá)新位置點(diǎn),就要計(jì)算相應(yīng)的F值。 顯然,F≥0時(shí),須+X向走一步;F<0時(shí),須+Y向走一步。為方便編程和提高計(jì)算速度,現(xiàn)對(duì)偏差F的計(jì)算公式加以簡(jiǎn)化: 插補(bǔ)點(diǎn)位于A、B點(diǎn)時(shí),走完下一步(+X), 動(dòng)態(tài)坐標(biāo)變?yōu)椋海ǎ兀剑兀?,Y=Y)? 新偏差變?yōu)椋海苙=XeY-(X+1)Ye=XeY-XYe-Ye=F-Ye。 這個(gè)公式比F=XeY-XYe計(jì)算要方便。 因此:走完+X后:偏差計(jì)算公式為Fn=F-Ye
52、; 走完+Y后:偏差計(jì)算公式為Fn=F+Xe。 基本軟件流程圖如圖3.3所示: 開(kāi)始 偏差判別 坐標(biāo)進(jìn)給 偏差計(jì)算 結(jié)束 終點(diǎn)? 圖3.3 插補(bǔ)算法流程圖 N Y (2)數(shù)字積分法 數(shù)字積分法(DDA)就是使用一系列的小矩形面積之和來(lái)近似輪廓曲線函數(shù)積分的整個(gè)面積。 物理意義:使動(dòng)點(diǎn)沿速度矢量的方向前進(jìn)。
53、 特點(diǎn):脈沖源每產(chǎn)生一個(gè)脈沖,就控制被積函數(shù)進(jìn)入累加器作一次累加(積分)運(yùn)算,累加和一旦超過(guò)累加器的容量,就產(chǎn)生溢出脈沖,并控制相應(yīng)坐標(biāo)進(jìn)給相當(dāng)于一個(gè)脈沖當(dāng)量的位移量。 經(jīng)過(guò)比較,逐點(diǎn)比較法簡(jiǎn)單、直觀,所以選用逐點(diǎn)比較法來(lái)實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)形式。 3.1直線運(yùn)動(dòng) 由上述分析,我們采用逐點(diǎn)比較法實(shí)現(xiàn)物體的直線運(yùn)動(dòng)。當(dāng)從鍵盤輸入直線的終點(diǎn)坐標(biāo)時(shí),根據(jù)算法對(duì)單片機(jī)編程,控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn),以實(shí)現(xiàn)懸掛物體的直線運(yùn)動(dòng)。直線運(yùn)動(dòng)分為左上、左下、右上、右下四種情況。如圖3.4所示:不同方向的直線運(yùn)動(dòng),下一步的走向有所不同,但總體流程相似。 X Y Y X 圖3.4 直線的運(yùn)動(dòng)形式
54、
程序流程圖如圖3.5所示:
其中,直線的起點(diǎn)坐標(biāo):(x0,y0),終點(diǎn)坐標(biāo):(x1,y1),實(shí)時(shí)坐標(biāo):(x8,y8)。
Fm=(x1-x8)*(y0-y8)-(yl-y8)*(x0-x8)
x1>=x0&&
y1>=y0
Fm<=0
Y
x0+=1
y0+=1
x1>x0&&
y1 55、
y1>y0
x1 56、5 直線流程圖
3. 2自行設(shè)定軌跡運(yùn)動(dòng)
在平面內(nèi)自行設(shè)定任意軌跡運(yùn)動(dòng)。我們?cè)O(shè)定的軌跡為“M”字樣,主要是考慮到“M”這種軌跡基本上包含了各種直線運(yùn)動(dòng)方向,完成折線的運(yùn)動(dòng)。且設(shè)定兩邊長(zhǎng)度為42.5 cm,中間兩段長(zhǎng)度36cm,整個(gè)路程長(zhǎng)159 cm,大于題目要求的100 cm,程序中調(diào)用4段直線運(yùn)動(dòng)即可。
3. 3 圓周運(yùn)動(dòng)
方法1:我們已經(jīng)知道,一個(gè)圓周可以分成若干段圓弧,可以利用圓弧的算法來(lái)實(shí)現(xiàn)圓周運(yùn)動(dòng)。每段圓弧可通過(guò)逐點(diǎn)比較法和數(shù)字積分法來(lái)實(shí)現(xiàn),兩者的原理前面已經(jīng)詳述,這里不再贅述。 我們繼續(xù)采用逐點(diǎn)比較法,但對(duì)圓弧算法有稍稍不同,現(xiàn)以圓心為原點(diǎn)的第一象限順圓為例 57、介紹,如圖3.6所示:
圖3.6 第一象限順圓
Y
A
B
C
X
輪廓線外面(點(diǎn)A),輪廓線上(B點(diǎn)),輪廓線里面(點(diǎn)C)。顯然,在點(diǎn)A處,為使懸掛物體向輪廓圓弧靠攏,應(yīng)-Y向走一步;C點(diǎn)處,應(yīng)+X向走一步;至于B點(diǎn),看來(lái)兩個(gè)方向均可以,但考慮編程時(shí)的方便,現(xiàn)規(guī)定往-Y向走一步。原始的偏差計(jì)算公式為:F=X2+Y2-R2(X,Y為當(dāng)前插補(bǔ)點(diǎn)動(dòng)態(tài)坐標(biāo))。
顯然,F<0時(shí),須+X向走一步;F≥0時(shí),須-Y向走一步。為方便編程和提高計(jì)算速度,對(duì)偏差F的計(jì)算公式加以簡(jiǎn) 58、化:
插補(bǔ)點(diǎn)位于A、B點(diǎn)時(shí),走完下一步(-Y),
動(dòng)態(tài)坐標(biāo)變?yōu)椋海╔=X,Y=Y(jié)-1),
新偏差變?yōu)椋篎n=X2+(Y-1)2-R2=F-2Y+1。
插補(bǔ)點(diǎn)位于C點(diǎn)時(shí),走完下一步(+X),
動(dòng)態(tài)坐標(biāo)變?yōu)椋海╔=X+1,Y=Y(jié)),
新偏差變?yōu)镕n=(X+1)2+Y2-R2=F+2X+1。
因此:走完-Y后:偏差計(jì)算公式為Fn=F-2Y+1,
動(dòng)態(tài)坐標(biāo)修正為Y=Y(jié)-1;
走完+X后:偏差計(jì)算公式為Fn=F+2X+1,
動(dòng)態(tài)坐標(biāo)修正為X=X+1。
流程圖如圖3.7所示:
59、
初始化
延時(shí)
F>=0?
-Y走步
+X走步
F=F-2Y+1
Y=Y-1
F=F+2X+1
X=X+1
到終點(diǎn)?
結(jié)束
圖3.7 圓弧的插補(bǔ)流程圖
Y
N
N
方法2 60、:圓周上取點(diǎn)。把圓劃分成若干個(gè)點(diǎn)組成,再按順序把點(diǎn)連接起來(lái),即可獲得圓周的軌跡,取的點(diǎn)越多,物體的運(yùn)動(dòng)軌跡越接近圓。如下圖所示, 我們以8個(gè)點(diǎn)進(jìn)行講述:
假設(shè)物體的半徑為r0,圓心坐標(biāo)為(x0,y0), 物體逆時(shí)針畫圓, 并設(shè)A點(diǎn)為起始點(diǎn),則物體可按逆時(shí)針從A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)
A
B H
C G
D F
E
計(jì)算公式如下:
A(x0,y0+r0): L1(A)=
L2(A)=
對(duì)于B點(diǎn): 61、 L1(B)=
L2(B)=
從上式可得到兩點(diǎn)之間的距離差,即可換算成脈沖數(shù)和電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向,其余點(diǎn)雷同。
所有計(jì)算均可按照通式: L1()=
L2()=
來(lái)進(jìn)行。
為了減小誤差必須增加所取點(diǎn)數(shù),這樣計(jì)算將非常復(fù)雜,不宜采用。
基于上述分析,采用逐點(diǎn)比較法來(lái)實(shí)現(xiàn)圓周運(yùn)動(dòng)。根據(jù)順圓,逆圓和所處位置不同來(lái)考慮。
(x0,y0)
R0
62、 Y
Ⅲ Ⅱ
Ⅰ
Ⅳ X
我們所畫的是順圓,逆圓流程圖與其相似,只是X,Y方向的動(dòng)作有所區(qū)別。
圖中:(x0,y0)為圓心坐標(biāo),Ⅰ區(qū)坐標(biāo)點(diǎn)范圍為x0 63、點(diǎn)范圍為x0-r 64、
N
圖3.8 圓的流程圖
3.4 軌跡跟蹤子程序
根據(jù)跟蹤思想,子程序框圖如圖3.9所示:
初始化
根據(jù)總體運(yùn)動(dòng)方向和傳感器狀態(tài)判斷走向
物體總體運(yùn)動(dòng)方向的判斷
向相應(yīng)的方向走一步(0.1Cm)
到斷點(diǎn)
根據(jù)總體運(yùn)動(dòng)方向和傳感器狀態(tài)判斷走向
向相應(yīng)的方向走十二步(1.2Cm)
尋跡結(jié)束+-
結(jié)束
Y
N
Y
N
圖3.9 軌跡跟蹤子程序
3.5 其他子程序
鍵盤子程序: 65、任意設(shè)定坐標(biāo)點(diǎn)參數(shù),并能對(duì)輸入數(shù)據(jù)的合法性進(jìn)行校驗(yàn)。
液晶顯示子程序:實(shí)時(shí)顯示物體所在位置坐標(biāo)值并同步顯示物體的運(yùn)動(dòng)軌跡。
光指示子程序:按下確認(rèn)鍵物體開(kāi)始運(yùn)動(dòng),點(diǎn)亮發(fā)光二極管;物體停止運(yùn)動(dòng)時(shí),熄滅發(fā)光二極管。
4.系統(tǒng)測(cè)試
為了確定系統(tǒng)與題目要求的符合程度,我們對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際的測(cè)試。
4.1測(cè)試儀器設(shè)備
測(cè)試使用的儀器設(shè)備如表4.1所示:
表4.1 儀器設(shè)備
序號(hào)
名稱,型號(hào),規(guī)格
數(shù)量
備注
1
數(shù)字示波器
1
Tektronix TDS2012
泰克科技(中國(guó))有限公司
2
秒表精度0.01s
1
上海秒表廠
3
軟尺最大測(cè)量距離200cm, 66、最小量程0.1cm
1
河南虞城華星量具有限公司
4
數(shù)字萬(wàn)用表
1
優(yōu)利得有限公司
4.2 測(cè)試方法和結(jié)果
(1)鍵盤輸入
測(cè)試方法:手動(dòng)任意設(shè)定坐標(biāo)點(diǎn)參數(shù)。
測(cè)試結(jié)果:鍵盤輸入情況如表4.2所示,單位:cm
表4.2 鍵盤輸入的測(cè)試
第一次
第二次
第三次
第四次
第五次
輸入值
x =12,y =25
x =75,y =63
x =90,y =25
x =20,y =90
x =20,y =105
顯示值
x =12,y =25
x =75,y =63
Error!
x =20,y =90
Error!
(2) 自行設(shè)定軌跡運(yùn)動(dòng)
我們選定的軌跡為“M”字樣的軌跡。
測(cè)試方法:
執(zhí)行時(shí)間T:前面已經(jīng)提及,當(dāng)確認(rèn)鍵按下后,物體開(kāi)始按要求運(yùn)動(dòng),發(fā)光二極管被點(diǎn)亮,點(diǎn)亮瞬間開(kāi)始計(jì)時(shí),物體停止運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)光二極管熄滅,熄滅瞬間停止計(jì)時(shí)。
則此種運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行時(shí)間T = 二極管的點(diǎn)亮?xí)r間;
測(cè)試結(jié)果:預(yù)設(shè)軌跡運(yùn)動(dòng)測(cè)試情況如表4.3所示:
表4.3自行設(shè)定軌跡運(yùn)動(dòng)的測(cè)試
第一次
第
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