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四、课程设计条件
1、PC机
2、NorthStar和AVRStdio软件安装盘
3、TEKTRONIXTDS100260MHZ示波器及万用表
4、博创科技创意之星实验箱
五、机械手控制系统组成
提供参考控制系统结构框图如图1所示。
图1控制系统参考结构框图
此控制过程包括:
首先要在抓取目标物体之前,要对目标物体有个坐标定位,并且这个坐标定位要结合机械手的坐标定位,在空间上和数值上要达到一致。
根据这个要求设计了一个机械手运动控制模型,此模型一方面起到定位坐标的作用,另一方面又起到了监控和计算机视觉作用。
其次要考虑控制移动及抓取问题。
此时要充分利用TML库中相关函数,利用MFC设计控制界面,很好的调用库函数,尽量做到提高移动的精确度。
最后完成两部分的充分结合,通过控制模型,运用控制指令在控制界面中完成基本操作。
六、舵机
1、性能
本实验采用proMOTIONCDS系列机器人伺服电机(如图2)
图2舵机示意图
他属于一种集电机、伺服驱动、总线式通讯接口为一体的集成伺服单元,非常适合替代RC舵机,作为微型机器人的关节、轮子、履带驱动,也可用于其他简单位置控制场合。
主要特点有:
●大扭矩:
16kgf.cm
●高转速:
最高0.16s/60°
输出转速
●DC6.8V~14V供电
●0.32°
位置分辨率
●双端输出轴,适合安装在机器人关节
●高精度全金属齿轮组,双滚珠轴承
●连接处O型环密封,防尘防溅水
●位置伺服控制模式下转动范围0-300°
●在速度控制模式下可连续旋转,调速
●总线连接,理论可串联254个单元
●高达1M通讯波特率
●0.25KHz的伺服更新率
●具备位置、温度、电压、速度反馈
CDS5516机器人舵机采用先进的伺服控制技术和高速微处理器,响应速度快、到位精确无抖动。
相比传统RC舵机50Hz的控制频率,CDS系列机器人舵机通过高达250Hz的控制频率,确保位置控制的精确和保持力矩的稳定性。
CDS5516机器人舵机采用周转型高精度电位器测量位置,舵机输出轴可连续整周旋转,运动扭矩输出高达16kgfcm。
CDS5516具备总线接口,理论多至254个机器人舵机可以通过总线组成链型,通过异步串行接口统一控制。
每个舵机可以设定不同的节点地址,多个舵机可以统一运动也可以单个独立控制。
CDS5516的通讯指令集完全开放,舵机通过异步串行接口与用户的上位机通讯,用户可对其参数设置、功能控制。
通过一部串行接口发送指令,CDS5516可以设置为电机模式或位置控制模式。
在电机模式下,CDS5516可以作为直流减速电机使用,速度可调;
在位置控制模式下,CDS5516拥有0-300°
的转动范围,在此范围内具备精确位置控制性能,速度可调。
2、连接方式
ProMOTIONCDS系列机器人舵机电气接口如图3所示,两组引脚定义一致的接线端子可将舵机诸葛串联起来。
图3多舵机连接连接方式
3、通讯方式
CDS55xx采用异步串行总线通讯方式,理论多至254个机器人舵机可以通过总线组成连接,通过UART异步串行接口统一控制,每个舵机可以设定不同的节点地址,多个舵机可以统一运动也可以单个独立控制。
CDS55xx的通讯指令集开放,通过异步串行接口与用户的上位机(控制器或PC机)通讯,您可对其进行参数设置、功能控制。
通过异步串行接口収送指令,CDS55xx可以设置为电机控制模式或位置控制模式。
在电机控制模式下,CDS55xx可以作为直流减速电机使用,速度可调;
在位置控制模式下,CDS55xx拥有0-300°
只要符合协议的半双工UART异步串行接口都可以和CDS55xx进行通讯,对CDS55xx进行各种控制。
主要有以下两种形式:
方式1:
通过调试器控制CDS55xx
PC机会将调试器识别为串口设备,上位机软件通过串口収出符合协议格式的数据包,经调试器转収给CDS55xx。
CDS55xx会执行数据包的指令,并且返回应答数据包。
方式2:
通过专用控制器控制CDS55xx
方式1可以快捷地调试CDS系列机器人舵机、修改各种性能不功能参数。
但是,这种方式离不开PC机,不能搭建独立的机器人构型。
您可以设计与用的控制器,通过控制器的UART端口控制舵机,示意图见图3。
图3舵机与控制器连接方式
4、UART接口
CDS系列机器人舵机用程序代码对UART异步串行接口迚行时序控制,实现半双工异步串行总线通讯,通讯速度可高达1Mbps,且接口简单、协议精简。
在您自行设计的控制器中,用于和CDS55xx通讯的UART接口必须如图4所示进行处理。
图4舵机连接电路
七、软件程序介绍
1、NorthStar图形化机器人开发环境
主要包括以下三个部分的功能:
用图形化、可视化的方式给机器人编程,同步生成C语言代码,在后台编译、并下载到机器人控制器上执行;
集成3D仿真。
可进行动作仿真、步态及路径规划等。
仿真数据能输入图形化编程环境;
集成实时、可视化数据采集与显示。
类似虚拟示波器的功能,能在机器人运行的时候实时监控机器人各部分的数据,并用波形的方式显示在PC机上。
与传统的使用C语言等高级语言的开发方式对比可视化,图形化,开发速度极快。
用户无需懂得计算机语言,只需要拖放图标、连线即可。
NorthSTAR自动生成代码,并编译执行。
跨处理器平台,实现一定程度的软硬件分离。
目前支持PXA270(32位/520MHz处理器)和AVR单片机(8位/16MHz)。
只要具备C语言编译器,并编写相应的驱动程序,即可用于其它平台,例如PC平台、C51平台等。
由于跨平台特性,程序移植容易,为A厂商的扫地机器人编写的程序,经过简单修改甚至不需修改即可用于B厂商的同类型扫地机器人。
与微软MSRS等机器人开发环境的对比:
代码的运行效率高的多。
程序是编译成机器码执行,而不是像MSRS那样需要中间语言,需要虚拟机支持,因此效率高得多。
MSRS编写的机器人程序至少需要400MHz以上的32位处理器才能运行,而NorthSTAR编写的程序可以在8位单片机上运行。
其应用领域要宽广得多,特别适合低成本的教育娱乐机器人。
代码实时性高。
由于编译执行的机制,在同等硬件条件下,实时性比MSRS高的多。
支持图形化编程和C语言混合开发。
普通用户用图形化编程即可;
有特殊要求的高级用户或者机器人厂商,可以用图形化+C语言混合编程的方式开发,灵活性很强。
编程环境及界面见图6和图7。
图6NorthStar软件
图7NorthStar编程界面
2、RobotServoTerminal舵机调试程序
操作界面简单易懂,人性化界面易于操作,可设定CCS5516系列机器人舵机,拥有舵机、电机模式转换、同时控制多个舵机、舵机参数实时监控等功能。
界面见图8。
图8RobotServoTerminal界面
八、心得体会
通过本次智能科学与工程课程设计,我掌握了模拟舵机的控制方法以及其工作原理,可以熟练的对其操作,包括速度以及转角的控制。
熟悉了NorthStar开发平台的基本使用和AVR单片机的C语言编程,锻炼了我从结构设计到运动控制分析设计的能力。
九、参考文献
[1]姚宪华.创意之星:
模块化机器人创新设计与竞赛[M].北京:
北京航空航天大学出版社,2010年9月。
[2]崔光照.单片机原理与接口技术(第2版)[M].北京:
北京邮电大学出版社,2007年。
[3]马忠梅.单片机的C语言应用程序设计(第4版)[M].北京:
北京航空航天大学出版社,2007年1月。
附录
源程序代码:
#include"
Apps/SystemTask.h"
uint8SERVO_MAPPING[7]={1,2,3,4,5,6,7};
intmain()
{
MFInit();
MFInitServoMapping(&
SERVO_MAPPING[0],7);
MFSetPortDirect(0x00000FFF);
MFSetServoMode(1,0);
MFSetServoMode(2,0);
MFSetServoMode(3,0);
MFSetServoMode(4,0);
MFSetServoMode(5,0);
MFSetServoMode(6,0);
MFSetServoMode(7,0);
MFSetServoPos(1,512,150);
MFSetServoPos(2,512,150);
MFSetServoPos(3,512,150);
MFSetServoPos(4,512,150);
MFSetServoPos(5,512,150);
MFSetServoPos(6,512,150);
MFSetServoPos(7,512,150);
MFServoAction();
DelayMS(2000);
MFSetServoPos(1,498,150);
MFSetServoPos(2,550,150);
MFSetServoPos(3,795,150);
MFSetServoPos(4,528,150);
MFSetServoPos(5,565,150);
MFSetServoPos(6,486,150);
MFSetServoPos(7,557,150);
MFSetServoPos(2,540,150);
MFSetServoPos(4,519,150);
MFSetServoPos(5,528,150);
MFSetServoPos(7,313,150);
MFSetServoPos(1,629,150);
MFSetServoPos(1,629,150);
MFSetServoPos(3,923,150);
MFSetServoPos(4,404,150);
MFSetServoPos(5,388,150);
MFSetServoPos(7,546,150);
MFSetServoPos(3,510,150);
MFSetServoPos(4,561,150);
MFSetServoPos(5,487,150);
MFSetServoPos(7,318,150);
MFSetServoPos(1,794,150);
MFSetServoPos(1,835,150);
MFSetServoPos(3,352,150);
MFSetServoPos(4,400,150);
MFSetServoPos(5,395,150);
MFSetServoPos(6,506,150);
MFSetServoPos(1,224,150);
MFSetServoPos(2,565,150);
MFSetServoPos(3,499,150);
MFSetServoPos(4,529,150);
MFSetServoPos(5,511,150);
MFSetServoPos(1,224,150);
MFSetServoPos(2,559,150);
MFSetServoPos(3,832,150);
MFSetServoPos(7,555,150);
MFSetServoPos(1,525,150);
MFSetServoPos(3,492,150);
MFSetServoPos(4,553,150);
MFSetServoPos(5,483,150);
MFSetServoPos(6,518,150);
while
(1)
MFSetServoPos(2,602,150);
DelayMS(1000);
MFSetServoPos(1,525,150);
MFSetServoPos(2,495,150);
}
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