多功能体感随动机器人.docx
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多功能体感随动机器人多功能体感随动机器人多功能体感随动机器人1.课题研究背景和意义31.1.课题研究的背景31.2.课题研究的意义32.作品与作品简介42.1.作品简介42.2.作品流程42.3.作品特色53.机械结构设计53.1.人体角度采集系统53.1.1.光电编码器63.1.2.mpu60503轴陀螺仪3轴加速度模块73.2.动作执行系统73.2.1.mg996舵机简介83.2.2.直流电机83.2.3.步进电机84.3.环境探测系统83.3.1.dht11温湿度传感器83.3.2.超声波模块94.控制设计结构实现原理及原理图94.1.主控简介94.2.L298N电机驱动装置104.2.1.驱动直流电机接口示意图105.2.2.驱动步进电机工作接口示意图105.3.舵机工作原理115.4.超声波模块应用原理115.5.DHT11温湿度传感器工作原理及其原理图125.6.光电编码器工作原理135.7.MPU6050三轴陀螺仪工作原理135.8.步进电机工作原理146.总结156.1.行动能力156.2.自主的抓取物体156.3.角度采集系统156.4.随动效果15致谢16参考文献16摘要:
主要研究了机器人无线随动技术,提出了一种基于stm32f104zet6为主控的角度采集系统和10自由度的机器人执行系统,拥有自动和随动两大工作模式,分别实现了360无盲区行动、环境检测、视频传输、机器人随动等技术,其中自动模式使得该机器人在抢险救援工作中有着广阔的发展前景,随动模式不仅在抢险救援、日常生活有着广阔的应用,而且为人体运动中的角度采集和人体动作分析提供了应用启发。
关键词:
抢险救援;随动机器人;环境检测;角度采集1.课题研究背景和意义课题研究背景和意义1.1.课题研究的背景课题研究的背景今年在世界各地,由于自然灾害、军事行动和各种突发事故等原因,经常发生灾难。
在灾难救援中,救援抢险人员只有非常短的时间去搜寻和营救幸存者。
实际经验表明,随着时间的延长被困在废墟中的幸存者存活的概率越来越低。
大多数由于灾难现场情况复杂,在救援人员自身安全得不到保证的情况下很难进人现场开展救援工作,此外,灾后形成的狭小环境使得救援工作很难甚至不能展开,在这种紧急而危险的环境下,将具有自主智能的救灾机器人用于危险和复杂的灾难环境下取代救援人员进行幸存者的搜寻和营救工作是一个新兴而富有挑战性的研究课题。
救灾机器人可以在灾难发生后第一时间进人灾难现场寻找幸存者,对被困人员提供基本的医疗救助服务,也可以进入救援人员无法进入的现场搜集有关信息并反馈给救援指挥中心等。
在近期发生的地震,泥石流,煤矿安全事故,火灾,化学危险品和放射性物质泄漏以及燃烧等灾难的救援中,机器人正在发挥越来越大的作用。
同时生活琐事,工作琐事大量的占用了人们的时间,使得家庭的防火、防盗在很大程度上一直处在盲区状态。
拥有监控设备的机器人也会在家庭的防火防盗工作上发挥非常出色的作用。
1.2.课题研究的意义课题研究的意义为了满足复杂的,国内外很多科研就够进行了相关方面的研究,同时也取得的非常好的科研成果。
为了能更好的进行抢险救灾工作,通过对近些年国内外出现的各种救灾机器人的研究,以及在实际中的使用情况的了解,结合最新的机器人救灾技术,开发出一款具有高度智能化的多功能的体感随动机器人。
它集成了电子科学技术、计算机科学、机械结构、智能控制等多科领域的学术交错,超前的设计理念,从解放人力的全自动化视角出发,依靠超声波传感器以及光电开光、温湿度传感器、高清摄像头组成的全自动化救援的系统。
同时在防火、防盗方面,身上搭载的温湿度传感器以及高清摄像头可以实时的检测家庭的一切动静态状况,可以很好的保障家庭的防火、防盗工作。
体感随动机器人凭借先进的技术不仅在抢险救援以及军事的前方探测工作中扮演重要的角色,而且也可以胜任日程生活中的工作。
2.作品与作品简介作品与作品简介2.1.作品简介作品简介体感随动机器人身高28.5cm,臂展72cm,底部由四轮控制,手臂由8自由度的舵机组成。
头部依靠步进电机执行头部的转动。
作品图片如图1所示:
作品照片如图12.2.作品流程作品流程本作品主要有人体角度采集和动作执行两大系统组成,其中角度采集系统由广电编码器和mpu6050六轴加速度陀螺仪共同完成,光电编码器采集肩关节角度,mpu6050六轴加速度陀螺仪完成肘部以及头部关节,腿部关节的角度采集工作。
动作执行系统由四轮车搭载9自由度的机械臂组成,来执行上位机发给的命令以及角度数据。
在体感随动机器人上安装的摄像头能够传输前方的视频,实时观察前方的环境,同时搭载温湿度传感器以及超声波距离探测模块,以一定的频率将前方的环境基本的状态传播回来,以供我们观察和分析使用。
作品流程图如图2所示:
图22.3.作品特色作品特色基于wifi无线网的体感随动技术机器人远程救援人机交互实现全自动控制温湿度空气检测,数据无线传输3.机械结构设计机械结构设计本作品的硬件设计要求结构简单,体积小,具有较强的行动范围和越障能力,而且控制简单。
考虑到机械的复杂程度和设计成本等因素,本文设计了一种新型的机械结构。
依托mpu6050三轴陀螺仪、编码器为人体角度采集系统,传输数据依据zigbee协议和wifi局域网通过PC机来控制机器人。
其中机器人的四轮设计为救援、侦查和检测设备提供了移动平台,mg996舵机为机械臂的活动提供了强大的助力、同时由wifi传输视频信号,监控前方环境。
3.1.人体角度采集系统人体角度采集系统人体角度采集系统由mpu6050三轴陀螺仪、光电编码器组成,三轴陀螺仪安装在人体的肘部、头部和腿部。
光电编码器安装在人体的肩部。
在救援过程中,将人体采集到的角度通过zigbee发送到上位机,然后由上位机进行数据处理工作。
具体如图3所示3.1.1.光电编码器光电编码器旋转编码器是用来测量转速的装置。
它分为单路输出和双路输出两种。
技术参数主要有每转脉冲数(几十个到几千个都有),和供电电压等。
单路输出是指旋转编码器的输出是一组脉冲,而双路输出的旋转编码器输出两组相位差90度的脉冲,通过这两组脉冲不仅可以测量转速,还可以判断旋转的方向。
如图4所示。
图43.1.2.mpu60503轴陀螺仪轴陀螺仪3轴加速度模块轴加速度模块mpu6050整合了3轴陀螺仪、3轴加速器,并含可藉由第二个I2C端口连接其他厂牌之加速器、磁力传感器、或其他传感器的数位运动处理(DMP:
DigitalMotionProcessor)硬件加速引擎,由主要I2C端口以单一数据流的形式,向应用端输出完整的9轴融合演算技术InvenSense的运动处理资料库,可处理运动感测的复杂数据,降低了运动处理运算对操作系统的负荷,并为应用开发提供架构化的API。
3.2.动作执行系统动作执行系统动作执行系统由舵机、直流电机和步进电机组成,舵机构成8自由度的机械臂,机械臂进行动作的执行,直流电机控制小车的运动,步进电机控制头部的旋转的活动。
如图5所示图53.2.1.mg996舵机简介舵机简介舵机是位置(角度)伺服的驱动器,适用于那些需要不断变化并可以保持的控制系统,可以在微机电系统的航模中作为基本的输出执行机构,其简单的控制使得广泛应用于各种领域。
3.2.2.直流电机直流电机直流电机简单的pwm控制使得广泛应用于生活与工业控制等,但是在精度要求比较高的控制中可以采用综合性最优控制,补偿PID控制,PID算法优化,也有的只应用模糊控制技术实现精确控制,也可将模糊控制与PID调节器结合,形成fuzzy-PID复合控制方案,能在负载、模型参数的大范围变化以及非线性因素的影响下均可以满足控制稳定转速精度要求的直流电机控制器。
3.2.3.步进电机步进电机步进电机是数字控制电机,它将脉冲信号转变成角位移,即给一个脉冲信号,步进电机就转动一个角度,因此非常适合于单片机控制。
步进电机可分为反应式步进电机(简称VR)、永磁式步进电机(简称PM)和混合式步进电机(简称HB)。
步进电机最大特点是:
1、它是通过输入脉冲信号来进行控制的。
2、电机的总转动角度由输入脉冲数决定。
3、电机的转速由脉冲信号频率决定。
4.3.环境探测系统环境探测系统环境监测系统主要有温湿度传感器,二氧化碳传感器,超声波探测模块组成。
如图6所示图63.3.1.dht11温湿度传感器温湿度传感器dht11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。
它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术,确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。
传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件,并与一个高性能8位单片机相连接。
因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。
每个dht11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。
校准系数以程序的形式储存在OTP内存中,传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。
单线制串行接口,使系统集成变得简易快捷。
超小的体积、极低的功耗,信号传输距离可达20米以上,使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则3.3.2.超声波模块超声波模块超声波测距是借助于超声波回冲渡越时间法来实现的。
设超声波脉冲由传感器发出到接收所经历的时间为t,超声波在空气中的传播速度为c,则从传感器到目标物体的距离D可以用下式求出:
D=ct/2;4.控制设计结构实现原理及原理图控制设计结构实现原理及原理图4.1.主控简介主控简介内核:
ARM32位的Cortex-M3CPU最高72MHz工作频率,在存储器的0等待周期访问时可达1.25DMips/MHz(Dhrystone2.1)单周期乘法和硬件除法存储器从256K至512K字节的闪存程序存储器高达64K字节的SRAM带4个片选的静态存储器控制器。
支持CF卡、SRAM、PSRAM、NOR和NAND存储器并行LCD接口,兼容8080/6800模式时钟、复位和电源管理2.03.6伏供电和I/O引脚上电/断电复位(POR/PDR)、可编程电压监测器(PVD)416MHz晶体振荡器内嵌经出厂调校的8MHz的RC振荡器内嵌带校准的40kHz的RC振荡器带校准功能的32kHzRTC振荡器低功耗睡眠、停机和待机模式VBAT为RTC和后备寄存器供电3个12位模数转换器,1s转换时间(多达21个输入通道)转换范围:
0至3.6V三倍采样和保持功能温度传感器2通道12位D/A转换器DMA:
12通道DMA控制器支持的外设:
定时器、ADC、DAC、SDIO、I2S、SPI、I2C和USART调试模式串行单线调试(SWD)和JTAG接口Cortex-M3内嵌跟踪模块(ETM)多达112个快速I/O端口51/80/112个多功能双向的I/O口,所有I/O口可以映像到16个外部中断;几乎所有端口均可容忍5V信号多达11个定时器多达4个16位定时器,每个定时器有多达4个用于输入捕获/输出比较/PWM或脉冲计数的通道和增量编码器输入2个16位带死区控制和紧急刹车,用于电机控制的PWM高级控制定时器2个看门狗定时器(独立的和窗口型的)系统时间定时器:
24位自减型计数器2个16位基本定时器用于驱动DAC多达13个通信接口多达2个I2C接口(支持SMBus/PMBus)多达5个USART接口(支持ISO7816,LIN,IrDA接口和调制解调控制)多达3个SPI接口(18M位/秒),2个可复用为I2S接口CAN接口(2.0B主动)USB2.0全速接口SDIO接口CRC计算单元,96位的芯片唯一代码4.2.L298N电机驱动装置电机驱动装置主要特点是:
工作电压高,最高工作电压可达46V;输出电流大,瞬间峰值电流可达3A,持续工作电流为2A;额定功率25W。
内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器,可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载;采用标准逻辑电平信号控制;具有两个使能控制端,在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端,使内部逻辑电路部分在低电压下工作;可以外接检测电阻,将变化量反馈给控制电路。
使用L298N芯片驱动电机,该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机,也可以驱动两台直流电机。
4.2.1.驱动直流电机接口示意图驱动直流电机接口示意图该项目直流调速电机应用简单PWM输出控制转速。
电机接口如图7所示:
图75.2.2.驱动步进电机工作接口示意图驱动步进电机工作接口示意图两相四拍工作模式时序图:
步进电机信号输入第一步第二步第三步第四步返回第一步正转IN10111返回IN21011返回IN31101返回IN41110返回反转IN11110返回IN21101返回IN31011返回IN40111返回
(1)控制换相顺序两相四线步进电机的四拍工作方式,其各相通电顺序为(A-B-AB)依次循环。
两相四线步进电机的四拍工作方式,其各相通电顺序为:
(AABBBAAAB-BBA)
(2)控制步进电机的转向如果给定工作方式正序换相通电,步进电机正转,如果按反序通电换相,则电机就反转。
如:
正转通电顺序是:
(A-B-AB依次循环。
)则反转的通电顺序是:
(B-A-BA依次循环。
)步进电机接口如图8所示:
图85.3.舵机工作原理舵机工作原理小型舵机的工作电压一般为4.8v或6v,转速也不是很快,一般为0.22/60度或者1.18/60度,所以更改角度控制脉冲的宽度太快时,多极可能反应不过来。
如果需要更快的反应,就要更快的转速了。
舵机的控制一般需要一个20ms岁左右的脉冲,该脉冲的高电平部分一般为0.5ms-2.5ms范围内的角度控制脉冲部分。
本舵机为180读伺服舵机,对应的关系为0.5ms-0度1.0ms-45度1.5ms-90度2.0ms-135度2.5ms-180度5.4.超声波模块应用原理超声波模块应用原理采用IO触发测距,给至少10us的高电平信号;模块自动发送8个40khz的方波,自动检测是否有信号返回;有信号返回,通过IO输出一高电平,高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间测试距离=(高电平时间*声速(340M/S)/2;超声波模块工作原理如图9所示:
图95.5.DHT11温湿度传感器工作原理及其原理图温湿度传感器工作原理及其原理图DATA用于微处理器与DHT11之间的通讯和同步,采用单总线数据格式,一次通讯时间4ms左右,数据分小数部分和整数部分,具体格式在下面说明,当前小数部分用于以后扩展,现读出为零.操作流程如下:
一次完整的数据传输为40bit,高位先出。
数据格式:
8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验和数据传送正确时校验和数据等于“8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据”所得结果的末8位。
用户MCU发送一次开始信号后,DHT11从低功耗模式转换到高速模式,等待主机开始信号结束后,DHT11发送响应信号,送出40bit的数据,并触发一次信号采集,用户可选择读取部分数据.从模式下,DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集,如果没有接收到主机发送开始信号,DHT11不会主动进行温湿度采集.采集数据后转换到低速模式。
通讯过程如图10所示图10总线空闲状态为高电平,主机把总线拉低等待DHT11响应,主机把总线拉低必须大于18毫秒,保证DHT11能检测到起始信号。
DHT11接收到主机的开始信号后,等待主机开始信号结束,然后发送80us低电平响应信号.主机发送开始信号结束后,延时等待20-40us后,读取DHT11的响应信号,主机发送开始信号后,然后工作。
原理图如图11所示图115.6.光电编码器工作原理光电编码器工作原理光电编码器由一个中心有轴的光电码盘,其上有环形通、暗的刻线,有光电发射和接收器件读取,获得四组正弦波信号组合成A、B、C、D,每个正弦波相差90度相位差(相对于一个周波为360度),将C、D信号反向,叠加在A、B两相上,可增强稳定信号;另每转输出一个Z相脉冲以代表零位参考位。
由于A、B两相相差90度,可通过比较A相在前还是B相在前,以判别编码器的正转与反转,通过零位脉冲,可获得编码器的零位参考位。
分辨率编码器以每旋转360度提供多少的通或暗刻线称为分辨率,也称解析分度、或直接称多少线,一般在每转分度510000线。
信号输出(本光电编码器为方波输出)。
信号输出有正弦波(电流或电压),方波(TTL、HTL),集电极开路(PNP、NPN),推拉式多种形式,其中TTL为长线差分驱动(对称A,A-;B,B-;Z,Z-),HTL也称推拉式、推挽式输出,编码器的信号接收设备接口应与编码器对应。
信号连接编码器的脉冲信号一般连接计数器、PLC、计算机,PLC和计算机连接的模块有低速模块与高速模块之分,开关频率有低有高。
如单相联接,用于单方向计数,单方向测速。
A.B两相联接,用于正反向计数、判断正反向和测速。
A、B、Z三相联接,用于带参考位修正的位置测量。
A、A-,B、B-,Z、Z-连接,由于带有对称负信号的连接,电流对于电缆贡献的电磁场为0,衰减最小,抗干扰最佳,可传输较远的距离。
对于TTL的带有对称负信号输出的编码器,信号传输距离可达150米。
图12工作原理:
。
图125.7.MPU6050三轴陀螺仪工作原理三轴陀螺仪工作原理以数字输出6轴或9轴的旋转矩阵、四元数(quaternion)、欧拉角格式(EulerAngleforma)的融合演算数据。
具有131LSBs/sec敏感度与全格感测范围为250、500、1000与2000/sec的3轴角速度感测器(陀螺仪)。
可程式控制,且程式控制范围为2g、4g、8g和16g的3轴加速器。
移除加速器与陀螺仪轴间敏感度,降低设定给予的影响与感测器的飘移。
数字运动处理(DMP:
DigitalMotionProcessing)引擎可减少复杂的融合演算数据、感测器同步化、姿势感应等的负荷。
运动处理数据库支持Android、Linux与Windows内建之运作时间偏差与磁力感测器校正演算技术,免除了客户须另外进行校正的需求。
以数位输出的温度传感器以数位输入的同步引脚(Syncpin)支援视频电子影相稳定技术与GPS可程式控制的中断(interrupt)支援姿势识别、摇摄、画面放大缩小、滚动、快速下降中断、high-G中断、零动作感应、触击感应、摇动感应功能。
VDD供电电压为2.5V5%、3.0V5%、3.3V5%;VDDIO为1.8V5%陀螺仪运作电流:
5mA,陀螺仪待命电流:
5µA;加速器运作电流:
350µA,加速器省电模式电流:
20µA10Hz高达400kHz快速模式的I2C,或最高至20MHz的SPI串行主机接口(serialhostinterface)内建频率产生器在所有温度范围(fulltemperaturerange)仅有1%频率变化。
使用者亲自测试10,000g碰撞容忍度为可携式产品量身订作的最小最薄包装(4x4x0.9mmQFN)符合RoHS及环境标准原理图如图13所示:
图135.8.步进电机工步进电机工作原理作原理本项目应用步进电机为一四相步进电机,采用单极性直流电源供电。
只要对步进电机的各相绕组按序通电,就能使步进电机步进转动。
图14是该四相反应式步进电机工作原理示意图。
图14当开关SC接通电源,SB、SA、SD断开时,由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用,使得转子转动,1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。
而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿,2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。
依次类推,A、B、C、D四相绕组轮流供电,则转子会沿着A、B、C、D方向转动。
四相步进电机按照通电顺序的不同,可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。
单四拍与双四拍的步距角相等,但单四拍的转动力矩小。
八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半。
既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。
所以我们应用八拍的换工作模式。
6.总结总结6.1.行动能力行动能力该机器人在能够实现360度无盲区行走,速度有前进、后退、左转、右转、四种行动模式,其中前进和后退时最高速度为15km/h。
6.2.自主的抓取物体自主的抓取物体该机器人向前的最长臂展为30cm,单手能够实现直径不超过6cm的物品抓取,对于直径超过6cm的物品。
可以实现双手的抓取。
6.3.角度采集系统角度采集系统角度采集系统数据准确,数据的发送频率正常6.4.随动效果随动效果根据多次实验,当人体做出动作时,通过wifi接受所需处理的数据大约有0.51.5s的延时。
致谢致谢该作品终于顺利完成,在此期间李老师为我们创造的良好的学习环境,同时多次帮助我们解决作品完成中存在的困难,在写论文期间,给了我很多宝贵的建议,而且在生活的某些问题上给我们以指点,使得我们始终行驶在人生的大道上。
在论文完成之际,谨此像我的指导老师李卫兵副教授献上最崇高的敬意和最真挚的感谢。
同时也特别感谢实验室的老师们给提供了良好的实践动手的平台,以及老师们无私的帮组,也特别感谢同学们平时的帮助和关怀。
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