手动机器人自控系统设计毕业设计论文.docx

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手动机器人自控系统设计毕业设计论文

湖南农业大学东方科技学院

全日制普通本科生毕业设计

手动机器人自控系统设计

THEDESIGNOFMANUALHANDLINGROBOTINAUTONOMOUSSYSTEM

学生姓名：

谢雨帆

学号：

200941914423

年级专业及班级：

2009级机械设计制造及其

自动化（4）班

指导老师及职称：

康江副教授

学院：

理工学部

湖南·长沙

提交日期：

2013年05月

湖南农业大学东方科技学院全日制普通本科生

毕业设计诚信声明

本人郑重声明：

所呈交的本科毕业设计是本人在指导老师的指导下，进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。

除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体在文中均作了明确的说明并表示了谢意。

同时，本论文的著作权由本人与湖南农业大学东方东方科技学院、指导老师共同拥有。

本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

毕业设计作者签名：

年月日

手动机器人自控系统设计

学生：

谢雨帆

指导老师：

康江

（湖南农业大学东方科技学院，长沙410128）

摘要：

在国内外机器人竞赛热潮的背景下，作为人才新生主力军的大学生，自制机器人参加各种比赛已经成为了大学校园里一道亮丽的风景线。

本人作为湖南农业大学参赛代表之一，参加了2012年亚太大学生机器人大赛的各项活动，参与了机器人的设计和制作整个过程，在创新设计能力、动手能力和培养团队合作精神等方面都得到了很大提高。

而本次设计的手动机器人是一台自动化程度较高、控制精确灵活的机器人，这台手动机器人由行走模块、主控模块和机械手臂等组成。

需要完成一定难度的硬币精确抓放，搬运收集机器人并精确放置等工作（题目源于2012年亚太大学生机器人大赛）。

这对机器人的竞争力、灵活性、准确性有较高要求。

手动机器人的控制系统采用基于STM32的Cortex-M3内核的开发板作为底层控制模块，充分利用了该款单片机高速处理能力与可靠性高的优势。

关键词：

机器人；驱动；通信；PID算法；PWM调速；

Manualrobotcontrolsystemdesign

Author:

XieYufan

Tutor:

KangJiang

（OrientalScience&TechnologyCollegeofHunanAgriculturalUniversity,Changsha410128）

Abstract:

Inthecontextoftheroboticscompetitionathomeandabroad,asthemainforceofcollegestudentsoftalentnewborn,homemaderobottoparticipateinvariouscompetitionshasbecomeabeautifullandscapeintheuniversitycampus.AsoneoftheparticipatingrepresentativesofHunanAgriculturalUniversity,participatedintheUniversiadein2012,theAsia-PacificRobotContestactivitiesinvolvedinrobotdesignandproductionoftheentireprocess,intermsofinnovativedesigncapabilities,abilityandcultivateteamworkspirithavebeengreatlyimproved.Thedesignofthemanualisahighdegreeofautomation,tocontrolaccuratelyflexiblerobot,robotmanualrobotbywalkingmodule,maincontrolmoduleandthemechanicalarm.Needtocompleteacertaindegreeofdifficultyofthecoinaccuratepickandplacehandlingrobotcollectionandpreciseplacementofthework（thetitlecomesfromtheAsia-PacificRobotContestofCollegeStudentsin2012）.Thisrobotcompetitiveness,flexibility,accuracyhavehigherrequirements.ManualrobotcontrolsystemusesastheunderlyingcontrolmoduledevelopmentboardbasedontheSTM32Cortex-M3core,takefulladvantageofthatsubsectionmicro-controllerhigh-speedprocessingcapabilityandhighreliabilityadvantages.

Keywords:

Robot;drive;communication;PIDalgorithm;PWMspeedcontrol；

1前言

机器人涉及多学科交叉综合；人工智能、机器人技术、通信技术、传感器技术、信息及编程技术、计算机学、材料学、电子技术、传动技术、接口技术、单片机原理、精密机械技术、自动控制理论、伺服传动技术等诸多领域的技术集成。

因此难度高、技术综合性极强，能充分锻炼参与者多学科综合及设计能力和团队协作精神。

2012年全国大学生机器人大赛机器人主要任务是由手动操作者坐在手动机器人上控制机器人抓取硬币放到硬币箱，自动机器人抓取篮子放到手动机器人运动区域，然后手动机器人穿越障碍区搬运搜集机器人到自动机器人上，由自动机器人将搜集机器人送到包山所在区域，待搜集机器人到达包山，手动机器人需抓取篮子回到出发点配合搜集机器人完成“平安大吉”，等搜集机器人将包山不同层的包子放到篮子里面并没有出现犯规动作时宣布比赛结束，其中完成所有任务耗时少的一方获胜。

在这种互相干扰不大、主要比拼速度及精度的竞赛中，制作的机器人越稳定，越高速，就越有可能取得比赛的胜利。

本人参与设计制作的手动机器人就是参加该项比赛的机器人之一。

1.12012年亚太机器人大赛比赛主题与规则

1.1.1主题简述

此次大赛的主题为“PengOnDaiGat”，中文意思为“平安大吉（包山斗智显平安）”，源于民俗活动，旨在祈求平安。

1.1.2规则简述

每只参赛队伍要求有三台机器人:

一台手动机器人，一台自动机器人和一台收集机器人。

首先，手动机器人从硬币架上拿起硬币投到硬币箱中。

然后，自动机器人启动把公共区的篮子搬到手动区并回到启动区，与此同时，手动机器人需要把收集机器人搬起运到自动机器人上，由手动机器人把收集机器人搬运到自动机器人上。

最后，收集机器人爬上小岛，把底层和中间层的包子抓取并放到篮子里，再由手动机器人把收集机器人托起抓取顶层包子放到篮子里，完成任务。

期间不能违反比赛规定的限制要求，用时最少完成任务或得分最多的获胜。

图1比赛场地规格

Fig.1SpecificationsofGameField

1.2手动机器人的主要任务简介

手动机器人的主要任务有：

1、手动机器人启动后需要从硬币架拿起硬币并放入硬币箱；

2、在没犯规的前提下，手动机器人必须穿越隧道，到达搜集机器人所在区域并搬运搜集机器人至自动机器人A（5区）区域（见图2）；

3、手动机器人搬运放在手动区的篮子（4区）按照图中所示路线回到启动区（6区），并将篮子放置在小岛上的放篮区；

4、手动机器人托起搜集机器人夹取包山最顶层包子，手动机器人和搜集机器人之间通过非射频方式通信；

5、在比赛规定时间（三分钟）的最后一分钟内，手动机器人可以直接从底层开始夹取包子；

6、当搜集机器人完成每层至少一个包子的夹取和投放，比赛立即宣布结束，完成规定任务并耗时最短的获胜，未完成任务按照得分多少衡量胜负。

规则限定：

手动机器人抓取硬币并将硬币放置到硬币箱中，完成速度较快的另外两台机器人优先启动，这就要求手动机器人稳定性高、速度快、定位精准，所以对手动机器人的要求更高。

图2手动机器人行动路线示意图

Fig.2schematicdiagramofManualrobotwalkingroute

2机器人创意设计与方案

2.1机器人一般组成

机器人一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统和复杂机械等组成。

执行机构即机器人本体，其臂部一般采用空间开链连杆机构，其中的运动副（转动副或移动副）常称为关节，关节个数通常即为机器人的自由度数。

根据关节配置型式和运动坐标形式的不同，机器人执行机构可分为直角坐标式、圆柱坐标式、极坐标式和关节坐标式等类型。

驱动装置是驱使执行机构运动的机构，按照控制系统发出的指令信号，借助于动力元件使机器人进行动作。

它输入的是电信号，输出的是线、角位移量。

机器人使用的驱动装置主要是电力驱动装置，如步进电机、伺服电机等，此外也有采用液压、气动等驱动装置。

检测装置的作用是实时检测机器人的运动及工作情况，根据需要反馈给控制系统，与设定信息进行比较后，对执行机构进行调整，以保证机器人的动作符合预定的要求。

控制系统有两种方式。

一种是集中式控制，即机器人的全部控制由一台微型计算机完成。

另一种是分散式控制，即采用多台微机来分担机器人的控制，如当采用上、下两级微机共同完成机器人的控制时，主机常用于负责系统的管理、通讯、运动学和动力学计算，并向下级微机发送指令信息；作为下级从机，各关节分别对应一个CPU，进行插补运算和伺服控制处理，实现给定的运动，并向主机反馈信息。

2.2本次机器人设计原则

对于此次比赛的机器人来说，主要考验的是机器人的行走路线、机器人运行的稳定性、快速性、准确性以及可操作性。

通过总结往届的经验，小组制定了如下机器人设计原则。

1）机器人必须与大赛的主题相吻合，创意独到，在遵循规则的前提下能巧妙地合理地利用规则。

2）机器人必须具有较高的速度（含加速度），比赛中谁的速度快，谁就能在更的时间内完成组装搬运工作，抢得比赛的先机，因此小组制定了速战速决的战术。

3）机器人必须稳、准。

指机器人运动的机动性、稳定性和组装水灯的准确性。

速度只有与机动性、灵巧性和准确性结合才能相得益彰。

才能在竞争激烈，赛况瞬息万变的比赛中获得胜利。

4）机器人应具有高智能。

目前大部分自动机器人尚处于预编程的水平上，无法达到高要求的定位标准。

如果机器人的智能水平能够有所提高，能够正确的处理瞬息万变的赛场信提高定位能力，那么就能更快更好的完成组装和搬运。

5）机器人代表队的配合默契程度。

指自动机器人、手控机器人的配合要好，因为比赛不是比拼单台机器人的功能,小组特别强调机器人团队之间的协同作战。

2.3比赛策略

在比赛一开始手动机器人就以最短路线运动到硬币所在区域，并抓取硬币投放到硬币箱中，在抓取过程中可以用启动按钮控制机器人走自动程序精确定位并抓取，这样有效地为自动机器人运行争取了部分时间，比赛过程中不同机器人之间使用非射频方式进行通信，可以更好的协调好不同机器人之间完成相应任务。

2.4机械结构设计

整个手动机器人的主要框架结构由壁厚为1.2mm、25×25mm的不锈钢方管焊接而成。

底盘采用后驱形式，两后轮单独用电机驱动，两前轮采用万向轮结构。

这个轮系结构当中，当左右后轮电机转速不同时，带动不同的左右后两轮的转速，而前轮只是起支撑作用，从而实现校手动机器人的转弯，电机与驱动轮之间我们采用链条传动方式。

由于手动机器人在亚太大学生机器人大赛中要抬起一台和自身相当重的自动机器人，而普通的电机达不到自锁能力，所以我们额外给升降结构增加一个棘轮机构来实现普通电机的这个缺陷。

对于升降机构，为了增强它的承载能力，我们借鉴电梯的结构，设计了一个内滑式滑块。

图3为手动机器人的整体简易三维图。

图3手动机器人整体三维图

Fig.3Manualmachine3Dfigureasawhole

2.5方向盘的设计与讨论

为了把方向盘转动的角度传动转化为编码器的信号，我们设计方向盘时必须充分考虑如何把方向盘与编码器连接起来才能使方向盘的转动与编码器一致，其次，要在方向盘上安装了按键方便操作，而且还要设计方向盘具有自动回正装置，即当操作者从方向盘松开手时，方向盘会自动回到初始位置使编码器转角信号归零。

方向盘机构总体图如图4-5所示

图4方向盘与编码器的连接方式

Fig.4Steeringandconnectionwayoftheencoder

图5方向盘安装后的实物图

Fig.5Physicalpictureofthesteeringwheelisinstalled

2.6棘轮机构的设计与讨论

手动机器人要通过升降平台抬起15kg的采集机器人，在上升或者下降阶段我们只要控制升降电机，但是升降平台停止在某一高度时，即保持抬起采集机器人停在某一高度时，伺服电机是处于锁死状态。

此时电机并没有停止工作而是通过后轴编码器反馈信息和PID算法调整反复运行电机锁死在了这个位置。

在带有较大负载下电机处于锁死状态是非常容易烧毁电机。

所以这需要我们想办法使升降机构抬起一定高度时机械锁死并关闭电机。

为了解决这个问题，我们采用棘轮机构：

在抬起采集机器人停在某一高度时采用棘轮锁死其位置，当其要升降时机将其打开，然后启动升降电机从而实现升降。

图6棘轮机构实物图

Fig.6Ratchetphysicalfigure

3机器人自控部分设计

3.1总体方案设计

本设计是基于STM32单片机的手动机器人控制系统。

本系统主要由中央处理模块、直流电机驱动模块、电子方向盘模块、电子刹车模块、棘轮模块、LM629模块、单片机模块、串口模块、电子油门模块、通信模块、与电源模块等模块组成。

中央处理模块是整个系统的核心。

它与其它各个模块之间通过不同电路和接口协议进行相连。

电子方向盘模块、电子油门模块、电子刹车、按键模块等传感器输入部分对系统外界信息进行采集和处理后，将数据通过电平信号、PWM信号等方式发送到中央处理模块。

然后按照通信协议，接口协议等要求和其他模块进行信息交换，由中央处理模块根据软件设计中的流程图和所设计的算法，对数据进行分析与处理。

从而得到相关的最优输出操作，通过输出PWM（PulseWidthModulation，脉宽调制）波的方式向单片机模块发命令，单片机模块再通过串口通信控制LM629模块从而控制电机的运行状态。

通过电平控制启动模块的状态。

从而达到对手动机器人各部分的控制。

其对应的系统方框图如图7所示。

图7系统方框图

Fig.7SchematicBlockDiagram

3.2各模块硬件部分设计

3.2.1中央处理模块

中央处理模块是整个手动机器人的核心环节。

它是实现信息处理、命令输出与智能算法等的平台。

本设计对中央处理模块有以下三种方案：

方案一：

采用ATMEL公司研制的基于AVRRISC结构的8位低功耗CMOS微处理器ATMEGA128单片机作为主控板。

AVR单片机是高速嵌入式单片机，数据处理速度快、中断响应迅速。

其次，AVR单片机高性能、低功耗，且其快速的存取寄存器组、单周期指令系统，很大程度上优化了目标代码所占用的存储空间，也在一定程度下提高了程序的执行效率，部分型号FLASH非常大，特别适用于使用高级语言进行开发。

但是AVR系列单片机都不具备硬件正交增量编码器功能。

方案二：

采用ARM公司研制的基于最新Cortex™-M3内核的32位ARM7微处理器STM32开发板。

STM32系列基于专求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARMCortex™-M3内核。

STM32专门为工业控制设计拥有比AVR单片机更高的性能且工业控制硬件功能更加丰富（具有DMA、硬件正交增量编码器等），并且开发工具齐全，开发环境更优越。

方案三：

根据手动机器人控制性能的要求，在使用方向盘控制底盘电机的同时，按键也能控制升降电机和气动装置。

如果仅仅使用一块STM32芯片执行所有程序会造成程序编写复杂、芯片负载过高（堆栈溢出）、响应速度缓慢、端口配置冲突（如TIM8和TIM1不能同时使用）等问题。

这与机器人的设计要求不符故采用2块STM32芯片做分级系统。

共同构成中央处理单元从而具有并行处理的能力。

这样在串口通信的前提下既保证了手动机器人各个模块控制灵活性，又同时保证了中央处理模块的响应速度和处理能力。

由于STM32单片机具有更优良的性能，同时分级系统拥有更高效的控制性能和并行处理能力，所以我们最终选择方案三作为本设计的中央处理模块。

本设计采用ARM公司研制的STM32。

STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核。

频率达到72MHz，是同类产品中性能最高的产品；以16位产品的价格得到比16位产品大幅提升的性能是16位产品用户的最佳选择。

STM32功耗36mA，是32位市场上功耗最低的产品，相当于0.5mA/MHz。

Cortex-M3是一款低功耗处理器，具有门数目少，中断延迟短，调试成本低的特点，是为要求有快速中断响应能力的深度嵌入式应用而设计的。

该处理器采用ARMv7-M架构。

Cortex-M3处理器整合了以下组件：

（1）ARMv7-M：

Thumb-2ISA子集，包含所有基本的16位和32位Thumb-2指令，

（2）硬件除法指令，SDIV和UDIV（Thumb-2指令）

（3）处理模式（handlermode）和线程模式（threadmode）

（4）可中断-可继续（interruptible-continued）的LDM/STM，PUSH/POP，实现低中

断延迟。

（5）自动保存和恢复处理器状态，可以实现低延迟地进入和退出中断服务程序

（6）支持ARMv6架构BE8/LE

（7）ARMv6非对齐访问

（8）嵌套向量中断控制器（NVIC）。

它与处理器内核紧密结合实现低延迟中断处理，并

具有以下特性：

1、外部中断可配置为1～240个

2、优先级位可配置为3～8位

3、中断优先级可动态地重新配置

4、优先级分组。

分为占先中断等级和非占先中断等级

5、支持末尾连锁（tail-chaining）和迟来（latearrival）中断。

这样，在两个中断

之间没有多余的状态保存和状态恢复指令的情况下，使能背对背中断（back-to-backinterrupt）处理。

（9）处理器状态在进入中断时自动保存，中断退出时自动恢复，不需要多余的指令。

图8STM32外形

Fig.8TheSTM32shapeFigure

图9STM32引脚图

Fig.9STM32pindiagram

3.2.1.1STM32最小系统

最小系统电路是处理器芯片能工作所必需的电路结构，包括电源电路、复位电路、晶振以及调试接口（这里是JLink接口）。

因为STM32内部包含128KB的FLASH以及32KB的SRAM，满足设计需要，所以不再进行存储器扩展。

如下图所示是STM32F103VET6的最小工作系统原理图。

图10STM32最小系统

Fig.10STM32MinimumSystem

3.2.2通信模块

通信方式的选择：

由于串行通信方式具有使用线路少，成本低，特别是在远程传输时，避免了并行通信中多条线路的特性不一致，因而被广泛的采用。

在串行通信时，要求通信双方都采用一个标准接口，使不同设备可以方便的连接起来通信。

RS-232-C（recommendedstandard，一种推荐串行通信接口标准）是目前最常用的一种串行通信接口。

由于串口通信的优势和普及性，其技术已经趋于普及和成熟，

本设计亦选择串口通信方式。

在本设计中串口通信模块使用在中央处理模块内部分级系统之间通信和单片机模块PC通信分别使用了MAX232和MAX323两种芯片做电平转换，因其功能相似、端口相同、典型电路一致故选取MAX232介绍。

MAX232芯片是美信公司为RS-232标准串口设计的接口电路,使用+5v单电源供电。

MAX232芯片的作用是将单片机输出的TTL电平转换成PC机能接收的232电平或将PC机输出的232电平转换成单片机能接收的TTL电平。

内部结构基本可分三个部分：

第一部分是电荷泵电路。

由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。

功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。

第二部分是数据转换通道。

由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。

其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。

8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。

TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT输出；DP9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。

第三部分是供电。

15脚DNG、16脚VCC（+5v）。

图11为MAX232接线图。

其中P8为向外传输数据的接口。

图11MAX232电路图

Fig.11CircuitdiagramofMAX232

3.2.3LM629驱动模块

4.2.2.1伺服模块组成：

采用ATmega32L作为模块主芯片,LM629作为辅助芯片（主要用于PID调节），编码盘来采样的数据来组合成一个电机伺服系统。

图12伺服系统模块原理图

Fig.12Servosystemmoduleschematic

3.2.3.1LM629的功能和工作原理

LM629是美国半导体公司（NationalSemiconductor）生产的一款专用运动控制器，它是全数字式的专用运动处理器。

一个芯片内集成了数字式运动控制器的全部功能，使得设计一个快速、准确的运动控制系统的任务变得轻松、容易。

LM629是NMOS结构，采用28引脚双列直插式封装（见图2），使用6MHz或者8MHz和5V电源工作。

图13LM629

Fig.13LM629

3.2.3.2LM629特性

（1）内部有32bit的位置、速度和加速度寄存器；

（2）l6bit可编程数字PID控制器；

（3）可编程微分项采样时间间隔；

（4）8bit分辨率的PWM输出；

（5）内部梯形速度图发生器；

（6）可以进行位置和速度控制；

（7）速度、位置和数字PID控制器参数可以在控制过程中改变；

（8）实时可编程中断；

（9）可对增量式光电编码盘的输出进行4倍频处理；