輪式機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)、創(chuàng)作）題目：輪式機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名：學(xué)號(hào)：081002100所在院系：專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化入學(xué)時(shí)間：2010年9導(dǎo)師姓名：職稱/學(xué)位：副教授/碩士導(dǎo)師所在單位：完成時(shí)間：2014年5月安徽三聯(lián)學(xué)院教務(wù)處制安徽三聯(lián)學(xué)院畢業(yè)論文PAGE1輪式機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：隨著社會(huì)的發(fā)展，機(jī)器人逐漸受到了人們的重視，可移動(dòng)輪式機(jī)器人的研究具有極其重要的意義。其關(guān)鍵的問題就是要解決機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境下系統(tǒng)的正常運(yùn)行和控制，因此輪式機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)顯得尤為重要。本文設(shè)計(jì)了一款智能輪式機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，此系統(tǒng)的核心是STC89C52單片機(jī)，通過系統(tǒng)產(chǎn)生的寬帶調(diào)制信號(hào)，加上L298N驅(qū)動(dòng)芯片控制直流電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的基本動(dòng)作：前進(jìn)、后退、左右轉(zhuǎn)向、速度控制以及避障循跡功能。此次系統(tǒng)研究為機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展與創(chuàng)新積累了經(jīng)驗(yàn)，對(duì)機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究發(fā)展具有理論與實(shí)踐價(jià)值。關(guān)鍵詞：驅(qū)動(dòng)；PMW；單片機(jī)；速度控制；方向控制PAGEI安徽三聯(lián)學(xué)院畢業(yè)論文PAGE11緒論1.1引言當(dāng)今社會(huì)發(fā)展迅速，人民生活水平提高，自動(dòng)化設(shè)備充實(shí)了我們的生活，方便了我們的生活，提高了人們的生活和工作質(zhì)量。機(jī)器人的發(fā)展也及其迅速，從以前的國家高端軍事航空領(lǐng)域滲透到我們生活中的每個(gè)角落。小至樓宇辦公、餐醫(yī)療，大到航空航天、軍事武器、重工業(yè)生產(chǎn)，大量的各種各樣的機(jī)器人充實(shí)著我們的生活，其環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，能夠完成人類不能完成的任務(wù)。隨著現(xiàn)代化的逼近，人們都機(jī)器人的需求越來越高，機(jī)器人的種類需求越來越大，機(jī)器人所肩負(fù)的使命越來越重要，使機(jī)器人的控制變得越來越復(fù)雜?，F(xiàn)在整體機(jī)器人研究方向朝三個(gè)目標(biāo)發(fā)展：一是機(jī)器人的高智能化。二是讓機(jī)器人更像人。三是讓機(jī)器人更小，能夠勝任更精細(xì)的工作。因此需要在機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)以及算法上深入研究。1.2研究背景和意義進(jìn)入21世紀(jì)，經(jīng)濟(jì)全球化及多元化快速發(fā)展，人類進(jìn)入智能化信息化時(shí)代。人們對(duì)信息的獲取量、信息的傳遞周期、人們的生活水平、工作質(zhì)量提出了更高的要求。更多信息，更舒適的生活環(huán)境，更方便快捷的工作方式是現(xiàn)代每個(gè)人所共同期望的。機(jī)器人在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)展極為迅速，在各個(gè)技術(shù)難題上都有了很大的突破。生活類的機(jī)器人走進(jìn)了普通家庭，如安保、教育、清潔、服務(wù)、娛樂、康復(fù)、治療等智能機(jī)器人獲得了極高的評(píng)價(jià)和社會(huì)實(shí)用價(jià)值，為廣大人們所歡迎。機(jī)器人技術(shù)是眾多學(xué)科知識(shí)交叉融匯的結(jié)晶，對(duì)人工智能、模式識(shí)別、自動(dòng)控制、電子電氣、機(jī)械設(shè)計(jì)電子電路等多個(gè)學(xué)科提出了很高的要求，復(fù)雜條件下運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是機(jī)器人完成智能化多功能化中最基礎(chǔ)的研究內(nèi)容，它涉及自動(dòng)控制，電子電氣，電子電路等多個(gè)領(lǐng)域；機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究是機(jī)器人智能化進(jìn)程中的關(guān)鍵所在，對(duì)自動(dòng)控制、電子電氣相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展意義重大?，F(xiàn)代工業(yè)、軍事裝備、航空航天以及民用領(lǐng)域無處不依賴機(jī)器人，其對(duì)我國現(xiàn)代化建設(shè)提高人民工作生活質(zhì)量意義重大。機(jī)器人可歸結(jié)為三個(gè)大類，第一種是一代機(jī)器人，亦可稱作示教再現(xiàn)型機(jī)器人，是通過一臺(tái)計(jì)算機(jī)來控制一個(gè)可自由調(diào)整工作角度的機(jī)械，將程序和信息存儲(chǔ)進(jìn)入示教，機(jī)器運(yùn)行時(shí)隨時(shí)調(diào)取數(shù)據(jù)信息發(fā)出指令。如此便可重復(fù)的根據(jù)實(shí)時(shí)示教結(jié)果，再現(xiàn)出種動(dòng)作，例如點(diǎn)焊機(jī)器人，它只要首次完成點(diǎn)焊示教，以后便重復(fù)這種工作，但是其不能感知外界環(huán)境，所以此種機(jī)器人不能獨(dú)自判斷用力大小工件是否存在以及焊點(diǎn)的好壞，因此第一代機(jī)器人存在很多缺陷。自20世紀(jì)70年代末期，第二代機(jī)器人的研究相繼開始，稱作帶感覺的機(jī)器人，這種帶感覺的機(jī)器人能模仿人類的某些感覺，如力度的大小、觸碰、滑落、視覺成像、聽力和人進(jìn)行相類比，有了這些基礎(chǔ)感知能力，當(dāng)機(jī)器人抓一個(gè)物體的時(shí)候，它實(shí)時(shí)用力大小就能感覺出來，亦能夠通過視覺成像，去感受和識(shí)別它的形狀、大小、顏色。拿一只雞蛋，其能通過特種觸覺實(shí)時(shí)測(cè)算力矩和滑動(dòng)的情況。第三代機(jī)器人，是現(xiàn)代對(duì)機(jī)器人研究中所要攀登的最高階段，稱為智能機(jī)器人，此種機(jī)器人可人工聲控，只需下達(dá)命令機(jī)器人就能以特種方式完成任務(wù)，也就是其能自主思考將要如何完成任務(wù)。能像人一樣去思考一件事情該怎么去做，該不該做，此種概念型機(jī)器人還局限在某些領(lǐng)域內(nèi)能夠達(dá)到這種智能水平，完全具備像人腦這樣的思維境界的機(jī)器人還不存在，但是我們相信科技的發(fā)展進(jìn)步，更多智能概念的豐富，將會(huì)向著這種概念型機(jī)器人無限趨近。。1.3研究內(nèi)容對(duì)于工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)可分為三部分：執(zhí)行部件、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)包括決策、策略構(gòu)思和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。決策層可實(shí)時(shí)識(shí)別環(huán)境，構(gòu)建模型概念，將將要執(zhí)行的任務(wù)分割成最基礎(chǔ)動(dòng)作序列；策略層將基本動(dòng)作轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)節(jié)坐標(biāo)協(xié)調(diào)變化的規(guī)律，分配給各關(guān)節(jié)的伺服系統(tǒng)；執(zhí)行機(jī)構(gòu)將某種特定序列及坐標(biāo)變化規(guī)律分配給不同的關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)。一般對(duì)機(jī)器人的研究有對(duì)機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)中平穩(wěn)性的研究；有在復(fù)雜環(huán)境下自主運(yùn)行及自我診斷的研究；有對(duì)機(jī)器人在不同環(huán)境下的通訊能力的研究；還有對(duì)機(jī)器人小型化甚至微型化的研究。本設(shè)計(jì)的是一種基于單片機(jī)最小系統(tǒng)的輪式移動(dòng)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。此系統(tǒng)選用STC89C52單片機(jī)為核心，通過其產(chǎn)生的PWM信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)芯片；系統(tǒng)連接完成，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的起停調(diào)速控制。因此我們需要研究驅(qū)動(dòng)電路的控制原理以及實(shí)現(xiàn)方法，了解何為PWM及其產(chǎn)生方法、工作原理，單片機(jī)對(duì)機(jī)器人的控制原理，控制算法，討論使用何種電源。了解機(jī)器人的電源分配、穩(wěn)壓、電路保護(hù)方法，選擇合適的電機(jī)種類為其動(dòng)力裝置，保障機(jī)器人的靈活性。2驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及論證2.1主控系統(tǒng)依據(jù)設(shè)計(jì)內(nèi)容的要求可知此系統(tǒng)輸入變量多，系統(tǒng)控制復(fù)雜，因此可草擬兩種設(shè)計(jì)構(gòu)思進(jìn)行整體比較論證，論點(diǎn)如下：方案一：選用一片CPLD（如EPM7128LC84-15）作為系統(tǒng)的核心部件，實(shí)現(xiàn)控制與處理的功能。CPLD運(yùn)算速度快、編程較為簡單、可用資源頗為豐富、開發(fā)實(shí)現(xiàn)周期短等優(yōu)點(diǎn)，編程可用VHDL語言。但CPLD在控制上不如單片機(jī)，其運(yùn)算速度極快，機(jī)器人的運(yùn)轉(zhuǎn)速度不需要很高，所以其整個(gè)系統(tǒng)不需要過高的信息處理能力，按照此種要求，MCU就足能完成處理任務(wù)。所以此種方案會(huì)給控制問題帶來很多不必要的麻煩，不優(yōu)先考慮此種構(gòu)思。方案二：以單片機(jī)為系統(tǒng)核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行中的機(jī)器人實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集處理，達(dá)到需要的性能指標(biāo)。實(shí)際上此系統(tǒng)關(guān)鍵是要對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)，重點(diǎn)放在這上面的話，不難發(fā)現(xiàn)單片機(jī)具有很大的優(yōu)勢(shì)，控制簡單快捷，這樣一來，資源極其豐富、控制能力極強(qiáng)以及可位尋址的優(yōu)點(diǎn)顯露無疑。因此此種構(gòu)思較為理想此設(shè)計(jì)內(nèi)容具有如下特點(diǎn)：開關(guān)量輸入量多，系統(tǒng)控制較為復(fù)雜，因此不宜使用精簡版的點(diǎn)數(shù)極少的單片機(jī)。為此可選用STC89C52單片機(jī)作為系統(tǒng)的核心，因?yàn)槠渚哂泻軓?qiáng)的位操作功能，輸入輸出口也可四線位尋址，此系列單片機(jī)擁有8K可用資源，足以滿足系統(tǒng)要求，其次51單片機(jī)低廉的價(jià)格也是其不可掩埋的優(yōu)勢(shì)。兩種方案對(duì)比中選擇51系列單片機(jī)更適合此系統(tǒng)，故決定采用STC89C52為此設(shè)計(jì)的核心處理器。2.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊方案一：用繼電器控制電機(jī)的運(yùn)行和停止,利用開關(guān)檔的切換控制小車的速度，這樣設(shè)計(jì)出來的電路極為簡單易懂容易實(shí)現(xiàn),但是長時(shí)間的高頻率的開關(guān)降低了繼電器的使用壽命，而且繼電器響應(yīng)時(shí)間慢可靠性不高。方案二：電機(jī)速度和運(yùn)行狀態(tài)的調(diào)節(jié)可使用電阻網(wǎng)絡(luò)或者數(shù)字電位器。關(guān)鍵在于電阻網(wǎng)絡(luò)不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)速，可靠性不高，性能指標(biāo)不易實(shí)現(xiàn)。數(shù)字電位器價(jià)格代價(jià)過高，在此系統(tǒng)使用不夠理想。電機(jī)阻值較小且電流又比較大，效率很低難以實(shí)現(xiàn)分壓。方案三：直流電動(dòng)機(jī)的控制可用功率三極管。由達(dá)林管可組成H型橋式電路，線性驅(qū)動(dòng)電路不僅電路和原理簡單而且其具有較強(qiáng)的加速能力，采用此種H橋電路只要工作在占空比可調(diào)的狀態(tài)便可實(shí)時(shí)精確調(diào)節(jié)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，而且此電路運(yùn)行效率可觀，調(diào)節(jié)精度高，控制簡單穩(wěn)定性好，是很常用的PWM調(diào)速技術(shù)。根據(jù)以上分析，此系統(tǒng)可選用L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。2.3機(jī)械系統(tǒng)此種機(jī)器人要求機(jī)械系統(tǒng)穩(wěn)定，運(yùn)動(dòng)靈活簡單，可采用兩輪式前驅(qū)方式，兩輪各由一部直流電機(jī)帶動(dòng)，利用前兩輪差速控制其轉(zhuǎn)向，后輪可采用雙輪亦可采用萬向輪從動(dòng)，亦起到支撐作用使整個(gè)硬件系統(tǒng)穩(wěn)定平衡。由于機(jī)器人裝有兩個(gè)電機(jī)、電池包、電路板等電子器件，使整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)較重，為了能輕松完成機(jī)器人的啟動(dòng)，平穩(wěn)運(yùn)行，可在電機(jī)和輪軸之間裝上三級(jí)調(diào)速齒輪?？蓪㈦姵匕惭b在整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的前方，保證整體重心較低，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，也增加了前輪的抓地能力，不會(huì)因?yàn)榇蚧瓜到y(tǒng)失控。2.4電源模塊用兩塊分別為6V和12V的電池包分別為電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)芯片供電，既保證了的可持續(xù)性，又可保證芯片的不受電機(jī)波動(dòng)對(duì)電流的影響。

3主要零部件及技術(shù)分析3.1單片機(jī)的介紹STC89C52具有一個(gè)8K的只讀存儲(chǔ)器，且可編程可擦除，性能很高，通常簡稱為單片機(jī)。此種單片機(jī)制造技術(shù)先進(jìn)，價(jià)格低廉，并且兼容于MCS-51指令集和輸出管腳。圖1STC89C52實(shí)物圖圖2STC89C52引腳圖3.1.1時(shí)鐘電路STC89C52單片機(jī)有兩種時(shí)鐘產(chǎn)生方式，其內(nèi)部振蕩器是有兩只反向放大器構(gòu)成。采用內(nèi)部方式產(chǎn)生震蕩時(shí)只需外界定時(shí)原件便可在內(nèi)部產(chǎn)生自激震蕩。采用外部時(shí)鐘電路時(shí)只需保證脈沖寬度即可，正常采用12MHz一下方波信號(hào)。3.1.2復(fù)位復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作。執(zhí)行此復(fù)位操作可將PC值置0。當(dāng)進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)將進(jìn)行正常情況下的初始化，如果出現(xiàn)系統(tǒng)鎖死時(shí)也可手動(dòng)按鍵復(fù)位重啟。復(fù)位操作也會(huì)對(duì)其他寄存器產(chǎn)生影響，其復(fù)位值如下表所示。表1寄存器復(fù)位狀態(tài)寄存器復(fù)位狀態(tài)PC0000HTCON00HACC00HTL000HPSW00HTH000HSP07HTL100HDPTR0000HTH100HP0-P3FFHSCON00HIPXX000000BSBUF不確定IE0X000000BPCON0XXX0000BTMOD00HRST引腳是復(fù)位信號(hào)的輸入端。復(fù)位信號(hào)是高電平有效，其有效時(shí)間應(yīng)持續(xù)24個(gè)振蕩周期(即二個(gè)機(jī)器周期)以上。3.1.3STC89C52主要功能如下表：表2STC89C52主要功能兼容MCS51指令系統(tǒng)8K可反復(fù)擦寫FlashROM32個(gè)雙向I/O口256x8bit內(nèi)部RAM3個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷時(shí)鐘頻率0-24MHZ2個(gè)串行中斷可編程UART串行通道2個(gè)外部中斷源共6個(gè)中斷源2個(gè)讀寫中斷口線3級(jí)加密位低功耗/掉電模式睡眠/喚醒3.2驅(qū)動(dòng)模塊方案的分析機(jī)器人的工作可持續(xù)性以及穩(wěn)定性的指標(biāo)，電池包的性能起到?jīng)Q定性作用，其次取決于電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率。電動(dòng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可細(xì)分為控制器、功率變換器及電機(jī)。高轉(zhuǎn)矩、較大的寬帶調(diào)速范圍、較高的可靠性是電動(dòng)輪式機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本要求。本系統(tǒng)采用的是直流電動(dòng)機(jī)，此電機(jī)控制簡單，性能好，而且直流電源在移動(dòng)物體上容易實(shí)現(xiàn)。3.2.1H型橋式驅(qū)動(dòng)電路因?yàn)榇蓑?qū)動(dòng)電路的形狀很像字母H，所以簡單稱其為H橋驅(qū)動(dòng)電路，現(xiàn)在直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路多采用此種H型全橋，此種電路可很容易的實(shí)現(xiàn)電機(jī)基本運(yùn)行方式，如正反轉(zhuǎn)和正反制動(dòng)。它的基本原理如圖3所示：圖3H橋驅(qū)動(dòng)電路當(dāng)Q1、Q4工作在導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，電流就從正極經(jīng)過Q1三極管流經(jīng)電機(jī)到達(dá)Q4，直到流回負(fù)極形成回路電流，如下圖4所示，粗的黑色箭頭標(biāo)明的是電流流動(dòng)軌跡，細(xì)的環(huán)形箭頭標(biāo)明的是電機(jī)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)方向。圖4H橋電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)同理，圖5標(biāo)明了另外兩只三極管導(dǎo)通時(shí)的電機(jī)及電流運(yùn)行軌跡。圖5H橋驅(qū)動(dòng)電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)圖6具有使能控制和方向邏輯的H橋電路值得注意是必須要保證電機(jī)正常運(yùn)行，就要控制同側(cè)的兩個(gè)管子不能同時(shí)工作在導(dǎo)通狀態(tài)。如果三極管Q1和Q2同時(shí)導(dǎo)通，那么電流就會(huì)從正極穿過兩個(gè)三極管直接回到負(fù)極。因?yàn)榇穗娐分杏秒娖鞅容^少，電流很大從而燒壞三極管，所以在實(shí)際應(yīng)用時(shí)要通過電路來控制三極管開關(guān)。如上圖6所示，通過電路的進(jìn)一步改進(jìn)，在此電路上加了四個(gè)與門兩個(gè)非門，便可保證H橋的同側(cè)最多只有一個(gè)三極管可以導(dǎo)通。綜上所述，控制兩個(gè)方向信號(hào)及一個(gè)始能信號(hào)便可控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行，DIR-L=0則DIR-R=1，始能信號(hào)=1，電機(jī)正傳；反之電機(jī)反轉(zhuǎn)，如圖7所示。圖7使能信號(hào)與方向信號(hào)的使用3.2.2L298N驅(qū)動(dòng)模塊組成及各部分功能此種驅(qū)動(dòng)芯片是SGS公司旗下的產(chǎn)品，內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、繼電器線圈等感性負(fù)載；標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)控制；有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入信號(hào)影響的情況下允許或禁止器件工作有一個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測(cè)電阻，將變化量反饋給控制電路。使用L298N芯片可以驅(qū)動(dòng)一臺(tái)兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)。二相及四相電機(jī)專用其作為驅(qū)動(dòng)器，可驅(qū)動(dòng)46V、2A以下電機(jī)，其實(shí)物及引腳圖如下圖8和圖9所示：圖8L298N芯片實(shí)物圖圖9管腳圖表3L298N參數(shù)尺寸80mmX45mm工作電壓控制信號(hào)直流5V，電機(jī)電壓直流3V-46V最大工作電流2.5A額定功率25W特點(diǎn)具有信號(hào)指示，轉(zhuǎn)速可調(diào)，抗干擾能力強(qiáng)，具有電壓和電流保護(hù)，可獨(dú)控制兩臺(tái)直流電機(jī)，PWM脈寬平滑調(diào)速，可實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。圖10管腳連接示意圖接口連接說明：+5V：芯片電壓5V。

VCC：電機(jī)電壓12V。

GND：共地接法。IN1-IN4接單片機(jī)。ENA\ENB接單片機(jī)高電平有效。

L298N邏輯功能如下表：表4L298N邏輯功能表IN1IN2ENA電機(jī)XX0停止101順時(shí)針011逆時(shí)針000停止110停止3.3PWM控制3.3.1PWM調(diào)速簡介PWM控制技術(shù)是一種脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，采用該技術(shù)可等效獲得想要的波形。通過控制電路通斷來獲得所需脈沖。用此方式輸出的波形平滑諧波少，再按特定規(guī)則進(jìn)行脈寬調(diào)制，獲得所需電壓大小和輸出頻率。要控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，通常采用脈寬調(diào)制（PWM），基本方法是在特定頻率下向電機(jī)提供脈沖方波，利用不同占空比的方波信號(hào)對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。其原因是電機(jī)線圈會(huì)產(chǎn)生很大的感抗，阻礙了輸入電流和電壓的突變能力，這樣的話脈沖輸入信號(hào)就被分配到作用時(shí)間上，通過改變始能端輸入方波的占空比來改變電機(jī)兩端的電壓大小，從而達(dá)到精調(diào)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。以下介紹兩種方法實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制：

（1）用軟件方式來實(shí)現(xiàn)：編寫延時(shí)程序，當(dāng)執(zhí)行程序時(shí)交替改變端口輸出狀態(tài)，即可獲得脈寬調(diào)制信號(hào)。要獲得不同的占空比只要改變延時(shí)時(shí)間。（2）采用硬件獲得調(diào)制信號(hào)，無需CPU參與，減小CPU處理周期。3.3.2PWM控制電機(jī)的特點(diǎn)電機(jī)在靜止?fàn)顟B(tài)下突然啟動(dòng)時(shí)會(huì)有一個(gè)很大的靜態(tài)摩擦力，電機(jī)轉(zhuǎn)子與負(fù)載質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生摩擦力，電動(dòng)機(jī)本身也會(huì)產(chǎn)生很大的摩擦力，可簡單概括為電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的阻力力矩，當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩小于阻力力矩時(shí)電機(jī)無法啟動(dòng)，且會(huì)因此系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，但是這種方法也有其優(yōu)點(diǎn)，就是控制原理簡單輸出波動(dòng)小，線性好，對(duì)其他電路干擾小。只要半導(dǎo)體功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)便可通過寬帶調(diào)制控制電機(jī)出入電壓，進(jìn)一步控制電機(jī)運(yùn)行速度。開關(guān)驅(qū)動(dòng)方式可調(diào)節(jié)功率半導(dǎo)體工作在此狀態(tài)，當(dāng)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為高電平時(shí)，開關(guān)管導(dǎo)通，直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組兩端有電壓U。在連續(xù)的兩個(gè)時(shí)間區(qū)間內(nèi)驅(qū)動(dòng)信號(hào)高低電平切換，以此重復(fù)即可。3.3.3PWM輸出波形和計(jì)算圖11電壓波形圖電樞繞組兩端電壓平均值U為：U=（t1×U）/（t1＋t2）=(t1×U)/T=D*U式中D為占空比，D=t/T，D為一個(gè)周期T內(nèi)的開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間t與T的比值。D在0≤D≤1區(qū)間內(nèi)變化，占空比D的大小決定著電壓平均值U，通過改變D的值改變輸出電壓的值，實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)速。可用寬頻調(diào)速、調(diào)款調(diào)頻、定頻調(diào)寬法調(diào)整占空比，通常采用的是定頻調(diào)寬。占空比越大則輸出平均電壓越大，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的也就越快，反之越慢。3.4直流電動(dòng)機(jī)特性簡介直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程式為：式中UN、ΦN——額定電樞電壓、額定磁通量；Ke、Kt——與電機(jī)有關(guān)的常數(shù)；Rad、Ra——電樞外加電阻、電樞內(nèi)電阻；n0、△n——理想空載轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速降；n電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。分析上式可得，當(dāng)分別改變UN和Rad時(shí)，可以得到不同的轉(zhuǎn)速n，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的調(diào)節(jié)。由于Φ=F(If)，當(dāng)改變勵(lì)磁電流If時(shí)，可以改變磁通量ΦN的大小，從而達(dá)到變磁通調(diào)速的目的。但由于勵(lì)磁線圈發(fā)熱和電動(dòng)機(jī)磁飽和的限制，電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流If和磁通量ΦN只能在低于其額定值的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，故只能弱磁調(diào)速。而對(duì)于調(diào)節(jié)電樞外加電阻Rad時(shí)，會(huì)使機(jī)械特性變軟，導(dǎo)致電機(jī)帶負(fù)載能力減弱。于他勵(lì)直流電機(jī)來說，當(dāng)改變電樞電壓UN時(shí)，分析人為機(jī)械特性方程式，得到人為特性曲線如圖16所示：圖12直流電機(jī)機(jī)械特性曲線如圖15所示，理想空載轉(zhuǎn)速n0隨電樞電壓升降而發(fā)生相應(yīng)的升降變化。不同電樞電壓的機(jī)械特性曲線相互平行，說明硬度不隨電樞電壓的變化而改變，電機(jī)帶負(fù)載能力恒定。當(dāng)我們平滑調(diào)節(jié)他勵(lì)直流電機(jī)電樞兩端電壓時(shí)，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無級(jí)調(diào)速?；谝陨咸匦裕淖冸姌须妷?，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)速度調(diào)節(jié)的方法被廣泛采用。

4機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制介紹4.1總體設(shè)計(jì)概括根據(jù)以上技術(shù)及專業(yè)知識(shí)分析，此系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為核心，采用兩塊L298N驅(qū)動(dòng)芯片分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)，通過PWM脈寬調(diào)速控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速。整體采用三輪機(jī)械設(shè)計(jì)，前面設(shè)計(jì)兩輪差速控制方向，后輪可采用兩輪從動(dòng)，也可采用萬向輪做支撐。電源采用分開供電方式，用兩塊電池包分別為電機(jī)和單片機(jī)供電。4.2外圍電路拓展要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，就要求其要具備基本的前進(jìn)后退，左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)以及避開障礙物的能力，這些功能要求其自主完成。下面介紹機(jī)器人避障功能的實(shí)現(xiàn)。4.2.1避障模塊機(jī)器人避障有一下三種基本情況。第一種正前方障礙避障；第二種左側(cè)障礙避障；第三種右側(cè)障礙避障。所以要實(shí)現(xiàn)以上三種避障功能，需要在小車上至少安裝三組紅外對(duì)管，一個(gè)安裝在正前方，另外兩個(gè)安裝在小車前方，方向向外偏30度到45度角，具體角度需要實(shí)物調(diào)試。1.機(jī)器人啟動(dòng)后正常運(yùn)行軌跡應(yīng)該是直線運(yùn)行，當(dāng)前方暈倒障礙物時(shí)，可設(shè)定其規(guī)律性左轉(zhuǎn)避障，左轉(zhuǎn)一定的角度，前進(jìn)一定的距離，如此重復(fù)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)前方不在有障礙物時(shí)，再按照之前轉(zhuǎn)動(dòng)的角度和次數(shù)右轉(zhuǎn)，成功避開障礙物時(shí)再按照原始方向前進(jìn)。2.正常運(yùn)行時(shí)，前方左側(cè)紅外探頭檢測(cè)到障礙物時(shí)，可設(shè)定其規(guī)律定右轉(zhuǎn)一定角度，再前進(jìn)一定距離，若不再檢測(cè)到障礙物時(shí)，再讓機(jī)器人按照原來轉(zhuǎn)動(dòng)的角度和次數(shù)左轉(zhuǎn)，以便回到以前的方向運(yùn)行。3.當(dāng)右側(cè)紅外探頭檢測(cè)到障礙物時(shí)，設(shè)定其一律左轉(zhuǎn)。左轉(zhuǎn)前進(jìn)交替進(jìn)行，直到不再檢測(cè)到障礙信號(hào)為止，再按照左轉(zhuǎn)的角度和次數(shù)右轉(zhuǎn)，回到原來的方向上運(yùn)動(dòng)。實(shí)際上除了以上三種情況，還有可能兩個(gè)或者三個(gè)紅外對(duì)管都檢測(cè)到障礙信號(hào)。若左側(cè)和前方對(duì)光管同時(shí)檢測(cè)到信號(hào)，則規(guī)定其按照第2中情況作出相應(yīng)動(dòng)作。若右側(cè)和前方同時(shí)檢測(cè)到信號(hào)，則按照第三種情況處理。若三個(gè)管子同時(shí)檢測(cè)到信號(hào)，則程序控制機(jī)器人停止前進(jìn)，并后退一一段距離至信號(hào)消失，再按照情況3處理。如下圖13所示為紅外對(duì)管發(fā)射和接收管實(shí)物圖。紅外發(fā)射管發(fā)射紅外光信號(hào)，當(dāng)遇到障礙物時(shí)，其發(fā)射的紅外光會(huì)反射給接收管，此時(shí)電力路接收到障礙物信號(hào)，信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)送給單片機(jī)處理，做出相應(yīng)動(dòng)作。圖13紅外發(fā)光和接收對(duì)管4.3控制流程圖SStc89c52時(shí)鐘電路復(fù)位電路電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路路diandianlu避障紅外對(duì)管圖14主板設(shè)計(jì)框圖

啟動(dòng)啟動(dòng)前進(jìn)障礙？停止壁障?停止?YNNY圖15機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制流程圖表5元器件清單原件數(shù)量原件數(shù)量原件數(shù)量直流電機(jī)2只電阻若干L298N2只單片機(jī)一塊二極管若干電容若干紅外對(duì)管3只電位器若干12MHz晶振1只玩具車框架一個(gè)排針若干固定綁線若干圖16電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖

5總結(jié)此系統(tǒng)是以STC89C52單片機(jī)為核心的輪式機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。采用L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片及PWM技術(shù)基本實(shí)現(xiàn)機(jī)器人啟停轉(zhuǎn)向速度控制，另外通過對(duì)外圍電路的拓展增加了系統(tǒng)的循跡和避障功能，使整個(gè)系統(tǒng)功能更加完善。通過此次設(shè)計(jì)我掌握了以前不熟悉的知識(shí)，認(rèn)識(shí)了很多新的東西。使我認(rèn)識(shí)了自己在很多方面的欠缺不足。

致謝經(jīng)過查閱眾多專家老師的文獻(xiàn)資料，整理編寫了這樣一篇輪式機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)論文。在構(gòu)思過程中，指導(dǎo)老師和同學(xué)給予了很多寶貴的意見和建議，在設(shè)