第2章 智能巡线机器人总体方案设计

完整的机器人系统就是一个移动的测控系统，包括检测部分、控制部分以及相应的驱动部分。这几个部分是彼此相互关联的，检测部分根据机械结构选择合理的检测手段，驱动部分根据任务要求和机械结构设计相应的驱动电路，控制部分则需从机械结构、检测手段、驱动方法综合考虑。
2．1 机器人要素分析
智能巡线机器人装备包含以下几个要素：机械机构、动力与驱动单元、执行机构、传感测试单元以及信息处理与控制单元五个部分。
这五个基本组成要素可以与人体的五大要素进行对比，如图2-1所示。

图2-1 机器人设备与人体五大要素比较图
机械机构的作用类似于人体的骨骼。包括工作模块以及装备所有功能元素的机械支持结构以及机身、框架、连接等。机械机构要在结构、材料、加工工艺性以及几何尺寸等方面可靠、小型、轻量、美观等要求。
传感与测试单元的作用相当于人体的五官，对装备本身和外界环境的各种参数及状态进行检测，并将其变换成可识别信号，传输到信息处理单元。它由各种类型的传感器和信号处理电路或测试仪表构成。传感器与测试单元的主要问题在于提高可靠性、灵敏度和精密度。而提高可靠性的关键在于提高抗干扰能力。传感器包括光电传感器（巡线和计数）、超声波传感器（检测是否到达目标和有无障碍物）。
执行机构相当于人体的手和足。它根据控制单元的指令，快速高精度地完成要求的动作。目前常用的执行机构是电磁式、液压式和气动式机构。此外，还有一些新型的执行机构如超声波驱动器、形状记忆合金驱动器等。执行机构需要根据机器人装备的匹配性要求，考虑改善性能，如何提高精度和快速性，减轻重量，实现组件化、标准化和系列化，提高系统整体的可靠性。
动力和驱动单元相当于人体的内脏或肌肉。它在控制单元作用下，提供动力驱动和各种执行机构完成要求的动作和功能。机器人装备一方面要求驱动的高效率和快速反应特性，同时要求对水、油、温度、尘埃等外部环境的适应性和可靠性。智能巡线机器人的动力单元包括步进和直流电机。
信息处理与控制单元相当于人体中的头脑。将来自传感器与测试单元的检测信息和外部输入命令进行集中、存贮、分析、加工，根据信息处理结果和预设的控制算法，发出相应的指令控制整个系统有目的地运行。一般由计算机、可编程控制器（PLC）和计算机外部设备等组成。机器人系统对控制和信息处理单元的基本要求是：提高信息处理速度，提高可靠性，增强抗干扰能力以及完善系统自我诊断功能，实现信息处理智能化和小型、轻量、标准化等。

第3章机械结构设计

机械部分是机器人运行的载体，设计性能良好的机械结构，将有利于简化机器人控制算法的设计，并且机构在执行过程中可以很好的实现控制精度。在这一章里，将分别论述了车轮配置方式、底盘和尺寸。
3．1 智能机器人的车轮驱动配置
机器人的运动方式有轮式、履带式和步行方式。轮式和履带式机器人适合于条件较好的路面，而步行机器人则适合条件较差的路面。为了适应各种路面的情况，可采用轮、腿、履带并用。在本节中主要讨论各种方式的车轮驱动配置类别的特点，并且根据本课题的需要选择恰当的驱动配置方式。
3．1．1 机器人常用车轮驱动配置介绍
1、独轮驱动配置方式
其原理上不仅可以在平地行走，也可以在不平整的地面和倾斜的地面上行走。车体的转弯可以利用伴随陀螺仪加速、减速的反力矩。由于其在稳定性方面的弊病，将独轮机构应用于机器人上面基本没有实用性。
2、两轮驱动配置方式
两轮驱动配置的简图如下图3-1所示：

图3-1 两轮车简图
3．2 机器人机械尺寸设计
1、设计要求：
底盘是安装轮子和上层机构的重要联机部件，要求其十分牢固，与轮子和上层机构可以紧密配合
2、结构：
采用两层机构:：第一层底盘装万向轮和驱动轮电机等；第二层底盘用于连接上层机构。两层之间用角铝连接，采用了在同一连接处紧固两个螺钉的方法来加强强度。结构如图3-5和图3-6所示：

第4章 传感器接口电路设计

机器人需要感知外界的环境和自身的状态信息，从而做出正确的判断并告知CPU获取相应的信息。针对要求选用的传感器类型有：超声波传感器、红外光电反射式传感器。红外光电传感器检测巡线轨迹，超声波传感器检测障碍物。
4.1机器人对巡线传感器的要求
机器人对巡线传感器的要求大致如下：
抗干扰性：不同的环境可能存在各种形式的强光干扰、电磁干扰、颜色干扰，必须有较好的抗干扰能力。
可调性：比赛场地上机器人的运行环境可能有别于当初调试的环境，可能出发位置、灯光光照角度、日光光照情况均会变化，必须留有调节各种参数的环节，使得传感器工作在最佳状态。
稳定性和快速性：一旦传感器移动到引导条带边缘，传感器应当及时、快速、稳定地触发，不允许有状态的抖动，否则会引起机器人的摇晃。
成本低廉：对于机器人通用性来说，价格是一个重要的因素。尽管市售产品中有性能良好的光电传感器，但是一般还是以自己开发制作为宜。
4．2 超声波传感器
4.2.1超声波传感器的原理
在相扑机器人之类的格斗型机器人中超声波传感器是经常采用的传感器之一，用来检测对方的机器人的有无和距离。本次用到超声波传感器的目的是为了检测是否有障碍物和有没有到达目的地。其原理有如蝙蝠，它的嘴发出超声波，当超声波遇到小昆虫的时候，蝙蝠的耳朵能够接受和反射回波，从而判断饵食的位置和距离并给与捕杀。超声波传感器的工作方式是通过发送器（相当于蝙蝠的嘴）发射出来的超声波被物体反射后传到接收器（相当于蝙蝠的耳朵）接受来判断是否检测到物体。
超声波传感器的实物照片如图4-1：

图4-1 超声波传感器的实物
人的听觉所能感觉的频率范围往往因人而异，大约为20Hz～20kHz。所谓超声波，即空气中传播的超过人类听觉频率极限的声波。kHz（千赫）代表一个频率单位，20kHz即在1秒钟内来回振动2万次的频率状态。众所周知，超声波的传播速度V可以用以下式表示：
V=331.5+0.6T（m/s） （4.1）
式中T(°C)为环境温度，在23°C的常温下超声波的传播速度为345.3m/s。超声波传感器一般就是利用这样的超声波来检测物体的。
具体到超声波传感器的结构，一般它的内部都有一个振子，所谓振子是一块金属片上贴着压电陶瓷，通过给压电陶瓷加上电压，它就会根据电压的大小产生相应的机械变形，进而产生机械振动，这就是所谓的压电现象。超声波传感器就是利用这中原理实现超声波的发射与接收的。
如图4-2和图4-3所示：

图4-2 超声波传感器的结构

第5章 电机驱动电路设计

驱动部分是机器人运动的源动力，控制着机器人的运动方向和速度。设计性能稳定、快速响应CPU信号的电机驱动电路是机器人运动精度的重要保证。
5．1 驱动电机的选用
移动机器人的主动轮有多种驱动方式，其中采用电机加必要的传动装置应用最为广泛。驱动电机为小车移动提供动力源泉，传动装置具有调速、改变运动方式、方向等作用。利用电压、电流、频率（包括指令脉冲）等控制方式，可以实现定速或变速驱动、反复起停的增量驱动以及复杂驱动。
目前常用的控制电机有：电压控制感应电动机（制动电动机或两相伺服电动机）、电压控制直流电动机（DC伺服电动机）、频率控制同步（SM）电动机（步进型伺服电动机）、频率控制感应(IM)电动机（感应型伺服电动机）、频率控制磁阻电动机（步进电动机）等，每种电机又衍生出不同的小类型，不同电机的控制方式、特点和应用场合也不相同。
本设计中考虑使用电机驱动车轮，且尽力缩小车体的体积，所以带减速器的电机成为首选，这样只需要将电机输出轴和驱动轮连接起来即可。
目前移动机器人领域应用较多的是步进电机和直流无刷电机（BLDC）两种。步进电机是一种将电脉冲信号转换成机械角位移模拟量的控制电机，其输出的位移大小与输入脉冲个数成正比且时间上与脉冲同步，通过改变脉冲频率调节步进电机转速。步进电机一般分为反应式（VR）、用磁式（PM）和混合式（HM）三种。反应式结构简单、工作可靠、运行频率高但转子阻尼大、噪声大，步距角一般在1.50～150之间；永磁式功率小、效率高、价格低，步距角一般在7.50～180之间；混合式介于二者之间，具有步距角小、频率高、功率小的有点，但结构相对来说比较复杂，步距角一般在0.360～3.60之间。
直流无刷电动机（BLDC）通过位置传感器检测磁钢位置后，控制相电流通断实现电子换向，避免换向火花，且不产生电磁干扰，具有寿命长、运行可靠、维修简便、变速不受换向条件限制、高速运行、调速范围宽等优点。如果采用PWM控制，只需要通过软件改变PWM波的占空比就可实现调速，这对提高移动机器人在运动中的灵活性非常有用。另外，随着具有PWM输出的单片机在机器人控制器中的广泛应用，采用直流无刷电动机（BLDC）作为驱动电动机的越来越多。
对比二者的特点，尤其是考虑到使用单片机作为控制器时设计的可靠性，本设计的驱动电机就选用带减速器的直流无刷电动机（BLDC）电机。
直流电机的优点表现在以下方面：
1、具有较大的转矩，从而能够克服传动装置的摩擦转矩和负载转矩；
2、具有快速响应能力，可以适应复杂的速度变化和控制信号的变换；
3、电机的负载特性硬，有较大的过载能力，确保运行速度不受负载冲击的影响，增加的系统的可靠性；
4、直流电机的空载力矩大，在控制系统发出停转的同时可以立刻响应，并且可以产生相当大的力矩阻止机器人由于惯性继续向前移动；
5、直流电机具有很好的环境适应能力。
除此之外，DC直流电机相对其他电机来说运动起来平稳，而且噪声小。
5.1.1电机减速器的选择
这里选用上海朗能机电设备有限公司生产的ZYT60-JB80永磁直流电机。其主要技术参数是：
Unom=24V； Inom=4.8A ； nnom=2500r/min；Pnom=90W，Gnom =1:5～1:230。
具体的实物形状如下图所示

图5-1 机器人巡线驱动用的直流电机及减速器

5.1.2 所选电机性能校核
在智能巡线机器人机构中，由于需要一定侧承重量以及加工制造的方便，驱动部分以及支持部分都采用扁钢为材料，机器人结构重量约为50kg，所承受货物的上限为150kg,因而整车载重极限N为200kg。该载重极限由两个万向轮与两个驱动轮共同分担，机器人驱动轮受力如图所示。

图5-2 轮子的受力
第7章 主控系统的设计

主控系统负责信息处理和控制外部电路，相当于人体中的头脑。将来自传感器与测试单元的检测信息和外部输入命令进行集中、存贮、分析、加工，根据信息处理结果和预设的控制算法，发出相应的指令控制整个系统有目的地运行。
本章中将为该主控系统选择一款简洁、廉价、易于开发的芯片MSP430F449，并在该芯片上实现机器人的相应算法。
7．1 主控制芯片的选型
根据上面章节电机驱动电路和传感器接口电路的设计构想，机器人行走机构需要有六路控制信号，其中有两路是PWM控制信号，其他四路分别两两控制电机转向；因此控制电机的信号总共6路，如果机构改变，可能还需要多加电机，就需要对于此项的控制系统的输出量至少有8路。光电传感器向控制系统输入18路检测信号，超声波传感器需要2路输入。综上所述，所选的控制器至少要有8路输出量，20路输入量。可见，本设计对芯片I/O口数量要求很大，并且要响应速度快，运行稳定。
7.5转弯分析
假设存在900的直角转弯，当机器人右转弯时，前排中心传感器处于深蓝色区域，直到转弯900后检测到白线。因此，可以将是否检测到白线作为转弯900判据。但如果以此传感器作为转弯900判据，考虑惯性，机器人虽然响应检测到白线后停止转弯，但是车身还将沿运动方向继续运行，所以实际设计时是以前排靠近中心线的传感器（或者更靠右的传感器）作为右转弯的判别传感器。传感器可能失效，所以多次实验计算转弯大概所需时间的范围（MINTURNTIME，MAXTURNTIME）。可以设定转弯时限，防止因为传感器失效而引起的不停转弯的错误。
为方便转弯的后续工作，转弯前尽量让机器人后轮水平线与引导线重合，方法是让机器人后退一段距离补偿车体因为惯性而向前移动的一段距离。

图7-7 转弯分析
以此同时，反应的距离与机器人转动速度有关，所以在转弯时尽量将速度减小，以方便控制。根据实验可以确定将作为转弯的判据相对合理一些。

图7-6 后退补偿流程图