果实采摘机器人运动控制系统设计(编辑修改稿)

果实采摘机器人运动控制系统设计(编辑修改稿)内容摘要：

控制系统车体载荷分析与执行器的选择 执行器选择依据 作为番茄采摘机器人中承担机器人的移动任务，车体载荷决定驱动电机的选择。 在运动控制系统设计中必须考虑车体载荷。 （ 1）后轮的电机选择 8 我们先假设车体重量是 10千克，可以采摘的果实最大总重量是 5千克。 小车线速度为 2ｍ /s(一般以最高速度加上一定的余量来 以此我们通过计算力矩、输出功率方面来选择执行器即驱动电机 ) 轮半径为。 静态摩擦系数 一 般取。 减速比 即为减速箱的齿轮比，通过查找减速箱 datasheet查找 一般的减速比和减速效率。 我们选用 14:1，其减速效率一般为 80%。 根据力矩方面进行选择 1 计算力矩 M M＝轴上的力矩 /(减速比 *减速箱效率 ) （ 1） ＝静态摩擦力 *轮半径 /(减速比 *减速箱效率 ) ＝静态摩擦系数 小车质量 *g*轮半径 /(减速比 *减速箱效率 ) 2 计算电机转速 n ｎ =(线速度 *60*减速比 )/(2*pi*轴半径 ) （ 2） 3 计算功率 P0 602nMP0  （ 3） 4 根据最选择功率合适的电机，要求电机的输出功率满足 Pmax≥P0,一般选择 2 P0≥Pmax≥ P0 5 进一步验证电机选择是否合适，验证方法： 2M2n H0  Mn ， （ 4） 从 力矩的角度来为机器人选择驱动电机 ： M＝ 15**(14*80)= n=(2*60*14)/(2*pi*)=3600rpm P0=*3600*2pi/60=73W 因此，所选择的电机输出功率最 好 应在 ~146Ｗ之间。 通过查找电机的参数指标 , ，可以选择 FAULHBER3863型号，当工作电压为 24Ｖ时，其输出功率为 130W。 且进入 22n 0 HMMn  ， 符合条件。 9 根据输出功率 方面进行 选择  VFP  （ 5） 式中， F —— 工作机阻力， N。 v —— 工作机的线速度， m／ s。  —— 工作机的效率。 一般取  ~。 其中 F = N  —— 主动轮与场地之间的摩擦 在机器人行走时，主动轮是采用橡胶材料，与地面的静摩擦系数  约为 ~ ,在计算中选择 02； N —— 作用在主动轮上的支持力 )( NG  （ 6） )(147G NN  ， 则 )( NNF   工作机的最大线速度取为 sm2v  由以上推断，可以得 )( WVFP     （ 7） 式中，  为电动机到主动轮的传动总效率而 c 2rg （ 8） 滚 动 轴 承 效 率  : 轮 箱 效 率  : 齿 轮 效 率  则 2   。 电动机的输出功率按下式计算： 10 )(KWPP  （ 9） ~ 故 )w(75 )(  KWPP  因载荷平稳，电动机的额定功率 mP 只需要略大于 P 即可。 根据最选择功率合适的电机，要求电机的输出功率满足 Pmax≥P0,一般选择 2 P0≥Pmax≥ P0。 通过查找电机的参数指标，可以选择 FAULHBER 3863型号，当工作电压为 24V 时，其输出功率为 130W。 总结：由上述两种方法进行选择，可以看出 FAULHABER公司生产的直流电机 FAULHBER3863型号 符合条件。 （ 2）前轮的电机选择 前轮的电机采用步进电机，可以使小车转向更加灵活 ，本设计中前后轮的电机功率及力矩应该相当。 我们采用 35BY48HJ120减速步进电动机。 执行机构电机的 介绍 （ 1） FAULHBER3863型号 电机有如下特点： 1 转动惯量小、启动电压低、空载电流小； 2 最高转速达 20200rpm，适当提高电压可获更高的速度并对电机寿命无影响； 3 名义电压从 ~48VDC，功率最大 226W，直径范围 6~38mm，长度12~63mm； 4 最大输出扭矩 1290ｍ Nｍ，配减速箱后，最大输出扭矩高达 20Nm； 表。 11 表 FAULHBER3863型号 电机性能参数 正常电压 24V 极限电阻 Ω 最大输出功率 220W 效率 85% 空载转速 6700rpm 空载电流 静止转矩 1250mNm 摩擦转矩 速度常数 287rpm 反电动势常数 nM曲线斜率 常数 6ms 转子惯量 110gcm 最大转速 8000rpm 最大转矩 110mNm （ 2） 35BY48HJ120减速步进电动机特点，如表 表 35BY48HJ120减速步进电动机特点 型号 相数 步距角 扭矩 Nm 电压 V 电流 A 电阻 Ω 转速 rpm 驱动方式 35BY48HJ120 2/4 12 45 6 42 12 第三章 运动控制系统硬件部分设计 本章讲述了番茄采摘机器人运动控制系统的硬件设计。 总体方案设计思路 鉴于番茄采摘机器人的本职工作是顺利完成采摘工作，运动控制系统处于辅助的地位而并不需要像 抢险救灾机器人等机器人精于路况处理的智能机器人那样处理复杂的实时环境问题。 同时为了提高运动系统的稳定性能，避免设备的不必要的效率消耗以及降低投入成本和达到灵活的避险要求。 有以下的设计思路。 主控制器模块 根据 设计 要求，控制器主要用于 各种信号的处理 、 控制算法实现、底盘电动机的控制 和声光报警等，控制器选择 ATMEL 公司生产的 AT89C52 单片机作为系统控制器。 单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，使其在各个领域应 用广泛。 在本系统中控制量较多，单片机的优势得到很好的体现。 电源模块 电源模块对于 番茄 采摘机器人的底盘控制系统来说极其重要，关系到整个底盘系统是否能够正常工作，因此在设计控制系统时应该选好合适的电源。 机器人系统电机执行机构需要使用 24V 电压供电， 单片机系统、超声波传感器避障系统等必须在 5V 电压下才能够正常工作。 在设计中，我用一个直流电源（ 24V，10A）为机器人系统供电，其中，控制电路需要的 5V 电压也是由 24V 电源提供的。 为了提供稳定的 5V 直流电源，需要将 24V 电源稳定 5V。 目前，提供稳压直流电 压的方法主要有两种：集成线性稳压电路，开关型直流稳压电路。 比较而言，开关型直流稳压电路更能降低电源转换芯片的功耗，提高电源的利用效率。 在本电路设计中，我选择开关型稳压电源 LM25765 作为电压转换模块： 根据分析可以知道机器人底盘控制系统正常工作时，需要电源提供不同大小的稳 压 电压。 电动机在 24V 电压情况下 能够正常工作。 13 优势：开关稳压电源的功耗极低，其平均工作效率可达 70％～ 90%。 在相同电压降的条件下，开关电源调节器件与线性稳压器件相比具有少得多的 “ 热损失 ”。 因此，开关稳压电源可大大减少散热片体积和 PCB 板的面积，甚至在大多数情况下不需要加装散热片，从而减少了对 MCU 工作环境的有害影响。 电机控制模块 脉宽调制（ PWM）原理： 小功率直流电机由定子和转子组成，对小功率直流电机调速系统，使用单片机是极为方便的。 其方法是通过改变电机电枢电压接通时间与通电周期的比值（即占空比）来控制电机速度。 这种方法称为脉冲宽度调制，简称 PWM。 小功率直流电动机的转速控制方法是将电动机电源接通一段时间，然后切断电源，再次接通电源，改变电动机通断时间的比列，即可达到调速的目的。 这种调速方法称为脉宽调速。 设脉冲宽度为 t， 脉冲周期为 T，电机的平均转速为DVmaxVd  ；式中 , TtD 称为占空比 ， 占空比越大，转速越高，反之就越低。 对于特定的电机，其最大 Vmax 是确定的，因此控制平均转速就要控制占空比。 用单片机实现脉冲宽度调制是很容易的，只要改变电机定子绕组电压的通、断电时间，即可达到调节电机转速的目的。 电机驱动模块 （ 1）前轮电机的驱动 模块 由于步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件，它不能直接接到交直流电源上。 设计中所控制的步进电机是四相单极式 35BY48HJ120 减速步进电机。 由于机步进电动机不能直接接到工频交流或直流电源上工作，而必须使用专用的步进电动机驱动器。 ULN2020A 是一个单片高电压、高电流的达林顿晶体管阵列集成电路。 它是由 7 对 NPN 达林顿管组成的，它的高电压输出特性和阴极箝位二极管可以转换感应负载。 单个达林顿对的集电极电流 500mA。 达林顿管并联可以承受更大的电流。 ULN2020A 的极限参数如表 所示。 表 ULN2020A 的极限参数 14 项目 符号 数值 单位 最大输入电压 Vi(max) 30 V 集电极 发射极电压 Vo(max) 50 V 最大基极输入电流 IB(MAX) 25 mA 输出电流 Io 500 mA 贮存温度 Ts 65～ 150 ℃ 结温 Tj 175 ℃ 引线耐焊接温度 TD 300 ℃ （ 2）后轮电机的驱动模块 所示为一个典型的直流电机控制电路。 电路得名于 “ H 桥驱动电路 ” 是因为它的形状酷似字母 H。 4 个三极管组成 H 的 4 条垂直腿，而电机就是 H 中的横杠（注：图 — 图 都是示意图）。 如图 所示， H 桥式电机驱动电路包括4 个三极管和一个电机。 要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。 根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。 要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。 如所示，当Q1 管和 Q4 管导通时，电流就从电源正极经 Q1 从左至右穿过电机，然后再经Q4 回到电源负极。 按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。 当三极管 Q1 和 Q4 导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。 图 H 桥电路驱动电机顺时针转动 ， 图 所 示为另一对三极管 Q2 和 Q3 导通的情况，电流将从右至左流过电机。 当三极管 Q2 和 Q3 导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。 图 H桥驱动电路 图 驱动 电机顺时针转动 图 驱动电机逆时针转动 显示模块 本设计的显示 模块目标是能够显示出电机的正反转停等信息。 采用的是 带中文字库的 128X64LCD 屏幕。 15 128X64LCD 是一种具有 4 位 /8 位并行、 2 线或 3 线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128 64, 内置 8192 个 16*16 点汉字，和 128 个 16*8 点 ASCII 字符集 .利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。 可以显示 8 4行 16 16点阵的汉字 . 也可完成图形显示 .低电压低功耗是其又一显著特点。 由该模块构成的液晶显示方案与 同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。 128X64LCD 基本特性 ： （ 1）低电源电压（ VDD:++） ； （ 2）显示分辨率 :128 64 点 ； （ 3）内置汉字字库，提供 8192 个 16 16 点阵汉字 (简繁体可选 )； （ 4）内置 128 个 16 8 点阵字符 ； （ 5） 2MHZ 时钟频率 ； （ 6）显示方式：STN、半透、正显 ； （ 7）驱动方式： 1/32DUTY， 1/5BIAS； （ 8）视角方向： 6点 ； （ 9）背光方式：侧部高亮白 色。