哨兵机器人铁人战队西南石油大学Word下载.docx

1、剪式千斤顶、小车、运动摄像机、无线图传、电源。如图1.1所示。图1.1 系统总体方案设计1.2硬件方案设计硬件设计主要部分在于爬杆机器人的机械结构设计，采用的是连续运动轮式爬升结构。其夹紧变形结构主要靠直流电机通过减速齿轮带动丝杆传动，使剪式千斤顶一相邻臂上装有大扭矩直流减速电机两车轮之间距离发生变化，从而实现夹紧和松开动作；千斤顶固定在三轮式小车上，小车主动轮为前车轮，后两车轮起到平衡机器人及协同主动轮完成地面移动；小车主动轮不仅完成地面移动，还与千斤顶相邻臂车轮形成三角固定，从而直流减速电机带动车轮完成机器人爬升动作；高清运动相机固定在数字舵机上，实现定向摄像。其主视图如图1.2所示。图1

2、.2 机械结构设计（主视图）简单说明：图2.2中，1：剪式千斤顶；2：丝杆；3：数字舵机；4：高清运动相机；5：待爬杆体；6：车轮；7：直流减速电机；8：齿轮；9：直流电机；10、11：小车水平运动从动轮；12：小车底盘。右视图如图1.3所示。图1.3 机械结构设计（右视图）图2.3中，1：小车底盘；千斤顶丝杆齿轮；4:直流电机轴齿轮；10:小车水平运动主动轮。1.3软件方案设计可将爬杆机器人运动分解为水平动作、夹紧动作、爬升动作、相机定向动作四个部分。首先，无线遥控一键启动，机器人做地面水平运动，当贴紧杆体的限位开关被触发，则表明爬杆机器人已贴紧杆体，此时地面水平运动则结束；水平运动结束，直

3、流电机通过齿轮带动千斤顶丝杆进行夹紧动作，夹紧杆体限位开关被触发，则表明机器人已夹紧杆体；夹紧动作结束后，千斤顶相邻臂上直流减速电机和小车底盘主动轮同时启动，爬升动作开始，当超声波传感器测得已爬升到预设高度时，直流减速电机停止，爬升动作结束，数字舵机转动，相机定向摄像，程序结束。程序流程图如图2.4所示。图1.4 程序流程图1.4控制方案设计爬杆机器人采用一键启动，又为调试方便，且实时检测机器人运行时动态信息，选择用无线串口远程控制，发送控制命令，并利用其设计一较为简易的上位机，接收显示调试参数。采用远程遥控采用的E50-TTL-100，一款100mW的无线传输模块，工作在148-173.5M

4、Hz频段，由于频率很低，具有很强的穿透能力，特别适合于需要穿墙的场合。同时使用串口进行数据收发，降低了无线应用的门槛。模块具有软件FEC前向纠错算法，其编码效率较高，纠错能力强，在突发干扰的情况下，能主动纠正被干扰的数据包，大大提高抗干扰能力和传输距离。在没有FEC的情况下，这种数据包只能被丢弃。模块具有数据加密和压缩功能。模块在空中传输的数据，具有随机性，通过严密的加解密算法，使得数据截获失去意义。而数据压缩功能有概率减小传输时间，减小受干扰的概率，提高可靠性和传输效率。模块可以工作在2.1-5.5V，满足电池供电需求。模块具有四种工作模式，可以在运行时自由切换，在省电模式下，消耗电流仅几十

5、微安，非常适合超低功耗应用。其引脚功能描述如表1.1所示。表1.1 E50-TTL-100引脚功能描述引脚序号引脚名称引脚方向引脚用途1MO输入（极弱上拉）和M1配合，决定模块的四种工作模式，不可悬空。2M1和M0配合，决定模块的四种工作模式，不可悬空。3RXD输入TTL串口输入，连接到外部TXD输出引脚，可配置为漏极开路或上拉输入。4TXD输出TTL串口输出，连接到外部RXD输入引脚，可配置为漏极开路或推挽输出。5AUX用于指示模块工作状态，用户唤醒外部MCU，上电自检初始化期间输出高电平，可配置为漏极开路或推挽输出。6VCC模块电源正极，电压范围：2.1V-5.5V DC7GND模块地线M

6、1、M0输入状态和对应的模式如表1.2所示。表1.2 E50-TTL-100工作模式模式（0-3）M2模式介绍备注0：一般模式串口打开，无线打开，透明传输。接收方必须是模式0、1。1：唤醒模式串口打开，无线打开，和模式0唯一区别：数据包发送之前，自动增加唤醒码，这样才能唤醒工作方式2的接收方。接收方必须是模式0、1、2。省电模式串口接收关闭，无线处于空中唤醒模式，接收到无线数据后，打开串口发出数据。发射方必须是模式1，该模式下不能发射。休眠模式模块进入休眠，可以接收参数设置命令。第二部分 方案论证分析根据上述方案的详细设计，下面从方案硬件和软件两个方面，对方案的可行性论证分析。2.1硬件设计方

7、案论证分析硬件方面主要包括夹紧变形结构选择论证分析，主控芯片论证分析，水平和爬升运动论证分析，贴紧、夹紧杆体和爬升高度论证定位分析，相机定向摄像论证分析，无线图像传输论证分析。2.1.1夹紧变形结构我们的哨兵机器人夹紧变形结构主要为剪式千斤顶。剪式千斤顶又叫支架千斤顶，由金属板材制成的上支杆和下支杆组成，上支杆的横截面与下支杆在齿部及其附近部分的横截面是一边开口的矩形，开口两边的金属板向内弯折，上支杆和下支杆上的齿是由开口两边弯折的金属板上制成，齿宽大于金属板厚。剪式千斤顶提升和下降高度是基于等腰三角形两腰不变缩短底边会提升高线的几何原理，通过丝杆和螺母来调节的。巧妙利用剪式千斤顶的机械可变性

8、，在靠近上支杆的相邻臂上各装上一带车轮的大扭矩直流减速电机，这样当控制千斤顶高度上升时，就转化为车轮之间距离的缩小，从而实现夹紧动作，反之则为松开动作。2.1.2主控芯片本哨兵机器人主控芯片选择16位飞思卡尔MC9S12XS128单片机，该器件包括大量的片上存储器和外部I/O。由16位中央处理单元（CPU12X）、128KB程序Flash（P-Flash）、8KB数据Flash（D-Flash）组成片内存储器。同时还包括2个异步串行通信接口（SCI）、1个串行外设接口（SPI）、1个8通道输入捕捉/输出比较（IC/OC）定时器模块（TIM）、16通道12位A/D转换器（ADC）和一个8通道脉冲

9、宽度调制模块（PWM）。还具有独立的数字I/O口，其中某些数字I/O口具有中断和唤醒功能，1个CAN 2.0A/B标准兼容模块（MSCAN）。由于整个系统设计需要占用的I/O资源较多，且需要两组串口，一组无线通信，另一组控制数字舵机，而且超声波和数字舵机对主频要求较高等。普通资源较少的单片机难以满足设计要求，这也是选择飞思卡尔MC9S12XS128单片机的原因所在。2.1.3水平和爬升运动机器人水平运动靠小车进行水平地面运动，为使结构精简，小车设计成三轮式，小车主动轮为前车轮，后两车轮起到平衡机器人及协同主动轮完成地面移动。由于水平运动主动轮也参与爬升运动，为增大车轮与杆体表明的摩擦力，选择摩

10、擦系数较大的车轮，所以水平主动轮与爬升动作千斤顶相邻臂上车轮选择一样的。为保证机器人能完成爬升动作，动力轮的所有驱动电机均采用大扭矩直流减速电机，采用日本 TSUKASA 驰卡沙7字型直流减速电机，TSUKASA 7字型直流减速电机工作电压12-24V，DC：12V空载47转/分钟，DC：24V空载94转/分钟，额定扭矩（Kgf.cm）：6.5，最大扭矩（Kgf.cm）：12，额定功率（W）：8，整机质量（g）：500。电机的启停和正反转全由继电器控制，简洁方便，SRD-05VDC-SL-C继电器。IN输入低电平有效。2.1.4贴紧和夹紧杆体判断机器人是否贴紧和夹紧杆体，采用在特殊位置安装限位

11、开关的方式来解决，这样极限位置的变化转换为限位开关的动作，单片机只需要查询限位开关状态是否改变，就能判断机器人是否贴紧和夹紧杆体。2.1.5爬升高度定位定位机器人爬升高度，是通过超声波模块定位，如图3.8所示为HY-SRF05超声波模块。HY-SRF05超声波模块参数：工作电压：DC 5V，工作电流：15mA，工作频率：40Hz，最远射程：4.5m，最近射程：2cm，测量角度：15度，输入触发信号：10us的TTL脉冲，输出TTL电平信号，与射程成比例。因待爬杆体2m，能满足设计要求。2.1.6相机定向摄像本轮式爬升结构因结构本身缺陷，在爬升过程中会出现整机绕杆做旋转运动，即到达预设爬升高度后

12、，机器人位置与刚贴紧杆体时位置会以杆体为圆心呈一定角度。为达到定向摄像的目的，采用了陀螺仪测量爬升过程旋转角度，舵机回转相机的方法来实现。陀螺仪采用的是3轴数字陀螺仪L3G4200D，舵机采用的是CDS5516机器人数字舵机。2.1.7无线图像传输机器人到达预设爬杆高度相机已稳定摄像后，为将相机所摄图像传回至显示终端，完成爬杆机器人的作业能力，采用的是大疆公司的高清无线图传模块，高清无线图传采用的是WHDI（无线家庭数字接口），提供高品质、无压缩的无线连接方式，使用MIMO技术和OFDM的调制方式能够实现高达3Gbps的传送速率，工作在4.9GHz-5.875GHz频段，20MHz或40MHz

13、通道，符合全球5GHz频谱规定，范围是30米之内，可穿透墙壁，并且延迟小于1毫秒，完全能满足设计要求。由于高清无线图传采用的是HDMI（高清晰度多媒体接口），对应的采用了4个AV摄像头输出摄相机，分辨率为1080P，HDMI接口输出的DT 200广角微型运动相机。图像发送时，只需将相机的HDMI输出与高清无线图传发射机的HDMI输入相连，接收图像时，将接收机HDMI输出与支持HDMI输入的显示器相连，即能得到实时的拍摄图像。2.2软件设计方案论证分析软件方面主要是开发环境、调试工具的可行性分析论证。2.2.1开发环境由于主控芯片采用的是飞思卡尔MC9S12XS128单片机，所以选择CodeWa

14、rrior IDE v5.9为开发环境。CodeWarrior IDE开发过程通常包括新建、编辑、编译、链接、调试五个步骤，其优点在于：交叉平台开发，支持多种开发语言（如C,C+和Java以及大多数微控制器的汇编语言），开发环境界面统一，支持插件工具。足以符合开发要求。基于无线串口上位机的开发，是主要利用51单片机控制无线串口接发指令，显示参数，所以基于无线串口上位机开发还用到Keil uVision4。2.2.2调试工具为方面直观清楚地观察机器人的各项特征参数，使用串口线或无线串口模块将数据发送至PC，在PC上利用串口调试助手观察数据进行分析。2.2.3机械结构加工软件工具在进行硬件制作和安

15、装的过程中，需要加工一些必要的结构件，所以采用的是先在CAD上画出结构矢量文件.DXF（支持07版及更低版本），然后将矢量文件拷贝至JDPaint上生成结构件的刀具路径.ENG文件，最后将刀具路径文件拷贝至雕刻机控制面板启动雕刻机，这样雕刻机按照刀具路径就能铣出想要的结构件（二维）。第三部分 硬件设计与制作硬件设计制作主要包括控制电路和机器人机械结构设计制作。3.1主控电路设计制作根据XS128最小系统原理图，以及各传感器，执行器占用资源情况，焊接电路3.2基于无线串口的遥控器电路为实现远程遥控以无线串口调试，制作了基于无线串口的遥控器。该遥控器与主控板之间关系实质上就是主从机关系，通过无线串

16、口传送指令和数据，本质上这里的遥控器也是上位机。3.3机械机构设计制作机械结构设计制作包括小车底盘设计，电机、舵机安装，千斤顶固定，限位开关安装，超声波安装固定，相机安装。3.3.1小车底盘设计小车底盘设计是先用木板做试验底盘，将千斤顶、主控板以及车轮等规划完整后，进行盲孔定位，最终底盘使用3mm铝板铣出，如图3.1所示。小车底盘尺寸350mm*170mm，除过线孔直径为20mm外，其他固定安装孔直径均为4mm。图3.1 小车底盘CAD设计图3.3.2电机舵机安装根据直流减速电机和数字舵机安装孔尺寸和实际结构分析可得如图3.2直流减速电机安装图，图3.3为数字舵机安装图。图3.2 直流减速电机

17、安装图3.3 数字舵机安装3.3.3千斤顶安装固定由于千斤顶没有安装定位孔，所以只有通过人工使用电钻在其本身底座上打盲孔方式来固定安装，如图3.4所示。图3.4 千斤顶固定安装3.3.4限位开关安装贴紧杆体和夹紧杆体都是使用限位开关来实现，但安装位置不同，如图3.5a、b所示，分别是贴紧和夹紧杆体限位开关的安装固定。a.夹紧杆体限位开关安装 b.贴紧杆体限位开关安装图3.5 限位开关的安装固定3.3.5超声波安装固定为避免超声波发出的测量声波信号发射在机器人自身结构上或是待爬杆体上，将两个超声波（为了定位高度更准确）分别安装在小车主动轮两侧，这样使得超声波与杆体呈竖直平行，从而避免误判爬杆高度

18、，如图3.6所示。图3.6 超声波安装固定3.3.6相机安装为使相机灵活定向，将相机支架安装在数字舵机摇臂转台上，这样舵机旋转就能带动相机的旋转，如图3.7所示为相机固定。图3.7 相机安装固定为避免相机在旋转过程中相机视频输出信号线缠绕而阻碍相机旋转动作，将高清无线图传发射机与相机用扎带固定在一起，从而解决这一问题，如图3.8所示。图3.8 图传发射机固定第四部分 软件控制与设计软件控制设计主要包括电机控制，限位开关状态读取，超声波定位高度，陀螺仪旋转角度测量，数字舵机控制，Nokia 5110液晶显示和基于无线串口的上位机开发。4.1电机控制继电器控制电机的启停和正反转，所以电机的控制可归

19、结为对继电器触发信号的控制。根据选用继电器，当控制信号IN输入低电平时，继电器常闭触点断开，常开触点闭合。当控制电机启停时，只需将电机一端接公共端，另一端接常开触点，这样单片机将IN置低电平时，电机就正常启动，至高电平时就停止；实现电机正反转则需要两个继电器，将电机的两端分别接到两继电器的公共端，而两继电器常闭触点都接地，常开触点都接电机的额定电源正极，单片机将两继电器其一IN置低电平时，则正转，反之将另一继电器IN置低电平时就反转。4.2限位开关状态读取爬杆机器人是否贴紧和夹紧杆体依靠限位开关状态来判定，将限位开关公共端接地，常开触点接单片机I/O，当单片机查询到对应I/O为低电平时，那么表

20、面限位开关状态发生改变，从而结束相应当前动作，执行下一步动作。4.3超声波定位高度HY-SRF05超声波传感器是在控制口发一个10us以上的高电平,就可以在接收口等待高电平输出，一有输出就可以开定时器计时,当此口变为低电平时就可以读定时器的值,此时就为此次测距的时间,方可算出距离，如此不断的周期测,就可以达到移动测量的值了。4.4陀螺仪旋转角度测量3轴数字陀螺仪L3G4200D只能测得每轴旋转角速度，要想获得旋转角度，就需要对角速度进行积分，这里采用的是软件积分方式获得角度。而L3G4200D支持SPI/IIC接口，这里采用IIC总线方式读取陀螺仪每个轴的角速度，再积分得角度。4.5数字舵机控

21、制CDS5516机器人数字舵机并不和模拟舵机一样采用PWM控制，而是使用了Dynamixel通信协议，即异步串行总线通讯方式。通过异步串行接口用户的上位机（控制器或PC机）通讯，可对其进行参数设置、功能控制。通过异步串行接口发送指令，CDS5516可以设置为电机控制模式或位置控制模式。在电机控制模式下，CDS5516可以作为直流减速电机使用，速度可调；在位置控制模式下，CDS5516拥有0-300的转动范围，在此范围内具备精确位置控制性能，速度可调。4.6Nokia 5110液晶显示为调试方便，采用Nokia 5110液晶显示屏显示各项调试参数，其显示控制部分底层代码如下：#ifndef _N

22、OKIA5110_H_#define _NOKIA5110_H_ #include #define LCD_RST PORTE_PE6/复位#define LCD_CE PTJ_PTJ6 /芯片使能#define LCD_DC PTM_PTM4 /模式选择#define SDIN PTM_PTM2 /串行数据线#define SCLK PTP_PTP5 /串行时钟线void LCD_init（void）; / LCD初始化void LCD_clear（void）; /LCD清屏函数void LCD_set_XY（unsigned char X, unsigned char Y）; /设置LCD

23、坐标函数 X：083 Y：05void LCD_writechar（unsigned char c）; /显示英文字符void LCD_writestring（unsigned char X,unsigned char Y,char *s）; / 英文字符串显示函数void LCD_writeint（unsigned char X,unsigned char Y,int m）; /显示整型函数（包括负数） X：void LCD_writefloat（unsigned char X,unsigned char Y,float u）; /显示小数（包括负数） X：#endif 4.7基于无线串口的

24、上位机开发为控制和调试方便，设计了基于无线串口的硬件上位机，实质就是51单片机和无线串口发射模块，51单片机通过识别拨码开关和按键的编码状态，将对应控制命令通过无线串口发送出去，同时也通过无线串口接收相应数据并显示出来,开发环境是Keil uVision4。第五部分 联机调试与结果分析5.1软硬件联机调试待软硬件都设计并完成好后，开始进行调试以及调试结构分析。按下电源键后，整机为待机状态，无动作执行，等待一键启动。准备就绪之后，按下启动键，管擦机器人的运动状态。如图5.1所示为机器人的运动过程，a图为机器人水平向杆体靠近，b图为机器人夹紧动作，c图为机器人爬升动作。机器人爬杆之后还能够定点摄像

25、，d图便为定点摄像。如图5.2所示，a为基于无线串口遥控器界面，显示的是两超声波测量高度和陀螺仪测量转角；b为主控Nokia 5110液晶显示屏显示调试界面，显示执行状态，设定爬杆高度，舵机速度。d图5.1 机器人运动状态图5.2 监测调试界面5.2调试结果分析总体调试结果达到了设计的预期效果，即该爬杆机器人不仅具有爬升能力还有一定的地面移动能力，通过一键启动方式，爬杆机器人能自动判断是否贴紧和夹紧杆体，同时能稳定爬到预设高度后停止爬升动作而不会掉下杆体，然后舵机旋转进行定向摄像，充分展现了哨兵作业能力。第六部分 总结在基于现有丰硕的研究成果上，经历了很多次失败，尝试了很多种方案，经过优劣对比

26、以及性能优化，最终选定目前所使用的方案，也实现了快速爬升、定位准确、及时传回信息等所需要实现的重要功能的哨兵机器人。无论从爬杆机器人的机械结构还是控制方式以及调试方式都经过仔细思考。机械结构方面，为使结构紧凑简洁，将剪式千斤顶固定于三轮式小车上，且小车只有一主动轮，该主动轮不仅完成地面水平运动，还参与爬升动作，这样以来最大化的减少控制对象。电机采用大扭矩直流减速电机，保证爬升动作的完成，数字舵机配合陀螺仪较完美地解决爬升过程中相机视觉旋转问题，巧妙利用限位开关安装的临界位置来对机器人贴紧和夹紧杆体进行自主识别。软件控制及调试上，采用是函数化、模块化及底层化编程思想，利用无线串口调试检测爬杆机器人整机运行情况。主要实现多个超声波无干扰触发接收，陀螺仪I2C总线访问和软件积分将角速度转化为角度，无线串口全双工数据传输处理，自动和遥控方式两种模式来应对突发故障。期待在接下来的比赛中，我们的最牛哨兵机器人大显身手。