机电一体化项目评测报告.docx
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机电一体化项目评测报告
燕山大学
课程设计说明书
题目：
智能车及采摘机器人系统的设计与制作
姓名：
从轶陈丰张笑天王晓芸
分工：
丛轶：
智能车及手臂三维图形的制作及动画仿真
陈丰：
资料收集，智能车的编程及调试
张笑天：
机械手臂的尺寸设计，轨迹规划，PPT
王晓芸：
电路板的焊接，编程，项目报告，PPT
课程名称：
机电一体化系统设计
指导教师：
赵永生、王洪波、赵铁石、李艳文、姚建涛、
张庆玲、唐艳华、王志军、史小华、冯泽民
2011年10月
燕山大学课程设计（论文）任务书
组号
第七组
学生姓名
丛轶、陈丰、张笑天、王晓芸
设计题目
智能车及采摘机器人系统的设计
设
计
要
求
在课程研究项目智能移动小车的基础上，自主设计采摘的机械臂和抓手，并装配或安装到原有的小车上，完成采摘机器人的设计、制作，进行机器人运动控制规划，控制机器人完成一系列复杂的动作，如手爪张合、车体回转、智能循迹和避障、协同作业等任务。
要抓取的“球形果”直径30-80mm，重量<500g。
技
术
参
数
车体：
（1）负载能力2kg
（2）重量2kg（3）外形尺寸参照抓持物体
手抓：
（1）负载能力（含执行器）1kg
（2）重复定位精度1cm
（3）外形尺寸能够完成送料、灌篮并与车体和谐（4）重量5kg以内
5）手爪张合30-150度（6）机械臂最大展开半径0.4m
工
作
量
（1）资料分析:
查阅相关文献资料，对资料进行分析总结。
（2）机器人总体设计:
确定机器人的具体任务要求，根据任务初步拟定机器人的技术参数、运动形式、驱动方案、传动方案、控制方案等。
（3）机器人机械结构设计:
将机器人分解为车身结构、机械臂、手爪和传动结构等若干部分，分别对各个结构的关键部件进行详细设计并校核，绘制机器人总装图和关键零部件图。
（4）运动控制方案设计:
基于单片机完成机器人控制系统硬件和软件设计。
（5）根据比赛要求，编程实现规定的动作，最终完成比赛。
（6）编制课程设计说明书。
（7）最终提交的文档：
主要内容包括机械图纸一套，电气原理图一套，设计说明书一套。
设计说明书必须包括方案论证、所用方案成本分析，必要的设计计算，市场前景分析与预测，设备的使用说明书，程序清单等。
工
作
计
划
（1）资料查阅、设计准备，所需天数1天
（2）资料分析、总结，所需天数1天
（3）总体方案设计，所需天数2天（4）机械结构设计，所需天数2天
（5）绘制总装图和关键零件图，所需天数3天（6）运动控制系统的设计，所需天数3天
（7）绘制电路图所需天数2天（8）设计制作所需天数3天
（9）编制课程设计说明书所需天数2天（10）答辩考核、演示所需天数1天
参考
资料
通过校园网在我校订阅的电子资料库中可以搜索到大量的有关机电一体化以及电机的参考资料。
同学们也可到学校的图书馆查找纸质期刊资料。
机械学院的计算机中心上班时间免费对本院学生开放。
目录
1.摘要···························································1
2.前言···························································1
3.方案论证·······················································3
4.硬件设计·······················································9
5.软件设计·······················································12
6.市场分析·····················································15
7.修改建议······················································16
8项目心得······················································16
9.参考文献······················································17
1摘要
机器人技术是一个集环境感知、轨迹规划、机械手应用等功能于一体的机电一体化系统。
它是集中了计算机、机构学、传感技术、电子技术、人工智能及自动控制等多科而形成的高新技术。
本次课程设计的采摘机器人智能小车就是这种高新技术综合体的一种尝试。
采摘机器人智能小车主要由机械系统，环境识别系统，运动控制系统及机械臂控制系统组成。
小车以单片机为核心，附以外围电路，采用光电检测器进行检测故障和循迹，并用软件控制小车及机械臂的运动，从而实现小车的自动行驶、转弯、寻迹检测、避障、停止及采摘等功能的智能控制系统。
2前言
果实采摘是农业生产的重要环节，其季节性强、劳动量大且费用高。
因而许多国家开始研发智能控制的果实采摘机器人。
果实采摘机器人作为农业机器人的一种类型，目前在日本、美国与荷兰等国家已有研制和初步使用，主要用于采摘番茄、黄瓜、草莓、葡萄、西瓜、甜瓜、苹果、柑桔与甘蓝等蔬菜和水果，具有很大的发展潜力。
各类果实采摘机器形式多样，但主要由机械手、末端执行器、视觉系统、控制系统与行走系统等部分组成。
本文介绍了智能车及采摘机器人系统。
它是在智能循迹小车的基础上，自主设计一个球形果采摘的机械手并装配到原有的智能小车上，完成采摘机电一体化系统的设计、制作，进行机器人运动控制规划，控制机器人完成一系列复杂动作，如手抓张合、车体回转，智能循迹避障、协同作业等任务。
3方案分析
3.1智能小车的总体概述
单片机是智能小车的控制核心，系统有黑线检测模块，电机驱动模块,LED灯指示模块，数码管显示模块，红外检测避障模块等几部分组成。
总的电路图如下
3.2智能小车的驱动系统
小车的驱动包括电机的选择、驱动方案的选择、供电电源的选择下面将依次介绍。
3.2.1电动机的选择及驱动
3.2.1.1电动机的选择
方案一：
采用步进电机，步进电机的一个显著特点就是具有快速起停能力，如果负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值，就能够立即使步进电机启动或者反转，另一个显著特点就是转换精度高，正反转控制灵活。
方案二：
采用普通直流电机，直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调整范围广；过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速启动、制动和反转；能满足各种不同的特殊运行要求。
综合考虑小车的各种要求，因需要寻迹和避障的等功能，对快速起停，转换精度正反转控制要求较高。
3.2.1.2电动机的驱动方案的选择
电动机驱动方案有以下几种：
方案一：
采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速目的。
但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵，而且可能存在干扰，更主要的问题在于一般电动机的电阻比较小，但电流很大，分压不仅会降低效率，而且实现很困难。
方案二：
采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过控制开关的切换速度实现对小车的速度进行调整，这个电路的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间长，易损坏，寿命较短，可靠性不高。
方案三：
采用四个大功率晶体管组成H桥电路，四个大功率晶体管分为两组，交替导通和截止，用单片机控制是指工作在开关状态，进而控制电动机的运行。
该控制电路由于四个大功率晶体管之工作在饱和和截止状态下，效率非常高，并且大功率晶体管开关的速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的电路。
经过综合考虑选用方案三。
该方案使用单片机控制易于实现集成化，减少体积和重量。
而且晶体管效率极高，稳定性好，操作较为容易。
考虑到电压电流的等级及尺寸，外观等因素，可选用集成电机驱动芯片L298。
该芯片是双H桥高电压大电流集成电路，其输出脚（SENSEA和SENSEB）用来连接电流检测电阻。
Vss接逻辑控制部分的电源，常用+5V。
IN1~IN4输入引脚采用标准TTL逻辑电平信号，用来控制H桥的开与关，EnA，EnB，引脚则是是能控制端，其控制表如下：
输入
功能
V=H
C=H,D=L
正转
C=L,D=H
反转
C=D
制动
V=L
C=X
停止
D=X
3.2.2供电电源的方案选择
虽然整个机电系统都需要用到电源，但是为了叙述方便将此内容放到此处一起讨论。
方案一：
采用两个电源供电。
将电动机驱动电源与单片机及其周围电路完全隔离，利用光电耦合器传输信号。
这样可以使电动机驱动所造成的干扰彻底消除，提高了系统的稳定性，但是多一组电池，增加了车身重量，增大了小车的惯性。
方案二：
采用单一电源供电。
电源直接给电动机供电，因电动机启动瞬间电流较大，会造成电源电压波动，因而控制与检测部分通过集成稳压块供电。
其供电电路比较简单。
经过综合的考虑，采用方案二。
这样既可以减轻小车的重量，减小惯性；而且通过集成稳压块又可以是电压稳定，不受启动时的波动。
3.2.3驱动系统的电路和程序设计
驱动模块电路图
根据电路图连接单片机和此模块。
其中：
80c51的p2.5与p2.6分别和驱动芯片L298的两个使能控制口相连。
然后进行直走调试。
程序如下：
•SETBP2.5;使能控制1
•SETBP2.6;使能控制2
•SETBP2.1
•cplP2.2
•SETBP2.3
•cplP2.4
•jmp$
•
程序输入后，小车能够直走，则驱动系统完成。
4硬件设计
4.1.智能小车寻迹功能方案选择
探测路况黑线的基本原理：
光线照射到路面并反射，由于黑线和白纸对光线的反射系数不同，可根据接收到的反射光强弱来判断黑线，可实现的方案有以下方案：
方案一：
采用普通发光二极管及光敏电阻组成的发射接收方案。
该方案在实际使用时，容易受到外界光源的干扰，有时甚至检测不到，主要是因为可见光的反射效果跟地表的平坦程度，地表材料的反射情况均对检测效果产生直接影响。
虽然可采取超高亮度的发光二极管降低一定的干扰，但这又增加额外的功率损耗。
方案二：
脉冲调制的反射式红外发射接收器。
由于采用该有交流分量的调制信号，则可大幅度减少外界干扰。
另外红外发射接收管的最大工作电流取决于平均电流，如果采用占空比小的调制信号，在平均电流不变的情况下，瞬时电流很大（50~100mA），则大大提高了信噪比，并且其反映灵敏，外围电路也很简单。
比较以上两种方案，方案而有很大的优势。
市场上很多红外光电探头都是基于这个原理。
这样不但准确完成测量，而且能避免电路的复杂性。
4.1.1设计实现过程
路面黑线检测主要通过黑白线检测传感器实现，黑白线检测传感器，有效探测距离5cm，通过调节电位器，最远可以达到10cm（该距离下，探测黑白线的精度较低）。
本项目选用的黑白线传感器受可见光干扰小，输出量为开关量，信号处理简单。
输出的TTL电平可以直接和单片机连接，但需要在输出端加上拉电阻，以使电平输出稳定。
当检测黑线是红外光管就收到反射回来的红外光，其输出立即发生高低电平跳变，该信号经逻辑比较后送单片机处理。
为保证小车沿黑线行驶，采用了两个检测器并行排列。
在校车行走过程中，若向左方向偏离黑线，则右侧的探头就会检测到黑线，把信号传给单片机，单片机控制车头向右转。
4.2.智能小车路程检测功能的实现
方案一：
采用霍尔元件的集成片，该器件内部有三片霍尔元件组成，当磁铁正对金属板时，由于霍尔反应，可以产生电流的变化，对此加以判断，但需要在车轮上安装磁片，将霍尔元件集成片安装在固定轴上，通过对脉冲的计数进行车速的测量。
方案二：
采用光电码盘进行检测。
旋轴转动，带动码盘转动，码盘上刻有许多狭缝，码盘转动时发射光透过狭缝接收元件接收。
用计数器对接收到的信号进行计数，用这种方案能很精确的算出小车已经走过的距离。
由于霍尔元件成本较光电码盘低很多，虽然精度也低些，但是对小车整体的精度已经足够了，所以选择方案一。
4.2.1智能小车的避障功能实现
方案一：
脉冲调制的反射式红外发射接收器。
由于采取该有交流分量的调制信号，则可大幅度减少外界干扰；另外红外发射接收管的最大工作电流取决于平均电流，如果采用占空比小的调制信号，在平均电流不变的情况下，瞬时电流（50~100mA），则可大大提高了信噪比并且其反应灵敏，外围电路也很简单。
方案二：
采用超声波传感器，如果传感器接收到反射的超声波，则如果单片机前方有障碍物，否则通知单片机可以向前行驶。
脉冲调制的反射式红外发射接收器较超声波灵敏度高，符合此次要求，故选用方案一。
避障检测和处理采用集发射与接收于一体的光电传感器，该传感器具有探测距离远，受可见光干扰小，易于安装的有点。
避障原理统寻迹相似，通过A/D将模拟信号转换为数字信号传给单片机，再由单片机做出分析判断，发出信号，控制路子启停，从而完成避障。
具体过程见下图演示：
4.3智能小车的数码管显示功能实现
为实现小车速度的两位显示需要两个数码显示器。
但是显示器与单片机的连接如果采用并行连接，虽然连接简单，但出现单片机引脚不够的矛盾。
所以采用8位串行输入转并行输出移位寄存器74HC595。
只要三个引脚连接即可，而且相对简单。
其电路图如下图。
74HC595电路连接图
5软件设计
详细程序：
org0000h
ajmpmain
org0030h
main:
setbp2.5
setbp2.6
setbp2.1
setbp2.2
setbp2.3
setbp2.4
start:
jnbp1.0,youzhuan1
jbt0,zuozhuan2
jbt1,youzhuan2
run:
setbp2.1
clrp2.2
setbp2.3
clrp2.4
ajmpstart
zuozhuan1:
setbp2.4
clrp2.3
setbp2.1
clrp2.2
lcalldelay1
setbp2.1
setbp2.2
setbp2.3
setbp2.4
lcalldelay3
ajmpstart
youzhuan1:
jnbp1.4,zuozhuan1
setbp2.2
clrp2.1
setbp2.3
clrp2.4
lcalldelay2
setbp2.1
setbp2.2
setbp2.3
setbp2.4
lcalldelay3
ajmpstart
zuozhuan2:
setbp2.2
ajmpstart
youzhuan2:
setbp2.4
ajmpstart
delay1:
DEL:
MOV35h,#9
DEL1:
MOV34h,#200
DEL2:
mov33h,#194
del3:
djnz33h,del3
DJNZ34h,DEL2
dJNZ35h,DEL1
RET
delay2:
DEL4:
MOV35h,#9
DEL5:
MOV34h,#200
DEL6:
mov33h,#203
del7:
djnz33h,del7
DJNZ34h,DEL6
DJNZ35h,DEL5
RET
delay3:
DEL8:
MOV35h,#3
DEL9:
MOV34h,#200
DEL10:
mov33h,#203
del11:
djnz33h,del11
DJNZ34h,DEL10
DJNZ35h,DEL9
RET
End
6市场分析
6.1市场调查
智能小车在我国算是一个起步比较晚的行业，以下是我们对智能小车行业所做的市场调查。
在近几年中，生产智能小车的企业数量从事智能小车生产的企业数量近几年虽没有什么太大的变化，但是企业的数量却是非常多的，在该行业中会存在较大的竞争压力。
另一方面，从智能小车行业的销售收入角度来看，该行业还是有较大的发展空间的。
任何行业都有一个生命周期，根据生命周期我们可以对它的成长性进行分析，从而可以有一定依据的估算出销售收入的情况。
我国的智能小车行业可以说是处在成长期阶段，在这个阶段中，利润和销售额都不会很高，但是这种情况会逐渐的发生变化，利润和销售额将会逐步的增长，也就是说，智能小车行业存在着较大的发展空间。
从图中我们可以看到，智能小车行业活力系数是非常高的，而且正在逐年增高，所以投资该行业是比较明智的选择，只要妥善经营，一定可以取得较大的成果。
6.2营销方案
从波特5力的角度分析，市场竞争主要包括下图11-2-1中所示的5中竞争力量：
图11-2-1波特五力
供应商提供商品的价格和购买者讨价还价的能力以及潜在的新参加竞争者都将会成为竞争力量，而且产品时刻面临着被替代产品替代的危险，所以一方面我们必须与时俱进，完善和增加智能小车的各项功能，使其具有较强的竞争力，另一方面我们还要不断的开发小车可应用的范围，不断的拓宽其市场，也可以减少小车被替代的风险。
我们的智能小车虽然只用来完成了避障运球和寻迹灌篮的功能，但是从这些可以开发出许多应用，例如：
作为探测车探测一些危险性的东西，如探测地雷等；可以作为搬运车在对人体有害的环境中完成搬运任务…智能小车可以应用在很多方面,只要能不断的开发其功能,智能小车的竞争力将越来越强大。
由于我们的智能小车最初就是以低成本为原则进行设计的，所以我们在营销时必须采用低成本的营销方案，以此来打开市场，如果顺利的话，我们可以把最初的盈利投在小车的功能强化方面，给小车添加一些更加强大和实用的功能，一方面可以拓宽其应用面，另一方面可以使小车本身具有一些特色，如此这样，我们可以采用差异化战略来进一步的打开市场。
序号
名称
个数
编号
单价
工具类
箱子
1
1
40
电烙铁
1
1
25
镊子
1
1
8
一字螺丝刀
1
1
3
十字螺丝刀
1
1
1
平口钳
1
1
1
尖嘴钳
1
1
5
12v开关电源
1
1
5
下载线
1
1
50
电源
1
1
材料
焊锡丝
1米
30
松香
1盒
2
螺丝
若干
2
导线
排线
元件
车底盘
1
20
电机支架
2
5
车轮
2
13
12v直流电机
2
45
联轴器
2
6
万向轮
1
12
黑白线传感器
2
17
控制板
1
200
电机驱动板
1
50
万用板
1
5
避障传感器
2
25
89S52芯片
1
7.5
AD0809芯片
1
11
总价
成本分析表
7项目改进意见
7.1智能小车车速调节
在小车调试过程中我们发现，如果把速度调的稍高时在拐弯时小车会冲出黑线，而速度太低时小车会出现震颤，因而只靠软件调速，不能完全实现预期目标，可在小车上安装一个调速器从而使调速过程更平稳。
7.2信号检测与响应
我们通过软件检测与其相连的芯片引脚的电平高低来判断其是否检测到信号，但由于在程序顺序执行且有延时，因此可能会造成小车来不及反应就撞上障碍物。
因此最好的方法就是使用中断，等芯片一检测到信号就优先处理中断程序，从而使小车反应更灵敏。
7.3小车车体
由于小车车体是由铝合金制成，重量较轻，而后仍需在车体上安装用来执行作业的机械臂，使小车受力不平衡，因而小车在行进过程中遇到上坡或障碍物时易震颤或翻车。
因而可在小车车体上安装木块等来平衡小车受力，增强小车的稳定性。
8心得体会
我们的智能车及采摘机器人系统设计主要有机械系统，环境识别系统，运动控制系统及机械手控制系统三大部分组成。
智能小车以单片机为核心，附以外围电路，采用红外线检测仪进行检测故障采用黑白线法进行循迹，并用软件控制小车及机械臂的运动，从而实现小车的自动行驶、转弯、寻迹检测、避障、停止及手臂弯曲，手爪张合，采摘等功能的智能控制系统。
刚拿到项目的时候，虽然对机器人很感兴趣，但是由于缺乏系统的理论知识而毫无头绪，在我们后来的边查资料，边焊电路板的过程中，才慢慢进入状态。
到后来的编写程序及调试，我们采取了“简单入手，循序渐进，模块化，分工合作”的方法。
即任务要求模块化，并根据我们组成员的相对优势进行任务分配；在调试程序时，先编写各段简单程序，等调试成功，再进行综合，调试；最后我们整合各成员的成果，并作进一步整理，分析，完善，最终调试成功。
在项目中我们也遇到了各种问题。
例如在完成电路板焊接进行初步测试时，我们发现驱动小车的一个电机不转，而另一个正常运转。
我们便开始排障，一根一根的检查线路的链接。
经过一下午的检查，最终才发现是光电耦合芯片的一个引脚有问题，这才进行了修正，而这显然对我们的项目进度造成影响，我们不得不在课后找时间赶上进度。
因此我们在做项目的过程中深刻的学习到了细心和耐心的重要性。
细节决定成败，真是至理名言。
在本次项目设计中，我们对机电一体化系统设计、单片机原理、机器人技术的基本理论又有了更深层次的认识同时还复习了Solidworks三维制图及模拟仿真；机械臂轨迹规划及速度、位移分析；单片机C51的原理及编程的内容。
我们对CDIO的设计理念——构思、设计、实现、运作，也有了进一步的认识，也体会到了在项目实施过程中一个团队合作的重要性。
此外它还训练了我们如何查资料及图、数据处理。
自动控制以及创新能力，培养了我们独立设计机电一体化产品的能了，提高我们综合应用已有知识解决问题的能和综合素质。
最后它还使我们“做中学”，以熟练运用系统的有机集成技术进行设计，同时加强团队协作能力，促进交流与合作，拓展视野，勇于创新，提高思考与决策水平，形成解决实际问题的能力和终身学习的能力。
感谢学院给了我们这次的锻炼机会，更感谢任课老师和实验室老师的理解、支持和不辞辛苦的悉心指导，这为我们项目的完成提供了莫大的帮助！
最后，再一次衷心的感谢各位老师！
9参考文献
1.刘杰机电一体化技术基础与产品设计冶金工业出版社,2003
2.W.BOLTONMECHATRONICSELECTRONICCONTROLSYSTEMSIINMECHANICALENGINEERINGLongmanScientific&technical
3.李广弟朱月秀冷祖祁单片机基础北京航空航天大学出版社，2007
4.熊有伦机器人技术基础华中科技大学出版社
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