基于单片机的履带式移动机器人Word文档下载推荐.docx
《基于单片机的履带式移动机器人Word文档下载推荐.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的履带式移动机器人Word文档下载推荐.docx（67页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
人们期望机器人在许多人类不能及的区域能代替人类劳动完成更复杂的任务。
例如在军事侦察、扫雷排险、防止核化污染等危险与恶劣环境以及民用中的物料搬运上具有广阔的应用前景，所以机器人所面临的环境是未知的、不可预测的、非人为的构造的环境，机器人所完成的任务也越来越复杂。
1概述
20世纪20年代，“机器人（robot）”作为专有名词第一次出现。
1920年捷克作家卡雷尔·
查培克（karel.capeak）编写了一部幻想剧:
《罗沙河的万能机器人》。
剧中描写了一家公司发明并创造了一大批能听命于人，能劳动且形状像人的机器，公司用这些机器从事各种日常劳动，甚至取代了各国工人的工作，后来的研究使这些机器有了感情，进而导致它们发动了反对主人的暴乱。
剧中的人造机器取名为Robota（捷克语），英语Robot由此衍生而来，在我国则译为“机器人”[1]。
作为机器人学的一个重要组成部分，移动机器人一直是机器人科学的研究热点之一，移动机器人能够移动到固定机器人无法到达的预定目标，完成设定的操作任务。
近年来对移动机器人的研究属于智能机器人范畴，它集人工智能、智能控制、信息处理、图像处理、检测与转化等。
专业技术为一体，跨计算机、自动控制、机械、电子等学科。
移动机器人从工作环境来分，可分为室内移动机器人和室外移动机器人;
按移动方式来分，可分为轮式移动机器人、步行移动机器人、蛇行机器人、履带式移动机器人、爬行机器人等;
按控制体系结构分，可分为功能式（水平）结构机器人、行为（垂直）结构机器人和混合式机器人;
按功能和用途来分，可分为医疗机器人、军用机器人、助残机器人、清洁机器人等;
按作业空间来分，可分为陆地移动机器人、水下机器人、无人飞机和空间机器人。
移动机器人的研究在世界各国受到普遍关注。
移动机器人的研究始于20世纪60年代末期。
斯坦福研究院（SRI）的NilsNilssen和CharlesRosen等人，在1966年至1972年中研制出了取名为Shakey的自主移动机器人。
其目的是研究应用人工智能技术，在复杂环境下机器人系统的自主推理、规划和控制，与此同时，最早的操作式步行机器人也研制成功，从而开始了机器人步行机构方面的研究，以解决机器人在不平整地域内的运动问题，设计研制了多足步行机器人。
其中最著名是名为GeneralElectricQuadruped的步行机器人。
20世纪70年代末随着计算机的应用和传感技术的发展，移动机器人研究又出现了新的高潮，特别是80年代中期，设计和制造机器人的浪潮席卷全世界。
一大批世界著名的公司开始研制移动机器人平台，这些移动机器人主要
作为大学实验室及研究机构的移动机器人实验平台，从而促进机器人学多种研究方向的出现。
20世纪90年代以来，以研制高水平的环境信息传感器和信息处理技术，高适应性的移动机器人技术、真实环境下的规划技术为标志，开展了移动机器人更高层次的研究。
例如19%年，美国航空航天局NASA研制的火星探测移动机器人Sojourner首次登上火星执行科学考察任务，利用移动机器人技术进行空间探测和开发成为21世纪全球各主要国家开展科技和空间资源竞争的主要目标。
为了在火星上进行长距离探险，又开始了新一代的样机的研制，命名为Rocky并在Lavic湖的岩溶流上和干枯的湖床上进行了成功的试验。
2003年7月7日美国的“机遇”号火星探测机器人成功升空，开始踏上去火星找寻水和生命存在踪迹的漫漫旅途。
我国也针对这一趋势制定了以月球为近期目标的空间探测计划。
研究和发展我国的月球探测移动机器人技术，不但对于我国在激烈的空间技术和资源竞争中取得有利地位具有关键意义，同时也包括移动机器人导航控制在内的相关技术有巨大的促进作用意大利陆军针对“机器人警察”进行了研究，目前己经进入实验的制造阶段。
这种未来的警用机器人虽不具备电影《机械战警》中描述的智能和强大功能，但是对于执行一些特殊任务却具有非常重要作用，并将掀起一场警用和军用器械革命。
这种新型警用机器人不但能像其他普通机器人那样，处理那些对于人类来说危险过大或无法处理的紧急情况，如拆除爆炸物等。
同时，由于其研制目标是“高科技战斗机器”，装备强大的火力使其未来的军事用途前景也十分广阔。
研制这种机器人的目的是为了面对崭新的挑战，在未来国际反恐怖主义的战斗中可能随时会出现这种“机器警察”或是“机器士兵”的身影。
该机器人制造和测试成功以后，对于警察在未来作战时大幅度减少人员伤亡具有非常重要意义。
此外比较著名的机器人试验平台还有Martin公司推出的Alvin,Fmc公司的ARV,RWI公司的Robulab-III等等。
国内对于移动机器人的起步比较晚，从“七五”开始，我国的移动机器人研究开始起步，经过多年来的发展，已经取得了一定的成绩，其中以清华大学研制的THMR系列为杰出代表。
另外中国科学院沈阳自动化所、国防科技大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学等科研院校也都开展了移动机器人的研究[2]
2履带式移动机器人总体结构设计
2.1履带式移动机器人的运动机构设计
履带机器人的运动机构由履带式移动机构和五自由度机械臂两部分组成。
履带式移动机构由两台步进电机分别驱动两条履带，以相同脉冲驱动时，实现直线前进或后退，以不同脉冲驱动时可实现曲线运动。
当以相反脉冲驱动时，可以看成是绕固定轴的旋转运动。
该轴过主从动轴所确定平面的几何中心。
五自由度机械臂由大臂、小臂及手腕构成，所有关节都由步进电机经谐波减速器进行驱动。
整个机械臂可绕垂直轴Z轴旋转
;
肩关节可绕Y轴旋转
肘关节可绕Y轴旋转
腕关节可绕Y轴旋转
，绕X轴旋转
。
对于空间预设的位置
和姿态，先驱动履带车到达可作业空间，再通过五自由度机械臂和履带车的一个旋转自由度共六个自由度来实现。
因此五自由度机械臂安装在二自由度履带车上，机械臂共有七个自由度，可完成任何类型的手臂作业。
两自由度云台安装在机械臂上，云台上的摄像机可完成全方位图像采集作业。
图2-1为履带式移动机器人的运动机构简图。
图2-1履带式移机人的运动机构简图
Fig2-1ThesimplechartofmotorialframeworkofTrackRobot
2.2履带式移动机器人的控制系统总体设计
该机器人的体系结构采用模块化结构，各个模块都是相对独立的运行，协调工作，其硬件总体框图如图2-2所示。
图2-2履带式移动机器人的硬件结构总体框图
Fig2-2TheframeofTrackRobothardware
其中机器人微控制器系统主要是由多个单片机控制器组成，它们负责完成传感器的信息采集、电机控制以及与遥控计算机的通讯三大任务。
机器人的运动控制及执行机构系统是机器人的动作执行部分，具体完成机器人的各个动作，如前进、后退、转弯等。
驱动轮是由两个能够异步运行的步进电机组成，通过对两个步进电机的控制，就能够控制机器人的速度与转向。
同时可以使机械臂完成各种任务。
移动机器人的通讯系统对于整个系统的稳定运行起着至关重要的作用。
因为移动机器人的运动是远离中心控制计算机系统的，为了便于移动机器人的行动，遥控计算机与履带式移动机器人之间的通讯系统则是采用的无线通讯方式。
此外，机器人还配备了多个超声波传感器和其他传感器用于机器人感知障碍物，完成紧急壁障。
3履带式移动机器人的硬件设计
为了使履带式移动机器人实现无线控制，希望它能够满足以下要求:
1.运行稳定，而且易于升级，能够方便的配置不同类型的传感器如超声波传感器和CCD摄像机等。
2.能够成功地执行各种复杂的任务，能够运行在各种恶劣环境之下。
根据以上要求我们设计了这台履带式移动机器人，下面介绍它的体系结构及其组成模块。
3.1移动机器人的微控制系统设计
目前，移动机器人控制系统主要有三种结构方式:
集中控制方式、主从控制方式和分布式控制方式。
集中控制方式是指用一台功能比较强大的计算机实现其全部控制功能，在早期的机器人控制系统中较多的采用此种控制方式。
随着计算
图3-1移动机器人的微控器系统框图
Fig3-1Theframeofthecontrollingsystemofmobilerobot
机技术的飞速发展和机器人控制要求的不断提高，逐渐出现了主从控制方式和分布式控制方式。
在主从式控制结构中，有上下两级计算机，其中上位机利用它的运算能力和庞大的系统资源，如:
内存容量，磁盘容量等等，完成坐标变换、轨迹插补，图形仿真等功能，并把数据传递给下位机;
下位机完成各个关节的位置控制，并把相关的数据传送给上位机。
当前投入使用的移动机器人控制系统广泛采用分布式控制结构。
考虑到该履带式移动机器人的本体结构的情况和目前移动机器人控制技术的发展，决定采用主从式结构的控制方法。
同时为了使设计的控制系统符合当前移动机器人控制的发展趋势，在控制系统的设计中尽可能地体现分布式控制结构的思路。
由于机器人的为一个5自由度的关节式机械手和一个2自由度的履带组成，采用两级单片机控制，5个从单片机分别控制5个步进电机，作为关节控制驱动系统，接受主单片机的指令并执行指令，实现对各关节的运动控制等功能。
同时两履带还有两个步进电机需要两个从单片机控制，接受主单片机的指令，实现履带车转弯前进或后退等功能。
各从单片机分别通过环形分配器和功率驱动控制电动机的转动，进而控制机器人的运动。
此外，从单片机还接收极限位置传感器的信号，保证各驱动部件的运动在规定范围。
移动机器人的微控器系统图如图3-1所示。
3.1.1主单片机的选择及控制系统设计
当前微控制器主要有MCS-51系列单片机，AVR系列单片机，PIC系列单片机，DSP控制器，以及ARM处理器。
SPCE061A是继μ’nSP™（MicrocontrollerandSignalProcessor）系列产品SPCE500A等之后凌阳科技推出的又一款16位结构的微控制器。
与SPCE500A不同的是，在存储器资源方面考虑到用户的较少资源的需求以及便于程序调试等功能。
SPCE061A里只内嵌32K字的闪存（FLASH）。
较高的处理速度使μ’nSP™能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。
SPCE061A特点[5]有以下几点：
·
内置2K字SRAM；
内置32KFLASH；
2个16位可编程定时器/计数器（可自动预置初始计数值）；
2个10位DAC（数-模转换）输出通道；
32位通用可编程输入/输出端口；
14个中断源可来自定时器A/B，时基，2个外部时钟源输入，键唤醒；
锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号；
32768Hz实时时钟；
晶体振荡器;
具备串行设备接口；
SPCE061A的结构如图3-2所示。
主单片机的作用是根据遥控计算机的命令，控制各从单片机进而实现各从单片机对步进电机运动的控制。
同时主单片机还处理传感器采集到的各种信息并把遥控计算机所需要的相关信息传输到遥控计算机。
所以，主单片机选择了凌阳公司的SPCE061A。
图3-2SPCE061A管脚图
Fig3-2ThepinofSPCE061A
1）时钟电路
SPCE061A时钟电路采用晶体振荡电路。
由于阻容振荡的电路时钟不如外接晶振准确，时钟电路采用外接晶振。
外接晶振采用32768Hz。
2个20pF电容用于整形振荡脉冲。
时钟电路如图3-3[4]。
2）复位电路
μ’nSP™的复位SPCE061A的复位是在；
RESET端加上一个低电平，使单片机内的各寄存器的值变为初始值，复位结束开始工作时程序将由内部FLASH存储器8000H地址单元取指执行程序。
复位电路根据需要有不同的结构和特性，在实际需要中，主要有上电自动复位和人工手动复位两种要求。
图3-4所示为通用阻容式复位电路，该电路具有手动和上电复位两种功能。
[4]
3）存储器的扩展
SPCE061A是凌阳公司研发生产的一款高性能的16位单片机[2][3],目前在实时控制等领域得到了广泛的应用。
但是由于SPCE061A片内只有32KFLASH和2K字的SRAM，很难满足大容量存储的需求。
为了解决SPCE061A片内存储容
图3-3主单片机的时钟电路图
Fig3-3TheclickcircuitofthemainSCM
图3-4主单片机的复位电路图
Fig3-4ThediaplasiscircuitofthemainSCM
量的问题,本文利用SPR4096对SPCE061A进行扩展,SPR4096是凌阳公司推出的4Mbits高性能的FLASH存储芯片[4]。
该芯片包括512K×
8位的FLASH和4K×
8位的SRAM，有BMI（总线存储器接口）或SIF（串行接口总线）两种工作方式。
其引脚排列如图3-5所示。
为保证数据存储的快速性,本系统使用总线存储器接口。
连接电路如图3-6所示[6]。
4）主单片机和从单片机之间的串行通讯
串行数据通信是指数据以位为单位按先后顺序传送。
由于每一瞬间只传送一位数据，需要的传送线路少，成本低，是各种数据设备之间特别是远距离数据传输的主要方式。
实现串行数据传输的方式主要有三种，移位寄存器方式、异步串行方式和同步串行方式。
在单片机中，主要使用的是移位寄存器方式和异步串行方式。
移位寄存器方式是发送单片机使用并入串出移位寄存器的方式，将数据一位一位地移出到传输线上，接收端再使用串入并出移位寄存器的方式将数据一位一位地
图3-5SPR4096的管脚图
Fig3-5ThepinofSPR4096
图3-6存储器扩展电路图
Fig3-6Thecircuitofthememoryexpansion
由传输线移进来。
异步串行方式是以字符为单位，一个字符一个字符地传送，并且每一个字符是要用起始位和停止位作为字符开始和结束的标志。
根据控制系统的要求，主从单片机之间采用异步串行通信。
构成SPCE061A的UART的构成与其他单片机的异步串行口基本相同，也是由发送、接收寄存器，控制单元，状态标志等组成，实现每次一个字节的异步串行通信。
UART数据格式SPCE061A的UART数据帧的格式同MCS-51的串行方式3及多数的异步串行通信一样，采用每帧11位（1位起始位、8位数据、l
图3-7主从单片机串行通信结构图
Fig3-7TheframeoftheserialcommunicationbetweenmainSCMandsubsidiarySCM
图3-8主单片机控制结构图
Fig3-8ThecontrollingcircuitofmainSCM
位奇偶校验位、1位停止位）的方式；
SPCE061A的UART编程设置SPCE061A的UART也是可编程控制的接口，通过编程控制设置通信方式、校验方式、波特率等[7]。
在主单片机SPCE061A中IOB7和IOBl0必须分别被设置为输入和输出管脚来作为RxD和TxD管脚。
根据实际需要在程序中对两个控制单元的各控制位进行置位或复位，可以实现对异步串行口工作方式、中断等的设置；
通过对状态的读取，可以调整和控制通信。
主单片机需要使用串行口对各个从单片机进行指挥、交换数据等，就需要实现多机通信。
其网络连接如图3-7所示。
根据主单片机各部分电路可以获得主单片机各接口连接即主单片机控制系统总体结构，系统结构如图3-8。
3.1.2从单片机的选择及其控制系统设计
1）从单片机的选择
从单片机的主要功能是实现都步进电机的控制、与主单片机的通讯及完成行程开关信号的条理。
从系统的经济性考虑，如果从单片机仍选用16位单片机，那么系统浪费是很大的。
于是我们选择ATMEL[8]公司AT89系列中经济低价的AT89C2051产品，它与MCS-51结构基本一致，区别是减少了P0和P2端口，增加了一个模拟比较器。
它执行速度快，有良好的性能价格比，因而得到越来越广泛的应用。
AT89C2051的机构引脚图如图3-9。
其主要特点如下:
图3-9AT89C2051引脚图
Fig3-9ThepinofAT892051
兼容MCS51指令系统;
2k可反复编程FLASH存储器（10000次）；
15个双向I/0口;
6个中断源;
两个16位可编程定时/计数器;
2.7-6V的宽工作电压范围;
时钟频率0-24Hz;
内部RAM;
两个外部中断源;
低功耗睡眠功能;
两个串行中断;
从单片机AT89C2051控制系统的复位电路、时钟电路与主单片机控制系统的复位电路、时钟电路不同。
其复位电路与时钟电路如图3-10,3-11所示。
图3-10从单片机时钟电路图
Fig3-10TheinteriorsurgecircuitofsubsidiarySCM
图3-11从单片机的复位电路图
Fig3-11ThediaplasiscircuitofthesubsidiarySCM
2）履带式移动机器人的驱动系统设计
步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移（或线位移）的机电元件。
对这种电机施加一个电脉冲后，其转轴就转过一个角度，称为一步;
脉冲数增加，角位移（或线位移）就随之增加，脉冲频率高，则步进电机旋转速度就高，反之就低;
分配脉冲的相序改变后，步进电机的转向则随之而变。
步进电机的运动状态和通常匀速旋转的电动机有一定的差别，它是步进形式的运动，故也称其为步进电动机。
步进电机有其独特的优点，归纳起来主要有:
（1）步距值不受各种干扰因素的影响。
简而一言之，转子运动的速度主要取决于脉冲信号的频率，而转子运动的总位移量取决于总的脉冲个数。
（2）位移与输入脉冲信号相对应，步距误差不长期积累。
因此可以组成结构较为简单而又具有一定精度的开环控制系统，也可以在要求更高精度时组成闭环控制系统。
（3）可以用数字信号直接进行开环控制，整个结构简单廉价。
（4）无刷，电动机本体部件少，可靠性高。
（5）控制性能好。
起动、停车、反转及其他运行方式的改变，都在少数脉冲内完成，在一定的频率范围内运行时，任何运行方式都不会丢步。
（6）停止时有自锁能力。
（7）步距角选择范围大，可在几角分至
大范围内选择。
在小步距情况下，通常可以在超低速下高转矩稳定的运行。
履带式移动机器人的两条履带都用步进电机进行驱动，在此选用的是北京四通公司的两台130BYG550E-SAKRNI-0801型五相混合式步进电机。
步进电机的主要参数及性能指标有:
相数m:
电器上独立成系统而存在的回路个数即是相数。
步进电机的相数可以为任意数，通常m为2,3,4,5,6。
步距角：
在不带任何减速装置的情况下，输入一个脉冲信号，步进电机所转过的机械角位移即步距角。
表3-1步进电机的参数表
Table3-1Theparameterofstepmotor
相数
步距角/°
静态相电流/A
保持转矩/Nm
转动惯量/
5
0.36/0.72
8
35
46300
矩角特性:
步进电机静转矩和失调角的关系称为矩角特性。
静转矩是指步进电机转子静止时，控制绕组通以直流电，由失调角（定转子齿中心线间夹角
升级会员 