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视觉制导机器人论文

第七届视觉制导机器人竞赛

论文

姓名:涂金林

学号:09010419

专业:计算机科学也技术

组号:49

同组成员:张驰骋,闵心哲

完成日期:2011 /05/12

目录

一. 硬件 (3)

1.1机电一体化

1.2小车整体

二.方案实现 (7)

三.总结 (9)

一. 硬件

1.1 机电一体化

机电一体化技术是将机械技术、电工电子技术、微电子技术、信息技术、传感器技术、接口技术、信号变换技术等多种技术进行有机地结合,并综合应用到实际中去的综合技术。它着重以电子硬件、电脑程式或软件,对机械进行控制,有别于以往机械工程专科较少触及电子方面。

现代化的自动生产设备几乎可以说都是机电一体化的设备。当中较为人熟悉的机电一体化成品为机器人,其技术亦会应用到工业生产中所使用的机械臂及生产线自动化上。不单在工业生产上,在一般我们常接触的,如小至体内微血管手术机械臂,大至航天飞机、空间站都有应该其技术。现时不少固有的产品亦开始加入自动化控制的元件,如汽车及铁路。

机电一体化系统一般由五大要素组成,分别是结构组成要素、动力组成要素、运动组成要素、感知组成要素、职能组成要素五大组成要素有机结合而成。机械本体(结构组成要素)是系统的所有功能要素的机械支持结构,一般包括有机身、框架、支撑、联接等。动力驱动部分(动力组成要素)依据系统控制要求,为系统提供能量和动力以使系统正常运行。测试传感部分(感知组成要素)对系统的运行所需要的本身和外部环境的各种参数和状态进行检测,并变成可识别的信号,传输给信息处理单元,经过分析、处理后产生相应的控制信息。控制及信息处理部分(职能组成要素)将来之测试传感部分的信息及外部直接输入的指令进行集中、存储、分析、加工处理后,按照信息处理结果和规定的程序与节奏发出相应的指令,控制整个系统有目的的运行。执行机构(运动组成要素)
根据控制及信息处理部分发出的指令,完成规定的动作和功能。

构成机电一体化系统的五大组成要素其内部及相互之间都必须遵循结构耦合、运动传递、信息控制与能量转换四大原则。

接口耦合:两个需要进行信息交换和传递的环节之间,由于信息模式不同(数字量与模拟量,串行码与并行码,连续脉冲与序列脉冲等)无法直接传递和交换,必须通过接口耦合来实现。而两个信号强弱相差悬殊的环节之间,也必须通过接口耦合后,才能匹配。变换放大后的信号要在两个环节之间可靠、快速、准确的交换、传递,必须遵循一致的时序、信号格式和逻辑规范才行,因此接口耦合时就必须具有保证信息的逻辑控制功能,使信息按规定的模式进行交换与传递。

能量转换:两个需要进行传输和交换的环节之间,由于模式不同而无法直接进行能量的转换和交流,必须进行能量的转换,能量的转换包括执行器,驱动器和他们的不同类型能量的最优转换方法及原理。

信息控制:在系统中,所谓智能组成要素的系统控制单元,在软、硬件的保证下,完成信息的采集、传输、储存、分析、运算、判断、决策,以达到信息控制的目的。对于智能化程度高的信息控制系统还包含了知识获得、推理机制以及自学习功能等知识驱动功能。

运动传递:运动传递使构成机电一体化系统各组成要素之间,不同类型运动的变换与传输以及以运动控制为目的的优化。

而所谓机电一体化产品,是以单片机为核心的控制系统,部分是电;还有伺服电机这样执行机构,二者统一于一定的机械结构下,并能完成特定的任务,构成机电一体化产品。

1.2 小车整体

视觉制导竞赛中的小车基本组成部分是:

1.单片机及时钟复位电路P89V51RD2

2.电源电路LM7805,LM2940(电源指示灯)

3.串口通信及ISP接口

4.蓝牙接口

5.外电源接口,开关

6.排针(电机接口),面包板

硬件标识图

1.2.1 单片机电路板

单片机P89V51RD具有IAP(在应用中编程)功能,用户通过在应用程序中调用IAP 子程序,可实现有选择的对FLASH块进行擦除和编程。我们可在Keil uVision2下用C语言和汇编语言混编的办法实现IAP调用的方法。最后通过flash magic 就可将程序烧入单片机中,实现相应的控制功能。

1.2.2 电机

视觉制导竞赛中小车采用的电机型号:Parallax Continuous Servo

电机技术规格:

1. 重量: 45g

2. 扭力:

3.4Kg-cm

3. 最大电压:6V

4. 平均速度:60 rpm

5. 运动角度:360度

6. 尺寸: 40.5x 20 x 38mm

7. 特性:侧边有一个可微调中立点(stop point)的可变电阻,可控制不输出扭矩

电机的控制:

1. 下图显示信号是发送到与P1_1连接的伺服电机的校准信号,称为零点标定信号。伺服电机调节好之后,这个信号就可以指示电机保持静止。这个信号是由时间间隔为20 ms 的脉宽为1.5 ms的一系列脉冲组成。

实现的程序为:

while(1){

P1_1=1;

delay_nus(1500);

P1_1=1;

delay_nms(20);

}

2. 当更改脉冲的宽度是可以实现电机的顺时针和逆时针旋转:

比如:

使电机全速顺时针旋转的程序:

while(1){

P1_1=1;

delay_nus(1300);

P1_1=1;

delay_nms(20);

}

使电机全速逆时针旋转的程序:

while(1){

P1_1=1;

delay_nus(1700);

P1_1=1;

delay_nms(20);

}

当脉冲宽度在1300~1500之间时,电机可

以顺时针旋转,当脉冲宽度在1500~1700

之间时,可以实现电机逆时针旋转。

实际情况可能稍有偏差,在上述值左右浮动。

1.2.3 红外传感器

红外发光二极管与普通发光二极管的不同,红外发光二极管是由红外辐射效率高的材制成的PN结,再外加正向偏压向PN结注入电流,从而激发出红外光。光谱功率分布为中心波长830nm -- 950nm。

为了增加红外线的控制距离,红外发光二极管工作于脉冲状态,因为脉动光(调制光)的有效传送距离与脉冲的峰值电流成正比,只需尽量提高峰值Ip,就能增加红外光的发射距离。

IR(红外线)检测器有内置的光滤波器,除了需要我们用它的内部的光敏二极管传感器检测的980 nm红外线,它几乎不允许其它光通过。红外检测器也有一个电子滤波器,它只允许大约38.5 kHz 的信号通过。换句话说,检测器只寻找每秒闪烁38,500次的红外光。

这就防止了普通光源像太阳光和室内光对IR的干涉。太阳光是直流干涉(0Hz),室内光依赖于所在区域的主电源,闪烁频率接近100或120 Hz。由于120 Hz在电子滤波器的38.5 kHz 通带频率之外,它完全被IR探测器忽略。

红外传感器发射电路图则如下图所示:

实现红外探测的原理:

让每个IR LED 探测器组工作的关键是发送1 ms 频率为38.5 kHz的红外信号,然后,立刻将IR探测器的输出存储到一个位变量irDetectLeft中。

全部电路原理图

二.实验过程

1. 车轮制作

车轮的制作影响比较深刻,我们做了一大堆的轮子,直径包括13cm,15cm,16cm,17cm,18cm。

(1)最初的测试轮

先拿原宝贝车的原装轮进行试验,很快成功,效果比较好,但速度很慢。

(2)初赛使用轮

初赛使用轮是直径13cm的大轮子,由于先后两次轮子直径变化比较大,因此导致了红外探测角度距离不能满足要求,导致了红外部分重新搭建,费时费力,不过最终还是赶上了初赛,小车速度有了较大的提高。

(3)决赛使用轮

在调试好程序和红外满足决赛要求之后,我们再次考虑到轮子的大小问题,以及轮子的重量问题。我们的电机速度本来就很慢。大轮子会给我们带来一些优势,决赛前,我们做了很多的轮子,材料选择是展板,厚度仅为一层,为了减轻摩擦力以及重量,并在边缘缠上了黑色电胶布。通过一系列的调试,我们选择了直径17cm的车轮。效果明显,小车跑完一圈速度提到35s左右。

关于车轮的总结:车轮并不是越大越好,太大了,会导致稳定性下降,突发状况增多。这次决赛的失利也有这方面的原因。

2.后支撑轮及添加轮

后支撑轮没花太多的心思,保证车身水平以及尽量避免不必要的摩擦。效果还是比较好的。

3.红外

红外是比较令人头疼的方面。视觉制导竞赛大部分时间都花在红外角度的调整上。红外的固定也是一个置关重要的方面。我们经过一个通宵,终于想出了一个比较理想的方案,通过笔杆固定红外的发射端。接收端与发射端成直角时,接受效果较为理想。当问题圆满解决

时,我们觉得我们的付出还是值得的。一个团队团结在一起,任何困难都可以克服,再苦再累,只要大家在一起也没什么了。

4调试

调试是一个需要耐心的活,特别是红外的角度调试。不光红外角度的调试,程序的参数也要不断地调整。而且小车在行进过程中,会有很多的意外的情况出现。比如正反转时,过挡板或左右摇摆不定,这是一个令我们很头疼的问题,这里会浪费很多的时间,最后将左轮置为静止时,比较理想的度过了挡板。

三.总结

机电一体化的机器人小车设计竞赛不得不说是增强工科实践能力以及培养专业兴趣的一个很好的平台。我的专业是计算机科学与技术,为了更加了解自己的实际实践能力,且与实际更紧密的联系,或者也为了更加锻炼自己,为了更加培养自己与传统工科专业的感情,在课业负担不是很轻松,学生工作也已经压得我喘不过气来的情况下,我选上了“视觉制导机器人”的公选课,参加了大学以来的第一个机电一体化项目。虽然这个课程一路坎坷,不过这次的经历所带来的,却是那样让人印象深刻,,而这种成长不仅在于专业知识的提升,让我对工科有了更深层的了解。

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