人型机器人调试人机交互系统研究报告Word格式文档下载.docx
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其中一节电池专门给主控制板和传感器信号处理板供电,另2节电池串联成24V,给电机驱动板供电,用于驱动机器人上的各种电机,为了提高整体的抗干扰性能,12V和24V的电池不要共地。
电池可重复充电1000次以上。
充电时需先取出电池。
我们可按下面步骤进行:
1.关闭机器人平台的电源;
2.拔掉连接线,将电池依次取出,充电。
3.重新装上充好的电池。
每个平台配备了一个充电器,可以给一个电池充电,充电时,充电器上面的指示灯呈蓝色,充电完毕呈红色。
2、自动机器人平台系统结构
2.1自动机器人平台机械部分
2.1.1机器人平台机械部分组成
机器人平台的机械部分是指机器人执行具体功能时所要用到的机械部件,共有以下几个部分:
1.主动轮
机器人平台的主动轮有两只,金属铝芯,外包三根O型圈,能够完成向前直走,向后转弯,左转,右转等这些平地上的技术动作。
2.从动轮
机器人平台有1只从动轮,和两只主动轮形成三角支撑着机器人的身体。
从动轮随着主动轮的方向改变自己的方向。
众所周知,三点支撑结构是最稳定的结构,从动轮和两个主动轮形成了一个稳定的支撑结构。
3.直流电机
机器人平台上有两个2台额定电压24VDC、150转/分、70W功率直流减速电机。
4.铝合金框架
机器人平台的框架使用了铝合金型材制成,可以很方便地利用配备的专用螺母将设计的上部机构安装在平台上。
5.铝板
机器人平台上铺设了5块4mm厚的铝板,可以根据自己的需要在这些铝板上打孔,用于固定安装上部机构,若需要这些铝板,可以自行卸下,以减轻整体重量。
2.1.2机器人平台运动详解
1.机器人的动作
机器人一共有三种动作:
1)前进
两个电机等速正转时,机器人前进。
2)后退
两个电机等速反转时,机器人后退。
3)转弯
两个电机按一定比例不等速正转时,机器人转弯。
2.机器人运动原理
机器人运动时,通过直流电机的轴转动来驱动两个主动轮的运动,利用两个主动轮来控制底盘的各种运动(前进,后退或者转弯)。
底盘前端的从动轮前端有一个传感器,用于探测地面白条的位置。
探测后把相关数据传给控制装置(单片机),控制装置分析计算后把相应运动指令转化为PWM脉宽调速信号来控制电机的转速,从而使机器人能够沿着白条运行。
2.2自动机器人平台控制系统
2.2.1概述
自动机器人平台控制系统包括16路巡线传感器、传感器信号处理板、主控制板、电机驱动板和其他待开发扩展部件组成。
组成框图如图2.1所示。
图2-1机器人平台控制系统组成框图
图2-1中,虚线框中的部分是机器人平台已经配备的部分,其他部分需要在设计中根据所设计的上部机构的动作情况自行开发,并用主控制板统一控制。
2.2.2主控制板
1.概述
主控制板是机器人的大脑,承担着信息接收、处理、外部设备控制的重要任务,主控制板中处理器选用了STC12C5A60S2芯片为主控芯片,控制板支持两大类输入,既16通道专用巡线传感器输入,和8通道传感器输入;
输出也是支持2大类,即可调速行走电机控制输出和不
可调速行走电机控制输出;
具有一个可扩展接口。
STC12C5A60S2单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机,是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机,指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。
内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S),抗干扰能力强,适合应用在强干扰场合。
具体功能和参数可以参考STC12C5A60S2数据手册。
主控制板使用的是40个引脚的单片机,共有35个I/O接口,其中,P0、P2和P4.6口用于输入,共17个端口,P1和P3部分接口用于输出,共12个端口。
主控制板实物如图2-2所示。
图中,12V电源输入插座连接12V电源,12V电源输出插座连接传感器信号处理板的12V电源插座(注意板子上的电源正极标志,不要插反),巡线传感器输入接口用于连接传感器信号处理板,启动按钮输入插座连接面板上启动按钮,左右车轮
电机接口连接驱动板上的电机信号控制插座,程序下载接口用于程序的在线下载,8通道传感器输入接口可以用于连接8个NPN型传感器,非调速电机输出接口用于上部机构各种电机的控制。
图2-2主控制板外形图
图中,为了减少对单片机端口的占用,使用了2片74HC245总线驱动电路构成对单片机P2的复用,用单片机P4.4口的信号加以控制。
当P4.4为低电平时,P2口接收到的是16路传感的低8位信号QQ0-QQ7,当P4.4为高电平时,P2口接收到的是16路传感器的高8位信号
Q8-QQ15。
2.8通道传感器输入接口
8通道传感器输入接口用于连接光电、接近或者超声传感器等,可以在整体设机器人时,充分利用各种传感器探测外部信息,其中4通道输入接口电路图如图2-3所示。
图2-3通道传感器输入接口
图中,展示了4路传感器输入接口,输入信号使用了单片机的P0.0-P0.3口,插座J8-J11分别接4个不同传感器,传感器直接使用市场现有的成熟产品,主要有:
图2-4所示的红外传感器,在机器人中,主要用来探测四周是否存在障碍或者是否到达预定物体附近,
图2-4红外传感器图2-5接近开关
其最大探测距离根据所用型号的不同,有30cm、1m、2m多种;
图2-5所示为接近开关,主要用在机器人上探测一些运动部件是否到位,探测距离一般在5mm以下。
传感器上有3根引线,分别接J8-J11的3个引脚。
需要注意的是:
使用的传感器必须是NPN型,工作电压在6V-36V之间。
图2-3所示的的电路均为低电平有效,即传感器探测到目标时,反相器输出端即单片机的P0-P3脚为低电平信号,否则为高电平。
3.PWM和电机方向控制电路
图2-6PWM和电机方向控制电路
PWM和电机方向控制电路如图2-6所示,STC12C5A60S2本身具有2路PWM输出,即P1.3和P1.4为PWM输出端口,分别控制左(P1.4
控制)右(P1.3控制)电机的转速,图2-6中,P15和P12分别是左(P1.5控制)右(P1.2控制)电机的方向控制信号,需要注意的是,P1.5和P1.2是低电平有效,即P1.5和P1.2是低电平时,电机驱动板上的继电器常开触点闭合,电机反转。
5.非调速电机输出接口
本电路板上设置了8个非调速电机输出接口,可以用来控制4个正反转直流电机或者8个单向运转直流电机,电路图如图2-7所示。
图2-7中,P16、P17,P32-P37为8个控制信号,使用了单片机的P1.6、P1.7和P3.2-P3.7口,同样需要注意,这些信号均是低电平有效。
图2-7非调速电机输出接口
6.扩展接口
主控制板中,P1.0和P4.5两个接口没有使用,用插座对外引出,参赛队可以根据自己机器人的设计情况加以使用。
7.下载接口
本电路板上有一个DB9串口接口,可以用来实现程序的在线下载。
在线下载的主要步骤为:
1)首先关闭本电路板的12V电源,取出串口连接线。
一头接本电路板的DB9下载口,另一头接PC机箱后的9针串口。
如果你的电脑后面没有空余9针串口,可以使用USB转串口转接头。
2)打开STC-ISP在线下载软件,进行程序的下载,具体操作方法见STC12C5A60S2数据手册;
下载完毕,从电路板上取下串口下载线。
2.2.3巡线传感器
自动机器人平台底部安装了16路巡线传感器,可以可靠地探测到地面白条以及白条的十字交叉点。
光源发射部分采用了16个高亮LED发射管,用16个光敏电阻接受地面反射回来的光线,输出插座连接传感器信号处理板的巡线传感器输入接口。
2.2.4传感器信号处理板
1.概述
传感器信号处理板仅自动机器人平台使用,电路板实物如图2-8所示。
图中,巡线传感器输入接口连接安装在机器人平台底部的16路巡线传感器;
信号输出接口连接单片机控制板,插座JP接12V电源,注意板子上的电源正极标志,不要插反。
图2-8传感器信号处理板
16路巡线传感器将采集到的地面白条信息送入本电路板,对于采集的信息先进行放大处理,放大后的信号跟标准电压比较,保留白条反射的有效信号,过滤掉地面背景反射信号,有效信号再通过稳压、反向、放大处理后送入单片机控制板,同时用发光二极管的亮暗指示当前某路传感器是否在地面白条上。
2.信号放大电路
本电路板使用了16路信号放大电路,第一路传感器信号放大电路如图2-9所示。
(其余15路电路均相同)
图2-9
信号放大电路
2-9中,Q0为单路传感器输入信号,数值很小,若巡线传感器在地面白条上,大约在0.9V左右;
若巡线传感器不在地面白条上,数值大约在0.3V左右,此信号输入到由运放LM324组成的同相放大电路,调节电位器RW1可以改变整个放大电路的放大倍数(实际电路中,RL使用了阻值1KΩ的排阻),即调节了放大电路输出的QQ0。
若Q0为地面白条反射的有效信号,通过调节RW1,使QQ0的电压输出为9.5V-10V左右,若Q0为地面背景反射的信号,根据地面背景的颜色以及光滑程度,QQ0大致在4-6V左右,越低越好。
3、自动机器人平台的装配和调试
3.1机器人装配过程
机器人底盘安装即把主动轮,电机,从动轮,传感器依次安装至底盘铝合金框架上以及完成线路板之间的连接。
3.1.1主动轮电机装配
安装步骤:
从左至右,依次结合螺栓,主动轮,连接钢板,以及电机,并且旋紧,把三个轮套套在主动轮上。
3.1.2电机安装至铝合金架板
直流电机直接对准相应钢板部位,螺丝旋紧即可。
3.1.3从动轮及传感器安装
从动轮和传感器直接对准相应部位,螺丝旋紧即可。
3.1.4电路板的安装
1.将三个电池固定在平台上。
2.将传感器信号处理板、电机驱动板、主控制板从下至上叠加在一起,固定了平台上。
3.连接信号线:
用20芯排线连接16路巡线传感器的输出和传感器信号处理板的传感器输入接口;
用20芯排线连接传感器信号处理板的信号输出接口与主控制板的16路传感器输入接口;
面板上的启动按钮连接主控制板的启动按钮插座;
用10芯排线连接主控制板的左右车轮电机接口与电机驱动板的控制信号接口;
左右车轮电机连接电
机驱动板的左右电机输出插座。
4.连接电源线:
12V电源线连接主控制板的12V电源输入插座;
主控制板的12V电源输出插座连接传感器信号处理板的12V电源输入插座;
24V电源连接电机驱动板的24V电源插座。
连接电源时,务必确认主板上电源插座的正负极,切勿插反。
3.2机器人平台的调试
在机器人平台全部安装完毕,初步检查无误后,下一步就进行必要的调试,主要的调试步骤如下:
1.进行传感器信号处理板的调试。
2.将程序下载到单片机中。
3.将机器人平台放到场地上。
4.先后打开12V电源和24V电源,按下启动按钮,观察机器人平台运行情况。
4、可行性的上部机器手臂设计报告
第一代旋转机构主要采用舵机控制云台见下图:
但是第一代机器人上部机构设计完成后,发现设计过于复杂,所用的传感器在不接扩展板的情况下,用一片单片机远远不能对其进行精密控制,导致第一代机器人设计失败。
鉴于此情况我们参赛小组又连日赶制第二代上部机构,第二代机器人的上部机构去掉了旋转云台,采用二维设计,这种设计的灵活度虽没有第一代上部机构灵活度高,但便于控制,如图:
连日来赶制的第二代机器人上部机构终于完工,但小组成员并没有高兴起来,因为二代机器人上部机构由于Y轴步进电机的功率过小,导致不能正常的驱动机器手进行上下移动,此时小组成员以陷入困境。
辛辛苦苦做出来的二代机器手却因为Y轴步进电机功率过小而不能使机器手动作,鉴于此情况我们当中的一位成员突然想到电梯的结构,大多数电梯都有配重装置,我们马上开工,对二代上部机构进行改进,做出了第三代机器人上部机构,如下图:
此处说明:
Y轴步进电机不能采用功率非常大的电机,因为Y轴步进电机的动作是最频繁的,功率过大后很有可能导致蓄电池的电能在没有完成任务之前就没电啦。
5、驱动软件的编写及调试
;
-----------****河北能源职业技术学院机器人小组调试程序*****---------------------
---------------------***以下为伪指令定义程序***--------------------
NUMEQU7FH;
COUNTEQU7EH;
需要循迹的路线条数
HLWPbitP1.0;
startbitP1.1;
RDIRbitP1.2;
;
右电机
RPWMbitP1.3;
LPWMbitP1.4;
LDIRbitP1.5;
左电机
CCONEQU0D8H;
PCA控制寄存器
CLEQU0E9H;
//PCA计数器低位
CHEQU0F9H;
//PCA计数器高位
CMODEQU0D9H;
//PCA工作模式寄存器
CCAP0LEQU0EAH;
//PCA模块0的捕捉/比较寄存器低8危
CCAP0HEQU0FAH;
//PCA模块0的捕捉/比较寄存器高8位
CCAP1LEQU0EBH;
//PCA模块1的捕捉/比较寄存器低8位。
CCAP1HEQU0FBH;
//PCA模块1的捕捉/比较寄存器高8位。
Fosc_0EQU79H;
Fosc_0为PWM0占空比设置形参,右电机
Fosc_1EQU7AH;
Fosc_1为PWM1占空比设置形参,左电机
CCAPM0EQU0DAH;
//PCA模块0PWM寄存器
CCAPM1EQU0DBH;
//PCA模块1PWM寄存器
PCA_PWM0EQU0F2H;
PCA_PWM1EQU0F3H;
//PCA模块1PWM寄存器?
forwardEQU1;
backwardEQU0;
P1M1EQU91H;
P1M0EQU92H;
P2M1EQU95H;
P2M0EQU96H;
P4SWEQU0BBH;
----------------------以下为传感器低高8位--------------------
-------------------HLWP=0时读取低八位,WL_WP=1时读取高八位-------------------
WP_0_8EQUP2.0;
WP_1_9EQUP2.1;
WP_2_10EQUP2.2;
WP_3_11EQUP2.3;
WP_4_12EQUP2.4;
WP_5_13EQUP2.5;
WP_6_14EQUP2.6;
WP_7_15EQUP2.7;
-----------------
S2CONEQU9AH;
IE2EQU0AFH;
S2BUFEQU9BH;
AUXREQU8EH;
AUXR1EQU0A2H;
BRTEQU9CH;
IAP_CONTREQU0C7H;
RELOAD_COUNTEQU0FDH;
串行口波特率设置为9600
------------------------*****以下为主程序*****-------------------
ORG0000H
LJMPMAIN
ORG0043H
LJMPMAIN_1
ORG0100H
*****************************************************************************MAIN:
movc,start;
检测小车启动键是否按下
JCMAIN;
MOVSP,#0C0H;
MOVS2CON,#50H;
串口2方式1
MOVBRT,#RELOAD_COUNT;
设定波特率为9600
MOVAUXR,#11H;
MOVIE2,#01H;
SETBEA
MOVAUXR1,#10H;
MOV41H,#00H;
以下是等待裁判的出发命令,
MOV51H,#00H;
MOV61H,#00H;
MOV71H,#00H;
MAIN_WAIT1:
MOVA,41H
CJNEA,#03H,MAIN_WAIT1;
MAIN_WAIT2:
MOVA,51H
CJNEA,#04H,MAIN_WAIT2;
MAIN_WAIT3:
MOVA,61H
CJNEA,#05H,MAIN_WAIT3;
MAIN_WAIT4:
MOVA,71H
CJNEA,#09H,MAIN_WAIT4;
MOVAUXR1,#00H
MOVAUXR,#00H
MOVIE2,#00H
CLREA
LCALLS_T
.........................................
LCALLQIAN1
LCALLTURN_90L
发关键点1信息
发关键点2信息
LCALLTURN_90R
到货架位置了,扫描工件代码
发关键点3信息
MAIN_JIAOTONG:
LCALLQIAN1
DJNZ74H,MAIN_JIAOTONG
发关键点4信息
SJMP$
QIAN1:
nop
QIAN1_1:
LCALLJIU_PIAN
LCALLCAIYAN_16
MOVA,COUNT
CJNEA,#1H,QIAN1_1
RET
*************************************************************************
-------------------------以下为S_T初始化程序---------------------------
S_T:
MOVP1M1,#00H;
MOVP1M0,#18H;
MOVP2M1,#0ffH;
MOVP2M0,#00H;
MOVP4SW,#50H;
//P4.4和P4.6口设置,都为I/O输出口
LCALLPWM0_1;
//PWM的初始化设置
----------------------以下为MOTOR程序------------------------------------
MOTOR:
MOVCMOD,#80H
MOVCCON,#00H
MOVCL,#00H
MOVCH,#00H
SETB0A8h.6;
开PCA中断
SETBEA;
开总中断
SETB0d8h.6;
将PCA计数器打开,非常重
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