基于五自由度机械手的遥控智能车设计

【有全套CAD图】需完整CAD+说明书请联系QQ1175231241 海量毕业设计 课程设计，承接定制、更多设计请移步： JIANGXI AGRICULTURAL UNIVERSITY本 科 毕 业 设 计 题目： 基于五自由度机械手的遥控智能车 学 院： 江西农业大学工学院 姓 名： 蔡晓亮 学 号： 20100964 专 业： 农业机械化及其自动化 年 级： 农机1001 指导教师： 康丽春 职 称： 讲师 周华茂 职 称： 副教授 二0 一 四 年 五 月摘要本文对基于五自由度机械手的遥控智能车进行了总体设计及分析，包括整体结构设计、机械臂零件和小车底盘零件选用和分析、机械臂关节驱动舵机选用、小车减速箱和驱动电机选用、五自由度模拟机械臂的设计、遥控端电路和接收端电路设计，遥控端和接收端程序设计等。本设计还做出了实物，能够实现无线灵活控制小车前进后退，左转右转；通过模拟机械臂无线同步控制车载五自由度机械手抓取物体和搬运物体；小车周围环境视频无线实时监控；遥控端一键切换摄像头；一键控制夜灯开闭；一键切换手动遥控小车和小车自主行驶。这个带有机械手的无线小车，可以用于需要远程移动巡逻的地方，也可用于化工厂等危险区域巡逻，搬运小型物体；另外综合了机械和电子多门课程多个重要知识点，并且很好的结合在一起，非常适用于课堂现场实物教学。关键词:机械手；无线；单片机；视频实时；智能车更多设计请移步：咨询ABSTRACT In this paper, based on five -DOF manipulator remote intelligent vehicle carried the overall design and analysis, including overall design, robotic parts and car chassis parts selection and analysis , manipulator joint drive servo selection, car gear box and drive motor selection , five degrees of freedom manipulator design simulation , remote control of the circuit and the receiver circuit design, remote control and the receiver program design.This design is also made in-kind , to achieve flexible wireless control car forward and back, Turn left and turn right; synchronization control car radio by simulating five degrees of freedom robotic manipulator grab objects and moving objects ; trolley ambient video wireless real-time monitoring ; remote end of a key switch cameras ; opening and closing a key control nightlights ; a key switch manual remote control car and trolley autonomous driving. The wireless car with a mechanical hand , can be used for remote mobile patrols where needed , can also be used in hazardous areas such as chemical plants patrol , handling small objects ; another combination of mechanical and electronic multi- course a number of important knowledge and good together, ideal for classroom teaching physical site .Key word ：robot ， radio ，MCU ，video in real time ，smart car基于五自由度机械手的遥控智能车目录摘要IIABSTRACTIII1绪论11.1 课题背景，国内外现状和意义11.1.1 课题背景11.1.2 国内外现状11.1.3 设计意义21.2 设计目标，总体设计和控制途径31.2.1 设计目标31.2.2 总体设计31.2.3 控制途径42 机械部分结构设计与零件选用52.1 模拟机械臂52.2 车载端五自由度机械臂62.3 二自由度摄像头云台92.4 小车底盘选择92.5 减速齿轮箱102.6 小车驱动电机112.7 机械臂关节驱动123 遥控端电路原理及设计133.1 单片机的选择与分析133.2 小车遥控电路设计143.3 模拟机械臂电路设计154 车载端电路原理及设计164.1 小车接收电路设计164.2 车载五自由度机械手电路设计164.3 小车电机驱动电路174.4 小车超声波避碍模块185 无线视频实时传输195.1 无线视频方案选择与分析195.2 视频发送模块195.3 视频接收模块205.4 液晶显示216 程序设计226.1 遥控小车程序226.2 模拟机械臂程序226.3 小车接收端程序226.4 五自由度机械臂程序227 结论与展望247.1结论247.2展望24参考文献25附录一26致谢281 绪论1.1 课题背景，国内外现状和意义1.1.1 课题背景随着时代和高新技术的发展，机器人技术的应用领域不断扩大，工业机器人 、特种作业机器人、服务机器人、微小型机器人等已经在各个方面得到广泛的应用和发展。机器人技术是集机械、电子、控制和计算机技术的一项综合技术。从某些意义上来说，机器人的技术水平的高与低反映了这个国家的综合技术实力。基于五自由度机械手的遥控智能车和排险排爆机器人类似。它是针对公安、核工业、军事、化工等危险、恶劣、有害环境下应用的特种作业机器人，它不受任何外界电磁干扰，可以代替人在危险、恶劣、有害环境中进行观察、检查、搬运、清理、操作及安放特殊装置，代替现场安检人员实地勘察，实时传输现场图像；用以保证人员的安全、健康，避免不必要的人员伤亡。1.1.2 国内外现状在西方国家中，恐怖活动始终是个令当局头疼的问题。英国由于民族矛盾，饱受爆炸物的威胁，因而英国在60年代就研制成功排爆机器人。英国研制的履带式“手推车”及“超级手推车”排爆机器人（如图1.1.a），已向50多个国家的军警机构售出了800台以上。美国Remotec公司的Andros系列机器人受到各国军警部门的欢迎，白宫及国会大厦的警察局都购买了这种机器人(如图1.1.b)。Andros机器人可用于小型随机爆炸物的处理，它是美国空军客机及客车上使用的唯一的机器人。海湾战争后，美国海军也曾用这种机器人在沙特阿拉伯和科威特的空军基地清理地雷及未爆炸的弹药。美国空军还派出5台Andros机器人前往科索沃，用于爆炸物及子炮弹的清理。空军每个现役排爆小队及航空救援中心都装备有一台Andros VI（引用自百度网页）。 a英国机器人 b美国国机器人图1.1 欧美机器人与国外相比，中国的排爆机器人起步较晚。但是随着这些年中国经济和科技的不断崛起和创新，我国也有了自己的排险排爆机器人。Raptor-eod 机器人是北京博创集团开发的一款中型特种排爆排险机器人，用于处置各种突发涉爆、涉险使用排爆机器人事件。代替以往人工排出可疑爆炸物及在危险品搬运过程中对操作者带来的危险，如图1.1.c（引自百度网页）；“雪豹10”由中国航天科工集团公司自主研制，车体可进行前后摆臂，并根据地形，改变履带形状，从而完成不同地形的行走命令，如平地行走、跨越沟壑、上下楼梯等，如图1.1.d（引自百度网页）。 C 北京博创Raptor-eod 机器人 d 中国航天科工“雪豹10”图1.1 中国机器人1.1.3 设计意义目前，排险排爆机器人价格昂贵，一般机构或学校很少购买，学生难以接触到实际的排险排爆机器人，学习相关的机械电子知识。另外目前的排险排爆机器人操作箱操作复杂，遥控机械手时不像真的开车那样灵活自如，多采用按键式一个一个调节各个机械关节臂的角度，操作人员需要经过相关的操作培训后才能较好地控制机械手抓取，搬运物体。本设计基于五自由度机械手的遥控智能车将重点突破这些弊端，以较低的设计成本投入以及切实可执行的设计，做出一辆带机械手的远程智能小车，用于需要远程移动巡逻的地方，也可用于化工厂等危险区域巡逻，搬运物体。将书本理论知识应用实际，综合机械和电子多门课程知识，可直接作为高等创新教育的典范科技类作品，激发学生的创新思维和创新意识，加强学生的专业知识和技能教育，培养学生的创新能力。1.2 设计目标，总体设计和控制途径1.2.1 设计目标（1） 无线灵活控制小车运动；（2） 机械手抓取物体和搬运物体；（3） 视频无线实时传输监控；（4） 小车自主避障。1.2.2 总体设计基于五自由度机械手遥控智能车分为遥控部分和小车及机械手部分。遥控部分：以STC12C5A60S2单片机为主芯片，加NRF24L01无线芯片；实现无线控制小车前进，后退，左转，右转运动； 7寸液晶无线实时显示小车终端图像；加上五自由度模拟机械臂，直接控制小车端五自由度机械手抓取，搬运物体；操作人员根据液晶图像，操作模拟机械臂和按键，即可无线控制远距离小车及小车端五自由度机械臂。小车及机械手部分：以STC12C5A60S2单片机为主芯片，加NRF24L01无线芯片，接收处理遥控端发来的命令。小车端带有减速齿轮履带式底盘，动力强劲，运动平稳；车上装有五自由度机械手，接收遥控端发送的指令，实现空间任意角度抓取物体；机械手上和小车二自由度云台配有摄像头，把小车周围的图像无线发回遥控端液晶显示(小车总体完成效果图如1.2)。图1.2 小车总体效果图1.2.3 控制途径1.无线灵活控制小车运动利用STC12C5A60S2单片机和NRF24L01无线芯片,按键，数码管，和其他外围电路设计成电路控制板；按键控制小车加减档和前进，后退，左转，右转，停止，摄像头切换，开关夜灯，手动控制和超声波自动驾驶切换；数码管显示当前档位。2.机械手抓取物体和搬运物体遥控端用铝合金和电位器做成一个小型模拟五自由度机械臂，加上STC12C5A60S2单片机和NRF24L01无线芯片，把模拟机械臂的模拟信号转换成数字信号，无线发送给小车端，实现小车端机械臂做和模拟机械臂相同的动作。3视频无线实时传输 采用2.4GHZ无线视频传输模块，发射模块TX6722采集模拟摄像头的信号，加载高频，调制后通过天线发送出去；接收模块RX6788接收到无线视频信号，进行解调；视频信号进入液晶驱动板，液晶驱动板通过解码把视频信号传给7寸液晶屏，实现图像显示。4小车自主避障采用HY_SRF05超声波模块，当小车遥控端通过按键切换为超声波自动驾驶后，小车接收端单片机启动自动行驶模式，控制超声波模块发送超声波，根据小车周围的障碍物回应回来的超声波信号，进行调速，前进，转弯等功能；实现小车自动避障行驶。2 机械部分结构设计与零件选用2.1 模拟机械臂采用旋钮电位器，铝合金机械臂支架，螺母，摩擦片等做成。采用简单的L支架，一字支架，一字薄木板，带手指孔的长铝片做成五自由度机械臂，支架连接处采用旋钮电位器转轴连接，连接轴中间加上摩擦片，是为了使模拟机械臂在操作后能自锁在原来的位置；实物图如图2.1.a所示,运动示意图如2.1.e。图2.1.a 模拟机械臂实物图模拟机械臂主要零件尺寸,见下图：图2.1.b长L支架； 图2.1.c一字支架；图2.1.d机械手指。b 长L支架 c 一字支架d 机械手指架 e 运动示意图 图2.1 模拟机械臂零件图2.2 车载端五自由度机械臂采用制作机器人的支架，996舵机，加上小型轴承，螺母，螺栓连接，做成一个五自由度的机械臂，包括U梁，长U支架，L支架，多功能支架，机械爪，三维图如图2.2.a所示，运动示意图如2.2.e。图2.2.a 车载五自由度机械臂车载机械臂主要支架及相关零件图，见下图：图2.1.b多功能支架； 图2.1.c长U型支架；图2.2.d短L支架。b 多功能支架 c 长U型支架d 短L支架 e 运动示意图图2.2 车载机械臂主要零件图2.3 二自由度摄像头云台为了实时监控小车周围的环境，五自由度机械手抓取物体看清物体，采用了两个摄像头。第一个摄像头直接安装在机械爪后端，第二个摄像头装在车载二自由度云台上，通过遥控端的摄像头切换按键，在液晶显示终端实时观看两个摄像头的图像；二自由度云台采用两个舵机，两个多功能支架，一个长U支架构成等组成，能够实现空间360度的摄像。三维图如图2.3所示。图2.3 二自由度摄像头云台2.4 小车底盘选择方案一：轮式小车底盘优点：速度快、效率高、运动噪声低。缺点：越障能力、地形适应能力差、转弯效率低，或转外半径大。适合：野外、城市环境都可以，但是地形不能太复杂，如碎石地难以灵活控制。方案二：履带式小车底盘优点：地形适应能力强，可原地转弯，运动时车体减震，有负载轮可载重物。缺点：速度相对较低、效率低、运动噪声较大。适合：野外、城市环境都可以，在平稳、越障，负载重量等方面优于轮式。 为实现小车平稳运动，使搭载在小车上的摄像头，在小车运动过程中不抖动，保证图像传输清晰；小车加载机械手、电路板，电池后重量达到两公斤，负载较重；另外适应一定的复杂环境，使小车具有一定的越障功能，比较之下选择坦克式小车平台：坦克1：16虎式3818-1底盘，底盘尺寸：38*22*10（长宽高），塑料履带2条、金属驱动轮2个、塑料诱导轮2个，负重轮16个，加宽覆带与地面的接触面积更大，行走起来更稳！每一个轮子都有独立的减震弹簧。前进、后退、左转、右转操作灵活自如。实物图如图2.4所示。图2.4 履带式小车底盘2.5 减速齿轮箱方案1：塑料齿减速齿轮箱优点：重量轻、运动噪声低。缺点：加载较重物体时，塑料齿轮刚度强度不够，容易发生齿轮变形，磨损。适合：小型轻载小车。方案2：金属齿减速齿轮箱优点：刚度和强度好，耐磨，传动比精确，扭力更大。缺点：运动噪声稍高。适合：大部分小车都可以，特别适合于重载小车。小车加载机械手、电路板和电池等后重量达到两公斤，负载较重，需要能输出大扭矩的减速齿轮箱，来保证小车在较复杂的环境中也能运动自如；所以采用金属三级减速齿轮箱，金属齿轮为0.6模数的锌合金双联齿轮和0.6模的直齿齿轮，双联齿轮1:小齿齿轮：14齿，齿厚5mm；大齿齿轮：46齿，齿厚5mm;内孔：3mm; 双联齿轮2:小齿齿轮：14齿，齿厚6mm；大齿齿轮：53齿，齿厚5mm;内孔：3mm; 双联齿轮3:小齿齿轮：40齿，齿厚5mm；大齿齿轮：53齿，齿厚5mm;内孔：3mm;直齿输出轮：:齿轮：28齿，齿厚5mm；内孔：6mm;齿轮啮合图如图2.5。图2.5 减速箱齿轮啮合图2.6 小车驱动电机基于五自由度机械手的遥控智能车为适应小车的灵活运动和精确控制机械手抓取物体，速度分为3档，用于不同环境不同速度的需要。直流电机的控制方法比较简单，只需给电机的两根控制线加上适当的电压即可使电机转动起来，电压越高则电机转速越高。而且改变正负极可方便的改变电机转动的方向，方便改变小车的行进状态。对于直流电机的速度调高，可以采用改变电压的方法，也可采用PWM调速方法。PWM调速就是使加在直流电机两端的电压为方波形式，通过改变方波的占空比实现对电机转速的调节。综上所述采用小型380直流电机 ，电机输出轴连接模数为0.6，齿数为10的齿轮与减速箱一级双联齿轮相连，实现小车驱动轮的大扭力输出。380直流电机参数如下：使用电压范围3.0-12V，额定电压值9V，无负荷转速20160，无负载电流：680MA，最大电流3.8A，额定功率20W，尺寸约:直径27.7MM,长38MM,轴径2.3MM,轴长12.7MM，重量：75克。2.7 机械臂关节驱动机械臂采用机械式驱动，需要对关节的驱动电机进行选择。一种好的电机不仅会给机械臂的动作特性带来提高，而且在运动精度上也会有很大改善，同时安装，及控制方式也会带来很大便利。目前，市面上的各种机械臂的驱动电机有：步进电机，伺服电机，舵机。下面表 2.1，将几种电机的特点进行比较： 表 2.1电机的比较项目 是否反馈 控制精度 低频特性 过载能力 速度相应 成本 步进电机 否 较高 不好 较差 较好 普通 伺服电机 是 高 好 较好 好 高 舵机 是 较高 较好 差 较好 低 由上表可以看出，步进电机和舵机成本较低，伺服电机从哪个方面都是较优的。其中步进电机和伺服电机一般是面向较为大型的工业机器人的关节驱动，而舵机则常常应用在小型的特殊机械臂上面，同时舵机小巧，安装方便。本设计主要是面向小型作业的机械臂，对于驱动力没有太大要求，同时出于成本考虑，最终选择舵机来驱动关节。选用的舵机参数如下：产品名称：TOWERPRO(辉盛)最新大扭力舵机MG996R(MG995升级产品)6v/11Kg。厂家编号：MG996R；净重:55g；产品尺寸:40.7*19.7*42.9mm；产品拉力:9.4kg/cm(4.8V),11kg/cm(6V)；反应速度:0.17S/60(4.8v)，0.14 S /60（6v)；工作电压:4.8-7.2V；工作温度:0-55；齿轮形式:金属齿轮；工作死区:5us(微秒)。实物图如图2.6所示。图2.6 MG996R舵机3 遥控端电路原理及设计3.1 单片机的选择与分析基于五自由度机械手的遥控智能车，采用五自由度机械手五轴联动控制，打破传统的一个个按键微调的控制方式，实现空间抓取物体一步到位。控制流程为：五自由度模拟机械臂采集AD数据，处理好AD数据，无线发送给车载端，车载端接收数据后快速响应，车载五自由度机械手各个关节舵机响应，转动相应角度，带动车载机械臂，做和模拟机械臂相同的动作。用单片机控制则简要的流程为：遥控端单片机发出指令然后读取AD值，接着处理AD值，加载打包数据，发送给无线模块，无线模块发送数据；接收端单片机不断发出指令，读取无线接收模块收到的数据，然后处理分析，生成不同宽度的PWM脉宽信号，给机械臂各个关节的996R舵机，车载机械臂响应完成相应角度转动。单片机处理AD数据,无线发送数据,无线接收数据，产生5路PWM信号，需要花费大量的时间，如果采用普通的51单片机，数据处理较慢，难以满足车载机械臂和模拟机械臂同步运动的要求，需要采用更高处理速度的单片机。经过查阅资料得知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),针对电机控制，强干扰场合。能够很好的满足处理速度快，带AD转换的功能。STC12C5A60S2单片机特性参数如下：1.增强型8051 CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051;2.工作电压：STC12C5A60S2系列工作电压：5.5V-3.3V(5V单片机);3.工作频率范围：0 - 35MHz，相当于普通8051的 0420MHz;4.用户应用程序空间60K字节;5.片上集成1280字节RAM;6.通用I/O口(36/40/44个)，复位后为：准双向口/弱上拉(普通8051传统I/O口)，可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏，每个I/O口驱动能力均可达到20mA;7. ISP(在系统可编程)/IAP(在应用可编程)，无需专用编程器，无需专用仿真器 可通过串口(P3.0/P3.1)直接下载用户程序，数秒即可完成一片;8.共4个16位定时器 两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器 做串行通讯的波特率发生器 再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器;9.A/D转换, 10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S(每秒钟25万次)18.通用全双工异步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的8051，可再用定时器或PCA软件实现多串口;3.2 小车遥控电路设计 采用STC12C5A6OS2为主控芯片，NRF24LO1无线模块实现指令发送，按键响应相应的小车运动指令，切换摄像头，开关小车端的LED夜灯，手动控制和超声波自动行驶切换，数码管显示当前速度档位。具体电路原理图如图3.1所示。图3.1 小车遥控电路3.3 模拟机械臂电路设计模拟机械臂采用电位器和铝合金机械支架做成；操作人员通过操作模拟机械臂，得到五路模拟电压，进入STC12C5A6OS2主控芯片，进行AD转换，转换成数字量，通过NRF24L01无线模块发送信号。具体电路原理图如图3.2所示。图3.2 模拟机械臂发射模块电路图4 车载端电路原理及设计4.1 小车接收电路设计 采用STC12C5A6OS2为主控芯片，NRF24LO1无线模块实现指令接收，数码管显示当前速度档位。采用专用芯片L298N作为电机驱动芯片，一片L298N分别控制两个直流电机；单片机P3.2.P3.3口接HY-SRF05超声波模块，具体电路原理图如图4.1所示。图4.1 小车接收电路4.2 车载五自由度机械手电路设计采用STC12C5A6OS2为主控芯片，NRF24LO1无线模块实现指令发接收，单片机控制PWM,从而输出信号给机械臂的996舵机，舵机转动相应角度带动机械臂转动，实现与模拟机械臂同样的动作。具体电路原理图如图4.2所示。图4.2 五自由度机械臂控制4.3 小车电机驱动电路小车采用双电机驱动，电机驱动采用L298N专用电机驱动芯片做成电机驱动板。L298N是ST公司生产的一种高电压，大电流电机驱动芯片。该芯片的主要特点是工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A,持续工作电流为2A;内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电机，继电器，线圈等感性负载；采用标准TTL逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作；有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作。小车档位转速采用PWM调速方法。PWM调速就是使加在直流电机两端的电压为方波形式，通过改变方波的占空比实现对电机转速的调节。驱动电路如4.3所示。图4.3 电机驱动电路4.4 小车超声波避碍模块小车在远程行驶或作业时，操作人员通过液晶显示终端看到的视频是摄像头看到的小车周围的局部图像，如果小车进入狭长曲折的道路时，人为操控小车因为一时不能够完全看清小车的周围情况，虽然可以通过遥控端控制车载二自由度云台来看清周围的环境，但是这个过程比较费时；加载了HY-SRF05超声波模块则可以在这个时候一键切换为小车自主驾驶模式，使小车快速自主驶出狭长曲折的空间；另外在进入危险区域作业时，启动超声波自主避障，能够很好的避开危险物体，防止小车在人为操作下误撞危险物体。超声波模块如图4.4所示。图4.4 超声波模块5 无线视频实时传输5.1 无线视频方案选择与分析无线视频传输就是指不用布线（线缆）利用无线电波作为传输介质，在空中搭建传输链路来传输视频、声音、数据等信号的监控系统。在无线监控系统中，无线监控中心实时得到被监控点的视频信息，并且该视频信息是连续、清晰的。在无线监控点，通常使用摄像头对现场情况进行实时采集，摄像头通过无线视频传输设备相连，并通过由无线电波将数据信号发送到监控中心；目前主流的无线视频传输有两种方案。方案1：基于网络的数字视频传输，是解决城域间远距离、点位极其分散的监控传输方式，采用MPEG2/4、H.264音视频压缩格式传输监控信号。优点：采用网络视频服务器作为监控信号上传设备，有Internet网络安装上远程监控软件就可监看和控制。缺点：受网络带宽和速度的限制，只能传输小画面、低画质的图像;每秒只能传输几到十几帧图像，动画效果十分明显并有延时，无法做到实时监控。方案2：微波信号模拟视频传输：是解决几公里甚至几十公里不易布线场所监控传输的解决方式之一。采用调频调制或调幅调制的办法，将图像搭载到高频载波上，转换为高频电磁波在空中传输。优点：省去布线及线缆维护费用，可动态实时传输广播级图像。缺点：由于采用微波传输，频段在1GHz以上，常用的有L波段(1.02.0GHz)、S波段(2.03.0GHz)、Ku波段(1012GHz),传输环境是开放的空间很容易受外界电磁干扰;微波信号为直线传输，中间不能有山体、建筑物遮挡;Ku波段受天气影响较为严重，尤其是雨雪 天气会有严重雨衰想象。基于五自由度机械手的遥控智能车，当小车在行驶中和用机械臂抓取物体时，都需要实时监控；另外基于五自由度机械手的遥控智能车用于野外作业时，有便携式要求，不管在何种环境下，只要打开液晶显示终端就能收到视频，不能够依赖网络，否则在没有网络或网络信号不强的环境下难以作业。综合考虑采用方案2符合我们的需求。5.2 视频发送模块采用2.4G远距离无线监控发射模块TX6722，TX6722是工作在2414-2468MHz ISM频段内的FM音视频接收解调模块。模块采用单芯片设计，该芯片集成了VCO、PLL、宽带FM视频解调、FM伴音解调，模块体积小功耗低灵敏度高等特点。具体电路原理图如图5.1所示。图5.1 无线视频发送5.3 视频接收模块采用2.4G远距离无线监控接收模块RX6788， RX6788是工作在2414-2468MHz ISM频段内的FM音视频接收解调模块。模块采用单芯片设计，该芯片集成了VCO、PLL、宽带FM视频解调、FM伴音解调，模块体积小功耗低灵敏度高等特点；具体电路原理图如图5.2所示。图5.2 无线视频接收5.4 液晶显示采用7寸液晶显示屏，加驱动板，连接视频接收模块信号线，实现视频实时显示；具体参数为：产品名称：7寸高清液晶屏产品型号：AT070TN92解析度：800*RGB*480背光方式：LED 电源输入：DC 9V-12V额定功率：2.6W输入信号：AV系统制式：PAL/NTSC驱动板结构尺寸(mm)：73(W)*60(H)*9.2(D)液晶屏外观尺寸(mm)：164.9（W）*100.0（H）*5.7（D）工作环境温度：Low(-10)-High(60)1、一路AV输入,有PAL制和NTSC两种制式，可实现自动转换；2、电位器调节亮度及色彩；3、电源9V-12V范围；适用范围：显示设备、可视楼宇对讲、可视门铃、楼宇对讲、汽车倒车系统、安防监控系统、广告显示、医疗设备、工业控制等领域。实物图如图5.3所示。图5.3 液晶显示模块6 程序设计6.1 编写程序软件 采用Keil uVision4进行单片机C语言程序编写，编译与调试。6.2 遥控小车程序采用按键，数码管，增强型单片机STC12C5A60S2，NRF24L01无线芯片,根据自己所学的单片机知识，电路硬件知识， C语言程序全原创，只要操作人员按相应按键，实现小车响应相应指令如：前进，后退，左转，右转，加档，减档，摄像头切换，车灯开关等。部分相关程序见附录一：1遥控小车程序。6.3 模拟机械臂程序采用旋钮电位器，模拟机械臂支架，增强型单片机STC12C5A60S2，NRF24L01无线芯片,转动模拟机械臂，五个自由度关节的电位器得到相应的模拟电压值，进入STC12C5A60S2处理，进行AD转换，此程序部分参考了STC单片机手册程序，自己优化，加入自己原创算法，处理相关AD值，实现实际机械臂与模拟机械臂同步运动。部分相关程序见附录一：2模拟机械臂程序。6.4 小车接收端程序采用STC89C52RC单片机，NRF24L01无线芯片，L298N电机驱动芯片，HY-SRF05超声波模块，继电器等组成接收电路；程序响应遥控端小车指令，小车作出相关动作；接收到摄像头切换指令，视频信号在机械手摄像头和小车两自由度云台摄像头之间切换；接收到开启LED夜灯命令，小车端开启夜灯，程序全原创。部分相关程序见附录一：3小车接收端程序。6.5 五自由度机械臂程序采用STC12C5A60S2C单片机，NRF24L01无线芯片，组成相关电路，自己编写程序，原创算法，控制舵机，带动机械臂，实现五自由度机械臂联动，而且响应快速。舵机控制中最基本的概念是 PWM 脉冲宽度调制。脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。它是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作为PWM波形，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。可以通过调整 PWM 的周期、PWM 的占空比而达到控制充电电流的目的。 紧接着，舵机的控制一般需要一个 20ms 左右的时基脉冲，该脉冲的高电平部分般为 0.5ms2.5ms 范围内的角度控制脉冲部分。以 180 度角度伺服为例，那么对应的控制关系是这样的： 0.5ms0度1.0ms45度1.5ms90度2.0ms135度2.5ms180度部分相关程序见附录一：4五自由度机械臂程序。7 结论与展望7.1结论经过三个半月的的思考、分析、设计、选器件、制作、编程、调试。最终完成了基于五自由度机械手的遥控智能车各个部分设计；整个过程下来后，对于如何设计一个五自由度机械手和制作一个遥控智能车有了一定的认识，同时也巩固加深了课本上学到的机械和电子设计相关的知识。不仅如此，将模型制作出来，还锻炼了自己的动手能力。整个设计包含了最基本的机械设计，电路设计，单片机编程，完成的主要工作如下： 1）进行了五自由度机械手机械结构的设计，小车底盘选用和相关零件的选用和分析。运用机械原理，机械设计，机器人技术基础等课程中所学的知识，对机械臂的结构尺寸进行了设计。2）对机械臂的关节驱动进行设计。对关节驱动的多种方式，进行了比较选择，在步进电机，伺服电机，舵机中进行比较，罗列出各驱动方式的优劣，最终选择性价比较高的舵机来驱动。同时对于多路舵机的驱动方式进行了设计，即多路 PWM 脉冲的发生方式的设计。 3）对于控制电路和程序进行设计，包括遥控端小车控制和模拟机械臂控制系统，以及车载端小车运动，超声波和车载机械臂控制系统。4）制作出了实物，将各部分的设计运用其中，并且在一定精度许可内满足要求。操作人员控制模拟机械臂即可控制车载五自由度机械臂，简单实用；小车运动通过遥控端无线灵活控制；双摄像头，保证工作视区广阔；超声波避障，在一定环境下实现自主行驶。7.2展望目前对于基于五自由度机械手的遥控车有了一定的设计，但是还是有几个方面有待完善，需要在以后的工作研究中深入： 1）五自由度模拟机械臂的刚度和自锁性能需要改善。模拟机械臂采用1mm的铝合金直角支架和一字支架构成，操作人员操控模拟机械臂的时候有少量抖动，从而使采集的AD值不太稳定，使车载端五自由度度机械手有时抖动；另外模拟机械臂关节处采用了摩擦片自锁，长期使用后自锁性能下降。2）视频实时传输信号有时和小车遥控有冲突。因为采用的都是2.4GHz信号无线传输，视频信号采用的是1W的大功率传输，有时会干扰小车信号，后期视频传输模块可以改成1.2GHz或5.8Hz无线传输。28参考文献1林志炜. 履带式移动机器人运动控制系统设计D.南京理工大学,2008.2肖慧杰. 舞蹈机器人控制系统研究与设计D.东北大学,2006.3韦积慧. 基于nRF24L01的无线网络设计与实现D.吉林大学,2012.4万小丹,孔凡让,李岩,赵小伟. 基于at89c52单片机的机器人关节控制系统设计J. 机电一体化,2008.5 贾伟涛. 单片机控制机械手臂的设计与制作J. 电子制作. 2006(05) .6付丽,刘卫国,伊强. 单片机控制的多路舵机用PWM波产生方法J. 微特电机,2006.7 J.L.Martinez,A.Mandow,J.Morales,S.Pedraza,A.Garcia-Cerezo.Approximating kinematics for tracked mobile robots. Intl.J.of Robotics Research . 2005.8 Zhen Wang,Qing Hu,Jie Huang.Design of Wireless Temperature Collection System Based onnRF24L01. Journal of Electronic Design Engineering . 2009. 9Anonymous. Anaren, Inc.; Anaren Releases Application Note/Layout Package for Nordic Semiconductor Ultra-Low Power, 2.4GHz Transceiver Aimed at Wireless Sports-Device SegmentJ. Electronics Business Journal,2008.10 Tan Guanzheng,Zhu Jianying.Method of mechanism synthesis for biped robots. Transactions of Nonferrous Metals Society of China . 1997.附录一1 部分遥控小车程序：void main() init_NRF24L01();P1M1=0x00; P1M0=0xFF;P1=Numberspeed; while(1) Getdata(); NRF24L01_Txpacket(TXBuf); SPI_RW_Reg(WRITE_REG+STATUS,0xFF); SPI_RW_Reg(FLUSH_TX,0xFF) 2 部分模拟机械臂程序：void main() uchar i; InitTimer0(); init_NRF24L01();InitADC(); while(1)for(i=0;i8;i+) TXBufi=GetADCResult(i)/1.5; 3 部分小车接收端程序：void init_NRF24L01(void) delayus(10);CE=0;CSN=1;SCK=0;IRQ=1;SPI_Write_Buf(WRITE_REG+TX_ADDR,TX_ADDRESS,TX_ADR_WIDTH);SPI_Write_Buf(WRITE_REG+RX_ADDR_P0,RX_ADDRESS,RX_ADR_WIDTH);SPI_RW_Reg(WRITE_REG+EN_AA,0x00);SPI_RW_Reg(WRITE_REG+EN_RXADDR,0x01);SPI_RW_Reg(WRITE_REG+RF_CH,0x4D); SPI_RW_Reg(WRITE_REG+RX_PW_P0,RX_PLOAD_WIDTH);SPI_RW_Reg(WRITE_REG+RF_SETUP,0x07); 4 部分五自由度机械臂程序：void main() init_NRF24L01();InitTimer0();while(1) SetRX_Mode(); if(IRQ=0) nRF24L01_RxPacket(RXBuf); LED=LED; 致谢本设计是在指导老师周华茂、康丽春老师的大力支持和悉心指导下完成的。在设计过程中我遇到了不少机械和电子的问题，老师都不知疲倦、不厌其烦的给我分析和讲解，而且也给我灌输了一些先进的设计方法和设计理念，使我大受裨益。他们严肃的科学态度，严谨的治学精神，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，周老师和康老师始终给予我细心的指导和不懈的支持。在此我谨向周老师和康老师两位老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。同时在设计过程中，有机制1003班王俊斌，电子信息工程1102王新海同学以及班上同学的帮助一起探讨设计课题、步骤、方法等；但是由于该设计许多方面的细节问题涉及面太广，而本人知识面和能力都极其有限，也因为时间仓促，因而不能科学详尽地做出正确的判断和选择。所以设计中难免出现很多错误。虽然有这些不足和遗憾，但是总的来说，此次设计学到了很多东西的。并且最终独立的完成总体机械设计，电路设计和程序编写调试，成功的完成了老师布置的任务。如果有不够完善的地方还请各位老师批评指正。本文同时参考了大量的文献资料，在此，我要感谢机械和电子行业的前辈们，是你们不断的摸索和高超的智慧总结出来的经验给我夯实了学习的基础，在此表示衷心的感谢。