轮式机器人电机驱动系统设计

本科毕业论文（设计、创作）题目： 轮式机器人电机驱动系统设计 学生姓名：学号：081002100 所在院系：专业： 电气工程及其自动化 入学时间： 2010 年 9 导师姓名：职称/学位： 副教授/硕士 导师所在单位：完成时间： 2014 年 5 月 安徽三联学院教务处 制轮式机器人驱动系统设计摘 要：随着社会的发展，机器人逐渐受到了人们的重视，可移动轮式机器人的研究具有极其重要的意义。其关键的问题就是要解决机器人在复杂环境下系统的正常运行和控制，因此轮式机器人的驱动系统显得尤为重要。本文设计了一款智能轮式机器人的驱动系统，此系统的核心是STC89C52单片机，通过系统产生的宽带调制信号，加上L298N驱动芯片控制直流电机的运行参数，可实现机器人的基本动作：前进、后退、左右转向、速度控制以及避障循迹功能。此次系统研究为机器人驱动系统的发展与创新积累了经验，对机器人控制系统的研究发展具有理论与实践价值。关键词：驱动； PMW； 单片机； 速度控制； 方向控制Wheeled Robot Drive System DesignAbstract: With the development of the society,robot has gradually become more popular. It is more important to research the removable wheeled robot .The key problem is that how to operate and control the robot in complicated situation, so the drive system of it plays an important role. This dissertation is dedicated to showing a new design of intelligent removable wheeled robot whose kernel lies at the STC89C52 Single Chip Micyoco.The signal of PMW produced by that system and also the operating parameter of direct-current machine controlled by L298N drive chip could realize the basic movement of the robot ,such as advance, back ,turn, speed control,and the function of avoiding obstacles and following previous track. This research gathers experience for the development and creation of robot drive system ,and it also has a high theoretical and practical value of the development of the robot control system.Key words:drive; PMW; Single Chip Micyoco; speed control; direction control目录1绪论11.1引言11.2研究背景和意义11.3研究内容22驱动系统方案设计32.1主控系统32.2电机驱动模块32.3机械系统42.4电源模块43主要零部件及技术分析53.1单片机的介绍53.1.1 时钟电路6复位63.1.3 STC89C52主要功能63.2驱动模块方案的分析73.2.1 H型桥式驱动电路73.2.2 L298N驱动模块组成及各部分功能93.3PWM控制12PWM调速简介123.3.2 PWM控制电机的特点12 PWM输出波形和计算133.4直流电动机特性简介134机器人运动控制介绍164.1总体设计概括164.2外围电路拓展16避障模块164.3控制流程图错误！未定义书签。5 总结20致谢21参考文献221 绪论1.1 引言当今社会发展迅速，人民生活水平提高，自动化设备充实了我们的生活，方便了我们的生活，提高了人们的生活和工作质量。机器人的发展也及其迅速，从以前的国家高端军事航空领域渗透到我们生活中的每个角落。小至楼宇办公、餐医疗，大到航空航天、军事武器、重工业生产，大量的各种各样的机器人充实着我们的生活，其环境适应能力强，能够完成人类不能完成的任务。随着现代化的逼近，人们都机器人的需求越来越高，机器人的种类需求越来越大，机器人所肩负的使命越来越重要，使机器人的控制变得越来越复杂。现在整体机器人研究方向朝三个目标发展：一是机器人的高智能化。二是让机器人更像人。三是让机器人更小，能够胜任更精细的工作。因此需要在机器人的驱动控制系统以及算法上深入研究。1.2研究背景和意义进入21世纪，经济全球化及多元化快速发展，人类进入智能化信息化时代。人们对信息的获取量、信息的传递周期、人们的生活水平、工作质量提出了更高的要求。更多信息，更舒适的生活环境，更方便快捷的工作方式是现代每个人所共同期望的。机器人在各个领域发展极为迅速，在各个技术难题上都有了很大的突破。生活类的机器人走进了普通家庭，如安保、教育、清洁、服务、娱乐、康复、治疗等智能机器人获得了极高的评价和社会实用价值，为广大人们所欢迎。机器人技术是众多学科知识交叉融汇的结晶，对人工智能、模式识别、自动控制、电子电气、机械设计电子电路等多个学科提出了很高的要求，复杂条件下运动控制系统是机器人完成智能化多功能化中最基础的研究内容，它涉及自动控制，电子电气，电子电路等多个领域；机器人运动控制系统的研究是机器人智能化进程中的关键所在，对自动控制、电子电气相关领域的发展意义重大。现代工业、军事装备、航空航天以及民用领域无处不依赖机器人，其对我国现代化建设提高人民工作生活质量意义重大。机器人可归结为三个大类，第一种是一代机器人，亦可称作示教再现型机器人，是通过一台计算机来控制一个可自由调整工作角度的机械，将程序和信息存储进入示教，机器运行时随时调取数据信息发出指令。如此便可重复的根据实时示教结果，再现出种动作，例如点焊机器人，它只要首次完成点焊示教，以后便重复这种工作，但是其不能感知外界环境，所以此种机器人不能独自判断用力大小工件是否存在以及焊点的好坏，因此第一代机器人存在很多缺陷。自20世纪70年代末期，第二代机器人的研究相继开始，称作带感觉的机器人，这种带感觉的机器人能模仿人类的某些感觉，如力度的大小、触碰、滑落、视觉成像、听力和人进行相类比，有了这些基础感知能力，当机器人抓一个物体的时候，它实时用力大小就能感觉出来，亦能够通过视觉成像，去感受和识别它的形状、大小、颜色。拿一只鸡蛋，其能通过特种触觉实时测算力矩和滑动的情况。第三代机器人，是现代对机器人研究中所要攀登的最高阶段，称为智能机器人，此种机器人可人工声控，只需下达命令机器人就能以特种方式完成任务，也就是其能自主思考将要如何完成任务。能像人一样去思考一件事情该怎么去做，该不该做，此种概念型机器人还局限在某些领域内能够达到这种智能水平，完全具备像人脑这样的思维境界的机器人还不存在，但是我们相信科技的发展进步，更多智能概念的丰富，将会向着这种概念型机器人无限趋近。1.3研究内容对于工业机器人的设计可分为三部分：执行部件、驱动系统和控制系统。控制系统包括决策、策略构思和执行机构。决策层可实时识别环境，构建模型概念，将将要执行的任务分割成最基础动作序列；策略层将基本动作转变为关节坐标协调变化的规律，分配给各关节的伺服系统；执行机构将某种特定序列及坐标变化规律分配给不同的关节伺服系统。一般对机器人的研究有对机器人在运动中平稳性的研究；有在复杂环境下自主运行及自我诊断的研究；有对机器人在不同环境下的通讯能力的研究；还有对机器人小型化甚至微型化的研究。本设计的是一种基于单片机最小系统的轮式移动机器人的驱动系统。此系统选用STC89C52单片机为核心，通过其产生的PWM信号控制驱动芯片；系统连接完成，实现对电机的起停调速控制。因此我们需要研究驱动电路的控制原理以及实现方法，了解何为PWM及其产生方法、工作原理，单片机对机器人的控制原理，控制算法，讨论使用何种电源。了解机器人的电源分配、稳压、电路保护方法，选择合适的电机种类为其动力装置，保障机器人的灵活性。2 驱动系统方案设计及论证2.1主控系统依据设计内容的要求可知此系统输入变量多，系统控制复杂，因此可草拟两种设计构思进行整体比较论证，论点如下：方案一：选用一片CPLD（如EPM7128LC84-15）作为系统的核心部件，实现控制与处理的功能。CPLD运算速度快、编程较为简单、可用资源颇为丰富、开发实现周期短等优点，编程可用VHDL语言。但CPLD在控制上不如单片机，其运算速度极快，机器人的运转速度不需要很高，所以其整个系统不需要过高的信息处理能力，按照此种要求，MCU就足能完成处理任务。所以此种方案会给控制问题带来很多不必要的麻烦，不优先考虑此种构思。方案二：以单片机为系统核心，实现对运行中的机器人实时数据采集处理，达到需要的性能指标。实际上此系统关键是要对机器人运动控制实现，重点放在这上面的话，不难发现单片机具有很大的优势，控制简单快捷，这样一来，资源极其丰富、控制能力极强以及可位寻址的优点显露无疑。因此此种构思较为理想此设计内容具有如下特点：开关量输入量多，系统控制较为复杂，因此不宜使用精简版的点数极少的单片机。为此可选用STC89C52单片机作为系统的核心，因为其具有很强的位操作功能，输入输出口也可四线位寻址，此系列单片机拥有8K可用资源，足以满足系统要求，其次51单片机低廉的价格也是其不可掩埋的优势。两种方案对比中选择51系列单片机更适合此系统，故决定采用STC89C52为此设计的核心处理器。2.2电机驱动模块方案一：用继电器控制电机的运行和停止,利用开关档的切换控制小车的速度，这样设计出来的电路极为简单易懂容易实现,但是长时间的高频率的开关降低了继电器的使用寿命，而且继电器响应时间慢可靠性不高。方案二：电机速度和运行状态的调节可使用电阻网络或者数字电位器。关键在于电阻网络不能实现连续调速，可靠性不高，性能指标不易实现。数字电位器价格代价过高，在此系统使用不够理想。电机阻值较小且电流又比较大，效率很低难以实现分压。方案三：直流电动机的控制可用功率三极管。由达林管可组成H型桥式电路，线性驱动电路不仅电路和原理简单而且其具有较强的加速能力，采用此种H桥电路只要工作在占空比可调的状态便可实时精确调节电机运行状态，而且此电路运行效率可观，调节精度高，控制简单稳定性好，是很常用的PWM调速技术。根据以上分析，此系统可选用L298N电机驱动芯片。2.3机械系统此种机器人要求机械系统稳定，运动灵活简单，可采用两轮式前驱方式，两轮各由一部直流电机带动，利用前两轮差速控制其转向，后轮可采用双轮亦可采用万向轮从动，亦起到支撑作用使整个硬件系统稳定平衡。由于机器人装有两个电机、电池包、电路板等电子器件，使整个机械系统较重，为了能轻松完成机器人的启动，平稳运行，可在电机和轮轴之间装上三级调速齿轮。可将电池包安装在整个机械系统的前方，保证整体重心较低，提高系统稳定性，也增加了前轮的抓地能力，不会因为打滑而使系统失控。2.4电源模块用两块分别为6V和12V的电池包分别为电动机和驱动芯片供电，既保证了的可持续性，又可保证芯片的不受电机波动对电流的影响。3主要零部件及技术分析3.1单片机的介绍STC89C52具有一个8K的只读存储器，且可编程可擦除，性能很高，通常简称为单片机。此种单片机制造技术先进，价格低廉，并且兼容于MCS-51指令集和输出管脚。图1 STC89C52实物图图2 STC89C52引脚图3.1.1 时钟电路STC89C52单片机有两种时钟产生方式，其内部振荡器是有两只反向放大器构成。采用内部方式产生震荡时只需外界定时原件便可在内部产生自激震荡。采用外部时钟电路时只需保证脉冲宽度即可，正常采用12MHz一下方波信号。3.1.2复位复位是单片机的初始化操作。执行此复位操作可将PC值置0。当进入系统时将进行正常情况下的初始化，如果出现系统锁死时也可手动按键复位重启。复位操作也会对其他寄存器产生影响，其复位值如下表所示。表1寄存器复位状态寄存器复位状态PC0000HTCON00HACC00HTL000HPSW00HTH000HSP07HTL100HDPTR0000HTH100HP0-P3FFHSCON00HIPXX000000BSBUF不确定IE0X000000BPCON0XXX0000BTMOD00HRST引脚是复位信号的输入端。复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期(即二个机器周期)以上。3.1.3 STC89C52主要功能如下表：表2 STC89C52主要功能兼容MCS51指令系统8K可反复擦写Flash ROM32个双向I/O口256x8bit内部RAM3个16位可编程定时/计数器中断时钟频率0-24MHZ2个串行中断可编程UART串行通道2个外部中断源共6个中断源2个读写中断口线3级加密位低功耗/掉电模式睡眠/唤醒3.2驱动模块方案的分析机器人的工作可持续性以及稳定性的指标，电池包的性能起到决定性作用，其次取决于电机驱动系统的效率。电动机器人驱动系统可细分为控制器、功率变换器及电机。高转矩、较大的宽带调速范围、较高的可靠性是电动轮式机器人驱动系统的基本要求。本系统采用的是直流电动机，此电机控制简单，性能好，而且直流电源在移动物体上容易实现。3.2.1 H型桥式驱动电路因为此驱动电路的形状很像字母H，所以简单称其为H桥驱动电路，现在直流电机的驱动电路多采用此种H型全桥，此种电路可很容易的实现电机基本运行方式，如正反转和正反制动。它的基本原理如图3所示：图3 H桥驱动电路当Q1、Q4工作在导通状态时，电流就从正极经过Q1三极管流经电机到达Q4，直到流回负极形成回路电流，如下图4所示，粗的黑色箭头标明的是电流流动轨迹，细的环形箭头标明的是电机转转方向。图4 H桥电路驱动电机顺时针转动同理，图5标明了另外两只三极管导通时的电机及电流运行轨迹。图5 H桥驱动电机逆时针转动图6 具有使能控制和方向逻辑的H桥电路值得注意是必须要保证电机正常运行，就要控制同侧的两个管子不能同时工作在导通状态。如果三极管Q1和Q2同时导通，那么电流就会从正极穿过两个三极管直接回到负极。因为此电路中用电器比较少，电流很大从而烧坏三极管，所以在实际应用时要通过电路来控制三极管开关。 如上图6所示，通过电路的进一步改进，在此电路上加了四个与门两个非门，便可保证H桥的同侧最多只有一个三极管可以导通。综上所述，控制两个方向信号及一个始能信号便可控制电动机的运行，DIR-L=0则DIR-R=1，始能信号=1，电机正传；反之电机反转，如图7所示。图7 使能信号与方向信号的使用3.2.2 L298N驱动模块组成及各部分功能此种驱动芯片是SGS公司旗下的产品，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动机、继电器线圈等感性负载；标准逻辑电平信号控制；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；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。使用L298N芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机。二相及四相电机专用其作为驱动器，可驱动46V、2A以下电机，其实物及引脚图如下图8和图9所示：图8 L298N芯片实物图图9 管脚图表3 L298N参数尺寸80mmX45mm工作电压控制信号直流5V，电机电压直流3V-46V最大工作电流2.5A额定功率25W特点具有信号指示，转速可调，抗干扰能力强，具有电压和电流保护，可独控制两台直流电机，PWM脉宽平滑调速，可实现正反转。图10 管脚连接示意图接口连接说明：+5V：芯片电压5V。VCC：电机电压12V。GND：共地接法。IN1-IN4接单片机。ENAENB接单片机高电平有效。L298N逻辑功能如下表：表4 L298N逻辑功能表IN1IN2ENA电机 XX0停止101顺时针011逆时针000停止110停止3.3PWM控制3.3.1PWM调速简介PWM控制技术是一种脉冲宽度调制技术，采用该技术可等效获得想要的波形。通过控制电路通断来获得所需脉冲。用此方式输出的波形平滑谐波少，再按特定规则进行脉宽调制，获得所需电压大小和输出频率。要控制电机转速，通常采用脉宽调制（PWM），基本方法是在特定频率下向电机提供脉冲方波，利用不同占空比的方波信号对电机进行调速。其原因是电机线圈会产生很大的感抗，阻碍了输入电流和电压的突变能力，这样的话脉冲输入信号就被分配到作用时间上，通过改变始能端输入方波的占空比来改变电机两端的电压大小，从而达到精调电机转速的目的。以下介绍两种方法实现脉宽调制：（1）用软件方式来实现：编写延时程序，当执行程序时交替改变端口输出状态，即可获得脉宽调制信号。要获得不同的占空比只要改变延时时间。（2）采用硬件获得调制信号，无需CPU参与，减小CPU处理周期。3.3.2 PWM控制电机的特点电机在静止状态下突然启动时会有一个很大的静态摩擦力，电机转子与负载质量会产生摩擦力，电动机本身也会产生很大的摩擦力，可简单概括为电机启动时的阻力力矩，当电机的转矩小于阻力力矩时电机无法启动，且会因此系统会产生大量的热量，但是这种方法也有其优点，就是控制原理简单输出波动小，线性好，对其他电路干扰小。只要半导体功率器件工作在开关状态便可通过宽带调制控制电机出入电压，进一步控制电机运行速度。开关驱动方式可调节功率半导体工作在此状态，当开关管的驱动信号为高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压U。在连续的两个时间区间内驱动信号高低电平切换，以此重复即可。3.3.3 PWM输出波形和计算图11电压波形图电枢绕组两端电压平均值U为：U =（t1U）/（t1t2）=( t1U)/T=D*U式中D为占空比，D=t/T，D为一个周期T内的开关管导通时间t与T的比值。D在0 D1区间内变化，占空比D的大小决定着电压平均值U，通过改变D的值改变输出电压的值，实现PWM调速。可用宽频调速、调款调频、定频调宽法调整占空比，通常采用的是定频调宽。占空比越大则输出平均电压越大，电机转动的也就越快，反之越慢。3.4直流电动机特性简介直流电动机的机械特性方程式为：式中 UN 、N 额定电枢电压、额定磁通量； Ke 、Kt 与电机有关的常数； Rad、Ra电枢外加电阻、电枢内电阻； n0、n理想空载转速、转速降； n-电动机转速。 分析上式可得，当分别改变 UN和 Rad时，可以得到不同的转速 n，从而实现对速度的调节。由于 =F(If)，当改变励磁电流If时，可以改变磁通量N的大小，从而达到变磁通调速的目的。但由于励磁线圈发热和电动机磁饱和的限制，电动机的励磁电流 If和磁通量 N只能在低于其额定值的范围内调节，故只能弱磁调速。而对于调节电枢外加电阻 Rad 时，会使机械特性变软，导致电机带负载能力减弱。于他励直流电机来说，当改变电枢电压 UN时，分析人为机械特性方程式，得到人为特性曲线如图16所示：图12 直流电机机械特性曲线如图15所示，理想空载转速n0随电枢电压升降而发生相应的升降变化。不同电枢电压的机械特性曲线相互平行，说明硬度不随电枢电压的变化而改变，电机带负载能力恒定。当我们平滑调节他励直流电机电枢两端电压时，可实现电机的无级调速。基于以上特性，改变电枢电压，实现对直流电机速度调节的方法被广泛采用。4 机器人运动控制介绍4.1总体设计概括根据以上技术及专业知识分析，此系统以STC89C52单片机为核心，采用两块L298N驱动芯片分别驱动两个直流电机，通过PWM脉宽调速控制直流电机转速。整体采用三轮机械设计，前面设计两轮差速控制方向，后轮可采用两轮从动，也可采用万向轮做支撑。电源采用分开供电方式，用两块电池包分别为电机和单片机供电。4.2 外围电路拓展要实现机器人的运动控制，就要求其要具备基本的前进后退，左转右转以及避开障碍物的能力，这些功能要求其自主完成。下面介绍机器人避障功能的实现。4.2.1避障模块机器人避障有一下三种基本情况。第一种正前方障碍避障；第二种左侧障碍避障；第三种右侧障碍避障。所以要实现以上三种避障功能，需要在小车上至少安装三组红外对管，一个安装在正前方，另外两个安装在小车前方，方向向外偏30度到45度角，具体角度需要实物调试。1.机器人启动后正常运行轨迹应该是直线运行，当前方晕倒障碍物时，可设定其规律性左转避障，左转一定的角度，前进一定的距离，如此重复运动，当前方不在有障碍物时，再按照之前转动的角度和次数右转，成功避开障碍物时再按照原始方向前进。2.正常运行时，前方左侧红外探头检测到障碍物时，可设定其规律定右转一定角度，再前进一定距离，若不再检测到障碍物时，再让机器人按照原来转动的角度和次数左转，以便回到以前的方向运行。3.当右侧红外探头检测到障碍物时，设定其一律左转。左转前进交替进行，直到不再检测到障碍信号为止，再按照左转的角度和次数右转，回到原来的方向上运动。 实际上除了以上三种情况，还有可能两个或者三个红外对管都检测到障碍信号。若左侧和前方对光管同时检测到信号，则规定其按照第2中情况作出相应动作。若右侧和前方同时检测到信号，则按照第三种情况处理。若三个管子同时检测到信号，则程序控制机器人停止前进，并后退一一段距离至信号消失，再按照情况3处理。如下图13所示为红外对管发射和接收管实物图。红外发射管发射红外光信号，当遇到障碍物时，其发射的红外光会反射给接收管，此时电力路接收到障碍物信号，信号转变为电信号送给单片机处理，做出相应动作。图13 红外发光和接收对管4.3控制流程图Stc89c52时钟电路复位电路电机驱动电路路diandianlu 避障红外对管图14 主板设计框图启动前进障碍？停止壁障?停止?YNNY图15 机器人运动控制流程图表5元器件清单原件数量原件数量原件数量直流电机2只电阻若干L298N2只单片机一块二极管若干电容若干红外对管3只电位器若干12MHz晶振1只玩具车框架一个排针若干固定绑线若干图16 电机驱动电路图5 总结此系统是以STC89C52单片机为核心的轮式机器人驱动系统。采用L298N电机驱动芯片及PWM技术基本实现机器人启停转向速度控制，另外通过对外围电路的拓展增加了系统的循迹和避障功能，使整个系统功能更加完善。通过此次设计我掌握了以前不熟悉的知识，认识了很多新的东西。使我认识了自己在很多方面的欠缺不足。致谢经过查阅众多专家老师的文献资料，整理编写了这样一篇轮式机器人驱动系统的设计论文。在构思过程中，指导老师和同学给予了很多宝贵的意见和建议，在设计过程中，陈老师教会了我思考问题解决问题的方法，在设计所需资料及环境上给与了大力支持和帮助。在此我对陈老师表示真挚的感谢！同时感谢所有帮助过我的同学！感谢老师抽出宝贵的时间对本文评阅！ 参考文献1郭惠.吴迅. 单片机C语言程序设计完全自学手册M. 电子工业出版社，2008.10：1-200.2王东锋.王会良.董冠强. 单片机C语言应用100例M. 电子工业出版社。2009.3：145-300.3赵巍.冯娜. 单片机基础及应用M. 北京：清华大学出版社，2009:94-103.4 高慧芳.单片机原理及系统设计M. 杭州：杭州电子科技大学.2008：124-174.5 聂诗良.李磊民. 采用单片机发送并接收红外遥控信号的方法J. 信息技术.2004,28（2）：21-96.6 施新华, 利用单片机实现的红外遥控技术.J. 上海电机学院学报.2006,9(3)：69-71.7韩毅.杨天. 基于HCS12单片机的智能寻迹模型车的设计与实现J.学术期刊.2008，29（18）：1535-1955.8王晓明. 电动机的单片机控制J. 学术期刊.2002，13（15）：1322-1755.9何立民,单片机应用系统设计M. 北京：航天航空大学出版社，2002：4650.10李广弟, 单片机基础M, 北京：北京航空航天大学出版社，2001：5664.11Yamato I , et al 1 New conversion system for UPS using high fre2quency linkJ 1 IEEE PESC ,1988 :210-320.12Yamato I , et al 1 High frequency link DC/ AC converter for UPSwith a new voltage clamperJ 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