
毕业论文-机器爬虫的研制总体设计思路.doc
14页1.11.21.3昆虫相关知识 电机相关知识 系统流程2.方案比较与论证 22. 1 中央控制系统 22.2爬虫足数选择 32.3 电机选择 32.4传感器选择 42. 5 运动方式选择 42.5.1直线行走方案 2.5.2自动避障方案 2.5.3转弯方案……3.系统设计 3.1原理分析与说明 3.1.1微型伺服电机控制原理分析3333.2 33.3 3 33.4 3 3 33.51112334 4 42爬虫直行原理分析 3爬虫自动避障原理分析…•4爬虫转弯原理分析 器件的选型与外围部件的制作- 1 中央控制系统AT89C2051 电路设计与说明 1. 控制系统电路 2. 电源电路 机械构架的设计与制作 1. 选材 2. 加工 3. 调试、打磨 自由度的选择 4. 系统调试••… 4. 1硬件调试 4.2软件调试5. 指标测试••…6. 系统说明••…••5.•5"5•6••7••7••7••7.•8••8••8••8••8•9•9•9•9•9•910106.1 使用说明 106.2 技术特点 106.3系统设计理念及创新 117.结束语 11参 121. 总体设计思路随着当今世界电子技术的迅速发展,机电一体化成了一个无法避免的发展趋 势。
与此同时,生物学和技术学和结合的交叉学科仿生学也在快速发展而机器 爬虫乂恰好是机电一体化与仿生学的一个交义点,这就非常值得我们对它进行研 宄和制作了由于是交叉学科,所以我们在研制的过程当中必然要对所有相关的学科都有 一定的丫解首先,我们研宄丫一些昆虫方面、电机方面的知识1.1昆虫相关知识我们的设计是从仿生学的角度出发,模拟和实现昆虫的一些基本行为和动 作因而在前期对昆虫的相关知识做了基本的研究其中主要用到了六足爬虫行 走时的动作特点我们发现,昆虫行走是以三条腿为-组进行的,即一侧的前、 后足与另一侧的中足为一组这样就形成了一个三角形支架结构,当这三条腿放 在地面并向后蹬时,另外三条腿即抬起向前准备轮换,靠两组腿前后交替运动而 行走让我们具体来看看一组中的三条腿是怎样相互配合的:前足用爪固定物体 后拉动虫体向前,中足用来支持并举起所属一侧的身体,后足则推动虫体前进, 同时使虫体转向这种行走方式使昆虫可以随时随地停息下来,因为重心总是落 在三角支架之内并不是所有昆虫都用六条腿来行走,有些昆虫由于前足发生了 特化,有了其他功用或退化,行走就主要靠中、后足来完成了1.2电机相关知识从广义上讲,电机是电 能的变换装罝,包括旋转电 机和静止电机。
旋转电机是 根据电磁感应原理实现电能 与机械能之间相互转换的一 种能量转换装置;静止电机 是根据电磁感应定律和磁势 平衡原理实现电压变化的一 种电磁装置,也称其为变压 器我们这里使用的是旋转 电机,其具体分类如图2:售3电机 电 动 机 发电机功率电动机制动电机位貫信号电机速度信号电机.氷磁直流电动机直流电动机交流电动机励磁直流电动机他励 并励 串励 复励异同电电步步动动直交流两用电动机伺服电动机步进电动机力矩电动机开关磁阻电动机无刷直流电动机1. 3系统流程图最后,我们又对机电一体化作了一定的学习,对上面所学的知识作了归纳、 总结;设计并制作了电路、机械构架,而且力求用最少的电机完成最多的功能(如 模仿爬虫的动作、生理功能等)并制定了可发展0标:实现多只机器爬虫的 通讯,相互配合完成-定的任务具体系统流程图如下:开始 复位直行右转弯 左转弯复位机器爬虫系统流程2. 方案比较与论证2.1中央控制系统考虑到爬虫的功能比较简单,以及爬虫的驱动所选取的电机为普通伺服电 机,力矩不是很大,所以我们采用ATMEL的AT89C2051单片机作为机器爬虫 的核心控制芯片,目的是为了尽量将爬虫制作的小巧一些。
2.2爬虫足数选择方案一:四足优点:制作简单缺点:平衡性差,支撑性能差方案二:/、*足优点:制作难度适中,平衡性好,支撑性能好缺点:电机匹配调试复杂方案三:八足优点:制作难度高,平衡性好,支撑性能好缺点:电机匹配调试非常复杂综上所述,我们考虑使用难度适中的六足爬虫方案2.3电机选择在机器人控制领域最常用的电机有两种:伺服电机、步进电机我们对这两 种电机作了一些比较方案一:伺服电机优点:控制简单,反映速度快,体积小,功耗小,大扭力,装配灵 活,相对经济缺点:首先它是一个精细的机械部件,超出它承受范围的外力会导 致其损坏,其次它内藏电子控制线路,不正确的电子连接也 会对它造成损毁方案二:步进电机优点:通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目 的;同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和 加速度,从而达调速的目的因此在需要淮确定位或调速控 制时均可考虑使用步进电机缺点:由于步进电机存在空载启动频率,所以步进电机可以低速正 常运转,但若高于一定速度时就无法启动,并伴有尖锐的啸 叫声;不同厂家的细分驱动器精度可能差别很大,细分数越 大精度越难控制;并且,步进电机低速转动时有较大的振动 和噪声。
为了在体积、质量上尽量的小,而且控制方便,我们选择了功耗比较低、控 制较为灵活的伺服电机2.4传感器选择方案一:微波传感器优点:感应距离远,灵敏度高,还可附带测距功能缺点:覆盖而积过大,价格昂贵方案二:红外传感器优点:调节方便,使用简单缺点:覆盖面积小,可测距离与器件价格成指数关系方案三:轻触开关优点:调节简单,价格低廉缺点:灵敏度低综上考虑,我们选择了轻触开关2. 5运动方式选择2.5.1直线行走方案通过对单片机编程,设定脉冲输出,驱动伺服电机实现直线行走优点:控制灵活,步幅可调缺点:由于电机不是完全匹配,在直线行走的调节上难度很大,只 能通过不断的对程序改动来实现2.5.2自动避障方案使用轻触开关作为机器爬虫的触角,将轻触开关检测到障碍物的信号传 给单片机,单片机通过中断方式识别识别后先后退,再转弯,最大限度的 模仿了爬虫的功能优点:中断方式比査询方式反映速度快,节省单片机资源 缺点:对电磁干扰敏感,容易发生异常中断2.5.3转弯方案通过单片机给伺服电机不同脉冲的方法实现差速转弯优点:转弯稳定缺点:速度慢3. 系统设计3.1原理分析与说明3.1.1微型伺服电机控制原理分析1)微型伺服电机内部结构一个微型伺服电机内部包括了一个小型直流电机;一组变速齿轮组;一个反 馈可调电位器;及一块电子控制板。
其中,高速转动的直流电机提供丫原始 动力,带动变速(减速)齿轮组,使之产生高扭力的输出,齿轮组的变速比 愈人,伺服电机的输出扭力也愈大,也就是说越能承受更人的重量,但转动 的速度也愈低小型直流马达变速齿轮组可调电位器电子控制板2)微行伺服电机的工作原理一个微型伺服电机是一个典型闭环反馈系统,其原理可由下图表示:控制脉冲比例电压减速齿轮组由电机驱动,其终端(输出端)带动一个线性的比例电位器作位 置检测,该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给控制线路板,控制线路板将其与输入的控制脉冲信号比较,产生纠正脉冲,并驱动电机正向或反 向地转动,使齿轮组的输出位置与期望值相符,令纠正脉冲趋于为0,从而达 到使伺服电机精确定位的目的3)伺服电机的控制标准的微型伺服电机有三条控制线,分别为:电源、地及控制电源线与地 线用于提供内部的直流电机及控制线路所需的能源,电压通常介于4V〜6V 之间,该电源应尽可能与处理系统的电源隔离(因为伺服电机会产生噪音) 甚至小伺服电机在重负载时也会拉低放大器的电压,所以整个系统的电源供 应的比例必须合理输入一个周期性的正向脉冲信号,这个周期性脉冲信号的高电平时间通常在 lms〜2ms之间,而低电平时间应在5ms到20ms之间,并不很严格,K表表 示出一个典型的20ms周期性脉冲的正脉冲宽度与微型伺服电机的输出臂位置 的关系:褕入正脉冲宽埂(周期为2CtaS> .佝朋马达输位B0 5m^一-90.1 0ms、勿• 45.1 ••r~ —< ♦■- - •1 女 0.• 曹 攀/45〜2 Smt< 參 ♦褊舞 90.3.1.2爬虫直行原理分析昆虫行走的特点(这里以六足爬虫为例):昆虫行走是以三条腿为-组进行的, 即一侧的前、后足与另一侧的中足为一组。
这样就形成了一个三角形支架结构, 当这三条腿放在地面并向后蹬时,另外三条腿即抬起向前准备轮换,靠两组腿前 后交替运动而行走让我们異体来看看一组中的三条腿是怎样相互配合的:前足 用爪固定物体后拉动虫体向前,中足用来支持并举起所属一侧的身体,后足则推 动虫体前进,同时使虫体转向这种行走方式使昆虫可以随时随地停息下来,因 为重心总是落在三角支架之内并不是所有昆虫都用六条腿来行走,有些昆虫由 于前足发生了特化,有了其他功用或退化,行走就主要靠中、后足来完成了3.1.3爬虫自动避障原理分析自动避障主要采用的器件是轻触开关,它有三个接头,中间接头与系统信号 接U连接两边的其中一个作为低电平输入,另一个作为高电平输入我们用轻 触开关做成爬虫的左右两个触角,在爬虫直线行走的过程中,当它的一个触角碰 到障碍物吋,触角的一端跟中间的信号接头连通,此吋向系统发出一个高电平(或 低电平)信号,从而启动后退、转弯程序当左边的触角碰到障碍物吋,就调用 右转程序来绕开障碍物当右边的触角碰到障碍物时,就调用左转程序来绕开障 碍物3.1.4爬虫转弯原理分析通过单片机给伺服电机不同脉冲的方法实现差速转弯差速器是汽车驱动桥的主件,最早由法国雷诺汽车公司的创始人路易斯•雷 诺发明,它的作用就是在向两个半轴传递动力的同时,允许两边半轴以不同的转 速旋转,满足两边车轮尽可能以纯滚动的形式作不等距行驶,减少轮胎与地面的 摩擦。
我们这里借鉴了差速器的一些观念,给左右两电机不同的正脉冲,则左右两 电机就会以不同的转角工作,这样就可以实现爬虫的转弯,而且也减少了爬虫的 腿与地而的摩擦使得原本驱动能力很小的电机也可以带着大质量的负载完成转 弯动作3.2器件的选型与外围部件的制作3. 2. 1 中央控制系统AT89C2051AT89C2051是美国ATMEL公司生产的低电压,高性能CMOS 8位单片机, 片内含2K bytes的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和128 bytes的随 机存取数据存储器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技 术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位处理器和Flash存储 单元基于以上特点,加之AT89C2051为双列直插20管脚结构,比较小,适合总 体要求的小而轻的原则所以我们选用该芯片3.3电路设计。












