敲鼓机器人驱动控制部分的设计.doc

1、摘 要本文依据2009全国大学生机器人电视大赛的要求完成一个击鼓机器人。机器人设计包括机械架构的设计、电路硬件的设计和软件系统设计，最终击鼓机器人能够实现自主识别上轿、下轿和敲鼓的功能。本次设计主要完成有三方面工作。机械机构：机器人的底盘架构选择了轮式差速驱动；敲鼓机构通过好多种方案的比较和试验，选取鱼竿加气压的方式，能够既快又准确地实现一次性敲鼓。电路硬件设计：根据控制的要求，选定ATME公司AVR系列微处理器ATmega16作为控制处理核心。电机的驱动采用MLDS3810直流伺服驱动器，运用先进的伺服驱动系统进行控制。同时在敲鼓机器人身上安装了多个传感器，以便在运行时实现位置的参考和矫正。

2、软件设计：机器人的转向是通过程序设定两个电机速度差来实现，其速度控制采用脉宽调制的方法。而脉宽调制法的优点是方便地实现对机器人的行走路线及行走速度的控制。在敲鼓机器人的自适应调节方面，采用了经典的PID算法，通过多次试验调整合适的参数，实现了敲鼓机器人运行的平衡性、稳定性。关键词：敲鼓机器人；AVR单片机；PID算法；伺服驱动系统AbstractIn this paper, based on 2009 National Championship of college students require television robot to complete a drumming robot.R

3、obot design in general, including the design of mechanical structure, circuit design of hardware and software system design, and ultimately beat the robot to achieve self-recognition Onto the chair, and beat drums and downto the chair function.The design of the major work done the following three as

4、pects:Mechanical body: Robot we have chosen the chassis frame and wheel differential drive; Beat drums and a good variety of programs through the comparison and testing, to select additional pressure rod means to achieve fast and accurate one-time beat drums.Circuit hardware design: In accordance wi

5、th the requirements of control, ATME companies selected AVR Series ATmega16 microprocessor core as the control. Motor servo drive using MLDS3810 DC drives, servo drives the use of advanced control systems. At the same time, the robot who beat drums and a number of sensors installed in order to achie

6、ve run-time and correct location of the reference.Software design: the robot through the process towards setting the speed difference between the two motors to achieve speed control using pulse width modulation method. Robot through the process of turning the two motor speed settings to achieve poor

7、, the speed control using pulse width modulation method. The advantages of pulse width modulation method is convenient to routes on the robot and the control of walking speed. In the beat drums and adaptive robots, the use of the classical PID algorithm, through the appropriate tests to adjust the p

8、arameters, beat drums and robot operation realized the balance, stability.Key words: robot beat drums; AVR Single Chip; PID algorithm; Servo Drive System目 录引言11 绪论11.1 国内外机器人技术发展的现状11.2 机器人技术的市场应用22 设计分析32.1 击鼓机器人驱动控制部分的设计的内容和要求32.1.1 击鼓机器人驱动控制部分的设计的内容32.1.2击鼓机器人驱动控制部分的设计的要求42.2 击鼓机器人运动分析43 方案设计及方案论

9、证43.1机器人底盘方案设计53.2敲鼓机械结构方案设计83.3 电机驱动电路方案设计114 硬件电路设计144.1 电机和能源的选择154.2 直流电机驱动原理174.3 电机驱动电路174.4 主控制芯片的选择和控制器外围电路的设计184.5 光电编码器204.6 接近开关传感器224.7 信号隔离模块234.8 单片机系统电源模块245 系统的软件设计255.1程序流程图255.2 PID控制算法软件实现与参数整定方法265.2.1 PID控制算法软件实现275.2.2 PID调节器参数整定295.2.3 PID算法在控制方面的模型315.2.4 PID算法在敲鼓机器人上的运用326 系

10、统功能测试336.1 硬件检测346.2 软件调试347 结论34谢 辞36参考文献37附 录38附录1 主控板电路图一38附录2 主控板电路图二38附录3 系统主程序139附录4 系统主程序243引言2007年2月，比尔盖茨预言“未来30年家家都有机器人”，在科学美国人杂志上发表专题论文，并在论文中强调：“机器人未来的市场空间远大于当年的电脑，我要是年轻20岁，我坚决不做PC（个人电脑），我只做PR（个人机器人）！”。自此，沉寂了多年的机器人热潮再次狂卷全球，各国政府纷纷将机器人研究列为国家战略发展方向。韩国政府规划在2015年每个家庭都拥有机器人，中国也在2008年将机器人产业、装备制造业

11、列入政府工作报告，科技部钦点机器人产业为国家新兴战略、重点扶持产业，温家宝总理多次在视察珠三角地区时强调要打造装备制造业基地。08年8月，英特尔CTO贾斯汀预言2050年机器人智能将超越人类，再次引发机器人热议。目前，已有多家国际国内著名企业纷纷进军机器人研究领域或列为战略发展计划，如微软、IBM、联想、海尔、佳能、华为、富士康、本田、索尼等。近几年机器人已成为高技术领域内具有代表性的战略目标。机器人技术的出现和发展，不但使传统的工业生产面貌发生根本性变化，而且将对人类社会产生深远的影响。随着社会生产技术的飞速发展，机器人的应用领域不断扩展。从自动化生产线到海洋资源的探索，乃至太空作业等领域，

12、机器人可谓是无处不在。目前机器已经走进人们的生活与工作，机器人已经在很多的领域代替着人类的劳动，发挥着越来越重要的作用，人们已经越来越离不开机器人帮助。机器人工程是一门复杂的学科，它集工程力学、机械制造、电子技术、技术科学、自动控制等为一体。目前对机器人的研究已经呈现出专业化和系统化，一些信息学、电子学方面的先进技术正越来越多地应用于机器人领域。1 绪论中国机器人大赛的举办宗旨也在于将机器人技术研究成果与电子信息、装备制造、精密机械、人工智能与自动化、汽车制造、航天航空等尖端科技产业链接，将科学技术转化为生产力，加快人类生产与生活的自动化与智能化发展进程。1.1 国内外机器人技术发展的现状国外

13、机器人领域发展近几年有如下趋势：1工业机器人性能不断提高，趋向高速度、高精度、高可靠性和便于操作、维修。2机械结构向模块化、可重构化发展。3工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化。 4机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。5虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。6当

14、代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。7机器人化机械开始兴起。从1994年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。 我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开

15、发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。 我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000米水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种；在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期跨入世界先进行列。1.2 机器人技术的市场应用 从1954年美国人Devol颁布工业机器人专利至今已经半个世纪了。它的成长历程印证了这样的论断：机器人是20世纪人类的伟大发明。机器人学的进步和应用是20世纪自动控制最有说服力的成就，是当