1、撿乒乓球機器人小車 Harbin Institute of Technology課程設計論文課程名稱：自動控制元件及線路設計題目：撿乒乓球機器人小車的設計院系：航天學院控制科學與工程系班級： 1304105班設計者： 楊明陽 1130410501徐云飛 1130410502姚晨蔚 1130410516指導教師：馬廣程設計時間：2016年3-5月撿乒乓球機器人小車摘要：隨著科學技術的日益發展，越來越多的科技被應用在了生活的方方面面。當然也包括運動賽場上，幫助選手以及裁判解決一部分的麻煩，使得比賽進行的更加流暢。這里為解決乒乓球比賽上乒乓球的撿取問題，設計了一種以單片機作為主控制器的自動撿球機器人

2、。該撿球機器人采用風扇產生的吸力來實現撿球；利用超聲波傳感器實現對乒乓球的自動識別；通過紅外傳感器監測周圍環境，實現自動避障。本系統會在裁判對每一個球做出判決后開始工作，先按照預定路線繞場地前進，同時在行進過程中利用傳感器尋找掉落的小球。當找到目標并確認后，改變預定路線轉而向目標前進，最終撿起乒乓球，之后再回到原點。完成撿球功能，保證比賽的連續性。關鍵詞：撿乒乓球機器人 超聲波傳感器 紅外傳感器 過程控制 目錄1.功能設計-42.系統的性能指標和技術要求-43.背景及意義-44.系統的總體結構與設計方案-54.1 預定路線前進-64.2 目標尋找-74.3 撿起目標乒乓球-94.4 判斷乒乓球

3、是否撿起-94.5 繞開障礙-94.6 返回原點-105.執行元件-10 5.1 行進電機的選擇-10 5.1.1 直流伺服電機結構-10 5.1.2 直流伺服電機驅動原理-11 5.1.3 直流伺服電機的分類及特點-11 5.1.4 指標的計算和直流伺服電機的選擇-12 5.1.5 直流伺服電機調速-15 5.1.5.1 直流伺服電機調速原理-15 5.1.5.2 直流速度控制方式-15 5.2 撿球裝置的選擇-22 5.2.1 撿球原理級實現-23 5.2.2 吸球管設計-24 6.測量元件-26 6.1 測速傳感器的選取-26 6.1.1 三種傳感器的對比分析-26 6.1.2 對光電編

4、碼器的論證分析和選取-28 6.2 位置和避障傳感器的選取-34 6.2.1 常用傳感器及特點-34 6.2.2 根據超聲傳感器實現定位和物體識別-36 6.2.3 根據紅外感器實現障礙躲避-41 6.3 根據紅外傳感器實現撿球信號的反饋-44 6.4 傳感器設計中的缺陷及可改進的地方-45 6.4.1 傳感器設計中的缺陷-45 6.4.2 傳感器設計中可改進的部分-457.單片機-467.1 常用單片機-467.2 單片機選型-477.3 所選單片機特點及可行性-478.系統硬件清單-489.自評-48 9.1 優點-48 9.2 缺點以及不足-4910.分工-4911.心得體會-50參考文

5、獻-50一、功能設計1.裁判做出判決后自行定位乒乓球掉落位置2.迅速移動至掉落乒乓球所在位置3.撿起乒乓球，并回到起點4.行進過程中躲避場地選手以及其他人員或障礙5.利用尺寸確認目標乒乓球二、系統的性能指標和技術要求1.機器人移動至乒乓球頂點位置精度±3cm2.機器人移動速度2 m/s3.緊急剎車時間0.3s4.總撿球時間21s5.判斷乒乓球是否撿起6.能夠辨認出乒乓球和障礙物三、背景及意義隨著人們對機器人技術智能化本質認識的加深，機器人技術開始源源不斷地向人類活動的各個領域滲透。在這其中，服務機器人作為一個重要分支，在國內外研究領域已經得到普遍重視。服務機器人的應用范圍很廣，主要從

6、事維護保養、修理、運輸、清洗、保安、救援、監護等工作。文中所述的撿乒乓球機器人，正是一種應用于乒乓球體育賽事的自主式移動的服務機器人。在乒乓球室里，由于比賽時，每打完一個球就必須要求有人轉身去撿掉落的乒乓球。如果由選手來撿球，將會壓縮選手短暫的暫歇時間，影響比賽連續性、流暢性。因此，如果能有一種撿球機器人應用于乒乓球賽場上里，且能迅速找到球的位置并能夠實現自動撿球的功能，將可以幫助選手減輕比賽壓力（尤其在比較焦灼的對抗中）。目前已有的乒乓球撿球機器人種類較少，且撿球動作的實現主要是通過機械手等機械裝置來撿球。這些撿球裝置多因為機械機構的限制，對于位于墻角處和藏于障礙物之間的乒乓球不能有效撿取，

7、因而只適用于障礙物較少且遠離墻壁的乒乓球的撿取。四、系統的總體結構與設計方案對外部環境的分析：（1）乒乓球乒乓球的質量在2.7克左右一般比賽用球為黃、白色球。所選用的材質為塑料。（2）比賽場地圖4-a 場地尺寸示意圖場地示意圖如下：本系統主要由測量元件、執行元件、功率放大元件、主控電路、調節裝置構成。整體系統由六個功能環節組成，分別為按預定路線巡邏、檢測乒乓球位置、到達乒乓球位置、撿起乒乓球、回到原點以及期間規避障礙。圖4-b 驅動電機位置示意圖每個過程均有其獨立的閉環或開環控制子系統，其流程如下：4.1 預定路線前進此模塊屬于開環系統，將固定的前進方向控制信號儲存在控制器內，若無目標尋找中斷

8、或者障礙中斷，驅動電機和方向控制電機將一直執行，最后返回原點。因為系統檢測自身位置成本較大（至少需要增加傳感器，如果沒有參照信號源需要通過大量計算來得出當前位置，會占用較多的CPU），另外巡邏過程中只要傳感器的監控范圍能足夠覆蓋球場，可以無視小車前進過程中的干擾誤差，而控制信號結束后，若沒有到達原點，則可以執行返回原點的閉環控制。賽場球桌小車圖4-1-1 大致巡邏路線實現此功能，是將控制小車的兩個驅動電機按固定路線、以設定速度跑完全程時電機所需的控制信號和時間的函數編寫出來（例如圖4.1.2），儲存到單片機內，當執行此功能時，只要調取儲存的控制信號并輸出即可。（圖4.1.2僅供參考，事實上控制

9、信號為數字信號，由于函數編寫過程太過復雜，此處略過。）Utt電機A1電機A2圖4-1-2 控制信號示意函數4.2 目標尋找在預定路線的行進過程中，兩個裝在小車底部兩頭的超聲波傳感器將一直搜索目標位置，圖4.2.1。發現目標后，兩傳感器信號對比，可得目標準確方向，圖4.2.2，再控制方向電機使小車面向目標前進。賽場球桌小車圖4-2-1 檢測范圍示意圖乒乓球距離a1距離a2小車圖4-2-2目標位置確定在發現乒乓球并向目標前進過程中，根據傳感器反饋得到的離目標距離來控制小車是否開始減速。使得小車能夠恰好停在目標位置（方便下一步撿球）。之后再啟動撿球電機撿起小球。輸入a1，a2控制系統W2輸出c1，c

10、2圖4-2-3控制系統的輸入輸出如圖4.2.3所示，該子控制系統中，以傳感器A1，A2的距離信號a1，a2為輸入，以控制電機C1，C2的電信號c1，c2為輸出。4.3 撿起目標乒乓球乒乓球的直徑為40mm，質量為2.7g，具有體積小、質量輕的特點，特別適合吸力裝置吸取。風扇在轉動時，抽風的一端會形成負壓；如果將一個管道與風扇的抽風面相連接，則在風扇的作用下，管道內的氣壓將小于管道外的大氣壓，管道口附近的物體將在壓力差的作用下被吸進管道里。因此，若采用由強力風扇與一個兩端開口的管道組成的吸球管，乒乓球就可以順利被吸取。而如果采用機械臂類的抓取方案時，對小車的位置控制精度將會更高，而且受到的干擾較

11、大（小車靠近乒乓球時，所帶起的空氣流動可能會吹動乒乓球，產生干擾）。本系統采用的風扇抽氣方案則可以很大程度上得緩解這一干擾。4.4 判斷乒乓球是否撿起由于本系統應用在正式比賽的條件下，場地干凈，無類乒乓球形雜物，故只需在抽風管道中添加一個紅外光電門，光電門被阻擋即可視為乒乓球被撿起。4.5 繞開障礙在系統運行過程中時，另一個較高的紅外傳感器檢測小車面前是否有障礙阻擋。若有，則減速并在安全距離外繞開障礙繼續之前的前進任務。此處由于本系統無法檢測自身所在位置，所以在閉環控制后無法檢測自身與預定路線的誤差（此處指撿起乒乓球前需要按預定路線巡邏時先遇到障礙），無法繼續按預定路線前進。故此處問題處理同4

12、.1，可以做一個開環系統。鑒于實際比賽場地中并沒有那么多種類的障礙（本系統中將障礙理想化為只有球桌腿和選手的腿部），因此將繞開障礙的控制做成一個開環系統，其控制信號按最粗的障礙設計，一致按相同地繞行半徑繞開障礙。（下圖僅供參考，事實上控制信號為數字信號，由于函數編寫過程太過復雜，此處略過。）障礙距離a1距離a2小車Utt電機A1電機A2圖4-5-1障礙位置確定圖4-5-2 控制信號示意函數4.6 返回原點為了能夠精確地回到原點，有必要在原點設置參照信號源。在小車撿起小球或者巡邏完畢后，將以原點為目標前進，控制過程同4.2。輸入a1，a2控制系統W6輸出c1，c2圖4-6-1控制系統的輸入輸出五

13、、執行元件5.1乒乓球撿球機器人行進電機的選擇結合供電以及成本等方面的考慮，行進過程中的電機在直流伺服電機和步進電機中選擇，由于需要閉環控制，并且需要可靠性較高，啟動轉矩較大等，因此直流伺服電機是最佳選擇。5.1.1直流伺服電機結構直流伺服電機，它包括定子、轉子鐵芯、電機轉軸、伺服電機繞組換向器、伺服電機繞組、測速電機繞組、測速電機換向器，所述的轉子鐵芯由矽鋼沖片疊壓固定在電機轉軸上構成。 圖5-1-1 直流伺服電機結構5.1.2直流伺服電機的驅動原理伺服主要靠脈沖來定位，基本上可以這樣理解，伺服電機接收到1個脈沖，就會旋轉1個脈沖對應的角度，從而實現位移，因為，伺服電機本身具備發出脈沖的功能

14、，所以伺服電機每旋轉一個角度，都會發出對應數量的脈沖，這樣，和伺服電機接受的脈沖形成了呼應，或者叫閉環，如此一來，系統就會知道發了多少脈沖給伺服電機，同時又收了多少脈沖回來，這樣，就能夠很精確的控制電機的轉動，從而實現精確的定位，可以達到0.001mm。直流伺服電機特指直流有刷伺服電機電機成本高結構復雜，啟動轉矩大，調速范圍寬，控制容易，需要維護，但維護方便（換碳刷），會產生電磁干擾，對環境有要求。因此它可以用于對成本敏感的普通工業和民用場合。5.1.3直流伺服電機的分類及特點1分類常用的直流電機有：永磁式直流電機（有槽、無槽、杯型、印刷繞組）、勵磁式直流電機、混合式直流電機、無刷直流電機、直

15、流力矩電機。直流進給伺服系統：永磁式直流電機類型中的有槽電樞永磁直流電機（普通型）。直流主軸伺服系統：勵磁式直流電機類型中的他激直流電機。2永磁直流伺服電機的性能特點1）低轉速大慣量2）轉矩大3）起動力矩大4）調速泛圍大，低速運行平穩，力矩波動小5.1.4指標的計算和直流伺服電機的選擇指標名稱指標估計值指標名稱指標估計值機器人質量2.5kg場地大小7m×14m行進速度2m/s加速度0.5m/s2滑動摩擦系數0.600.90滾動摩擦系數0.010.03車輪質量0.3kg車輪半徑6cm表5-1-1 直流伺服電機性能指標要求直流伺服電機功率公式：P=260nT（5-1-1）車輪轉速推導：

16、v=R（5-1-2）n=602（5-1-3）n=602vR（5-1-4）每個車輪滾動摩擦力阻力力矩推導：Tf=FR（5-1-5）F=mg（5-1-6）Tf=mgR（5-1-7）車輪轉速以及每個車輪摩擦阻力力矩：n=320r/min（5-1-8）Tf=0.045Nm（5-1-9）因齒輪組兩側力矩相同，因此在只考慮外部阻力矩時，由于共有四個輪子和兩個直流伺服電機，在勻速行進時每個電機需要產生的機械轉矩為：T1=2Tf=0.09Nm（5-1-10）若考慮小車內部的摩擦阻力轉矩，假設內部摩擦阻力轉矩：T2=0.03Nm得到點擊所需要的額定轉矩：T=T1+T2=0.12Nm（5-1-11）留出余量，取額

17、定轉矩T=0.15Nm選取電機額定轉速為：n=3000r/min那么得到額定功率為：P=47w結合以上計算，我們選取瑞士瑞諾集團的小型直流伺服電機 CML-50，其參數如下圖所示（其額定轉速3000r/min，額定轉矩0.15N·m，額定功率47w，與所需直流伺服電機指標幾乎一致）：圖5-1-2 直流伺服電機實物圖及特點 圖5-1-3 直流伺服電機技術參數圖5-1-4 直流伺服電機剖面圖圖5-1-5 直流伺服電機特性曲線圖為了降低調速難度，因此我們決定在電機輸出轉速和車輪之間采用齒輪組以1：5的比例使得電機轉速與車輪轉速的比例為5：1。5.1.5直流伺服電機調速由于電機額定轉速與實際

18、所需轉速有所差距，同時，在機器人轉向時需要控制兩個伺服電機一個正轉、一個反轉，因此需要采用調速系統。5.1.5.1直流伺服電機的調速原理根據機械特性公式可知調速有二種方法:電樞電壓Ua和氣隙磁通。1電樞控制（改變電樞外加電壓Ua）：由于繞組絕緣耐壓的限制，調壓只能在額定轉速以下進行。n=UaCe-RaTceCeCT2=n0-n（5-1-12）2磁場控制（改變氣隙磁通量）：改激磁電流即可改，在Ua恒定情況下，磁場接近飽和，故只能弱磁調速，在額定轉速以上進行。3改變電樞回路電阻Ra：要在電樞回路中串聯一個電阻Rs，這個電阻稱為調節電阻。改變Rs大小，也就改變了電樞回路總電阻Ra+Rs。n=UaCe

19、-(Ra+Rs)TceCeCT2=n0-n（5-1-13）5.1.5.2直流速度控制方式（a）晶閘管（可控硅）調速系統（b）晶體管脈寬調制（PWM）調速系統a.晶閘管調速系統1系統的組成1）控制回路：速度環、電流環、觸發脈沖發生器等。速度環：速度調節（PI），作用：獲得好的靜態、動態特性。電流環：電流調節(P或PI)。作用：加快響應、啟動、低頻穩定等。觸發脈沖發生器：產生移相脈沖，使可控硅觸發角前移或后移。2）主回路：可控硅整流放大器等。可控硅整流放大器：整流、放大、驅動，使電機轉動。圖5-1-6 晶閘管調速系統組成2主回路工作原理組成：由大功率晶閘管構成的三相全控橋式（三相全波）反并接可逆電

20、路，分成二大部分（和），每部分內按三相橋式連接，兩組反并接，分別實現正轉和反轉。圖5-1-7 主回路工作原理圖原理: 三相整流器，由二個半波整流電路組成。每部分內又分成共陰極組（1、3、5）和共陽極組（2、4、6）。為構成回路，這二組中必須各有一個可控硅同時導通。1、3、5在正半周導通，2、4、6在負半周導通。每組內（即二相間）觸發脈沖相位相差120º，每相二個觸發脈沖相差180º。按管號排列，觸發脈沖的順序1-2-3-4-5-6，相鄰之間相位差60º。為保證合閘后兩個串聯可控硅能同時導通，或已截止的相再次導通，采用雙脈沖控制。既每個觸發脈沖在導通60º

21、后，在補發一個輔助脈沖；也可以采用寬脈沖控制，寬度大于60º，小于120º。只要改變可控硅觸發角（即改變導通角），就能改變可控硅的整流輸出電壓，從而改變直流伺服電機的轉速：觸發脈沖提前來，增大整流輸出電壓；觸發脈沖延后來，減小整流輸出電壓。 圖5-1-8 主回路波形圖 圖5-1-9 控制回路波形圖3控制回路分析觸發脈沖產生的過程：改變觸發角，即改變控制角。（可控硅導通時間），可調速。沒反饋，開環，特性軟。1）速度調節器：比例積分PI，高放大（相當C短路）-緩放大-增放大-穩定（相當C開路）無靜差。2）電流調節器:同上，加快電流的反應。3）觸發脈沖發生器：正弦波同步鋸齒波觸發

22、電路，與F直流信號疊加。 圖5-1-10 速度調節器、電流調節器示意圖 圖5-1-11 觸發脈沖發生器示意圖4速度控制的原理總結調速：當給定的指令信號增大時，則有較大的偏差信號加到調節器的輸入端，產生前移的觸發脈沖，可控硅整流器輸出直流電壓提高，電機轉速上升。此時測速反饋信號也增大，與大的速度給定相匹配達到新的平衡，電機以較高的轉速運行。干擾：假如系統受到外界干擾，如負載增加，電機轉速下降，速度反饋電壓降低，則速度調節器的輸入偏差信號增大，其輸出信號也增大，經電流調節器使觸發脈沖前移，晶閘管整流器輸出電壓升高，使電機轉速恢復到干擾前的數值。電網波動：電流調節器通過電流反饋信號還起快速的維持和調

23、節電流 作用，如電網電壓突然短時下降，整流輸出電壓也隨之降低，在電機轉速由于慣性還未變化之前，首先引起主回路電流的減小，立即使電流調節器的輸出增加，觸發脈沖前移，使整流器輸出電壓恢復到原來值，從而抑制了主回路電流的變化。啟動、制動、加減速：電流調節器還能保證電機啟動、制動時的大轉矩、加減速的良好動態性能。二、晶體管脈寬調制（PWM）調速系統1系統的組成及特點圖5-1-12 晶體管脈寬調速系統示意圖 主回路：大功率晶體管開關放大器；功率整流器。 控制回路：速度調節器；電流調節器；固定頻率振蕩器及三角波發生器；脈寬調制器和基極驅動電路。區別：與晶閘管調速系統比較，速度調節器和電流調節器原理一樣。不

24、同的是脈寬調制器和功率放大器。直流脈寬調制：功率放大器中的大功率晶體管工作在開關狀態下，開關頻率保持恒定，用調整開關周期內晶體管導通時間（即改變基極調制脈沖寬度）的方法來改變輸出。從而使電機獲得脈寬受調制脈沖控制的電壓脈沖，由于頻率高及電感的作用則為波動很小的直流電壓（平均電壓）。脈寬的變化使電機電樞的直流電壓隨著變化。直流脈寬調調制的基本原理：圖5-1-13 直流脈寬調調制的基本原理示意圖脈沖寬度正比代表速度F值的直流電壓。2脈寬調制器USr速度指令轉化過來的直流電壓U三角波USC脈寬調制器的輸出（USr+U）圖5-1-14 脈寬調制器電路圖調制波形圖：圖5-1-15 調制波形圖3開關功率放

25、大器1）電路組成主回路：可逆H型雙極式PWM開關功率放大器電路圖：由四個大功率晶體管（GTR）T 1、T 2、T 3、T4及四個續流二極管組成的式電路。H型：又分為雙極式、單極式和受限單極式三種。Ub1、Ub2、Ub3、Ub4為調制器輸出，經脈沖分配、基極驅動轉換過來的脈沖電壓。分別加到T1 、T2、T3 、T4的基極。圖5-1-16 開關功率放大器電路圖 圖5-1-17 輕載時波形圖 圖5-1-18 重載時波形圖2）工作原理：T1和T4同時導通和關斷，其基極驅動電壓Ub1= Ub4。T2和T3同時導通和關斷，基極驅動電壓Ub2=Ub3=-Ub1。以正脈沖較寬為例，既正轉時。負載較重時：電動狀

26、態：當0tt1時，Ub1、Ub4為正，T1和T4導通；Ub2、Ub3為負，T2和T3截止。電機端電壓UAB=US，電樞電流id= id1，由UST1T4地。續流維持電動狀態：在t1tT時，Ub1、Ub4為負，T1和T4截止；Ub2、Ub3變正，但T2和T3并不能立即導通，因為在電樞電感儲能的作用下，電樞電流id= id2，由D2D3續流，在D2、D3上的壓降使T2、T3的c-e極承受反壓不能導通。UAB=-US。接著再變到電動狀態、續流維持電動狀態反復進行，如上面右圖。負載較輕時： 反接制動狀態，電流反向：狀態中，在負載較輕時，則id小，續流電流很快衰減到零，即t =t2時（見上面左圖），id

27、=0。在t2T區段，T2、T3在US和反電動勢E的共同作用下導通，電樞電流反向，id= id3由UST3T2地。電機處于反接制動狀態。 電樞電感儲能維持電流反向：在Tt3區段時，驅動脈沖極性改變，T2、T3截止，因電樞電感維持電流，id=id4，由D4D1。電機正轉、反轉、停止：由正、負驅動電壓脈沖寬窄而定。當正脈沖較寬時，既t1> T/2，平均電壓為正，電機正轉；當正脈沖較窄時，既t1< T/2，平均電壓為負，電機反轉；如果正、負脈沖寬度相等，t1=T/2，平均電壓為零，電機停轉。電機速度的改變：電樞上的平均電壓UAB越大，轉速越高。它是由驅動電壓脈沖寬度決定的。雙極性：由以上分

28、析表明：可逆H型雙極式PWM開關功率放大器，無論負載是重還是輕、電機是正轉還是反轉，加在電樞上的電壓極性在一個開關周期內，都在US和-US之間變換一次，故稱為雙極性。4PWM調速系統的特點頻帶寬、頻率高: 晶體管“結電容”小，開關頻率遠高于可控（50Hz)，可達2-10KHz。快速性好。電流脈動小:由于PWM調制頻率高，電機負載成感性對電流脈動由平滑作用，波形系數接近于1。電源的功率因數高: SCR系統由于導通角的影響，使交流電源的波形畸變、高次諧波的干擾，降低了電源功率因數。PWM系統的直流電源為不受控的整流輸出，功率因數高。動態硬度好:校正瞬態負載擾動能力強，頻帶寬，動態硬度高。綜上所述，

29、PWM調速控制系統更加簡單，而晶閘管方法控制的更加可靠，由于對機器人的安全特性有較高要求，即在有人突然出現在機器人前方或是桌子腿擋住機器人時要求伺服電機可以很快制動，所以對于伺服電機的啟動轉矩和制動特性有較高的要求，晶閘管法的一大特點就是電流調節器能保證電機啟動、制動時的大轉矩、加減速的良好動態性能，所以綜合考慮，我們選擇晶閘管調速法。以上調速電路也可以使用瑞士瑞諾集團的標準型伺服驅動器 CD系列實現。若使用電路實現成本較低，相應但是精度也會較低，若使用驅動器驅動電機精度雖然高但是成本也會較高一些。5.2乒乓球撿球機器人撿球裝置的選擇在乒乓球室里，由于訓練或者比賽的時候，地面上將會有

30、一些出界或者無效的乒乓球。如果由人工來撿球，將會造成效率低、工作量大等弊端。因此，如果能有一種撿球機器人應用于乒乓球場館里，且能迅速找到球的位置并能夠實現自動撿球的功能，將可以使人們擺脫一些繁瑣的工作、大大減輕人們的勞動強度。乒乓球撿球機器人很重要的一個部分是撿球裝置，目前已有的乒乓球撿球機器人種類較少，且撿球動作的實現主要是通過機械手、機械臂等機械裝置來撿球。這些撿球裝置多因為機械機構的限制，對于位于墻角處和藏于障礙物之間的乒乓球不能有效撿取，因而只適用于障礙物較少且遠離墻壁的乒乓球的撿取。即使對于能夠撿起的乒乓球，由于其高精度要求，成本也因此較高，事實上，若是對于其他較重的球來說，機械臂、

31、機械手是必要的，而對于乒乓球來說，機械臂、機械手帶來的效益并不足以彌補它們的成本。因此，我們決定采用精度相對低，但是成本也相對低的吸力裝置撿取乒乓球，雖然精度相對低，但足以滿足撿取乒乓球的要求。5.2.1撿球原理設計及實現乒乓球的直徑為40 mm，質量為2. 7 g，具有體積小、質量輕的特點，特別適合吸力裝置吸取。風扇在轉動時，抽風的一端會形成負壓; 如果將一個管道與風扇的抽風面相連接，則在風扇的作用下，管道內的氣壓將小于管道外的大氣壓，管道口附近的物體將在壓力差的作用下被吸進管道里。因此，若采用由強力風扇與一個兩端開口的管道組成的吸球管，乒乓球就可以順利被吸取。同時，為了提高吸球的效率與穩定

32、性，可將吸球管道沿斜面布置，通過斜面減輕乒乓球向上運動所需的力。在風力作用下，若乒乓球在斜面上作瞬時純滾動，其受力如下圖所示：圖5-2-1 乒乓球受力分析圖根據理論力學平衡方程：Fw-GsinR=Mf（5-2-1）式中：Fw為風作用力，R為乒乓球半徑，Mf為滾動摩阻，則有：Fw=12v2AfRe=12v2CFA（5-2-2）Mf=N=mgcos（5-2-3）其中：CF為風力系數（球體取0.5）；為空氣密度，在地球近地面環境，溫度為20，標準大氣壓下，=1.2kg/m3；v為風速；A為迎風面積，A=R2；為滾動摩擦系數，取=5mm。可以解得要使乒乓球順利在斜面上向上滾動的最小風速為：v=cos+

33、RsinR3CF2mg（5-2-4）設吸球管管口最大面積為Smax，安全系數為k，則選用風扇的排量可以近似為：V=kvSmax=kSmaxcos+RsinR3CF2mg（5-2-5）5.2.2吸球管設計乒乓球的直徑為40mm，吸球管與水平的傾斜角度=37°。為了提高撿球效率，將吸球口改為敞口設計。同時，考慮到敞口會降低吸球管的負壓，增大乒乓球的吸取難度，敞口部分不宜過大。綜合考慮各種影響因素，該撿球機器人的敞口尺寸設計為: 最大敞口面積Smax=140mm×50mm、敞口錐角45°，其設計效果如下圖所示：圖5-2-2 吸球管示意圖根據以上設計，則選用風扇的最小排量

34、為：V=kSmaxcos+RsinR3CF2mg，考慮到存在漏氣等情況，取安全系數k=1.5，代入=37°，Smax=140×50mm2，m=2.7g，g=9.78N/kg，可以計算出風扇最小排量V=70dm3/min。在選擇空氣泵時要考慮到排量和體積等因素，因此我們選用成都新為誠科技有限公司的VCA5038B大流量微型氣泵:圖5-2-3 空氣泵示意圖圖5-2-4 空氣泵參數為了達到所需排量，結合計算中可能存在的誤差，根據實際情況可以選擇1-3個VCA5038B空氣泵。為了使被吸起的乒乓球能順利落到裝球腔內，在吸球管的末端設計有一個方形的出球口，并設計長度為20mm的軌道確

35、保乒乓球的下落位置。出球口的設置，將不可避免地降低吸球管內的負壓程度，增大球的吸取難度。于是，在出球口的末端，設計一個質量很輕的;lo.lllo.;.;方形擋板(自復位擋板):平時在重力作用下，擋板會自動處于垂直位置，出球口為打開狀態; 當撿球風扇啟動時，由于吸球管內的負壓，擋板將在氣壓差作用下被吸起，覆蓋在出球口上，從而提高吸球管內部的負壓程度，確保吸球的有效性。吸球風扇關閉時，擋板自動打開，球也順利落進裝球腔。下圖是出球口自復位擋板的示意圖，左圖是吸球風扇未啟動時擋板位置的示意圖，右圖是吸球風扇啟動時擋板位置的示意圖:圖5-2-5 擋板示意圖為了減緩乒乓球被吸起進入吸球管的阻力，在吸球管的

36、前端設計了一個伸出板。伸出板是配合吸球管吸球的部分，對它的設計主要就是計算它距離地面的高度和伸出的長度: 如果距離地面太近，可能會因為微小的起伏就導致伸出板與地面接觸，不利于機器人的行走; 如果距離地面太高，會出現伸出板擋住球運動從而撿不到球的情況，影響撿球的效果。在本設計中，伸出板的最前端距離地面高度為3mm。六、測量元件6.1測速傳感器的選取 測速環節如下圖所示：測速傳感器圖6-1-1 流程圖中測速環節 當今最常使用的測速傳感器中有：霍爾傳感器、旋轉變壓器、和光電編碼器等，本文針對上述三種測速傳感器展開對比論證。6.1.1 三種傳感器的對比分析1.霍爾傳感器：利用霍爾效應表達式U=KIB，

37、當被測圓盤上裝上N只磁性體時，圓盤每轉一周，磁場就變化N次，霍爾電勢相應變化N次，輸出電勢通過放大、整形和計數電路就可以測量被測旋轉物的轉速（轉速=60*頻率/12）。且霍爾傳感器靈敏度高，體積小，價格便宜。但霍爾式傳感器在測速上有所限制，需要具有磁鋼。且互換性差，信號隨溫度變化，非線性輸出，使用時需要單片機進行非線性和溫度校正 ，增加電路設計難度。此外，相對于旋轉變壓器和光電編碼器等測量元件可以直接插在電機軸上測速，霍爾傳感器在和電機裝配問題上更為復雜一些。顧不使用霍爾傳感器。2.旋轉變壓器：旋轉變壓器是一種電磁式傳感器，又稱同步分解器。用來測量旋轉物體的轉軸角位移和角速度，由定子

38、和轉子組成。其中定子繞組作為變壓器的原邊，接受勵磁電壓，勵磁頻率通常用400、3000及5000Hz等。轉子繞組作為變壓器的副邊，通過電磁耦合得到感應電壓。其輸出的電壓信號與輸入轉角（轉角差）信號通常呈正余弦變化、線性變化和特種函數變化。按照其結構分類可以分成有刷式，無刷式。對應結構的旋轉變壓器的性能如下表所示：類型精度工藝性相位移可靠性結構成本有刷型低差小差復雜高無刷型低一般比較大好一般一般表6-1-1各種類型的旋轉變壓器性能、特點比較 旋轉變壓器的優點在于適合高速工作狀態、有絕對位置信號輸出以及處理電路相對簡單。其缺點也很明顯，及精度相對于光電編碼器要低，以及低速時的誤差較大。且市面價格平

39、均在400左右，約是符合性能指標的光電編碼器的10倍。此外，由于旋轉變壓器的輸出信號為電壓信號，在送入單片機先還要設計數字電路進行A/D轉換，而編碼器的輸出量本身就是數字量，只需設計數字電路保證信號的穩定性和可靠性即可。綜上所述，不采用旋轉變壓器。3.光電編碼器：編碼器俗稱碼盤，用來測量轉角并把它轉換成脈沖或數字形式的輸出信號。按照其輸出信號的基本形式分類可分為增量式和絕對式按照其結構和原理分類可分為光電式、電磁式。其中光電式編碼器是目前用的較多的一種測角元件，它沒有觸點磨損，允許轉速高，精度高，耐用性好，壽命長。其輸入信號為角度信號，輸出信號為對應角度的數字信號，由于本設計對轉速的精度要求不

40、是特別高，采用精度相對較低但是價格極低的增量式光電編碼器即可勝任。6.1.2 對光電編碼器的論證分析和選取：1.增量式編碼器結構和工作信號處理：增量式光電編碼器結構如下圖所示：圖6-1-2 增量式光電編碼器結構結構中最大的部分是一個圓盤，大圓盤上刻有均勻分布的輻射狀窄縫，窄縫分布的周期稱為節距，記為L。與圓盤對應的是兩組檢測窄縫，它們的節距和圓盤上的節距是相等的。兩組檢測窄縫的位置相隔(K±1/4)節距，其目的是使兩個輸出信號在相位上相差90°。從而使其能分辨出電機的轉向。電路框圖和信號分析如下：圖6-1-3 電路框圖及信號從圖6-1-3，可以看出，在圖示位置，過窄縫a的光

41、線光強處于中間位置，正轉時光強減弱，反轉時光強增強。正反轉時，a的兩個波形相位反相。通過窄縫b的光強處于最弱的位置，無論正轉反轉，b的光強都增強。正反轉時，b的兩個波形相位相等。還可以看出，a、b波形之間的相位差90°。正轉時，電路輸出正脈沖，反轉時輸出反轉脈沖。每發出一個脈沖，表示轉過了一個節距。單位時間內發出的脈沖數，就代表了轉速。2.絕對式編碼器的結構和工作信號處理：絕對式編碼器由三大部分組成：旋轉的碼盤、光源和光電敏感元件。碼盤上有光學碼道，每個碼道上按一定規律分布著透明和不透明區。如下圖：圖6-1-4 絕對式光電編碼器結構光源的光通過光學系統，穿過碼盤的透光區被窄縫后面的光

42、敏元件接收，輸出為“1” ；若被不透明區遮擋，光敏元件輸出 為“0”。各個碼道的輸出編碼組合就表示碼盤的轉角位置。3.增量式和絕對式編碼器的優缺點對比及選取：方式優點缺點增量式精度高開機后先要尋零構造簡單，成本較低在脈沖傳輸過程中，干擾產生累計誤差既適合測角也適合測速需要計數器、速度受到一定限制無接觸測量，可靠性高，壽命長絕對式精度高,無接觸，壽命長結構復雜，體積大開機不需要尋零價格高沒有累計誤差不需要計數器、允許轉速高表6-1-2增量式與絕對式光電編碼器優缺點比較 撿球小車在驅動行進過程中，兩個電機對前輪分別驅動，為了調節電機轉速使之轉速相同，需要將電機轉速作為反饋信號輸入給單片機進行調節，

43、且對精度有一定的要求，綜合增量式和絕對式編碼器的特點，二者的精度都可以滿足要求，且二者測量時都沒有接觸，所以都有可靠性強，使用壽命高的特點。但是絕對式編碼器不僅結構復雜體積龐大，最大的缺點在于價格高昂。通常在300到700元之間，更有上千的絕對式編碼器。而且增量式編碼器的價格在30到200元間。但是增量式編碼器帶來的一個問題就是啟動停止瞬間的抖動帶來的干擾，這會使編碼器輸出脈沖抖動，從而起誤計數。如圖（a）中某一相為高電平時，另一相因抖動產生多個脈沖。圖6-1-5 抖動產生干擾時的波形圖但這可以通過FPGA濾波電路消抖。如圖：圖6-1-6 消抖電路4.測速方法：常用測速方法主要有定時測角法(M

44、法)及定角測時法(T法)，后來發展有M/T法及變M/T法等其他一些方法。這些方法基于增量式編碼器，編碼器測速脈沖可以看作一位二進制數，每次脈沖跳變表示轉到新的分辨率區間。為了選擇合適的測速方法，本研究進行了以下比較分析。M法：M法通過測量一定時間內編碼器的脈沖個數來獲得速度值。設編碼器每圈發出脈沖數為P，在指定的測量時間Tg 內，編碼器共發出m1 個脈沖，則電機轉速n和分辨率Q的表達式如下表所示。M法的分辨率與轉速無關，在任何轉速情況下，能檢測到的速度最小改變量都相等。但是相對誤差與轉速成反比。因此M法適用于高速情況下的測量。T法：T法的原理是通過測量相鄰兩個編碼器脈沖的時間間隔來得到速度信息

45、，即測頻法。如果計時用的高頻時鐘脈沖頻率為fc，由編碼器的相鄰兩個測速脈沖控制計時的起始和終止，如計時器計數值為m2，則轉速n、分辨率Q表達式圖所示。因此，T法的Q值隨轉速上升而增加，分辨率減小，在低速時有較高的分辨率。轉速增加時，m2減小，測量誤差增大，可見T法適合于低速情況下的測量，但低速測量時間會較長。本次設計的額定轉速為3000r/min不適合用T法M/T法：M/T法是綜合M法和T法進行改進得來的，它同時測量檢測時間和此段時間內的編碼器脈沖數。其原理是，由時鐘脈沖m2測出時間T，再由傳感器脈沖個數m1計算出速度。其轉速n和分辨率Q如表所示方法轉速分辨率誤差（相對誤差）M法T法M/T法表

46、6-1-3 三種測速方法的比較將以上的分析綜合起來，可以看出，分辨率與測量時間及轉速都有關系。但是撿球機器人處于高速運動的狀態，采用M法進行測試，其精度更高、誤差更小，因此本研究也采用M法實現轉速測量。5. 增量式光電編碼器的選取和內部結構信號的分析：1）增量式光電編碼器的選取：綜合性能、價格我們選取杰特仕增量式光電編碼器。圖6-1-7 選取的增量式光電編碼器600脈沖時編碼器的分辨率為：360°/600=0.6°，M法測速（Tg取1s）的分辨率為60/(600*1)=0.1。對于精度要求不高的轉速控制系統來說能夠勝任。其他性能如下：2）增量式光電編碼器內部結構和信號分析：

47、撿球機器人的驅動電機采用的是有刷直流電機， 附有光電編碼器和減速箱，測速系統采用FPGA作為邏輯芯片，系統的硬件結構和測速組成如圖所示。圖6-1-8 對光電編碼器產生信號的處理圖6-1-8其中，FPGA 芯片選用Altera公司的Cyclone系列EP2C5Q 208C8N，核電壓Vccint接1.2V，I/0電源Vccio接3.3V電源，4個BANK連接相同的兩組輸入電壓。電源管理模塊采用低壓穩壓器AMS1117和AMS1117-ADJ，輸入5V工作電壓，前者可輸出3.3V電壓，后者利用ADJ端輸出1.2V電壓，供FPGA使用。FPGA 的配置芯片選用串行配置器件EPCS1，提供1MB 的F

48、LASH 存儲容量，用來存儲硬件配置信息和控制程序。EPCS1的工作電壓是3.3V，將DATA、DCLK、nCS、ASDI與FPGA 相連，并連接到EPCS下載口，用來下載配置信息。驅動電機上的光電編碼器在機器人運動時發出光電脈沖信號，構成測速系統的輸入信號。測速系統主要包括濾波模塊和測速模塊。由于脈沖信號通常會有很多雜波及其他未知的噪聲信號，濾波模塊可以濾去雜波，從而提高了系統的抗干擾能力，保證測量的準確性。測速模塊對脈沖信號進行處理，獲得速度信號。FPGA 嵌入的軟核處理器NIOS是機器人的主控芯片，讀取測速模塊傳送過來的數據，從而可以對系統進行運動控制。6.2 位置和避障傳感器的選取避障

49、環節圖6-2-1 流程圖中的避障環節位置傳感環節圖6-2-2 流程圖中位置傳感環節6.2.1常用傳感器及特點測距定位傳感器有很多種，其中常用的有：GPS定位、激光定位、視覺定位、超聲波定位以及紅外定位。本設計采用超聲波傳感器與紅外傳感器結合工作。1.GPS傳感器GPS定位即全球定位系統(global positioning system GPS)，是美國國防部主要為滿足軍事部門對海上、陸地和空中設施進行高精度導航和定位要求而建立的，以衛星為基礎的無線電測時、導航系統，其具有全天候、高精度、自動測量、方便靈活以及全球覆蓋能力。近年來，隨養GPS技術的蓬勃發展，GPS追蹤系統、GPS導航系統、GPS定位系統作為一種高科技產品在民用方面(尤其在手機定位、汽車導航、物流方而)得到了快速廣泛的應用。但是，現有的GPS設備需要的所有電子地圖都不是免費的，而且GPS地圖的數據信息不夠詳盡，并且無法實時更新，給用戶帶來很多不便。而其精度已在幾米以上，根本無法滿足設計需求。2.激光傳感器激光與一般燈光、太陽光同是電磁波，但它產生的機理與特性不同，即它是一種物質的原子“受激輻射光放大”。在前人研究的基礎上，于1960年美國梅曼發明了紅寶石激光器，1961年出現了氦氖(He-Ne)激光器等等，在激光器的裝置中，一般由工作物質、諧振腔和激勵能源三部分組成。工作物質有固體、半導體