1、 摘要移動機(jī)器人的現(xiàn)階段發(fā)展迅速，轉(zhuǎn)向功能是移動機(jī)器人能夠工作的基礎(chǔ)要求。本文從舵機(jī)轉(zhuǎn)向進(jìn)行研究，探究舵機(jī)實(shí)現(xiàn)移動機(jī)器人轉(zhuǎn)向的可行性和意義。首先，介紹了移動機(jī)器人的重要意義和發(fā)展簡史，對移動機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)和組成部分作出簡單介紹，簡述了機(jī)器人的工作原理。其次，對于舵機(jī)結(jié)構(gòu)做了一定的介紹，并且介紹了舵機(jī)的工作原理。再次，根據(jù)研究課題的需求，制作了一輛智能小車，能夠模擬實(shí)現(xiàn)移動機(jī)器人的轉(zhuǎn)向，并且對智能小車的使用模塊介紹，闡述其工作原理。最后，根據(jù)模型的轉(zhuǎn)向模擬圖，構(gòu)建了數(shù)學(xué)模型，編寫出運(yùn)動方程，并且分析得到小車轉(zhuǎn)角的最小角。1緒論引言移動機(jī)器人作為機(jī)器人學(xué)科的一個重要發(fā)展方向，在對周圍環(huán)境的判決的

2、基礎(chǔ)上能夠根據(jù)指示或前期目的自行做出反應(yīng)，現(xiàn)在的移動機(jī)器人的行業(yè)的發(fā)展，相關(guān)的機(jī)器人的使用方向有了更大范圍的擴(kuò)充，將更多的學(xué)科綜合使用到移動機(jī)器人當(dāng)中。從最初的軍事國防行業(yè)，到后來的普通工業(yè)的使用，以及現(xiàn)今的家庭日常生活中的簡易機(jī)器人的大范圍使用，已經(jīng)讓全世界都意識到了機(jī)器人這一行業(yè)在各行各業(yè)和日常的不可或缺。不止是作為機(jī)器人和智能化的基礎(chǔ)，基本的轉(zhuǎn)向的實(shí)現(xiàn)也就是一項(xiàng)基礎(chǔ)的要求。現(xiàn)階段對移動機(jī)器人的普遍采用的轉(zhuǎn)向方式也就差速和舵機(jī)的方法。本文采用了舵機(jī)的控制方法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。當(dāng)今時(shí)代的發(fā)展帶動了城市的繁榮，城市也在日益的擴(kuò)大規(guī)模，與此同時(shí)凸顯出的交通，環(huán)境，安全等等都出現(xiàn)了很多嚴(yán)重的問題。工業(yè)和經(jīng)

3、濟(jì)的全面發(fā)展保證了社會的全面發(fā)展，保障了人民的基礎(chǔ)需要，但是科技實(shí)力的進(jìn)步意味著生產(chǎn)的規(guī)模化和產(chǎn)業(yè)鏈化，工人們在生產(chǎn)過程中由手工業(yè)者向設(shè)備操作者的變化是必然的發(fā)展趨勢。周圍的交通安全問題和生產(chǎn)工作的安全問題都在提出了對車輛和機(jī)器人等生產(chǎn)生活工具智能化的要求，對于個人和生產(chǎn)者而言智能化是必然的。 現(xiàn)在的移動機(jī)器人按運(yùn)動方式進(jìn)行區(qū)分的話可以分成輪式，腿式和混合式三種。而按照現(xiàn)在實(shí)際生活中的需求，從穩(wěn)定性和效率方面進(jìn)行比較的話，輪式機(jī)器人更能滿足日常的生產(chǎn)生活需要，同樣也能在智能車上有更多的實(shí)際應(yīng)用。 最開始的移動機(jī)器人是在上個世紀(jì)六十年代被美蘇兩個超級大國用于月球的勘測工作，首先是美國的探月機(jī)器人

4、被宇宙飛船發(fā)送到月球之后再由地球上的指揮中心發(fā)出指令后在月球上工作，完成了地表勘測并回傳相關(guān)數(shù)據(jù)；再有蘇聯(lián)的探月機(jī)器人在無人宇宙飛船的傳送下到達(dá)月球，將月球表面的部分巖石采集之后順利的裝回到回收艙內(nèi)運(yùn)回到地球，為之后的月球表層成分研究提供了基礎(chǔ)。 國外的許多國家在移動機(jī)器人方面走在了世紀(jì)的前列，他們已經(jīng)取得了令人稱贊的成果。不只是在航天事業(yè)上的應(yīng)用與開發(fā)，從上世紀(jì)六十年代開始由斯坦福大學(xué)研究成功的Shakey和同時(shí)期的步行機(jī)器人General Electric Quadruped引領(lǐng)了移動機(jī)器人的誕生，開始了移動機(jī)器人的發(fā)展之途。七十年代時(shí)期，機(jī)器人主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，早稻田大學(xué)順利的開發(fā)出了

5、類人型機(jī)器人，能夠模仿人類動作并且有行走功能，不只是使用陸上，特殊環(huán)境下的機(jī)器人使用范圍更加的廣泛，水下機(jī)器人和 其他能夠適應(yīng)特殊環(huán)境的機(jī)器人也應(yīng)運(yùn)而生。在七十年代后，電路集成化越來越高，促進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，移動機(jī)器人技術(shù)也隨之產(chǎn)生質(zhì)的飛躍，特別是美國，日本，歐洲這些國家和地區(qū)的一系列在機(jī)器人上的投入帶動了整個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。不止各國政府在機(jī)器人研究上花費(fèi)了大量人力物力，眾多的世界大型公司也紛紛投擲重金于機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，開發(fā)了諸多出色的機(jī)器人模型和控制系統(tǒng)，并且將部分機(jī)器人投入到生產(chǎn)，開發(fā)出不可估量的商業(yè)價(jià)值。 由于機(jī)器人的使用方向越來越大，為了機(jī)器人能夠適應(yīng)不同的需要，

6、差別化的設(shè)計(jì)也就是必然趨勢。雖然機(jī)器人出現(xiàn)了差異化，但是在傳感器，控制等方面依然是相同的技術(shù)發(fā)展要求，例如在傳感器方面是每個機(jī)器人不可或缺的一項(xiàng)基本功能要求，如若缺少了傳感器機(jī)器人根本不能認(rèn)知周圍的現(xiàn)實(shí)環(huán)境從而根據(jù)實(shí)際做出相應(yīng)的動作。移動機(jī)器人在被設(shè)計(jì)的時(shí)候會根據(jù)使用環(huán)境采用合適的移動方式，輪式被更多運(yùn)用在平整的路面上，而腿式用在了山地和不平整的地帶。移動機(jī)器人的控制也從最初的遙控器手動遙控到后來的半自動監(jiān)控方式，直到現(xiàn)今的高度自動化能夠自動應(yīng)對周圍環(huán)境，現(xiàn)在從多個學(xué)科共同研究更高自動化程度的移動機(jī)器人。 國外從上世紀(jì)80年代中期就在日常的生產(chǎn)和生活當(dāng)中大規(guī)模的使用機(jī)器人，減免人類的工作量，提

7、高生產(chǎn)效率和生活質(zhì)量，尤其現(xiàn)在，特定行業(yè)的專業(yè)化區(qū)分使用格外醒目。 我國在機(jī)器人領(lǐng)域進(jìn)入的時(shí)間較晚一些，但是我們在這上面投入還是較大的，較為早期的863發(fā)展規(guī)劃里就是將機(jī)器人作為發(fā)展的重點(diǎn)，發(fā)展到現(xiàn)今的階段擁有了大量的實(shí)力不容小覷的專業(yè)素質(zhì)人才，為我國未來的機(jī)器人事業(yè)奠定了基礎(chǔ)。 鄰國的日本因?yàn)槟壳叭丝谪?fù)增長很早之前就發(fā)現(xiàn)了機(jī)器人對于未來的影響，國家和大型企業(yè)都相繼投入大量人力物力在機(jī)器人事業(yè)當(dāng)中，在普通民眾當(dāng)中也形成了對于機(jī)器人的重視觀念：機(jī)器人是未來必不可少的。 美國發(fā)明機(jī)器人之后曾經(jīng)有過理論重于實(shí)際，但是其技術(shù)基礎(chǔ)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于他國，機(jī)器人技術(shù)仍然是其他國家望其項(xiàng)背。 機(jī)器人還在不斷的發(fā)展當(dāng)中

8、，各行各業(yè)的特殊要求為機(jī)器人行業(yè)注入了動力，同時(shí)也為開發(fā)增加了不小的挑戰(zhàn)。 由于技術(shù)不斷進(jìn)步，多種多樣的驅(qū)動裝置被研發(fā)出來，舵機(jī)自研制成功之后就被大量的應(yīng)用于機(jī)器人的驅(qū)動之中。舵機(jī)興起于航模，現(xiàn)在也被運(yùn)用于賽車中用來控制前輪轉(zhuǎn)向。舵機(jī)的個頭不大但是簡單易用且能提供較大的功率，因此被廣泛的應(yīng)用在機(jī)器人上特別是小型機(jī)器人上更是十分實(shí)用的。 舵機(jī)也叫做伺服電機(jī)，運(yùn)用的是閉環(huán)控制系統(tǒng)。在一定的指令控制之下，舵機(jī)能夠運(yùn)動到準(zhǔn)確的角度上，這一項(xiàng)的準(zhǔn)確性適用于對運(yùn)動角度有高要求的類人型機(jī)器人的關(guān)節(jié)運(yùn)動。 現(xiàn)在舵機(jī)的發(fā)展前景令人看好，眾多的相關(guān)生產(chǎn)和研發(fā)企業(yè)都竭盡全力投入其中，追求高效益的同時(shí)也在間接的讓舵機(jī)

9、的發(fā)展更上了一個臺階。 舵機(jī)目前主要有模擬舵機(jī)和數(shù)字舵機(jī)兩種。本文主要圍繞模擬舵機(jī)展開。 現(xiàn)階段的驅(qū)動方式除開舵機(jī)以外，還有的較多的采用直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)在機(jī)器人的控制的控制上，除了小型的機(jī)器人外，大型機(jī)器人采用以上兩種控制方式的也較多。 步進(jìn)電機(jī)能夠準(zhǔn)確的讓運(yùn)動軸運(yùn)轉(zhuǎn)至轉(zhuǎn)角點(diǎn)，而且由于步進(jìn)電機(jī)通常運(yùn)動的角度只在1左右因此其能夠準(zhǔn)確的運(yùn)動至相應(yīng)的的角度。然而步進(jìn)電機(jī)也存在一定的不足之處，它只能夠依照已有的規(guī)律為各繞組供電且循環(huán)往復(fù)才能保證電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)與普通的直流電機(jī)不同，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩相對較小些，但是同時(shí)消耗的電量不小，而且控制電流存在著不穩(wěn)定的因素。不只是大量電量損耗的問題，步進(jìn)

10、電機(jī)還存在一定的失步問題。步進(jìn)電機(jī)按照一個控制脈沖就能夠移動一步的工作方式。但是在日常的工作當(dāng)中，電動機(jī)因?yàn)檫B續(xù)運(yùn)動會產(chǎn)生失步，造成實(shí)際的前進(jìn)步數(shù)少于理論步數(shù)即脈沖的數(shù)量。造成失步問題的原因有以下幾點(diǎn)如因運(yùn)行頻率上升反而使步進(jìn)電動機(jī)的的戶數(shù)轉(zhuǎn)矩下降，在此之中出現(xiàn)的較高的工作頻率而出現(xiàn)失步；也可能因步進(jìn)電機(jī)的負(fù)載的慣性使得電機(jī)在啟動時(shí)不能快速啟動而出現(xiàn)了失步問題;共振問題也會引發(fā)失步現(xiàn)象。這些都導(dǎo)致了步進(jìn)電機(jī)在小型機(jī)器人上的不、難以操控。 除卻步進(jìn)電機(jī)之外，直流電機(jī)也會被運(yùn)用在機(jī)器人之上。直流電機(jī)在啟動和制動上面存在明顯的優(yōu)勢，在直流電機(jī)的運(yùn)動過程中可以非常直接地測速。直流電機(jī)的正常轉(zhuǎn)速較高，但

11、是與機(jī)器人控制的速度要求不相符，機(jī)器人的控制并不需要直流電機(jī)的高速運(yùn)轉(zhuǎn)，為了滿足機(jī)器人控制上的實(shí)際要求，因此我們往往要加入其它設(shè)施減速之后再來滿足機(jī)器人運(yùn)動控制的要求。現(xiàn)在我們使用的舵機(jī)就是直流電機(jī)的基礎(chǔ)上采用伺服形成閉環(huán)系統(tǒng)來有效的保證實(shí)際前進(jìn)步數(shù)的正確性。 舵機(jī)的構(gòu)造相對來說并不復(fù)雜，主要就是包括了舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計(jì)、直流電機(jī)、控制電路板等。它能夠結(jié)合直流電機(jī)的作用，保證了能夠快速的到達(dá)要求位置，不會因?yàn)樗俣冗^快而出現(xiàn)誤差。而且因?yàn)槭褂脺p速器能夠直接的且大幅度的減少了電機(jī)的速度。另外也因?yàn)槭褂玫凝X輪組通過增加轉(zhuǎn)矩來提升電機(jī)的負(fù)載，直接的擴(kuò)大了舵機(jī)的使用范圍和應(yīng)用方向。舵機(jī)同樣

12、有部分的不足之處。舵機(jī)無法直接通過儀器在表面測出它的速度，必須采用特殊的設(shè)備才能測出。此外，因?yàn)樾D(zhuǎn)限定問題，舵機(jī)的脈沖周期限定在了20ms以上才能動作。舵機(jī)也有些許的不足。舵機(jī)是由表殼，無核心馬達(dá)，舵盤，齒輪組，位置反饋裝置，控制電路等等組成。表殼的主要作用是簡單的保護(hù)措施，避免外部物體進(jìn)入，影響多級工作。表殼的材質(zhì)采用較多的是塑料的，質(zhì)量較輕，有效的減輕了舵機(jī)重量，在微小模型的使用上較為方便實(shí)用。也有的是采用合金的材質(zhì)，能夠增加保護(hù)性能和導(dǎo)熱性能。對于一些有著較高要求的舵機(jī)在選擇是可以采用金屬制式的外殼，加快散熱和對內(nèi)部器件的保護(hù)功能。無核心馬達(dá)也就是空心杯電機(jī)，是直流電機(jī)的一種。無核心馬

13、達(dá)的獨(dú)特的結(jié)構(gòu)構(gòu)造與以往電機(jī)的傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子截然不同，它擁有獨(dú)特的節(jié)能能力。因?yàn)槠錈o鐵芯轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，充分滿足了伺服電機(jī)對于高轉(zhuǎn)速的要求。舵盤將舵機(jī)的運(yùn)動輸出，帶動其它裝置的運(yùn)動，例如實(shí)現(xiàn)移動機(jī)器人的轉(zhuǎn)向，人型機(jī)器人的關(guān)節(jié)部位的轉(zhuǎn)動做出相應(yīng)的動作。齒輪組配合無核心馬達(dá)，達(dá)到減速的效果，滿足機(jī)器人控制的需求。齒輪組和表殼一樣，在材質(zhì)上有塑料和合金的不同選用。塑料制成的齒輪組可以有效的減輕重量，經(jīng)濟(jì)成本較低，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠；但是質(zhì)量參差不齊，部分工作無法完成，容易磨損，影響工作。合金的齒輪組質(zhì)量過硬，不易損壞，工作使用期限較長；但是也存在一定缺陷，如重量較大，花費(fèi)較大，齒輪之間密合度不高有問題等等。兩種材質(zhì)各有

14、各的有點(diǎn)與不足。也有部分采取了混合材質(zhì)的齒輪，部分取用合金剩余使用塑料的方法保證質(zhì)量。現(xiàn)在的主流的舵機(jī)類型主要是根據(jù)功率高低來選用適合的材質(zhì)，對于小功率的使用塑料，大功率的使用了合金甚至使用較為昂貴的鈦合金材質(zhì)來保證質(zhì)量，普通功率的采用混合材質(zhì)的。位置反饋裝置是在接受控制電路的信號之后已經(jīng)變化后的方向進(jìn)行進(jìn)判斷后再次的傳回控制電路當(dāng)中進(jìn)行二次比較后，多次調(diào)整來達(dá)到方向的轉(zhuǎn)變，完成轉(zhuǎn)向。 舵機(jī)的核心也就在于它的控制電路，直接連接各個部件運(yùn)作，雖然每個部件都是不可或取得，相對而言，控制電路的重要性更為突出。所有的舵機(jī)驅(qū)動電路都是由信號調(diào)制芯片和電機(jī)驅(qū)動芯片兩個大部件組成。信號調(diào)制芯片通過信號的到相

15、應(yīng)的偏置電壓，加載在驅(qū)動芯片上。驅(qū)動芯片控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度。此外，整個的控制電路中還有部分電容和電阻在其中工作，保證電路的正常工作。 根據(jù)舵機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖將舵機(jī)的工作原理進(jìn)行細(xì)致的說明。 理想的控制脈沖發(fā)送到了控制電路之后，控制電路會根據(jù)這個控制脈沖在信號芯片運(yùn)行后產(chǎn)生直流偏執(zhí)電壓。電機(jī)驅(qū)動電路在接受到了直流偏置電壓之后會依照電壓的大小使得電機(jī)做出對應(yīng)的工作。電機(jī)的轉(zhuǎn)速會在齒輪組的調(diào)節(jié)下大幅度的減小，而使得電機(jī)的輸出扭矩在輸出之前成反比的放大，擴(kuò)大作用。最尾端的齒輪可以帶動電位器工作，在得出舵機(jī)實(shí)際的轉(zhuǎn)動角后將數(shù)值回饋到控制電路中去。控制電路依照電位器的反饋信息與要求的轉(zhuǎn)角進(jìn)行比較，再發(fā)出新的

16、控制脈沖轉(zhuǎn)動角度或者已經(jīng)完成轉(zhuǎn)角要求，沒有新的脈沖。 現(xiàn)在使用的模擬舵機(jī)不可能單獨(dú)使用，舵機(jī)的控制器必須依照脈沖寬度來進(jìn)行相應(yīng)的控制，而這個不可少的脈寬信號則是采用外在的控制器發(fā)出的信號對舵機(jī)做出控制工作。因此，舵機(jī)還有3根線必須與外部連接。第一個是電源線，為舵機(jī)提供電力來源和動力基礎(chǔ)，供電電壓基本在4.8V6V之間。第二根是地線，起到接地的作用。第三根是信號線，也是最為重要的，它提供了脈寬信號，周期是20ms，脈寬則在0.5ms2.5ms之間，能夠使得舵機(jī)的角度從-90到90的精準(zhǔn)調(diào)整。 實(shí)際應(yīng)用的時(shí)候，可以依照轉(zhuǎn)動的角度需求進(jìn)行準(zhǔn)確的調(diào)整。使用外聯(lián)的控制器依照我們實(shí)際的需求角度對脈寬進(jìn)行調(diào)

17、節(jié)，在0.5ms2.5ms之間調(diào)整脈寬，傳送到舵機(jī)內(nèi)部的信號會使得舵機(jī)有相應(yīng)的轉(zhuǎn)動，精準(zhǔn)轉(zhuǎn)動到達(dá)需求的位置。 現(xiàn)在對于脈寬信號的輸入方式也是比較多的，可以采用單片機(jī)，F(xiàn)PGA和PLC等可編程器件直接采用程序的方式輸出相應(yīng)的脈寬信號進(jìn)入舵機(jī)。此外，也會模擬電路的方式組成外聯(lián)控制器。 單片機(jī)，PLC這些可編程器件都是獨(dú)立運(yùn)行的系統(tǒng)，內(nèi)部相對穩(wěn)定，而且可以控制單個或同時(shí)控制多個舵機(jī)，經(jīng)濟(jì)方便，控制方法也很靈活，可以多次反復(fù)使用。而且相對而言輸出的脈寬信號非常穩(wěn)定，不會出現(xiàn)較大誤差。 FPGA雖然在各種控制其中精準(zhǔn)度最高，而且最為穩(wěn)定，但是制作工藝要求過高，成本較大。 而模擬電路則是通過運(yùn)放器件這些組

18、成外部的控制電路后輸出有源濾波后的穩(wěn)定電壓。舵機(jī)的本身轉(zhuǎn)動角度的需求，信號一定為50Hz即周期為20ms的硬性要求。實(shí)際使用的過程當(dāng)中，模擬電路在使用時(shí)會由于運(yùn)放器件的質(zhì)量出入出現(xiàn)電壓的浮動，然而舵機(jī)的使用要求卻對這點(diǎn)較高，即5mV的不顯著變化也會造成舵機(jī)抖動。實(shí)際的模擬電路不只是因?yàn)檫\(yùn)放器件會出現(xiàn)電壓不穩(wěn)，電源本身也會因電路影響出現(xiàn)電壓變動。實(shí)際使用的時(shí)候，電路的電力損耗的浪費(fèi)，占據(jù)空間的阻礙，搭建電路的繁雜等等問題，以及基礎(chǔ)的不能很好的滿足脈寬信號的要求注定了模擬電路的實(shí)際應(yīng)用的局限性。舵機(jī)在使用的時(shí)候進(jìn)行選用時(shí)要在多個方向進(jìn)行對比選用：如轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電壓、體積、材料、重度等等，每一項(xiàng)的差

19、別都會造成舵機(jī)在使用時(shí)的效果，影響整個工作人的工作效果。的范圍內(nèi)。具體情況下要依照速度的需求做出合適的選擇決定。舵機(jī)在轉(zhuǎn)矩方面的選擇上也是必不可少的。舵機(jī)因?yàn)樗捏w積的大小限定，舵機(jī)的舵盤不會較大，舵盤和舵機(jī)軸的直線距離也就相對較小，其轉(zhuǎn)矩的適用單位都是KGCM即是在距離舵機(jī)軸的一定距離的舵盤所能夠帶動轉(zhuǎn)動的物體質(zhì)量。考慮舵機(jī)的時(shí)候必要考慮舵機(jī)所要帶動的物體的大小和質(zhì)量，要相匹配。例如制造類人機(jī)器人的時(shí)候就要考慮機(jī)器人的不同關(guān)節(jié)承載的不同的部位和在機(jī)器人的所處的位置，依照具體的應(yīng)用選用能夠提供不同大小的轉(zhuǎn)矩的舵機(jī)來完成機(jī)器人的正常動作，因此轉(zhuǎn)矩的考慮是必不可少的。普遍的應(yīng)用中，JR生產(chǎn)的舵機(jī)基

20、本是采用4.8V作為標(biāo)準(zhǔn)工作電壓，而Futaba是采用6.0V為標(biāo)準(zhǔn)工作電壓。一般的情況下，電壓與電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩是成正比關(guān)系的，一般都是選擇較高的工作電壓；但是在實(shí)際應(yīng)用的時(shí)候，舵機(jī)是作為機(jī)器人的配件，舵機(jī)的實(shí)際工作電壓要視能夠獲得的來自機(jī)器人的電壓而定，沒有額外的供電來源。舵機(jī)的體積、重量和材質(zhì)等等雖然有不同的選擇但能夠提供相近的功能，因此沒有硬性的使用規(guī)定，具體的選擇時(shí)看使用是否存在可能的限制，在這些方面有所選擇，保證舵機(jī)能夠正常使用并且保證一定的工作時(shí)長。3.硬件平臺分析 本文為能夠直觀的實(shí)現(xiàn)舵機(jī)轉(zhuǎn)向的工作過程，因此設(shè)計(jì)并且構(gòu)造出一個移動機(jī)器人的硬件平臺，用于研究舵機(jī)轉(zhuǎn)向的方面，此平臺使

21、用的是日本的FUTABA-S3003型舵機(jī)，使用的是STC12C5A60S2的單片機(jī)作為外接的舵機(jī)控制器。電機(jī)驅(qū)動電路 電機(jī)的驅(qū)動電路采用了兩個直流電動機(jī)作為智能小車的動力來源，采用串聯(lián)的電池組提供能源動力。6和11口即實(shí)物圖中的通道A和通道B 輸入PWM信號后對A，B兩個電動機(jī)即移動小車上的左右后輪進(jìn)行驅(qū)動，PWM信號通過對占空比的大小調(diào)節(jié)能夠直接調(diào)節(jié)速度。5，7，10，12四個口兩兩對應(yīng)，通過單片機(jī)輸入實(shí)物圖中的邏輯輸入口，對照下表，可以根據(jù)輸入電平的高低在驅(qū)動電路中產(chǎn)生的結(jié)果得知下表中的控制方式和電動機(jī)狀態(tài)結(jié)果。 EN A/EN BIN1/IN3IN2/IN4電動機(jī)狀態(tài)0XX停止100制

22、動101正轉(zhuǎn)110反轉(zhuǎn)111制動 在實(shí)際的小車組裝過程當(dāng)中，移動平臺的基礎(chǔ)就是小車能夠有效的運(yùn)動， 電機(jī)調(diào)速是不可少的過程。在調(diào)試過程中，先行組裝好底盤后即對后輪的左右兩輪的驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，并且保證在輸入不同大小占空比的PWM信號后，測得的驅(qū)動電機(jī)的兩端電壓大小相同和相近，因?yàn)殡姍C(jī)的兩端電壓大小決定了功率大小進(jìn)而決定兩輪的轉(zhuǎn)速，必須保證左右兩輪的轉(zhuǎn)速相同，才能使得智能小車在直行狀態(tài)下勻速穩(wěn)定運(yùn)動。 3.2 FUTABA-S3003型舵機(jī)分析移動平臺的組建目的是使用舵機(jī)能夠準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)向，應(yīng)用于這個移動平臺的舵機(jī)就選用了S3003型舵機(jī)。S3003型舵機(jī)是由直流電機(jī)，齒輪組，位置反饋電位器5k，舵

23、盤，電機(jī)驅(qū)動芯片BAL6686和信號調(diào)制芯片BA6688L以及控制電路板組成的。簡述一下S3003型舵機(jī)的工作流程就是PWM信號由接收通道進(jìn)入信號調(diào)制芯片BA6688L的12腳進(jìn)行調(diào)制，得到直流偏置電壓。將直流偏置電壓和電位器的電壓進(jìn)行比較，獲得的電壓差由信號調(diào)制芯片的3腳輸出。當(dāng)輸出近入電機(jī)驅(qū)動芯片BAL6686后，驅(qū)動電機(jī)，使得直流電機(jī)作出正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。當(dāng)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動時(shí)，通過級聯(lián)減速齒輪帶動電位器Rw1旋轉(zhuǎn)，當(dāng)電壓差為0V后，電機(jī)就不會再轉(zhuǎn)動，舵機(jī)也就運(yùn)動到需求的角度上了。下表是S3003的一些基本參數(shù)：參數(shù)數(shù)值尺寸(Dimensions)36.0 mm重量(Weight)37.2 g工作速

24、度(Operating speed)0.23 sec/60(4.8V) ，0.19 sec/60(6.0V)輸出力矩(Output torque)3.2 kg (4.8V) ，4.1 kg (6.0V)3.3 STC12C5A60S2型單片機(jī)介紹 STC12C5A60S2型單片機(jī)能夠輸出兩路PWM信號,能夠主要是通過單片機(jī)的輔助寄存器AUXR1的B6口輸出功能，對于輸出的兩路PWM將兩路信號分別從P1.3和P1.4轉(zhuǎn)換到P4.2和P4.3口，但是 HC-SR04模塊使用超聲波原理測量距離，不需要直接觸碰即可測量0.02m-4m的范圍，而且準(zhǔn)確度可以達(dá)到3mm；其整個模塊是由超聲波信號發(fā)射器、接

25、收器和模塊控制電路組成的。外界通過I/O口TRIG輸入進(jìn)10us的高電平信號，模塊發(fā)射出8個40khz的方波，模塊對信號的發(fā)射和接受自動判別，當(dāng)接受到信號后在通過I/O口的ECHO向外界傳出一個高電平，因此高電平存在的時(shí)間就是超聲波從模塊傳出到傳回的時(shí)間，測得距離就是高電平存在時(shí)間的一半與聲速的乘積。模塊接口的功能和電氣參數(shù)如下表 接口名稱接口功能VCC提供5V電源GND接地TRIG觸發(fā)控制信號輸入ECHO回傳控制信號輸出電氣參數(shù)HC-SR04超聲波模塊工作電壓DC 5V工作電流15mA工作頻率40Hz最遠(yuǎn)射程4m最近射程2cm測量角度15輸入觸發(fā)信號10us的TTL脈沖輸出回響信號輸出TTL電平信號，與射程成比例規(guī)格尺寸45*20*15mm小車的數(shù)學(xué)模型4.1 小車整體的運(yùn)動數(shù)學(xué)模型 移動平臺使用的是前輪轉(zhuǎn)向的方式，參照下圖的模擬圖。 由上圖的轉(zhuǎn)向示意圖可以看出小車在向右轉(zhuǎn)彎，在小車的中心處有一個明顯的向外的角度，將小車中心處的角度進(jìn)行平行車身和垂直車身兩方向的速度分解后可以明顯看到即在垂直方向的速度分量是朝向車外的，小車在朝向右轉(zhuǎn)時(shí)必然會有向外的趨向；舵機(jī)轉(zhuǎn)向的運(yùn)動方程舵機(jī)轉(zhuǎn)向的數(shù)學(xué)模型 建立下圖的運(yùn)動控制模型，用于分析移動機(jī)器人在動作時(shí)的舵機(jī)轉(zhuǎn)動角度 將舵機(jī)的中心作為坐標(biāo)原點(diǎn)來建立二維坐標(biāo)系來分析，將車的中心線定義