1、機器人技術培訓前沿技術培訓 學 校： 開封高級技工學校 機器人的整體設計1機器人的動力系統2機器人的感知系統3巡線算法4機器人的整體設計要做好機器人，首先需要考慮的是我們做的機器人到底像不像“人”？機器人的整體設計 機器人Mechanic：底盤機構機器人的基礎Electronic：主控設計傳感器電機等機器人的核心、靈魂MEI電控系統的組成電控系統硬件電源單片機人機交互傳感器電機驅動其他驅動接口軟件模塊驅動上層控制電控系統結構框圖機器人的動力系統機器人的動力來源：電機舵機氣動裝置：氣缸、人工肌肉直流電機電機是利用電磁感應原理工作的機械。電機變壓器直流電機直流發電機直流電動機交流電機控制電機同步電

2、機同步發電機同步電動機異步電機異步發電機異步電動機直流電機構成：減速箱和直流電機 電機拖動系統：電動機傳動機構控制設備電源負載 減速箱又名“減速機”等，是一種降低電機轉速和放大電機扭矩的裝置。直流電機的機械特性n：轉速U：電壓T：轉矩紅線為正極，黑線為負極電流紅進黑出，電機正轉電流紅出黑進，電機反轉直流電機的調速方式PWM：pulse width modulatorPWM波調速：改變電壓的占空比，使平均電壓隨占空比的變化而變化，從而達到調節電機轉速的目的。如果脈沖周期足夠短，電機就能很平滑的轉動。一般取周期為5ms。直流電機的繼電器驅動方式驅動方式特點：MOS管的通斷實現電機調速；繼電器實現電

3、機換向。詳細內容見電路圖直流電機的H橋驅動方式繼電器的換向速度為2ms；H橋換向速度低于1us電路比較復雜，若是同臂導通，會燒毀MOS管甚至電池MOS管導通后，D和S之間的電阻0.1歐我們使用專門的H橋芯片IR2104其他電機控制方式電機控制盒專用電機控制芯片如L293 、 L298N、LMD18200、LG9110 等直流電機的速度閉環即使電機兩端電壓不變，如果負載變化，電機的轉速也會變化。如果使用光電編碼器，測量電機的轉速，與理想的轉速做PID調節，就能保持電機在變化負載下的恒速。直流電機的速度閉環光電編碼器是高精度控制系統常用的位移檢測傳感器。光電編碼器的輸出為A、B脈沖信號。A、B相信

4、號相位相差90度。速度計算和方向確定直流電機的速度閉環光電編碼器的信號處理電路74LS14整形，74LS74鑒向舵機舵機是一種航模用品，優點是重量輕、力矩較大、控制簡單（PWM波）輸出角度值：0-180 （理論值） 控制信號：周期20ms的矩形波，脈沖寬度從0.5ms-2.5ms線性對應舵盤的位置0180度。機器人的感知系統機器人的感知系統由傳感器組成。傳感器相當于機器人的五官，在機器人控制中起著至關重要的作用。典型的傳感器有：光電傳感器( 反射，對射)，紅外傳感器光纖傳感器行程開關磁傳感器(霍爾元件) 超聲波傳感器旋轉編碼器(光碼盤)陀螺儀、加速度計、電子羅盤圖像傳感器(CCD,CMOS)光

5、電巡線傳感器 光源發出的光線經過被測物體反射后，由光敏元件接收，當照射在黑線上時，反射光較弱，照射在白板上時，反射光較強。光敏原件可以檢測到光強的不同，將光強信息轉化為電壓信號。通過單片機檢測電壓的不同來識別傳感器是否處于黑線上。 按傳感器輸出信號不同，檢測方法分兩種：數字量輸出（調制，以我們學校為代表）和模擬量輸出（A/D，以清華為代表）。光電巡線傳感器：發射電路注意：我們使用的接收管只能接收調制光，因此發射管必須經過調制電 路發射調制光，否則接收管無法接收光信號； 調制管管腳（正面看）：中間+5V，左OUT，右懸空光電巡線傳感器：發射電路發射管分類：LED發光二極管基本 技術要求最低，也是

6、最基本最常見的巡線傳感器。有可見光和紅外兩種。由于普通連續光傳感器易受外部環境光線干擾，對環境的適應能力較差，所以要使用經過調制管調制的LED光電傳感器來避免外部連續光的干擾。激光發射管進階 采用激光發射管與可見光LED原理相同，但是由于激光的特性(功率大、不易散射)可以得到較遠的接收距離(即前瞻)。前瞻決定反應速度，所以采用激光發射管的車相對于LED有著較大的優勢，更容易提速和控制。 但是，激光傳感器也有著造價非常高，驅動電路復雜、接收時容易相互干擾，調試難度很大，容易燒壞等缺點光電巡線傳感器：接收電路注意：接收管信號端接發光二極管顯示，串聯的電阻也同時起到輸出信號上拉的作用接收管管腳（正面

7、看）：中間OUT，左負右正接受電路的主要元件是接收管，是光敏三極管的一種。一般的接收管接收到光時輸出低電平(輸出0)，即在白條上接收不到光時為高電平(輸出1)，即在場地其他顏色上紅外探障傳感器紅外探障傳感器的發射管發射的是紅外光，即非可見光，而接收管也只能接收到紅外光；其靈敏度也是可通過多圈電位器進行調節的，我們使用的這種小型紅外探障傳感器可達到的最遠距離為30cm，即在此范圍內的有物體在傳感器之前的話，它就會有低電平輸出。 白線檢測光電傳感器普通光電傳感器，為紅色可見光帶調制的傳感器，其可見光的強度可通過的傳感器上的多圈電位器進行調節，即靈敏度可調。我們將其用來做機器人的到位判斷。 行程開關

8、行程開關可作為機構的定位傳感器。把行程開關安裝在移動部位的擋塊、凸輪的滑塊等零件，使機械式開關的觸點執行開、關動作，從而獲得位置信號。行程開關的常開端（NO）和常閉端（NC）分別接數字部分的地和正，中央觸點端（COM）則作為信號端帶上拉電阻和發光二極管接入單片機的輸入I/O。當行程開關受到觸發，中央觸點端與常開端接觸時，COM端輸出低電平，表示機構已經到位。 霍爾傳感器霍爾器件是一種磁傳感器。用它們可以檢測磁場及其變化，可在各種與磁場有關的場合使用。霍爾器件以霍爾效應為其工作基礎。霍爾器件有許多優點，它們的結構牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高，耐震動，不怕灰塵、油污、水氣

9、及煙霧等的污染和腐蝕。 開關量傳感器狀態讀取開關量傳感器信號直接與單片機I/O口相連，讀取I/O口電平即可獲取傳感器的當前狀態。1A5處與單片機的IO口連接J28與傳感器相連巡線算法傳感器狀態的獲取和編碼-7-5-3-11357本來傳感器狀態就少，所以要細分傳感器狀態，即每兩個傳感器在線上時，也是一種狀態。這樣的一排傳感器可以有16種狀態。傳感器狀態分析在線傳感器S1S1 2S2S1 S2 S3S2 S3S3S2 S3 S4S3 S4S4狀態定義A123345567在線傳感器S3 S4 S5S4 S5S5S4 S5 S6S5 S6S6S5 S6 S7S6 S7S7狀態定義A7899101111

10、1213在線傳感器S6 S7 S8S7 S8S8 都不在線狀態定義A131415 16巡線傳感器狀態采集程序1讀取每一位接收管的狀態，并進行編碼2記錄通過的白線的數目巡線算法：PID控制原理連續系統的PID控制：巡線算法：PID控制原理連續系統PID的數字化：位置式：增量式：巡線算法：PID控制原理 P proportion 比例：PID用于控制精度 它直接影響精度,影響控制的結果 I integration 積分：它相當于力學的慣性 能使震蕩趨于平緩 D differentiation 微分：控制提前量 它相當于力學的加速度 影響控制的反應速度.太大會導致大的超調量 使系統極不穩定.太小會使

11、反應緩慢. 一般而言 PID調節是一個整體的說法 在實際中 PID的比例積分微分并非總是同時使用 PI調節和PD調節使用較多. 巡線算法：PID控制P控制PI控制PID控制巡線算法：PID控制的輸入位置信息：單排傳感器獲取傳感器與白線的位置信息。角度信息：2排傳感器的狀態差反應車體中心偏離白線中心的角度偏離角度 = 后排傳感器狀態值 - 前排傳感器狀態值巡線算法：PID控制流程采集前排傳感器狀態采集后排傳感器狀態角度PID位置PID計算得出兩輪需要的轉速單片機通過驅動控制電機PID參數測定方法先比例，再積分，最后微分 （1）整定比例控制 將比例控制作用由小變到大，觀察各次響應，直至得到反應快、超調小的響應曲線。 （2）整定積分環節 若在比例控制下穩態誤差不能滿足要求，需加入積分控制。 先將步驟（1）中選擇的比例系數減小為原來的5080，再將積分時間置一個較大值，觀測響應曲線。然后減小積分時間，加大積分作用，并相應調整比例系數，反復試湊至得