1、大連理工大學(xué)機(jī)械電子學(xué)大連理工大學(xué)研究生試卷類別標(biāo)準(zhǔn)分?jǐn)?shù)實(shí)得分?jǐn)?shù)平時(shí)成績(jī)作業(yè)成績(jī)總分授課教師簽 字系 別： 機(jī)械工程學(xué)院課程名稱： 機(jī)械電子學(xué) 學(xué) 號(hào)： 姓 名： 考試時(shí)間：2014年 1 月 20 日獨(dú)立完成新木牛流馬之垃圾自卸車1 方案設(shè)計(jì)背景地球是我們賴以生存的家園，為我們提供美好的生活環(huán)境，我們應(yīng)努力保護(hù)它。隨著時(shí)代的發(fā)展，人們生活節(jié)奏的加快，一次性垃圾袋、餐盒等越來(lái)越受人們的歡迎。但是在給人們帶來(lái)便利的同時(shí)，順著而來(lái)的是這種垃圾越來(lái)越多，清潔起來(lái)也越來(lái)越不方便。而垃圾清理人員每天生活在骯臟的環(huán)境中，呼吸著熏天的氣味，并時(shí)常被人誤會(huì)為“臟”的代名詞，嚴(yán)重危害著垃圾清理和回收人員的身體和

2、心理健康。我國(guó)是世界上十大塑料制品生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)之一，丟棄在環(huán)境中的廢舊包裝塑料，不僅影響市容和自然景觀，產(chǎn)生"視覺污染"，而且因難以降解，對(duì)生態(tài)環(huán)境還會(huì)造成潛在危害，如：混在土壤中，影響農(nóng)作物吸收養(yǎng)分和水分，導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)；增塑劑和添加劑的滲出會(huì)導(dǎo)致地下水污染；混入城市垃圾一同焚燒會(huì)產(chǎn)生有害氣體，污染空氣，損害人體健康。如何來(lái)解決這種問題？目前最好的發(fā)法就是回收利用。但回收垃圾需要人力、物力和財(cái)力，這些都是我們要考慮的因素。為了解決這些問題，同時(shí)也為了垃圾清理人員的身體健康，為了方便垃圾回收，我們有責(zé)任，也有義務(wù)利用所學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)制作一種機(jī)電化，智能化的設(shè)備來(lái)幫助垃圾清理人員

3、運(yùn)送垃圾并自卸垃圾，為保護(hù)地球家園出一份力！2總體設(shè)計(jì)方案的擬定（原創(chuàng)）根據(jù)垃圾自卸車的工作要求，要求實(shí)現(xiàn)裝卸車在整個(gè)行走過程中輕捷、靈巧、能夠判別障礙物達(dá)到指定地點(diǎn)，并且判斷垃圾是否裝滿，最后返回原點(diǎn)并自動(dòng)傾卸垃圾，如此反復(fù)循環(huán)。在必要的情況下可以手動(dòng)無(wú)線控制來(lái)完成裝卸車的工作，如此可以減輕人力和物力以達(dá)到總體要求。自卸車分為機(jī)械部分和控制部分，其控制及運(yùn)行過程如圖2.1所示：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制系統(tǒng)到達(dá)規(guī)定地點(diǎn)待機(jī)啟動(dòng)各傳感器自卸車行駛手動(dòng)控制恢復(fù)原態(tài)判別是否裝滿自動(dòng)傾卸垃圾啟動(dòng)并原路返回返回原點(diǎn)并待機(jī)圖2.1 控制及行駛過程打開電源啟動(dòng)裝卸車，自卸車按規(guī)定路線行駛，同時(shí)各傳感器開始工作。自卸車可直

4、行，傳感器檢測(cè)其速度并通過單片機(jī)控制其速度的快慢，且路遇障礙物時(shí)可鳴笛或繞行。當(dāng)自卸車到達(dá)指定地點(diǎn)時(shí)停止行駛并待機(jī)等待下一步的執(zhí)行命令，同時(shí)清潔人員可裝入垃圾，其中傳感器判斷是否裝滿，若裝滿則再次啟動(dòng)裝卸車沿原路返回。當(dāng)自卸車返回到原點(diǎn)即垃圾中轉(zhuǎn)站時(shí)調(diào)整姿勢(shì)，并且啟動(dòng)液壓站控制液壓缸開始自動(dòng)傾卸垃圾。垃圾傾卸完畢后，自卸車將恢復(fù)原始狀態(tài)繼續(xù)下一次運(yùn)載垃圾。如此循環(huán)下去直到垃圾清理完畢。如若自卸車在行駛的過程中發(fā)生故障，可以通過人工控制自卸車來(lái)完成此次的裝運(yùn)，等待垃圾運(yùn)送完成后再進(jìn)行修復(fù)。這樣可以避免自卸車停在道路之間影響交通，同時(shí)也加快了垃圾運(yùn)送效率。3方案設(shè)計(jì)要求通過對(duì)自卸車行駛過程的研究，

5、提出裝卸車應(yīng)滿足一下要求：1）移動(dòng)：在平地上能夠?qū)崿F(xiàn)直行和拐彎等運(yùn)動(dòng)，并且在行駛過程中可以調(diào)節(jié)車速的快慢。2）路線規(guī)劃：自卸車能夠在規(guī)定的路線上行駛，并采用相應(yīng)的控制算法，實(shí)現(xiàn)自卸車面向目標(biāo)點(diǎn)的自主移動(dòng)，形成對(duì)電機(jī)的速度、位移的閉環(huán)控制。并能通過輸入指定地點(diǎn)的路標(biāo)可以得到所需行走的路線。3）定位：能夠?qū)鞲衅鞑杉男畔⒆飨鄳?yīng)的算法處理，得到機(jī)器人行走的距離和自身的位置等信息，完成二維空間內(nèi)定位的功能。定位是實(shí)際控制中最為關(guān)鍵的問題，定位的準(zhǔn)確性和精度直接影響路徑規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)，關(guān)乎到整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。4）避障：當(dāng)自卸車遇到障礙物時(shí)可以通過傳感器的檢測(cè)執(zhí)下一步的命令，鳴笛或繞行等。 5）系統(tǒng)自檢：系

6、統(tǒng)在通電后，根據(jù)各部分模塊的反饋信息，確定工作是否正常。并且在裝垃圾時(shí)能夠自動(dòng)檢測(cè)垃圾是否裝滿。6）自卸功能：當(dāng)自卸車返回到原點(diǎn)時(shí)可以通過液壓油缸自動(dòng)傾倒垃圾。 7）人機(jī)交互：自卸車可以實(shí)現(xiàn)人為的模式設(shè)定、策略選擇、基準(zhǔn)矯正、輔助控制、數(shù)據(jù)顯示輸出等功能。4 機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)4.1整車主要參數(shù)整車外形尺寸(長(zhǎng)*寬*高)：1550mm*920mm*700mm；車廂尺寸(長(zhǎng)*寬*高)：1000mm*700mm*500mm；軸距：950mm；底盤：1500mm*700mm；前輪距：780mm；車燈：100mm；底盤距地：350mm。4.2 技術(shù)參數(shù)車速：0-20km/h；工作電壓：24；電池組：鉛酸蓄電

7、池停止精度：±20mm以下（如需提高精度可加裝輔助定位）；運(yùn)動(dòng)方向：直行，繞行；導(dǎo)航方式：光學(xué)導(dǎo)航；運(yùn)載重量：0150kg（不含本體重量）；充電方式：電池快速充電或自動(dòng)快速充電。電機(jī)：無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，24V，250W低速電機(jī)4.3 整車布置情況（原創(chuàng)）整車總體布置情況如圖4.1所示：圖4.1 自卸車結(jié)構(gòu)總體布置由圖所示，1為控制部分，包括單片機(jī)等一些控制部件，還有一些控制電纜等；2為后翻蓋，即傾倒垃圾時(shí)后翻蓋自動(dòng)打開，垃圾傾斜完畢車廂放下時(shí)后翻蓋再自動(dòng)關(guān)上；3為車廂，用來(lái)裝卸垃圾，在液壓站控制下具有自卸功能；4為底盤，用來(lái)支撐車廂、電機(jī)、蓄電池、液壓箱等部件；5為各種閥塊，可以控制油

8、缸內(nèi)液壓油的進(jìn)出方向；6為車輪，共4個(gè)車輪，提供牽引、制動(dòng)、防滑、減振、轉(zhuǎn)向等功能；7為液壓站，本身帶有電機(jī)，可以通過控制液壓閥來(lái)控制油缸的伸縮；8為蓄電池，此自卸車用的是鉛酸蓄電池，為整個(gè)自卸車提供電能；9為L(zhǎng)ED燈，作為警示燈，提醒其它車輛及行人。三維圖如圖4.2和4.3所示：圖4.2 自卸車測(cè)視圖圖4.3 自卸車正視圖4.4 自卸機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)自卸機(jī)構(gòu)及升舉機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是自卸汽車設(shè)計(jì)的核心技術(shù)問題。應(yīng)根據(jù)使用具體實(shí)際要求結(jié)合制造工藝條件，在多方案綜合比較的基礎(chǔ)上決定取舍。但不論選取何種升舉機(jī)構(gòu)，都必須確保舉升力與最大舉升角度，這兩項(xiàng)是基本的要求，但由于垃圾自卸車載重量小，故升舉力不需太大，只要保

9、證升舉角即可。4.4.1 升舉機(jī)構(gòu)的形式在當(dāng)今的自卸汽車上，液壓升舉機(jī)構(gòu)被廣泛采用。根據(jù)油缸與車廂底板的連接方式，常用的升舉機(jī)構(gòu)可以分為直推式和連桿組合式兩大類。 1）直推式升舉機(jī)構(gòu)直推式升舉機(jī)構(gòu)的升舉油缸直接作用在車廂底架上，由液壓缸直接推動(dòng)車廂升舉，傾卸，如圖4.4所示。根據(jù)液壓油缸所在車廂位置的不同分為前置式和中置式；根據(jù)液壓缸形式的不同分為單級(jí)液壓缸直推式和多級(jí)液壓缸直推式；根據(jù)使用液壓缸數(shù)量的不同又可分為單液壓缸直推式和雙液壓缸直推式。圖4.4 直推式升舉機(jī)構(gòu)中置式升舉機(jī)構(gòu)的液壓缸與車廂的連接位置在車廂幾何中心的后面，且液壓缸稍向后傾斜。這樣布置的自卸車車廂是向后傾斜貨物的，雖然會(huì)增

10、加液壓缸的推力，但可以大大地縮短液壓缸行程，車廂傾斜的穩(wěn)定性好，有利于縮短車廂升舉和降落的時(shí)間，而且短而粗的液壓缸筒和活塞桿易于加工，故這種中置式升舉機(jī)構(gòu)得到了廣泛應(yīng)用，如圖4.4 b)、c）、d）所示。前置式升舉力小，但液壓缸行程大，升舉時(shí)橫向剛度較大，如圖4.4 a）所示。圖4.5 直推式結(jié)構(gòu)示意圖直推式升舉機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、升舉效率高，工藝簡(jiǎn)單，成本低，安裝位置所需空間小。在裝載質(zhì)量相同的條件下，液壓缸所需推力小于連桿組合式。2）連桿組合式升舉機(jī)構(gòu)連桿組合式升舉機(jī)構(gòu)的液壓缸通過連桿作用在車廂底架上。常用的連桿組合式升舉機(jī)構(gòu)有：液壓缸前推連桿式(馬勒里舉升臂式)、液壓缸后推連桿式(加伍德舉

11、升臂式)、液壓缸前推杠桿式、液壓缸后推杠桿式、液壓缸浮動(dòng)連桿式等。連桿式升舉機(jī)構(gòu)主要是利用一套三角連桿系使升舉液壓缸以較小的行程將車廂傾斜一定的角度而卸貨，并使液壓缸能采用單級(jí)活塞式結(jié)構(gòu)，以降低液壓缸的制造成本，而且液壓缸容易布置，其原始位置接近于水平，液壓缸可與控制閥、液壓泵連成一體，取消高壓油管；同時(shí)，也利用連桿系的橫向跨距來(lái)加強(qiáng)車廂升舉的橫向穩(wěn)定性。但連桿式升舉機(jī)構(gòu)會(huì)使車架和車廂承受液壓缸產(chǎn)生的水平推力，從而產(chǎn)生較大的應(yīng)力。 連桿式升舉機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4.6所示。其中a）是液壓缸前推連桿式(馬勒里舉升臂式) ，其升舉力系數(shù)小、省力、油壓特性好，但缸擺角大， 活塞行程圖4.6 連桿組合

12、式結(jié)構(gòu)示意圖大；b）是液壓缸后推連桿式(加伍德舉升臂式)，其轉(zhuǎn)軸反力小，升舉力系數(shù)大，升舉臂較大，活塞行程短；c）是液壓缸前推杠桿式，其升舉力小，構(gòu)件受力較大，油缸擺角大；d）是液壓缸后推杠桿式，其升舉力一般，結(jié)構(gòu)緊湊但布置集中后部，車廂底板受力大；e）是液壓缸浮動(dòng)連桿式，其油缸進(jìn)出油管活動(dòng)范圍大，油管大。4.4.2 升舉機(jī)構(gòu)形式的確定 由于升舉機(jī)構(gòu)的重要性，所以在選擇升舉機(jī)構(gòu)時(shí)一定要全面考慮，合理選用，以便能夠達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。選用升舉機(jī)構(gòu)必須考慮以下幾點(diǎn)因素：1)自卸車的使用條件與環(huán)境，本車是行駛在公路上，且工作條件差，垃圾不是太重，即車的載重量小。2)要考慮制造工藝與制造成本，要求盡可能的

13、降低成本。3)液壓系統(tǒng)是否能承受在升舉質(zhì)量作用下的升舉力以及液壓油缸的行程能否滿足車廂的最大舉升角。從上述的分析并通過直推式和連桿組合式的對(duì)比，直推式升舉機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊、舉升效率高，工藝簡(jiǎn)單、易于設(shè)計(jì)、成本較低。由于車的載重量小，為了簡(jiǎn)化整車結(jié)構(gòu)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本次設(shè)計(jì)的垃圾自卸車采用中置單液壓油缸直推式的升舉機(jī)構(gòu)。4.4.3最大升舉角、升舉降落時(shí)間的確定車廂的最大升舉角，即車廂最大傾斜角，是指車廂升舉至極限位置，車廂底部平面與水平面之間的夾角。確定車廂最大升舉角的依據(jù)是傾卸貨物的安息角，安息角是建筑學(xué)上的詞匯，指一堆散料保持自然穩(wěn)定狀態(tài)的最大角度。一旦這個(gè)角度形成后，再往上堆加散料，就會(huì)自然滑

14、下，并保持這個(gè)角度。它可以表明貨物內(nèi)摩擦所能維持的堆積角度，內(nèi)摩擦越小，安息角越小。本車型為垃圾運(yùn)輸車，普通生活垃圾的安息角一般為350450。 車廂最大升舉角max必須大于貨物的安息角。自卸車車廂最大升舉角可在450700之間選取。最大升舉角大，有利于車廂內(nèi)的貨物卸凈。但過大的傾斜角會(huì)導(dǎo)致卸貨穩(wěn)定性差，車廂不易復(fù)位。如圖4.7所示。本車型最大升舉角選擇480。車廂的升舉時(shí)間是指車廂滿載時(shí)，從車廂開始升舉到車廂升舉到最大升舉角的時(shí)間，一般為15s25s。車廂降落時(shí)間是指車廂卸完垃圾后，開始下降至完全降落到車架上的時(shí)間，一般為8s15s。如圖4.7所示。圖4.7自卸車后傾最大升舉角4.5 差速機(jī)

15、構(gòu)現(xiàn)在，用于輪式機(jī)器人的底盤的輪系結(jié)構(gòu)己經(jīng)越來(lái)越多。就從地面移動(dòng)的角度而言，就有履帶式、車輪式、腿腳式、軀干式等很多種形式。車輪式結(jié)構(gòu)具有移動(dòng)平穩(wěn)，體積小，易于控制等優(yōu)點(diǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，車輪式結(jié)構(gòu)也逐步發(fā)展成兩個(gè)大類。一種是差速直輪結(jié)構(gòu)(簡(jiǎn)稱差速輪)，另一種是全方位移動(dòng)結(jié)構(gòu)(簡(jiǎn)稱全向輪)。差速輪結(jié)構(gòu)具有行走平穩(wěn)、振動(dòng)小、容易控制速度和方向等優(yōu)點(diǎn)。為了獲取很好的靈活性和機(jī)動(dòng)性，通常采用雙電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)左右輪的控制方式。左右兩輪除了負(fù)責(zé)自卸車的前進(jìn)和后退以外還能夠曲線行進(jìn)和原地轉(zhuǎn)向等動(dòng)作。如圖4.8所示。電機(jī)圖4.8 差速直輪結(jié)構(gòu)示意圖由于自卸車的左右輪釆用分別獨(dú)立控制的方式，即差動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)。

16、當(dāng)兩個(gè)輪子的轉(zhuǎn)速和方向相同時(shí)自卸車會(huì)保持直線運(yùn)動(dòng)，而當(dāng)兩個(gè)輪子的轉(zhuǎn)速不同時(shí)自卸車就會(huì)以曲線方式運(yùn)動(dòng)。因此如果想要自卸車從一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置只需要將上述運(yùn)動(dòng)方式結(jié)合即可。5 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.1 傳感部件的選擇為了使垃圾自卸車具有以上所述功能，先必須具有感知外界的能力和內(nèi)部的能力，即通過傳感器進(jìn)行外部環(huán)境和內(nèi)部情況的信息采集。傳感器是用來(lái)感知外界和內(nèi)部信息，以確定周圍的環(huán)境、當(dāng)前的位姿以及其自身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；控制器用來(lái)分析采集到的信息，并執(zhí)行預(yù)定的程序；自卸車的執(zhí)行機(jī)構(gòu)接收控制器發(fā)來(lái)的指令，完成相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。這是一個(gè)循環(huán)控制，其控制框圖如圖5.1所示。執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器 傳感器 圖5.1 自卸車控制框

17、圖垃圾自卸車確定其在二維工作環(huán)境中相對(duì)于全局坐標(biāo)的位姿，是其機(jī)器人導(dǎo)航、路徑規(guī)劃與運(yùn)動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，定位傳感器需要滿足自卸車定位的功能。常用的定位傳感器根據(jù)其定位與導(dǎo)航方式的不同分類較多，包括：采用航跡推算的光電編碼器；采用路標(biāo)方式的超聲波測(cè)距儀、光電開關(guān)、光纖傳感器；采用磁導(dǎo)航方式的電子羅盤；采用慣性導(dǎo)航方式的陀螺、加速度計(jì)；采用視覺導(dǎo)航方式的攝像頭等。其中，光電編碼器是一種使用最廣泛的定位手段可選為導(dǎo)航定位的方式；光纖傳感器精度較高，通過合理的陣列布局，可實(shí)現(xiàn)路標(biāo)定位的尋跡功能；磁導(dǎo)航方式受環(huán)境影響較大，可以預(yù)留接口，作為輔助定位方式；慣性導(dǎo)航方式與航跡推算一樣具有自

18、包含的優(yōu)點(diǎn)，可以預(yù)留接口，提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性；圖像定位的實(shí)時(shí)性較差、對(duì)處理器要求較高，不予采用。當(dāng)檢測(cè)到障礙物時(shí)，常用的傳感器為超聲波傳感器和紅外傳感器。經(jīng)過以上分析，根據(jù)移動(dòng)機(jī)器人的實(shí)際需要，最終系統(tǒng)選用如下傳感器,滿足機(jī)器人的感知需求:1）光纖傳感器：通過將光纖傳感器陣列分布于機(jī)器人底盤下，探測(cè)地面上的白線，并能夠沿著白線作自主運(yùn)動(dòng)。2）光電編碼器：通過光電編碼器檢測(cè)機(jī)器人行走的速度、位移。3）超聲波傳感器：超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。它具有頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好。4）紅外傳感器：通過檢測(cè)前方物體的熱輻射，來(lái)探判斷前

19、方物體是否為生物，若是則蜂鳴器發(fā)出警告聲，通知其避讓。5.2 控制系統(tǒng)的整體方案（原創(chuàng)）在整個(gè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)中，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)尤為重要?？刂葡到y(tǒng)是整個(gè)機(jī)器系統(tǒng)的靈魂?？刂葡到y(tǒng)的先進(jìn)與否，直接決定了整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)智能化水平的高低。自卸車的各種功能都在控制系統(tǒng)的統(tǒng)一協(xié)調(diào)下實(shí)現(xiàn)；控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)策略也決定了整個(gè)自卸車系統(tǒng)的功能特點(diǎn)和可擴(kuò)展性。本方案設(shè)計(jì)的自卸車控制系統(tǒng)，具備障礙物檢測(cè)避碰、速度檢測(cè)、轉(zhuǎn)向、電源低電壓監(jiān)測(cè)和充電等功能，并可工作于實(shí)時(shí)手動(dòng)遙控等多種模式。并且還有燈光控制電路、蜂鳴器電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路及液壓系統(tǒng)等多種模塊。以上模塊通過各種方式組合來(lái)實(shí)現(xiàn)裝卸車的各種功能。自卸車控制系統(tǒng)框圖如圖5

20、.2所示。紅外傳感器超聲波傳感器遙控操作模塊STC12C5A60S2單片機(jī)*2電源模塊接口電路左輪碼盤充電模塊PWM電磁閥/液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路左輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路PWM右輪電機(jī)蜂鳴器電路驅(qū)動(dòng)電路接口電路右輪碼盤LED燈控制電路RS-232電平轉(zhuǎn)換復(fù)位電路晶振電路光纖傳感器光電編碼器5.2 自卸車控制系統(tǒng)框圖其中，PWM即脈沖寬度調(diào)制，是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來(lái)調(diào)制晶體管基極的偏置，來(lái)實(shí)現(xiàn)晶體管導(dǎo)通時(shí)間的改變，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出的改變。這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時(shí)保持恒定，是一種對(duì)電路控制非常有效的技術(shù)。下文將分別對(duì)各部分模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)做一一介紹。5.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

21、5.3.1 處理器的選型 處理器作為控制系統(tǒng)的核心，其性能直接影響了控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)處理速度、運(yùn)行可靠性等。在選擇處理器時(shí)，需要綜合考慮系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)、硬件外設(shè)需求、處理器的處理能力、成本、功耗、軟件支持情況、產(chǎn)品的兼容性、可擴(kuò)展性等多方面。目前，廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)的處理器有單片機(jī)、ARM、DSP、FPGA等。其中，單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，使用方便，容易實(shí)現(xiàn)模塊化，并且處理功能強(qiáng)，速度快，低電壓，低功耗，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品，價(jià)格便宜，控制功能強(qiáng)，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。本次設(shè)計(jì)所選用的單片機(jī)為STC12C5A60S2單片機(jī)，STC12C5A60S2是STC生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的

22、單片機(jī)，是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。 集以上優(yōu)點(diǎn)，STC12C5A60S2單片機(jī)是最好的選擇。其引腳圖如下圖5.3所示。圖5.3 STC12C5A60S2單片機(jī)引腳圖5.3.2 電機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路的選擇1）電機(jī)的選擇目前，應(yīng)用于機(jī)器人控制系統(tǒng)中的電機(jī)種類較多，如步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)、舵機(jī)等。無(wú)刷直流電機(jī)相比于普通直流電機(jī)，具有體積小、重量輕、調(diào)試范圍廣、機(jī)械特性好、響應(yīng)速度快、過載能力強(qiáng)、可靠性高，穩(wěn)定性好，適應(yīng)性強(qiáng)，維修與保養(yǎng)簡(jiǎn)單

23、等優(yōu)勢(shì)，能夠滿足機(jī)器人控制系統(tǒng)對(duì)速度、靈敏度、穩(wěn)定性、負(fù)載等多方面的要求。無(wú)刷直流電機(jī)由電動(dòng)機(jī)主體和驅(qū)動(dòng)器組成，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，性能上相較一般的傳統(tǒng)直流電機(jī)有很大優(yōu)勢(shì)，是當(dāng)今最理想的調(diào)速電機(jī)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求及以上分析本設(shè)計(jì)選用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)， 200W低速電機(jī)，型號(hào)57BL-2030H1-LS-B。2）直流電機(jī)PWM調(diào)速直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方法可以分為兩類：調(diào)節(jié)勵(lì)磁磁通的勵(lì)磁控制方法和調(diào)節(jié)電樞電壓的電樞控制方法。其中勵(lì)磁控制方法在低速時(shí)受磁極飽和的限制，在高速時(shí)受換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制，并且勵(lì)磁線圈電感較大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差，所以這種控制方法用得很少。現(xiàn)在，大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合都使用電

24、樞控制方法。PWM控制的示意圖如圖5.4所示，可控開關(guān)S1以一定時(shí)間間隔重復(fù)地接通和斷開，當(dāng)S1接通時(shí),供電電源通過開關(guān)S1施加到電動(dòng)機(jī)兩端，電源向電機(jī)提供能量，電動(dòng)機(jī)儲(chǔ)能：當(dāng)開關(guān)S1斷開時(shí)，中斷了供電電源向電動(dòng)機(jī)提供電能，但在開關(guān)S1接通期間電樞電感所儲(chǔ)存的能量此時(shí)通過續(xù)流二極管D1使電動(dòng)機(jī)電流繼續(xù)流通。圖5.4 PWM控制示意圖3）電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)垃圾自卸車采用左右兩輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，采用差速轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，每個(gè)車輪分別由一個(gè)直流電機(jī)單獨(dú)控制。自卸車的運(yùn)動(dòng)控制主要通過對(duì)這兩個(gè)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，包括速度和轉(zhuǎn)向的控制。驅(qū)動(dòng)模塊為電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)提供能量輸入，由于電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)需要比較大的電壓和電流，為了防止其對(duì)前級(jí)的邏輯

25、電平產(chǎn)生影響，采用了一定的隔離措施。所以這里將主要分兩部分來(lái)介紹該模塊的設(shè)計(jì):一是光電耦合器TLP521為主的光電隔離電路；二是電機(jī)驅(qū)動(dòng)左右輪電路。設(shè)計(jì)光電隔離電路的目的是隔離前端的控制信號(hào)與負(fù)載，針對(duì)本文，就是隔離PWM驅(qū)動(dòng)電流，以增加系統(tǒng)的安全性，減小電路各部分間的干擾。常用的方法是釆用集成的光電耦合器件。由于控制信號(hào)PWM的頻率低于20KHz，沒有使用高速光耦，而是選用了東芝公司生產(chǎn)的TLP521系列的產(chǎn)品，由于共有4路控制信號(hào)需要隔離，這里采用了一片TLP521-4型號(hào)的光電耦合器，如下圖5.5所示。驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)目的是能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)的控制電機(jī)，根據(jù)上位機(jī)發(fā)來(lái)的命令快速穩(wěn)定高效的控制電機(jī)

26、，并且能都在電機(jī)過流過壓過載等故障條件下對(duì)電路系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖如下圖5.6所示。圖5.5 光電隔離電路原理圖圖5.6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)左右輪電路5.3.3人機(jī)交互模塊為了方便機(jī)器人在初始化或運(yùn)行過程中進(jìn)行人為設(shè)置、控制，本系統(tǒng)采用人機(jī)交互的輸入，即手柄。本系統(tǒng)使用的手柄可以是對(duì)市面上常見的手柄進(jìn)行改裝而成，處理器通過時(shí)鐘線、控制線、數(shù)據(jù)線和手柄連接，根據(jù)協(xié)議與其通信，實(shí)現(xiàn)手柄控制信號(hào)的讀取。當(dāng)自卸車工作在純手動(dòng)測(cè)試狀態(tài)下，可以通過手柄控制自卸車的前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等一系列動(dòng)作；當(dāng)自卸車工作在運(yùn)行狀態(tài)下，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的模式設(shè)置、緊急情況控制、微調(diào)整等。人機(jī)交互電路圖如圖5.7所示。圖5.7

27、人機(jī)交互電路圖5.3.4復(fù)位電路設(shè)計(jì)對(duì)于任何一個(gè)電子系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，復(fù)位電路都是非常重要的。這是因?yàn)橄到y(tǒng)的各個(gè)單元要正常地工作，必須有一個(gè)穩(wěn)定、確定的初始狀態(tài)，這個(gè)就是靠準(zhǔn)確的復(fù)位來(lái)實(shí)現(xiàn)的。一般地，系統(tǒng)在上電的瞬間會(huì)進(jìn)行初始化，這個(gè)稱上電復(fù)位；另外，在系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，可以通過按鍵控制使系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位，這種復(fù)位方式稱手動(dòng)復(fù)位。上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位對(duì)于一個(gè)穩(wěn)定可靠的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，是必不可少的功能實(shí)現(xiàn)。如圖5.6所示為最簡(jiǎn)單的復(fù)位電路圖。圖5.6 復(fù)位電路原理圖但是，如果電源的電壓不穩(wěn)定，出現(xiàn)較大范圍的波動(dòng)，系統(tǒng)的復(fù)位則會(huì)出現(xiàn)異常，從而導(dǎo)致程序的運(yùn)行錯(cuò)誤甚至死機(jī)，因此有必要對(duì)復(fù)位電路進(jìn)行監(jiān)控。常用的復(fù)位監(jiān)控芯片

28、有max70*系列和SP70*系列，同一型號(hào)不同公司的產(chǎn)品具有極相似的功能，這里選用SP70*系列的芯片來(lái)設(shè)計(jì)復(fù)位電路。相比較于由分立元器件搭建的復(fù)位電路，該系列的芯片能顯著地提高系統(tǒng)的可靠性及工作效率?？紤]各芯片監(jiān)控的電壓值、復(fù)位引腳輸出的有效電平、是否帶有看門狗模塊等因素，最終選用SP708S作為本控制系統(tǒng)的復(fù)位監(jiān)控芯片，復(fù)位電路原理圖如下圖5.7所示:圖5.7 復(fù)位電路原理圖5.3.5晶振電路設(shè)計(jì)晶振電路是整個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)的來(lái)源，是電子系統(tǒng)的“脈搏”。單片機(jī)系統(tǒng)里都有晶振，在單片機(jī)系統(tǒng)里晶振的作用非常大，全程叫晶體振蕩器，他結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部電路產(chǎn)生單片機(jī)所需的時(shí)鐘頻率，單片機(jī)晶振提供的時(shí)鐘

29、頻率越高，那么單片機(jī)運(yùn)行速度就越快，單片機(jī)的一切指令的執(zhí)行都是建立在單片機(jī)晶振提供的時(shí)鐘頻率。單片機(jī)晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號(hào)。通常一個(gè)系統(tǒng)共用一個(gè)晶振，便于各部分保持同步。有些通訊系統(tǒng)的基頻和射頻使用不同的晶振，而通過電子調(diào)整頻率的方法保持同步。在通常工作條件下，普通的晶振頻率絕對(duì)精度可達(dá)百萬(wàn)分之五十。高級(jí)的精度更高。有些晶振還可以由外加電壓在一定范圍內(nèi)調(diào)整頻率，稱為控振蕩器（VCO）。晶振用一種能把電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的晶體在共振的狀態(tài)下工作，以提供穩(wěn)定、精確的單頻震蕩。晶振電路的原理圖如下所示:圖5.8 晶振電路原理圖5.3.6 LED燈和蜂鳴器電路設(shè)計(jì)LED燈和蜂鳴器作為電路

30、板上的常用單元，可以指示系統(tǒng)的工作狀態(tài)，而且在調(diào)試階段也很有幫助，電路原理圖如下圖5.9和圖5.10所示。圖中LED燈連接到了四個(gè)I/O 口上，當(dāng)I/O引腳上的電平為低時(shí)，LED發(fā)光；由于蜂鳴器需要較大的電流，用三極管8050驅(qū)動(dòng)，當(dāng)控制信號(hào)為高電平時(shí)，蜂鳴器鳴叫。圖5.9 LED燈電路原理圖圖5.10 蜂鳴器電路原理圖5.3.7 避障模塊設(shè)計(jì)自卸車運(yùn)行的過程中，可能在運(yùn)動(dòng)路徑上遇到移動(dòng)或靜止的障礙物。此時(shí)，若自卸車無(wú)法檢測(cè)到該障礙物并及時(shí)調(diào)整行進(jìn)路線，就很有可能與之發(fā)生碰撞，進(jìn)而造成自卸車本體的損傷或被碰撞物(人)的損害。因此，移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)必須配有能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)環(huán)境障礙物的傳感器。當(dāng)前，

31、國(guó)內(nèi)外研制的移動(dòng)機(jī)器人，多采用紅外避障傳感器和超聲波測(cè)距傳感器實(shí)現(xiàn)障礙物檢測(cè)。 紅外傳感器探測(cè)視角小、方向性強(qiáng)，但對(duì)障礙物的顏色(亮度)較為敏感，其探測(cè)敏感度隨著障礙物的顏色不同而有較大差異。同時(shí)，紅外傳感器還可以作為熱敏傳感器，檢測(cè)前方的活動(dòng)物體的熱輻射，從而蜂鳴器報(bào)警，提示前方活動(dòng)物體避讓。 超聲波測(cè)距是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種測(cè)距方法，但由于超聲波傳播速度較慢、發(fā)射角度較大等特性，使其探測(cè)方向性較差，故只用以獲得前方障礙物的距離信息，不能提供障礙物的嚴(yán)格邊界信息。 綜上分析，考慮到單一傳感器探測(cè)的局限性，在實(shí)際應(yīng)用中，往往通過綜合運(yùn)用多種傳感器以進(jìn)行信息補(bǔ)償。本設(shè)計(jì)中，將紅外傳感器與超聲波探

32、測(cè)相結(jié)合，利用紅外傳感器探測(cè)前方障礙物是否為活動(dòng)物體，超聲波傳感器探測(cè)較遠(yuǎn)障礙物的距離信息。1）紅外傳感器 紅外傳感器按照紅外發(fā)射與接收的方式不同可以分為兩類：直射式紅外傳感器和反射式紅外傳感器。直射式傳感器是指紅外發(fā)光管和接收管相對(duì)安放在發(fā)射與受控物的兩端，中間相隔一定距離；反射式傳感器是指紅外發(fā)光管和接收管并列安裝于一面，平時(shí)接收管始終無(wú)紅外光照，當(dāng)發(fā)光管發(fā)出的紅外光遇到反射物時(shí)，接收管才能收到反射回來(lái)的紅外線。 由于此處紅外傳感器用于移動(dòng)機(jī)器人相對(duì)前方的障礙物檢測(cè)，故采用反射式紅外傳感器作為避障傳感器。紅外傳感器發(fā)射和接收電路如圖5.11和圖5.12所示。圖5.11 紅外發(fā)射電路圖圖5.

33、12 紅外接收電路圖2） 超聲波傳感器 超聲波在傳播介質(zhì)中被定義為縱波。當(dāng)聲波受到尺寸大于其波長(zhǎng)的目標(biāo)物體阻擋時(shí)就會(huì)發(fā)生反射，反射波稱為回聲。假如超聲波在介質(zhì)中傳播的速度已知，而且超聲波從聲源到達(dá)目標(biāo)然后返回聲源的時(shí)間可以測(cè)得，則可根據(jù)上述兩項(xiàng)參數(shù)計(jì)算前方目標(biāo)的距離。即通過檢測(cè)發(fā)射的超聲波與其遇到障礙物后產(chǎn)生回波之間的時(shí)間差t，求出障礙物的距離d。 超聲波探測(cè)系統(tǒng)采用專用的超聲波收發(fā)換能器，主要由發(fā)射電路、接收放大電路、帶通濾波電路、I2C測(cè)溫模塊以及完成回波計(jì)時(shí)和距離運(yùn)算的微控制器幾部分組成。超聲波收發(fā)換能器，亦即超聲波發(fā)生器和接收器。超聲波發(fā)射和接收電路圖如下圖5.13和圖5.14所示。圖

34、5.13 超聲波發(fā)射電路圖圖5.14 超聲波接收電路圖5.4 總電路圖（原創(chuàng)）圖5.15 自卸車總控電路6 建模與仿真6.1 模型的建立由于電機(jī)的輸出軸直接與負(fù)載軸相連，轉(zhuǎn)動(dòng)部件固定在負(fù)載軸上，即為常見的電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載形式。如果不考慮傳動(dòng)軸在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的彈性形變，即把傳動(dòng)軸的剛度看作無(wú)窮大，就可以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，將執(zhí)行電機(jī)和負(fù)載視為一個(gè)整體對(duì)象，這樣被控對(duì)象的模型就可以用如圖6.1所示的框圖來(lái)表示。其中，分別表示電機(jī)的電樞電壓，電樞電感和電樞電阻；為電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，為負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；、分別表示電機(jī)和負(fù)載的粘性阻尼系數(shù)；為電機(jī)的電磁力矩系數(shù)；為電機(jī)的反電勢(shì)系數(shù)；為電機(jī)-負(fù)載的轉(zhuǎn)角，為電機(jī)-負(fù)

35、載的角速度。在這一實(shí)驗(yàn)中，認(rèn)為電機(jī)與負(fù)載的轉(zhuǎn)角是相同的，并考慮了電機(jī)及負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)中產(chǎn)生的粘滯阻尼力矩，所以其電壓方程、力矩方程變?yōu)槿缦滦问剑河梢陨戏匠探M可以得到相應(yīng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖6.1所示。圖6.1 直流電動(dòng)機(jī)-負(fù)載數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)框圖建立從 到的傳遞函數(shù)模型，由電機(jī)-負(fù)載系統(tǒng)框圖，得到以下關(guān)系式:6.2 設(shè)定電機(jī)的各參數(shù)建立從到的傳遞函數(shù)模型，求其頻率特性，并分別?。―m+DL）=50 Nm/(rad/s)，Ra= 2.50, La=37mH, km=56.25N.m/A，ke=45.3V/(rad/s)，Jm=0.5Kg.m2 Jl=6Kg.m2所需具體參數(shù)及具體含義如下表所示。參數(shù)備注電樞電阻Ra2.50電樞電感La37mH力矩系數(shù)km56.25N.m/A反電勢(shì)系數(shù)ke45.3V/(rad/s)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm0.5Kg.m2電樞部分電機(jī)阻尼系數(shù)Dm10Nm/(rad/s)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JL6Kg.m2折合到轉(zhuǎn)動(dòng)軸上負(fù)載組捏系數(shù)DL40Nm/(rad/s)6.3 仿真根據(jù)以上模型，編寫matlab程序如下：電機(jī)頻率特性及階躍響應(yīng)：clear;Ra=2.5;La=0.037;Km=56.25;Ke=45.3;Jm=0.5;Jl=6;Dm=10;D