四輪驅(qū)動(dòng)爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要用爬壁機(jī)器人來代替人完成預(yù)定任務(wù),滿足人類需求?？梢栽谏a(chǎn)業(yè)、建筑業(yè)或危險(xiǎn)場合協(xié)助協(xié)助人類或者代替人類完成工作。爬壁機(jī)器人為特種機(jī)器人的一種,集合吸附與運(yùn)動(dòng)兩種功能,在油罐壁面等地方更為常用。采用機(jī)器人代替人進(jìn)行壁面軌跡追蹤,效果可能要比人要好,安全性也要更高。由于工作條件的限制，操作人員難以展開工作，爬壁機(jī)器人的出現(xiàn)能很好的改善這個(gè)狀況，降低對(duì)操作人員的要求，同時(shí)也能保證質(zhì)量，降低需要消耗的物力和財(cái)力，提高了生產(chǎn)效率的同時(shí)，保證了人員的安全，這對(duì)操作人員和企業(yè)具有重要意義。本次設(shè)計(jì)由Arduinonano作為平臺(tái)，由ArduinoIDE進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，主要分為兩部分組成，一部分是由Arduino平臺(tái)的機(jī)器小車與NRF24L01通信芯片組成，另一部分由Arduinonano、NRF24L01通信芯片控制的手柄部分，由24v電池供電。小車部分由Arduinonano發(fā)出信號(hào)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，控制小車在壁面實(shí)現(xiàn)行進(jìn)，轉(zhuǎn)向，倒車等功能關(guān)鍵詞：Arduinonano；控制設(shè)計(jì)；伺服驅(qū)動(dòng)目錄目錄摘要 2目錄 1第一章引言 21.1.背景 21.2意義 21.3方法及目的 31.3.1總體的方案 31.3.2.原理圖 31.3.3.程序編寫 3第二章總體設(shè)計(jì)構(gòu)想 42.1系統(tǒng)的整體組成框圖 42.1.1框圖部分 42.2控制芯片 52.2.1控制芯片基本信息 52.2.2控制芯片的針腳信息 62.3通信芯片 62.4操作部分 72.5伺服直流驅(qū)動(dòng)器及電機(jī) 72.6其他輔助元器件及模塊 7第三章硬件及電路設(shè)計(jì) 93.1手柄部分主要硬件及電路設(shè)計(jì) 93.1.1搖桿部分 93.1.2供電部分 93.1.3通信硬件電路部分 123.1.4其他輔助電路部分 133.2.運(yùn)動(dòng)接收部分主要硬件電路設(shè)計(jì) 143.2.1供電部分 143.2.2通信部分 173.2.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)及電機(jī)部分 183.2.4其他輔助電路部分 18第四章運(yùn)動(dòng)方案的設(shè)計(jì) 204.1運(yùn)動(dòng)方式及實(shí)現(xiàn)的功能 204.2運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì) 20第五章軟件及程序控制設(shè)計(jì) 225.1編寫前準(zhǔn)備 225.1.1軟件準(zhǔn)備 225.1.2庫文件準(zhǔn)備 235.1.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式選擇 235.2控制程序 235.3使用注意事項(xiàng) 27結(jié)束語 27參考文獻(xiàn) 29第一章引言1.1.背景爬壁機(jī)器人作為機(jī)器人領(lǐng)域的重要組成部分,它是通過自己的行走機(jī)構(gòu)于行走的壁面相互吸合的原理制造而成的，吸附原理可以利用磁性吸附的方式或者吸盤吸附的方式進(jìn)行的吸附,通過吸附的力將機(jī)器人吸附到壁面上。在國外的研究中，爬壁機(jī)器人的研究相比于國內(nèi)的研究和應(yīng)用比國內(nèi)成熟，在爬壁機(jī)器人爬行方式有很多，其中比較成熟的方式主要有足式，輪式，履帶式。足式機(jī)器人是一種仿生爬壁類機(jī)器人，具有在復(fù)雜多樣的壁面行進(jìn)的功能，輪式爬壁機(jī)器人比較有代表的時(shí)VertiGO爬壁機(jī)器人。能夠通過兩個(gè)可斜式的推進(jìn)器，推進(jìn)器產(chǎn)生推力，利用推力，將機(jī)器人壓在壁面上，它有四個(gè)輪子，前面的一隊(duì)輪子是可以進(jìn)行人為操控的，通過螺旋槳可以改變推力的方向。這樣就能讓它從地面轉(zhuǎn)到墻面上。履帶式的主要代表是ICE開發(fā)的機(jī)器人，它們可以穿過各種復(fù)雜的壁面。國內(nèi)開展爬壁機(jī)器人研究較早的單位主要是清華大學(xué)。針對(duì)特定工作環(huán)境，特定的需求作業(yè)的爬壁機(jī)器人在國外的也有不少，國外的CMU與MIT承擔(dān)了不少的高空爬壁機(jī)器人研發(fā)制作項(xiàng)目，但是在國內(nèi)現(xiàn)在來說還沒有做到產(chǎn)業(yè)化的先例，主要的原因是在于特點(diǎn)的場景需要實(shí)現(xiàn)的功能與爬壁機(jī)器人相互結(jié)合，導(dǎo)致過去的集成的pc控制，成本較高，操作人員入門門檻比較高，現(xiàn)場的使用效率比較低下。1.2意義用爬壁機(jī)器人來代替人完成預(yù)定任務(wù),滿足人類需求。可以在生產(chǎn)業(yè)、建筑業(yè)或危險(xiǎn)場合協(xié)助協(xié)助人類或者代替人類完成工作。爬壁機(jī)器人集合了吸附與運(yùn)動(dòng)兩種功能,在油罐壁面等地方更為常用。采用機(jī)器人代替人進(jìn)行壁面軌跡追蹤,效果可能要比人要好,安全性也要更高。由于工作條件的限制，操作人員難以展開工作，爬壁機(jī)器人的出現(xiàn)能很好的改善這個(gè)狀況，大大降低對(duì)操作人員的要求，保證了人員的安全，這對(duì)操作人員和企業(yè)具有重要意義。目前國內(nèi)的爬壁機(jī)器人由于采用的特點(diǎn)功能模組與爬壁機(jī)器人本體的集成后，操作人員的使用門檻變高了。本次設(shè)計(jì)想要實(shí)現(xiàn)能夠遠(yuǎn)程遙控控制，利用現(xiàn)在比較流行的Arduino進(jìn)行系統(tǒng)的控制，Arduino相比于其他類型的如PLC，pc控制，在經(jīng)濟(jì)上比另外幾種更為合適，在操作人員的入門上門檻上也比較的低，而且更容易對(duì)設(shè)備進(jìn)行后期維護(hù)，要實(shí)現(xiàn)在在操作上簡單，但又要能夠?qū)崿F(xiàn)其工作的要求。1.3方法及目的1.3.1總體的方案本次設(shè)計(jì)由Arduinonano作為平臺(tái)，由ArduinoIDE進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，主要分為兩部分組成，一部分是由Arduino平臺(tái)的機(jī)器小車與NRF24L01通信芯片組成，另一部分由Arduinonano、NRF24L01通信芯片控制的手柄部分，由9v的電池進(jìn)行供電。小車部分由Arduinonano發(fā)出信號(hào)控制直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，控制小車在壁面行進(jìn)，轉(zhuǎn)向，倒車等。1.3.2.原理圖電氣原理圖采用AltiumDesigner來繪制控制部分的電路圖，包含車體和手柄控制部分。包含電壓的轉(zhuǎn)換，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的連線，有通信功能，可以擴(kuò)展其他的功能的條件。1.3.3.程序編寫程序開發(fā)由ArduinoIDE進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，可以在現(xiàn)在的各大主流計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)上運(yùn)行，程序易于編寫，滿足要達(dá)到的要求。第二章總體設(shè)計(jì)構(gòu)想2.1系統(tǒng)的整體組成框圖2.1.1框圖部分本次控制系統(tǒng)由兩部分組成，通過NRF24L01信號(hào)發(fā)送與接收，上位機(jī)部分供電由一節(jié)9v電池供電，NRF24L01統(tǒng)一由Arduinonano上的3.3v管腳供電，下位機(jī)部分供電由24v鋰電池供電，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器由24v電源進(jìn)行供電，24v電源在無法直接給Arduinonano直接進(jìn)行供電，arduinonano的vit接口進(jìn)行供電時(shí)，電壓必須在7-12v，所以需要一個(gè)24v轉(zhuǎn)9v的部分。圖2.1.1.1稱為手柄部分，圖2.1.1.2稱為運(yùn)動(dòng)接收部分。圖2.1.1.1圖2.1.1.22.2控制芯片2.2.1控制芯片基本信息Arduinonano是一款跟Arduinouno比較相似的開發(fā)板，在使用的微控芯片上一樣的，不同的地方在于前者的尺寸比較后者更加的小巧。手柄部分和運(yùn)動(dòng)接收部分都采用Arduinonano進(jìn)行控制。圖2.2.1.1為arduinonano實(shí)物。圖2.2.1.1雙排針腳引出，相比于微小的芯片，可以更方便進(jìn)行的焊接，表2.2.1.1為Arduinonano的基本參數(shù)。表2.2.1.1Nano技術(shù)參數(shù)控制器ATmega328P時(shí)鐘頻率16MHZPWM6個(gè)數(shù)字I/O22個(gè)模擬量輸入引腳8個(gè)2.2.2控制芯片的針腳信息圖2.2.2.1為Arduinonano的針腳圖示。圖2.2.2.1圖2.2.2.1中的（1）引腳、（2）引腳為串行輸出輸入針腳，通過ch340芯片可以進(jìn)行usb信號(hào)的轉(zhuǎn)化，能進(jìn)行程序的下載，通信。所以這兩個(gè)針腳一般不做其他用途。RESET為系統(tǒng)的復(fù)位針腳。VIN為外部電源引腳，在電池供電的情況下，推薦電壓7v-12v，+5v可以在由外部5v電源時(shí)充當(dāng)輸入，如果沒有5v電源可以給其他元件供5v的電源。3v3可以給外部供3.3v的電源。（25）引腳、（26）引腳只能做模擬功能。（23）引腳、（24）引腳既可以做模擬功能，也可以做I2C總線用。（13）引腳到（16）引腳，可以做SPI總線用，（6）引腳、（8）引腳、（9）引腳、（12）引腳、（13）引腳、（14）引腳可以做PWM輸出用。每個(gè)引腳只能用作一個(gè)用途，比如用了SPI總線后，（13）引腳、（11）引腳引腳就沒辦法做PWM用。2.3通信芯片通信芯片NRF24L01是一個(gè)無線射頻裝置，該模塊如果在開放的空間進(jìn)行使用，且波特率降低，那么器工作范圍可以達(dá)到100米，該模塊能夠使用的125個(gè)不同的通道，每個(gè)通道可以有6個(gè)地址，即每個(gè)模塊可以同時(shí)與另外的六個(gè)模塊進(jìn)行著通信。而且該模塊價(jià)格便宜。2.4操作部分操作部分主要為雙軸搖桿，雙軸搖桿相對(duì)于電位器，不進(jìn)行操作時(shí)輸出2.5的電壓，電壓的范圍在0v-5v內(nèi)進(jìn)行變化，而且價(jià)格便宜，相比與ps手柄而言，制造簡單，有擴(kuò)展的可能，價(jià)格也比前者更加合適2.5伺服直流驅(qū)動(dòng)器及電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選擇TSDA-C11A，電機(jī)選擇SDGA-01C31AB，這個(gè)電機(jī)的功率是100W的功率，采用的伺服控制模式，相比步進(jìn)電機(jī)具有精度高等優(yōu)點(diǎn)。直流伺服驅(qū)動(dòng)器工作電壓的范圍在18V-60VDC內(nèi)，可以為200W直流伺服電機(jī)提供18V-36VDC的直流電源與控制，直流伺服驅(qū)動(dòng)器能夠提供平均8A的電流，直流伺服驅(qū)動(dòng)器額定轉(zhuǎn)速為3000RPM，支持最高可以達(dá)到10000RPM，控制方式的方式主要是外部脈沖、模擬量、上位機(jī)通訊控制等，可以支持支持位置控制、速度控制和力矩控制模式。伺服驅(qū)動(dòng)器能夠?qū)χ绷魉欧姍C(jī)進(jìn)行保護(hù)，有報(bào)警輸出設(shè)置，方便設(shè)計(jì)人員對(duì)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。2.6其他輔助元器件及模塊降壓芯片vbt1-s12-s3.3-smt，為了將直流電壓轉(zhuǎn)換為所需要的電壓，VBT1-SMT系列非常適合本次設(shè)計(jì)的要求，首先因?yàn)?2v電壓轉(zhuǎn)3.3v電壓因?yàn)榻祲哼^大，相比于其它類型的轉(zhuǎn)換元件而言，它更加的合適，因?yàn)樗陌l(fā)熱量小，效率高，用途也比較的廣泛，它大量使用在混合模擬/數(shù)字電路，測(cè)試和測(cè)量設(shè)備，過程機(jī)器控制設(shè)備，數(shù)據(jù)通信電信領(lǐng)域等。可以提供穩(wěn)定的固定電壓輸出。因?yàn)樗o通信模塊NRF24L01供電，對(duì)于供電的要求比較高，而且在通信領(lǐng)域的廣泛使用，所以選擇這一款芯片。降壓RA2412CS-2W芯片是一款直流電壓轉(zhuǎn)換的芯片，采取的是固定電壓輸出的方式，可以將24v電壓轉(zhuǎn)換到12v，轉(zhuǎn)換的效率極高，造價(jià)便宜，輸出穩(wěn)定。AMS117系列固定輸出電壓有多個(gè)版本，本次控制設(shè)計(jì)需要3.3v版本和5.0v版本，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，性能穩(wěn)定。第三章硬件及電路設(shè)計(jì)3.1手柄部分主要硬件及電路設(shè)計(jì)3.1.1搖桿部分采用雙軸搖桿，x軸y軸的數(shù)據(jù)輸出就是模擬端口讀出的電壓值，它可以被視為一個(gè)按鈕和電位計(jì)的組合，數(shù)據(jù)類型x，y為模擬輸入量,在搖桿不工作或者置中時(shí)，搖桿輸出的電壓為2.5v,進(jìn)行撥動(dòng)時(shí)，電壓在0v-5v內(nèi)進(jìn)行變化，arduinonano模擬量輸入引腳的電壓為0v-5v，其變化的整數(shù)范圍為0-1023，可以滿足使用，不用對(duì)其降壓。因此VRX,VRY連接到模擬量針腳如圖3.1.1.1圖3.1.1.13.1.2供電部分圖3.1.2.1中，Arduinonano可以采用9v的電池直接進(jìn)行供電，但是因?yàn)橐玫囊粋€(gè)5v的電源為雙軸搖桿供電，所以采用ams1117-5v的芯片，用來將電壓轉(zhuǎn)化為5v，為雙軸搖桿供電.。此電路為固定電壓輸出，所以要連一個(gè)鉭電容，電容不能大于22uF。降壓后為雙軸搖桿供電，采取這樣的電路進(jìn)行電源的轉(zhuǎn)換，能夠起到穩(wěn)定電壓，削弱電流的波動(dòng)，可以非常好的保護(hù)元器件模塊，對(duì)元器件的壽命影響非常的大，能大大提高元器件的壽命。圖3.1.2.1VCC9V與Arduinonano相連接，Arduinonano的VIN口可以用7v-12v的外部電池進(jìn)行供電，在VIN與GND之間加上電容，在斷電和充電時(shí)，降低了負(fù)載的需求，使輸入均勻化，也能夠緩沖電壓，對(duì)元器件的壽命有非常大的影響，提高了元器件的壽命，對(duì)元器件的壽命要求降低了。如圖3.1.2.2。圖3.1.2.2NRF24l01的信號(hào)傳輸跟電源的關(guān)系很大，要與數(shù)字集成供電分離開，并且要經(jīng)過很好的濾波，要經(jīng)過高質(zhì)量電容去耦。最好采用一個(gè)大電容并聯(lián)一個(gè)小電容的方法,否則容易造成丟包，甚至無法使用。大電容一般選擇4.7uF的鉭電容，小電容選擇1000pF，如圖4.2.3所示。圖4.2.3因?yàn)橐c數(shù)字集成供電分開，所以不選用Arduinonano上的3.3v引腳供電，利用4.2.1中的降壓方式，再次進(jìn)行降壓選用的固定輸出電壓為3.3v，芯片類型AMS1117.3.3V。得到的3.3v電壓用來給NRF24L01進(jìn)行供電。這樣的供電方式更有利于NRF24L01的工作，不易受電源的影響。如圖4.2.4.圖4.2.43.1.3通信硬件電路部分通信采用NRF24L01芯片進(jìn)行通訊，芯片引腳VCC為電源輸入，GND為電源地，CE為使能發(fā)射或者接收，CSN、SCK、MOSI、MISO為SPI引腳端，由圖4.3.1知，D10、D11、D12、D13可以為Ardunionano的SPI的端口來使用，由于D10、D10、D12、D13這四個(gè)端口用來當(dāng)作SPI引腳，所以就不能當(dāng)作PWM引腳來繼續(xù)使用了。圖4.3.1Arduinonano與NRF24L01的引腳接線如圖4.3.1知，NRF24L01通信模塊的MOSI、MISO、SCK將與D11、D12、D13引腳分別連接，做SPI通信使用。引腳CSN和CE可以連接到Arduinonano板的任何數(shù)字引腳，它們用于將模塊設(shè)置為待機(jī)或活動(dòng)模式，以及用于在發(fā)送或命令模式之間切換。這里選擇將Arduinonano板的D8引腳與NRF24L01通信模塊的CE引腳連接，D7引腳與CSN引腳連接。如圖4.3.2所示，為NRF24L01的引腳接線圖示。圖4.3.23.1.4其他輔助電路部分.電源轉(zhuǎn)換完成以后，接上發(fā)光led燈，led燈工作電壓工作范圍在1.8V-2V,白光和藍(lán)光的led燈光工作電壓范圍3v-3.7v左右，led正常工作的電流的范圍在5mA-20mA內(nèi)，選擇發(fā)出藍(lán)光的led燈，假設(shè)led直接串接在3.3v電路中，由3.3v供電，使用低電流低功率的供電，能有效的延長led燈的使用壽命，所以假設(shè)采用0.6mA的電流，3v電源供電，由U=RA可以大概估算出led燈的電阻，得出R=3V÷0.006mA=500Ω（3-1-4-1）通過計(jì)算得出led的電阻后，由于想要的出的電阻，電阻與led燈處于并聯(lián)的關(guān)系，知道led的工作電阻、電壓?？梢岳霉?Ui=U×Ri÷R，R=知道，利用3.3v供電的時(shí)候，電阻Ui=0.3V、U=3.3V，算出圖3.1.4.1這兩個(gè)led燈的作用是在進(jìn)行通電之后經(jīng)過降壓處理，能指示NRF24L01通信芯片，雙軸搖桿是否通電工作，如果已經(jīng)通電，led燈將會(huì)發(fā)藍(lán)色光。如果沒有l(wèi)edD1燈沒有工作，那么可能是9v電壓轉(zhuǎn)5v電壓降壓出現(xiàn)故障，或者5v電壓轉(zhuǎn)3.3v電壓降壓電路出故障。如果ledD2正常工作，ledD1沒有工作，可以確定9v電壓轉(zhuǎn)5v電壓降壓電路出現(xiàn)故障。兩個(gè)led燈都正常工作時(shí)，說明各個(gè)元器件模塊正常進(jìn)行工作。3.2.運(yùn)動(dòng)接收部分主要硬件電路設(shè)計(jì) 3.2.1供電部分電源選擇24v的鋰電池，能夠滿足電機(jī)及各部分的元器件及模塊的正常工作，運(yùn)動(dòng)接收部分需要進(jìn)行供電的地方主要有Arduinonano模塊、四個(gè)伺服直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、NRF24L01通信芯片，主要為這三個(gè)主體部分。首先四個(gè)直流伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器供電，直流伺服電機(jī)通過直流伺服驅(qū)動(dòng)器供電，供電的電壓為18-60vDC，不用采取降壓措施，直接為直流伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行供電。如圖3.2.1.1，電源出來接開關(guān)，作用是在不使用時(shí)，進(jìn)行斷電操作，能夠延長待機(jī)時(shí)間，節(jié)約能源，否則電路將會(huì)一直處于工作的狀態(tài)。引出24v為直流伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行供電，如圖3.2.1.2為電機(jī)接線示意圖，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模式選擇速度控制模式的模擬電壓輸出控制，0-2.5v時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)，2.5v時(shí)電機(jī)不轉(zhuǎn)，2.5v-5v電機(jī)正轉(zhuǎn)。VDC接24v電源，進(jìn)行供電。GND為電源地，進(jìn)行接地。圖3.2.1.1圖3.2.1.2Arduinonano供電范圍在7v-12v內(nèi)，由于24v轉(zhuǎn)9v降壓容易造成元器件模塊的發(fā)熱，造成電能的大量損失，在電壓轉(zhuǎn)換的時(shí)候，電壓的轉(zhuǎn)換范圍越大，損失的電能越大，這樣造成及大的浪費(fèi)，所以從電能消耗的角度來說，采取24v電壓轉(zhuǎn)12v電壓的效果要比24v電壓轉(zhuǎn)9v電壓的效果好，這樣能更好的節(jié)約電能，也能緩解發(fā)熱量大造成的系統(tǒng)影響。在24v電壓轉(zhuǎn)12v電壓的轉(zhuǎn)換電路中，采用的時(shí)現(xiàn)在轉(zhuǎn)換效率極高的RA2412CS-2W芯片，該芯片VIN+引腳連接電源輸入端，當(dāng)CTRL懸空或者連接高阻值電阻時(shí)，RA2412CS-2W進(jìn)行正常的工作，接到高電平（相對(duì)與接地來說）時(shí)，模塊關(guān)閉，不進(jìn)行工作。電源本身不穩(wěn)定，再對(duì)24v直流驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行供電時(shí)，會(huì)造成電源的波動(dòng)，所以要進(jìn)行并聯(lián)電容進(jìn)行輸入電流的均勻化，延長轉(zhuǎn)換電路的壽命。-VIN引腳進(jìn)行接地，為電源地。+VO引腳輸出電壓，相對(duì)與0v輸出，0v引腳接地。RA2412CS-2W芯片對(duì)輸入電源有要求，電源阻抗過高或者電壓源與產(chǎn)品之間的接線過長會(huì)造成芯片輸出的不穩(wěn)定，要在芯片的輸入端（盡量要靠近芯片的輸入引腳的位置）接入一個(gè)低ESR電容，能夠有效的解決好這個(gè)問題，如圖3.2.1.3所示為24v電壓轉(zhuǎn)12v電壓的電路接線圖。圖3.2.1.3NRF24L01通信芯片的供電需要3.3v的電源供電，且要與數(shù)字集成供電進(jìn)行分離開來，所以盡量不去接Arduinonano上的3.3v外供電源引腳。NRF24L01通信芯片對(duì)電源的要求很高，電源要經(jīng)過很好的濾波。如圖3.2.1.4，利用vbt1-s12-s3.3-smt降壓芯片來進(jìn)行降壓，芯片的NC引腳與NONC都為懸空不接。電源的輸入要進(jìn)過過濾，要減少電流的波動(dòng)，且緩解電路中的電磁干擾，才能進(jìn)行使用，否則將造成芯片的溫度升高，發(fā)熱量增大，造成電能的大量損失，嚴(yán)重影響芯片的使用壽命。特別是當(dāng)變頻器輸入直流電源接在vin引腳上時(shí)，建議在Vin和Gnd之間連接一個(gè)低ESR的電解電容。如果還需要額外的濾波，電容可以繼續(xù)增加，可以采取大電容并聯(lián)小電容的方法，也可以擴(kuò)展到LC電路，串聯(lián)一個(gè)電感線圈，達(dá)到額外的濾波效果，這里采用LC電路來進(jìn)行濾波，串聯(lián)一個(gè)電感，輸出的電流需要進(jìn)行濾波，可以接入一個(gè)電容來滿足輸出紋波要求。輸出電壓也可以像輸入電壓的接法一樣，輸出的電壓接上電容可以達(dá)到額外的濾波效果，但是接上的電容不應(yīng)超過10uF，也可以串聯(lián)電感線圈，采用LC電路來達(dá)到同樣的效果，這里采用串聯(lián)電感線圈，如圖3.2.1.4所示。圖3.2.1.43.2.2通信部分運(yùn)動(dòng)接收部分的通信與手柄搖桿部分的電路一樣，電源的接入同樣進(jìn)行濾波，采取大電容并聯(lián)小電容的方法，大電容為高質(zhì)量的鉭電容，大電容一般選擇4.7uF的鉭電容，小電容選擇1000pF，由兩個(gè)電容并聯(lián)而成，然后共地，這樣能最大化的去耦，而且由于兩個(gè)電容并聯(lián)，一般要求相差至少兩個(gè)數(shù)量級(jí)別以上，以獲得更大的濾波范圍，選擇4.7uF大電容與1000pF小電容并聯(lián)，級(jí)別達(dá)到了兩個(gè)級(jí)別以上。如圖3.2.2.1所示，圖3.2.2.1Arduinonano的D3、D5、D6、D9、D10可以做PWM端口使用，D10因?yàn)橐呀?jīng)做SPI使用，所以排除D10，NRF24L01通信模塊的MOSI、MISO、SCK將與D11、D12、D13引腳分別進(jìn)行連接。3.2.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)及電機(jī)部分直流伺服電機(jī)的供電由直流伺服驅(qū)動(dòng)器其完成，控制也由直流伺服驅(qū)動(dòng)器完成，驅(qū)動(dòng)器的控制模式選擇的是速度控制模式中的外部模擬量輸入進(jìn)行控制，所以直流伺服驅(qū)動(dòng)器的AI接口與Arduinonano的PWM引腳相連接。信號(hào)地要與電源地共地連接。3.2.4其他輔助電路部分跟手柄部分一樣，電源轉(zhuǎn)換完成以后，接上發(fā)光led燈，白光和藍(lán)光的led燈光工作電壓范圍3v-3.7v左右，led正常工作的電流的范圍在5mA-20mA內(nèi)，假設(shè)led直接串接在3.3v電路中，由3.3v供電，使用低電流低功率的供電，能有效的延長led燈的使用壽命，所以假設(shè)采用0.6mA的電流，3v電源供電，由U=RA可以大概估算出led燈的電阻，R=3V÷0.006mA=500Ω（3.2.4.1）通過計(jì)算得出led的電阻后，由于想要的出的電阻，電阻與led燈處于并聯(lián)的關(guān)系，知道led的工作電阻、電壓?？梢岳霉経i=U×Ri÷R可以知道，利用3.3v供電的時(shí)候，電阻Ui=0.3V、U=3.3V，算出選擇1500歐姆的電阻。接線圖如圖3.2.4.1所示。圖3.2.4.1在直流伺服驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)連接的加裝了熔斷器，設(shè)置最高電壓為6A的電流，因?yàn)椴捎玫闹绷魉欧姍C(jī)有100w的功率，對(duì)直流伺服驅(qū)動(dòng)的電機(jī)供電電壓為24v，可以計(jì)算得出額定工作的電流不超過5A的電流，防止電機(jī)進(jìn)行長時(shí)間的超負(fù)荷的運(yùn)轉(zhuǎn)，保證直流伺服電機(jī)的穩(wěn)定和壽命，采取將串聯(lián)熔斷器的方式，對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行保護(hù)，直流伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)的價(jià)格比較昂貴，采取這樣的措施能對(duì)設(shè)備的維護(hù)，檢查提供很大的便利，節(jié)約了運(yùn)行的成本。接線如圖3.2.4.2所示為熔斷器的連線方式圖3.2.4.2第四章運(yùn)動(dòng)方案的設(shè)計(jì)4.1運(yùn)動(dòng)方式及實(shí)現(xiàn)的功能運(yùn)動(dòng)方式采用的四輪驅(qū)動(dòng)的方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，輪子采用的是麥克納姆克輪，要能夠?qū)崿F(xiàn)的功能是調(diào)頭，前進(jìn)，后退，右轉(zhuǎn)，可控制的角度轉(zhuǎn)向的功能。如圖4.1.1所示。采用麥克納姆克輪的優(yōu)點(diǎn)在于轉(zhuǎn)向的時(shí)候軸不用任何徑向角度，而且轉(zhuǎn)向性能更好。圖4.1.14.2運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)就是電機(jī)的設(shè)置，先對(duì)驅(qū)動(dòng)四輪子的直流伺服電機(jī)進(jìn)行分組，四個(gè)電機(jī)分為左前，右前，左后，右后。當(dāng)收到指令要實(shí)現(xiàn)前進(jìn)的功能時(shí)，四個(gè)電機(jī)都是正轉(zhuǎn)，且轉(zhuǎn)速是相同的，后退也是一樣的，四個(gè)電機(jī)，同樣的速度反轉(zhuǎn)，執(zhí)行后退。當(dāng)收到指令要實(shí)現(xiàn)的功能是左轉(zhuǎn)，左前方轉(zhuǎn)向，左后方倒車時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速是左邊的兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速小與右邊的兩個(gè)電機(jī)，同樣的原理，右轉(zhuǎn)，右前方轉(zhuǎn)，右后方倒車，直流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)向是右邊的轉(zhuǎn)速小于左邊的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)向的功能，可以把電機(jī)分為兩組，左邊電機(jī)，右邊電機(jī)，因?yàn)橥贿叺膬蓚€(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)向是一樣的。對(duì)于控制直流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速所需要的信號(hào)需要進(jìn)行一個(gè)映射，進(jìn)行兩個(gè)階段的加速或者進(jìn)行減速，第一階段的加速或者減速，就是直接由y軸雙軸搖桿進(jìn)行加速或者減速，但是加速或者減速的速度波動(dòng)范圍很小，也就是可調(diào)節(jié)的范圍很小，但是如果同時(shí)撥動(dòng)z軸雙軸搖桿的話，那么可調(diào)轉(zhuǎn)速的范圍將會(huì)變大，這樣就能達(dá)到分階段調(diào)節(jié)速度的目的，將電機(jī)分成兩組之后，撥動(dòng)x軸雙軸搖桿，運(yùn)動(dòng)接收部分收到x軸的變化量，進(jìn)行一個(gè)比例映射，得到一組數(shù)值。對(duì)左右兩組的轉(zhuǎn)速的控制信號(hào)進(jìn)行加減，進(jìn)而控制了轉(zhuǎn)向，比如，想讓它右轉(zhuǎn)，撥動(dòng)雙軸搖桿向右，接收的數(shù)值變化進(jìn)行一定比例的映射，這組數(shù)據(jù)加載到左邊的電機(jī)上，右邊的控制信號(hào)減去這個(gè)數(shù)值，這樣左邊的電機(jī)轉(zhuǎn)速就會(huì)大于右邊的，已達(dá)到向右轉(zhuǎn)或者右前轉(zhuǎn)的目的。同樣的原理，進(jìn)行左轉(zhuǎn)也是如此，這組數(shù)據(jù)加載到右邊的電機(jī)上，左邊的控制信號(hào)減去這個(gè)數(shù)值，這樣右邊的電機(jī)轉(zhuǎn)速就會(huì)大于左邊的，已達(dá)到向左轉(zhuǎn)或者左前轉(zhuǎn)的目的。圖4.2.1所示是具體的控制流程圖，圖中的判斷z軸電壓發(fā)生變化會(huì)，那么Arduinonano會(huì)對(duì)電壓作出判斷，判斷是否屬于人為撥動(dòng)z軸搖桿所發(fā)生的變動(dòng)范圍，若是確定為操作人員進(jìn)行的操作，那么就會(huì)在原來的數(shù)值上加上一個(gè)經(jīng)過映射的數(shù)值，原來的數(shù)值也是經(jīng)過映射的，這樣就可以達(dá)到像手動(dòng)擋汽車一樣的加速效果。圖4.2.41第五章軟件及程序控制設(shè)計(jì)5.1編寫前準(zhǔn)備5.1.1軟件準(zhǔn)備編寫前軟件需要ArduinoIDE軟件，利用ArduinoIDE軟件進(jìn)行程序的編寫。5.1.2庫文件準(zhǔn)備在程序編寫之前，還需要準(zhǔn)備庫文件，利用庫，可以更方便地進(jìn)行程序的編寫，大大降低程序編寫的難度，需要用到SPI.h，這個(gè)庫文件是關(guān)于SPI通信的庫文件，另外還有NRF24L01.h，RF24.h這兩個(gè)庫文件，數(shù)據(jù)才能正常的收發(fā)，庫文件可以在軟件庫管理處下載，進(jìn)行安裝使用。5.1.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式選擇直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)有很多種模式，由于手柄部分的雙軸搖桿給的電壓范圍在0v-5v內(nèi)，當(dāng)不操作搖桿時(shí)，電壓在2.5v，所以可以直接選擇的直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的控制模式為速度控制模式的外部模擬量輸入控制，Arduinonano的模擬量整數(shù)范圍在0-1023內(nèi)，電壓范圍在0v-5v內(nèi)，直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的外部模擬輸入信號(hào)電壓在0v-2.5v電壓時(shí)，驅(qū)動(dòng)器控制直流伺服電機(jī)做反轉(zhuǎn)，當(dāng)直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的外部模擬輸入信號(hào)電壓在2.5v-5v時(shí)，驅(qū)動(dòng)器控制直流伺服電機(jī)做正轉(zhuǎn)，輸入信號(hào)整數(shù)范圍為0-512時(shí)控制直流伺服電機(jī)反轉(zhuǎn)，輸入信號(hào)整數(shù)范圍512-1023時(shí)控制直流伺服電機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)，當(dāng)輸入信號(hào)在512時(shí)，直流伺服電機(jī)不轉(zhuǎn)，而且當(dāng)輸入的信號(hào)在0和1023，也就是電壓在0v和5v時(shí)，直流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速最大。5.2控制程序程序分為兩部分，分為發(fā)射部分與接收部分，手柄部分下載到發(fā)射部分程序，接收運(yùn)動(dòng)部分下載接收程序。發(fā)射程序的編寫需要用到的主要函數(shù)有voidloop()為環(huán)，程序在無限循環(huán)，沒有返回值。Serial.begin（9600）作用設(shè)定通信速度，RF24radio()作用是寫CE,CSN的接引腳。Constbyteaddress(6)作用是傳教一個(gè)通信地址,后面寫六位二進(jìn)制數(shù)，帶表通信的通道數(shù)，radio.setPALevel作用設(shè)定通信的波特率，越小通信范圍越廣。radio.stopListening()，設(shè)定為信號(hào)發(fā)射端。radio.write作用為將數(shù)據(jù)發(fā)送。pinMode作用是設(shè)置引腳的功能，設(shè)置為輸出或者輸入模式，默認(rèn)為輸入模式。radio.startListening作用是設(shè)置為接收部分。radio.read作用為讀取數(shù)據(jù)并且保存，radio.available()如果接收到現(xiàn)在，得到返回值1。analogWrite作用是輸出模擬量。一下為發(fā)射和接受程序的部分編寫說明，對(duì)于電機(jī)的控制不包含在內(nèi)#include<SPI.h>，#include<nRF24L01.h>，#include<RF24.h>，表示所需要的三個(gè)庫，constbyteaddress[6]="00001";表示地址通道，最多六通道。charxyzData[32]="";定義32位字符串，StringxAxis,yAxis,zAxis;定義x軸前進(jìn)，y軸轉(zhuǎn)向，z軸為油門三個(gè)變量voidsetup(){Serial.begin(9600);radio.begin();radio.openWritingPipe(address);radio.setPALevel(RF24_PA_MIN);radio.stopListening();}//定義通信速度9600，發(fā)送數(shù)據(jù)的地址adress，功率放大器，設(shè)置為最小，以獲得最大的通信距離，設(shè)置為發(fā)送模塊。voidloop(){xAxis=analogRead(A1);yAxis=analogRead(A0);zAxis=analogRead(A2);radio.write(&xyzData,sizeof(xyzData));//發(fā)送radio.write(&xyzData,sizeof(xyzData));//發(fā)送radio.write(&xyzData,sizeof(xyzData));//發(fā)送delay(30);}//將三個(gè)引腳的數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送，按順序發(fā)送，然后延時(shí)30毫秒，這是就發(fā)射部分的程序。#include<SPI.h>#include<nRF24L01.h>#include<RF24.h>#definein13#definein25#definein36#definein49//這一部分定義引腳3.5.6.9為wpm輸出，以作控制驅(qū)動(dòng)器使用。RF24radio(7,8);//為CE,CSN的引腳。constbyteaddress[6]="00001";charreceivedData[32]="";intxAxis,yAxis,zAxis;intmotorSpeedA=512;intmotorSpeedB=512;intmotorSpeedC=512;intmotorSpeedD=512;intv=512;//初始在512時(shí)，給的電壓為2.5v，直流伺服電機(jī)不轉(zhuǎn)。intv=512;//初始在512時(shí)，給的電壓為2.5v，直流伺服電機(jī)不轉(zhuǎn)。voidsetup(){pinMode(in1,OUTPUT);pinMode(in2,OUTPUT);pinMode(in3,OUTPUT);pinMode(in4,OUTPUT);把接口定義為輸出模式。Serial.begin(9600);通信速度9600。radio.begin();radio.openReadingPipe(0,address);radio.setPALevel(RF24_PA_MIN);//最小時(shí)，通信范圍最廣。radio.startListening();//設(shè)定為接收方。}}voidloop(){if(radio.available()){//如果接收到發(fā)射的數(shù)據(jù)radio.read(&receivedData,sizeof(receivedData));//讀取并保存xAxis=atoi(&receivedData[0]);//把接收到的值轉(zhuǎn)換為整數(shù)delay(10);radio.read(&receivedData,sizeof(receivedData));yAxis=atoi(&receivedData[0]);delay(10);radio.read(&receivedData,sizeof(receivedData));zAxis=atoi(&receivedData[0]);delay(10);}三次延時(shí)共計(jì)30毫秒，這個(gè)數(shù)不能比發(fā)射部分的延時(shí)小，后者數(shù)據(jù)的讀取出錯(cuò)。以上是發(fā)射和接收程序的詳解。if(zAxis<470&&zAxis>0){v=map(zAxis,0,470,250,470);//速度轉(zhuǎn)換，將z軸給的模擬量從0-470映射到250-470，}//降低速度時(shí)的轉(zhuǎn)換if(zAxis>550&&zAxis<1023){v=map(zAxis,550,1023,550,800);//速度轉(zhuǎn)換，將z軸給的模擬量從550-1023映射到550-800}//增大速度時(shí)的轉(zhuǎn)換if(zAxis>470&&zAxis<550){v=512;//速度轉(zhuǎn)換，將z軸給的模擬量范圍470-550全部定義為512，因?yàn)橛袝r(shí)候雙軸搖桿給的電壓不一定為2.5v，即整數(shù)512}這里主要是將油門進(jìn)行映射，規(guī)定撥動(dòng)搖桿范圍在470-550時(shí)，不進(jìn)行工作，以防止靈敏度導(dǎo)致的操作失誤。對(duì)于數(shù)據(jù)的縮放和各種映射處理以及控制直流伺服電機(jī)的程序見附錄一。雙軸搖桿給的信號(hào)經(jīng)過發(fā)送到接收部分，接收部分進(jìn)行處理