第頁某六自由度機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u15663某六自由度機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)案例 1309611.1主控板的設(shè)計(jì) 1167651.1.1主控板詳細(xì)參數(shù) 2254891.2舵機(jī) 3318951.3避障探險(xiǎn)模塊 472791.4WiFi模塊 55421.5電源模塊 7121901.6視頻數(shù)據(jù)采集模塊 71.1主控板的設(shè)計(jì)方案一：采用Arduino主控板，Arduino主控板是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺(tái)。Arduino主控板使用的編程軟件叫做ArduinoIDE，該款軟件的開發(fā)環(huán)境具備基本的setup()和loop()框架，編程較為簡(jiǎn)單，上傳程序方便，相當(dāng)于RosBot主控板的子板，但它也有自身的缺陷，制作項(xiàng)目時(shí)需要加載對(duì)應(yīng)的庫函數(shù)，有時(shí)需要使用編程器上傳，同時(shí)Arduino主控板需要外接直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)板才能進(jìn)行電機(jī)多路驅(qū)動(dòng)、需要外接步進(jìn)電機(jī)擴(kuò)展版才能進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)多路驅(qū)動(dòng)、需要外接舵機(jī)擴(kuò)展版才能進(jìn)行舵機(jī)的多路驅(qū)動(dòng)，無法滿足本次設(shè)計(jì)的需求。方案二：采用RosBot主控板，RosBot主控板是一款圖形化編程主控板。它是基于Mega328P芯片的一款板子，與ArduinoUNO的的主芯片是一樣的，所用的圖形化編程軟件是Kittenblock。與ArduinoUNO相比，它具有的優(yōu)勢(shì)有五點(diǎn)：積木化編程。打通軟硬件結(jié)合，降低制作的門檻。RosBot同時(shí)支持C++、ide、米思齊?？梢灾苯佑肅++等代碼編譯，也可以通過Kittenblock轉(zhuǎn)譯成C++代碼復(fù)制到其他環(huán)境中。功能性主板。主控板支持舵機(jī)、直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，不需要單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)模塊。接口多擴(kuò)展強(qiáng)。板載多接口：大電流外部輸入接口、板載串口轉(zhuǎn)出接口、I2C接口、藍(lán)牙、WFI接口、ICSP下載接口、直流電機(jī)、步進(jìn)接口、轉(zhuǎn)接板接口。與Arduino兼容。板子上引腳定義與ArduinoUNO引腳對(duì)應(yīng)、支持ArduinoIDE編程、支持Arduino所有的電子模塊。搭檔樹莓派。兼容樹莓派接口，可連接樹莓派機(jī)器人的功能擴(kuò)展板。一個(gè)機(jī)器人的控制單元相當(dāng)于機(jī)器人的大腦，是機(jī)器人的最核心的部位，選擇一款既實(shí)惠又能實(shí)現(xiàn)自身功能的主控板尤為重要。因此，綜合以上兩種方案，在本次設(shè)計(jì)中選擇集多功能于一身的RosBot主控板作為該機(jī)器人的核心控制單元。圖1.1主控板圖片圖1.1主控板圖片1.1.1主控板詳細(xì)參數(shù)對(duì)比以下兩種主控板的詳細(xì)參數(shù)，RosBot主控板的優(yōu)勢(shì)明顯，CH340專用的串口下載芯片，穩(wěn)定耐用，驅(qū)動(dòng)容易安裝；USB接口小巧；采用優(yōu)質(zhì)電源芯片，支持電壓更寬；RosBot少的幾個(gè)數(shù)字IO口，用來電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片了。并且IO口采用黃紅黑更加清楚的排針進(jìn)行管腳表示，使得插接市面上的Arduino,3PIN模塊更加方便，不用再使用擴(kuò)展版進(jìn)行轉(zhuǎn)接；獨(dú)立的I2C接口，令插接更方便，更清楚。而普通的Arduino需要外接直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)板才能進(jìn)行電機(jī)多路驅(qū)動(dòng)，需要外接步進(jìn)電機(jī)擴(kuò)展版才能進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)多路驅(qū)動(dòng)，需要外接舵機(jī)擴(kuò)展版才能進(jìn)行舵機(jī)多路驅(qū)動(dòng)，而RosBot根本不需要。ArduinoRosArduinoRosBot主控芯片MEGA328PMEGA328P串口芯片CH34016U2USB電壓MicroUSB5V方形B口5V外部電源接口6~12V7~12V過流保護(hù)自恢復(fù)保險(xiǎn)絲自恢復(fù)保險(xiǎn)絲DigitalI/O

數(shù)字輸入/輸出端2、3、4、7、8、11、12、131~13Analog

I/O

模擬輸入/輸出端A0-A5A0-A5直流電機(jī)接口四路（驅(qū)動(dòng)電流決定于外部電源，最大支持3A）無步進(jìn)電機(jī)接口兩路（驅(qū)動(dòng)電流決定于外部電源，最大支持3A）無舵機(jī)接口十路（驅(qū)動(dòng)電流決定于外部電源，最大支持3A）獨(dú)立三排針擴(kuò)展接口I2C接口無轉(zhuǎn)接KB轉(zhuǎn)接板接口無轉(zhuǎn)接樹莓派接口無轉(zhuǎn)接WIFI/藍(lán)牙接口無轉(zhuǎn)接串口功能支持轉(zhuǎn)出外部無轉(zhuǎn)接表1.1主控板詳細(xì)參數(shù)1.2舵機(jī)本設(shè)計(jì)使用的六自由度機(jī)器人，其中主要使用舵機(jī)來提供自由度功能，通過不斷調(diào)節(jié)舵機(jī)的角度從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行走，而調(diào)試的過程是在線調(diào)試，簡(jiǎn)單方便。操控舵機(jī)主要使用三根線，分別為電源線，地線，信號(hào)線，主要使用信號(hào)線來接收PWM波來操控舵機(jī)角度的偏轉(zhuǎn)。本文的六自由度探索機(jī)器人的舵機(jī)采用MG996R,20KG/cm360°，這個(gè)舵機(jī)扭力大，可轉(zhuǎn)的角度廣，可以實(shí)現(xiàn)更多的動(dòng)作，4.8V～6.0V屬于舵機(jī)的工作電壓范圍。舵機(jī)的組成原件主要是舵盤、驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、位置檢測(cè)元件、控制電路板及可變速的齒輪組[3]。轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電壓是舵機(jī)的幾個(gè)主要參數(shù)。轉(zhuǎn)速是由舵機(jī)無負(fù)載的情況下轉(zhuǎn)過60度所需要的時(shí)間來衡量，舵機(jī)常見的速度一般控制在0.11/60度~0.21/60度[4]。因?yàn)橐ＷC機(jī)器人行走的穩(wěn)定性，所以本次設(shè)計(jì)要求的舵機(jī)速度較緩慢，如果舵機(jī)速度過快，則會(huì)導(dǎo)致行走出現(xiàn)偏差，嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人歪倒以及舵機(jī)的使用壽命，如果舵機(jī)速度過慢，則會(huì)造成機(jī)器人行動(dòng)遲緩，無法滿足步態(tài)行走的要求，綜上所述，舵機(jī)的速度要控制在0.18/60度。舵機(jī)的另一個(gè)重要參數(shù)是扭矩，影響著六自由度探索機(jī)器人性能，為了達(dá)到輸出的動(dòng)力恰好滿足行走的設(shè)計(jì)要求，所以要求的轉(zhuǎn)矩為12-15kg.cm。本次設(shè)計(jì)中選用的MG996R舵機(jī)屬于模擬舵機(jī)。脈沖寬度調(diào)制信號(hào)作為主控板上舵機(jī)控制模塊的控制信號(hào)，如表1.2所示，脈沖寬度從0.5ms變化到1.5ms所對(duì)應(yīng)的舵機(jī)角度為-90度到+90度，呈線性變化[5]。PWM0.5ms1ms1.5ms2ms1.5ms角度-90度-45度0度45度90度表1.2脈寬的對(duì)應(yīng)角度高電平持續(xù)時(shí)間(脈寬）：0.5ms-1.5ms高電平持續(xù)時(shí)間(脈寬）：0.5ms-1.5ms高電平持續(xù)時(shí)間(脈寬）：0.5ms-1.5msPWM：20ms圖1.3占空比圖1.2舵機(jī)1.3避障探險(xiǎn)模塊本設(shè)計(jì)主要為了實(shí)現(xiàn)六自由度探索機(jī)器人在地質(zhì)勘探，化工等領(lǐng)域的應(yīng)用。由于在地質(zhì)勘探領(lǐng)域受到地面不平整，有障礙物阻擋等因素的影響，所以利用傳感器可以將其他信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)，反饋給主控制器，從而做出路徑的改變。方案一：采用光電傳感器，本設(shè)計(jì)如果采用光電傳感器檢測(cè)地形，至少需要四個(gè)，分別位于機(jī)器人前后左右方向，雖然光電傳感器的工作原理簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，只需通過發(fā)出射線，得到輸出電平的高低來檢測(cè)前方是否出現(xiàn)障礙物，但是安裝的時(shí)候會(huì)造成機(jī)器人體積龐大，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力較差，紅外射線在黑暗環(huán)境無法正常探測(cè)，且遠(yuǎn)距離精度差。方案二：采用超聲波傳感器HC-SR04，在空氣中不斷發(fā)射物理信號(hào)，然后反饋給主控板，此時(shí)物理信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，從而完成探測(cè)任務(wù)。本設(shè)計(jì)如果采用超聲波傳感器進(jìn)行地形的探測(cè)，由于超聲波的探測(cè)范圍廣，所以只需采用兩個(gè)超聲波傳感器，分別位于機(jī)器人的左右兩側(cè)區(qū)域，安裝方便，可直接安裝在主控板上，當(dāng)檢測(cè)到障礙時(shí)，采用電平觸發(fā)測(cè)距，精度高，能即時(shí)的反饋給主控制器，從而提高機(jī)器人的行走效率，其次，該傳感器材質(zhì)堅(jiān)硬，在復(fù)雜環(huán)境不易出現(xiàn)破損。超聲波傳感器的工作原理如下：發(fā)射出的超聲波向空中四面八方直線傳播，遇到障礙物后它可以發(fā)生反射，反饋給主控制器，主控板的接收器在收到由發(fā)射器傳來的超聲波后，使內(nèi)部的諧振片諧振，通過聲電轉(zhuǎn)換作用將聲能轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)，然后輸入到信號(hào)放大器中，最后驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器使超聲波傳感器的電路作出相應(yīng)動(dòng)作[6]。綜合以上兩種方案，選擇方案二。HC-SR04引腳功能見表1.3，實(shí)物圖見圖1.4。序號(hào)名稱引腳功能1VCC電源2Trig觸發(fā)信號(hào)輸入3Echo回響信號(hào)輸出4GND地表1.3HCSR04引腳功能圖圖1.4HCSR04實(shí)物圖若設(shè)超聲波模塊發(fā)出的聲波和接受聲波時(shí)間之間的差用t表示；用v表示它在空氣中的傳播速度；此時(shí)可以求出超聲波模塊與障礙的間距[7]。此間距由物理常識(shí)可知聲波在空氣中的傳播速度是隨著溫度的升高速度越快。故而對(duì)它進(jìn)行做溫度補(bǔ)償，對(duì)聲速進(jìn)行校正：其中，t表示實(shí)際測(cè)量溫度值，v表示在空氣介質(zhì)里面的速度[8]。1.4WiFi模塊在各種探險(xiǎn)環(huán)境中，傳統(tǒng)的有線控制已不能滿足各種探索未知的需求，本設(shè)計(jì)采用“上位機(jī)+RosBot”,上位機(jī)可以是PC端，也可以是Android端，通過WiFi模塊實(shí)現(xiàn)無線遠(yuǎn)程對(duì)機(jī)器人控制的解決方案[9]。WiFi模塊選用體積小，功耗低、性能穩(wěn)定、高度集成的ESP8266WiFi模塊。ESP8266與其說是模塊，倒不如說是比RosBot更小的一個(gè)具有WiFi功能的單片機(jī)，因?yàn)樗梢跃幊?，可以進(jìn)行串口通信，有輸入輸出功能，可以接受和處理數(shù)據(jù)[10]。其次，因?yàn)樗c板子的兼容性更好，更容易編寫程序。但WiFi連接有好處也有壞處，它無法進(jìn)行遠(yuǎn)距離通訊，對(duì)信號(hào)的依賴性較強(qiáng)，有機(jī)會(huì)再對(duì)通信模塊進(jìn)行改進(jìn)。下圖為WiFi模塊的實(shí)物圖。圖1.5WiFi模塊下圖為esp8266原理圖：圖1.6esp8266原理圖1.5電源模塊電源模塊為系統(tǒng)的主控板、視頻數(shù)據(jù)采集模塊、舵機(jī)模塊、避障避險(xiǎn)模塊提供可靠的工作電壓。可靠的電源方案也是整個(gè)硬件電路穩(wěn)定可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)[11]，本文采用的電源是12V比賽專用電池，容量為1500mAH，供給主板和舵機(jī)等其它模塊能夠行走約半小時(shí)?？芍苯咏o主控板供電，其它模塊直接連接在主控板上，不需要其他轉(zhuǎn)換模塊的參與。1.6視頻數(shù)據(jù)采集模塊視頻數(shù)據(jù)采集模塊在六自由度探索機(jī)器人無限遠(yuǎn)程控制中擔(dān)任視覺系統(tǒng)的角色，它可以將我們的眼睛延伸到肉眼無法觀測(cè)到的領(lǐng)域，讓我們?cè)谖ｋU(xiǎn)區(qū)域及時(shí)做出調(diào)整，在機(jī)器人探險(xiǎn)過程中扮演著舉足輕重的角色。視頻采集與傳輸?shù)倪^程如圖所示。圖1.7視頻采集與傳輸由于ESP8