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1、 本科毕业论文（设计、创作） 题目： 轮式机器人电机驱动系统设计 学生姓名： 学号： 所在院系： 专业： 电气工程及其自动 化 入学时间： 2010 年 9 导师姓名： 职称/学位： 副教授/硕士 导师所在单位： 完成时间： 2014 年 5 月 安徽三联学院教务处 制 轮式机器人驱动系统设计 摘摘 要：要：随着社会的发展，机器人逐渐受到了人们的重视，可移动轮式机器人 的研究具有极其重要的意义。其关键的问题就是要解决机器人在复杂环境下系 统的正常运行和控制，因此轮式机器人的驱动系统显得尤为重要。本文设计了 一款智能轮式机器人的驱动系统，此系统的核心是 STC89C52 单片机，通过系统 产生的
2、宽带调制信号，加上 L298N 驱动芯片控制直流电机的运行参数，可实现 机器人的基本动作：前进、后退、左右转向、速度控制以及避障循迹功能。此 次系统研究为机器人驱动系统的发展与创新积累了经验，对机器人控制系统的 研究发展具有理论与实践价值。 关键词关键词：驱动； PMW； 单片机； 速度控制； 方向控制 Wheeled Robot Drive System Design Abstract: With the development of the society, robot has gradually become more popular. It is more important to r
3、esearch the removable wheeled robot .The key problem is that how to operate and control the robot in complicated situation, so the drive system of it plays an important role. This dissertation is dedicated to showing a new design of intelligent removable wheeled robot whose kernel lies at the STC89C
4、52 Single Chip Micyoco. The signal of PMW produced by that system and also the operating parameter of direct-current machine controlled by L298N drive chip could realize the basic movement of the robot ,such as advance, back ,turn, speed control, and the function of avoiding obstacles and following
5、previous track. This research gathers experience for the development and creation of robot drive system , and it also has a high theoretical and practical value of the development of the robot control system. Key words: drive; PMW; Single Chip Micyoco; speed control; direction control 目录 1绪论.1 1.1 引
6、言1 1.2 研究背景和意义.1 1.3 研究内容.2 2驱动系统方案设计.3 2.1 主控系统.3 2.2 电机驱动模块.3 2.3 机械系统.4 2.4 电源模块.4 3主要零部件及技术分析.5 3.1 单片机的介绍.5 3.1.1 时钟电路6 3.1.2 复位.6 3.1.3 STC89C52 主要功能.6 3.2 驱动模块方案的分析.7 3.2.1 H 型桥式驱动电路.7 3.2.2 L298N 驱动模块组成及各部分功能.9 3.3 PWM 控制.12 3.3.1PWM 调速简介.12 3.3.2 PWM 控制电机的特点.12 3.3.3 PWM 输出波形和计算.13 3.4 直流电动
7、机特性简介.13 4机器人运动控制介绍.16 4.1 总体设计概括.16 4.2 外围电路拓展16 4.2.1 避障模块.16 4.3 控制流程图.错误！未定义书签。错误！未定义书签。 5 总结20 安徽三联学院毕业论文 I 致谢21 参考文献22 1 绪论绪论 1.1 引言 当今社会发展迅速，人民生活水平提高，自动化设备充实了我们的生活， 方便了我们的生活，提高了人们的生活和工作质量。机器人的发展也及其迅速， 从以前的国家高端军事航空领域渗透到我们生活中的每个角落。小至楼宇办公、 餐医疗，大到航空航天、军事武器、重工业生产，大量的各种各样的机器人充 实着我们的生活，其环境适应能力强，能够完成
8、人类不能完成的任务。随着现 代化的逼近，人们都机器人的需求越来越高，机器人的种类需求越来越大，机 器人所肩负的使命越来越重要，使机器人的控制变得越来越复杂。现在整体机 器人研究方向朝三个目标发展：一是机器人的高智能化。二是让机器人更像人。 三是让机器人更小，能够胜任更精细的工作。因此需要在机器人的驱动控制系 统以及算法上深入研究。 1.2 研究背景和意义 进入 21 世纪，经济全球化及多元化快速发展，人类进入智能化信息化时代。 人们对信息的获取量、信息的传递周期、人们的生活水平、工作质量提出了更 高的要求。更多信息，更舒适的生活环境，更方便快捷的工作方式是现代每个 人所共同期望的。机器人在各个
9、领域发展极为迅速，在各个技术难题上都有了 很大的突破。生活类的机器人走进了普通家庭，如安保、教育、清洁、服务、 娱乐、康复、治疗等智能机器人获得了极高的评价和社会实用价值，为广大人 们所欢迎。 机器人技术是众多学科知识交叉融汇的结晶，对人工智能、模式识别、自 动控制、电子电气、机械设计电子电路等多个学科提出了很高的要求，复杂条 件下运动控制系统是机器人完成智能化多功能化中最基础的研究内容，它涉及 自动控制，电子电气，电子电路等多个领域；机器人运动控制系统的研究是机 器人智能化进程中的关键所在，对自动控制、电子电气相关领域的发展意义重 大。 现代工业、军事装备、航空航天以及民用领域无处不依赖机器
10、人，其对我 国现代化建设提高人民工作生活质量意义重大。机器人可归结为三个大类，第 安徽三联学院毕业论文 1 一种是一代机器人，亦可称作示教再现型机器人，是通过一台计算机来控制一 个可自由调整工作角度的机械，将程序和信息存储进入示教，机器运行时随时 调取数据信息发出指令。如此便可重复的根据实时示教结果，再现出种动作， 例如点焊机器人，它只要首次完成点焊示教，以后便重复这种工作，但是其不 能感知外界环境，所以此种机器人不能独自判断用力大小工件是否存在以及焊 点的好坏，因此第一代机器人存在很多缺陷。自 20 世纪 70 年代末期，第二代 机器人的研究相继开始，称作带感觉的机器人，这种带感觉的机器人能
11、模仿人 类的某些感觉，如力度的大小、触碰、滑落、视觉成像、听力和人进行相类比， 有了这些基础感知能力，当机器人抓一个物体的时候，它实时用力大小就能感 觉出来，亦能够通过视觉成像，去感受和识别它的形状、大小、颜色。拿一只 鸡蛋，其能通过特种触觉实时测算力矩和滑动的情况。 第三代机器人，是现代对机器人研究中所要攀登的最高阶段，称为智能机 器人，此种机器人可人工声控，只需下达命令机器人就能以特种方式完成任务， 也就是其能自主思考将要如何完成任务。能像人一样去思考一件事情该怎么去 做，该不该做，此种概念型机器人还局限在某些领域内能够达到这种智能水平， 完全具备像人脑这样的思维境界的机器人还不存在，但是
12、我们相信科技的发展 进步，更多智能概念的丰富，将会向着这种概念型机器人无限趋近。 。 1.3 研究内容 对于工业机器人的设计可分为三部分：执行部件、驱动系统和控制系统。 控制系统包括决策、策略构思和执行机构。决策层可实时识别环境，构建模型 概念，将将要执行的任务分割成最基础动作序列；策略层将基本动作转变为关 节坐标协调变化的规律，分配给各关节的伺服系统；执行机构将某种特定序列 及坐标变化规律分配给不同的关节伺服系统。一般对机器人的研究有对机器人 在运动中平稳性的研究；有在复杂环境下自主运行及自我诊断的研究；有对机 器人在不同环境下的通讯能力的研究；还有对机器人小型化甚至微型化的研究。 本设计的
13、是一种基于单片机最小系统的轮式移动机器人的驱动系统。此系 统选用 STC89C52 单片机为核心，通过其产生的 PWM 信号控制驱动芯片；系统连 接完成，实现对电机的起停调速控制。因此我们需要研究驱动电路的控制原理 以及实现方法，了解何为 PWM 及其产生方法、工作原理，单片机对机器人的控 制原理，控制算法，讨论使用何种电源。了解机器人的电源分配、稳压、电路 保护方法，选择合适的电机种类为其动力装置，保障机器人的灵活性。 2 驱动系统方案设计及论证 2.1 主控系统 依据设计内容的要求可知此系统输入变量多，系统控制复杂，因此可草拟 两种设计构思进行整体比较论证，论点如下： 方案一： 选用一片
14、CPLD（如 EPM7128LC84-15）作为系统的核心部件，实现控制与处 理的功能。CPLD 运算速度快、编程较为简单、可用资源颇为丰富、开发实现周 期短等优点，编程可用 VHDL 语言。但 CPLD 在控制上不如单片机，其运算速度 极快，机器人的运转速度不需要很高，所以其整个系统不需要过高的信息处理 能力，按照此种要求，MCU 就足能完成处理任务。所以此种方案会给控制问题 带来很多不必要的麻烦，不优先考虑此种构思。 方案二： 以单片机为系统核心，实现对运行中的机器人实时数据采集处理，达到需 要的性能指标。实际上此系统关键是要对机器人运动控制实现，重点放在这上 面的话，不难发现单片机具有很
15、大的优势，控制简单快捷，这样一来，资源极 其丰富、控制能力极强以及可位寻址的优点显露无疑。因此此种构思较为理想 此设计内容具有如下特点：开关量输入量多，系统控制较为复杂，因此不 宜使用精简版的点数极少的单片机。为此可选用 STC89C52 单片机作为系统的核 心，因为其具有很强的位操作功能，输入输出口也可四线位寻址，此系列单片 机拥有 8K 可用资源，足以满足系统要求，其次 51 单片机低廉的价格也是其不 可掩埋的优势。 两种方案对比中选择 51 系列单片机更适合此系统，故决定采用 STC89C52 为此设计的核心处理器。 2.2 电机驱动模块 方案一： 安徽三联学院毕业论文 3 用继电器控制
16、电机的运行和停止,利用开关档的切换控制小车的速度，这样 设计出来的电路极为简单易懂容易实现,但是长时间的高频率的开关降低了继电 器的使用寿命，而且继电器响应时间慢可靠性不高。 方案二： 电机速度和运行状态的调节可使用电阻网络或者数字电位器。关键在于电 阻网络不能实现连续调速，可靠性不高，性能指标不易实现。数字电位器价格 代价过高，在此系统使用不够理想。电机阻值较小且电流又比较大，效率很低 难以实现分压。 方案三： 直流电动机的控制可用功率三极管。由达林管可组成 H 型桥式电路，线性 驱动电路不仅电路和原理简单而且其具有较强的加速能力，采用此种 H 桥电路 只要工作在占空比可调的状态便可实时精确调节电机运行状态，而且此电路运 行效率可观，调节精度高，控制简单稳定性好，是很常用的 PWM 调速技术。根 据以上分析，此系统可选用 L298N 电机驱动芯片。 2.3 机械系统 此种机器人要求机械系统稳定，运动灵活简
