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1、湖南农业大学东方科技学院湖南农业大学东方科技学院 全日制普通本科生毕业设计全日制普通本科生毕业设计 手动机器人自控系统设计手动机器人自控系统设计 THE DESIGN OF MANUAL HANDLING ROBOT IN AUTONOMOUS SYSTEM 湖南农业大学东方科技学院全日制普通本科生 毕业设计诚信声明 本人郑重声明：所呈交的本科毕业设计是本人在指导老师的指导下， 进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。除文中已经注 明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的 作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体在文中均作了明确 的说明并表示了谢意。同时，
2、本论文的著作权由本人与湖南农业大学东 方东方科技学院、指导老师共同拥有。本人完全意识到本声明的法律结 果由本人承担。 毕业设计作者签名： 年 月 日 目 录 摘 要.1 关键词.1 1 前言.2 1.1 2012 年亚太机器人大赛比赛主题与规则.2 1.1.1 主题简述.2 1.1.2 规则简述.2 1.2 手动机器人的主要任务简介.3 2 机器人创意设计与方案.4 2.1 机器人一般组成.4 2.2 本次机器人设计原则.5 2.3 比赛策略.5 2.4 机械结构设计.5 2.5 方向盘的设计与讨论.6 2.6 棘轮机构的设计与讨论.7 3 机器人自控部分设计.8 3.1 总体方案设计.8 3
3、.2 各模块硬件部分设计.9 3.2.1 中央处理模块.9 3.2.2 通信模块.12 3.2.3 LM629 驱动模块.13 3.2.4 单片机模块.19 3.2.5 驱动模块.20 3.2.6 电源模块设计.23 3.2.7 电机模块.24 3.2.8 底盘控制系统.26 3.2.9 升降系统及棘轮模块.27 3.2.10 输入模块.28 3.3. 辅助电路设计.29 3.3.1 复位电路设计.29 3.3.2 过流保护与欠压保护电路设计.29 3.3.3 信号隔离部分部分电路设计.31 3.3.4 编码盘采样模块电路设计.31 3.3.5 按键模块电路图.32 3.4 硬件抗干扰措施.3
4、2 3.5 印刷电路板可靠性和抗干扰性分析.32 4 算法论证.33 4.1 主控板程序流程图.33 4.2 底盘控制系统算法设计.38 4.2.1 程序流程图:.38 4.2.2 电子油门程序.38 4.2.3 电子方向盘及差速器程序.40 4.2.4 刹车程序及底盘方向判断程序.41 5 调试工具和方法介绍.42 5.1 应用 PROTUES 进行调试与仿真.42 5.2 应用 IAR EMBEDDED WORKBENCH FOR ARM 进行编程调试.43 6 结论.43 参考文献.44 附录.44 附录 1：主控板程序代码.44 附录 2：LM629 控制程序.44 附录 3：总电路原
5、理图（A0 图）.44 附录 4：STM32 最小系统原理图 （A2 图）.44 附录 5： 手动机器人总装配图（A1 图）.45 手动机器人自控系统设计手动机器人自控系统设计 学 生：谢雨帆 指导老师：康 江 （湖南农业大学东方科技学院，长沙 410128） 摘 要：在国内外机器人竞赛热潮的背景下，作为人才新生主力军的大学生，自制机器人 参加各种比赛已经成为了大学校园里一道亮丽的风景线。本人作为湖南农业大学参赛代表之一， 参加了2012年亚太大学生机器人大赛的各项活动，参与了机器人的设计和制作整个过程，在创新 设计能力、动手能力和培养团队合作精神等方面都得到了很大提高。而本次设计的手动机器人
6、是 一台自动化程度较高、控制精确灵活的机器人，这台手动机器人由行走模块、主控模块和机械手 臂等组成。需要完成一定难度的硬币精确抓放，搬运收集机器人并精确放置等工作（题目源于 2012年亚太大学生机器人大赛） 。这对机器人的竞争力、灵活性、准确性有较高要求。手动机器人 的控制系统采用基于 STM32的 Cortex-M3内核的开发板作为底层控制模块，充分利用了该款单片机 高速处理能力与可靠性高的优势。 关键词：机器人；驱动；通信；PID 算法 ；PWM 调速； Manual robot control system design Author: Xie Yufan Tutor: Kang Jia
7、ng (Oriental Science drive; communication; PID algorithm; PWM speed control； 1 前言 机器人涉及多学科交叉综合；人工智能、机器人技术、通信技术、传感器技术、 信息及编程技术、计算机学、材料学、电子技术、传动技术、接口技术、单片机原理、 精密机械技术、自动控制理论、伺服传动技术等诸多领域的技术集成。因此难度高、 技术综合性极强，能充分锻炼参与者多学科综合及设计能力和团队协作精神。2012年 全国大学生机器人大赛机器人主要任务是由手动操作者坐在手动机器人上控制机器人 抓取硬币放到硬币箱，自动机器人抓取篮子放到手动机器人运
8、动区域，然后手动机器 人穿越障碍区搬运搜集机器人到自动机器人上，由自动机器人将搜集机器人送到包山 所在区域，待搜集机器人到达包山，手动机器人需抓取篮子回到出发点配合搜集机器 人完成“平安大吉” ，等搜集机器人将包山不同层的包子放到篮子里面并没有出现犯 规动作时宣布比赛结束，其中完成所有任务耗时少的一方获胜。 在这种互相干扰不大、主要比拼速度及精度的竞赛中，制作的机器人越稳定，越 高速，就越有可能取得比赛的胜利。本人参与设计制作的手动机器人就是参加该项比 赛的机器人之一。 1.1 2012 年亚太机器人大赛比赛主题与规则 1.1.1 主题简述 此次大赛的主题为“Peng On Dai Gat”
9、，中文意思为“平安大吉（包山斗智显平 安） ” ，源于民俗活动，旨在祈求平安。 1.1.2 规则简述 每只参赛队伍要求有三台机器人:一台手动机器人，一台自动机器人和一台收集机 器人。首先，手动机器人从硬币架上拿起硬币投到硬币箱中。然后，自动机器人启动 把公共区的篮子搬到手动区并回到启动区，与此同时，手动机器人需要把收集机器人 搬起运到自动机器人上，由手动机器人把收集机器人搬运到自动机器人上。最后，收 集机器人爬上小岛，把底层和中间层的包子抓取并放到篮子里，再由手动机器人把收 集机器人托起抓取顶层包子放到篮子里，完成任务。期间不能违反比赛规定的限制要 求，用时最少完成任务或得分最多的获胜。 图
10、1 比赛场地规格 Fig.1 Specifications of Game Field 1.2 手动机器人的主要任务简介 手动机器人的主要任务有： 1、手动机器人启动后需要从硬币架拿起硬币并放入硬币箱； 2、在没犯规的前提下，手动机器人必须穿越隧道，到达搜集机器人所在区域并 搬运搜集机器人至自动机器人 A（5 区）区域（见图 2） ； 3、手动机器人搬运放在手动区的篮子（4 区）按照图中所示路线回到启动区（6 区） ，并将篮子放置在小岛上的放篮区； 4、手动机器人托起 搜集机器人夹取包山最顶层包子，手动机器人和搜集机器人 之间通过非射频方式通信； 5、在比赛规定时间（三分钟）的最后一分钟内，手
11、动机器人可以直接从底层开 始夹取包子； 6、当搜集机器人完成每层至少一个包子的夹取和投放，比赛立即宣布结束，完 成规定任务并耗时最短的获胜，未完成任务按照得分多少衡量胜负。 规则限定：手动机器人抓取硬币并将硬币放置到硬币箱中，完成速度较快的另外 两台机器人优先启动，这就要求手动机器人稳定性高、速度快、定位精准，所以对手 动机器人的要求更高。 图 2 手动机器人行动路线示意图 Fig.2 schematic diagram of Manual robot walking route 2 机器人创意设计与方案 2.1 机器人一般组成 机器人一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统和复杂机械等组
12、成。 执行机构即机器人本体，其臂部一般采用空间开链连杆机构，其中的运动副（转 动副或移动副）常称为关节，关节个数通常即为机器人的自由度数。根据关节配置型 式和运动坐标形式的不同，机器人执行机构可分为直角坐标式、圆柱坐标式、极坐标 式和关节坐标式等类型。 驱动装置是驱使执行机构运动的机构，按照控制系统发出的指令信号，借助于动 力元件使机器人进行动作。它输入的是电信号，输出的是线、角位移量。机器人使用 的驱动装置主要是电力驱动装置，如步进电机、伺服电机等，此外也有采用液压、气 动等驱动装置。 检测装置的作用是实时检测机器人的运动及工作情况，根据需要反馈给控制系统， 与设定信息进行比较后，对执行机构
13、进行调整，以保证机器人的动作符合预定的要求。 控制系统有两种方式。一种是集中式控制，即机器人的全部控制由一台微型计算 机完成。另一种是分散式控制，即采用多台微机来分担机器人的控制，如当采用上、 下两级微机共同完成机器人的控制时，主机常用于负责系统的管理、通讯、运动学和 动力学计算，并向下级微机发送指令信息；作为下级从机，各关节分别对应一个 CPU，进行插补运算和伺服控制处理，实现给定的运动，并向主机反馈信息。 2.2 本次机器人设计原则 对于此次比赛的机器人来说，主要考验的是机器人的行走路线、机器人运行的稳 定性、快速性、准确性以及可操作性。通过总结往届的经验，小组制定了如下机器人 设计原则。
14、 1)机器人必须与大赛的主题相吻合，创意独到，在遵循规则的前提下能巧妙地合 理地利用规则。 2)机器人必须具有较高的速度(含加速度)，比赛中谁的速度快，谁就能在更的时 间内完成组装搬运工作，抢得比赛的先机，因此小组制定了速战速决的战术。 3)机器人必须稳、准。指机器人运动的机动性、稳定性和组装水灯的准确性。速 度只有与机动性、灵巧性和准确性结合才能相得益彰。才能在竞争激烈，赛况瞬息万 变的比赛中获得胜利。 4)机器人应具有高智能。目前大部分自动机器人尚处于预编程的水平上，无法达 到高要求的定位标准。如果机器人的智能水平能够有所提高，能够正确的处理瞬息万 变的赛场信提高定位能力，那么就能更快更好
15、的完成组装和搬运。 5)机器人代表队的配合默契程度。指自动机器人、手控机器人的配合要好，因为 比赛不是比拼单台机器人的功能,小组特别强调机器人团队之间的协同作战。 2.3 比赛策略 在比赛一开始手动机器人就以最短路线运动到硬币所在区域，并抓取硬币投放到 硬币箱中，在抓取过程中可以用启动按钮控制机器人走自动程序精确定位并抓取，这 样有效地为自动机器人运行争取了部分时间，比赛过程中不同机器人之间使用非射频 方式进行通信，可以更好的协调好不同机器人之间完成相应任务。 2.4 机械结构设计 整个手动机器人的主要框架结构由壁厚为 1.2mm、2525mm 的不锈钢方管焊接 而成。底盘采用后驱形式，两后轮
16、单独用电机驱动，两前轮采用万向轮结构。这个轮 系结构当中，当左右后轮电机转速不同时，带动不同的左右后两轮的转速，而前轮只 是起支撑作用，从而实现校手动机器人的转弯，电机与驱动轮之间我们采用链条传动 方式。由于手动机器人在亚太大学生机器人大赛中要抬起一台和自身相当重的自动机 器人，而普通的电机达不到自锁能力，所以我们额外给升降结构增加一个棘轮机构来 实现普通电机的这个缺陷。对于升降机构，为了增强它的承载能力，我们借鉴电梯的 结构，设计了一个内滑式滑块。图 3 为手动机器人的整体简易三维图。 图 3 手动机器人整体三维图 Fig.3 Manual machine 3D figure as a wh
17、ole 2.5 方向盘的设计与讨论 为了把方向盘转动的角度传动转化为编码器的信号，我们设计方向盘时必须充分 考虑如何把方向盘与编码器连接起来才能使方向盘的转动与编码器一致，其次，要在 方向盘上安装了按键方便操作，而且还要设计方向盘具有自动回正装置，即当操作者 从方向盘松开手时，方向盘会自动回到初始位置使编码器转角信号归零。方向盘机构 总体图如图 4-5 所示 图 4 方向盘与编码器的连接方式 Fig.4 Steering and connection way of the encoder 图 5 方向盘安装后的实物图 Fig.5 Physical picture of the steering
18、 wheel is installed 2.6 棘轮机构的设计与讨论 手动机器人要通过升降平台抬起 15kg 的采集机器人，在上升或者下降阶段我们 只要控制升降电机，但是升降平台停止在某一高度时，即保持抬起采集机器人停在某 一高度时，伺服电机是处于锁死状态。此时电机并没有停止工作而是通过后轴编码器 反馈信息和 PID 算法调整反复运行电机锁死在了这个位置。在带有较大负载下电机处 于锁死状态是非常容易烧毁电机。所以这需要我们想办法使升降机构抬起一定高度时 机械锁死并关闭电机。为了解决这个问题，我们采用棘轮机构： 在抬起采集机器人停在某一高度时采用棘轮锁死其位置，当其要升降时机将其打开， 然后启动
19、升降电机从而实现升降。 图 6 棘轮机构实物图 Fig.6 Ratchet physical figure 3 机器人自控部分设计 3.1 总体方案设计 本设计是基于 STM32 单片机的手动机器人控制系统。本系统主要由中央处理模块、 直流电机驱动模块、电子方向盘模块、电子刹车模块、棘轮模块、LM629 模块、单片 机模块、串口模块、电子油门模块、通信模块、与电源模块等模块组成。中央处理模 块是整个系统的核心。它与其它各个模块之间通过不同电路和接口协议进行相连。电 子方向盘模块、电子油门模块、电子刹车、按键模块等传感器输入部分对系统外界信 息进行采集和处理后，将数据通过电平信号、PWM 信号等
20、方式发送到中央处理模块。 然后按照通信协议，接口协议等要求和其他模块进行信息交换，由中央处理模块根据 软件设计中的流程图和所设计的算法，对数据进行分析与处理。从而得到相关的最优 输出操作，通过输出 PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调制）波的方式向单片机 模块发命令，单片机模块再通过串口通信控制 LM629 模块从而控制电机的运行状态。 通过电平控制启动模块的状态。从而达到对手动机器人各部分的控制。其对应的系统 方框图如图 7 所示。 图 7 系统方框图 Fig.7 Schematic Block Diagram 3.2 各模块硬件部分设计 3.2.1 中央处理模块 中
21、央处理模块是整个手动机器人的核心环节。它是实现信息处理、命令输出与智 能算法等的平台。本设计对中央处理模块有以下三种方案： 方案一：采用 ATMEL 公司研制的基于 AVR RISC 结构的 8 位低功耗 CMOS 微 处理器 ATMEGA128 单片机作为主控板。AVR 单片机是高速嵌入式单片机，数据处 理速度快、中断响应迅速。其次，AVR 单片机高性能、低功耗，且其快速的存取寄 存器组、单周期指令系统，很大程度上优化了目标代码所占用的存储空间，也在一定 程度下提高了程序的执行效率，部分型号 FLASH 非常大，特别适用于使用高级语言 进行开发。 但是 AVR 系列单片机都不具备硬件正交增量
22、编码器功能。 方案二：采用 ARM 公司研制的基于最新 Cortex-M3 内核的 32 位 ARM7 微处理器 STM32 开发板。STM32 系列基于专求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设 计的 ARM Cortex-M3 内核。STM32 专门为工业控制设计拥有比 AVR 单片机更高的 性能且工业控制硬件功能更加丰富（具有 DMA、硬件正交增量编码器等） ，并且开发 工具齐全，开发环境更优越。 方案三：根据手动机器人控制性能的要求，在使用方向盘控制底盘电机的同时， 按键也能控制升降电机和气动装置。如果仅仅使用一块 STM32 芯片执行所有程序会 造成程序编写复杂、芯片负载过高（堆栈
23、溢出） 、响应速度缓慢、端口配置冲突（如 TIM8 和 TIM1 不能同时使用）等问题。这与机器人的设计要求不符故采用 2 块 STM32 芯片做分级系统。共同构成中央处理单元从而具有并行处理的能力。这样在串 口通信的前提下既保证了手动机器人各个模块控制灵活性，又同时保证了中央处理模 块的响应速度和处理能力。 由于 STM32 单片机具有更优良的性能，同时分级系统拥有更高效的控制性能和 并行处理能力，所以我们最终选择方案三作为本设计的中央处理模块。 本设计采用 ARM 公司研制的 STM32。STM32 系列基于专为要求高性能、低成 本、低功耗的嵌入式应用专门设计的 ARM Cortex-M3
24、 内核。频率达到 72MHz，是同 类产品中性能最高的产品；以 16 位产品的价格得到比 16 位产品大幅提升的性能是 16 位产品用户的最佳选择。STM32 功耗 36mA，是 32 位市场上功耗最低的产品，相当 于 0.5mA/MHz。Cortex-M3 是一款低功耗处理器，具有门数目少，中断延迟短，调试 成本低的特点，是为要求有快速中断响应能力的深度嵌入式应用而设计的。该处理器 采用 ARMv7-M 架构。Cortex-M3 处理器整合了以下组件： (1) ARMv7-M：Thumb-2 ISA 子集，包含所有基本的 16 位和 32 位 Thumb-2 指令， (2) 硬件除法指令，S
25、DIV 和 UDIV（Thumb-2 指令） (3) 处理模式（handler mode）和线程模式（thread mode） (4) 可中断-可继续（interruptible-continued）的 LDM/STM，PUSH/POP，实现低中 断延迟。 (5) 自动保存和恢复处理器状态，可以实现低延迟地进入和退出中断服务程序 (6) 支持 ARMv6 架构 BE8/LE (7) ARMv6 非对齐访问 (8) 嵌套向量中断控制器（NVIC） 。它与处理器内核紧密结合实现低延迟中断处理， 并 具有以下特性： 1、 外部中断可配置为 1240 个 2、优先级位可配置为 38 位 3、 中断优先
26、级可动态地重新配置 4、 优先级分组。分为占先中断等级和非占先中断等级 5、 支持末尾连锁（tail-chaining）和迟来（late arrival）中断。这样，在两个中断 之间没有多余的状态保存和状态恢复指令的情况下，使能背对背中断（back-to-back interrupt）处理。 (9) 处理器状态在进入中断时自动保存，中断退出时自动恢复，不需要多余的指令。 图 8 STM32 外形 Fig.8 The STM32 shape Figure 图 9 STM32 引脚图 Fig.9 STM32 pin diagram 3.2.1.1 STM32 最小系统 最小系统电路是处理器芯片能工
27、作所必需的电路结构，包括电源电路、复位电路、 晶振以及调试接口（这里是 JLink 接口） 。因为 STM32 内部包含 128KB 的 FLASH 以 及 32KB 的 SRAM，满足设计需要，所以不再进行存储器扩展。如下图所示是 STM32F103VET6 的最小工作系统原理图。 BT1 CR1220 holder 1 43 2 B1 RESET R2 10K +3V3 C5 100nF C4 20pF C3 20pF X2 8MHz (with socket) R1 1M 41 32 X1 MC306-G-06Q-32.768 (manufacturer JFVNY) C1 10pF C
28、2 10pF MB525211 STM32F10X-128K-EVAL MCU L1 BEAD C55 10uF C56 10nF JP9 +3V3 C60 100nF C59 100nF C58 100nF C61 100nF VDD C57 100nF PB5 PB6 PB7 PA4 PA5 PA6 PA7 R86 10K +3V3 2 3 1SW1 R87 10K +3V3 2 3 1 SW2 PA11 PA12 PE0 PD0 PD1 PA9 PA10 PD3 PD4 PD5 PD6 PC10 PC11 PB12 PB13 PB14 PB15 PB10 PB11 PC12 PE14 R
29、ESET# PB8 PC5 PA0 PB9 PC13 PD8 PD9 PD10 PD11 PD12 PC6 PC7 PC8 PC9 R15 0 PE15 PE9 PE8 PE11 PE10 PE12 PE13 PA1 PC1 PC2 PC3 PD13 PD2 PE1 PB1 PB2 PA15 PB3 PD14PB0 R83 47 R84 0 PC4 PE2 PE3 PE4 PE5 PE6 PA3 PA13 PA14 PB4 PC0 PA2 PA8 PD7 PD15 PE7 PC14 PC15 OSC_IN OSC_OUT BOOT0 VDDA VDD TP8 MCO MC_EnA/WAKEUP
30、 MC_EnB JOY_DOWN MC_BusVoltage SPI1_NSS SPI1_SCK SPI1_MISO SPI1_MOSI LCD_backlight USART0_TX USART0_RX USB_DM USB_DP TMS/SWDIO TCK/SWCLK TDI MC_PFCsync1 MC_PFCpwm TDO/SWO TRST TemperatureSensor_INT TemperatureSensor_SCL TemperatureSensor_SDA Audio_PWM User_Button SmartCard_IO SmartCard_RST SmartCard
31、_CLK LCD_CLK LCD_DO LCDI_DI LCD_CS RESET# VDD LCD_WR MC_EnIndex MC_DissipativeBrake JOY_SEL SmartCard_3/5V MC_NTC USB_Disconnect JOY_UP USART1_RX USART1_TX USART1_RTS USART1_CTS MC_PFCsync2 CAN_TX CAN_RX MC_EmergencySTOP SmartCard_OFF MC_WL MC_VH MC_VL MC_UH MC_UL SmartCard_CMDVCC TRACE_D3 TRACE_D2
32、TRACE_D1 TRACE_D0 TRACE_CK JOY_LEFT JOY_RIGHT MC_WH LCD_RS Anti_Tamper MicroSDCard_CS IrDA_RX IrDA_TX LED4 LED3 LED1 MIC_IN Potentiometer MC_CurrentC MC_CurrentB MC_CurrentA/BNC MC_HeatsinkTemperature LED2 PA4 PA5 PA6 PA7 PA11 PA12 PA9 PA10 PA0 PA1 PA15 PA3 PA13 PA14 PA2 PA8 PB5 PB6 PB7 PB12 PB13 PB14 PB15 PB10 PB11 PB8 PB9 PB1 PB2 PB3 PB0 PB4 PC10 PC11 PC12 PC5 PC13 PC6 PC7 PC8 PC9 PC1 PC2 PC3 PC4 PC0 PC14 PC15 PD0 PD1 PD3 PD4 PD5 PD6 PD8 PD9 PD1