大学生课外学术科技作品竞赛作品申报书.docx

附件2：序号： 编码： 扬州工业职业技术学院高校生课外学术科技作品竞赛作品申报书 作 品 名 称： 基于嵌入式的智能挪动机器人 所在院系： 电气及信息工程学院 申报者姓名 集体名称： 韩淑洁、韩雪飞、肖洋、孙家乐 类别：自然科学类学术论文 哲学社会科学类社会调查报告和学术论文ü 科技创立制作A类 科技创立制作B类说 明1、申报者应在细致阅读此说明各项内容后按要求具体填写。2、申报者在填写申报作品状况时只需根据个人工程或集体工程填写A1或A2表，根据作品类别自然科学类学术论文、哲学社会科学类社会调查报告和学术论文、科技创立制作分别填写B1、B2或B3表。全部申报者可根据状况填写C表。3、表内工程填写时一律用钢笔或打印，字迹要端正、清晰，此申报书可复制。4、序号、编码由我校全国高校生课外学术科技作品竞赛组委会办公室填写。×22cm。6、科技创立A类指投入大、科技含量高的作品；B类指小创立小制作。7、请各参赛选手针对本作品所属类别下载对应表格。8、其他参赛事宜请向竞赛组委会询问。A2申报者状况集体工程说明：1、必需由申报者本人按要求填写；2、本表中的院系签章视为申报者状况的确认。申报者代表状况姓名性别男诞生年月1996年8月院系电气及信息工程学院班级1501电子信息学历大专学制三年入学时间2021 年9月作品名称基于嵌入式的智能挪动机器人论文题目基于嵌入式的智能挪动机器人设计通讯地址扬州工业职业技术学院邮政编码225100联络 其他作者状况姓 名性别年龄学历所在单位韩淑洁女19大专扬州工业职业技术学院韩雪飞男19大专扬州工业职业技术学院肖洋男19大专扬州工业职业技术学院孙家乐男19大专扬州工业职业技术学院资格认定院系、部门意见以上作者是否为2021年7月1日前正式注册在校的全日制非成人教化的我校中国籍学生。ü 是否 签章年 月 日院系负责人或导师意见本作品是否为课外学术科技或社会理论活动成果ü 是否负责人签名：年 月 日 B3申报作品状况科技创立制作说明：1、必需由申报者本人填写；2、本部分中的科研管理部门签章视为对申报者所填内容的确认； 3、本表必需附有探讨报告，并供应图表、曲线、试验数据、 原理构造图、外观图照片,也可附鉴定证书和应用证书； 4、作品分类请根据作品创立点或创新点所在类别填报。作品全称作品分类 B A机械及限制包括机械、仪器仪表、自动化控 制、工程、交通、建筑等 B信息技术包括计算机、电信、通讯、电子等 C数理包括数学、物理、地球及空间科学等 D生命科学包括生物、农学、药学、医学、健 康、卫生、食品等 E能源化工包括能源、材料、石油、化学、化 工、生态、环保等作品设计、创立的目的和根本思路，创新点，技术关键和主要技术指标设计目的：智能挪动机器人是目前科学技术开展最活泼的领域之一，是一个集环境感知、动态决策及规划、行为限制及执行等多功能于一体的综合系统。它集中了传感器技术、信息处理、电子工程、计算机工程、自动化限制工程以及人工智能等多学科的探讨成果，代表机电一体化的最高成就。目前传统的挪动机器人承受的是封闭式构造，局限性大。我们在现有的根底上，通过剪裁定制，去除冗余的功能，搭建嵌入式智能挪动机器人。挪动机器人有主要感知模块，并有丰富的运动限制接口及驱动模块。同时，设计了多传感器数据交融、轨迹规划、运动限制、图形人机界面等智能机器人的测试软件和应用模块。具有模块化、易扩展、可移植、可定制、硬件体积小、功耗低、好用性强、牢靠性高等优点。我信任随着挪动机器人性能不断地完善，挪动机器人的应用范围也会很快扩展，不仅仅在工业、农业、医疗、效劳等行业中得到广泛的应用，而且在城市平安、国防和空间探测领域等有害及紧急场合得到很好的应用。因此我们基于一般的挪动机器人的功能不完善、测试较为简洁，不能很好的满意客户的需求，我们制作了一种低本钱高性价的嵌入式智能挪动机器人。设计思路：嵌入式智能挪动机器人是一种以电池为动力，装有非接触式导向装置的无人驾驶自动多动能机器人。主要有感知模块，并有丰富的运动限制接口及驱动模块。其硬件主要由嵌入式微处理器板和驱动限制器构成。我们针对传统工业机器人承受的封闭式构造的局限性，在现有的根底上，通过剪裁定制，去除冗余的功能，来搭建嵌入式智能挪动机器人。根据限制系统设计要求，选定以STM32单片机作为CPU进展限制系统设计。分析探讨智能挪动机器人硬件设计根本要求，软件设计方面承受嵌入式系统的设计，并承受了无刷直流电机作动力驱动以及电机驱动器PID参数调整。运用工业级别的磁道航的引导方式，来实现嵌入式机器人的无人驾驶，具有灵敏性好、变更或扩大途径简洁、铺设简洁等特点。在后期将承受人体感应及视觉捕获技术等友好的人机互动界面。把信息参数传给液晶显示屏和I2C存储器。下面是嵌入式挪动机器人的硬件框图，如下面图1所示。图 1 智能挪动机器人的硬件框图创新点：1、运用工业级的磁道航技术，磁导航具有很高的测量精度及良好的重复性，磁导航不受光线变更及路面污损破坏等影响，在应用运行过程中，磁传感系统具有很高的牢靠性。磁条铺设本钱低，维护费用低，运用寿命长，且增减、变更途径简洁。2、其动力源装置的设计承受高性能的锂电池，相比于传统的铅酸电池进步了环保性能，同时大幅进步充放电比，由传统充电时间/放电时间比为1：1进步到1：6，大幅缩短了挪动机器人的待机充电时间。3、承受铝合金材质，外表氧化处理，适应各种环境要求，承受激光切割技术，及数控加工工艺，保证平台的构造稳定性及牢靠性。同时适应将来机械扩展需求如6自由度手臂技术关键：智能挪动机器人实时推断当前四周环境的障碍物并刚好躲避；机器人择优选择运行途径并抵达目的位置；获得当前位置信息并确定当前行径方向；智能挪动机器人处理好各模块之间的联络以及挪动机器人如何连接外设机器人；承受I2C存储器来存储和读取相关参数以及视频。主要技术指标：1、适用范围：挪动机器人的应用场合很广泛，探讨涉及到多种技术领域，是一个典型的机电一体化多技术多学科的集成系统。一般来说，智能挪动机器人的主要的应用范围有以下几个方面：物料的搬运、柔性装配线，加工线、自动化立体仓库、楼道安防以及一些特别场合。2、工作性能：承受磁导航技术，具有很高的测量精度及良好的重复性，磁导航不受光线变更及路面污损破坏等影响。针对传统工业机器人承受的封闭式构造的局限性，在现有的根底上，通过剪裁定制，去除冗余的功能，搭建嵌入式智能挪动机器人，使之更加适应于不同的环境。智能挪动和机器人具有模块化、易扩展、可移植、可定制、硬件体积小、功耗低、好用性强、牢靠性高等优点。作品的科学性先进性必需说明及现有技术相比、该作品是否具有突出的本质性技术特点和显著进步。请供应技术性分析说明和参考文献资料嵌入式智能机器人的硬件主要由嵌入式微处理器板和驱动限制器构成。这种硬件构造具有功耗小、独立性、可扩展性好等优点。细分来说,主要由CPU、主板、LCD显示屏、电子盘等组成。由于机器人运动的特别性,系统应满意低功耗、防震、抗干扰等要求。嵌入式主板是机器人的“大脑,它要担当机器人运动的大量实时计算工作,主要有视觉处理、决策、运动规划以及总体限制等。及目前市场上的挪动机器人相比，先进性很明显：1、本智能挪动机器人通过带霍尔传感器的无刷电机驱动器，选用全数字式设计可实现多种输入限制方式，拥有极高的调速比，噪声低，软硬件疼惜功能完善，可以通过串口通信实现于上位机连接并进展电机的PID的参数设置同时可以进展IO输入状态，模拟量输入，告警状态及母线电压监视。2、动力源装置的设计承受高性能的锂电池，相比于传统的铅酸电池进步了环保性能，同时大幅进步充放电比，由传统充电时间/放电时间比为1：1进步到1：6，大幅缩短了挪动机器人的待机充电时间。3、运用工业级的磁道航技术，磁导航具有很高的测量精度及良好的重复性，磁导航不受光线变更及路面污损破坏等影响，在应用运行过程中，磁传感系统具有很高的牢靠性。磁条铺设本钱低，维护费用低，运用寿命长，且增减、变更途径简洁。技术分析和参考文献资料：技术分析：智能挪动机器人，是一个集环境感知、动态决策及规划、行为限制及执行等多功能于一体的综合系统。挪动机器人平台技术已经得到世界各国的普遍关注。挪动机器人技术是消费过程自动化先进性的重要表达，挪动机器人之所以可以实现无人驾驶，导航和导引对其起到了至关重要的作用，如下列图 2 所示磁导航智能挪动机器人。图 2 磁道航智能挪动机器人为了增加智能挪动机器人供电牢靠性，保证电路设计的平安性，本工程中的电路承受电源一键启动，增设急停按钮，电压显示器，电源指示灯。以下是电路设计图。1、电源充电及电源部分电气图，图3所示。图3 电源充电及部分电气图2、电机驱动器供电接线图，图 4 所示。图4 电机驱动器供电接线图对于智能挪动机器人对电机的限制要求，承受了闭环限制，及开环限制相比，承受闭环速度限制系统的机械特性有很大优越性。如下列图 5 所示。图5 闭环速度限制方案参考文献资料：1谭浩强.C程序设计第三版.北京：清华高校出版社.2005.7.4余婷.多机器人队列曲线运动探讨D.上海交通高校20215杨柳.未知环境下的多机器人协调合作的探讨D.华北电力高校(北京)2021作品在何时、何地、何种机构实行的评审、鉴定、评比、展示等活动中获奖及鉴定结果第十一届全国“创立杯大赛荣获三等奖作品所处阶 段 A试验室阶段 B中试阶段 C消费阶段D 设计成品 自填技术转让方式作品可展示的形 式ü 实物、产品 模型 图纸 磁盘 现场演示 图片 录像 样品运用说明及该作品的技术特点和优势，供应当作品的适应范围及推广前景的技术性说明及市场分析和经济效益意料智能挪动机器人的实物图，如下列图所示：图1 智能挪动机器人智能挪动机器人的说明书1、 连接36VDC/15A电源供应器，翻开急停开关于电源开关。2、 根据不同的环境选择不同形式。3、 形式一手动遥控限制。4、 形式二自动避障运行。5、 形式三绕磁道航运行。6、 在挪动机器人运行的过程中,假设在测试过程中出现故障，那么对应的故障指示灯会点亮报错，并停顿运行，如下列图。图2 指示灯技术特点和优势：智能挪动机器人技术特点主要是感知模块，并有丰富的运动限制接口及驱动模块。同时，设计了多传感器数据交融、轨迹规划、运动限制、无线网络通信、图形人机界面等智能机器人的测试软件和应用模块。智能挪动机器人承受蓄电池作为动力来源，既节约能源又疼惜环境。挪动机器人的充电和驱动系统耗能少，能源利用率高，并且该挪动机器人平台工作噪音低对制造和仓储环境没有不良影响。作品适用范围：智能挪动机器人应用范围广袤，如物料的搬运、柔性装配线，加工线、自动化立体仓库、楼道安防以及一些特别场合。推广前景的技术性说明：该智能挪动机器人及传统的挪动机器人相比，运行更加稳定，应用环境可以尽可能满意客户的要求，效率高，耗能少，自动化程度高。市场分析和经济效益意料：智能挪动个机器人作为一种成熟的技术和产品在兴盛国家已经广泛应用，对企业进步消费效率、降低本钱、进步产品质量、进步企业的产品管理程度起到了显著的作用。随着工业自动化的开展，国内的应用和需求越来越猛烈，已经大约有千台挪动机器人在运用，而且市场在逐步扩大。根据市场初步分析，今后5年内，国内各行业对智能挪动机器人需求量更大，经济效益特别可观。专利申报状况提出专利申报 申报号 申报日期 年 月 日已获专利权批准 批准号 批准日期 年 月 日 未提出专利申请科研管理部门签 章 年 月 日 说明：1、申报者可根据作品类别和状况填写； 2、填写此栏有助于评审。嵌入式智能机器人的硬件主要由嵌入式微处理器板和驱动限制器构成。这种硬件构造具有功耗小、独立性、可扩展性好等优点。细分来说,主要由CPU、主板、LCD显示屏、电子盘等组成。由于机器人运动的特别性,系统应满意低功耗、防震、抗干扰等要求。在世界范围内，随着市场需求的增长，近几年先进制造技术、工厂物流自动化有了很大开展。AGV技术的开展，那么进一步促成了先进的柔性消费线、自动化物流系统的实现。国外兴盛国家中日本、美国、德国、意大利、瑞典AGV产品种类齐全，技术先进，处于领先地位。国内外在先进的加工制造消费线上承受柔性加工系统(FMS),在装配消费线上运用柔性装配系统(FAS)技术,在仓库存取输送线上运用自动化柔性物流系统技术, 进而增加了制造消费线和物流系统的柔性, 加快了消费效率, 适应了消费多品种产品的市场需求。目前，我国的智能机器人开展还落后于世界先进程度，由于国内汽车行业的快速开展，其对配套消费厂家的产品质量及产量要求不断进步，特别是装配制造业。基于这种状况对智能挪动机器人的需求正在不断进步。说明：1、由举荐者本人填写； 2、举荐者必需具有副高级专业技术职称，并是及申报作品 一样或相关领域的专家学者或专业技术人员教研组 集体举荐亦可； 3、举荐者填写此部分，即视为同意举荐； 4、举荐者所在单位签章仅被视为对举荐者身份的确认。举荐者状况姓 名性别年龄职称工作单位通讯地址邮政编码单位 住宅 举荐者所在单位签章 签章 年 月 日请对申报者申报状况的真实性作出阐述 请对作品的意义、技术程度、适用范围及推广前景作出您的评价其它说明举荐者状况姓 名性别年龄职称工作单位通讯地址邮政编码单位 住宅 举荐者所在单位签章 签章日期 年 月 日 请对申报者申报状况的真实性作出阐述 请对作品的意义、技术程度、适用范围及推广前景作出您的评价其它说明E.资格和形式审查意见F.参赛作品打印处基于嵌入式智能挪动机器人设计集体 指导老师：摘要：针对传统工业机器人承受的封闭式构造的局限性，在现有的根底上，通过剪裁定制，去除冗余的功能，搭建嵌入式智能挪动机器人。挪动机器人有主要感知模块，并有丰富的运动限制接口及驱动模块。同时，设计了多传感器数据交融、轨迹规划、运动限制、无线网络通信、图形人机界面等智能机器人的测试软件和应用模块。该智能挪动机器人具有模块化、易扩展、可移植、可定制、硬件体积小、功耗低、好用性强、牢靠性高等优点。本工程根据限制系统设计要求，选定以STM32单片机作为CPU进展限制系统设计。主要分析探讨了智能挪动机器人硬件设计根本要求及并给出实现方案，软件设计方面承受嵌入式系统的设计方案，并承受了无刷直流电机作动力驱动以及电机驱动器PID参数调整方案。关键词：智能挪动机器人，STM32单片机，自主机器人，PID。第一章 绪论1.1 引言“机器人是存在于多种语言文字中的新造词，它表达了人们长期以来的一个愿望，即创立出一种像人一样的机器或人造人，以便可以代替人去进展各种工作。随着智能技术的开展，如磁场感技术、虚拟现实技术、多智能体技术、人工神经网络技术、遗传算法、仿生技术、多传感器集成和交融技术以及纳米技术等的开展，新一代机器人将会更加多元化和智能化。同时，这也意味着机器人将迎来一个更加绚丽的明天。1.2 挪动机器人探讨现状和开展趋势智能挪动机器人，是一个集环境感知、动态决策及规划、行为限制及执行等多功能于一体的综合系统。它集中了传感器技术、信息处理、电子工程、计算机工程、自动化限制工程以及人工智能等多学科的探讨成果，代表机电一体化的最高成就，是目前科学技术开展最活泼的领域之一。随着机器人性能不断地完善，挪动机器人的应用范围大为扩展，不仅在工业、农业、医疗、效劳等行业中得到广泛的应用，而且在城市平安、国防和空间探测领域等有害及紧急场合得到很好的应用。因此，挪动机器人平台技术已经得到世界各国的普遍关注。如下列图1-1所示军用挪动机器人。图1-1 军用挪动机器人1.2.1 智能挪动机器人的开呈现状挪动机器人的探讨,存在着两条不同的技术路途:一条是日本和瑞典所走的“需求牵引,技术驱动,结合工业开展的需求,开发出一系列特定应用的机器人如:弧焊、点焊、喷漆、装配、刷胶、建筑等等,从而形成了浩大的机器人产业;一条是把机器人作为探讨人工智能平台的载体,即:单纯从技术上仿照人或动物的某些功能动身,探讨有关智能的问题和智能机器人平台,如:美国、欧洲的一些高校及探讨所进展的工作。由于人工智能和其他智能技术的开展尚落后于人们对它的渴望,致使大部分探讨成果处于试验阶段。图1-2 挪动焊接机器人智能挪动机器人要想走向好用,必需拥有能胜任的运动系统、牢靠的导航系统、精确的感知实力和具有既平安而又友好地及人一起工作的实力。挪动机器人的智能指标为自主性、适应性和交互性。1.2.2 挪动机器人的开展趋势挪动机器人技术是传感技术、限制技术、信息处理技术、机械加工技术、电子技术、计算机技术等多门技术的结合。因此对于智能挪动机器人的开展也必定建立在这些技术的高速开展之上的。对于挪动机器人的探讨应当从以下几个方面着手：1先进的传感技术。传感器相当于挪动机器人的感觉器官，只有先进的传感器技术才能有效的采集环境信息，从而进步效率和精确性。2高效的信息处理技术。信息处理主要是指对于传感器采集进来的信息进展处理，包括语音识别及理解技术，图像处理及形式识别技术等。由于目前挪动机器人的导航大都承受基于视觉或有视觉参及的导航技术，因此计算机视觉和图像处理技术的程度对于智能挪动机器人的开展将起到至关重要的作用。3多传感器的信息交融技术。目前在挪动机器人中，智能方法的应用是一个重要的开展方向。但目前智能算法在机器人中的应用范围却受到了很大局限，如神经网络应用往往局限在环境的建模和认知上，例如机器人地图构建。因此在挪动机器人中，智能方法还有极大的开展空间。1.3 智能挪动机器人应用特点智能挪动机器人应用特点主要是感知模块，并有丰富的运动限制接口及驱动模块。同时，设计了多传感器数据交融、轨迹规划、运动限制、无线网络通信、图形人机界面等智能机器人的测试软件和应用模块。该智能挪动机器人平台具有模块化、易扩展、可移植、可定制、硬件体积小、功耗低、好用性强、牢靠性高等优点。智能挪动机器人可以特别便利地及其它不同的物流系统实现自动连接，例如AS/RS(自动化立体仓库/存入取出系统)、自动积放链、各种缓冲站、升降机等；从而实如今工作站之间对物料进展跟踪；按方案输送物料并有执行检查记录；对输送进展确认；及消费线和库存管理系统进展网络在线连接以向工厂或车间管理系统供应实时物流信息。在挪动机器人运输物料过程中，由于挪动机器人按固定规划途径行驶，不易及其它加工设备或其他障碍物碰撞，很少甚至没有导致产品或消费设备的损坏。同时AGVS系统具有极高的牢靠性。AGVS由假设干台挪动机器人组成，当一台挪动机器人损坏无法工作时，其它机器人的消费效率不受影响并可以保持高度的系统可调度性。智能挪动机器人承受蓄电池作为动力来源，既节约能源又疼惜环境。挪动机器人的充电和驱动系统耗能少，能源利用率高，并且该挪动机器人平台工作噪音低对制造和仓储环境没有不良影响。 第二章 智能挪动机器人总体构造设计2.1 AGVSAutomatic Guided Vehicle System配送系统组成智能挪动机器人由自动导引小车配送系统AGVS。由带扶植装卸装置的挪动平台，具有在线自动充电系统、地面导航系统、周边工位及仓库输送系统、AGV限制台调度计算机和网络通讯系统等构成。地面导航系统主要由磁导航带或激光反光板等地面途径指示标记构成，使得挪动机器人在规定的途径下运行运输任务；挪动机器人平台限制台调度计算机是挪动机器人的上位机管理系统，是全部处在本系统内的挪动机器人的调度管理中心。通讯系统由挪动机器人限制台和各机器人之间组成无线局域网此通讯系统频率承受开放的2.4GHz频道，覆盖范围500米内并进展信息交换。限制台通过多个无线接入点组合通信，从而覆盖整个智能挪动机器人的工作区域，使得机器人在远间隔 跨越区域时实现信息连接。图2-1 挪动机器人工作图2.2 挪动机器人平台机身构造及运动学分析2.2.1 挪动机器人平台机身硬件构造性能指标1车身额定载重量：即挪动机器人所能承载货物的最大重量。通常这种挪动机器人的载重量范围在50kg到20000kg，多以中小型吨位。本设计的挪动机器人的载重量在60KG左右，最大载重量70KG，并可以调整车身部件增加载重量。2车体尺寸 ：车体尺寸是指车体的长、宽、高外形尺寸。本设计工程车体数据为650mm*330mm*250mm。3导航精度 ：指挪动机器人行走时的精度，本工程精度为±10 mm。4停位精度 ：指挪动机器人到达目的工位处并打算自动移载物料时时所处的实际位置及程序设定的位置之间的偏向值mm。停位精度确定移载方式的主要根据，不同的装卸方式要求不同的停位精度。本设计作品停位精度为±20 mm。5最小转弯半径：是指挪动机器人在空载低速行驶、偏转程度最大时，瞬时转向中心到挪动机器人纵向中心线的间隔 。它是确定车辆弯道途径运行所需空间的重要参数。6运行速度：指挪动机器人在额定载重量下行驶时所能到达的最大速度。它是确定车辆作业周期和搬运效率的重要参数。本设计工程运行速度0-200m/min。7限制方式：按钮开关、计算机遥控、工位调度限制器。8平安装置：故障报警、急停按钮、远程非接触防碰防碰装置。9驱动方式：直流伺服驱动。10通讯方式：挪动机器人限制台及机器人间承受无线局域网通讯。 11信息显示终端：该平台上带有显示信息液晶触摸屏幕。图2-2 开关及急停按钮2.2.2 挪动机器人机身设计智能挪动机器人承受四轮布置构造，前轮由数字舵机限制的一组差数转向组件来实现挪动机器人转向，后轮由两组无刷直流电机独立驱动。传动系统如图2-3所示。图2-3 传动构造示意图挪动机器人的车架构造承受2525铝合金材料制作而成，既符合了智能挪动机器人的载重设计要求同时也在外观上符合了审美。车架三视图设计如图2-4所示，挪动机器人机身实物如图2-5所示。图2-4 机体三视图及3D图图2-5 挪动机器人机身实物本设计的挪动机器人转向构造承受数字舵机限制转向组件，到达挪动机器人的转向功能，具体转向部件设计微小环节如下列图所示。图2-6 舵机限制构造图2-7 转向轴构造图 图2-8 转向组件实物图挪动机器人机身构造考虑了作为挪动机器人的拓展性，因此在外形以及构造形态设计上充分考虑了后期的改造便利性，并且始终兼顾了它的好用性能，最终挪动机器人的机身设计实物图如图2-9所示。图2-9 机身设计实物图2.2.3 挪动机器人驱动电机选型挪动机器人的主要功能是作为物料运输用处，因此要特别考虑小车的负载驱动实力电机功率参数，同时要须要考虑在小车运行过程中的停车精度问题，因此选择一款既具备上下速运行状况下力矩良好同时精度有高的驱动电机极为重要。·m，满意了智能挪动机器人设计的要求电机性能参数如下表2-1所示。表2-1 电机性能参数型号Z5BLD250-24A-30S额定电压24V额定功率250W额定电流±10%额定转速3000RPN±10%额定力矩空载电流空载转速3600RPN±10%电机寿命5000h电气强度660V/S绝缘等级B防护等级IP20运用环境温度-35-150 第三章 智能挪动机器人硬件设计智能挪动机器人是承受磁导航技术，其系统技术构成如图3-1所示。其中主要包括：供电单元、主控单元、驱动单元、平安感应系统、导向系统、站点识别单元、通讯单元、车体。其中供电单元、主控单元、驱动单元、导向系统是本章节表达核心。图3-1 智能挪动机器人系统技术构成图3.1 智能挪动机器人供电系统3.1.1 智能挪动机器人电池选配智能挪动机器人电池一般承受镍镉蓄电池、镍氢蓄电池、锂电池、铅酸蓄电池。本工程选择的是一款36V15AH的高能锂电池，体积小，能量大，特别相宜作为智能挪动机器人的动力电源。如图3-2所示是机器人电池实物图。由于锂电池具备了能量密度高电压高，工作稳定的特点，通常运用在航模等大电流放电设备上。图3-2 电池实物图3.1.2 供电电路设计为了增加智能挪动机器人供电牢靠性，保证电路设计的平安性，本工程中的电路承受电源一键启动，增设急停按钮，电压显示器，电源指示灯。以下是电路设计图。1电源充电及电源部分电气图，图3-3所示。图3-3 电源充电及部分电气图2电机驱动器供电接线图，图3-4.图3-4 电机驱动器供电接线图3.2 主限制器选型及设计3.2.1 STM32F4简介STM32F4是基于ARM Cortex-M4为内核的高性能微限制器，其承受了90nm的NVM工艺和ART技术自适应实时存储器加速器，Adaptive Real-Time Memory Accelerator。ART技术可实现程序零等待执行，提升程序执行效率，将M4架构的性能发挥到了极致，使得CPU最大可以运行于168MHZ。STM32F4系列的微限制集成了单周器DSP指令和FPU浮点单元，提升计算实力，实现了一些困难的计算和限制。STM32F4主要优势是内核更加先进具有更多的资源，增加了外设功能以及功耗低。如图3-5所示。图3-5 STM32F4实物3.2.2 STM32F407ZGT6硬件资源介绍STM32F407ZGT6芯片集成FPU和DSP指令，并具有192KB的SRAM、1024KB FLASH、12个16 位定时器、2个32位定时器、 2个DMA限制器共16个通道、2个全双工I2S、2个12位DAC、6个串口、2个USB支持 HOST /SLAVE、2个CAN、3个IIC、3个SPI、3个12位ADC、1个RTC带日历功能、1个SDIO 接口、1个FSMC 接口、1个 10/100M 以太网 MAC 限制器、1个摄像头接口、1个硬件随机数生成器、以及112个通用IO口等。3.3 开发板最小系统STM32最小系统主要包括：电源电路、外部晶振电路、外部时钟电路、复位电路、下载电路，如图3-6为开发板最小系统部分电路原理图图3-6 STM32F4部分最小系统原理图3.4 电机驱动器限制和接线智能挪动机器人选用的是一款BLCD型号的高性能，多功能，低本钱的带霍尔传感器的直流无刷电机驱动器。驱动器选用全数字式设计可实现多种输入限制方式，拥有极高的调速比，噪声低，软硬件疼惜功能完善，可以通过串口通信实现及上位机连接并进展电机的PID参数调整，疼惜参数调整，电机参数调整，加减速时间等参数设置，同时可以进展IO输入状态，模拟量输入，告警状态及母线电压监视。驱动器各端子的位置如图3-7所示。图3-7 驱动器各端子位置对于智能挪动机器人对电机的限制要求，承受了闭环限制，及开环限制相比，承受闭环速度限制系统的机械特性有很大优越性。闭环限制系统的机械特性及开环相比，其整体性能大大进步；志向空载转速一样时，闭环系统的静差率S额定负载时电机转速着陆及志向空载转速之比要小许多；当要求的静差率S一样时，那么比照开环系统，那么闭环调速系统的调速范围可以大大进步。无刷直流电机的闭环速度限制方案如下列图所示。 图3-8 闭环速度限制方案机器人驱动器闭环调整方案承受比例积分微分限制简称PID限制，其输出结果为输入结果的比例、积分和微分的函数。PID调整器的限制构造比较简洁，参数简洁调整，可以不必求出被控对象的数学模型，因此PID调整器受到了广泛的应用。变速积分PID算法通过变更积分项的累加速度，使积分及偏向大小相适应。偏向大时，积分作用减弱，偏向较小时，积分作用增加，如此，取非线性函数:那么3-1式算法可以做出如下改进：非线性函数的值在01区间变更，当偏向大于AB时，证明此时已进入饱和区，这时，积分项停顿累加；当时，值随偏向减小而增大，累积速度加快，直至偏向小于后，累积速度到达最大值1。实际中的值可以做一次性整定，当的值选得越小，变速积分对积分饱和抑制作用就会越强，反之越弱。4非线性变速积分的PID算法变速积分算法承受比例作用消退了大偏向，用积分作用消退了小偏向，大部分状况下可实现根本消退积分饱和现象，同时大大减小了系统的超调量，简洁使系统快速稳定，提升了调整品质，但对于在大范围内突变时产生的积分饱和现象仍不行以很好地消退，这时可承受非线性变速积分的PID算法。非线性变速积分的PID算法是将PID调整器输出限定在有效的范围内，限制超出执行机构动作范围而产生饱和现象。程序的流程图如图3-9所示。图3-9 非线性变速积分PID程序流程图在无刷直流电机驱动器中承受非线性变速积的PID算法，既消退了一般PID调整器算法中的饱和现象，也使得电机调速稳定，同时具备快速跟随性，同时也使电机具有恒转矩调速特性。3.4.2 无刷直流电机转速检测智能挪动机器人运用的无刷电机承受了霍尔传感器，使得电机的实际转速可通过测量转子位置信号得到，在电机转动过程中，通过霍尔传感器发出的信号可以得到如图3-10所示的周期信号。图3-10 霍尔传感器信号由图3-9可知，电机旋转一周便可得到两个周期方波，每一相霍尔传感器产生2个周期的方波，那么周期及电机转速成正比，如此便可利用霍尔传感器发出的信号得到电机的实际转速。为尽可能缩短每次速度的采样时间，同时为了测得每项霍尔传感器的正脉冲的宽度，那么可计算电机的实际转速。3.4.3 驱动器的接线驱动器典型接线连接图，图3-11所示。图3-12、连接时驱动器U、V、W端口分别对应电机黄绿蓝相线，HA、HB、HC霍尔信号端口分别对应电机黄绿蓝霍尔信号线。图3-11 驱动器典型接线连接图图3-12 电机接线实物图3.5 磁导引传感器限制及设计3.5.1 传感器限制原理导向单元的作用是让智能挪动机器人平台车根据规定途径行驶，本工程承受的是磁导航传感器，安装在智能挪动机器人平台体前方的底部，磁导航传感器利用其内置的8个采样点，可以检测出磁条上方确定程度的微弱磁场，每一个采样点都有一路信号对应输出，当采样点采集到磁场信号时，该路信号就会输出低电平，而没有采集到磁场信号的信号输出那么为高电平。挪动机器人运行时，磁导航传感器内部垂直于磁条上方的连续 1-3 个采样点会输出信号，依靠输出的这几路信号，可以推断磁条相对于磁导航传感器的偏离位置，当挪动机器人的行驶及导引轨迹一样时，由于此时磁导航传感器正好处于磁条轨迹的上方，传感器正中间的检测元件测得的磁感应强度最大，因此中间的霍尔开关传感器输出低电平信号，限制器 I/O口采集到这几路信号，比较觉察当前挪动平台处于途径中间，限制器将不对该输出信号进展处理，智能挪动机器人平台保持原行驶轨迹，当挪动机器人偏离磁条轨迹时，由于检测到最大磁感应强度的霍尔开关传感器不再处于磁导航传感器的中间，传感器将该低电平信号输出至限制器，限制器 I/O 口采集到这几路低电平信号，比较觉察当前挪动机器人位置及途径位置有所偏向，据此平台限制系统自动做出调整，限制电机驱动器，使电机差速纠偏，确保智能挪动机器人平台沿磁条前进。磁导航原理图如下列图3-13所示。图 3-13 磁导航原理图3.5.2 导航工作限制挪动机器人的地面磁导航系统是挪动机器人在运行过程中所能到达的途径，主要由以下几部分构成：运行途径导航线、地标导航线和弯道导航线。承受磁导航的方法，运行途径导航线由宽30mm、厚度为1mm的磁性橡胶磁带铺设而成，根据途径的具体要求可以进展适当的裁剪。地标导航线由长150mm、宽50mm、厚度为1mm的磁性橡胶铺设而成，在地图上地标是各个站点的标记。弯道导航线由途径导航线和地标导航线构成，如下列图3-14所示：图 3-14 导航线及地标磁条导航方式的智能挪动机器人，沿着地面铺设的磁条行驶。LS-06型磁导航传感器，安装在机器人车体前方的底部，间隔 磁条外表20-40mm，磁条宽度为30-50mm，厚度1mm.LS-06型磁导航传感器利用其内部间隔10mm平均排布的8个采样点，可以检测出磁条上方100gauss以下的微弱磁场，每一个采样点都有一路信号对应输出。智能挪动机器人运行时，磁导航传感器内部垂直于磁条上方的连续2-3个采样点会输出信号。依靠6路通道中输出的2-3路信号，可以推断磁条相对于LS-06型磁导航传感器的偏离位置，智能挪动机器人会自动作出调整 PID，确保沿磁条前行。下表为磁导航传感器的技术参数。表 3-1 磁导航传感器技术参数名称内容检测间隔 30±20mm检测极性N极和S极红灯N极绿灯S极检测点数量620mm等距输出极限耐压：DC60V单路输出电流：50mA总输出电流：300mA相应时间10mS保存温度范围-40+803.5.3 传感器接线 下列图为传感器输出端口定义如图3-15、16所示图 3-15 输出端口定义图 3-16 输出