基于STM32大棚果园智能割草机器人运动控制系统的设计与制作.pdf

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1、目目录录一一、设设计计思思路路.1 11.1 设计思路.11.2 使用的技术与方案.11.3 工具设备要求.2二二、设设计计过过程程与与说说明明.4 42.1 设计调研.42.2 设计方案.42.3 设计要求.42.4 控制系统设计.52.5 传感系统设计.72.6 机械系统设计.82.7 设计过程中碰到的问题与解决措施.9三三、设设计计成成果果简简介介.1 10 03.1 性能特点.103.2 创新之处.103.3 对毕业设计进行归纳和总结.10五五、参参考考文文献献.1 12 21一、一、设计设计思路思路1.11.1 设计思路设计思路本设计基于 STM32 大棚果园智能割草机器人运动控制系

2、统设计；运动控制系统主要利用陀螺仪闭环控制伺服轮毂电机，实时调节割草机器人的运动姿态，实现割草机器人精确地前进、后退、左转、右转和原地旋转。该运动控制系统的最基本组成部分应包括：控制系统电路、人机交互控制电路、传感器控制电路和驱动控制电路等部分组成，使用遥控器控制割草机器人能实现停止、左转、右转、前进、后退和原地旋转等功能。1.21.2 使用的技术与方案使用的技术与方案实施步骤：（1）根据任务书查阅相关资料，了解基于 STM32 大棚果园智能割草机器人运动控制系统设计与制作实现与设计方法、学习巩固相关专业知识、拟出自己的方案。（2）制定方案设计，阅读嵌入式微处理器开发、传感器功能与运用和伺服电

3、机的控制等技术文档；（3）使用 Altium Designer 设计 PCB 出机器主控电路；（4）使用 Keil uVision 软件进行设计与调试；（5）使用 SolidWorks 设计出机器外壳和骨架；结合软件对硬件进行调试、修改，并最终使软硬件同时满足设计要求；（6）整理所有设计材料，撰写毕业说明书，完成本次设计。21.31.3 工具设备要求工具设备要求图 1.1Keil uVision图 1.2Altium Designer3图 1.3SolidWorks图 1.4 焊台4二、二、设计过程与说明设计过程与说明2.12.1 设计调研设计调研随着机器人制动器从液压型向全电气化的转变，电子

4、零件供应商现在已经能够提供全部的电机控制参考零件，例如电动机、MOSFET 晶体管、驱动器、处理器、控制算法以及电源连接器。机器人运动系统通常是采用电子器件实现控制、液压系统实现动力或者说是机器人的肌肉。现在电动机技术取得了先进的发展（如无刷电机和步进电机），电动机控制零件（从 MOSFET/IGBT到门驱动器）、传感器技术、控制处理器和算法，全部都可以采用电气化方式来实现。比如我们可以采用电动机实现制动，取代传统的液压活塞方式。大多数人都支持这种趋势，根据 ABI 研究协会的调查，消费机器人市场到 2015 年会实现 3300万的出货量，总体市场份额会达到 35 亿美元。2025 年前，出货

5、量和市场份额都会显著增长，ABI 研究协会预测出货量会达到 165 百万套，总的市场份额也会在翻四倍多，达到 170 亿美元。更进一步讲，作为大型机器人系统供应商的 Keller HCW GmbH 指出工程师更愿意在一些敏感的应用中使用电动机，不仅满足更宽泛的要求而且更容易维护和调试。2.22.2 设计方案设计方案本设计基于 STM32 大棚果园智能割草机器人运动控制系统设计。使用 STM32 读取陀螺仪数据闭环控制伺服轮毂电机，实时调节割草机器人的运动姿态，并且使用遥控器控制割草机器人能实现停止、左转、右转、前进、后退和原地旋转等功能。图 2.1 智能割草机器人系统控制框图2.32.3 设计

6、要求设计要求设计大棚果园智能割草机器人运动控制系统：1.利用遥控器实现割草机器人前进、后退、左转、右转和原地旋转。2.通过陀螺仪闭环实时调节割草机器人的运动姿态，实现割草机器人精准前进、后退、左转、右转和原地旋转等功能。52.42.4 控制系统设计控制系统设计2.4.12.4.1 控制系统控制系统本设计主控芯片采用了 STM32F4（如图 2.2 所示），STM32F4 是由 ST（意法半导体）开发的一种高性能微控制器系列。集成了新的 DSP 和 FPU 指令，168MHz 的高速性能使得数字信号控制器应用和快速的产品开发达到了新的水平。提升控制算法的执行速度和代码效率。支持程序执行和数据传输

7、并行处理，数据传输速率非常快。芯片采用了 ST 的 ART 加速器，程序从 FLASH 运行相当于 0 等待更多的存储器。图 2.2 控制系统原理图62.4.22.4.2 系统流程图系统流程图图 2.3 主程序与中断流程图2.4.32.4.3 人机交互系统人机交互系统本设计采用 2.4G 无线遥控器控制机器人作出前进、后退、左转、右转和原地旋转等功能（如图2.3 所示）。2.4G 无线模块工作在全球免申请 ISM 频道 2400M-2483M 范围内，实现开机自动扫频功能，共有 50 个工作信道，可以同时供 50 个用户在同一场合同时工作，无需使用者人工协调、配置信道。同时，可以根据成本考虑，

8、选择 50 米内、150 米、600 米多种类型无线模块。接收单元和遥控器单元具有 1 键自动对码功能，数字地址编码，容量大，避免地址重复。7图 2.4 人机交互电路原理图2.52.5 传感系统设计传感系统设计本设计通过陀螺仪闭环实时调节割草机器人的运动姿态，实现割草机器人准确前进、后退、左转、右转和原地旋转等功能。（如图 2.5 所示）。陀螺仪是一种运动姿态传感器，它固定安装在机器人上面，可以测量机器人运动过程中旋转的角速度。把测量到的角速度在计算机算法上进行积分，得到的是机器人运动旋转过程中转过的角度，这个角度很重要，通过角度，我们可以对机器人的转动进行控制。这样就比起传统的循线转弯快了很

9、多，在机器人的直线行走过程，也可以通过陀螺来检测机器人是否走偏，从而来对它进行纠偏控制。运用得好，可以大大提高机器人的运动速度。图 2.5 传感器控制电路原理图82.62.6 机械系统设计机械系统设计2.6.12.6.1 机器人驱动机器人驱动伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下

10、降。机器人的驱动采用伺服电机，通过两驱有齿无刷电机与前后万向轮结合一个对称式两驱六轮结构，轮毂电机与驱动器相连，通过主控制器发送的信息来驱动轮毂电机，实现前进，后退，原地旋转等功能（如图 2.6 所示）。图 2.6 驱动控制原理图2.6.22.6.2 机械结构机械结构底盘结构采用两驱差速电动引擎独立悬架结构，前置与后置从动万向轮采用悬架结构，极大提高机器人行驶的稳定性和灵活性。每个部分具有若干的自由度，机器人底盘结构采用独立悬挂与非独立悬挂减震结构，增强机器人的抗震性，和行驶的稳定性。本设计底盘结构采用铝型材搭建，引擎控制采用对称式两驱六轮结构。底盘结构采用两驱差速电动引擎独立悬架结构，前置与

11、后置从动万向轮采用悬架结构极大提高机器人行驶的稳定性和灵活性，与此同时，使机器人的高度控制在低矮的程度，让机器人能在狭小的空间内也能正常工作（如图 3.7 所示），。9图 2.7 非独立悬挂和独立悬挂结构示意图2.72.7设计过程中碰到的问题与解决措施设计过程中碰到的问题与解决措施2.7.12.7.1 遇到的问题遇到的问题问题一：崎岖不平的路，割草机器人爬坡困难。问题二：走直线的时候，机器人是没有旋转的，这时理论上陀螺输出的角速度应该是 0，然而实际中却不为 0，这是为什么呢？问题三：割草机器人直线行驶时会突发强制转弯。2.7.22.7.2 解决措施解决措施问题一：改用四轮驱动割草机器人。问题

12、二：陀螺的温漂，有静态误差，这是不可避免的，但它很小，可以忽略。问题三：姿态调节距离值溢出。10三、三、设计成果简介设计成果简介3.13.1 性能特点性能特点表 3.1 割草机器人性能参数表格名称名称参数参数名称名称参数参数续航时间（h）68遥控频率2.4GHz最大行驶速度（km/h）4刹车距离（cm）5割草转速（r/min）4500遥控距离（m）5001500爬坡坡度（）20充电时间（min）1203.23.2 创新之处创新之处（1）采用 2.4G 无线遥控器与伺服电机控制机器人做出前进、后退、左转、右转和原地旋转等功能。（2）采用陀螺仪读取割草机器人的运动姿态。（3）割草机器人底盘采用了非

13、独立悬架和非独立悬挂。3.33.3 对毕业设计进行归纳和总结对毕业设计进行归纳和总结归纳：为期近几个月的毕业设计结束了，在这当中我收获了很多、学到了很多，在制作之前我通过上网查询了一下相关资料，对遥控器、陀螺仪和伺服电机进行了一定的了解；比如，使用陀螺仪完美控制机器人控制割草机器人走直线，机器人由于外部因素没有走直，而它转过的角度被陀螺测到了。所以我们就可以根据它走歪的角度，反馈到左右两轮的速度上面去，通过纠偏控制使机器人回到原来设定的直线轨迹上去。要控制割草机器人拐弯，可以给机器人的左右两轮设定不同的速度，这样机器人便开始拐弯，然后我们反复不断地读取陀螺测得的机器人目前拐过角度，直到达该角度

14、到设定的角度时再停止拐弯，做下一动作，比如可以刹车，也可以给两轮设定以相同的速度走直线等等。总结：对本次设计中我对运动控制系统有了更深入地了解，对编写程序更喜爱、更熟练。经过这次设计我也发现了自己一些问题，不够细心、碰到困难容易浮躁等，在这之后的工作中我要努力纠正自己的不足之处，让自己更上一层楼。12五、五、参考文献参考文献1 张东涛，周莹莹，吴东林.基于物联网的智能割草机器人运动控制系统研究J.农机化研究，2020,42(10):37-41.2 宋培义，刘立新单片机原理接口技术与应用M.北京：中国广播电视台出版社，2016.3 张福学.传感器应用及其电路精选（下册）M.北京：机械工业出版社，

15、122-134.4 姜宝华，齐强.基于单片机的无线遥控智能小车的设计与制作J.电子世界，2015(3):24-25.5 郭子健.基于单片机的无线遥控智能小车的设计与制作J.科技风，2014(13):68-68.6 高珊曾维鹏，蔡莉莎.基于无线通信的智能泊车系统的设计与制作J.电子世界，2017(21):127-129.7 朱 海 洋.基 于 智 能 小 车 的 多 用 途 数 据 采 集 系 统 设 计 J.集 宁 师 范 学 院 学 报，2016,38(5):17-22.8 林宏斐.智能小车创意设计J.2013(z1):158-159.9 张福学.传感器应用及其电路精选（下册）M.北京：机械工业出版社，122-134.10苏小红等.C 语言大学实用教程（第 2 版），北京：电子工业出版社，2015.