自動(dòng)控制元件課程設(shè)計(jì)--網(wǎng)球訓(xùn)練服務(wù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)

1、<p>　　課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文）</p><p>　　課程名稱：自動(dòng)控制元件及線路</p><p>　　設(shè)計(jì)題目： 網(wǎng)球訓(xùn)練服務(wù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　院系： </b></p><p><b>　　班級(jí)： </b></p><

2、p><b>　　設(shè) 計(jì) 者： </b></p><p>　　學(xué)號(hào)： </p><p><b>　　指導(dǎo)教師： </b></p><p><b>　　設(shè)計(jì)時(shí)間： </b></p><p><b>　　摘要</b></p>&

3、lt;p>　　隨著人們生活水平的提高，我們對(duì)于生活品質(zhì)的要求更高，對(duì)自己的健康則是更加關(guān)注，運(yùn)動(dòng)則一直是人們保持健康的最佳手段。網(wǎng)球作為一項(xiàng)高運(yùn)動(dòng)量的競(jìng)技體育項(xiàng)目，如今也是備受關(guān)注，越來(lái)越多的人開(kāi)始接受這項(xiàng)體育運(yùn)動(dòng)，而一個(gè)新手甚至是老將在訓(xùn)練的時(shí)候總是會(huì)準(zhǔn)備一筐網(wǎng)球以便運(yùn)動(dòng)者能夠更連貫的進(jìn)行網(wǎng)球的訓(xùn)練，避免了練球時(shí)間跟撿球時(shí)間差不多長(zhǎng)的尷尬局面，這也提高了運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練效率。如今，智能化、自動(dòng)化的概念更加貼近我們的生活，為了更方便人

4、們?cè)诰W(wǎng)球場(chǎng)的訓(xùn)練或娛樂(lè)，我們構(gòu)思出一種新型網(wǎng)球場(chǎng)訓(xùn)練服務(wù)機(jī)器人，將撿球、發(fā)球融于一身，再也不用我們麻煩的去撿球了，完全由機(jī)器人來(lái)代勞就可以了。這樣，大汗淋漓的訓(xùn)練完以后，在我們愜意的休息時(shí)，機(jī)器人則不辭辛勞的為我們?nèi)烨虿⑴帕泻?。這樣一來(lái)，休息的時(shí)間多了，我們就能更好的投入到接下來(lái)的訓(xùn)練當(dāng)中，這無(wú)疑又提高了我們的訓(xùn)練效率。如此高品質(zhì)的生活，誰(shuí)人不傾心呢？</p><p>　　智能網(wǎng)球場(chǎng)服務(wù)機(jī)器人采用高精度元件，能

5、相對(duì)準(zhǔn)確地尋找到網(wǎng)球場(chǎng)內(nèi)地上散落的網(wǎng)球的位置，并能迅速地前往并進(jìn)行收集，而且對(duì)于收集到的物品進(jìn)行判斷是否為網(wǎng)球，如果不是網(wǎng)球，則另行收集以待隨后處理。此機(jī)器人還能智能分析球場(chǎng)方位，智能地選取方向進(jìn)行發(fā)球。</p><p>　　關(guān)鍵詞：網(wǎng)球 智能 機(jī)器人 全自動(dòng) 撿球 發(fā)球 </p><p><b>　　目錄</b></p><p><b

6、>　　1.功能設(shè)計(jì)4</b></p><p>　　2.系統(tǒng)的性能指標(biāo)和技術(shù)要求4</p><p><b>　　3.背景及意義5</b></p><p>　　4.系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)方案5</p><p>　　5.主要元件選取與設(shè)計(jì)6</p><p>　　5.1機(jī)器人行進(jìn)

7、電機(jī)選擇6</p><p>　　5.1.1直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)7</p><p>　　5.1.2直流伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)原理7</p><p>　　5.1.3直流伺服電機(jī)的分類8</p><p>　　5.1.4直流進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度控制8</p><p>　　5.1.5網(wǎng)球場(chǎng)機(jī)器人行進(jìn)直流伺服電機(jī)的選擇14</p

8、><p>　　5.2機(jī)器人機(jī)械臂及內(nèi)部推進(jìn)桿電機(jī)選擇15</p><p>　　5.2.1步進(jìn)電機(jī)基本原理15</p><p>　　5.2.2 主要特點(diǎn)16</p><p>　　5.2.3主要特性16</p><p>　　5.2.4 步進(jìn)電機(jī)的選擇17</p><p>　　5.3系統(tǒng)構(gòu)成1

9、9</p><p>　　5.4 選用編碼器21</p><p>　　5.4.1旋轉(zhuǎn)變壓器21</p><p>　　5.4.2旋轉(zhuǎn)變壓器的選取26</p><p>　　5.5測(cè)距定位傳感器26</p><p>　　5.5.1常用傳感器及特點(diǎn)26</p><p>　　5.5.2測(cè)距傳感器選

10、擇28</p><p>　　5.5.3超聲波傳感器測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)28</p><p>　　5.5.4紅外傳感器32</p><p>　　5.5.5測(cè)距傳感器組合特點(diǎn)33</p><p>　　5.6壓力傳感器33</p><p>　　5.6.1應(yīng)變式壓力傳感器34</p><p>　　5

11、.6.2膜片式35</p><p>　　5.6.3壓力傳感器的選擇35</p><p><b>　　5.7單片機(jī)36</b></p><p>　　5.7.1常用單片機(jī)36</p><p>　　5.7.2單片機(jī)選型37</p><p>　　5.7.3 LPC2148特點(diǎn)及可行性37<

12、;/p><p>　　6.系統(tǒng)的流程分析38</p><p>　　7.系統(tǒng)的硬件選型清單38</p><p><b>　　8.結(jié)論39</b></p><p>　　9.系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)分析39</p><p><b>　　9.1優(yōu)點(diǎn)39</b></p><p

13、><b>　　9.2缺點(diǎn)40</b></p><p>　　10.設(shè)計(jì)過(guò)程中的心得體會(huì)40</p><p>　　11.分工情況41</p><p><b>　　1.功能設(shè)計(jì)</b></p><p>　　1.自行定位各網(wǎng)球所在點(diǎn)</p><p>　　2.快速自主行動(dòng)至

14、各網(wǎng)球所在點(diǎn)</p><p>　　3.行進(jìn)過(guò)程中躲避場(chǎng)地障礙物，包括球場(chǎng)設(shè)施、人等</p><p>　　4.自行將網(wǎng)球撿起，并收集</p><p>　　5.通過(guò)質(zhì)量和尺寸篩選網(wǎng)球</p><p>　　6.在發(fā)球點(diǎn)發(fā)射網(wǎng)球至對(duì)方場(chǎng)地，以供練球</p><p>　　2.系統(tǒng)的性能指標(biāo)和技術(shù)要求</p><

15、;p>　　1.網(wǎng)球定位精度：網(wǎng)球位置±10cm（網(wǎng)球直徑介于6.35-6.67厘米）</p><p>　　2.機(jī)器人移動(dòng)至頂點(diǎn)位置精度±10cm</p><p>　　3.機(jī)器人移動(dòng)速度≤ 2 m/s</p><p>　　4.緊急剎車時(shí)間≤0.3s</p><p>　　5.撿球時(shí)間≤10s</p><

16、;p>　　6.篩選時(shí)間≤20s</p><p>　　7.篩選網(wǎng)球質(zhì)量測(cè)量±10g</p><p>　　8.發(fā)球頻率為15次/分鐘，球射出時(shí)的最大線速度為10米/秒</p><p>　　9.要求發(fā)射角度在20°～40°之間可調(diào)，擊球力量可調(diào)</p><p><b>　　網(wǎng)球場(chǎng)尺寸參數(shù)</b&g

17、t;</p><p><b>　　3.背景及意義</b></p><p>　　隨著人們生活水平的提高，我們對(duì)于生活品質(zhì)的要求更高，對(duì)自己的健康則是更加關(guān)注，運(yùn)動(dòng)則一直是人們保持健康的最佳手段。網(wǎng)球作為一項(xiàng)高運(yùn)動(dòng)量的競(jìng)技體育項(xiàng)目，如今也是備受關(guān)注，越來(lái)越多的人開(kāi)始接受這項(xiàng)體育運(yùn)動(dòng)，而一個(gè)新手甚至是老將在訓(xùn)練的時(shí)候總是會(huì)準(zhǔn)備一筐網(wǎng)球以便運(yùn)動(dòng)者能夠更連貫的進(jìn)行網(wǎng)球的訓(xùn)練，避

18、免了練球時(shí)間跟撿球時(shí)間差不多長(zhǎng)的尷尬局面，這也提高了運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練效率。</p><p>　　如今，智能化、自動(dòng)化的概念更加貼近我們的生活，為了更方便人們?cè)诰W(wǎng)球場(chǎng)的訓(xùn)練或娛樂(lè)，我們構(gòu)思出一種新型網(wǎng)球場(chǎng)訓(xùn)練服務(wù)機(jī)器人，將撿球、發(fā)球融于一身，再也不用我們麻煩的去撿球了，完全由機(jī)器人來(lái)代勞就可以了。</p><p>　　4.系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)方案</p><p>　　本系

19、統(tǒng)主要由測(cè)量元件、執(zhí)行元件、功率放大元件、主控電路、調(diào)節(jié)裝置構(gòu)成。整體系統(tǒng)由三個(gè)功能環(huán)節(jié)組成，分別為尋找并到達(dá)網(wǎng)球位置過(guò)程、收集網(wǎng)球過(guò)程以及發(fā)球過(guò)程。每個(gè)過(guò)程均有其獨(dú)立的閉環(huán)控制回路，其流程如下：</p><p>　　機(jī)器人尋找目標(biāo)球并實(shí)現(xiàn)途中避障到達(dá)目標(biāo)球位置。</p><p>　　固定于機(jī)器人上同一水平線上的兩組距離傳感器探測(cè)目標(biāo)球距離，由于兩組探測(cè)器間距離已定，則單片機(jī)可算出目標(biāo)球距

20、離以及與機(jī)器人所成角度，進(jìn)而單片機(jī)想電機(jī)發(fā)出指令前進(jìn)至目標(biāo)物。為防止機(jī)器人把球場(chǎng)中的人或網(wǎng)柱誤判為目標(biāo)球，在一定高度上特別放置另一組距離傳感器，以排除高大物體并避障。</p><p>　　Figure 1機(jī)器人尋找并到達(dá)網(wǎng)球所在位置過(guò)程</p><p>　　撿球并初步篩球（形狀大小）。</p><p>　　單片機(jī)控制電機(jī)帶動(dòng)“V”機(jī)械臂把目標(biāo)球推進(jìn)機(jī)器人腔內(nèi)，推進(jìn)路

21、線中有比球稍大的洞，目標(biāo)球在被推進(jìn)過(guò)程中可掉進(jìn)洞內(nèi)進(jìn)行下一步篩選，比目標(biāo)球大的物品則被繼續(xù)推進(jìn)專設(shè)容器中。</p><p>　　Figure 2篩選推進(jìn)桿1</p><p>　　3、通過(guò)稱重進(jìn)一步篩選球。開(kāi)關(guān)觸發(fā)器為防止推桿過(guò)度推進(jìn)及校正推桿累計(jì)推進(jìn)誤差設(shè)計(jì)</p><p><b>　　篩選推進(jìn)桿2</b></p><p&g

22、t;　　4、自主發(fā)球以供訓(xùn)練。發(fā)球過(guò)程由發(fā)球機(jī)直接完成。</p><p><b>　　智能發(fā)球過(guò)程</b></p><p>　　5.主要元件選取與設(shè)計(jì)</p><p>　　5.1機(jī)器人行進(jìn)電機(jī)選擇</p><p>　　對(duì)于機(jī)器人底盤的前進(jìn)輪電機(jī)選擇，要求啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和額定轉(zhuǎn)矩都足夠大，因?yàn)闄C(jī)器人的總質(zhì)量約為40Kg，對(duì)于電動(dòng)

23、機(jī)的承載能力有較高的要求，我們可以選擇步進(jìn)電機(jī)或者直流電機(jī)，鑒于一般直流電機(jī)的承載能力比步進(jìn)電機(jī)強(qiáng)，而且可靠性較好，所以我們選擇了用直流伺服電機(jī)作為機(jī)器人的前進(jìn)馬達(dá)，由于在行進(jìn)過(guò)程中對(duì)于精度的要求并不是十分高，所以可不用考慮累計(jì)誤差帶來(lái)的精度問(wèn)題。下面就簡(jiǎn)單說(shuō)明一下直流電機(jī)的特性和選擇問(wèn)題。</p><p>　　直流伺服電機(jī)，它包括定子、轉(zhuǎn)子鐵芯、電機(jī)轉(zhuǎn)軸、伺服電機(jī)繞組換向器、伺服電機(jī)繞組、測(cè)速電機(jī)繞組、測(cè)速電機(jī)

24、換向器，所述的轉(zhuǎn)子鐵芯由矽鋼沖片疊壓固定在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上構(gòu)成。</p><p>　　5.1.1直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)</p><p>　　Figure 3直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)</p><p>　　5.1.2直流伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)原理</p><p>　　伺服主要靠脈沖來(lái)定位，基本上可以這樣理解，伺服電機(jī)接收到1個(gè)脈沖，就會(huì)旋轉(zhuǎn)1個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的角度，從而實(shí)現(xiàn)位

25、移，因?yàn)?，伺服電機(jī)本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，都會(huì)發(fā)出對(duì)應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣，和伺服電機(jī)接受的脈沖形成了呼應(yīng)，或者叫閉環(huán)，如此一來(lái)，系統(tǒng)就會(huì)知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機(jī)，同時(shí)又收了多少脈沖回來(lái)，這樣，就能夠很精確的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)精確的定位，可以達(dá)到0.001mm。直流伺服電機(jī)特指直流有刷伺服電機(jī)——電機(jī)成本高結(jié)構(gòu)復(fù)雜，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，控制容易，需要維護(hù)，但維護(hù)方便（換碳刷），會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，對(duì)環(huán)境有

26、要求。因此它可以用于對(duì)成本敏感的普通工業(yè)和民用場(chǎng)合。</p><p>　　5.1.3直流伺服電機(jī)的分類</p><p>　　5.1.3.1常用直流電磁分類</p><p>　　常用的直流電機(jī)有：永磁式直流電機(jī)（有槽、無(wú)槽、杯型、印刷繞組）、勵(lì)磁式直流電機(jī)、混合式直流電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)、直流力矩電機(jī)</p><p>　　直流進(jìn)給伺服系統(tǒng)： 永

27、磁式直流電機(jī)類型中的有槽電樞永磁直流電機(jī)（普通型）；</p><p>　　直流主軸伺服系統(tǒng)： 勵(lì)磁式直流電機(jī)類型中的他激直流電機(jī)。</p><p>　　5.1.3.2永磁直流伺服電機(jī)的性能特點(diǎn)</p><p><b>　　1) 低轉(zhuǎn)速大慣量</b></p><p><b>　　2) 轉(zhuǎn)矩大</b>

28、</p><p><b>　　3) 起動(dòng)力矩大</b></p><p>　　4) 調(diào)速泛圍大，低速運(yùn)行平穩(wěn)，力矩波動(dòng)小</p><p>　　5.1.4直流進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度控制</p><p>　　5.1.4.1直流伺服電機(jī)的調(diào)速原理</p><p>　　根據(jù)機(jī)械特性公式可知調(diào)速有二種方法:電樞電壓U

29、a和氣隙磁通Φ</p><p>　?、鸥淖冸姌型饧与妷篣a :由于繞組絕緣耐壓的限制，調(diào)壓只能在額定轉(zhuǎn)速以下進(jìn)行。屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。</p><p>　　⑵改變氣隙磁通量Φ：改激磁電流即可改Φ，在Ua恒定情況下，磁場(chǎng)接近飽和，故只能弱磁調(diào)速，在額定轉(zhuǎn)速以上進(jìn)行。屬于恒功率調(diào)速。</p><p>　　5. 1.4.2直流速度控制單元調(diào)速控方式</p>&l

30、t;p>　　晶閘管（可控硅）調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　晶體管脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　5. 1.4.2.1晶閘管調(diào)速系統(tǒng)</p><p><b>　　系統(tǒng)的組成</b></p><p><b>　　Figure 4</b></p><p>　　

31、控制回路：速度環(huán)、電流環(huán)、觸發(fā)脈沖發(fā)生器等。 </p><p>　　主回路： 可控硅整流放大器等。</p><p>　　速度環(huán)：速度調(diào)節(jié)（PI），作用：好的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性。</p><p>　　電流環(huán)：電流調(diào)節(jié)(P或PI)。作用：加快響應(yīng)、啟動(dòng)、低頻穩(wěn)定等。</p><p>　　觸發(fā)脈沖發(fā)生器：產(chǎn)生移相脈沖，使可控硅觸發(fā)角前移或后移。<

32、;/p><p>　　可控硅整流放大器：整流、放大、驅(qū)動(dòng)，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。</p><p><b>　　主回路工作原理</b></p><p>　　組成：由大功率晶閘管構(gòu)成的三相全控橋式（三相全波）反并接可逆電路，分成二大部分（Ⅰ和Ⅱ），每部分內(nèi)按三相橋式連接，二組反并接，分別實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。</p><p>　　原理: 三相整流

33、器，由二個(gè)半波整流電路組成。每部分內(nèi)又分成共陰極組（1、3、5）和共陽(yáng)極組（2、4、6）。為構(gòu)成回路，這二組中必須各有一個(gè)可控硅同時(shí)導(dǎo)通。1、3、5在正半周導(dǎo)通，2、4、6在負(fù)半周導(dǎo)通。每組內(nèi)（即二相間）觸發(fā)脈沖相位相差120º，每相二個(gè)觸發(fā)脈沖相差180º。按管號(hào)排列，觸發(fā)脈沖的順序1-2-3-4-5-6，相鄰之間相位差60º。為保證合閘后兩個(gè)串聯(lián)可控硅能同時(shí)導(dǎo)通，或已截止的相再次導(dǎo)通，采用雙脈沖控制。既

34、每個(gè)觸發(fā)脈沖在導(dǎo)通60º后，在補(bǔ)發(fā)一個(gè)輔助脈沖；也可以采用寬脈沖控制，寬度大于60º，小于120º。</p><p>　　只要改變可控硅觸發(fā)角（即改變導(dǎo)通角），就能改變可控硅的整流輸出電壓，從而改變直流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速。觸發(fā)脈沖提前來(lái)，增大整流輸出電壓；觸發(fā)脈沖延后來(lái)，減小整流輸出電壓。</p><p><b>　　3、控制回路分析</b>

35、</p><p>　　觸發(fā)脈沖產(chǎn)生的過(guò)程：改變觸發(fā)角，即改變控制角。（可控硅導(dǎo)通時(shí)間），可調(diào)速。沒(méi)反饋是開(kāi)環(huán)，特性軟。</p><p>　　速度調(diào)節(jié)器：比例積分PI，高放大（相當(dāng)C短路）—緩放大—增放大—穩(wěn)定（相當(dāng)C開(kāi)路）無(wú)靜差。</p><p>　　電流調(diào)節(jié)器:同上，加快電流的反應(yīng)。</p><p>　　觸發(fā)脈沖發(fā)生器：正弦波同步鋸齒波觸發(fā)

36、電路，與F直流信號(hào)疊加。</p><p><b>　　速度控制的原理：</b></p><p>　　調(diào)速：當(dāng)給定的指令信號(hào)增大時(shí)，則有較大的偏差信號(hào)加到調(diào)節(jié)器的輸入端，產(chǎn)生前移的觸發(fā)脈沖，可控硅整流器輸出直流電壓提高，電機(jī)轉(zhuǎn)速上升。此時(shí)測(cè)速反饋信號(hào)也增大，與大的速度給定相匹配達(dá)到新的平衡，電機(jī)以較高的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。</p><p>　　干擾：假如系

37、統(tǒng)受到外界干擾，如負(fù)載增加，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，速度反饋電壓降低，則速度調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號(hào)增大，其輸出信號(hào)也增大，經(jīng)電流調(diào)節(jié)器使觸發(fā)脈沖前移，晶閘管整流器輸出電壓升高，使電機(jī)轉(zhuǎn)速恢復(fù)到干擾前的數(shù)值。</p><p>　　電網(wǎng)波動(dòng)：電流調(diào)節(jié)器通過(guò)電流反饋信號(hào)還起快速的維持和調(diào)節(jié)電流 作用，如電網(wǎng)電壓突然短時(shí)下降，整流輸出電壓也隨之降低，在電機(jī)轉(zhuǎn)速由于慣性還未變化之前，首先引起主回路電流的減小，立即使電流調(diào)節(jié)器的輸出增加

38、，觸發(fā)脈沖前移，使整流器輸出電壓恢復(fù)到原來(lái)值，從而抑制了主回路電流的變化。</p><p>　　啟動(dòng)、制動(dòng)、加減速：電流調(diào)節(jié)器還能保證電機(jī)啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)的大轉(zhuǎn)矩、加減速的良好動(dòng)態(tài)性能。</p><p>　　5.1.4.2.2晶體管脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　1）系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)</p><p><b>　　Figu

39、re 5</b></p><p>　?、?主回路：大功率晶體管開(kāi)關(guān)放大器；功率整流器。</p><p>　?、?控制回路：速度調(diào)節(jié)器；電流調(diào)節(jié)器；固定頻率振蕩器及三角波發(fā)生器；脈寬調(diào)制器和基極驅(qū)動(dòng)電路。</p><p>　　區(qū)別：與晶閘管調(diào)速系統(tǒng)比較，速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器原理一樣。不同的是脈寬調(diào)制器和功率放大器。</p><p>

40、;　　直流脈寬調(diào)制：功率放大器中的大功率晶體管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)下，開(kāi)關(guān)頻率保持恒定，用調(diào)整開(kāi)關(guān)周期內(nèi)晶體管導(dǎo)通時(shí)間（即改變基極調(diào)制脈沖寬度）的方法來(lái)改變輸出。從而使電機(jī)獲得脈寬受調(diào)制脈沖控制的電壓脈沖，由于頻率高及電感的作用則為波動(dòng)很小的直流電壓（平均電壓）。脈寬的變化使電機(jī)電樞的直流電壓隨著變化。</p><p>　　直流脈寬調(diào)調(diào)制的基本原理：</p><p>　　脈沖寬度正比代表速度F值

41、的直流電壓</p><p><b>　　脈寬調(diào)制器</b></p><p>　　USr–速度指令轉(zhuǎn)化過(guò)來(lái)的直流電壓</p><p><b>　　U△-三角波</b></p><p>　　USC-脈寬調(diào)制器的輸出（USr+U△）</p><p><b>　　調(diào)制波形圖

42、：</b></p><p><b>　　開(kāi)關(guān)功率放大器</b></p><p>　　主回路：可逆H型雙極式PWM開(kāi)關(guān)功率放大器</p><p>　　電路圖: 由四個(gè)大功率晶體管（GTR）T 1 、T 2 、T 3 、T4及四個(gè)續(xù)流二極管組成的式電路。</p><p>　　H型： 又分為雙極式、單極式和受限單

43、極式三種。</p><p>　　Ub1、 Ub2、Ub3、Ub4 –為調(diào)制器輸出，經(jīng)脈沖分配、基極驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)的脈沖電壓。分別加到T1 、T2、T3 、T4的基極。</p><p><b>　　工作原理：</b></p><p>　　T1和T4同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，其基極驅(qū)動(dòng)電壓Ub1= Ub4。T2和T3同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，基極驅(qū)動(dòng)電壓Ub2=Ub3=

44、-Ub1。以正脈沖較寬為例，既正轉(zhuǎn)時(shí)。</p><p><b>　　負(fù)載較重時(shí)：</b></p><p>　　動(dòng)狀態(tài)：當(dāng)0≤t ≤ t1時(shí)， Ub1、Ub4為正，T1 和T4 導(dǎo)通；Ub2、Ub3 為負(fù)， T2和T3截止。電機(jī)端電壓UAB=US，電樞電流id= id1，由US→T1→T4→地。</p><p>　　續(xù)流維持電動(dòng)狀態(tài)：在t1 ≤t

45、 ≤ T時(shí)，Ub1、Ub4為負(fù)， T1 和T4截止；Ub2、Ub3 變正，但T2和T3并不能立即導(dǎo)通，因?yàn)樵陔姌须姼袃?chǔ)能的作用下，電樞電流id= id2，由D2→D3續(xù)流，在D2、D3 上的壓降使T2、T3的c-e極承受反壓不能導(dǎo)通。 UAB=-US。接著再變到電動(dòng)狀態(tài)、續(xù)流維持電動(dòng)狀態(tài)反復(fù)進(jìn)行，如上面左圖。</p><p><b>　　負(fù)載較輕時(shí)： </b></p><

46、p>　　反接制動(dòng)狀態(tài)，電流反向：② 狀態(tài)中，在負(fù)載較輕時(shí)，則id小，續(xù)流電流很快衰減到零，即t =t2 時(shí)（見(jiàn)上面右圖），id=0。在t2 ～ T 區(qū)段， T2 、T3 在US 和反電動(dòng)勢(shì)E的共同作用下導(dǎo)通，電樞電流反向，id= id3由US→T3→T2→地。電機(jī)處于反接制動(dòng)狀態(tài)。 </p><p>　　電樞電感儲(chǔ)能維持電流反向：在T～t3區(qū)段時(shí)，驅(qū)動(dòng)脈沖極性改變，T2 、T3截止，因電樞電感維持電流，id

47、=id4，由D4→D1。</p><p>　　電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止：由正、負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓脈沖寬窄而定。當(dāng)正脈沖較寬時(shí)，既t1> T/2，平均電壓為正，電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)正脈沖較窄時(shí)，既t1< T/2 ，平均電壓為負(fù)，電機(jī)反轉(zhuǎn)；如果正、負(fù)脈沖寬度相等，t1=T/2 ，平均電壓為零，電機(jī)停轉(zhuǎn)。</p><p>　　電機(jī)速度的改變：電樞上的平均電壓UAB越大，轉(zhuǎn)速越高。它是由驅(qū)動(dòng)電壓脈沖寬度決

48、定的。</p><p>　　雙極性：由以上分析表明：可逆H型雙極式PWM開(kāi)關(guān)功率放大器，無(wú)論負(fù)載是重還是輕、電機(jī)是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，加在電樞上的電壓極性在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，都在US和-US之間變換一次，故稱為雙極性。</p><p>　　5.1.4.2.3 PWM調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)</p><p>　　頻帶寬、頻率高: 晶體管“結(jié)電容”小，開(kāi)關(guān)頻率遠(yuǎn)高于可控（50Hz)，可達(dá)

49、2-10KHz。快速性好。</p><p>　　電流脈動(dòng)小:由于PWM調(diào)制頻率高，電機(jī)負(fù)載成感性對(duì)電流脈動(dòng)由平滑作用，波形系數(shù)接近于1。</p><p>　　電源的功率因數(shù)高: SCR系統(tǒng)由于導(dǎo)通角的影響，使交流電源的波形畸變、高次諧波的干擾，降低了電源功率因數(shù)。PWM系統(tǒng)的直流電源為不受控的整流輸出，功率因數(shù)高。</p><p>　?、軇?dòng)態(tài)硬度好:校正瞬態(tài)負(fù)載擾動(dòng)

50、能力強(qiáng)，頻帶寬，動(dòng)態(tài)硬度高。</p><p>　　綜上考慮，PWM調(diào)速控制系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單，而晶閘管方法控制的較為可靠，由于對(duì)于機(jī)器人的安全特性考慮，在有人突然出現(xiàn)在機(jī)器人前方是要求馬達(dá)可以很快制動(dòng)，所以對(duì)于啟動(dòng)和制動(dòng)特性要求較高，晶閘管法的一大特點(diǎn)就是電流調(diào)節(jié)器能保證電機(jī)啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)的大轉(zhuǎn)矩、加減速的良好動(dòng)態(tài)性能，所以綜合考慮，我們選擇了晶閘管調(diào)速法。</p><p>　　5.1.5網(wǎng)球場(chǎng)機(jī)

51、器人行進(jìn)直流伺服電機(jī)的選擇 </p><p>　　設(shè)計(jì)性能指標(biāo)、環(huán)境參數(shù)以及其他預(yù)估值：</p><p><b>　　電動(dòng)機(jī)的功率公式：</b></p><p>　　由恒速v = 2 m/s算出n = 191.0 r/min ， 這里的M等于滾動(dòng)摩擦力所產(chǎn)生的阻力矩約等于0.88 N·m， 計(jì)算出在以2 m/s的速度行進(jìn)時(shí)， 步進(jìn)

52、電機(jī)的機(jī)械功率約為17.6w</p><p>　　在此以恒定速度時(shí)的功率外加20%的余量來(lái)計(jì)算， 所選電機(jī)的額定功率約為22w</p><p>　　根據(jù)求得的參數(shù)得知， 電機(jī)正常工作的最大機(jī)械功率為22W， 恒定行進(jìn)速度為2 m/s ， 車輪半徑為 0.1 m， 根據(jù)公式:</p><p><b>　　其中:</b></p>&l

53、t;p>　　T － 電機(jī)軸端的輸出轉(zhuǎn)矩</p><p>　　P － 電機(jī)輸出的機(jī)械功率</p><p><b>　　? － 旋轉(zhuǎn)角速度</b></p><p>　　求得所選電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩約為1.76N·m</p><p>　　根據(jù)計(jì)算出的數(shù)據(jù)，我們選取了深圳市嘉昱鑫科技有限公司出產(chǎn)的BH32-750D-2

54、0-10直流無(wú)刷電機(jī)</p><p>　　5.2機(jī)器人機(jī)械臂及內(nèi)部推進(jìn)桿電機(jī)選擇</p><p>　　網(wǎng)球場(chǎng)服務(wù)機(jī)器人的一項(xiàng)基本功能就是撿球，所以在外部要設(shè)計(jì)一套機(jī)械臂鏟組件，用以收集網(wǎng)球，另外在機(jī)器人腔內(nèi)部要進(jìn)行網(wǎng)球的篩選，我們選擇了通過(guò)形狀以及重量測(cè)量方法進(jìn)行篩選，過(guò)程中需要連桿機(jī)構(gòu)給予推進(jìn)，這樣就需要電機(jī)給桿機(jī)構(gòu)以驅(qū)動(dòng)力。而這兩項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)都需要電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，由于功能對(duì)轉(zhuǎn)矩要求不大（因

55、為網(wǎng)球質(zhì)量很?。?，而且不要求有很大轉(zhuǎn)速，所以可選用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行功能的實(shí)現(xiàn)，而且步進(jìn)電機(jī)的一大有點(diǎn)就是精確，由于內(nèi)部的桿機(jī)構(gòu)推進(jìn)距離有較為精確的要求，所以采用步進(jìn)電機(jī)有很大的優(yōu)勢(shì)。</p><p>　　5.2.1步進(jìn)電機(jī)基本原理</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受

56、負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。</p><p>　　5.2.2 主要特點(diǎn)</p><p>　　1、一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-5%，且

57、不累積。2、步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度。步進(jìn)電機(jī)溫度過(guò)高首先會(huì)使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)；一般來(lái)講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏130度以上，有的甚至高達(dá)攝氏200度以上，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏80-90度完全正常。3、步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)；頻率越高，反向電動(dòng)勢(shì)越大。在它的作用下，電機(jī)

58、隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。4、步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但若高于一定速度就無(wú)法啟動(dòng)，并伴有嘯叫聲。步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)技術(shù)參數(shù)：空載啟動(dòng)頻率，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動(dòng)，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動(dòng)頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng)，脈沖頻率應(yīng)該有加速過(guò)程，即啟動(dòng)頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)牡退偕礁咚伲?　　步

59、進(jìn)電動(dòng)機(jī)以其顯著的特點(diǎn)，在數(shù)字化制造時(shí)代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不同的數(shù)字化</p><p><b>　　5.2.3主要特性</b></p><p>　　1、步進(jìn)電機(jī)必須加驅(qū)動(dòng)才可以運(yùn)轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)必須為脈沖信號(hào)，沒(méi)有脈沖的時(shí)候，步進(jìn)電機(jī)靜止，如果加入適當(dāng)?shù)拿}沖信號(hào)，就會(huì)以一定的角度（稱為步角）轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和脈沖的頻率成正比。2、三相步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角度為7.5度，一

60、圈360度，需要48個(gè)脈沖完成。3、步進(jìn)電機(jī)具有瞬間啟動(dòng)和急速停止的優(yōu)越特性。4、改變脈沖的順序，可以方便的改變轉(zhuǎn)動(dòng)的方向。因此，目前打印機(jī)、繪圖儀、機(jī)器人等等設(shè)備都以步進(jìn)電機(jī)為動(dòng)力核心。</p><p>　　5.2.3.1 優(yōu)點(diǎn)</p><p>　　1、電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度正比于脈沖數(shù)；2、電機(jī)停轉(zhuǎn)的時(shí)候具有最大的轉(zhuǎn)矩（當(dāng)繞組激磁時(shí)）；3、由于每步的精度在百分之三到百分之五，而且不會(huì)將一步的誤

61、差積累到下一步因而有較好的位置精度和運(yùn)動(dòng)的重復(fù)性；4、優(yōu)秀的起停和反轉(zhuǎn)響應(yīng)；5、由于沒(méi)有電刷，可靠性較高，因此電機(jī)的壽命僅僅取決于軸承的壽命；6、電機(jī)的響應(yīng)僅由數(shù)字輸入脈沖確定，因而可以采用開(kāi)環(huán)控制，這使得電機(jī)的結(jié)構(gòu)可以比較簡(jiǎn)單而且控制成本；7、僅僅將負(fù)載直接連接到電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上也可以極低速的同步旋轉(zhuǎn)。8、由于速度正比于脈沖頻率，因而有比較寬的轉(zhuǎn)速范圍。 </p><p>　　5.2.3.2 缺點(diǎn)</p>

62、;<p>　　1、如果控制不當(dāng)容易產(chǎn)生共振；2、難以運(yùn)轉(zhuǎn)到較高的轉(zhuǎn)速。3、難以獲得較大的轉(zhuǎn)矩4、在體積重量方面沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，能源利用率低。5、超過(guò)負(fù)載時(shí)會(huì)破壞同步，高速工作時(shí)會(huì)發(fā)出振動(dòng)和噪聲。</p><p>　　5.2.4 步進(jìn)電機(jī)的選擇</p><p>　　5.2.4.1 轉(zhuǎn)矩分析</p><p><b>　　根據(jù)公式:</b>&

63、lt;/p><p><b>　　其中:</b></p><p><b>　　Tst ―起動(dòng)轉(zhuǎn)矩</b></p><p><b>　　J－阻力轉(zhuǎn)動(dòng)慣量</b></p><p>　　F－阻力，其中包含啟動(dòng)時(shí)車輪所要克服的與地面間的靜摩擦力Fk</p><p>　

64、　由于齒輪傳動(dòng)間摩擦力較小，忽略不計(jì)。而齒輪見(jiàn)傳動(dòng)力為主要力，假定為20N（外部機(jī)械臂）/5N（內(nèi)部傳動(dòng)桿），電機(jī)上安裝的齒輪半徑定為1cm，則公式中第二項(xiàng)為0.2Nm/0.05Nm。</p><p>　　齒輪以及電機(jī)本身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量所產(chǎn)生的力矩項(xiàng)數(shù)值較小，所以合在一起進(jìn)行估算大約為0.05Nm-0.1Nm。這樣根據(jù)公式計(jì)算得出步進(jìn)電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩約為0.3Nm（外部機(jī)械臂）/0.1N（內(nèi)部傳動(dòng)桿）。 </p&

65、gt;<p>　　5.2.4.2功率分析</p><p>　　根據(jù)步進(jìn)電機(jī)功率公式:</p><p>　　設(shè)定轉(zhuǎn)速n = 120r/min ，這里的M等于齒輪阻力力所產(chǎn)生的阻力矩約等于0.2Nm（外部機(jī)械臂）/0.05Nm（內(nèi)部傳動(dòng)桿）， 計(jì)算出在以120r/min的轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)， 步進(jìn)電機(jī)的機(jī)械功率約為2.51w</p><p>　　在此以恒定轉(zhuǎn)速運(yùn)行

66、時(shí)的功率外加20%的余量來(lái)計(jì)算， 所選電機(jī)的額定功率為3.14w</p><p>　　根據(jù)以上求得的兩項(xiàng)指標(biāo)， 可以基本確定步進(jìn)電機(jī)的種類型號(hào).但是由于步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩低這一特點(diǎn)， 可以適當(dāng)?shù)慕o步進(jìn)電機(jī)配上減速機(jī)， 從而加大電機(jī)轉(zhuǎn)矩。因此，我們選取了嘉昱鑫三相步進(jìn)電機(jī)JM573S56-09</p><p>　　Figure 6 各Model相關(guān)參數(shù)</p><p>

67、　　Figure 7 實(shí)物圖</p><p>　　Figure 8 外形尺寸</p><p><b>　　5.3系統(tǒng)構(gòu)成</b></p><p>　　撿球機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用的是有刷直流電機(jī)， 附有光電編碼器和減速箱，測(cè)速系統(tǒng)采用FPGA作為邏輯芯片，系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和測(cè)速組成如圖所示。</p><p>　　Fig

68、ure 9測(cè)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖</p><p>　　其中， FPGA 芯片選用Altera公司的CycloneⅡ系列EP2C5Q 208C8N，核電壓Vccint接1.2V，I/0電源Vccio接3.3V電源，4個(gè)BANK連接相同的兩組輸入電壓。電源管理模塊采用低壓穩(wěn)壓器AMS1117和AMS1117-ADJ，輸入5V工作電壓，前者可輸出3.3V電壓，后者利用ADJ端輸出1.2V電壓，供FPGA使用。FPGA 的配

69、置芯片選用串行配置器件EPCS1，提供1MB 的FLASH 存儲(chǔ)容量，用來(lái)存儲(chǔ)硬件配置信息和控制程序。EPCS1的工作電壓是3.3V，將DATA、DCLK、nCS、ASDI與FPGA 相連，并連接到EPCS下載口，用來(lái)下載配置信息。驅(qū)動(dòng)電機(jī)上的光電編碼器在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)出光電脈沖信號(hào)，構(gòu)成測(cè)速系統(tǒng)的輸入信號(hào)。測(cè)速系統(tǒng)主要包括濾波模塊和測(cè)速模塊。由于脈沖信號(hào)通常會(huì)有很多雜波及其他未知的噪聲信號(hào)，濾波模塊可以濾去雜波，從而提高了系統(tǒng)的抗干擾

70、能力，保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。測(cè)速模塊對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行處理，獲得速度信號(hào)。FPGA 嵌入的軟核處理器NIOSⅡ是機(jī)器人的主控芯片，讀取測(cè)速模塊傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，從而可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。</p><p><b>　　測(cè)速方法</b></p><p>　　常用測(cè)速方法主要有定時(shí)測(cè)角法(M法)及定角測(cè)時(shí)法(T法)，后來(lái)發(fā)展有M/T法及變M/T法等其他一些方法。這些方法基于增量式編

71、碼器，編碼器測(cè)速脈沖可以看作一位二進(jìn)制數(shù)，每次脈沖跳變表示轉(zhuǎn)到新的分辨率區(qū)間。為了選擇合適的測(cè)速方法，本研究進(jìn)行了以下比較分析。</p><p><b>　　M法</b></p><p>　　M法通過(guò)測(cè)量一定時(shí)間內(nèi)編碼器的脈沖個(gè)數(shù)來(lái)獲得速度值。設(shè)編碼器每圈發(fā)出脈沖數(shù)為P，在指定的測(cè)量時(shí)間Tg 內(nèi)，編碼器共發(fā)出m1 個(gè)脈沖，則電機(jī)轉(zhuǎn)速n的表達(dá)式為:</p>

72、<p>　　n = 60m1 /(PTg) (1)</p><p>　　M法的分辨率Q及精度ε分別為:</p><p>　　Q = 60(m1 + 1)PTg - 60m1 PTg = 60PTg (2)</p><p>　　ε= Qn = 60PTg /(60m1PTg )= 1/

73、m1 (3)</p><p>　　由式(2)可看出，M法的分辨率與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，在任何轉(zhuǎn)速情況下，能檢測(cè)到的速度最小改變量都相等。由式(3)可以看出，在測(cè)量時(shí)間一定時(shí)，只有當(dāng)m1 增大(即速度增加)時(shí)，精度才會(huì)增加，因此M法適用于高速情況下的測(cè)量。</p><p><b>　　T法</b></p><p>　　T法的原理是

74、通過(guò)測(cè)量相鄰兩個(gè)編碼器脈沖的時(shí)間間隔來(lái)得到速度信息，即測(cè)頻法。如果計(jì)時(shí)用的高頻時(shí)鐘脈沖頻率為fc，由編碼器的相鄰兩個(gè)測(cè)速脈沖控制計(jì)時(shí)的起始和終止，如計(jì)時(shí)器計(jì)數(shù)值為m2，則轉(zhuǎn)速n、分辨率Q及精度ε的表達(dá)式如表1所示。因此，T法的Q值隨轉(zhuǎn)速上升而增加，分辨率減小，在低速時(shí)有較高的分辨率。轉(zhuǎn)速增加時(shí)，m2減小，測(cè)量誤差增大，可見(jiàn)T法適合于低速情況下的測(cè)量，但低速測(cè)量時(shí)間會(huì)較長(zhǎng)。</p><p><b>　　M

75、/T法</b></p><p>　　M/T法是綜合M法和T法進(jìn)行改進(jìn)得來(lái)的，它同時(shí)測(cè)量檢測(cè)時(shí)間和此段時(shí)間內(nèi)的編碼器脈沖數(shù)。其原理是，設(shè)定一個(gè)時(shí)間間隔Tg，用Tg 后第1個(gè)編碼器脈沖來(lái)終止時(shí)間計(jì)數(shù)器m2，則測(cè)量時(shí)間T =Tg +?T。如編碼器脈沖計(jì)數(shù)值為m1，fc為高頻時(shí)鐘脈沖頻率，則M/T法的轉(zhuǎn)速n、分辨率Q及精度ε如表1所示。</p><p>　　Figure 10常用測(cè)速方

76、法比較</p><p><b>　　綜合比較</b></p><p>　　將以上的分析綜合起來(lái)，可以看出，分辨率與測(cè)量時(shí)間及轉(zhuǎn)速都有關(guān)系。但是撿球機(jī)器人處于高速運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，采用M法進(jìn)行測(cè)試，其精度更高、誤差更小，因此本研究也采用M法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測(cè)量。</p><p><b>　　5.4 選用編碼器</b></p>

77、<p>　　為了更加精確測(cè)量機(jī)器人轉(zhuǎn)速，我們選用了庫(kù)伯勒公司生產(chǎn)的Standard光電編碼器 Sendix5000.</p><p>　　Figure 11 Standard光電編碼器Sendix5000</p><p>　　正確的安裝位置示意圖：</p><p>　　Figure 12 正確安裝示意圖</p><p>　

78、　5.4.1旋轉(zhuǎn)變壓器</p><p>　　旋轉(zhuǎn)變壓器是一種電磁式傳感器，又稱同步分解器。用來(lái)測(cè)量旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)軸角位移和角速度，由定子和轉(zhuǎn)子組成。其中定子繞組作為變壓器的原邊，接受勵(lì)磁電壓，勵(lì)磁頻率通常用400、3000及5000Hz等。轉(zhuǎn)子繞組作為變壓器的副邊，通過(guò)電磁耦合得到感應(yīng)電壓。</p><p>　　旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用，近期發(fā)展很快。除了傳統(tǒng)的、要求可靠性高的軍用、航空航天領(lǐng)域之外

79、，在工業(yè)、交通以及民用領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。特別應(yīng)該提出的是，這些年來(lái)，隨著工業(yè)自動(dòng)化水平的提高，隨著節(jié)能減排的要求越來(lái)越高，效率高、節(jié)能顯著的永磁交流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用，越來(lái)越廣泛。而永磁交流電動(dòng)機(jī)的位置傳感器，原來(lái)是以光學(xué)編碼器居多，但這些年來(lái)，卻迅速地被旋轉(zhuǎn)變壓器代替?？梢耘e幾個(gè)明顯的例子，在家電中，不論是冰箱、空調(diào)、還是洗衣機(jī)，目前都是向變頻變速發(fā)展，采用的是正弦波控制的永磁交流電動(dòng)機(jī)。目前各國(guó)都在非常重視的電動(dòng)汽車中，電動(dòng)汽車中所

80、用的位置、速度傳感器都是旋轉(zhuǎn)變壓器。例如，驅(qū)動(dòng)用電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的位置傳感、電動(dòng)助力方向盤電機(jī)的位置速度傳感、燃?xì)忾y角度測(cè)量、真空室傳送器角度位置測(cè)量等等，都是采用旋轉(zhuǎn)變壓器。在應(yīng)用于塑壓系統(tǒng)、紡織系統(tǒng)、冶金系統(tǒng)以及其他領(lǐng)域里，所應(yīng)用的伺服系統(tǒng)中關(guān)鍵部件伺服電動(dòng)機(jī)上，也是用旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置速度傳感器。</p><p>　　5.4.1.1旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)</p><p>　　根據(jù)轉(zhuǎn)子電信號(hào)引

81、進(jìn)、引出的方式，分為有刷旋轉(zhuǎn)變壓器和無(wú)刷旋轉(zhuǎn)變壓器。在有刷旋轉(zhuǎn)變壓器中，定、轉(zhuǎn)子上都有繞組。轉(zhuǎn)子繞組的電信號(hào)，通過(guò)滑動(dòng)接觸，由轉(zhuǎn)子上的滑環(huán)和定子上的電刷引進(jìn)或引出。由于有刷結(jié)構(gòu)的存在，使得旋轉(zhuǎn)變壓器的可靠性很難得到保證。因此目前這種結(jié)構(gòu)形式的旋轉(zhuǎn)變壓器應(yīng)用的很少，我們著重于介紹無(wú)刷旋轉(zhuǎn)變壓器。</p><p>　　目前無(wú)刷旋轉(zhuǎn)變壓器有兩種結(jié)構(gòu)形式。一種稱作為環(huán)形變壓器式無(wú)刷旋轉(zhuǎn)變壓器，另一種稱作為磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器

82、。</p><p>　　5.4.1.1.1環(huán)形變壓器式旋轉(zhuǎn)變壓器</p><p>　　下圖示出環(huán)形變壓器式無(wú)刷旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)很好地實(shí)現(xiàn)了無(wú)刷、無(wú)接觸。圖中右側(cè)部分是典型的旋轉(zhuǎn)變壓器的定、轉(zhuǎn)子，在結(jié)構(gòu)上和有刷旋轉(zhuǎn)變壓器一樣的定、轉(zhuǎn)子繞組，作信號(hào)變換。左側(cè)是環(huán)形變壓器。它的一個(gè)繞組在定子上，一個(gè)在轉(zhuǎn)子上，同心放置。</p><p>　　轉(zhuǎn)子上的環(huán)形變壓器繞組

83、和作信號(hào)變換的轉(zhuǎn)子繞組相聯(lián)，它的電信號(hào)的輸入輸出 由環(huán)形變壓器完成。</p><p>　　Figure 13 無(wú)刷式旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)示意</p><p>　　Figure 14 A—普通旋轉(zhuǎn)變壓器 B—環(huán)形變壓器</p><p>　　5.4.1.1.2磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器</p><p>　　下圖是一個(gè)10對(duì)極的磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器的示意圖。磁阻式

84、旋轉(zhuǎn)變壓器的勵(lì)磁繞組和輸出繞組放在同一套定子槽內(nèi)，固定不動(dòng)。但勵(lì)磁繞組和輸出繞組的形式不一樣。兩相繞組的輸出信號(hào)，仍然應(yīng)該是隨轉(zhuǎn)角作正弦變化、彼此相差90°電角度的電信號(hào)。轉(zhuǎn)子磁極形狀作特殊設(shè)計(jì)，使得氣隙磁場(chǎng)近似于正弦形。轉(zhuǎn)子形狀的設(shè)計(jì)也必須滿足所要求的極數(shù)?？梢钥闯?，轉(zhuǎn)子的形狀決定了極對(duì)數(shù)和氣隙磁場(chǎng)的形狀。</p><p>　　磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器一般都做成分裝式，不組合在一起，以分裝形式提供給用戶，由用

85、戶自己組裝配合。</p><p>　　5.4.1.1.3多極旋轉(zhuǎn)變壓器</p><p>　　下圖為多極旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3 a)、b) 是共磁路結(jié)構(gòu)，粗、精機(jī)定、轉(zhuǎn)子繞組公用一套鐵心。所謂粗機(jī)，是指單對(duì)磁極的旋轉(zhuǎn)變壓器，它的精度低，所以稱為粗機(jī)；精機(jī)是指多對(duì)極的旋轉(zhuǎn)變壓器，由于精度高，多對(duì)磁極的旋轉(zhuǎn)變壓器稱為精機(jī)。其中圖3a) 表示的是旋轉(zhuǎn)變壓器的定子和轉(zhuǎn)子組裝成一體，由機(jī)殼、端蓋

86、和軸承將它們連在一起。稱為組裝式，圖3b) 的定轉(zhuǎn)子是分開(kāi)的，稱為分裝式。圖3c)、d) 是分磁路結(jié)構(gòu)，粗、精機(jī)定、轉(zhuǎn)子繞組各有自己的鐵心。其中圖4c)、d)都是組裝式，只是粗、精機(jī)位置安放的形式不一樣，圖3c) 的粗、精機(jī)平行放置，圖3d) 粗、精機(jī)是垂直放置，粗機(jī)在內(nèi)腔。另外，很多時(shí)候也有單獨(dú)的多極旋轉(zhuǎn)變壓器。應(yīng)用時(shí)，若仍需要單對(duì)極的旋轉(zhuǎn)變壓器，則另外配置。</p><p>　　共磁路

87、 分磁路</p><p>　　a)組裝式 b)分裝式 c)粗精平行放置 d)粗精垂直放置</p><p>　　圖3多極旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)示意</p><p>　　對(duì)于多極旋轉(zhuǎn)變壓器，一般都必須和單極旋轉(zhuǎn)變壓器組成統(tǒng)一的系統(tǒng)。在旋轉(zhuǎn)變壓器的設(shè)計(jì)中，如果單極旋轉(zhuǎn)變壓器和多極旋轉(zhuǎn)變壓器設(shè)計(jì)在同一套定、轉(zhuǎn)子鐵心中，而分別有

88、自己的單極繞組和多極繞組。這種結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)變壓器稱為雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器。如果單極旋轉(zhuǎn)變壓器和多極旋轉(zhuǎn)變壓器都是單獨(dú)設(shè)計(jì)，都有自己的定、轉(zhuǎn)子鐵心。這種結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)變壓器稱為單通道旋轉(zhuǎn)變壓器。</p><p>　　下圖是一個(gè)比較典型的角度位置伺服控制系統(tǒng)。XF稱作旋變發(fā)送機(jī)，XB稱作旋變變壓器。旋變發(fā)送機(jī)發(fā)送一個(gè)與機(jī)械轉(zhuǎn)角有關(guān)的、作一定函數(shù)關(guān)系變化的電氣信號(hào)；旋變變壓器接受這個(gè)信號(hào)、并產(chǎn)生和輸出一個(gè)與雙方機(jī)械轉(zhuǎn)角之差有關(guān)的

89、電氣信號(hào)。伺服放大器接受選變壓器的輸出信號(hào)，作為伺服電動(dòng)機(jī)的控制信號(hào)。經(jīng)放大，驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)接受方旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)軸及其它相連的機(jī)構(gòu)，直至達(dá)到和發(fā)送機(jī)方一致的角位置。</p><p>　　旋變發(fā)送機(jī)的初級(jí)，一般在轉(zhuǎn)子上設(shè)有正交的兩相繞組，其中一相作為勵(lì)磁繞組，輸入單相交流電壓；另一相短接，以抵消交軸磁通，改善精度。次級(jí)也是正交的兩相繞組。旋變變壓器的初級(jí)一般在定子上，由正交的兩相繞組組成；次級(jí)為單項(xiàng)繞組，

90、沒(méi)有正交繞組。</p><p>　　5.4.1.2旋轉(zhuǎn)變壓器的主要參數(shù)和性能指標(biāo)</p><p>　　旋轉(zhuǎn)變壓器的主要指標(biāo)有以下幾個(gè):</p><p>　　額定勵(lì)磁電壓和勵(lì)磁頻率 勵(lì)磁電壓都采用比較低的數(shù)值，一般在10V以下。旋轉(zhuǎn)變壓器的勵(lì)磁頻率通常采用400Hz、以及（5～10）kHz之間。</p><p>　　變壓比和最大輸出電壓 變

91、壓比是指當(dāng)輸出繞組處于感生最大輸 出電壓的位置時(shí)，輸出電壓和原邊勵(lì)磁電壓之比。</p><p>　　電氣誤差 輸出電動(dòng)勢(shì)和轉(zhuǎn)角之間應(yīng)符合嚴(yán)格的正、余弦關(guān)系。如果不符，就會(huì)產(chǎn)生誤差，這個(gè)誤差角稱為電氣誤差。根據(jù)不同的誤差值確定旋轉(zhuǎn)變壓器的精度等級(jí)。不同的旋轉(zhuǎn)變壓器類型，所能達(dá)到的精度等級(jí)不同。多極旋轉(zhuǎn)變器可以達(dá)到高的精度，電氣誤差可以角秒來(lái)計(jì)算；一般的單極旋轉(zhuǎn)變壓器，電氣誤差在（5′～15′）之內(nèi)；對(duì)于磁阻式旋轉(zhuǎn)

92、變壓器，由于結(jié)構(gòu)原理的關(guān)系，電氣誤差偏大。磁阻式旋變一般都做到兩對(duì)極以上。兩對(duì)極磁阻式旋變的電氣誤差，一般做到60′（1°)以下。但是，在現(xiàn)代的理論水平和加工條件下，增加極對(duì)數(shù)，也可以提高精度，電氣誤差也可控制在數(shù)角秒之內(nèi)。</p><p>　　阻抗 一般而言，旋轉(zhuǎn)變壓器的阻抗隨轉(zhuǎn)角變化而變化，以及和初、次級(jí)之間相互角度位置有關(guān)。因此，測(cè)量時(shí)應(yīng)該取特定位置。</p><p>　

93、　有這樣4個(gè)阻抗：開(kāi)路輸入阻抗、開(kāi)路輸出阻抗、短路輸入阻抗、短路輸出阻抗。</p><p>　　在目前的應(yīng)用中，作為旋轉(zhuǎn)變壓器負(fù)載的電子電路阻抗都很大，因而往往都把電路看作空載運(yùn)行。在這種情況下，實(shí)際上只給出開(kāi)路輸入阻抗即可。</p><p>　　相位移 在次級(jí)開(kāi)路的情況下，次級(jí)輸出電壓相對(duì)于初級(jí)勵(lì)磁電壓在時(shí)間上的相位差。相位差的大小，隨著旋轉(zhuǎn)變壓器的類型、尺寸、結(jié)構(gòu)和勵(lì)磁頻率不同而變化

94、。一般小尺寸、頻率低、極數(shù)多時(shí)相位移大，磁阻式旋變相位移最大，環(huán)形變壓器式的相位移次之。</p><p>　　零位電壓 輸出電壓基波同相分量為零的點(diǎn)稱為電氣零位，此時(shí)所具有的電壓稱為零位電壓。 </p><p>　　基準(zhǔn)電氣零位 確定為角度位置參考點(diǎn)的電氣零位點(diǎn)稱作基準(zhǔn)電氣零位。</p><p>　　旋轉(zhuǎn)變壓器的信號(hào)輸出是兩相正交的模擬信號(hào)，它們的幅值隨著轉(zhuǎn)

95、角做正余弦變化，頻率和勵(lì)磁頻率一致。這樣一個(gè)信號(hào)還不能直接應(yīng)用，這就需要角度數(shù)據(jù)變換電路，把這樣一個(gè)模擬量變換成明確的角度量，這就是RDC（Resolver Digital converter—旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)字變換器）電路。 </p><p>　　Table各種類型的旋轉(zhuǎn)變壓器性能、特點(diǎn)比較</p><p>　　有刷旋轉(zhuǎn)變壓器可以得到最小的電氣誤差、最大的精度。但是由于在結(jié)構(gòu)上，存在著電的

96、滑動(dòng)接觸，因此可靠性差；環(huán)形變壓器型的旋變，也可達(dá)到高的精度，工藝性、結(jié)構(gòu)情況、可靠性以及成本都比較好；磁阻式旋變的可靠性、工藝性、結(jié)構(gòu)性以及成本都是最好的，但精度比其它兩種低。出于可靠性的考慮，目前有刷的旋轉(zhuǎn)變壓器，基本上不被采用，而是采用無(wú)刷的旋轉(zhuǎn)變壓器。</p><p>　　5.4.2旋轉(zhuǎn)變壓器的選取</p><p>　　由于網(wǎng)球場(chǎng)服務(wù)機(jī)器人要求可靠性較高，所以我們最終選取了磁阻型旋

97、轉(zhuǎn)變壓器，上海贏雙公司的磁阻式215系列 YS 215XU97312。</p><p>　　5.5測(cè)距定位傳感器</p><p>　　5.5.1常用傳感器及特點(diǎn)</p><p>　　測(cè)距定位傳感器有很多種，其中常用的有：GPS定位、激光定位、視覺(jué)定位、超聲波定位以及紅外定位。本設(shè)計(jì)采用超聲波傳感器與紅外傳感器結(jié)合工作。</p><p>　　5

98、.5.1.1GPS傳感器</p><p>　　GPS定位即全球定位系統(tǒng)(global positioning system GPS)，是美國(guó)國(guó)防部主要為滿足軍事部門對(duì)海上、陸地和空中設(shè)施進(jìn)行高精度導(dǎo)航和定位要求而建立的，以衛(wèi)星為基礎(chǔ)的無(wú)線電測(cè)時(shí)、導(dǎo)航系統(tǒng)，其具有全天候、高精度、自動(dòng)測(cè)量、方便靈活以及全球覆蓋能力。近年來(lái)，隨養(yǎng)GPS技術(shù)的蓬勃發(fā)展，GPS追蹤系統(tǒng)、GPS導(dǎo)航系統(tǒng)、GPS定位系統(tǒng)作為一種高科技產(chǎn)品在民

99、用方面(尤其在手機(jī)定位、汽車導(dǎo)航、物流方而)得到了快速?gòu)V泛的應(yīng)用。但是，現(xiàn)有的GPS設(shè)備需要的所有電子地圖都不是免費(fèi)的，而且GPS地圖的數(shù)據(jù)信息不夠詳盡，并且無(wú)法實(shí)時(shí)更新，給用戶帶來(lái)很多不便。而其精度已在幾米以上，根本無(wú)法滿足設(shè)計(jì)需求</p><p>　　5.5.1.2激光傳感器</p><p>　　激光與一般燈光、太陽(yáng)光同是電磁波，但它產(chǎn)生的機(jī)理與特性不同，即它是一種物質(zhì)的原子“受激輻射

100、光放大”。在前人研究的基礎(chǔ)上，于1960年美國(guó)梅曼發(fā)明了紅寶石激光器，1961年出現(xiàn)了氦氖<He-Ne)激光器等等，在激光器的裝置中，一般由工作物質(zhì)、諧振腔和激勵(lì)能源三部分組成。工作物質(zhì)有固體、半導(dǎo)體，也有是氣體和液體等。諧振腔一般是由兩塊平行的光學(xué)反射鏡組成，一塊為鍍金屬的反射膜，另一塊為半透膜，中問(wèn)垂直放置工作物質(zhì)，在激勵(lì)能源以一定的光或電的形式作用卜，工作物質(zhì)中的原子中處在穩(wěn)定狀態(tài)的低能級(jí)的電子受激發(fā)躍遷到高能級(jí)的激發(fā)態(tài)，在

101、最初激勵(lì)能源發(fā)出的光(或光子)總有極少數(shù)的光垂直射向反射鏡，并被反射鏡射回到工作物質(zhì)中，在激勵(lì)能源不斷的激勵(lì)卜，每次反射回來(lái)的光又會(huì)激發(fā)高能量態(tài)的原子發(fā)射出同一方向更多的光，因此光在兩個(gè)反射鏡之問(wèn)來(lái)回反射，即光被工作物質(zhì)連續(xù)地放大，當(dāng)放大足夠強(qiáng)時(shí)，便從半透膜一端透射出來(lái)一束同方向、同相位、單色性，高亮度的激光。由于激光有以上的特性，形成以下特殊的功能。</p><p>　　一、高單色性。一般光線是由多種顏色光合成

102、的，如太陽(yáng)光是包括可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍，占有波長(zhǎng)很寬，而霓虹燈、水銀燈、鈉光燈、氛燈稱為單色光源，但與激光比所占的波長(zhǎng)還是寬得多。因此利用激光的高單色性特點(diǎn)，可以制成具有更高的精度和量程的精密測(cè)量?jī)x器。二、高方向性。常見(jiàn)的聚光燈、探照燈發(fā)射的光束有明顯的擴(kuò)散，而激光的光束發(fā)散角極小，近似平行光，如有一種激光經(jīng)過(guò)發(fā)射望遠(yuǎn)鏡后光束口徑為一米，傳輸?shù)?000公里后，其光束直徑只有幾米，因此利用激光作遠(yuǎn)距離激光通訊，遠(yuǎn)距離測(cè)量等。三、高亮度性。由激光

103、高方向性和透鏡聚焦可以改變光斑大小和控制功率密度，最高亮度比太陽(yáng)表面亮度高100多億倍。因此激光高亮度、高能量可以用于工業(yè)上對(duì)金屬或非金屬材料進(jìn)行打孔、切割、焊接等加工。在軍事上可以制成各種激光武器，以及在農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用。四、相干性好。即激光的頻率、相位和傳播方向都是相同，屬于相干光源，其光線疊加幅度穩(wěn)定，在時(shí)問(wèn)上和空問(wèn)上周期是一定的，故它適用于全息照相，干涉測(cè)量等。雖然激光傳感器有各種優(yōu)點(diǎn)，但是其價(jià)格十分昂貴，無(wú)法用于本設(shè)計(jì)。

104、</p><p>　　5.5.1.3視覺(jué)傳感器</p><p>　　由于視覺(jué)傳感器具有信息豐富、探測(cè)距離廣等諸多優(yōu)點(diǎn)，在移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航特別是實(shí)現(xiàn)障礙物檢測(cè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。其中雙目立體視覺(jué)通過(guò)左右攝像機(jī)提供的圖像信息能夠比較準(zhǔn)確地恢復(fù)視場(chǎng)的三維信息，具有突出的優(yōu)點(diǎn)。但是由于視差的存在雙目視覺(jué)的難點(diǎn)在于左右圖像對(duì)應(yīng)點(diǎn)的匹配問(wèn)題，這就使得視覺(jué)傳感器目前還不太成熟，應(yīng)用也比較繁瑣，且對(duì)處理器要

105、求比較高，所以本設(shè)計(jì)不宜選用此類傳感器。</p><p>　　5.5.2測(cè)距傳感器選擇</p><p>　　5.5.2.1測(cè)距傳感器選擇</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用超聲波傳感器與紅外傳感器結(jié)合工作。傳感器定位傳感系統(tǒng)利用超聲波傳感器與紅外傳感器各自的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于超聲波傳感器和紅外傳感器的網(wǎng)球訓(xùn)練服務(wù)機(jī)器人感測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用紅外傳感器補(bǔ)償了超聲波傳感器的檢測(cè)

106、盲區(qū)，使移動(dòng)機(jī)器人具有更大的感測(cè)范圍。設(shè)計(jì)完成了感測(cè)系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)， 并進(jìn)行了詳細(xì)的理論驗(yàn)證。本設(shè)計(jì)定位傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、重復(fù)性好、成本低，具有普遍的應(yīng)用意義和廣泛的應(yīng)用價(jià)值。</p><p>　　5.5.2.2超聲波傳感器以及紅外傳感器特點(diǎn)</p><p>　　超聲波傳感器測(cè)距有以下優(yōu)點(diǎn):①縱向分辨率較高；②可識(shí)別透明、半透明及漫反射差的物體；③可用于黑暗、有灰塵或煙霧、電磁干擾

107、強(qiáng)等惡劣環(huán)境中；④基于超聲波傳感器的感測(cè)系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)小型化和集成化。超聲波傳感器最常用的測(cè)距方法是回波探測(cè)法。但超聲波傳感器都存在測(cè)量盲區(qū)，測(cè)量盲區(qū)是由于超聲波傳感器的串?dāng)_、控制器控制性能、超聲波傳感器性能等多重因素引起，因此超聲波傳感器無(wú)法檢測(cè)近距離障礙物。</p><p>　　紅外測(cè)距其優(yōu)點(diǎn)是無(wú)盲區(qū)、測(cè)量精度高、反應(yīng)速度快、方向性強(qiáng)，但其缺點(diǎn)是受環(huán)境影響較大、探測(cè)距離較近。因此本文設(shè)計(jì)了基于超聲波傳感器與紅外

108、傳感器的移動(dòng)機(jī)器人感測(cè)系統(tǒng)，采用紅外傳感器與超聲波傳感器互補(bǔ)，使機(jī)器人具有更大的感測(cè)范圍。</p><p>　　5.5.3超聲波傳感器測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用URM37 V3.2。超聲波傳感器安裝在機(jī)器人上時(shí)距離地而不能太近，太近容易產(chǎn)生干擾信號(hào)，而且容易將可以翻越的障礙物當(dāng)成無(wú)法逾越的障礙物。傳感器兩探頭間的距離不能太遠(yuǎn)也不能太近，太遠(yuǎn)測(cè)量誤差過(guò)大，太近串?dāng)_信號(hào)過(guò)強(qiáng)。

109、本設(shè)計(jì)傳感器距離地而的高度為32cm，傳感器間寬度6.5cm。</p><p>　　Figure 19 URM37 V3.2 超聲波傳感器</p><p>　　超聲波傳感器測(cè)控系統(tǒng)</p><p>　　發(fā)射探頭與接收探頭的距離</p><p>　　設(shè)d為傳感器兩探頭中心距離，C為超聲波波速，t為超聲波傳播時(shí)間，X為障礙物距離傳感器的實(shí)際距

110、離。發(fā)射探頭與入射探頭的距離越遠(yuǎn)，測(cè)量誤差越大。因此我們希望兩探頭盡量靠近，但兩探頭距離較近，會(huì)存在串?dāng)_問(wèn)題。在設(shè)計(jì)中兩探頭中心的距離為6.5 cm，測(cè)量存在一定誤差，但在單片機(jī)中執(zhí)行該計(jì)算會(huì)耗費(fèi)很多資源和時(shí)間。由于在本設(shè)計(jì)中，我們將盲區(qū)范圍設(shè)置為0.516 m，兩探頭距離帶來(lái)的最大誤差對(duì)機(jī)器人避障影響不大，因此本設(shè)計(jì)可采用測(cè)量值代替真實(shí)值。</p><p>　　5.5.3.1超聲波發(fā)射模塊設(shè)計(jì)</p>

111、;<p>　　外加信號(hào)頻率等于兩壓電晶片的固有振動(dòng)頻率時(shí)，將會(huì)發(fā)生共振，設(shè)計(jì)中采用的超聲波傳感器中心頻率為40 kHz，因此在超聲波發(fā)射電路中，通過(guò)軟件編程方式，對(duì)單片機(jī)I/O口置高和置低，產(chǎn)生40 kHz脈沖信號(hào)，輸出到發(fā)射電路中。保證40 kHz的脈沖信號(hào)有一定的功率。超聲波發(fā)射模塊原理圖如圖所示。</p><p>　　Figure 20超聲波發(fā)射模塊原理圖</p><p&g

112、t;　　單片機(jī)I/O口產(chǎn)生周期為25 us的調(diào)制脈沖波，在超聲波傳感器發(fā)射探頭兩端輸入反向同頻脈沖，可以增大超聲波傳感器的發(fā)射功率。采用軟件延時(shí)方式每隔一段時(shí)間發(fā)射一次，通過(guò)定時(shí)器計(jì)算發(fā)射到接收信號(hào)所用的時(shí)間，從而計(jì)算障礙物距離。發(fā)射間隔時(shí)間必須大于發(fā)射到接收回波時(shí)間。發(fā)射間隔時(shí)間越長(zhǎng)，檢測(cè)越可靠(時(shí)間越長(zhǎng)聲波衰減越多，多次反射信號(hào)越少，但機(jī)器人對(duì)障礙物反應(yīng)越慢、實(shí)時(shí)性越差。實(shí)驗(yàn)表明，每次只要發(fā)射3個(gè)脈沖，就可以使超聲波傳感器工作。如發(fā)

113、射脈沖波數(shù)太大，則發(fā)射能量增大，超聲波衰減速度變慢，多次折射返回信號(hào)可能會(huì)使接收探頭誤觸發(fā)。而且發(fā)射脈沖數(shù)越多，串?dāng)_時(shí)間越長(zhǎng)，測(cè)量盲區(qū)也越大。因此本設(shè)計(jì)中采用3個(gè)發(fā)射脈沖。由于本文設(shè)計(jì)的測(cè)量電路發(fā)射功率較弱，最遠(yuǎn)可測(cè)距離在5.5m左右</p><p>　　5.5.3.2超聲波傳感器盲區(qū)的確定</p><p>　　超聲波傳感器盲區(qū)主要是由信號(hào)串?dāng)_引起，發(fā)射信號(hào)未經(jīng)反射就被接收探頭感應(yīng)到。由于