灌篮机器人设计说明书.docx

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灌篮机器人设计说明书

燕山大学

课程设计说明书

题目：

智能车及灌篮机器人系统的设计与制作

学院（系）：

机械电子工程系

燕山大学课程设计（论文）任务书

院（系）：

机械工程学院基层教学单位：

机器人及机电系统研究所

组号

2（S1）

学生姓名

设计题目

智能车及灌篮机器人系统的设计与制作

设

计

要

求

在课程研究项目智能移动小车的基础上，自主设计一个灌篮的机械臂和抓手，并装配或安装到原有的小车上，完成灌篮机器人的设计、制作，进行机器人运动控制规划，控制机器人完成一系列复杂的动作，如手爪张合、车体回转、智能循迹和避障、协同作业等任务。

要抓取的“篮球”直径38-40mm，重量<500g。

技

术

参

数

车体：

（1）负载能力2kg

（2）重量2kg（3）外形尺寸参照抓持物体

手抓：

（1）负载能力（含执行器）1kg

（2）重复定位精度1cm

（3）外形尺寸能够完成送料、灌篮并与车体和谐（4）重量5kg以内

5）手爪张合30-150度（6）机械臂最大展开半径0.4-0.5m

工

作

量

（1）资料分析:

查阅相关文献资料，对资料进行分析总结。

（2）机器人总体设计:

确定机器人的具体任务要求，根据任务初步拟定机器人的技术参数、运动形式、驱动方案、传动方案、控制方案等。

（3）机器人机械结构设计:

将机器人分解为车身结构、机械臂、手爪和传动结构等若干部分，分别对各个结构的关键部件进行详细设计并校核，绘制机器人总装图和关键零部件图。

（4）运动控制方案设计:

基于单片机完成机器人控制系统硬件和软件设计。

（5）根据比赛要求，编程实现规定的动作，最终完成比赛。

（6）编制课程设计说明书。

（7）最终提交的文档：

主要内容包括机械图纸一套，电气原理图一套，设计说明书一套。

设计说明书必须包括方案论证、所用方案成本分析，必要的设计计算，市场前景分析与预测，设备的使用说明书，程序清单等。

工

作

计

划

（1）资料查阅、设计准备，所需天数1天

（2）资料分析、总结，所需天数1天

（3）总体方案设计，所需天数2天（4）机械结构设计，所需天数2天

（5）绘制总装图和关键零件图，所需天数3天（6）运动控制系统的设计，所需天数3天

（7）绘制电路图所需天数2天（8）设计制作所需天数3天

（9）编制课程设计说明书所需天数2天（10）答辩考核、演示所需天数1天

参考

资料

通过校园网在我校订阅的电子资料库中可以搜索到大量的有关机电一体化以及电机和电力拖动的参考资料。

同学们也可到学校的图书馆查找纸质期刊资料。

机械学院的计算机中心上班时间免费对本院学生开放。

指导教师签字

基层教学单位主任签字

燕山大学课程设计评审意见表

指导教师评语：

成绩：

指导教师：

年月日

答辩小组评语：

成绩：

评阅人：

年月日

课程设计总成绩：

答辩小组成员签字：

年月日

1.摘要···························································5

2.方案分析························································6

3.成本预算·······················································21

4.市场分析·······················································22

5.心得体会······················································23

6.参考文献······················································24

摘要

灌篮智能小车是一个集环境感知、轨迹规划、机械手应用等功能于一体的机电一体化系统。

它集中地运用了计算机、传感器、信息、通讯、导航、人工智能及自动控制等技术—是典型的高新技术综合体。

本次课程设计的灌篮智能小车就是这种综合体的一种尝试。

小车以单片机为核心，附以外围电路，采用光电检测器进行检测信号和循线运动。

运用单片机的运算和处理能力来实现小车的自动行驶、停止、转弯、寻迹检测、蔽障等功能的智能控制系统。

方案分析

1.智能小车的总体概述

单片机是智能小车的控制核心，系统有黑线检测模块，电机驱动模块,LED灯指示模块，数码管显示模块，红外检测避障模块等几部分组成。

总的电路图如下

2.智能小车的驱动系统

小车的驱动包括电机的选择、驱动方案的选择、供电电源的选择下面将依次介绍。

2.1电动机的选择及驱动

2.1.1电动机的选择

方案一：

采用步进电机，步进电机的一个显著特点就是具有快速起停能力，如果负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值，就能够立即使步进电机启动或者反转，另一个显著特点就是转换精度高，正反转控制灵活。

方案二：

采用普通直流电机，直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调整范围广；过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速启动、制动和反转；能满足各种不同的特殊运行要求。

综合考虑小车的各种要求，因需要寻迹和避障的等功能，对快速起停，转换精度正反转控制要求较高。

2.1.2电动机的驱动方案的选择

电动机驱动方案有以下几种：

方案一：

采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速目的。

但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵，而且可能存在干扰，更主要的问题在于一般电动机的电阻比较小，但电流很大，分压不仅会降低效率，而且实现很困难。

方案二：

采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过控制开关的切换速度实现对小车的速度进行调整，这个电路的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间长，易损坏，寿命较短，可靠性不高。

方案三：

采用四个大功率晶体管组成H桥电路，四个大功率晶体管分为两组，交替导通和截止，用单片机控制是指工作在开关状态，进而控制电动机的运行。

该控制电路由于四个大功率晶体管之工作在饱和和截止状态下，效率非常高，并且大功率晶体管开关的速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的电路。

经过综合考虑选用方案三。

该方案使用单片机控制易于实现集成化，减少体积和重量。

而且晶体管效率极高，稳定性好，操作较为容易。

考虑到电压电流的等级及尺寸，外观等因素，可选用集成电机驱动芯片L298。

该芯片是双H桥高电压大电流集成电路，其输出脚（SENSEA和SENSEB）用来连接电流检测电阻。

Vss接逻辑控制部分的电源，常用+5V。

IN1~IN4输入引脚采用标准TTL逻辑电平信号，用来控制H桥的开与关，EnA，EnB，引脚则是是能控制端，其控制表如下：

输入

功能

V=H

C=H,D=L

正转

C=L,D=H

反转

C=D

制动

V=L

C=X

停止

D=X

2.2供电电源的方案选择

虽然整个机电系统都需要用到电源，但是为了叙述方便将此内容放到此处一起讨论。

方案一：

采用两个电源供电。

将电动机驱动电源与单片机及其周围电路完全隔离，利用光电耦合器传输信号。

这样可以使电动机驱动所造成的干扰彻底消除，提高了系统的稳定性，但是多一组电池，增加了车身重量，增大了小车的惯性。

方案二：

采用单一电源供电。

电源直接给电动机供电，因电动机启动瞬间电流较大，会造成电源电压波动，因而控制与检测部分通过集成稳压块供电。

其供电电路比较简单。

经过综合的考虑，采用方案二。

这样既可以减轻小车的重量，减小惯性；而且通过集成稳压块又可以是电压稳定，不受启动时的波动。

2.3驱动系统的电路和程序设计

驱动模块电路图

根据电路图连接单片机和此模块。

其中：

80c51的p2.5与p2.6分别和驱动芯片L298的两个使能控制口相连。

然后进行直走调试。

程序如下：

•SETBP2.5;使能控制1

•SETBP2.6;使能控制2

•SETBP2.1

•cplP2.2

•SETBP2.3

•cplP2.4

•jmp$

程序输入后，小车能够直走，则驱动系统完成。

3.智能小车寻迹功能的实现

3.1方案选择

探测路况黑线的基本原理：

光线照射到路面并反射，由于黑线和白纸对光线的反射系数不同，可根据接收到的反射光强弱来判断黑线，可实现的方案有以下方案：

方案一：

采用普通发光二极管及光敏电阻组成的发射接收方案。

该方案在实际使用时，容易受到外界光源的干扰，有时甚至检测不到，主要是因为可见光的反射效果跟地表的平坦程度，地表材料的反射情况均对检测效果产生直接影响。

虽然可采取超高亮度的发光二极管降低一定的干扰，但这又增加额外的功率损耗。

方案二：

脉冲调制的反射式红外发射接收器。

由于采用该有交流分量的调制信号，则可大幅度减少外界干扰。

另外红外发射接收管的最大工作电流取决于平均电流，如果采用占空比小的调制信号，在平均电流不变的情况下，瞬时电流很大（50~100mA），则大大提高了信噪比，并且其反映灵敏，外围电路也很简单。

比较以上两种方案，方案而有很大的优势。

市场上很多红外光电探头都是基于这个原理。

这样不但准确完成测量，而且能避免电路的复杂性。

3.2设计实现过程

路面黑线检测主要通过黑白线检测传感器实现，黑白线检测传感器，有效探测距离5cm，通过调节电位器，最远可以达到10cm（该距离下，探测黑白线的精度较低）。

本项目选用的黑白线传感器受可见光干扰小，输出量为开关量，信号处理简单。

输出的TTL电平可以直接和单片机连接，但需要在输出端加上拉电阻，以使电平输出稳定。

当检测黑线是红外光管就收到反射回来的红外光，其输出立即发生高低电平跳变，该信号经逻辑比较后送单片机处理。

为保证小车沿黑线行驶，采用了两个检测器并行排列。

在校车行走过程中，若向左方向偏离黑线，则右侧的探头就会检测到黑线，把信号传给单片机，单片机控制车头向右转。