自动控制元件课程设计

Harbin Institute of Technology

课程设计说明书（论文）

课程名称：自动控制元件及线路

设计题目：网球训练服务机器人的设计

院系：航天学院控制科学与工程系

班级：1004101班

设计者：老大老二

学号：11004001xx 11004001xx

指导教师：马广程夏红伟

设计时间：2012年12月

摘要

随着人们生活水平的提高，我们对于生活品质的要求更高，对自己的健康则是更加关注，运动则一直是人们保持健康的最佳手段。网球作为一项高运动量的竞技体育项目，如今也是备受关注，越来越多的人开始接受这项体育运动，而一个新手甚至是老将在训练的时候总是会准备一筐网球以便运动者能够更连贯的进行网球的训练，避免了练球时间跟捡球时间差不多长的尴尬局面，这也提高了运动员的训练效率。如今，智能化、自动化的概念更加贴近我们的生活，为了更方便人们在网球场的训练或娱乐，我们构思出一种新型网球场训练服务机器人，将捡球、发球融于一身，再也不用我们麻烦的去捡球了，完全由机器人来代劳就可以了。这样，大汗淋漓的训练完以后，在我们惬意的休息时，机器人则不辞辛劳的为我们去捡球并排列好。这样一来，休息的时间多了，我们就能更好的投入到接下来的训练当中，这无疑又提高了我们的训练效率。如此高品质的生活，谁人不倾心呢？

智能网球场服务机器人采用高精度元件，能相对准确地寻找到网球场内地上散落的网球的位置，并能迅速地前往并进行收集，而且对于收集到的物品进行判断是否为网球，如果不是网球，则另行收集以待随后处理。此机器人还能智能分析球场方位，智能地选取方向进行发球。

关键词：网球智能机器人全自动捡球发球

目录

1.功能设计 (4)

2.系统的性能指标和技术要求 (4)

3.背景及意义 (6)

4.系统的总体结构与设计方案 (6)

5.主要元件选取与设计 (7)

5.1机器人行进电机选择 (7)

5.1.1直流伺服电机的结构 (8)

5.1.2直流伺服电机的驱动原理 (8)

5.1.3直流伺服电机的分类 (9)

5.1.4直流进给运动的速度控制 (9)

5.1.5网球场机器人行进直流伺服电机的选择 (15)

5.2机器人机械臂及内部推进杆电机选择 (16)

5.2.1步进电机基本原理 (16)

5.2.2 主要特点 (17)

5.2.3主要特性 (17)

5.2.4 步进电机的选择 (18)

5.3系统构成 (20)

5.4 选用编码器 (22)

5.4.1旋转变压器 (22)

5.4.2旋转变压器的选取 (27)

5.5测距定位传感器 (27)

5.5.1常用传感器及特点 (27)

5.5.2测距传感器选择 (29)

5.5.3超声波传感器测控系统设计 (29)

5.5.4红外传感器 (33)

5.5.5测距传感器组合特点 (34)

5.6压力传感器 (34)

5.6.1应变式压力传感器 (35)

5.6.2膜片式 (36)

5.6.3压力传感器的选择 (36)

5.7单片机 (37)

5.7.1常用单片机 (37)

5.7.2单片机选型 (38)

5.7.3 LPC2148特点及可行性 (38)

6.系统的流程分析 (39)

7.系统的硬件选型清单 (40)

8.结论 (40)

9.系统优缺点分析 (40)

9.1优点 (40)

9.2缺点 (41)

10.设计过程中的心得体会 (41)

11.分工情况 (42)

1.功能设计

1.自行定位各网球所在点

2.快速自主行动至各网球所在点

3.行进过程中躲避场地障碍物，包括球场设施、人等

4.自行将网球捡起，并收集

5.通过质量和尺寸筛选网球

6.在发球点发射网球至对方场地，以供练球

2.系统的性能指标和技术要求

1.网球定位精度：网球位置±10cm（网球直径介于6.35-6.67厘米）

2.机器人移动至顶点位置精度±10cm

3.机器人移动速度≤ 2 m/s

4.紧急刹车时间≤0.3s

5.捡球时间≤10s

6.筛选时间≤20s

7.筛选网球质量测量±10g

8.发球频率为15次/分钟，球射出时的最大线速度为10米/秒

9.要求发射角度在20°～40°之间可调，击球力量可调

网球场尺寸参数

3.背景及意义

随着人们生活水平的提高，我们对于生活品质的要求更高，对自己的健康则是更加关注，运动则一直是人们保持健康的最佳手段。网球作为一项高运动量的竞技体育项目，如今也是备受关注，越来越多的人开始接受这项体育运动，而一个新手甚至是老将在训练的时候总是会准备一筐网球以便运动者能够更连贯的进行网球的训练，避免了练球时间跟捡球时间差不多长的尴尬局面，这也提高了运动员的训练效率。

如今，智能化、自动化的概念更加贴近我们的生活，为了更方便人们在网球场的训练或娱乐，我们构思出一种新型网球场训练服务机器人，将捡球、发球融于一身，再也不用我们麻烦的去捡球了，完全由机器人来代劳就可以了。

4.系统的总体结构与设计方案

本系统主要由测量元件、执行元件、功率放大元件、主控电路、调节装置构成。整体系统由三个功能环节组成，分别为寻找并到达网球位置过程、收集网球过程以及发球过程。每个过程均有其独立的闭环控制回路，其流程如下：

1、机器人寻找目标球并实现途中避障到达目标球位置。

固定于机器人上同一水平线上的两组距离传感器探测目标球距离，由于两组探测器间距离已定，则单片机可算出目标球距离以及与机器人所成角度，进而单片机想电机发出指令前进至目标物。为防止机器人把球场中的人或网柱误判为目标球，在一定高度上特别放置另一组距离传感器，以排除高大物体并避障。

Figure 1机器人寻找并到达网球所在位置过程

2、捡球并初步筛球（形状大小）。

单片机控制电机带动“V”机械臂把目标球推进机器人腔内，推进路线中有比球稍大的洞，目标球在被推进过程中可掉进洞内进行下一步筛选，比目标球大的物品则被继续推进专设容器中。

Figure 2筛选推进杆1

3、通过称重进一步筛选球。开关触发器为防止推杆过度推进及校正推杆累计推进误差设计

筛选推进杆2

4、自主发球以供训练。发球过程由发球机直接完成。

智能发球过程

5.主要元件选取与设计

5.1机器人行进电机选择

对于机器人底盘的前进轮电机选择，要求启动转矩和额定转矩都足够大，因

为机器人的总质量约为40Kg，对于电动机的承载能力有较高的要求，我们可以选择步进电机或者直流电机，鉴于一般直流电机的承载能力比步进电机强，而且可靠性较好，所以我们选择了用直流伺服电机作为机器人的前进马达，由于在行进过程中对于精度的要求并不是十分高，所以可不用考虑累计误差带来的精度问题。下面就简单说明一下直流电机的特性和选择问题。

直流伺服电机，它包括定子、转子铁芯、电机转轴、伺服电机绕组换向器、伺服电机绕组、测速电机绕组、测速电机换向器，所述的转子铁芯由矽钢冲片叠压固定在电机转轴上构成。

5.1.1直流伺服电机的结构

Figure 3直流伺服电机的结构

5.1.2直流伺服电机的驱动原理

伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm。直流伺服电机特指直流有刷伺服电机——电机成本高结构复杂，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护方便（换碳刷），会产生电磁干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。

5.1.3直流伺服电机的分类

5.1.3.1常用直流电磁分类

常用的直流电机有：永磁式直流电机（有槽、无槽、杯型、印刷绕组）、励磁式直流电机、混合式直流电机、无刷直流电机、直流力矩电机直流进给伺服系统：永磁式直流电机类型中的有槽电枢永磁直流电机（普通型）；

直流主轴伺服系统：励磁式直流电机类型中的他激直流电机。

5.1.3.2永磁直流伺服电机的性能特点

1) 低转速大惯量

2) 转矩大

3) 起动力矩大

4) 调速泛围大，低速运行平稳，力矩波动小

5.1.4直流进给运动的速度控制

5.1.4.1直流伺服电机的调速原理

根据机械特性公式可知调速有二种方法:电枢电压Ua和气隙磁通Φ

⑴改变电枢外加电压Ua :由于绕组绝缘耐压的限制，调压只能在额定转速以下进行。属于恒转矩调速。

⑵改变气隙磁通量Φ：改激磁电流即可改Φ，在Ua恒定情况下，磁场接近饱和，故只能弱磁调速，在额定转速以上进行。属于恒功率调速。

5. 1.4.2直流速度控制单元调速控方式

晶闸管（可控硅）调速系统

晶体管脉宽调制（PWM）调速系统

5. 1.4.2.1晶闸管调速系统

1.系统的组成

Figure 4

控制回路：速度环、电流环、触发脉冲发生器等。

主回路：可控硅整流放大器等。

速度环：速度调节（PI），作用：好的静态、动态特性。

电流环：电流调节(P或PI)。作用：加快响应、启动、低频稳定等。

触发脉冲发生器：产生移相脉冲，使可控硅触发角前移或后移。

可控硅整流放大器：整流、放大、驱动，使电机转动。

2.主回路工作原理

组成：由大功率晶闸管构成的三相全控桥式（三相全波）反并接可逆电路，分成二大部分（Ⅰ和Ⅱ），每部分内按三相桥式连接，二组反并接，分别实现正转和反转。

原理: 三相整流器，由二个半波整流电路组成。每部分内又分成共阴极组（1、3、5）和共阳极组（2、4、6）。为构成回路，这二组中必须各有一个可控硅同时导通。1、3、5在正半周导通，2、4、6在负半周导通。每组内（即二相间）触发脉冲相位相差120o，每相二个触发脉冲相差180o。按管号排列，触发脉冲的顺序1-2-3-4-5-6，相邻之间相位差60o。为保证合闸后两个串联可控硅能同时导通，或已截止的相再次导通，采用双脉冲控制。既每个触发脉冲在导通60o后，在补发一个辅助脉冲；也可以采用宽脉冲控制，宽度大于60o，小于120o。

只要改变可控硅触发角（即改变导通角），就能改变可控硅的整流输出电压，

从而改变直流伺服电机的转速。触发脉冲提前来，增大整流输出电压；触发脉冲

延后来，减小整流输出电压。

3、控制回路分析

触发脉冲产生的过程：改变触发角，即改变控制角。（可控硅导通时间），可调速。没反馈是开环，特性软。

①速度调节器：比例积分PI，高放大（相当C短路）—缓放大—增放大—

稳定（相当C开路）无静差。

②电流调节器:同上，加快电流的反应。

③触发脉冲发生器：正弦波同步锯齿波触发电路，与F直流信号叠加。

速度控制的原理：

调速：当给定的指令信号增大时，则有较大的偏差信号加到调节器的输入端，产生前移的触发脉冲，可控硅整流器输出直流电压提高，电机转速上升。此时测速反馈信号也增大，与大的速度给定相匹配达到新的平衡，电机以较高的转速运行。

干扰：假如系统受到外界干扰，如负载增加，电机转速下降，速度反馈电压降低，则速度调节器的输入偏差信号增大，其输出信号也增大，经电流调节器使触发脉冲前移，晶闸管整流器输出电压升高，使电机转速恢复到干扰前的数值。

电网波动：电流调节器通过电流反馈信号还起快速的维持和调节电流作用，如电网电压突然短时下降，整流输出电压也随之降低，在电机转速由于惯性还未变化之前，首先引起主回路电流的减小，立即使电流调节器的输出增加，触发脉冲前移，使整流器输出电压恢复到原来值，从而抑制了主回路电流的变化。

启动、制动、加减速：电流调节器还能保证电机启动、制动时的大转矩、加减速的良好动态性能。

5.1.4.2.2晶体管脉宽调制（PWM）调速系统

1）系统的组成及特点

Figure 5

①主回路：大功率晶体管开关放大器；功率整流器。

②控制回路：速度调节器；电流调节器；固定频率振荡器及三角波发生器；脉宽调制器和基极驱动电路。

区别：与晶闸管调速系统比较，速度调节器和电流调节器原理一样。不同的是脉宽调制器和功率放大器。

直流脉宽调制：功率放大器中的大功率晶体管工作在开关状态下，开关频率保持恒定，用调整开关周期内晶体管导通时间（即改变基极调制脉冲宽度）的方法来改变输出。从而使电机获得脉宽受调制脉冲控制的电压脉冲，由于频率高及电感的作用则为波动很小的直流电压（平均电压）。脉宽的变化使电机电枢的直流电压随着变化。

直流脉宽调调制的基本原理：

脉冲宽度正比代表速度F值的直流电压

2）脉宽调制器

USr–速度指令转化过来的直流电压

U△-三角波

USC-脉宽调制器的输出（USr+U△）

调制波形图：

开关功率放大器

主回路：可逆H型双极式PWM开关功率放大器

电路图: 由四个大功率晶体管（GTR）T 1 、T 2 、T 3 、T4及四个续流二极管组成的式电路。

H型：又分为双极式、单极式和受限单极式三种。

Ub1、 Ub2、Ub3、Ub4 –为调制器输出，经脉冲分配、基极驱动转换过来的脉冲电压。分别加到T1 、T2、T3 、T4的基极。

工作原理：

T1和T4同时导通和关断，其基极驱动电压Ub1= Ub4。T2和T3同时导通和关断，基极驱动电压Ub2=Ub3=-Ub1。以正脉冲较宽为例，既正转时。

负载较重时：

①动状态：当0≤t ≤ t1时， Ub1、Ub4为正，T1 和T4 导通；Ub2、Ub3

为负， T2和T3截止。电机端电压UAB=US，电枢电流id= id1，由US

→T1→T4→地。

②续流维持电动状态：在t1 ≤t ≤ T时，Ub1、Ub4为负， T1 和T4截

止；Ub2、Ub3 变正，但T2和T3并不能立即导通，因为在电枢电感储能

的作用下，电枢电流id= id2，由D2→D3续流，在D2、D3 上的压降使

T2、T3的c-e极承受反压不能导通。 UAB=-US。接着再变到电动状态、

续流维持电动状态反复进行，如上面左图。

负载较轻时：

①反接制动状态，电流反向：②状态中，在负载较轻时，则id小，续流

电流很快衰减到零，即t =t2 时（见上面右图），id=0。在t2 ～ T 区

段， T2 、T3 在US 和反电动势E的共同作用下导通，电枢电流反向，

id= id3由US→T3→T2→地。电机处于反接制动状态。

②电枢电感储能维持电流反向：在T～t3区段时，驱动脉冲极性改变，T2 、

T3截止，因电枢电感维持电流，id=id4，由D4→D1。

③电机正转、反转、停止：由正、负驱动电压脉冲宽窄而定。当正脉冲较

宽时，既t1> T/2，平均电压为正，电机正转；当正脉冲较窄时，既t1< T/2 ，平均电压为负，电机反转；如果正、负脉冲宽度相等，t1=T/2 ，

平均电压为零，电机停转。

④电机速度的改变：电枢上的平均电压UAB越大，转速越高。它是由驱动

电压脉冲宽度决定的。

⑤双极性：由以上分析表明：可逆H型双极式PWM开关功率放大器，无论

负载是重还是轻、电机是正转还是反转，加在电枢上的电压极性在一个

开关周期内，都在US和-US之间变换一次，故称为双极性。

5.1.4.2.3 PWM调速系统的特点

①频带宽、频率高: 晶体管“结电容”小，开关频率远高于可控（50Hz)，可

达2-10KHz。快速性好。

②电流脉动小:由于PWM调制频率高，电机负载成感性对电流脉动由平滑作用，

波形系数接近于1。

③电源的功率因数高: SCR系统由于导通角的影响，使交流电源的波形畸变、

高次谐波的干扰，降低了电源功率因数。PWM系统的直流电源为不受控的整

流输出，功率因数高。

④动态硬度好:校正瞬态负载扰动能力强，频带宽，动态硬度高。

综上考虑，PWM调速控制系统较为简单，而晶闸管方法控制的较为可靠，由于对于机器人的安全特性考虑，在有人突然出现在机器人前方是要求马达可以很快制动，所以对于启动和制动特性要求较高，晶闸管法的一大特点就是电流调节器能保证电机启动、制动时的大转矩、加减速的良好动态性能，所以综合考虑，我们选择了晶闸管调速法。

5.1.5网球场机器人行进直流伺服电机的选择

设计性能指标、环境参数以及其他预估值：

总质量预计：40kg 轮胎与地面滑动摩擦系数：0.6 -0.9

平均行进速度: 1.5m/s-2.0m/s

轮胎与地面滚动摩擦系数：0.012 –

0.022

最大加速度: 0.5 m/s2车轮半径: 10cm

车轮质量: 500g

电动机的功率公式：

由恒速v = 2 m/s算出n = 191.0 r/min ，这里的M等于滚动摩擦力所产生的阻力矩约等于0.88 N2m，计算出在以2 m/s的速度行进时，步进电机的机械功率约为17.6w

在此以恒定速度时的功率外加20%的余量来计算，所选电机的额定功率约为22w

根据求得的参数得知，电机正常工作的最大机械功率为22W，恒定行进速度为2 m/s ，车轮半径为 0.1 m，根据公式:

其中:

T －电机轴端的输出转矩

P －电机输出的机械功率

?－旋转角速度

求得所选电机的额定转矩约为1.76N2m

根据计算出的数据，我们选取了深圳市嘉昱鑫科技有限公司出产的

BH32-750D-20-10直流无刷电机

5.2机器人机械臂及内部推进杆电机选择

网球场服务机器人的一项基本功能就是捡球，所以在外部要设计一套机械臂铲组件，用以收集网球，另外在机器人腔内部要进行网球的筛选，我们选择了通过形状以及重量测量方法进行筛选，过程中需要连杆机构给予推进，这样就需要电机给杆机构以驱动力。而这两项功能的实现都需要电机的驱动，由于功能对转矩要求不大（因为网球质量很小），而且不要求有很大转速，所以可选用步进电机进行功能的实现，而且步进电机的一大有点就是精确，由于内部的杆机构推进距离有较为精确的要求，所以采用步进电机有很大的优势。

5.2.1步进电机基本原理

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

5.2.2 主要特点

1、一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。

2、步进电机外表允许的最高温度。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。

3、步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。

4、步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。

5.2.3主要特性

1、步进电机必须加驱动才可以运转，驱动信号必须为脉冲信号，没有脉冲的时候，步进电机静止，如果加入适当的脉冲信号，就会以一定的角度（称为步角）转动。转动的速度和脉冲的频率成正比。

2、三相步进电机的步进角度为7.5度，一圈360度，需要48个脉冲完成。

3、步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。

4、改变脉冲的顺序，可以方便的改变转动的方向。因此，目前打印机、绘图仪、机器人等等设备都以步进电机为动力核心。

5.2.3.1 优点

1、电机旋转的角度正比于脉冲数；

2、电机停转的时候具有最大的转矩（当绕组激磁时）；

3、由于每步的精度在百分之三到百分之五，而且不会将一步的误差积累到下一步因而有较好的位置精度和运动的重复性；

4、优秀的起停和反转响应；

5、由于没有电刷，可靠性较高，因此电机的寿命仅仅取决于轴承的寿命；

6、电机的响应仅由数字输入脉冲确定，因而可以采用开环控制，这使得电机的结构可以比较简单而且控制成本；

7、仅仅将负载直接连接到电机的转轴上也可

以极低速的同步旋转。8、由于速度正比于脉冲频率，因而有比较宽的转速范围。

5.2.3.2 缺点

1、如果控制不当容易产生共振；

2、难以运转到较高的转速。

3、难以获得较大的转矩

4、在体积重量方面没有优势，能源利用率低。

5、超过负载时会破坏同步，高速工作时会发出振动和噪声。

5.2.4 步进电机的选择

5.2.4.1 转矩分析

根据公式:

其中:

T st ―起动转矩

J－阻力转动惯量

F－阻力，其中包含启动时车轮所要克服的与地面间的静摩擦力F k

由于齿轮传动间摩擦力较小，忽略不计。而齿轮见传动力为主要力，假定为20N（外部机械臂）/5N（内部传动杆），电机上安装的齿轮半径定为1cm，则公式中第二项为0.2Nm/0.05Nm。

齿轮以及电机本身的转动惯量所产生的力矩项数值较小，所以合在一起进行估算大约为0.05Nm-0.1Nm。这样根据公式计算得出步进电机的起动转矩约为0.3Nm（外部机械臂）/0.1N（内部传动杆）。

5.2.4.2功率分析

根据步进电机功率公式:

设定转速n = 120r/min ，这里的M等于齿轮阻力力所产生的阻力矩约等于0.2Nm（外部机械臂）/0.05Nm（内部传动杆），计算出在以120r/min的转速运行时，步进电机的机械功率约为2.51w