自动控制元件课程设计捡乒乓球机器人小车的设计

Harbin Institute of Technology

课程设计论文

课程名称：自动控制元件及线路

设计题目：捡乒乓球机器人小车的设计院系：航天学院控制科学与工程系班级：1304105班

设计者：杨明阳1130410501

徐云飞1130410502

姚晨蔚1130410516

指导教师：马广程

设计时间：2016年3-5月

捡乒乓球机器人小车

摘要：随着科学技术的日益发展，越来越多的科技被应用在了生活的方方面面。当然也包括运动赛场上，帮助选手以及裁判解决一部分的麻烦，使得比赛进行的更加流畅。这里为解决乒乓球比赛上乒乓球的捡取问题，设计了一种以单片机作为主控制器的自动捡球机器人。该捡球机器人采用风扇产生的吸力来实现捡球；利用超声波传感器实现对乒乓球的自动识别；通过红外传感器监测周围环境，实现自动避障。本系统会在裁判对每一个球做出判决后开始工作，先按照预定路线绕场地前进，同时在行进过程中利用传感器寻找掉落的小球。当找到目标并确认后，改变预定路线转而向目标前进，最终捡起乒乓球，之后再回到原点。完成捡球功能，保证比赛的连续性。

关键词：捡乒乓球机器人超声波传感器红外传感器过程控制

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--------------------------------------------------------4

4.系统的总体结构与设计方案------------------------------------------5 4.1 预定路线前进---------------------------------------------------6 4.2 目标寻找-------------------------------------------------------7 4.3 捡起目标乒乓球-------------------------------------------------9 4.4 判断乒乓球是否捡起---------------------------------------------9 4.5 绕开障碍-------------------------------------------------------9

4.6 返回原点------------------------------------------------------10

5.执行元件---------------------------------------------------------10 5.1 行进电机的选择------------------------------------------------10 5.1.1 直流伺服电机结构-------------------------------------------10 5.1.2 直流伺服电机驱动原理---------------------------------------11 5.1.3 直流伺服电机的分类及特点-----------------------------------11 5.1.4 指标的计算和直流伺服电机的选择-----------------------------12 5.1.5 直流伺服电机调速-------------------------------------------15 5.1.5.1 直流伺服电机调速原理------------------------------------15 5.1.5.2 直流速度控制方式----------------------------------------15 5.2 捡球装置的选择------------------------------------------------22 5.2.1 捡球原理级实现---------------------------------------------23

5.2.2 吸球管设计-------------------------------------------------24

6.测量元件---------------------------------------------------------26 6.1 测速传感器的选取----------------------------------------------26 6.1.1 三种传感器的对比分析---------------------------------------26 6.1.2 对光电编码器的论证分析和选取-------------------------------28 6.2 位置和避障传感器的选取----------------------------------------34 6.2.1 常用传感器及特点-------------------------------------------34 6.2.2 根据超声传感器实现定位和物体识别---------------------------36 6.2.3 根据红外感器实现障碍躲避-----------------------------------41 6.3 根据红外传感器实现捡球信号的反馈------------------------------44 6.4 传感器设计中的缺陷及可改进的地方------------------------------45 6.4.1 传感器设计中的缺陷-----------------------------------------45

6.4.2 传感器设计中可改进的部分-----------------------------------45

7.单片机-----------------------------------------------------------46 7.1 常用单片机----------------------------------------------------46 7.2 单片机选型----------------------------------------------------47

7.3 所选单片机特点及可行性----------------------------------------47

8.系统硬件清单-----------------------------------------------------48

9.自评-------------------------------------------------------------48

9.1 优点----------------------------------------------------------48

9.2 缺点以及不足--------------------------------------------------49

10.分工------------------------------------------------------------49

11.心得体会--------------------------------------------------------50 参考文献-----------------------------------------------------------50

一、功能设计

1.裁判做出判决后自行定位乒乓球掉落位置

2.迅速移动至掉落乒乓球所在位置

3.捡起乒乓球，并回到起点

4.行进过程中躲避场地选手以及其他人员或障碍

5.利用尺寸确认目标乒乓球

二、系统的性能指标和技术要求

1.机器人移动至乒乓球顶点位置精度±3cm

2.机器人移动速度≤2 m/s

3.紧急刹车时间≤0.3s

4.总捡球时间≤21s

5.判断乒乓球是否捡起

6.能够辨认出乒乓球和障碍物

三、背景及意义

随着人们对机器人技术智能化本质认识的加深，机器人技术开始源源不断地向人类活动的各个领域渗透。在这其中，服务机器人作为一个重要分支，在国内外研究领域已经得到普遍重视。服务机器人的应用范围很广，主要从事维护保养、修理、运输、清洗、保安、救援、监护等工作。文中所述的捡乒乓球机器人，正是一种应用于乒乓球体育赛事的自主式移动的服务机器人。

在乒乓球室里，由于比赛时，每打完一个球就必须要求有人转身去捡掉落的乒乓球。如果由选手来捡球，将会压缩选手短暂的暂歇时间，影响比赛连续性、流畅性。因此，如果能有一种捡球机器人应用于乒乓球赛场上里，且能迅速找到球的位置并能够实现自动捡球的功能，将可以帮助选手减轻比赛压力（尤其在比较焦灼的对抗中）。

目前已有的乒乓球捡球机器人种类较少，且捡球动作的实现主要是通过机械手等机械装置来捡球。这些捡球装置多因为机械机构的限制，对于位于墙角处和藏于障碍物之间的乒乓球不能有效捡取，因而只适用于障碍物较少且远离墙壁的

乒乓球的捡取。

四、系统的总体结构与设计方案

对外部环境的分析：

（1）乒乓球

乒乓球的质量在2.7克左右一般比赛用球为黄、白色球。所选用的材质为塑料。

（2）比赛场地

场地示意图如下：

图4-a 场地尺寸示意图

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。整体系统由六个功能环节组成，分别为按预定路线巡逻、检测乒乓球位置、到达乒乓球位置、捡起乒乓球、回到原点以及期间规避障碍。

图4-b 驱动电机位置示意图

每个过程均有其独立的闭环或开环控制子系统，其流程如下：

4.1 预定路线前进

此模块属于开环系统，将固定的前进方向控制信号储存在控制器内，若无目标寻找中断或者障碍中断，驱动电机和方向控制电机将一直执行，最后返回原点。

因为系统检测自身位置成本较大（至少需要增加传感器，如果没有参照信号源需要通过大量计算来得出当前位置，会占用较多的CPU），另外巡逻过程中只要传感器的监控范围能足够覆盖球场，可以无视小车前进过程中的干扰误差，而控制信号结束后，若没有到达原点，则可以执行返回原点的闭环控制。

实现此功能，是将控制小车的两个驱动电机按固定路线、以设定速度跑完全程时电机所需的控制信号和时间的函数编写出来（例如图4.1.2），储存到单片机内，当执行此功能时，只要调取储存的控制信号并输出即可。（图4.1.2仅供参考，事实上控制信号为数字信号，由于函数编写过程太过复杂，此处略过。）

4.2 目标寻找

在预定路线的行进过程中，

两个装在小车底部两头的超声波传感器将一直搜

t t

图4-1-2 控制信号示意函数

图4-1-1 大致巡逻路线

索目标位置，图 4.2.1。发现目标后，两传感器信号对比，可得目标准确方向，图4.2.2，再控制方向电机使小车面向目标前进。

在发现乒乓球并向目标前进过程中，根据传感器反馈得到的离目标距离来控制小车是否开始减速。使得小车能够恰好停在目标位置（方便下一步捡球）。之后再启动捡球电机捡起小球。

如图4.2.3所示，该子控制系统中，以传感器A 1，A 2的距离信号a 1，a 2为输入，以控制电机C 1，C 2的电信号c 1，c 2为输出。

c 2 图4-2-3控制系统的输入输出

图4-2-1 检测范围示意图 乒乓球 距离a 2

图4-2-2 目标位置确定

4.3 捡起目标乒乓球

乒乓球的直径为40mm，质量为2.7g，具有体积小、质量轻的特点，特别适合吸力装置吸取。风扇在转动时，抽风的一端会形成负压；如果将一个管道与风扇的抽风面相连接，则在风扇的作用下，管道内的气压将小于管道外的大气压，管道口附近的物体将在压力差的作用下被吸进管道里。因此，若采用由强力风扇与一个两端开口的管道组成的吸球管，乒乓球就可以顺利被吸取。

而如果采用机械臂类的抓取方案时，对小车的位置控制精度将会更高，而且受到的干扰较大（小车靠近乒乓球时，所带起的空气流动可能会吹动乒乓球，产生干扰）。本系统采用的风扇抽气方案则可以很大程度上得缓解这一干扰。

4.4 判断乒乓球是否捡起

由于本系统应用在正式比赛的条件下，场地干净，无类乒乓球形杂物，故只需在抽风管道中添加一个红外光电门，光电门被阻挡即可视为乒乓球被捡起。4.5 绕开障碍

在系统运行过程中时，另一个较高的红外传感器检测小车面前是否有障碍阻挡。若有，则减速并在安全距离外绕开障碍继续之前的前进任务。

此处由于本系统无法检测自身所在位置，所以在闭环控制后无法检测自身与预定路线的误差（此处指捡起乒乓球前需要按预定路线巡逻时先遇到障碍），无法继续按预定路线前进。故此处问题处理同4.1，可以做一个开环系统。鉴于实际比赛场地中并没有那么多种类的障碍（本系统中将障碍理想化为只有球桌腿和选手的腿部），因此将绕开障碍的控制做成一个开环系统，其控制信号按最粗的障碍设计，一致按相同地绕行半径绕开障碍。（下图仅供参考，事实上控制信号为数字信号，由于函数编写过程太过复杂，此处略过。）

4.6

返回原点

为了能够精确地回到原点，有必要在原点设置参照信号源。在小车捡起小球或者巡逻完毕后，将以原点为目标前进，控制过程同4.2。

五、执行元件

5.1乒乓球捡球机器人行进电机的选择

结合供电以及成本等方面的考虑，行进过程中的电机在直流伺服电机和步进电机中选择，由于需要闭环控制，并且需要可靠性较高，启动转矩较大等，因此直流伺服电机是最佳选择。

5.1.1直流伺服电机结构

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。

输入a 1，a 2 输出c 1，c 2 图4-6-1 控制系统的输入输出

a 2 t

t 图4-5-1

障碍位置确定

图4-5-2 控制信号示意函数

图5-1-1 直流伺服电机结构

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及特点

1．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。

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指标的计算和直流伺服电机的选择

表5-1-1 直流伺服电机性能指标要求

直流伺服电机功率公式：

（5-1-1）车轮转速推导：

（5-1-2）

（5-1-3）

（5-1-4）每个车轮滚动摩擦力阻力力矩推导：

（5-1-5）

（5-1-6）

（5-1-7）车轮转速以及每个车轮摩擦阻力力矩：

（5-1-8）

（5-1-9）因齿轮组两侧力矩相同，因此在只考虑外部阻力矩时，由于共有四个轮子和两个直流伺服电机，在匀速行进时每个电机需要产生的机械转矩为：

（5-1-10）

若考虑小车内部的摩擦阻力转矩，假设内部摩擦阻力转矩：

得到点击所需要的额定转矩：

（5-1-11）留出余量，取额定转矩

选取电机额定转速为：n=3000r/min

那么得到额定功率为：

结合以上计算，我们选取瑞士瑞诺集团的小型直流伺服电机CML-50，其参数如下图所示（其额定转速3000r/min，额定转矩0.15N·m，额定功率47w，与所需直流伺服电机指标几乎一致）：

图5-1-2 直流伺服电机实物图及特点

图5-1-3 直流伺服电机技术参数

图5-1-4 直流伺服电机剖面图

图5-1-5 直流伺服电机特性曲线图

为了降低调速难度，因此我们决定在电机输出转速和车轮之间采用齿轮组以1：5的比例使得电机转速与车轮转速的比例为5：1。

5.1.5直流伺服电机调速

由于电机额定转速与实际所需转速有所差距，同时，在机器人转向时需要控制两个伺服电机一个正转、一个反转，因此需要采用调速系统。

5.1.5.1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。

1．电枢控制（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。

（5-1-12）2．磁场控制（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。

3．改变电枢回路电阻R a：要在电枢回路中串联一个电阻R s，这个电阻称为调节电阻。改变R s大小，也就改变了电枢回路总电阻R a+R s。

（5-1-13）5.1.5.2直流速度控制方式

（a）晶闸管（可控硅）调速系统

（b）晶体管脉宽调制（PWM）调速系统

a.晶闸管调速系统

1．系统的组成

1）控制回路：速度环、电流环、触发脉冲发生器等。

①速度环：速度调节（PI），作用：获得好的静态、动态特性。

②电流环：电流调节(P或PI)。作用：加快响应、启动、低频稳定等。

③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。

2）主回路：可控硅整流放大器等。

①可控硅整流放大器：整流、放大、驱动，使电机转动。

图5-1-6 晶闸管调速系统组成

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，两组反并接，分别实现正转和反转。

图5-1-7 主回路工作原理图

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。

图5-1-8 主回路波形图图5-1-9 控制回路波形图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，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。

图5-1-10 速度调节器、电流调节器示意图图5-1-11 触发脉冲发生器示意图

4．速度控制的原理总结

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。

二、晶体管脉宽调制（PWM）调速系统

1．系统的组成及特点

图5-1-12 晶体管脉宽调速系统示意图

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：

图5-1-13 直流脉宽调调制的基本原理示意图

脉冲宽度正比代表速度F值的直流电压。

2．脉宽调制器

U Sr–速度指令转化过来的直流电压

U△–三角波

U SC–脉宽调制器的输出（U Sr+U△）

图5-1-14 脉宽调制器电路图

调制波形图：