包裹采集机器人对抗赛电路技术实现讨论

包裹采集机器人对抗赛电路技术实现讨论浙江大学工业控制技术国家重点实验室陈首先2006-10-211.概述主控处理器传感器电机驱动其他机械装置电源包裹采集机器人的基本组成部分2.主控处理器选型目前可采用的主控处理器主要有:单片机(80C51，C8051F，PIC，……）DSP（TI公司的TMS320C2000系列）嵌入式处理器（ARM7：S3C44B0X，……）FPGA（Altera公司的EP1C3，EP1C6，……）可用于扩展处理器外围逻辑的器件：CPLD（Altera公司的MAX7000A系列，MAXII系列，……）2.1单片机主控处理器优点：使用简单价格便宜，外围电路简单缺点：功能相对简单大多数情况下需要仿真器和编程器可选型号：80C51系列C8051F系列PIC系列AVR系列……2.2DSP主控处理器TI公司用于电机控制等领域的DSP有如下优点：专为电机控制设计，具有许多电机控制所需要的片上外设，如PWM发生器，正交编码器外围电路简单（片上集成Flash和SRAM）开发较容易价格适中DSP的缺点：需要仿真器可选型号：TMS320LF2407TMS320LF28122.3嵌入式主控处理器嵌入式处理器目前应用很广，其优点有：性能较强，有丰富的片上外设，大多数处理器带有PWM模块可以移植操作系统（uClinux，Linux等），为使用USB摄像头等提供了可行方案有丰富的开发资料可以参考不需要仿真器嵌入式处理器的缺点：外围电路复杂，多数情况下需要扩展Flash和SDRAM如果采用现成的开发板成本较高基于操作系统环境，移植USB摄像头等难度较大2.3嵌入式主控处理器可选型号：ARM7系列：三星公司的S3C44B0X（片上外设丰富，有PWM发生器，需要外扩Flash和SDRAM，有移植好的uClinux，不需要仿真器）飞利浦公司的LPC213X系列（更像一块高性能的单片机，片上外设丰富，有PWM发生器，片上集成Flash和SRAM，外围电路简单，不需要仿真器。个人比较推荐）ARM9系列：三星公司的S3C2410（功能相当强大，系统复杂，有移植好的Linux，为使用USB摄像头等提供了可能，价格不菲）2.4FPGA主控处理器FPGA（现场可编程门阵列）是一种可编程器件，其优点有：器件可编程，可以根据自己需要添加各种外设，使得开发具有极大灵活性在Altera公司的FPGA上可以使用NIOSII处理器软核，使得FPGA变成一片32位的嵌入式处理器，极大的方便了开发使用NIOSII处理器软核可在线调试，不需要仿真器外围电路极其简单价格适中FPGA的缺点：不同于一般的MCU，开发过程中会使用到硬件描述语言，对没有基础的同学来说起步相对较难可选型号：Altera公司的Cyclone系列FPGA，如EP1C3，EP1C62.5CPLD用于外扩逻辑CPLD也是一种硬件可编程器件，其工作原理和FPGA基本一样，但CPLD门数较小，价格便宜，其用途有：扩展主控处理器没有的外设功能，如正交编码单元，PWM发生器等实现主控处理器与外设的时序转换实现各种数字逻辑，简化外围电路设计可选型号：Altera公司的MAX7000S系列（EPM7064,EPM7128)Altera公司的MAX3000A系列（EPM3064，EPM3128）Altera公司的MAXII系列（EPM240，EPM570）3.常用传感器介绍在机器人中，传感器占有重要位置。在包裹采集机器人里，传感器可以完成寻线，视觉，测距，辨识目标等功能。常用的传感器有：红外传感器超声波传感器光敏传感器CCD……3.1红外传感器红外传感器由红外发射二极管和红外接收三极管构成。通常使用的红外光波长是940nm。红外发射二极管红外接收三极管3.1红外传感器为了提高抗干扰能力，发射管发射的红外光通常被调制到38KHz的频率。为了提高红外灵敏度和作用范围，通常调制波的占空比较小但幅值很大。TRIG2OUT3RST4CVOLT5THR6DISC7VCC8GND1U22LM555CJR50R49C1C2R52R53VCC5VCC5D21N4148D11N4148J2Q44QNPNIR3.1红外传感器红外接收管通常分为分离式红外三极管和一体化红外接收管。红外三极管集、射级加一电压，当接收到红外光时集射级电流较大，当没有红外光时集射级电流较小。使用较为麻烦，需要自己用锁相环对38KHz红外光进行锁相检测。一体化红外接收管如图所示。当接收管接受到38KHz红外光时输出高电平或脉冲，否则输出低电平。使用简单，但体积略大。3.1红外传感器红外线发射与接收的方式有两种，其一是直射式，其二是反射式。直射式指发光管和接收管相对安放在发射与受控物的两端，中间相距一定距离。可用于探测目标物和电机测速。反射式指发光管和接收管并列一起，平时接收管始终无光照，只在发光管发出的红外光遇到反射物或反光物质时，接收管收到反射回来的红外线才工作。可用于寻线，探测目标物等。常用型号HS0038A,HS0038B。3.2超声波传感器超声波传感器由超声波发生器和超声波接收器组成。超声波发生器超声波接收器3.2超声波传感器实际应用中，采用的超声波频率通常为40KHz，即加在超声波发生器两端的方波电压频率为40KHz。TRIG2OUT3RST4CVOLT5THR6DISC7VCC8GND1U22LM555CJR50R49C1C2R52R53VCCVCCD21N4148D11N4148Q44QNPN3.2超声波传感器超声波接收器是一种无源器件，它能将接收到的超声波能量转化成电压信号输出。此输出电压幅值较小，需要经过放大并通过锁相环识别才能成为MCU能处理的逻辑信号。23114112311411OUT8GND7VCC4IN3TIMRES5TIMCAP6OUTFILT1LOOPFILT2U?LM567CHRRRCCVCCRVCCCCVCCRCRVCCSignalOut3.2超声波传感器超声波传感器主要用于探测前方物体和测距。超声波发生器发出的超声波碰到前方障碍物后被反射回来并被超声波接收器接收。通过计算发出超声波与接受到超声波的时间差可以计算出前方障碍物的距离。和红外传感器相比，超声波传感器在测距和探测障碍物方面精准度和作用范围都好很多。通常超声波测距距离可达5～10米，精度可达0.1米。超声波在空气中的传播速度与声速相同，与温度有关。3.3光敏传感器常用的光敏传感器包括：光敏电阻光敏二极管光敏三极管光敏传感器可以用在可见光反射寻物，电机测速等方面。3.3光敏传感器光敏电阻是一种阻值随光照强度变化而变化的电阻。其优点包括灵敏度高，光谱特性好，体积小，重量轻和成本低等。3.3光敏传感器光敏二极管和一般的二极管相似。但光敏二极管一般工作在反偏状态下。无光照时光敏二极管的反向电流很小，当有光照时反向电流增加。PhotoDiodeR3.3光敏传感器光敏三极管和红外接收管相似。它除了把光信号转换成电流信号外，同时又将电流信号加以放大。因此光敏三极管的光电流比相同管型的二极管光电流大很多。RPhotoNPN3.4CCD/CMOS摄像头CCD/CMOS传感器芯片数字信号接口芯片USBPC机镜头典型的USB摄像头组成框图左：CMOS传感器右：CCD传感器3.4CCD/CMOS摄像头方案一：在uClinux/Linux下移植USB摄像头驱动方案二：采用现成的USB摄像头，不用其接口芯片，而直接用MCU控制感光传感器，得到需要的视频信号。（例如采用CMOS传感为HY7131R/镁光MI360的摄像头）方案三：采用手机摄像头。（例如采用OV9650的摄像头）注意：如果采用方案二、三，最重要的是能否找到对应芯片的datasheet4.电机及驱动包裹采集机器人中可能用到的电机包括：直流电机有刷直流电机无刷直流电机步进电机伺服电机（舵机）4.1直流电机直流电机主要包括有刷直流电机和无刷直流电机。这里主要讨论有刷直流电机（下简称直流电机）。直流电机的参数主要有：功率W输出力矩N最高转速rpm电压V电流I4.1直流电机直流电机的工作特性:转速n=n0–ke·I(n0是空载转速，ke是转速常数，I是电流）输出转矩T=km·I(km是转矩常数，I是电流）电机电动势E＝ke·n电流I＝（U－E）/r0(U是加在电机两端的电压，r0是电机绕组的内阻）nn0T直流电机的工作特性曲线4.1直流电机U0VHtLtHLTttHtDT直流电机多采用PWM（脉宽调制）方式进行控制。其加在电机两端的电压为PWM波：占空比:电机两端电压的直流分量:dcUDU由此可见,电机电压的平均值与PWM波的占空比成正比，可以通过调节占空比实现直流电机的调速。通常情况下，PWM波的频率为几十KHz。4.1直流电机直流电机的PWM调速通常由H桥实现。MUSW1SW2SW3SW4SW1SW2SW3SW4U4.1直流电机常用H桥芯片：L298N（电流2A）4.1直流电机电机通常采用码盘反馈速度和转向：光学式码盘：码盘发射端：红外发射器或可见光源接收端：红外接收器或光敏器件正交编码脉冲：可以提高转速检测精度和测定转向。4.1直流电机直流电机控制系统：4.2步进电机步进电机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的控制电机。其特点有：可以根据控制转过精确的角度无需反馈，是一个半闭环系统步距误差不会积累停止时有自锁功能多数情况下需要使用步进电机专用驱动器5.机器人的供电系统包裹采集机器人可采用的供电方式主要是电池供电。常用的电池类型有：碱性电池镍氢电池锂电池电池选取的主要参数：电池组电压（ie:12V）电池组的容量（ie:2200mAH）电池组的最大输出电流（ie：10A）5.1降压的实现措施通常情况下，机器人使用的电池为十几伏，而很多芯片的供电电压为5V，3.3V，甚至1.8V。因此需要采用降压电路来得到需要的电压。降压电路分为两类：线性降压电路优点：简单，可靠性较高缺点：效率低，器件发热厉害开关型降压电路优点：效率高，器件发热量小缺点：电路较为复杂5.1降压的实现措施采用LM2576得到＋5V电压的开关式降压电路5.1降压的实现措施DGND+5VDGNDC5522uFC600.1uFDGNDC5622uFC610.1uFDGNDC530.1uFC540.1uFC5247uFDGNDDGNDDGNDNC1NC21GND31EN41IN51IN6NC7NC82GND92EN102IN112IN12NC13NC14NC15NC162OUT172OUT18NC19NC20NC212RESET221OUT231OUT241FB/NC25NC26NC271RESET28U3TPS767D318DGND1.8V3.3VDGNDC620.001uFDGNDC630.001uFXRS采用TPS767D318得到＋3.3V和＋1.8V电压的线性降压电路5.2获得负电压的措施机器人一般采用单电源正电压供电方式，而一些模拟器件如运放等可能需要正、负双电源供电，这样就需要将正电压转换成负电压。电压极性转化常用Buck－Boost型开关变换电路实现。采用LM2576得到－12V电压的典型电路6.参考资料1.《TMS320LF240xDSPC语言开发应用》刘和平等编著北京航空航天大学出版社2.《SOPC设计基础与实践》王建校编著西安电子科技大学出版社3..《电机与拖动基础》林瑞光编著浙江大学出版社5.《电子系统设计》何小艇编著浙江大学出版社6.《电动机的单片机控制》王晓明编著北京航空航天大学出版社7.《LinearApplicationHandbook》NationalSemiconductor个人资料姓名：陈首先专业：电力电子与电力传动06硕88ID：chcihE-mail：ch_cih@163.