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附件1：外文資料翻譯譯文
一個(gè)垂直移動(dòng)的機(jī)器人能夠控制手動(dòng)的消防設(shè)備
1.引言
關(guān)鍵詞：消防機(jī)器人，救災(zāi)機(jī)器人，救援機(jī)器人，城市搜索和救援.
有許多高層公寓和階梯軌道被用于阻止高速增長(zhǎng)的建筑火災(zāi)。然而，他們的身高遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于到達(dá)的高度梯子。另一方面，也出現(xiàn)了一些研究移動(dòng)機(jī)器人垂直關(guān)于墻的吸管手段。然而，它們的提升速度和可靠性可以在實(shí)際的消防操作中使用。我建議首先利用的移動(dòng)機(jī)器人的一個(gè)手臂。我開發(fā)全尺寸的混合控制系統(tǒng)，它由非線性試驗(yàn)機(jī)器人反饋和順序的方法組成。最后，我從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中得出的結(jié)論是垂直移動(dòng)機(jī)器人可用于高層公寓的消防。因此，我介紹機(jī)器人的大綱和解釋機(jī)器人的性能。
2.機(jī)器人綱要
機(jī)器人的照片如圖1尺寸為4.0米高，0.5米寬，大約0.4米深度?？偣布s38.5千克。機(jī)器人由兩個(gè)夾子和三個(gè)連續(xù)的鏈環(huán)組成。三個(gè)鏈環(huán)用來連接旋轉(zhuǎn)接頭，兩個(gè)夾鉗被安裝在通過旋轉(zhuǎn)接頭在每個(gè)鏈環(huán)的末尾。
夾鉗1和2的作用是相同的，雖然他們是被反向安裝在連接鏈環(huán)上的。鏈環(huán)1和3的作用是相同的，除了安裝在電力設(shè)備上。計(jì)算機(jī)及其接口的安裝被設(shè)置在鏈路1上。發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路被安裝在鏈路3上。鏈路1和3對(duì)稱的安裝在鏈路2上。
該機(jī)器人工作在直流為48V的電功率上，并且電源從外部供電。該電源連接到鏈路2中。直流發(fā)動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器。它們的額定功率是150W。
為了控制機(jī)器人，我使用了由聯(lián)合空間控制器和順序控制器組成的混合控制器。聯(lián)合空間控制器的設(shè)計(jì)是基于非線性反饋的方法。在聯(lián)合空間控制器中設(shè)置了理想的軌跡。
3.機(jī)器人運(yùn)動(dòng)
在本節(jié)中，我簡(jiǎn)要地解釋一下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)側(cè)圖如圖2，機(jī)器人的形狀大致顯示各個(gè)環(huán)節(jié)和機(jī)器人夾持器，以及圓圈代表機(jī)器人的連接處。這項(xiàng)運(yùn)動(dòng)被分為以下五個(gè)部分。
第1步。機(jī)器人釋放較低層扶手。手抓2解除垂直。
第2步。該機(jī)器人旋轉(zhuǎn)手抓2至陽(yáng)臺(tái)外面。
第3步。手抓2抬起。抓取2和鏈路3通過鏈路2內(nèi)部。每個(gè)鏈路和手抓2之間保持一定的空間，以避免與伸出的障礙物發(fā)生碰撞。
第4步。手抓2繼續(xù)抬起。對(duì)剛開始運(yùn)動(dòng)樓上間隔不明確，然后機(jī) 圖1移動(dòng)機(jī)器人
器人暫時(shí)將手抓2盡可能的舉高。
第5步。手抓2放下垂直并陷入到被動(dòng)的樓上扶手。
機(jī)器人上升一層樓時(shí)最終狀態(tài)和初始狀態(tài)發(fā)生變化。機(jī)器人通過這項(xiàng)運(yùn)動(dòng)一層又一層攀爬樓層。一個(gè)可以握扶手的垂直移動(dòng)機(jī)器人機(jī)器人是倒置的，因此為了能爬上一各樓層時(shí)，它需要將結(jié)構(gòu)1轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)2，結(jié)構(gòu)2轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)3，結(jié)構(gòu)3轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)2，結(jié)構(gòu)4轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)1。
圖2.機(jī)器人運(yùn)動(dòng)略圖
4．性能
我完成在幾個(gè)樓層間隔從2.50至3.20米，其間隔為0.10米的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)機(jī)器人能攀爬間隔高達(dá)3.1米的樓層。攀爬所需的時(shí)間取決于在樓層的間隔。我論述爬一層樓所需要得時(shí)間，在圖2中將這個(gè)運(yùn)動(dòng)分為三步。
第一部分所需的時(shí)間依賴于較低層間隔。雖然第二部分依賴于兩個(gè)上下樓層間隔嚴(yán)格，我把它看作僅僅依靠第二部分。假設(shè)較好吻合實(shí)驗(yàn)結(jié)果。第一部分所需的時(shí)間見表1和第二部分是列于表2。結(jié)果表明，在表中每0.20米的間隔使表變得簡(jiǎn)單。開關(guān)控制器的時(shí)間包括在第二部分。
例如，當(dāng)最底層的間隙為3.10米和上一層的間隙為2.50米時(shí)，在這種情況下采用18.8s。在這種情況下，它的爬行速度是0.149m/s。我認(rèn)為，機(jī)器人攀登的下限和上限平均值樓間隔，即機(jī)器人在這種情況下爬行2.8米。
表1 第一部分所需時(shí)間
較底層間隔(m) 2.50 2.70 2.90 3.10
時(shí)間(s) 6.23 6.49 6.78 7.13
表2 第二部分所需時(shí)間
較低層間隔(m) 2.50 2.70 2.90 3.10
時(shí)間(s) 11.67 11.16 10.59 9.90
在最高速度為0.182米/秒的條件下，較低層和上一層的樓層間隔都是3.10米，兩個(gè)樓面的最小間隔是2.50米，速度是0.140米/秒，由此我計(jì)算出的機(jī)器人爬行速度的平均值。它是0.161米/秒。
5.結(jié)論
作者的結(jié)論是設(shè)計(jì)垂直移動(dòng)機(jī)器人是用于高層公寓的消防戰(zhàn)斗。這樣就很清楚，這種機(jī)器人在合理時(shí)間內(nèi)能攀登建筑物。此外，這種機(jī)器人可以攀爬建筑物不同的樓層間隔從2.50至3.10米。
該機(jī)器人只是一個(gè)原尺寸試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒⑶疫€存在一些技術(shù)問題與耐水性，耐久性和可靠性部署機(jī)器人在消防局并利用它在實(shí)際的消防中滅火。然而，發(fā)展的基本部分地區(qū)已經(jīng)完成。
1． 導(dǎo)言—維護(hù)公民安全的消防機(jī)器人
各種災(zāi)難還在繼續(xù)侵襲21世紀(jì)，使城市結(jié)構(gòu)在社會(huì)環(huán)境發(fā)生了顯著的變化。如今消防員處理里災(zāi)難非常艱難，而且消防機(jī)器人比過去更為廣泛。
消防機(jī)器人替代了消防隊(duì)員而采取高效率的地面消防操作，在這種情況下由于難度爆炸，有毒氣體泄漏，熱/濃煙的危害等消防隊(duì)員發(fā)現(xiàn)它們的活動(dòng)。
作為應(yīng)急的全面支持，東京消防廳最新開發(fā)處高科技機(jī)器人以應(yīng)付重大災(zāi)難的發(fā)生。
2.概述
2.1無人駕駛車輛監(jiān)控噴嘴（彩圖5）（圖1）
這個(gè)機(jī)器人處理由于被坦克推翻的軌道，強(qiáng)烈的輻射熱，爆炸引起的嚴(yán)重的火災(zāi)等造成的石化總廠火災(zāi)，飛機(jī)墜毀火災(zāi)，石油火災(zāi)。
表1 消防機(jī)器人模型
模型 件 用法
無人駕駛車輛監(jiān)控噴嘴 4 消防 大型火災(zāi)
主要石油大火
遠(yuǎn)程控制消防車輛(噴射戰(zhàn)士) 1 隧道火災(zāi)
消防機(jī)器人(原型) 1 耐熱
建筑火災(zāi)
救援機(jī)器人(Robocue) 1 救援 有害物質(zhì)/
有毒氣體災(zāi)害
潛水機(jī)器人(水下搜索) 6 在水里進(jìn)行搜索和營(yíng)救
勘測(cè)機(jī)器人(消防搜索) 1 實(shí)況調(diào)查濃煙/有害氣體災(zāi)害
該機(jī)器人配備了一個(gè)障礙去除擺脫高空墮物，有害物質(zhì)等。水和泡沫分別被控制在5000和3000升/分鐘。
2.2.遙控消防車輛（噴氣戰(zhàn)斗機(jī)）（圖2）
這種機(jī)器人處理隧道火災(zāi)等城市災(zāi)害（如電話電纜隧道火災(zāi)）和地下商場(chǎng)火災(zāi)。
該機(jī)器人是由于高壓水和發(fā)動(dòng)機(jī)推動(dòng)的。
2.3.消防機(jī)器人（原型）（圖3）
這種遙控機(jī)器人戰(zhàn)斗火災(zāi)消防耐火建筑物或地下商場(chǎng)里，這里由于火焰，濃煙或熱使消防隊(duì)員無法進(jìn)入。該機(jī)器人是由一個(gè)機(jī)構(gòu)，一個(gè)增壓器，一個(gè)發(fā)電機(jī)的穩(wěn)壓器和一個(gè)控制電路板組成。
該機(jī)器人的排水量在200升/分鐘。為了有效控制機(jī)器人在其頭部安裝能顯示三倍空間大小的圖像。
圖1.無人駕駛車輛監(jiān)控噴嘴(彩圖5) 圖2. 遙控消防車輛（噴氣戰(zhàn)斗機(jī)）
2.4．救援機(jī)器人（Robocue）（圖4）
這種救援和找回的受害人是高新技術(shù)操作者。它移動(dòng)是依靠發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)橡膠抓取。
圖3. 消防機(jī)器人（原型） 圖4. 救援機(jī)器人
圖5.潛水機(jī)器人（水下搜索） 圖6.勘測(cè)機(jī)器人（消防搜索）
2.5．潛水機(jī)器人（水下搜索）（圖5）
當(dāng)消防戰(zhàn)士因?yàn)樘鞖鈼l件或水深無法潛水時(shí)，這種遙控機(jī)器人在水里可以進(jìn)行有效的搜索和救援受害者。使用三種螺旋推進(jìn)器使其能水平和垂直運(yùn)動(dòng)，它可下潛的深度為110米。
在被污染的水里它的超聲波檢測(cè)儀（聲納）發(fā)現(xiàn)能發(fā)現(xiàn)障礙物。
2.6．勘測(cè)機(jī)器人（消防搜索）（圖6）
假如消防員在困難的情況下進(jìn)入到一個(gè)濃煙或有毒氣體的災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)，這種遙控機(jī)器人根據(jù)實(shí)況調(diào)查作出響應(yīng)。
機(jī)器人進(jìn)入災(zāi)區(qū)對(duì)氣體密度進(jìn)行測(cè)量，在濃煙中攝影，可根據(jù)相機(jī)監(jiān)控進(jìn)行情況評(píng)估。
3．消防戰(zhàn)士的挑戰(zhàn)
雖然機(jī)器人使我們使用的最新技術(shù)，但是其功能從未達(dá)到令人滿意的水平。有些問題詳情如下。
3.1．耐熱性
消防機(jī)器人需要有耐熱性的系統(tǒng)作為它們的控制系統(tǒng)，必須保護(hù)其免受熱損傷。
雖然水冷卻系統(tǒng)顯然是最實(shí)際的，但是在實(shí)際應(yīng)用中它缺乏效率。
3.2．移動(dòng)
這就要求消防機(jī)器人能上下樓梯移動(dòng)。這有幾個(gè)方法采用機(jī)器人的更大的機(jī)動(dòng)性，像抓取工具或特殊就業(yè)車輪。我們的機(jī)器人都配備了抓取工具。
然而，這種動(dòng)力機(jī)制在速度和負(fù)載上有許多限制。因此，有必要開發(fā)更先進(jìn)的駕駛系統(tǒng)。
3.3．電源
作為消防機(jī)器人的電量來源，幾種方式如內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，電池，外置供電電源都是可以的。
雖然現(xiàn)在沒有完善的方法，但是電池系統(tǒng)是一個(gè)有希望的力量來源。水壓動(dòng)力是一個(gè)不可忽視電力來源
3.4．號(hào)傳輸系統(tǒng)
有兩種信號(hào)傳輸系統(tǒng)——無線電和電線。目前，有線比廣播更可靠。然而，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展表明無線電系統(tǒng)在今后將作為考慮的問題。
3.5．自主性
我們的最終目標(biāo)是開發(fā)在處理周邊情況時(shí)他們自己可以決定采取相應(yīng)行動(dòng)的防機(jī)器人。
為了讓消防機(jī)器人有自主能力，我們不得不在我們的機(jī)器人中引進(jìn)機(jī)械大腦。
4．結(jié)論
東京消防廳的有14類6種消防機(jī)器人模型。
我們想在實(shí)踐中提升‘消防機(jī)器人’，我們想到了開發(fā)‘高性能熱影響墊反應(yīng)機(jī)器人’。
今后，我們要發(fā)展多用途的機(jī)器人，作為消防戰(zhàn)士自治區(qū)消防機(jī)器人具有同樣的機(jī)動(dòng)性和判斷力。
附件2：外文原文（復(fù)印件）
湖 南 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué) 全 日 制 普 通 本 科 生 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 手動(dòng)機(jī)器人自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)（2012年全國(guó)大學(xué)生機(jī)器人大 賽手動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)） THE DESIGN OF MANUAL ROBOT CONTROL SYSTEM （THE DESIGN OF MANUAL ROBOT OF THE ABU ROBOCON IN 2012） 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 年級(jí)專業(yè)及班級(jí)： 指導(dǎo)老師及職稱： 副教授 學(xué) 院：工學(xué)院 湖南·長(zhǎng)沙 提交日期：2013年05月 目 錄 摘 要 ...............................................................................................................................1 關(guān)鍵詞 ...............................................................................................................................1 1 前言 ...............................................................................................................................2 1.1 2012Robocon 賽制簡(jiǎn)介 ............................................................................................2 1.1.1 比賽主題 ...............................................................................................................2 1.1.2 比賽規(guī)則 ...............................................................................................................2 1.2 手動(dòng)機(jī)器人任務(wù)簡(jiǎn)述 ...............................................................................................3 1.3 本次機(jī)器人設(shè)計(jì)原則 ...............................................................................................4 1.4 策略概要 ...................................................................................................................4 2 手動(dòng)機(jī)器人的總體設(shè)計(jì) ...............................................................................................5 2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ...........................................................................................................5 2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) ...........................................................................................................6 3. 手動(dòng)機(jī)器人硬件電路設(shè)計(jì) ..........................................................................................7 3.1 CPU 選擇 ....................................................................................................................7 3.1.1 最小系統(tǒng)原理圖 .................................................................................................10 3.2 電機(jī)選型 .................................................................................................................11 3.3 直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì) .................................................................................12 3.3.1 LM629 驅(qū)動(dòng)模塊 ..................................................................................................13 3.3.2 單片機(jī)模塊 .........................................................................................................19 3.3.3 18200 工作原理 ..................................................................................................20 3.4 電源模塊 .................................................................................................................23 3.4.1 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì) .....................................................................................................23 3.4.2 STM32 控制板電源設(shè)計(jì) ......................................................................................23 3.4.3 過流保護(hù)與欠壓保護(hù)電路設(shè)計(jì) .........................................................................24 3.5 通信模塊 .................................................................................................................25 3.6 人機(jī)交互模塊 .........................................................................................................26 3.7 信號(hào)隔離電路設(shè)計(jì) .................................................................................................28 3.8 編碼盤采樣模塊電路設(shè)計(jì) .....................................................................................28 3.9 復(fù)位電路設(shè)計(jì) .........................................................................................................29 3.10 硬件抗干擾及可靠性保證 ...................................................................................29 4 手動(dòng)機(jī)器人軟件及算法論證 .....................................................................................30 4.1 主控板程序流程圖 .................................................................................................30 4.2 Atmega32L 程序流程圖 ..........................................................................................31 4.3 PWM 的產(chǎn)生 ..............................................................................................................31 4.3.1 軟件生成 PWM......................................................................................................31 4.3.2 硬件生成 PWM......................................................................................................32 5 調(diào)試工具和方法介紹 .................................................................................................35 5.1 應(yīng)用 Protues 進(jìn)行調(diào)試與仿真 .............................................................................35 5.2 應(yīng)用 IAR Embedded Workbench for ARM 進(jìn)行編程調(diào)試 ...................................36 6 結(jié)論 .............................................................................................................................36 參考文獻(xiàn) .........................................................................................................................37 致謝 .................................................................................................................................37 附錄 .................................................................................................................................38 1 手動(dòng)機(jī)器人自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)（2012年全國(guó)大學(xué)生機(jī)器人 大賽手動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)） 學(xué) 生： 指導(dǎo)老師： （） 摘 要：在國(guó)內(nèi)外機(jī)器人競(jìng)賽熱潮的背景下，作為人才新生主力軍的大學(xué)生，自制 機(jī)器人參加各種比賽已經(jīng)成為了大學(xué)校園里一道亮麗的風(fēng)景線。作為湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)參賽代 表之一，我參加了2012年亞太大學(xué)生機(jī)器人大賽的各項(xiàng)活動(dòng)，參與了機(jī)器人的設(shè)計(jì)和制作 整個(gè)過程，在創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力、動(dòng)手能力和培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作精神等方面都得到了很大提高。而 本次設(shè)計(jì)的手動(dòng)機(jī)器人是一臺(tái)自動(dòng)化程度較高、控制精確靈活的機(jī)器人，這臺(tái)手動(dòng)機(jī)器人 由行走模塊、主控模塊和機(jī)械手臂等組成。需要完成一定難度的硬幣精確抓放，搬運(yùn)收集 機(jī)器人并精確放置等工作（題目源于2012年亞太大學(xué)生機(jī)器人大賽） 。這對(duì)機(jī)器人的競(jìng)爭(zhēng)力、 靈活性、準(zhǔn)確性有較高要求。手動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)采用基于 STM32的 CorTex -M3內(nèi)核的 開發(fā)板作為底層控制模塊，充分利用該款單片機(jī)高速處理能力與可靠性高的優(yōu)勢(shì)。 關(guān)鍵詞：機(jī)器人；驅(qū)動(dòng)；通信；PID 算法 ；PWM 調(diào)速； The Design Of Manual Robot Control System（The Design Of Manual Robot Of The ABU ROBOCON In 2012） Student:Xu Yang Tutor:Kang Jiang (College of Engineering , Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China) Abstract:In the situation of the booming robotics competition at home and abroad, as the main force of college students of the talent newborn ,the phenomenon of sending homemade robots to various competitions has become a beautiful landscape in the university. As one of the contestant of Hunan Agricultural University, I have participated the Robert competition which was hold in the Universiade in 2012.The activities of Asia-Pacific Robot Contest include robot 2 design and production of the entire process. It has been greatly improved in terms of innovative design capability, ability of practicing and cultivating teamwork spirit. This design is a high degree of automation, accurately and flexibly controlled manual robot, which consists of the walking module, the main control module and the mechanical arms. The main purpose is to complete an accurately action of picking coins , moving and collecting robots and replacing. (the title comes from the Asia-Pacific Robot Contest of College Students in 2012).It has a high requirement of robot in terms of competitiveness, flexibility, accuracy. The control system of the manual robot uses development board which is based on the STM32 Cortex-M3 core, as the underlying control module. It has taken full advantage of high-speed processing capability and high reliability of that subsection micro-controller. Key words: Robot; drive; communication; PID algorithm; PWM speed control； 1 前言 智能化機(jī)器人在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中所起到的作用越來預(yù)明顯，在人力資本日漸增 加的背景下，智能化機(jī)器人這種新型技術(shù)取代人力勞動(dòng)是社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)。 智能化機(jī)器人涉及多學(xué)科交叉綜合，它是人工智能、機(jī)器人技術(shù)、通信技術(shù)、 傳感器技術(shù)、信息及編程技術(shù)、計(jì)算機(jī)學(xué)、材料學(xué)、電子技術(shù)、傳動(dòng)技術(shù)、接 口技術(shù)、單片機(jī)原理、精密機(jī)械技術(shù)、自動(dòng)控制理論、伺服傳動(dòng)技術(shù)等諸多領(lǐng) 域的技術(shù)集成 [1]。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)選題來源于2012年全國(guó)大學(xué)生機(jī)器人比賽的項(xiàng) 目，論文內(nèi)容是關(guān)于手動(dòng)機(jī)器人自動(dòng)控制系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計(jì)，由于比賽整體水 平的不斷加深，因此本次設(shè)計(jì)的技術(shù)也較以往有了很大方面的改進(jìn) [2]。 1.1 2012robocon 賽制簡(jiǎn)介 1.1.1 比賽主題 此次大賽的主題為“Peng On Dai Gat”，中文意思為“平安大吉（包山斗智 顯平安） ”，源于民俗活動(dòng)，旨在祈求平安。 1.1.2 比賽規(guī)則 比賽要求每只參賽隊(duì)伍由一臺(tái)手動(dòng)機(jī)器人，一臺(tái)自動(dòng)機(jī)器人和一臺(tái)收集機(jī) 器人共三臺(tái)機(jī)器人組成。首先，手動(dòng)機(jī)器人從硬幣架上拿起硬幣投到硬幣箱中。 然后，自動(dòng)機(jī)器人啟動(dòng)把公共區(qū)的籃子搬到手動(dòng)區(qū)并回到啟動(dòng)區(qū)，與此同時(shí)， 手動(dòng)機(jī)器人需要把收集機(jī)器人搬起運(yùn)到自動(dòng)機(jī)器人上，由手動(dòng)機(jī)器人把收集機(jī) 器人搬運(yùn)到自動(dòng)機(jī)器人上。最后，收集機(jī)器人爬上小島，把底層和中間層的包 3 子抓取并放到籃子里，再由手動(dòng)機(jī)器人把收集機(jī)器人托起抓取頂層包子放到籃 子里，完成任務(wù)。期間不能違反比賽要求，用時(shí)最少完成任務(wù)或得分最多的獲 勝。比賽場(chǎng)地如圖 1 所示。 圖 1 比賽場(chǎng)地規(guī)格 Fig .1 Game Field Specifications 1.2 手動(dòng)機(jī)器人任務(wù)簡(jiǎn)述 手動(dòng)機(jī)器人的主要任務(wù)有： 1) 手動(dòng)機(jī)器人啟動(dòng)后需要從硬幣架拿起硬幣并放入硬幣箱； 2) 在沒犯規(guī)的前提下，手動(dòng)機(jī)器人必須穿越隧道，到達(dá)搜集機(jī)器人所在區(qū) 域并搬運(yùn)搜集機(jī)器人至自動(dòng)機(jī)器人 A（5 區(qū)）區(qū)域（見圖 2） ； 3) 手動(dòng)機(jī)器人搬運(yùn)放在手動(dòng)區(qū)的籃子（4 區(qū)）按照?qǐng)D中所示路線回到啟動(dòng) 區(qū)（6 區(qū)） ，并將籃子放置在小島上的放籃區(qū)； 4) 手動(dòng)機(jī)器人托起搜集機(jī)器人夾取包山最頂層包子，手動(dòng)機(jī)器人和搜集機(jī) 器人之間通過非射頻方式通信； 5) 在比賽規(guī)定時(shí)間（三分鐘）的最后一分鐘內(nèi)，手動(dòng)機(jī)器人可以直接從底 層開始夾取包子； 6) 當(dāng)搜集機(jī)器人完成每層至少一個(gè)包子的夾取和投放，比賽立即宣布結(jié)束， 完成規(guī)定任務(wù)并耗時(shí)最短的獲勝，未完成任務(wù)按照得分多少衡量勝負(fù)。 4 由于比賽規(guī)則限定：手動(dòng)機(jī)器人抓取硬幣并將硬幣放置到硬幣箱中，完成 速度較快的另外兩臺(tái)機(jī)器人優(yōu)先啟動(dòng)，這就要求手動(dòng)機(jī)器人穩(wěn)定性高、速度快、 定位精準(zhǔn)，所以對(duì)手動(dòng)機(jī)器人的要求更高。 圖 2 手動(dòng)機(jī)器人行動(dòng)路線示意圖 Fig .2 The schematic diagram of Manual robot walking route 1.3 本次機(jī)器人設(shè)計(jì)原則 基于對(duì)以往比賽經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)和對(duì)此次參賽機(jī)器人的性能等各方面的要求， 此次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)主要考驗(yàn)的是機(jī)器人的行走路線、機(jī)器人運(yùn)行的穩(wěn)定性、快速 性、準(zhǔn)確性以及可操作性。在小組討論后，我們制定了如下機(jī)器人設(shè)計(jì)原則。 1)機(jī)器人必須與大賽的主題相吻合，創(chuàng)意獨(dú)到。 2)機(jī)器人必須穩(wěn)、準(zhǔn)、快。指機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的機(jī)動(dòng)性、穩(wěn)定性和取放硬幣的 準(zhǔn)確性。速度只有與機(jī)動(dòng)性、靈巧性和準(zhǔn)確性結(jié)合才能相得益彰。才能在競(jìng)爭(zhēng) 中獲得勝利。 3)機(jī)器人應(yīng)具有高智能，機(jī)器人在人機(jī)交互模塊中一定要具備優(yōu)秀的可操 作性。 4)機(jī)器人代表隊(duì)的配合默契程度。指自動(dòng)機(jī)器人、手控機(jī)器人的配合要好， 因?yàn)楸荣惒皇潜绕磫闻_(tái)機(jī)器人的功能,小組特別強(qiáng)調(diào)機(jī)器人團(tuán)隊(duì)之間的協(xié)同作戰(zhàn)。 1.4 策略概要 在比賽一開始手動(dòng)機(jī)器人就以最短路線運(yùn)動(dòng)到硬幣所在區(qū)域，并抓取硬幣 5 投放到硬幣箱中，在抓取過程中可以用啟動(dòng)按鈕控制機(jī)器人走自動(dòng)程序精確定 位并抓取，這樣有效地為自動(dòng)機(jī)器人運(yùn)行爭(zhēng)取了部分時(shí)間，比賽過程中不同機(jī) 器人之間使用非射頻方式進(jìn)行通信，可以更好的協(xié)調(diào)好不同機(jī)器人之間完成相 應(yīng)任務(wù),所以在比賽中我們可以選擇手動(dòng)機(jī)器人的第一步走自動(dòng)程序完成抓放硬 幣的工作。 2 手動(dòng)機(jī)器人的總體設(shè)計(jì) 2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 由于在比賽過程中手動(dòng)操作者必須坐在手動(dòng)機(jī)器人上進(jìn)行相應(yīng)任務(wù)，所以 整個(gè)手動(dòng)機(jī)器人選取由壁厚為 1.2mm、25×25mm 的不銹鋼方管焊接而成，可保 證其強(qiáng)度。底盤采用后驅(qū)形式，兩后輪單獨(dú)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，兩前輪采用萬向輪結(jié) 構(gòu)。在這個(gè)輪系結(jié)構(gòu)當(dāng)中，當(dāng)左右后輪電機(jī)轉(zhuǎn)速不同時(shí)，左右后兩輪的轉(zhuǎn)速不 同，而前輪只是起支撐作用，從而實(shí)現(xiàn)手動(dòng)機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎。電機(jī)與驅(qū)動(dòng)輪之間 我們采用鏈條傳動(dòng)方式。由于手動(dòng)機(jī)器人在賽中要抬起一臺(tái)和自身相當(dāng)重的自 動(dòng)機(jī)器人，而普通的電機(jī)達(dá)不到自鎖能力，所以我們額外給升降結(jié)構(gòu)增加一個(gè) 棘輪機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)普通電機(jī)的這個(gè)缺陷。對(duì)于升降機(jī)構(gòu)，為了增強(qiáng)它的承載能力， 我們借鑒電梯的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一個(gè)內(nèi)滑式滑塊。圖 3 為手動(dòng)機(jī)器人的整體簡(jiǎn)易 三維圖。 圖 3 手動(dòng)機(jī)器人整體三維圖 6 Fig .3 Electric car 3D figure as a whole 2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 主控板以近年來迅速發(fā)展的 ARM Cortex-M3 內(nèi)核處理器為控制核心；ARM 單片機(jī)上面配有過壓保護(hù)和限流保護(hù)，而且使用的是外部晶振，有足夠的能力 對(duì)系統(tǒng)里面的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算。而且本系統(tǒng)成本低，通信模塊穩(wěn)定，控制部分功 耗低，電源利用率高，對(duì)于機(jī)器人的控制也滿足設(shè)計(jì)要求，能夠較穩(wěn)定的控制 機(jī)器人的各個(gè)模塊 [3]。 圖 4 系統(tǒng)方框圖 Fig.4 Block diagram of a system 本設(shè)計(jì)是基于 STM32 單片機(jī)的手動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要由兩塊 STM32 主控模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電子方向盤模塊、棘輪模塊、LM629 驅(qū)動(dòng) 模塊、單片機(jī)模塊、電子油門模塊、串口通信模塊與電源模塊等模塊組成。主 控模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心。它與其它各個(gè)模塊之間通過不同電路和接口協(xié)議進(jìn) 行相連。電子方向盤模塊、電子油門模塊、電子剎車、按鍵模塊等傳感器輸入 部分對(duì)系統(tǒng)外界信息進(jìn)行采集和處理后，將數(shù)據(jù)通過電平信號(hào)、PWM 信號(hào)等方 式發(fā)送到中央處理模塊。然后按照通信協(xié)議，接口協(xié)議等要求和其他模塊進(jìn)行 通信模塊 STM32 下位機(jī) STM32 上位機(jī) 輸入輸出模塊人機(jī)交互模塊 底盤電機(jī)驅(qū)動(dòng) 驅(qū)動(dòng)模塊 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊 棘輪模塊 升降電機(jī)驅(qū)動(dòng)模 塊 傳感器 油門裝置剎車裝置 傳感器 7 信息交換，由中央處理模塊根據(jù)軟件設(shè)計(jì)中的流程圖和所設(shè)計(jì)的算法，對(duì)數(shù)據(jù) 進(jìn)行分析與處理 [4]。從而得到相關(guān)的最優(yōu)輸出操作，通過輸出 PWM（Pulse Width Modulation，脈寬調(diào)制）波的方式向單片機(jī)模塊發(fā)命令，單片機(jī)模塊再 通過串口通信控制 LM629 模塊從而控制電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。通過電平控制氣動(dòng)模 塊的狀態(tài)。從而達(dá)到對(duì)手動(dòng)機(jī)器人各部分的控制。其對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)方框圖如圖 4 所示。 3. 手動(dòng)機(jī)器人硬件電路設(shè)計(jì) 3.1 CPU 選擇 CPU 是整個(gè)手動(dòng)機(jī)器人的核心環(huán)節(jié)。它是實(shí)現(xiàn)信息處理、命令輸出與智能 算法等的平臺(tái)。本設(shè)計(jì)對(duì) CPU 有以下三種方案： 方案一：采用 ATMEL 公司研制的基于 AVR RISC 結(jié)構(gòu)的 8 位低功耗 CMOS 微處理器 ATMEGA128 單片機(jī)作為主控板。 AVR 單片機(jī)是高速嵌入式 單片機(jī)，數(shù)據(jù)處理速度快、中斷響應(yīng)迅速 [5]。其次，AVR 單片機(jī)高性能、低功 耗，且其快速的存取寄存器組、單周期指令系統(tǒng)，很大程度上優(yōu)化了目標(biāo)代碼 所占用的存儲(chǔ)空間，也在一定程度下提高了程序的執(zhí)行效率，部分型號(hào) FLASH 非常大，特別適用于使用高級(jí)語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)。 但是 AVR 系列單片機(jī)都不具備 硬件正交增量編碼器功能。 8 圖 5 STM32 引腳圖 Fig.5The pin diagram of STM32 方案二：根據(jù)手動(dòng)機(jī)器人控制性能的要求，我們可以采用STM32F103VET6—— 基于最新Cortex?-M3 內(nèi)核的 32位ARM7微處理器。如果僅僅使用一塊 STM32芯 片執(zhí)行所有程序會(huì)造成程序編寫復(fù)雜、芯片負(fù)載過高（堆棧溢出） 、響應(yīng)速度緩 慢、端口配置沖突（如TIM8和TIM1不能同時(shí)使用）等問題。這與機(jī)器人的設(shè) 計(jì)要求 不符故采用兩塊STM32 芯片做分級(jí)系統(tǒng)。共同構(gòu)成中央處理單元從而具有并行 處理的能力。這樣在串口通信的前提下既保證了手動(dòng)機(jī)器人各個(gè)模塊控制靈活 性，又同時(shí)保證了CPU的響應(yīng)速度和處理能力。由于STM32單片機(jī)具有更優(yōu)良 的性能，同時(shí)分級(jí)系統(tǒng)擁有更高效的控制性能和并行處理能力，所以我們最終 選擇方案二作為本設(shè)計(jì)的CPU。如圖5所示。 Cortex-M3 是一款低功耗處理器，具有門數(shù)目少，中斷延遲短，調(diào)試成本 低的特點(diǎn)，是為要求有快速中斷響應(yīng)能力的深度嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。該處理 器采用ARMv7-M 架構(gòu)，在機(jī)器人調(diào)試過程中能夠充分滿足各方面的要求。 STM32F103VET6是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真的16/32位ARM 32位的Cortex?-M3 CPU的微控制器，并帶有128kB嵌入的高速Flash存儲(chǔ)器。20k的RAM,128 位寬度 的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行Thumb-2 指令集以16位的代碼密度帶來了32位的性能，由于內(nèi)置了快速的中斷控制器， STM32的擁有優(yōu)越的實(shí)時(shí)特性，中斷間的延遲時(shí)間只需6個(gè)CPU周期，從低功耗模 式喚醒也只需6個(gè)cpu周期。與ARM7TDMI相比運(yùn)行速度最多可以快35%且代碼最多 可以省45%。由于內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口（范圍從多個(gè)UART、SPI 和CAN 到兩條I2C總線）和8kB的片內(nèi)SRAM，多個(gè)32位和16位定時(shí)器、1個(gè)改良的10位 ADC、所有定時(shí)器上輸出匹配的PWM 特性、以及具有多達(dá)13個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的 外部中斷管腳的32條高速GPIO線，GPIO翻轉(zhuǎn)頻率最高能達(dá)到18MHz。使這種微控 制器特別適合工業(yè)自動(dòng)化控制、電力電子技術(shù)應(yīng)用、智能化儀器儀表及電機(jī)、 馬達(dá)伺服控制系統(tǒng)等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。 STM32f103VET6芯片的主要性能如下： 內(nèi)核: 1、 ARM 32位的Cortex -M3 CPU ,最高可達(dá)72MHZ工作頻率 2、在存儲(chǔ)器的0的等待周期訪問時(shí)可達(dá)1.25DMisp、MHZ 3、具有單周期乘法和硬件除法 9 存儲(chǔ)器： 1、高達(dá)128K字節(jié)的閃存程序存儲(chǔ)器 2、高達(dá)20K字節(jié)的SRAM 時(shí)鐘、復(fù)位和電源管理： 1、2.0-3.6V供電和I/O引腳 2、上電/斷電復(fù)位（POR/PDR） 、可編程電壓監(jiān)測(cè)器（PVD） 3、4-16MHZ晶振振蕩器 4、內(nèi)嵌經(jīng)出廠調(diào)教的8MHZ的RC振蕩器 5、內(nèi)嵌帶校準(zhǔn)的40KMZ的RC振蕩器 6、產(chǎn)生CPU時(shí)鐘的PLL 7、帶校準(zhǔn)的32KMZ的RC振蕩器 低功耗： 1、睡眠、停機(jī)和待機(jī)模式 2、Vbat為RTC和后備寄存器供電 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 1、2個(gè)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，1us轉(zhuǎn)換時(shí)間（多達(dá)16個(gè)輸入通道） 2、轉(zhuǎn)換范圍：0至3.6V 3、雙采樣和保持功能 4、溫度傳感器 DMA 1、7通道DMA控制器 2、支持的外設(shè)：定時(shí)器、ADC、SPI、I2C和USRT 3、多達(dá)80個(gè)快速I/O端口26/37/51/80個(gè)I/O口，所有I/O口一顆映像到16個(gè) 外部中斷；幾乎所有的端口均可容忍5V信號(hào) 調(diào)試模式 串行單線調(diào)試（SWD)和JTAG接口 定時(shí)器： 1、3個(gè)16位定時(shí)器，每個(gè)定時(shí)器有多達(dá)4個(gè)用于輸入捕獲/輸出比較/PWM或 脈沖計(jì)數(shù)的通道和增量編碼器輸入 2、1個(gè)16位帶死區(qū)控制和緊急剎車，用于電機(jī)控制的PWM高級(jí)控制定時(shí)器 3、2個(gè)看門狗定時(shí)器（獨(dú)立的和窗口型的） 10 4、系統(tǒng)時(shí)間定時(shí)器：24位自減型計(jì)數(shù)器 通信接口 1、多達(dá)2個(gè)I平方C接口(支持SMBus/PMBus) 2、多達(dá)3個(gè)USART接口（支持ISO7816接口，LIN，IrDA接口和調(diào)制解調(diào)控制） 3、多達(dá)2個(gè)SPI接口(18M位/秒） 4、CAN接口 5、USB 2.0全速接口 圖 6 STM32F103X 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 Fig.6 Block diagram of STM32F103X System 11 3.1.1 最小系統(tǒng)原理圖 圖 7 STM32 最小系統(tǒng) Fig.7 The Minimum System of STM32 最小系統(tǒng)電路是處理器芯片能工作所必需的電路結(jié)構(gòu)，包括電源電路、復(fù) 位 電路、晶振以及調(diào)試接口 [7]（這里是 JLink 接口） 。因?yàn)?STM32 內(nèi)部包含 128KB 的 FLASH 以及 32KB 的 SRAM，滿足設(shè)計(jì)需要，所以不再進(jìn)行存儲(chǔ)器擴(kuò)展。 如圖 7 所示是 STM32F103VET6 的最小工作系統(tǒng)原理圖。 3.2 電機(jī)選型 底盤電機(jī)選型： (1)底盤最大負(fù)重： M=20kg(機(jī)器人自重)+60kg(操作者體重)+15kg( 收集機(jī)器人 自重)=95kg (2)需要的加速度： 21.5/ams? (3)底盤最大速度： V (4)輪子直徑： D=160mm (6)驅(qū)動(dòng)方式： 兩輪直輪驅(qū)動(dòng) 機(jī)器人勻速運(yùn)行時(shí)： 機(jī)器人勻速驅(qū)動(dòng)需要的最大驅(qū)動(dòng)力： 取輪子與地面的摩擦系數(shù)為： =0.5? ' 47.5FMgN???勻 取驅(qū)動(dòng)力安全系數(shù) 1?'71.FN???勻 勻 電機(jī)勻速行駛的驅(qū)動(dòng)功率： 289PVW?勻 out勻 電機(jī)減速箱為行星減速箱一般效率 [11]為： =0.?減 速 箱 電機(jī)與輪子為鏈條傳動(dòng)因無鏈條箱取效率為： 5鏈 條 電機(jī)勻速行駛的實(shí)際功率 ： in//9.7?勻 勻 out減 速 箱 鏈 條 電機(jī)額定電壓： 24V 電機(jī)額定電流： 3.9nPIAU?勻 i 機(jī)器人加速運(yùn)行時(shí)： 驅(qū)動(dòng)力： 142.5aFmN 加速時(shí)間： /7tvs? 12 行駛距離： 21.7Satm? 每個(gè)輪子的驅(qū)動(dòng)力： 59.4xaFN?? 地面動(dòng)摩擦力 .fg? 因動(dòng)量守恒： 21outVPfS? 底盤輸出功率 =235.3W ()/outmt?? 底盤實(shí)際功率 int/=25.7t W?減 速 箱 鏈 條 電機(jī)實(shí)際功率： Wi16.P 啟動(dòng)沖擊電流： 5IAU? 綜上每個(gè)輪子的最大驅(qū)動(dòng)力： max=59.4NF? 輪子轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)： 60n12Vrp?? 驅(qū)動(dòng)力矩： 4.756.xMr? 根據(jù)以上數(shù)據(jù)，我們選取了 Maxon RE40 148867 作為底盤電機(jī) [8]，其具體參數(shù) 如圖 8。 圖8 Maxon RE40電機(jī)參數(shù) Fig.8 Maxon RE40 Motor 其他電機(jī)按此計(jì)算升降電機(jī)和棘輪電機(jī)分別采用 RE35、RE25。 3.3 直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì) 伺服模塊組成：采用 ATmega32L 作為模塊主芯片,LM629 作為輔助芯片 （主要用于 PID 調(diào)節(jié)） ，編碼盤來采樣的數(shù)據(jù)來組合成一個(gè)電機(jī)伺服系統(tǒng)，以 驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。在此模塊設(shè)計(jì)中，我們通過充分利用空心杯直流伺服電機(jī)及其 驅(qū)動(dòng)模塊有電機(jī)體積小，重量輕，扭矩大，精度高，響應(yīng)快，速度高，慣量小， 轉(zhuǎn)動(dòng)平滑，力矩穩(wěn)定，容易實(shí)現(xiàn)智能化，其電子換相方式靈活，可以方波換相 或正弦波換相的特點(diǎn)。在調(diào)試的過程中，由于我們選擇驅(qū)動(dòng)模塊種類不一，曾 13 發(fā)生過底盤兩電機(jī)在直線運(yùn)動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速不一樣，經(jīng)過小組討論和決定，最終我們 選擇銘朗科技 MLDS3810TE 作為底盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)模塊如圖 9，它具有 穩(wěn)定性好，精度高的優(yōu)點(diǎn)。 圖 9 伺服系統(tǒng)模塊 Fig.9 Servo system module 3.3.1 LM629 驅(qū)動(dòng)模塊 3.4.1.1 LM629 是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體共識(shí)的產(chǎn)品，他是全數(shù)字式控制的專用運(yùn)動(dòng)控 制處理器。通過一片單片機(jī)一片 LM629 一片功率驅(qū)動(dòng)器一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)一個(gè)增 量式光電編碼盤就可以構(gòu)成一個(gè)伺服系統(tǒng)。LM629 引腳定義如表 1，LM629 引腳 定義如圖 10。 14 圖 10 LM629 引腳定義圖 Fig.10 Lead feet definition of the LM629 表 1 LM629 引腳定義 Table1 Lead feet definition of the LM629 LM629 引腳 引腳名字 I/O 應(yīng)用說明 1 IN Input 編碼 IN 信號(hào) 2 A Input 編碼 A 信 3 B Input 編碼 B 信 4-11 D7-D0 Input 數(shù)據(jù)端口 12 CS IO 讀寫片選 13 RD Input 讀控制端口 14 GND GND 電源地 15 WR Input 寫控制端口 16 PS Input 數(shù)據(jù)命令的片選控制端口 17 HI Output 中斷輸出端口 18 PWM_SING Output 方向信號(hào)輸出端口 19 PWM_MAG Output PWM 信號(hào)輸出端口 20-25 NC 不用 26 CLK Output 系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)輸入 27 RST Output 復(fù)位信號(hào)輸入端口 28 VDD Power 電源端口 3.3.1.2 LM629 工作原理 如圖 11 利用增量式光電編碼盤來反饋電動(dòng)機(jī)的實(shí)際位置。來自增量式光電 編碼盤的位置信號(hào) A，B 經(jīng) LM629 四倍頻，提高分辨率。 A，B 邏輯狀態(tài)每變 化一次， LM629 內(nèi)的位置寄存器加(減)1。編碼盤的 A，B，C 信號(hào)同為低電平 時(shí)，就產(chǎn)生一個(gè) Index（見圖 12）信號(hào)送入 Index 寄存器，記錄電動(dòng)機(jī)的絕對(duì)位 置。能實(shí)現(xiàn)兩種控制方式： 15 用位置控制方式時(shí)，單片機(jī)送來加速度、最高轉(zhuǎn)速、最終位置數(shù)據(jù)， LM629 利用這些數(shù)據(jù)計(jì)算運(yùn)行軌跡如圖 13(a)所示。在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，上述參 數(shù)允許更改，產(chǎn)生如圖 13(b)所示的軌跡。 速度控制方式時(shí)，電動(dòng)機(jī)用規(guī)定的加速度加速到規(guī)定的速度，并一直保持 這個(gè)速度，直到新的速度指令執(zhí)行。如果速度有擾動(dòng)，LM629 可使其平均速度 恒定不變。 圖 11 系統(tǒng)框圖 Fig.11 The system Block Diagram 圖 12 編碼盤信號(hào) Fig.12 Quadrature Encoder Signals 16 圖 13 運(yùn)行軌跡 Fig.13 Movement track 位置控制時(shí)，LM629要求主處理器提供軌跡參數(shù)。速度、加速度和位置值， 并且這些參數(shù)必須轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)M629所要求的形式。假設(shè)編碼器為500線，要求加速 度為0．1 r／s 、最大速度為0．2 r／s、完成轉(zhuǎn)兩圈的位置控制。其軌跡曲線 如圖13(a)。 LM629所要求的各參數(shù)計(jì)算過程如下：由于LM629對(duì)其進(jìn)行了4倍頻，所以編碼 器處理結(jié)果如下： 設(shè)PC為需向LM629 寫入的目標(biāo)位置值，其單位為counts（編碼器脈沖數(shù))設(shè) L為編碼器500線數(shù)有L=500×4=2000；故有PC=L×期望轉(zhuǎn)數(shù)=2000×100=200000= 0X00030D40，即電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，LM629計(jì)2000個(gè)數(shù)。 (1)采樣周期: T 為采樣時(shí)間= 2048\6000000=341μS。 (2)速度: 設(shè)V為需向LM629 寫入的目標(biāo)速度值，單位為counts/sample。故有 V=L×T×（期望速度/60）=2000×341×0.000001×（600/60） =6.82counts/sample。 折合成16進(jìn)制數(shù)：V=1.364×65536=89391.104≈89391=0 x004432EF。 (3)加速度： 設(shè)A（假設(shè)為每分鐘600轉(zhuǎn)）為需向LM629 寫入的目標(biāo)加速度值，單 counts/sample2，故有A=L×T×期望加速度 =2000×341×0.000001×341×0.00001=0.00022885counts/sample2。 折合成16進(jìn)制數(shù)：A=0.00004577×65536=14.9979136≈15=0 x0000000F。 3.3.1.2 運(yùn)動(dòng)控制字 表 2 LM629 運(yùn)動(dòng)控制字 Table2 Trajectory Control Commands of the LM629 位 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 說 明 相 對(duì) 位 置 裝 位 置 相 對(duì) 速 度 裝 速 度 相 對(duì) 加 速 裝 加 速 度 不 用 不 用 PW M= 0 快 停 慢 停 速 度 方 式 正 轉(zhuǎn) 不 用 不 用 不 用 17 軌跡參數(shù)編程時(shí)，以LTRJ命令引導(dǎo)，緊隨其后為兩個(gè)字節(jié)的控制字。用戶 能通過動(dòng)指令輸入加速度、速度、位置、控制方式、轉(zhuǎn)向、停車方式等數(shù)據(jù)。 數(shù)據(jù)有前2個(gè)字節(jié)的內(nèi)容如表2所列。其后緊隨著的是加速度、速度、位置參數(shù) 數(shù)據(jù)。其中加速度和速度都是32位數(shù)據(jù)，它們的低16數(shù)據(jù)都是小數(shù)位。位置數(shù) 據(jù)是30位有符號(hào)數(shù)。 3.3.1.3 PID 參數(shù) 表 3 PID 控制字 Table3 Filter Control word Bit Allocation of the LM629 位 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 積 分 極 限 KD KI KP 不用 不用 不用 不用 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . 0 說 明 65 53 6 1 1 1 1 1 1 0 LM629 內(nèi)部有一個(gè)數(shù)字 PID 控制器，用來控制閉環(huán)系統(tǒng)。數(shù)字 PID 控制器 采用增量式 PID 控制算法，所需的 KP、K I、K D數(shù)據(jù)由 Atmega32 單片機(jī)提供。數(shù) 據(jù)的前 2 個(gè)字節(jié)中，低字節(jié)內(nèi)容如表所列；高字節(jié)存放微分采樣時(shí)間間隔數(shù)據(jù)， 其數(shù)據(jù)格式如表 3 所示。隨后是參數(shù)數(shù)椐，每個(gè)數(shù)據(jù)占 2 個(gè)字節(jié)。順序?yàn)?KP、K I、K D和積分極限。 3.3.1.4 LM629 狀態(tài)和信息 表 4 LM629 的信號(hào)寄存器位內(nèi)容 Table 4 Signals Register Bit Allocation of the LM629 位 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 18 說 明 下 一 個(gè) in de x 命 令 錯(cuò) 中 斷 運(yùn) 動(dòng) 完 成 中 斷 In de x 脈 沖 中 數(shù) 位 置 信 息 錯(cuò) 中 斷 位 置 超 差 中 斷 斷 點(diǎn) 到 中 斷 停 車 8 位 輸 入 誤 差 停 運(yùn) 動(dòng) 完 成 速 度 方 式 正 轉(zhuǎn) 執(zhí) 行 UD F 裝 加 速 發(fā) 生 中 斷 Atmega32 單片機(jī)可以寫 RDSTAT 和 RDSIGS 指令到 LM629，便可以讀出 LM629 的狀態(tài)和寄存器的數(shù)據(jù)，如表 4。通過判斷中斷的類型，可以更好的 LM629 進(jìn)行相應(yīng)的操作。 例如當(dāng)位置超差的時(shí)候，LM629 的 HI 端口便會(huì)變?yōu)榈碗娖?，這時(shí)單片機(jī)的外部 中斷便可以采樣到中斷的信號(hào)，然后通過寫入 RDSTAT 和 RDSIGS 的指令，然后 讀出具體的中斷源，來停止對(duì)電機(jī)的控制。 3.3.1.5 LM629 控制字 表 5 LM629 的用戶命令集 Table 5 User Command Set of the LM629 命令 類型 說明 十六進(jìn)命令 數(shù)據(jù)字 節(jié) RESET 初始化 LM628 復(fù)位 00 0 PORT8 初始化 8 位的 PWM 05 0 PORT12 初始化 12 位的 PWM 06 0 DFH 初始化 定義原點(diǎn) 02 0 SIP 中斷 設(shè)置 Index 位置 03 0 LPEI 中斷 錯(cuò)誤中斷 1B 2 LPES 中斷 錯(cuò)誤停止 1A 2 SBPA 中斷 設(shè)置絕對(duì)斷點(diǎn) 20 4 SBPR 中斷 設(shè)置相對(duì)斷點(diǎn) 21 4 MSKI 中斷 屏蔽中斷 1C 2 RSTI 中斷 復(fù)位中斷 1D 2 LFIL 裝載 下載 PID 參數(shù) 1E 2 到 10 UDF 裝載 使 PID 參數(shù)有效 04 0 LIRJ 軌跡 下載軌跡參數(shù) 1F 2 到 14 STT 軌跡 啟動(dòng)電機(jī) 01 0 RDSTAT 反饋 讀狀態(tài) 無 1 19 RDSIGS 反饋 讀寄存器 0C 2 RDIP 反饋 讀 Index 位置 09 4 RDDP 反饋 讀預(yù)定的位置 08 4 RDRP 反饋 讀實(shí)際的位置 0A 4 RDDV 反饋 讀預(yù)定的速度 07 4 RDRV 反饋 讀實(shí)際的速度 0B 2 RDSUM 反饋 讀積分與數(shù)據(jù) 0D 2 LM629 有 22 條指令，單片機(jī)只要通過這些指令（表 5）可以對(duì) LM629 進(jìn)行控 制，數(shù)據(jù)傳送和了解狀態(tài)信息。 3.3.1.6 LM629 控制部分電路設(shè)計(jì)，如圖 14。 圖14 LM629的原理圖 Fig.14 Schematics of LM629 3.3.2 單片機(jī)模塊 在伺服器領(lǐng)域廣泛采用 MSP430、AVR 等 8 位單片機(jī)。本設(shè)計(jì)亦采用 AVR 系列單片機(jī) ATmega32L 作為模塊處理器。 3.3.2.1 ATmega32L 產(chǎn)品特性 （1） 它是一種高性能、低功耗的 8 位 AVR? 微處理器 （2） 先進(jìn)的 RISC 結(jié)構(gòu) 131 條指令 ，大多數(shù)指令執(zhí)行時(shí)間為單個(gè)時(shí)鐘周 期，32 個(gè) 8 位通用工作寄存器 全靜態(tài)工作工作于 16MHz 時(shí)性能高達(dá) 16 MIPS 只需兩個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器。 （3） 非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 32K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flash 擦寫壽 命: 10,000 次具有獨(dú)立鎖定位的可選 Boot 代碼區(qū)通過片上 Boot 程序?qū)?現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程真正的同時(shí)讀寫操作 1024 字節(jié)的 EEPROM 擦寫壽命: 100,000 次，2K 字節(jié)片內(nèi) SRAM，可以對(duì)鎖定位進(jìn)行編程以實(shí)現(xiàn)用戶程序的 20 加密。 （4） JTAG 接口( 與 IEEE 1149.1 標(biāo)準(zhǔn)兼容) （5） 符合 JTAG 標(biāo)準(zhǔn)的邊界掃描功能，支持?jǐn)U展的片內(nèi)調(diào)試功能，通過 JTAG 接口實(shí)現(xiàn)對(duì) Flash、EEPROM、熔絲位和鎖定位的編程。 （6） 豐富的外設(shè)特點(diǎn) （7） 兩個(gè)具有獨(dú)立預(yù)分頻器和比較器功能的 8 位定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器， 一 個(gè)具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的 16 位定時(shí)器 / 計(jì)數(shù)器，具有獨(dú) 立振蕩器的實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器 RTC， 四通道 PWM， 8 路 10 位 ADC，8 個(gè)單端通 道，TQFP 封裝的 7 個(gè)差分通道 2 個(gè)具有可編程增益（1x, 10 x, 或 200 x）的差分通道； 面向字節(jié)的兩線接口可編程的串行 USART ，可工作 于主機(jī)/ 從機(jī)模式的 SPI 串行接口，具有獨(dú)立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗 定時(shí)器，片內(nèi)模擬比較器。 （8） 上電復(fù)位以及可編程的掉電檢測(cè)，片內(nèi)經(jīng)過標(biāo)定的 RC 振蕩器，片 內(nèi)/片外中斷源。 （9） 6 種睡眠模式: 空閑模式、ADC 噪聲抑制模式、省電模式、掉電模 式、Standby 模式以及擴(kuò)展的 Standby 模式。 （10） 有 5 個(gè)復(fù)位源 3.3.2.2 ATmega32L 最小系統(tǒng) 21 如圖15是單片機(jī)控制部分電路模塊，Atmega32L單片機(jī)、電源、復(fù)位電路、 JATG接口便構(gòu)成了一個(gè)最小的系統(tǒng)。 圖15 處理器電路原理圖 Fig.15 The Schematics of Processor 3.3.3 18200 工作原理 采用 LMD18200 實(shí)現(xiàn)受限單極性驅(qū)動(dòng)方式，LMD18200 是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公 司(NS)推出的專用于直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的 H 橋組件 [7]。同一芯片上集成有 CMOS 控 制電路和 DMOS 功率器件，利用它可以與主處理器、電機(jī)和增量型編碼器構(gòu)成一 個(gè)完整的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。以達(dá)到良好的控制效果。LMD18200 外形結(jié)構(gòu)如圖 21 所示，電路框圖如圖 16 所示。 圖 16 18200 結(jié)構(gòu)方框圖 Fig.16 18200 with square machine system 22 3.3.3.118200 引腳定義 表 6 LMD18200 引腳號(hào)定義 Table 6 User Command Set of the LM629 引腳號(hào) 名稱 功能描述 1、11 橋臂 1，2 的自 舉輸入電容連接 端 在腳 1 與腳 2、腳 10 與腳 11 之間應(yīng)接入 10uF 的自舉電容 2、10 H 橋輸出端 3 方向輸入端 轉(zhuǎn)向時(shí)，輸出驅(qū)動(dòng)電流方向見表 1。該腳控制輸出 1 與輸出 2（腳 2、10）之間電流的方向，從而控制馬達(dá)旋轉(zhuǎn)的方向。 4 剎車輸入端 剎車時(shí)，輸出驅(qū)動(dòng)電流方向見表 1。通過該端將馬達(dá)繞組短路而使 其剎車。剎車時(shí)，將該腳置邏輯高電平，并將 PWM 信號(hào)輸入端（腳 5）置邏輯高電平，3 腳的邏輯狀態(tài)決定于短路馬達(dá)所用的器件。3 腳為邏輯高電平時(shí)，H 橋中 2 個(gè)高端晶體管導(dǎo)通；3 腳呈邏輯低電 平時(shí)，H 橋中 2 個(gè)低端晶體管導(dǎo)通。腳 4 置邏輯高電平、腳 5 置邏 輯低電平時(shí)，H 橋中所有晶體管關(guān)斷，此時(shí)，每個(gè)輸出端只有很小 的偏流（1.5mA） 。 5 PWM 信號(hào)輸入端 PWM 信號(hào)與驅(qū)動(dòng)電流方向的關(guān)系見表 1。該端與 3 腳（方向輸入） 如何使用，決定于 PWM 信號(hào)類型。 6、7 電源正端與負(fù)端 8 電流取樣輸出端 提供電流取樣信號(hào)，典型值為 377 μA/A。 9 溫度報(bào)警輸出 溫度報(bào)警輸出，提供溫度報(bào)警信號(hào)。芯片結(jié)溫達(dá) 145℃時(shí)，該端變 為低電平；結(jié)溫達(dá) 170℃時(shí)，芯片關(guān)斷。 LMD18200 內(nèi)部集成了四個(gè) DMOS 管，組成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的