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（独家原创）爬梯机械人的设计（全套CAD图纸完整版）

本文的结构环境模型比较适合采用该控制体系，后面两种体系结构比较适合课题的延伸使用，在此不再叙述。本课题的整个爬楼梯机器人系统组成如下图.所示。图.机器人系统组成框图本系统主要包括红外测距电路陀螺仪测角电路电机驱动电路单片机及其外围电路四大块组成。根据总体设计思路，本系统主要由以下几部分组成红外发射电路由单片机控制发射电路使发射换能器向外发射脉冲。红外接收电路发射波经障碍物反射回来，由接收换能器接收回波，并经放大电路与整形电路送至单片机。陀螺仪测角电路陀螺仪上的加速度计将测得的加速度信息传输给单片机系统，然后由单片机系统将信息转换成车体与前进方向的夹角或车体爬楼时与竖直方向的夹角传输给陀螺仪，陀螺仪在施矩信息作用下，通过平台稳定回路控制平台载物台及车身的姿态，实现机器人的保持载物台水平和车身与楼梯宽度方向的垂直。电机驱动电路系统要求控制两个直流电机实现机器人的前进后退和转向。前方无障碍物时小车轮驱动电机正转，使机器人保持前进状态若前方楼梯在机器人的能力范围内时，锁轴器工作锁紧小车轴与管轴，小车轮驱动电机保持正转若前方障碍物高度在机器人能力范围之外，红外传感开始测距，当机器人离障碍物的距离大于个距离时，小车轮转向电机转动带动后轮轮组左右摆动，机器人开始转向并保持前进当机器人离障碍物的距离小于个距离时，小车轮驱动电机反转，机器人保持姿态后退，待后退到离障碍物有定距离时，小车轮驱动电机正转，小车轮转向电机转动带动后轮轮组左右摆动，实现机器人的避障功能。单片机外围电路单片机正常工作所必需的外围电路，如外接晶振复位按钮“看门狗”电路等。.控制系统主要硬件的选择单片机的选型单片机简介随着大规模集成电路的出现及其发展，将计算机的定时计数器和多种接口集成在片芯片上，形成芯片级的计算机，因此单片机早期的含义称为单片微型计算机，直译为单片机。单片机外加些电子元件便可以构成套简易的控制系统。随着集成电路技术的进步，由单片机构成的计算机应用系统的功能也日益增强，应用领域也越来越广，因此很多公司都致力于开发单片机系统。是美国公司推出的比较常用的单片机，同时几家设计半导体芯片的公司陆续推出与之兼容的单片机，如系列单片机单片机单片机系列单片机等。本系统采用公司的单片机。单片机性能介绍，它是种完全集成的混合信号片上系统型芯片，内部主要集成了Ⅱ增强型和串行接口单端差分高精度可编程的内部时钟振荡器监视器内部上电复位模块捕捉比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器定时器阵列等功能部件。使用专利的高速微控制器内核，的指令执行时间为个或者两个系统时钟周期工作电压为，典型工作电流为，功耗比较低。另外，此单片机还具有可在系统编程的存储器，可用于非易失性数据存储。的主要特性高速流水线结构的兼容的内核可达,全速非侵入式的在系统调试接口片内，带模拟多路器真正位的通道单端差分，高精度可编程的内部振荡器，可在系统编程的存储器，字节片内，硬件实现的Ⅱ增强型和增强型串行接口，个通用的位定时器，具有个捕捉比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器定时器阵列，片内上电复位监视器和温度传感器，个端口容许输入，具有片内上电复位监视器看门狗定时器和时钟振荡器的是真正能独立工作的片上系统。存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新固件。用户软件对所有外设具有完全的控制，可以关断任何个或所有外设以节省功耗。片内二线开发接口允许使用安装在最终应用系统上的产品进行非侵入式不占用片内资源全速在系统调试。调试逻辑支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点单步运行和停机命令。在使用进行调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。两个接口引脚可以与用户功能共享，使在系统调试功能不占用封装引脚。传感器的选择传感器是机器人系统的视觉单元。外部的路线障碍等环境信息，都要通过传感器传递给控制单元。根据目前传感器的发展状况，机器人系统使用的传感器主要有接触式和非接触式两种。接触式传感器多采用微动开关控制，其优点是价格低，但可靠性差，使用寿命短，故障多，也不适用较高车速和大型车辆。非接触式传感器种类很多，其工作原理多为通过发射光波声波或电磁波遇到物体时反射而被接收装置接收以感知物体。本机器人系统选择较为常用的传感器类型陀螺仪和红外线传感器。陀螺仪移动机器人要能够自主地爬上楼梯，必须在爬行过程中连续不断地可靠地估计出两个关键参数如图.机器人行驶方向与楼梯的方向的夹角，称为偏移角。它用于判断机器人是否径直向上爬行。越小越好，理想状态下应为零。在楼梯上的机器人车身相对于水平地面的倾角。用于控制载台保持水平。用这两个变量作为机器人爬楼梯控制变量。图.陀螺仪需测参数示意图陀螺仪的选型本设计选用型陀螺仪，型陀螺仪参数如表.所示。表.型陀螺仪参数型号输出方式速率范围零偏稳定性工作温度模拟电压.红外传感器爬楼机器人采用了两个红外传感器测量车体与障碍物间的较大距离量。红外距离传感器主要用于监测车体与前进方向的距离。当没有障碍物时检测器没有反射光线接受。当前方出现障碍物并且障碍物进入安全范围时检测器检测到反射光线，它与红外障碍物高度传感器的反馈综合决定越障避障步态。红外高度传感器主要用于监测车体前进方向障碍物的高度值。