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1、伺服小车的控制系统设计摘要：移动机器人是机器人学中的一个重要分支，且其应用越来越广泛。本设计采用的是AT89S51单片机来控制一个伺服小车，该小车主要由两个独立驱动的主动轮、一个从动轮和底盘等机构组成，车体采用ABS板粘接而成，小车的运动主要由主动轮上的相同电机驱动，电机驱动芯片L298N直接控制两个直流电机旋转，小车的转弯主要通过两个电机的运动速度不同来实现。该伺服小车的转动角度为360，伺服小车可以前、后、左、右行进，由操作手柄上的四个方向控制按钮K1、K2、K3、K4进行控制，在车上有相应的动作(前、后、左、右)。制作由直流驱动电机和单片机构成的驱动系统电路并根据控制要求编写控制系统的控
2、制程序，实现小车的动作要求。此系统以简易的电路连接配合驱动程序，可以精确的控制伺服小车的动作。而其系统本身便是一套简易模型车体或是简易模型机器人的底层动作平台。了解其工作原理后还可以有其他的应用，凡是需要以单片机控制，而且想要移动的机构都可能有机会使用到它作为一个基础平台。对于非机械专业的同学，只要懂得单片机设计，也可以很有效率的设计一些精密的传动系统。本课题可以学习以直流电机为动力的移动平台设计原理及相关程序设计。关键词：伺服小车单片机直流电动机控制系统TheDesignofServoVehiclesControlSystemAbstract:Mobilerobot,whichhasmore
3、andmoreapplicationintodayssociety,isoneofthemostimportantbranchesinthestudyofrobotinvestigation.MydesignistocontrolaservovehiclebyusingAT89S51SCM.Thisvehicleiscomposedof2independently-drivendrivers,1drivenwheelandabatholithfeltedwithABSboard,etc,andisdrivenbythe2sameelectromotorsonthedriver.Theelect
4、romotorcontrolCMOSchipL298Ndirectlycontrolsthecircumgyrationofthe2directelectromotors.Theswerveofthevehicleismainlycontrolledbythedifferentspeedsofthe2electromotors.Theturningangleofthevehicleis360,anditsmovingforward,backward,leftandrightiscontrolledbyK1,K2,K3,K4,4directioncontrolbuttonsontheoperat
5、ionhandle,withtheirrespectiveactiondemand.Therealizationofmovementofthisvehicleisbymakingdriven-systemcircuitcomposedofdirectcircuitdrivenelectromotorandSCM,aswellascompilingcontrolprogramofthecontrolsystemaccordingtothecontrollingrequirements.Thissystemisabletocontroltheprecisemovementofthisservove
6、hicleaccordingtothesimpleelectriccircuitconnectioncoordinationdriver.Butitssystemitselfthenisasetofsimplemodelchassisperhapsthesimplemodelrobotfirstfloormovementplatform.Afterunderstandingitsprincipleofworkalsomayhaveotherapplications,weknowitspossibletoapplyitasafundamentalplatformtoothermachinetha
7、tneedsmoving.Regardingnon-machineryspecializedschoolmate,iftheyunderstandthemonolithicintegratedcircuitdesign,alsocanefficientlydesignsomeprecisetransmissionsystem.Thiscurriculumdesignscanhelpustostudythedesignprinciplesofdirectelectromotorservingasthepowermotionplatformandtherelatedprogrammingaswel
8、l.o Keywords:Servo-Vehicle;SCM;DirectElectromotor;ControlSystem. 目录1.引言1.1国内外现状1.2发展趋势2.控制系统硬件电路设计2.1 AT89S51 单片机简介.2.2电路驱动模块2.3控制电路设计2.4电源电路设计3.伺服小车的设计3.1直流电动机的选用3.2传动机构设计3.3车体结构设计4.控制系统的程序设计4.1程序流程图4.2直流电动机PWM调速原理1 引言 机器人的应用越来越广泛，几乎渗透到所有领域。移动机器人是机器人学中的一个重要分支。早在60年代，就已经开始了关于移动机器人的研究。关于移动机器人的研究涉及许多方
9、面，首先，要考虑移动方式，可以是轮式的、履带式、腿式的，对于水下机器人，则是推进器。其次，必须考虑驱动器的控制，以使机器人达到期望的行为。第三，必须考虑导航或路径规划，对于后者，有更多的方面要考虑，如传感融合，特征提取，避碰及环境映射。因此，移动机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统。对移动机器人的研究，提出了许多新的或挑战性的理论与工程技术课题，引起越来越多的专家学者和工程技术人员的兴趣,更由于它在军事侦察、扫雷排险、防核化污染等危险与恶劣环境以及民用中的物料搬运上具有广阔的应用前景，使得对它的研究在世界各国受到普遍关注。 移动机器人的研究和广泛应用
10、，不仅可提高产品的质量与数量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，对促进我国制造业的崛起，有着十分重要的意义。同时，参第二届江苏省大学生机器人大赛对课题的研究也有着积极的意义。它让我们对单片机及其他硬件有了更加深刻的认识，在提高我们的科学素养，发展自身潜能，培养能力和创新精神，引导我们关注科技、热爱科技、走进科技，涌现出更多的未来科学家和未来工程师有着积极的推进作用1.1国内外现状我国机器人经过“七五”攻关计划、“九五”攻关计划和863计划的支持已经取得了较大进展，机器人市场也已经成熟，应用上已经遍及各行各业，但进口机器人占了绝大多数
11、。我国在某些关键技术上有所突破，但还缺乏整体核心技术的突破，具有中国知识产权的机器人则很少。目前我国机器人技术相当于国外发达国家20世纪80年代初的水平，特别是在制造工艺与装备方面，不能生产高精密、高速与高效的关键部件。我国目前取得较大进展的机器人技术有：数控机床关键技术与装备、隧道掘进机器人相关技术、工程机械智能化机器人相关技术、装配自动化机器人相关技术。现已开发出金属焊接、喷涂、浇铸装配、搬运、包装、激光加工、检验、真空、自动导引车等的工业机器人产品，主要应用于汽车、摩托车、工程机械、家电等行业。我国机器人技术主题发展的战略目标是：根据2l世纪初我国国民经济对先进制造及自动化技术的需求，瞄
12、准国际前沿高技术发展方向创新性地研究和开发机器人技术领域的基础技术、产品技术和系统技术。其发展趋势是智能化、低成本、高可靠性和易于集成。伴随着人类迈入新世纪的历史步伐,我国进入了现代化建设的全面发展时期。随着科技水平的提高及国力的增强,我国不仅要加大空间探测的力度,同时还要积极参与国际上对海洋资源的竞争。所有这一切,都需要大量的技术先进的特种机器人。特别是近10年来人们的消费观念已经发生了根本的变化,在经济发达地区,消费水平提升很快,平常百姓普遍渴望轿车进入家庭。不难估计,在未来10年,我国汽车工业很可能会进入一个前所未有的发展时期。它将会带动装配机器人需求量的增加。而且随着人们生活质量的提高
13、,对服务机器人的需求量也会大大上升。这一切都预示着21世纪, 我国拥有一个非常广阔的机器人市场。如果不加快发展我国自己的机器人产业,那么,当下一个新技术时代到来时,日、美等机器人大国的产品将像洪水一样涌入我国。相反,如果我们能够面对挑战,抓住机遇,根据国情及现代化建设的需要,有的放矢地发展我国的机器人产业,那么,我们不但有能力靠自己的力量满足我国未来广大的机器人市场需求,同时还能够参与国际机器人竞争,寻求国际市场。由此可见,有计划地发展我国的机器人产业,具有极其深远的战略意义。它不但可以增强我国的综合实力,提高我国的国际地位。同时也能够有力地促进我国在科学技术领域整体实力的提高。那么在下一个新
14、技术时代到来时,我国与国际科技水平的差距就会大大地缩小。国际上机器人的研究，存在着两条不同的技术路线：一条是日本和瑞典所走的“需求牵引，技术驱动”，结合工业发展的需求开发出一系列特定应用的机器人；一条是把机器人作为研究人工智能的载体，即：单纯从技术上模仿人或动物的某些功能出发，研究有关智能的问题和智能机器人。由于人工智能和其他智能技术的发展尚落后于人们对它的希望，致使大部分研究成果处于实验阶段。移动机器人要想走向实用,必需拥有能胜任的运动系统、可靠的导航系统、精确的感知能力和具有既安全而又友好地与人一起工作的能力。1.2发展趋势 随着机器人技术的发展，机器人应用领域的不断扩大，对机器人的性能提
15、出了更高的要求，因此，如何有效地将其他领域(如图像处理、声音识别、最优控制、人工智能等)的研究成果应用到机器人控制系统的实时操作中，是一项富有挑战性的研究工作。而具有开放式结构的模块化、标准化机器人控制器的研究无疑对提高机器人性能和自主能力、推动机器人技术的发展具有重大意义。纵观移动机器人的发展、发展过程中存在的问题以及相关学科的发展方向，移动机器人具有以下发展趋势： 机器人本体将向灵活性和微型化方向发展这是由于机器人应用面向家庭和服务性 行业，需要适应更为复杂的环境。 高速性室内机器人对运动速度没有特别要求，而室外机器人高速运动可以提高它 们的工作效率。高速性对定位精度和控制都提出了更高的要
16、求。 友好的人机交互为了使机器人能够更好地为人类服务，人们需要一个畅通的渠道 与机器进行沟通，这就需要友善的人机接口。当前蓬勃发展的计算机多媒体技术为此提供了支持。 安全性能好移动机器人是为人类服务的,因此至少不应该给人类带来危害。为使移 动机器人真正走向应用，必须遵守IssacAsimov提出的著名的“机器人三戒律”，即第一，机器人不可伤害人或眼看人将要遇害时而袖手旁观；第二，机器人必须服从人给它的指令。除非这种命令与第一条戒律相抵触；第三，机器人必须保护自身的存在，除非这种保护与第一、第二条戒律相抵触。产业化脱离实际的理论不会具有深远的发展潜力，也只有能给社会带来可观经济 效益的技术才会得
17、到社会的扶植，吸引研究者的注意力。而产业化是理论联系实际的纽带，是科学技术转化为生产力的重要途径，因此产业化也是移动机器人发展的必由之路。 任何运动机构都离不开驱动装置。驱动方式的选择直接影响到加工的效率和产品的性能。本文在比较了各种驱动方式的优缺点后，选用直流伺服电机作为小车的驱动部件。虽然直流电机出现得比较早，但因为其自身的优点，现在在自动控制领域还有广泛的应用。文章结合了单片机AT89S51的控制方式，通过市场上比较成熟的电机驱动模块，将控制命令和驱动伺服电机，简易而又实用地进行有机结合。并且对驱动电路和驱动程序进行了详细、明了的描述。为以伺服机为动力的机械装置提供了一个很好移动平台2.
18、控制系统硬件电路设计本控制系统硬件设计采用的是AT89S51单片机来控制一个伺服小车，该小车主要由两个独立驱动的主动轮、一个从动轮和底盘等组成机构成，小车的运动主要由主动轮上的相同电机驱动，小车的转弯主要通过两个电机的运动速度不同来实现。小车电机由电机驱动芯片L298N实施具体的控制。该伺服小车的转动角度为360，伺服小车可以前、后、左、右行进，伺服小车由操作手柄上的按键进行控制的，在车上有相应的动作(前、后、左、右)。要制作由直流驱动电机和单片机构成的驱动系统电路并根据控制要求编写控制系统的控制程序，实现小车的动作要求。 2.1 AT89S51单片机简介AT89S51是美国ATMEL公司生产
19、的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4Kbytes的可系统变成的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术产生，兼容标准8051指令系统及引脚。它集Flash程序存储器既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，ATMEL公司的功能强大，低价位AT89S51单片机可提供许多高性价比的应用场合，也可引用于各种控制领域。AT89S51的主要性能参数如下所示： 与MCS51产品指令系统完全兼容4K字节在系统编程（ISP）Flash闪速存储器1000次擦写周期 4.05.5V的工作电压范围全静态工作模式：0Hz33MHz三级程序加密锁128X8字节内部RAM32个可编程I/O口线2个16位定时/计数器6个中断源 全双工串行UART通道低功耗空闲和掉电模式中断可从空闲模式唤醒系统看门狗（WDT）及双数据指针掉电标识和快速编程特性