基于五自由度機(jī)械手的遙控智能車(chē)的設(shè)計(jì)[履帶式]
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江西農(nóng)業(yè)大學(xué)江西農(nóng)業(yè)大學(xué)指導(dǎo)老師：康麗春指導(dǎo)老師：康麗春 周華茂周華茂專業(yè)名稱：農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動(dòng)化專業(yè)名稱：農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動(dòng)化 學(xué)生姓名：蔡曉亮學(xué)生姓名：蔡曉亮學(xué)生學(xué)號(hào)：學(xué)生學(xué)號(hào)：20100964排險(xiǎn)排爆機(jī)器人國(guó)外現(xiàn)狀排險(xiǎn)排爆機(jī)器人國(guó)外現(xiàn)狀德國(guó)排爆機(jī)器人德國(guó)排爆機(jī)器人美國(guó)美國(guó)Marcbot-4Marcbot-4排爆機(jī)器人排爆機(jī)器人英國(guó)英國(guó)“手推車(chē)手推車(chē)”法國(guó)法國(guó)TSR-200TSR-200排爆機(jī)器人排爆機(jī)器人排險(xiǎn)排爆機(jī)器人國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀排險(xiǎn)排爆機(jī)器人國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀中國(guó)中國(guó)航天航天科工科工“雪豹雪豹10”10”北京博創(chuàng)北京博創(chuàng)Raptor-eod Raptor-eod 機(jī)器人機(jī)器人“靈晰-B”爆炸物處理機(jī)器人2：目前，排險(xiǎn)排爆機(jī)器人價(jià)格昂貴，一般機(jī)構(gòu)或?qū)W校目前，排險(xiǎn)排爆機(jī)器人價(jià)格昂貴，一般機(jī)構(gòu)或?qū)W校難以接受難以接受，學(xué)生難以接觸到實(shí)際的排險(xiǎn)排爆機(jī)器人，學(xué)生難以接觸到實(shí)際的排險(xiǎn)排爆機(jī)器人，學(xué)習(xí)相關(guān)的機(jī)械電子知識(shí)。學(xué)習(xí)相關(guān)的機(jī)械電子知識(shí)。設(shè)計(jì)背景1：目目前前的的排排險(xiǎn)險(xiǎn)排排爆爆機(jī)機(jī)器器人人操操作作箱箱，多多采采用用按按鍵鍵式式一一個(gè)個(gè)一一個(gè)個(gè)調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)各各個(gè)個(gè)機(jī)機(jī)械械關(guān)關(guān)節(jié)節(jié)臂臂的的角角度度，遙遙控控機(jī)機(jī)械械手手時(shí)時(shí)不不像像開(kāi)開(kāi)車(chē)車(chē)那那樣樣靈靈活活自自如如，操操作作人人員員需需要要經(jīng)經(jīng)過(guò)過(guò)相相關(guān)關(guān)的的操操作作培訓(xùn)后才能較好地控制機(jī)械手抓取，搬運(yùn)物體培訓(xùn)后才能較好地控制機(jī)械手抓取，搬運(yùn)物體。設(shè)計(jì)意義 基于五自由度機(jī)械手的遙控智能車(chē)將重點(diǎn)突破這些弊基于五自由度機(jī)械手的遙控智能車(chē)將重點(diǎn)突破這些弊端，以較低的設(shè)計(jì)成本投入以及切實(shí)可執(zhí)行的設(shè)計(jì)，做出端，以較低的設(shè)計(jì)成本投入以及切實(shí)可執(zhí)行的設(shè)計(jì)，做出帶機(jī)械手的遠(yuǎn)程智能小車(chē)。帶機(jī)械手的遠(yuǎn)程智能小車(chē)。1：采用五自由度模擬機(jī)械手，無(wú)線同步控制車(chē)載五自由：采用五自由度模擬機(jī)械手，無(wú)線同步控制車(chē)載五自由度機(jī)械手，度機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)空間抓取物體一步到位，打破傳統(tǒng)的一個(gè)實(shí)現(xiàn)空間抓取物體一步到位，打破傳統(tǒng)的一個(gè)個(gè)微調(diào)的控制方式個(gè)微調(diào)的控制方式。2：將書(shū)本理論知識(shí)應(yīng)用實(shí)際，綜合機(jī)械和電子多門(mén)課程將書(shū)本理論知識(shí)應(yīng)用實(shí)際，綜合機(jī)械和電子多門(mén)課程知識(shí)，可直接作為高等創(chuàng)新教育的典范科技類作品，激發(fā)知識(shí)，可直接作為高等創(chuàng)新教育的典范科技類作品，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識(shí)，加強(qiáng)學(xué)生的專業(yè)知識(shí)和技能學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識(shí)，加強(qiáng)學(xué)生的專業(yè)知識(shí)和技能教育，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。教育，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。設(shè)計(jì)目標(biāo)設(shè)計(jì)目標(biāo)1 、無(wú)線靈活控制小車(chē)運(yùn)動(dòng)；、無(wú)線靈活控制小車(chē)運(yùn)動(dòng)；2 、機(jī)械臂抓取物體和搬運(yùn)物體；、機(jī)械臂抓取物體和搬運(yùn)物體；3 、視頻無(wú)線實(shí)時(shí)傳輸監(jiān)控；、視頻無(wú)線實(shí)時(shí)傳輸監(jiān)控；4、小車(chē)自主避障、小車(chē)自主避障行駛行駛?？傁到y(tǒng)組成總系統(tǒng)組成 具體設(shè)計(jì) 驅(qū)驅(qū)動(dòng)裝動(dòng)裝置使用置使用三級(jí)減速箱驅(qū)動(dòng)，三級(jí)減速箱驅(qū)動(dòng)，動(dòng)力強(qiáng)勁。動(dòng)力強(qiáng)勁。使使用用履履帶帶式式底底盤(pán)盤(pán)，穩(wěn)穩(wěn)定定性性好好及及對(duì)對(duì)地地面面壓壓強(qiáng)強(qiáng)小?。患蛹营?dú)獨(dú)立立懸懸掛掛減減震震系系統(tǒng)統(tǒng)具具有有一一定的越障能力。定的越障能力。機(jī)械臂由鋁合金機(jī)械臂由鋁合金L支架，支架，U型支架，多功能支架等構(gòu)型支架，多功能支架等構(gòu)成，外加機(jī)械爪，構(gòu)成一個(gè)成，外加機(jī)械爪，構(gòu)成一個(gè)五自由度機(jī)械手，在各個(gè)關(guān)五自由度機(jī)械手，在各個(gè)關(guān)節(jié)臂上用舵機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)節(jié)臂上用舵機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手抓取空間任意角度的物械手抓取空間任意角度的物體。體。五自由度機(jī)械手遙控五自由度機(jī)械手遙控端采用薄鋁合金制作的端采用薄鋁合金制作的模擬機(jī)械臂，操作模擬模擬機(jī)械臂，操作模擬機(jī)械臂，即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程機(jī)械臂，即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)線控制車(chē)載機(jī)械臂同無(wú)線控制車(chē)載機(jī)械臂同步運(yùn)動(dòng)。步運(yùn)動(dòng)。攝像頭兩個(gè)，機(jī)械爪攝像頭兩個(gè)，機(jī)械爪一個(gè)，另外一個(gè)安裝在車(chē)一個(gè)，另外一個(gè)安裝在車(chē)上的兩自由度云臺(tái)上，可上的兩自由度云臺(tái)上，可以一鍵切換，能實(shí)現(xiàn)空間以一鍵切換，能實(shí)現(xiàn)空間各個(gè)角度的攝像，然后無(wú)各個(gè)角度的攝像，然后無(wú)線實(shí)時(shí)傳輸回液晶屏。線實(shí)時(shí)傳輸回液晶屏。7寸液晶顯示寸液晶顯示屏，實(shí)時(shí)顯示攝屏，實(shí)時(shí)顯示攝像頭采集的圖像。像頭采集的圖像。遙控端采用雙單片機(jī)控遙控端采用雙單片機(jī)控制。通過(guò)按鍵可以無(wú)線控制制。通過(guò)按鍵可以無(wú)線控制小車(chē)靈活地前后左右運(yùn)動(dòng)，小車(chē)靈活地前后左右運(yùn)動(dòng)，加減檔；切換攝像頭；控制加減檔；切換攝像頭；控制夜燈的開(kāi)閉；切換小車(chē)自主夜燈的開(kāi)閉；切換小車(chē)自主行駛；數(shù)碼管顯示當(dāng)前檔位。行駛；數(shù)碼管顯示當(dāng)前檔位。小小車(chē)車(chē)前前端端有有LED夜夜燈燈，在在黑黑暗暗條條件件下下也也能能看看清清周周?chē)鷩镂矬w體；前前端端還還有有超超聲聲波波模模塊塊，通通過(guò)過(guò)遙遙控控端端按按鍵鍵切切換換能能實(shí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)自自主避障行駛。主避障行駛。小小車(chē)車(chē)端端采采用用雙雙單單片片機(jī)機(jī)控控制制：高高速速處處理理遙遙控控端端模模擬擬機(jī)機(jī)械械臂臂信信號(hào)號(hào)，使使機(jī)機(jī)械械手手五五軸軸聯(lián)聯(lián)動(dòng)動(dòng)，做做和和模模擬擬機(jī)機(jī)械械臂臂一一樣樣的的動(dòng)動(dòng)作作；快快速速響響應(yīng)應(yīng)遙遙控控端端的的命命令，靈活控制小車(chē)運(yùn)動(dòng)。令，靈活控制小車(chē)運(yùn)動(dòng)。視頻演示視頻演示致謝致謝 非常感謝康麗春老師和周華茂老師的指導(dǎo)和評(píng)改，同時(shí)感謝那些幫助和支持我的同學(xué)。謝謝所有評(píng)委老師，歡迎各位老師提出寶貴的意見(jiàn)和建議！基于五自由度機(jī)械手的遙控智能車(chē)
JIANGXI AGRICULTURAL UNIVERSITY
本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)
題目： 基于五自由度機(jī)械手的遙控智能車(chē)
學(xué) 院： 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院
姓 名： 蔡曉亮
學(xué) 號(hào)： 20100964
專 業(yè)： 農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動(dòng)化
年 級(jí)： 農(nóng)機(jī)1001
指導(dǎo)教師： 康麗春 職 稱： 講師
周華茂 職 稱： 副教授
二0 一 四 年 五 月
摘要
本文對(duì)基于五自由度機(jī)械手的遙控智能車(chē)進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)及分析，包括整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械臂零件和小車(chē)底盤(pán)零件選用和分析、機(jī)械臂關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)選用、小車(chē)減速箱和驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用、五自由度模擬機(jī)械臂的設(shè)計(jì)、遙控端電路和接收端電路設(shè)計(jì)，遙控端和接收端程序設(shè)計(jì)等。
本設(shè)計(jì)還做出了實(shí)物，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)線靈活控制小車(chē)前進(jìn)后退，左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)；通過(guò)模擬機(jī)械臂無(wú)線同步控制車(chē)載五自由度機(jī)械手抓取物體和搬運(yùn)物體；小車(chē)周?chē)h(huán)境視頻無(wú)線實(shí)時(shí)監(jiān)控；遙控端一鍵切換攝像頭；一鍵控制夜燈開(kāi)閉；一鍵切換手動(dòng)遙控小車(chē)和小車(chē)自主行駛。這個(gè)帶有機(jī)械手的無(wú)線小車(chē)，可以用于需要遠(yuǎn)程移動(dòng)巡邏的地方，也可用于化工廠等危險(xiǎn)區(qū)域巡邏，搬運(yùn)小型物體；另外綜合了機(jī)械和電子多門(mén)課程多個(gè)重要知識(shí)點(diǎn)，并且很好的結(jié)合在一起，非常適用于課堂現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物教學(xué)。
關(guān)鍵詞:機(jī)械手；無(wú)線；單片機(jī)；視頻實(shí)時(shí)；智能車(chē)
III
ABSTRACT
In this paper, based on five -DOF manipulator remote intelligent vehicle carried the overall design and analysis, including overall design, robotic parts and car chassis parts selection and analysis , manipulator joint drive servo selection, car gear box and drive motor selection , five degrees of freedom manipulator design simulation , remote control of the circuit and the receiver circuit design, remote control and the receiver program design.
This design is also made ??in-kind , to achieve flexible wireless control car forward and back, Turn left and turn right; synchronization control car radio by simulating five degrees of freedom robotic manipulator grab objects and moving objects ; trolley ambient video wireless real-time monitoring ; remote end of a key switch cameras ; opening and closing a key control nightlights ; a key switch manual remote control car and trolley autonomous driving. The wireless car with a mechanical hand , can be used for remote mobile patrols where needed , can also be used in hazardous areas such as chemical plants patrol , handling small objects ; another combination of mechanical and electronic multi- course a number of important knowledge and good together, ideal for classroom teaching physical site .
Key word ：robot ， radio ，MCU ，video in real time ，smart car
基于五自由度機(jī)械手的遙控智能車(chē)
目錄
摘要 II
ABSTRACT III
1 緒論 1
1.1 課題背景，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和意義 1
1.1.1 課題背景 1
1.1.2 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 1
1.1.3 設(shè)計(jì)意義 2
1.2 設(shè)計(jì)目標(biāo)，總體設(shè)計(jì)和控制途徑 3
1.2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo) 3
1.2.2 總體設(shè)計(jì) 3
1.2.3 控制途徑 4
2 機(jī)械部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與零件選用 5
2.1 模擬機(jī)械臂 5
2.2 車(chē)載端五自由度機(jī)械臂 6
2.3 二自由度攝像頭云臺(tái) 9
2.4 小車(chē)底盤(pán)選擇 9
2.5 減速齒輪箱 10
2.6 小車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī) 11
2.7 機(jī)械臂關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng) 12
3 遙控端電路原理及設(shè)計(jì) 13
3.1 單片機(jī)的選擇與分析 13
3.2 小車(chē)遙控電路設(shè)計(jì) 14
3.3 模擬機(jī)械臂電路設(shè)計(jì) 15
4 車(chē)載端電路原理及設(shè)計(jì) 16
4.1 小車(chē)接收電路設(shè)計(jì) 16
4.2 車(chē)載五自由度機(jī)械手電路設(shè)計(jì) 16
4.3 小車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 17
4.4 小車(chē)超聲波避礙模塊 18
5 無(wú)線視頻實(shí)時(shí)傳輸 19
5.1 無(wú)線視頻方案選擇與分析 19
5.2 視頻發(fā)送模塊 19
5.3 視頻接收模塊 20
5.4 液晶顯示 21
6 程序設(shè)計(jì) 22
6.1 遙控小車(chē)程序 22
6.2 模擬機(jī)械臂程序 22
6.3 小車(chē)接收端程序 22
6.4 五自由度機(jī)械臂程序 22
7 結(jié)論與展望 24
7.1結(jié)論 24
7.2展望 24
參考文獻(xiàn) 25
附錄一 26
致謝 28
1 緒論
1.1 課題背景，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和意義
1.1.1 課題背景
隨著時(shí)代和高新技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，工業(yè)機(jī)器人 、特種作業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、微小型機(jī)器人等已經(jīng)在各個(gè)方面得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。機(jī)器人技術(shù)是集機(jī)械、電子、控制和計(jì)算機(jī)技術(shù)的一項(xiàng)綜合技術(shù)。從某些意義上來(lái)說(shuō)，機(jī)器人的技術(shù)水平的高與低反映了這個(gè)國(guó)家的綜合技術(shù)實(shí)力。
基于五自由度機(jī)械手的遙控智能車(chē)和排險(xiǎn)排爆機(jī)器人類似。它是針對(duì)公安、核工業(yè)、軍事、化工等危險(xiǎn)、惡劣、有害環(huán)境下應(yīng)用的特種作業(yè)機(jī)器人，它不受任何外界電磁干擾，可以代替人在危險(xiǎn)、惡劣、有害環(huán)境中進(jìn)行觀察、檢查、搬運(yùn)、清理、操作及安放特殊裝置，代替現(xiàn)場(chǎng)安檢人員實(shí)地勘察，實(shí)時(shí)傳輸現(xiàn)場(chǎng)圖像；用以保證人員的安全、健康，避免不必要的人員傷亡。
1.1.2 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀
在西方國(guó)家中，恐怖活動(dòng)始終是個(gè)令當(dāng)局頭疼的問(wèn)題。英國(guó)由于民族矛盾，飽受爆炸物的威脅，因而英國(guó)在60年代就研制成功排爆機(jī)器人。英國(guó)研制的履帶式“手推車(chē)”及“超級(jí)手推車(chē)”排爆機(jī)器人（如圖1.1.a），已向50多個(gè)國(guó)家的軍警機(jī)構(gòu)售出了800臺(tái)以上。美國(guó)Remotec公司的Andros系列機(jī)器人受到各國(guó)軍警部門(mén)的歡迎，白宮及國(guó)會(huì)大廈的警察局都購(gòu)買(mǎi)了這種機(jī)器人(如圖1.1.b)。Andros機(jī)器人可用于小型隨機(jī)爆炸物的處理，它是美國(guó)空軍客機(jī)及客車(chē)上使用的唯一的機(jī)器人。海灣戰(zhàn)爭(zhēng)后，美國(guó)海軍也曾用這種機(jī)器人在沙特阿拉伯和科威特的空軍基地清理地雷及未爆炸的彈藥。美國(guó)空軍還派出5臺(tái)Andros機(jī)器人前往科索沃，用于爆炸物及子炮彈的清理。空軍每個(gè)現(xiàn)役排爆小隊(duì)及航空救援中心都裝備有一臺(tái)Andros VI（引用自百度網(wǎng)頁(yè)）。
a 英國(guó)機(jī)器人 b 美國(guó)國(guó)機(jī)器人
圖1.1 歐美機(jī)器人
與國(guó)外相比，中國(guó)的排爆機(jī)器人起步較晚。但是隨著這些年中國(guó)經(jīng)濟(jì)和科技的不斷崛起和創(chuàng)新，我國(guó)也有了自己的排險(xiǎn)排爆機(jī)器人。Raptor-eod 機(jī)器人是北京博創(chuàng)集團(tuán)開(kāi)發(fā)的一款中型特種排爆排險(xiǎn)機(jī)器人，用于處置各種突發(fā)涉爆、涉險(xiǎn)使用排爆機(jī)器人事件。代替以往人工排出可疑爆炸物及在危險(xiǎn)品搬運(yùn)過(guò)程中對(duì)操作者帶來(lái)的危險(xiǎn)，如圖1.1.c（引自百度網(wǎng)頁(yè)）；“雪豹－10”由中國(guó)航天科工集團(tuán)公司自主研制，車(chē)體可進(jìn)行前后擺臂，并根據(jù)地形，改變履帶形狀，從而完成不同地形的行走命令，如平地行走、跨越溝壑、上下樓梯等，如圖1.1.d（引自百度網(wǎng)頁(yè)）。
C 北京博創(chuàng)Raptor-eod 機(jī)器人 d 中國(guó)航天科工“雪豹－10”
圖1.1 中國(guó)機(jī)器人
1.1.3 設(shè)計(jì)意義
目前，排險(xiǎn)排爆機(jī)器人價(jià)格昂貴，一般機(jī)構(gòu)或?qū)W校很少購(gòu)買(mǎi)，學(xué)生難以接觸到實(shí)際的排險(xiǎn)排爆機(jī)器人，學(xué)習(xí)相關(guān)的機(jī)械電子知識(shí)。另外目前的排險(xiǎn)排爆機(jī)器人操作箱操作復(fù)雜，遙控機(jī)械手時(shí)不像真的開(kāi)車(chē)那樣靈活自如，多采用按鍵式一個(gè)一個(gè)調(diào)節(jié)各個(gè)機(jī)械關(guān)節(jié)臂的角度，操作人員需要經(jīng)過(guò)相關(guān)的操作培訓(xùn)后才能較好地控制機(jī)械手抓取，搬運(yùn)物體。本設(shè)計(jì)基于五自由度機(jī)械手的遙控智能車(chē)將重點(diǎn)突破這些弊端，以較低的設(shè)計(jì)成本投入以及切實(shí)可執(zhí)行的設(shè)計(jì)，做出一輛帶機(jī)械手的遠(yuǎn)程智能小車(chē)，用于需要遠(yuǎn)程移動(dòng)巡邏的地方，也可用于化工廠等危險(xiǎn)區(qū)域巡邏，搬運(yùn)物體。將書(shū)本理論知識(shí)應(yīng)用實(shí)際，綜合機(jī)械和電子多門(mén)課程知識(shí)，可直接作為高等創(chuàng)新教育的典范科技類作品，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識(shí)，加強(qiáng)學(xué)生的專業(yè)知識(shí)和技能教育，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。
1.2 設(shè)計(jì)目標(biāo)，總體設(shè)計(jì)和控制途徑
1.2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)
（1） 無(wú)線靈活控制小車(chē)運(yùn)動(dòng)；
（2） 機(jī)械手抓取物體和搬運(yùn)物體；
（3） 視頻無(wú)線實(shí)時(shí)傳輸監(jiān)控；
（4） 小車(chē)自主避障。
1.2.2 總體設(shè)計(jì)
基于五自由度機(jī)械手遙控智能車(chē)分為遙控部分和小車(chē)及機(jī)械手部分。
遙控部分：以STC12C5A60S2單片機(jī)為主芯片，加NRF24L01無(wú)線芯片；實(shí)現(xiàn)無(wú)線控制小車(chē)前進(jìn)，后退，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)； 7寸液晶無(wú)線實(shí)時(shí)顯示小車(chē)終端圖像；加上五自由度模擬機(jī)械臂，直接控制小車(chē)端五自由度機(jī)械手抓取，搬運(yùn)物體；操作人員根據(jù)液晶圖像，操作模擬機(jī)械臂和按鍵，即可無(wú)線控制遠(yuǎn)距離小車(chē)及小車(chē)端五自由度機(jī)械臂。
小車(chē)及機(jī)械手部分：以STC12C5A60S2單片機(jī)為主芯片，加NRF24L01無(wú)線芯片，接收處理遙控端發(fā)來(lái)的命令。小車(chē)端帶有減速齒輪履帶式底盤(pán)，動(dòng)力強(qiáng)勁，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)；車(chē)上裝有五自由度機(jī)械手，接收遙控端發(fā)送的指令，實(shí)現(xiàn)空間任意角度抓取物體；機(jī)械手上和小車(chē)二自由度云臺(tái)配有攝像頭，把小車(chē)周?chē)膱D像無(wú)線發(fā)回遙控端液晶顯示(小車(chē)總體完成效果圖如1.2)。
圖1.2 小車(chē)總體效果圖
1.2.3 控制途徑
1.無(wú)線靈活控制小車(chē)運(yùn)動(dòng)
利用STC12C5A60S2單片機(jī)和NRF24L01無(wú)線芯片,按鍵，數(shù)碼管，和其他外圍電路設(shè)計(jì)成電路控制板；按鍵控制小車(chē)加減檔和前進(jìn)，后退，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)，停止，攝像頭切換，開(kāi)關(guān)夜燈，手動(dòng)控制和超聲波自動(dòng)駕駛切換；數(shù)碼管顯示當(dāng)前檔位。
2.機(jī)械手抓取物體和搬運(yùn)物體
遙控端用鋁合金和電位器做成一個(gè)小型模擬五自由度機(jī)械臂，加上STC12C5A60S2單片機(jī)和NRF24L01無(wú)線芯片，把模擬機(jī)械臂的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，無(wú)線發(fā)送給小車(chē)端，實(shí)現(xiàn)小車(chē)端機(jī)械臂做和模擬機(jī)械臂相同的動(dòng)作。
3．視頻無(wú)線實(shí)時(shí)傳輸
采用2.4GHZ無(wú)線視頻傳輸模塊，發(fā)射模塊TX6722采集模擬攝像頭的信號(hào)，加載高頻，調(diào)制后通過(guò)天線發(fā)送出去；接收模塊RX6788接收到無(wú)線視頻信號(hào)，進(jìn)行解調(diào)；視頻信號(hào)進(jìn)入液晶驅(qū)動(dòng)板，液晶驅(qū)動(dòng)板通過(guò)解碼把視頻信號(hào)傳給7寸液晶屏，實(shí)現(xiàn)圖像顯示。
4．小車(chē)自主避障
采用HY_SRF05超聲波模塊，當(dāng)小車(chē)遙控端通過(guò)按鍵切換為超聲波自動(dòng)駕駛后，小車(chē)接收端單片機(jī)啟動(dòng)自動(dòng)行駛模式，控制超聲波模塊發(fā)送超聲波，根據(jù)小車(chē)周?chē)恼系K物回應(yīng)回來(lái)的超聲波信號(hào)，進(jìn)行調(diào)速，前進(jìn)，轉(zhuǎn)彎等功能；實(shí)現(xiàn)小車(chē)自動(dòng)避障行駛。
2 機(jī)械部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與零件選用
2.1 模擬機(jī)械臂
采用旋鈕電位器，鋁合金機(jī)械臂支架，螺母，摩擦片等做成。采用簡(jiǎn)單的L支架，一字支架，一字薄木板，帶手指孔的長(zhǎng)鋁片做成五自由度機(jī)械臂，支架連接處采用旋鈕電位器轉(zhuǎn)軸連接，連接軸中間加上摩擦片，是為了使模擬機(jī)械臂在操作后能自鎖在原來(lái)的位置；實(shí)物圖如圖2.1.a所示,運(yùn)動(dòng)示意圖如2.1.e。
圖2.1.a 模擬機(jī)械臂實(shí)物圖
模擬機(jī)械臂主要零件尺寸,見(jiàn)下圖：圖2.1.b長(zhǎng)L支架； 圖2.1.c一字支架；圖2.1.d機(jī)械手指。
b 長(zhǎng)L支架 c 一字支架
d 機(jī)械手指架 e 運(yùn)動(dòng)示意圖
圖2.1 模擬機(jī)械臂零件圖
2.2 車(chē)載端五自由度機(jī)械臂
采用制作機(jī)器人的支架，996舵機(jī)，加上小型軸承，螺母，螺栓連接，做成一個(gè)五自由度的機(jī)械臂，包括U梁，長(zhǎng)U支架，L支架，多功能支架，機(jī)械爪，三維圖如圖2.2.a所示，運(yùn)動(dòng)示意圖如2.2.e。
圖2.2.a 車(chē)載五自由度機(jī)械臂
車(chē)載機(jī)械臂主要支架及相關(guān)零件圖，見(jiàn)下圖：圖2.1.b多功能支架； 圖2.1.c長(zhǎng)U型支架；圖2.2.d短L支架。
b 多功能支架 c 長(zhǎng)U型支架
d 短L支架 e 運(yùn)動(dòng)示意圖
圖2.2 車(chē)載機(jī)械臂主要零件圖
2.3 二自由度攝像頭云臺(tái)
為了實(shí)時(shí)監(jiān)控小車(chē)周?chē)沫h(huán)境，五自由度機(jī)械手抓取物體看清物體，采用了兩個(gè)攝像頭。第一個(gè)攝像頭直接安裝在機(jī)械爪后端，第二個(gè)攝像頭裝在車(chē)載二自由度云臺(tái)上，通過(guò)遙控端的攝像頭切換按鍵，在液晶顯示終端實(shí)時(shí)觀看兩個(gè)攝像頭的圖像；二自由度云臺(tái)采用兩個(gè)舵機(jī)，兩個(gè)多功能支架，一個(gè)長(zhǎng)U支架構(gòu)成等組成，能夠?qū)崿F(xiàn)空間360度的攝像。三維圖如圖2.3所示。
圖2.3 二自由度攝像頭云臺(tái)
2.4 小車(chē)底盤(pán)選擇
方案一：輪式小車(chē)底盤(pán)
優(yōu)點(diǎn)：速度快、效率高、運(yùn)動(dòng)噪聲低。
缺點(diǎn)：越障能力、地形適應(yīng)能力差、轉(zhuǎn)彎效率低，或轉(zhuǎn)外半徑大。
適合：野外、城市環(huán)境都可以，但是地形不能太復(fù)雜，如碎石地難以靈活控制。
方案二：履帶式小車(chē)底盤(pán)
優(yōu)點(diǎn)：地形適應(yīng)能力強(qiáng)，可原地轉(zhuǎn)彎，運(yùn)動(dòng)時(shí)車(chē)體減震，有負(fù)載輪可載重物。
缺點(diǎn)：速度相對(duì)較低、效率低、運(yùn)動(dòng)噪聲較大。
適合：野外、城市環(huán)境都可以，在平穩(wěn)、越障，負(fù)載重量等方面優(yōu)于輪式。
為實(shí)現(xiàn)小車(chē)平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，使搭載在小車(chē)上的攝像頭，在小車(chē)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不抖動(dòng)，保證圖像傳輸清晰；小車(chē)加載機(jī)械手、電路板，電池后重量達(dá)到兩公斤，負(fù)載較重；另外適應(yīng)一定的復(fù)雜環(huán)境，使小車(chē)具有一定的越障功能，比較之下選擇坦克式小車(chē)平臺(tái)：坦克1：16虎式3818-1底盤(pán)，底盤(pán)尺寸：38*22*10（長(zhǎng)寬高），塑料履帶2條、金屬驅(qū)動(dòng)輪2個(gè)、塑料誘導(dǎo)輪2個(gè)，負(fù)重輪16個(gè)，加寬覆帶與地面的接觸面積更大，行走起來(lái)更穩(wěn)！每一個(gè)輪子都有獨(dú)立的減震彈簧。前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)操作靈活自如。實(shí)物圖如圖2.4所示。
圖2.4 履帶式小車(chē)底盤(pán)
2.5 減速齒輪箱
方案1：塑料齒減速齒輪箱
優(yōu)點(diǎn)：重量輕、運(yùn)動(dòng)噪聲低。
缺點(diǎn)：加載較重物體時(shí)，塑料齒輪剛度強(qiáng)度不夠，容易發(fā)生齒輪變形，磨損。
適合：小型輕載小車(chē)。
方案2：金屬齒減速齒輪箱
優(yōu)點(diǎn)：剛度和強(qiáng)度好，耐磨，傳動(dòng)比精確，扭力更大。
缺點(diǎn)：運(yùn)動(dòng)噪聲稍高。
適合：大部分小車(chē)都可以，特別適合于重載小車(chē)。
小車(chē)加載機(jī)械手、電路板和電池等后重量達(dá)到兩公斤，負(fù)載較重，需要能輸出大扭矩的減速齒輪箱，來(lái)保證小車(chē)在較復(fù)雜的環(huán)境中也能運(yùn)動(dòng)自如；所以采用金屬三級(jí)減速齒輪箱，金屬齒輪為0.6模數(shù)的鋅合金雙聯(lián)齒輪和0.6模的直齒齒輪，雙聯(lián)齒輪1:小齒齒輪：14齒，齒厚5mm；大齒齒輪：46齒，齒厚5mm;內(nèi)孔：Φ3mm; 雙聯(lián)齒輪2:小齒齒輪：14齒，齒厚6mm；大齒齒輪：53齒，齒厚5mm;內(nèi)孔：Φ3mm; 雙聯(lián)齒輪3:小齒齒輪：40齒，齒厚5mm；大齒齒輪：53齒，齒厚5mm;內(nèi)孔：Φ3mm;直齒輸出輪：:齒輪：28齒，齒厚5mm；內(nèi)孔：Φ6mm;齒輪嚙合圖如圖2.5。
圖2.5 減速箱齒輪嚙合圖
2.6 小車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)
基于五自由度機(jī)械手的遙控智能車(chē)為適應(yīng)小車(chē)的靈活運(yùn)動(dòng)和精確控制機(jī)械手抓取物體，速度分為3檔，用于不同環(huán)境不同速度的需要。
直流電機(jī)的控制方法比較簡(jiǎn)單，只需給電機(jī)的兩根控制線加上適當(dāng)?shù)碾妷杭纯墒闺姍C(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，電壓越高則電機(jī)轉(zhuǎn)速越高。而且改變正負(fù)極可方便的改變電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向，方便改變小車(chē)的行進(jìn)狀態(tài)。對(duì)于直流電機(jī)的速度調(diào)高，可以采用改變電壓的方法，也可采用PWM調(diào)速方法。PWM調(diào)速就是使加在直流電機(jī)兩端的電壓為方波形式，通過(guò)改變方波的占空比實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。?
綜上所述采用小型380直流電機(jī) ，電機(jī)輸出軸連接模數(shù)為0.6，齒數(shù)為10的齒輪與減速箱一級(jí)雙聯(lián)齒輪相連，實(shí)現(xiàn)小車(chē)驅(qū)動(dòng)輪的大扭力輸出。380直流電機(jī)參數(shù)如下：使用電壓范圍?3.0-12V，額定電壓值?9V，無(wú)負(fù)荷轉(zhuǎn)速20160，無(wú)負(fù)載電流：680MA，最大電流3.8A，額定功率20W，尺寸約:直徑27.7MM,長(zhǎng)38MM,軸徑2.3MM,軸長(zhǎng)12.7MM，重量：75克。
2.7 機(jī)械臂關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)
機(jī)械臂采用機(jī)械式驅(qū)動(dòng)，需要對(duì)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行選擇。一種好的電機(jī)不僅
會(huì)給機(jī)械臂的動(dòng)作特性帶來(lái)提高，而且在運(yùn)動(dòng)精度上也會(huì)有很大改善，同時(shí)安裝，及控制方式也會(huì)帶來(lái)很大便利。目前，市面上的各種機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)電機(jī)有：步進(jìn)電機(jī)，伺服電機(jī)，舵機(jī)。下面表 2.1，將幾種電機(jī)的特點(diǎn)進(jìn)行比較：
表 2.1電機(jī)的比較
項(xiàng)目 是否反饋 控制精度 低頻特性 過(guò)載能力 速度相應(yīng) 成本
步進(jìn)電機(jī) 否 較高 不好 較差 較好 普通
伺服電機(jī) 是 高 好 較好 好 高
舵機(jī) 是 較高 較好 差 較好 低
由上表可以看出，步進(jìn)電機(jī)和舵機(jī)成本較低，伺服電機(jī)從哪個(gè)方面都是較優(yōu)的。
其中步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)一般是面向較為大型的工業(yè)機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)，而舵機(jī)則常
常應(yīng)用在小型的特殊機(jī)械臂上面，同時(shí)舵機(jī)小巧，安裝方便。本設(shè)計(jì)主要是面向小型
作業(yè)的機(jī)械臂，對(duì)于驅(qū)動(dòng)力沒(méi)有太大要求，同時(shí)出于成本考慮，最終選擇舵機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)
關(guān)節(jié)。
選用的舵機(jī)參數(shù)如下：產(chǎn)品名稱：TOWER?PRO(輝盛)最新大扭力舵機(jī)MG996R?(MG995升級(jí)產(chǎn)品)6v/11Kg。廠家編號(hào)：MG996R；凈重:55g；產(chǎn)品尺寸:40.7*19.7*42.9mm；產(chǎn)品拉力:9.4kg/cm(4.8V),11kg/cm(6V)；反應(yīng)速度:?0.17S/60°(4.8v)，0.14 S /60°（6v)；工作電壓:?4.8-7.2V；工作溫度:?0℃-55℃；齒輪形式:金屬齒輪；工作死區(qū):?5us(微秒)。實(shí)物圖如圖2.6所示。
圖2.6 MG996R舵機(jī)
3 遙控端電路原理及設(shè)計(jì)
3.1 單片機(jī)的選擇與分析
基于五自由度機(jī)械手的遙控智能車(chē)，采用五自由度機(jī)械手五軸聯(lián)動(dòng)控制，打破傳統(tǒng)的一個(gè)個(gè)按鍵微調(diào)的控制方式，實(shí)現(xiàn)空間抓取物體一步到位?？刂屏鞒虨椋何遄杂啥饶M機(jī)械臂采集AD數(shù)據(jù)，處理好AD數(shù)據(jù)，無(wú)線發(fā)送給車(chē)載端，車(chē)載端接收數(shù)據(jù)后快速響應(yīng)，車(chē)載五自由度機(jī)械手各個(gè)關(guān)節(jié)舵機(jī)響應(yīng)，轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)角度，帶動(dòng)車(chē)載機(jī)械臂，做和模擬機(jī)械臂相同的動(dòng)作。
用單片機(jī)控制則簡(jiǎn)要的流程為：遙控端單片機(jī)發(fā)出指令然后讀取AD值，接著處理AD值，加載打包數(shù)據(jù)，發(fā)送給無(wú)線模塊，無(wú)線模塊發(fā)送數(shù)據(jù)；接收端單片機(jī)不斷發(fā)出指令，讀取無(wú)線接收模塊收到的數(shù)據(jù)，然后處理分析，生成不同寬度的PWM脈寬信號(hào)，給機(jī)械臂各個(gè)關(guān)節(jié)的996R舵機(jī)，車(chē)載機(jī)械臂響應(yīng)完成相應(yīng)角度轉(zhuǎn)動(dòng)。單片機(jī)處理AD數(shù)據(jù),無(wú)線發(fā)送數(shù)據(jù),無(wú)線接收數(shù)據(jù)，產(chǎn)生5路PWM信號(hào)，需要花費(fèi)大量的時(shí)間，如果采用普通的51單片機(jī)，數(shù)據(jù)處理較慢，難以滿足車(chē)載機(jī)械臂和模擬機(jī)械臂同步運(yùn)動(dòng)的要求，需要采用更高處理速度的單片機(jī)。
經(jīng)過(guò)查閱資料得知STC12C5A60S2單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8-12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路,2路PWM,8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250K/S),針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。能夠很好的滿足處理速度快，帶AD轉(zhuǎn)換的功能。STC12C5A60S2單片機(jī)特性參數(shù)如下：
1.增強(qiáng)型8051 CPU，1T，單時(shí)鐘/機(jī)器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051;
2.工作電壓：STC12C5A60S2系列工作電壓：5.5V-3.3V(5V單片機(jī));
3.工作頻率范圍：0 - 35MHz，相當(dāng)于普通8051的 0～420MHz;
4.用戶應(yīng)用程序空間60K字節(jié);
5.片上集成1280字節(jié)RAM;
6.通用I/O口(36/40/44個(gè))，復(fù)位后為：準(zhǔn)雙向口/弱上拉(普通8051傳統(tǒng)I/O口)，可設(shè)置成四種模式：準(zhǔn)雙向口/弱上拉，推挽/強(qiáng)上拉，僅為輸入/高阻，開(kāi)漏，每個(gè)I/O口驅(qū)動(dòng)能力均可達(dá)到20mA;
7. ISP(在系統(tǒng)可編程)/IAP(在應(yīng)用可編程)，無(wú)需專用編程器，無(wú)需專用仿真器 可通過(guò)串口(P3.0/P3.1)直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片;
8.共4個(gè)16位定時(shí)器 兩個(gè)與傳統(tǒng)8051兼容的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,16位定時(shí)器T0和T1，沒(méi)有定時(shí)器2，但有獨(dú)立波特率發(fā)生器 做串行通訊的波特率發(fā)生器 再加上2路PCA模塊可再實(shí)現(xiàn)2個(gè)16位定時(shí)器;
9.A/D轉(zhuǎn)換, 10位精度ADC，共8路，轉(zhuǎn)換速度可達(dá)250K/S(每秒鐘25萬(wàn)次)18.通用全雙工異步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的8051，可再用定時(shí)器或PCA軟件實(shí)現(xiàn)多串口;
3.2 小車(chē)遙控電路設(shè)計(jì)
采用STC12C5A6OS2為主控芯片，NRF24LO1無(wú)線模塊實(shí)現(xiàn)指令發(fā)送，按鍵響應(yīng)相應(yīng)的小車(chē)運(yùn)動(dòng)指令，切換攝像頭，開(kāi)關(guān)小車(chē)端的LED夜燈，手動(dòng)控制和超聲波自動(dòng)行駛切
換，數(shù)碼管顯示當(dāng)前速度檔位。具體電路原理圖如圖3.1所示。
圖3.1 小車(chē)遙控電路
3.3 模擬機(jī)械臂電路設(shè)計(jì)
模擬機(jī)械臂采用電位器和鋁合金機(jī)械支架做成；操作人員通過(guò)操作模擬機(jī)械臂，得到五路模擬電壓，進(jìn)入STC12C5A6OS2主控芯片，進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，通過(guò)NRF24L01無(wú)線模塊發(fā)送信號(hào)。具體電路原理圖如圖3.2所示。
圖3.2 模擬機(jī)械臂發(fā)射模塊電路圖
4 車(chē)載端電路原理及設(shè)計(jì)
4.1 小車(chē)接收電路設(shè)計(jì)
采用STC12C5A6OS2為主控芯片，NRF24LO1無(wú)線模塊實(shí)現(xiàn)指令接收，數(shù)碼管顯示當(dāng)前速度檔位。采用專用芯片L298N作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，一片L298N分別控制兩個(gè)直流電機(jī)；單片機(jī)P3.2.P3.3口接HY-SRF05超聲波模塊，具體電路原理圖如圖4.1所示。
圖4.1 小車(chē)接收電路
4.2 車(chē)載五自由度機(jī)械手電路設(shè)計(jì)
采用STC12C5A6OS2為主控芯片，NRF24LO1無(wú)線模塊實(shí)現(xiàn)指令發(fā)接收，單片機(jī)控制PWM,從而輸出信號(hào)給機(jī)械臂的996舵機(jī)，舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)角度帶動(dòng)機(jī)械臂轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)與模擬機(jī)械臂同樣的動(dòng)作。具體電路原理圖如圖4.2所示。
圖4.2 五自由度機(jī)械臂控制
4.3 小車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
小車(chē)采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用L298N專用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片做成電機(jī)驅(qū)動(dòng)板。L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓，大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片的主要特點(diǎn)是工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3A,持續(xù)工作電流為2A;內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電機(jī)，繼電器，線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)控制；具有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入信號(hào)影響的情況下允許或禁止器件工作；有一個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作。小車(chē)檔位轉(zhuǎn)速采用PWM調(diào)速方法。PWM調(diào)速就是使加在直流電機(jī)兩端的電壓為方波形式，通過(guò)改變方波的占空比實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。驅(qū)動(dòng)電路如4.3所示。?
圖4.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
4.4 小車(chē)超聲波避礙模塊
小車(chē)在遠(yuǎn)程行駛或作業(yè)時(shí)，操作人員通過(guò)液晶顯示終端看到的視頻是攝像頭看到的小車(chē)周?chē)木植繄D像，如果小車(chē)進(jìn)入狹長(zhǎng)曲折的道路時(shí)，人為操控小車(chē)因?yàn)橐粫r(shí)不能夠完全看清小車(chē)的周?chē)闆r，雖然可以通過(guò)遙控端控制車(chē)載二自由度云臺(tái)來(lái)看清周?chē)沫h(huán)境，但是這個(gè)過(guò)程比較費(fèi)時(shí)；加載了HY-SRF05超聲波模塊則可以在這個(gè)時(shí)候一鍵切換為小車(chē)自主駕駛模式，使小車(chē)快速自主駛出狹長(zhǎng)曲折的空間；另外在進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域作業(yè)時(shí)，啟動(dòng)超聲波自主避障，能夠很好的避開(kāi)危險(xiǎn)物體，防止小車(chē)在人為操作下誤撞危險(xiǎn)物體。超聲波模塊如圖4.4所示。
圖4.4 超聲波模塊
5 無(wú)線視頻實(shí)時(shí)傳輸
5.1 無(wú)線視頻方案選擇與分析
無(wú)線視頻傳輸就是指不用布線（線纜）利用無(wú)線電波作為傳輸介質(zhì)，在空中搭建傳輸鏈路來(lái)傳輸視頻、聲音、數(shù)據(jù)等信號(hào)的監(jiān)控系統(tǒng)。在無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)中，無(wú)線監(jiān)控中心實(shí)時(shí)得到被監(jiān)控點(diǎn)的視頻信息，并且該視頻信息是連續(xù)、清晰的。在無(wú)線監(jiān)控點(diǎn)，通常使用攝像頭對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，攝像頭通過(guò)無(wú)線視頻傳輸設(shè)備相連，并通過(guò)由無(wú)線電波將數(shù)據(jù)信號(hào)發(fā)送到監(jiān)控中心；目前主流的無(wú)線視頻傳輸有兩種方案。
方案1：基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字視頻傳輸，是解決城域間遠(yuǎn)距離、點(diǎn)位極其分散的監(jiān)控傳輸方式，采用MPEG2/4、H.264音視頻壓縮格式傳輸監(jiān)控信號(hào)。優(yōu)點(diǎn)：采用網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器作為監(jiān)控信號(hào)上傳設(shè)備，有Internet網(wǎng)絡(luò)安裝上遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件就可監(jiān)看和控制。缺點(diǎn)：受網(wǎng)絡(luò)帶寬和速度的限制，只能傳輸小畫(huà)面、低畫(huà)質(zhì)的圖像;每秒只能傳輸幾到十幾幀圖像，動(dòng)畫(huà)效果十分明顯并有延時(shí)，無(wú)法做到實(shí)時(shí)監(jiān)控。
方案2：微波信號(hào)模擬視頻傳輸：是解決幾公里甚至幾十公里不易布線場(chǎng)所監(jiān)控傳輸?shù)慕鉀Q方式之一。采用調(diào)頻調(diào)制或調(diào)幅調(diào)制的辦法，將圖像搭載到高頻載波上，轉(zhuǎn)換為高頻電磁波在空中傳輸。優(yōu)點(diǎn)：省去布線及線纜維護(hù)費(fèi)用，可動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)傳輸廣播級(jí)圖像。缺點(diǎn)：由于采用微波傳輸，頻段在1GHz以上，常用的有L波段(1.0～2.0GHz)、S波段(2.0～3.0GHz)、Ku波段(10～12GHz),傳輸環(huán)境是開(kāi)放的空間很容易受外界電磁干擾;微波信號(hào)為直線傳輸，中間不能有山體、建筑物遮擋;Ku波段受天氣影響較為嚴(yán)重，尤其是雨雪 天氣會(huì)有嚴(yán)重雨衰想象。
基于五自由度機(jī)械手的遙控智能車(chē)，當(dāng)小車(chē)在行駛中和用機(jī)械臂抓取物體時(shí)，都需要實(shí)時(shí)監(jiān)控；另外基于五自由度機(jī)械手的遙控智能車(chē)用于野外作業(yè)時(shí)，有便攜式要求，不管在何種環(huán)境下，只要打開(kāi)液晶顯示終端就能收到視頻，不能夠依賴網(wǎng)絡(luò)，否則在沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)絡(luò)信號(hào)不強(qiáng)的環(huán)境下難以作業(yè)。綜合考慮采用方案2符合我們的需求。
5.2 視頻發(fā)送模塊
采用2.4G遠(yuǎn)距離無(wú)線監(jiān)控發(fā)射模塊TX6722，TX6722是工作在2414-2468MHz ISM頻段內(nèi)的FM音視頻接收解調(diào)模塊。模塊采用單芯片設(shè)計(jì)，該芯片集成了VCO、PLL、寬帶FM視頻解調(diào)、FM伴音解調(diào)，模塊體積小功耗低靈敏度高等特點(diǎn)。具體電路原理圖如圖5.1所示。
圖5.1 無(wú)線視頻發(fā)送
5.3 視頻接收模塊
采用2.4G遠(yuǎn)距離無(wú)線監(jiān)控接收模塊RX6788， RX6788是工作在2414-2468MHz ISM頻段內(nèi)的FM音視頻接收解調(diào)模塊。模塊采用單芯片設(shè)計(jì)，該芯片集成了VCO、PLL、寬帶FM視頻解調(diào)、FM伴音解調(diào)，模塊體積小功耗低靈敏度高等特點(diǎn)；具體電路原理圖如圖5.2所示。
圖5.2 無(wú)線視頻接收
5.4 液晶顯示??
采用7寸液晶顯示屏，加驅(qū)動(dòng)板，連接視頻接收模塊信號(hào)線，實(shí)現(xiàn)視頻實(shí)時(shí)顯示；具體參數(shù)為：
產(chǎn)品名稱：7寸高清液晶屏
產(chǎn)品型號(hào)：AT070TN92
解析度：800*RGB*480
背光方式：LED
電源輸入：DC 9V-12V
額定功率：2.6W
輸入信號(hào)：AV
系統(tǒng)制式：PAL/NTSC
驅(qū)動(dòng)板結(jié)構(gòu)尺寸(mm)：73(W)*60(H)*9.2(D)
液晶屏外觀尺寸(mm)：164.9（W）*100.0（H）*5.7（D）
工作環(huán)境溫度：Low(-10℃)-High(60℃)
1、一路AV輸入,有PAL制和NTSC兩種制式，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)換；
2、電位器調(diào)節(jié)亮度及色彩；
3、電源9V--12V范圍；
適用范圍：顯示設(shè)備、可視樓宇對(duì)講、可視門(mén)鈴、樓宇對(duì)講、汽車(chē)倒車(chē)系統(tǒng)、安防監(jiān)控系統(tǒng)、廣告顯示、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)控制等領(lǐng)域。實(shí)物圖如圖5.3所示。
圖5.3 液晶顯示模塊
6 程序設(shè)計(jì)
6.1 編寫(xiě)程序軟件
采用Keil uVision4進(jìn)行單片機(jī)C語(yǔ)言程序編寫(xiě)，編譯與調(diào)試。
6.2 遙控小車(chē)程序
采用按鍵，數(shù)碼管，增強(qiáng)型單片機(jī)STC12C5A60S2，NRF24L01無(wú)線芯片,根據(jù)自己所學(xué)的單片機(jī)知識(shí)，電路硬件知識(shí)， C語(yǔ)言程序全原創(chuàng)，只要操作人員按相應(yīng)按鍵，實(shí)現(xiàn)小車(chē)響應(yīng)相應(yīng)指令如：前進(jìn)，后退，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)，加檔，減檔，攝像頭切換，車(chē)燈開(kāi)關(guān)等。部分相關(guān)程序見(jiàn)附錄一：1遙控小車(chē)程序。
6.3 模擬機(jī)械臂程序
采用旋鈕電位器，模擬機(jī)械臂支架，增強(qiáng)型單片機(jī)STC12C5A60S2，NRF24L01無(wú)線芯片,轉(zhuǎn)動(dòng)模擬機(jī)械臂，五個(gè)自由度關(guān)節(jié)的電位器得到相應(yīng)的模擬電壓值，進(jìn)入STC12C5A60S2處理，進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，此程序部分參考了STC單片機(jī)手冊(cè)程序，自己優(yōu)化，加入自己原創(chuàng)算法，處理相關(guān)AD值，實(shí)現(xiàn)實(shí)際機(jī)械臂與模擬機(jī)械臂同步運(yùn)動(dòng)。部分相關(guān)程序見(jiàn)附錄一：2模擬機(jī)械臂程序。
6.4 小車(chē)接收端程序
采用STC89C52RC單片機(jī)，NRF24L01無(wú)線芯片，L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，HY-SRF05超聲波模塊，繼電器等組成接收電路；程序響應(yīng)遙控端小車(chē)指令，小車(chē)作出相關(guān)動(dòng)作；接收到攝像頭切換指令，視頻信號(hào)在機(jī)械手?jǐn)z像頭和小車(chē)兩自由度云臺(tái)攝像頭之間切換；接收到開(kāi)啟LED夜燈命令，小車(chē)端開(kāi)啟夜燈，程序全原創(chuàng)。部分相關(guān)程序見(jiàn)附錄一：3小車(chē)接收端程序。
6.5 五自由度機(jī)械臂程序
采用STC12C5A60S2C單片機(jī)，NRF24L01無(wú)線芯片，組成相關(guān)電路，自己編寫(xiě)程序，原創(chuàng)算法，控制舵機(jī)，帶動(dòng)機(jī)械臂，實(shí)現(xiàn)五自由度機(jī)械臂聯(lián)動(dòng)，而且響應(yīng)快速。
舵機(jī)控制中最基本的概念是 PWM 脈沖寬度調(diào)制。脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來(lái)調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導(dǎo)通時(shí)間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時(shí)保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。它是把每一脈沖寬度均相等的脈沖列作為PWM波形，通過(guò)改變脈沖列的周期可以調(diào)頻，改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓，采用適當(dāng)控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化。可以通過(guò)調(diào)整 PWM 的周期、PWM 的占空比而達(dá)到控制充電電流的目的。 緊接著，舵機(jī)的控制一般需要一個(gè) 20ms 左右的時(shí)基脈沖，該脈沖的高電平部分般為 0.5ms~2.5ms 范圍內(nèi)的角度控制脈沖部分。以 180 度角度伺服為例，那么對(duì)應(yīng)的控制關(guān)系是這樣的：
·0.5ms——0度
·1.0ms——45度
·1.5ms——90度
·2.0ms——135度
·2.5ms——180度
部分相關(guān)程序見(jiàn)附錄一：4五自由度機(jī)械臂程序。
7 結(jié)論與展望
7.1結(jié)論
經(jīng)過(guò)三個(gè)半月的的思考、分析、設(shè)計(jì)、選器件、制作、編程、調(diào)試。最終完成了基于五自由度機(jī)械手的遙控智能車(chē)各個(gè)部分設(shè)計(jì)；整個(gè)過(guò)程下來(lái)后，對(duì)于如何設(shè)計(jì)一個(gè)五自由度機(jī)械手和制作一個(gè)遙控智能車(chē)有了一定的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也鞏固加深了課本上學(xué)到的機(jī)械和電子設(shè)計(jì)相關(guān)的知識(shí)。不僅如此，將模型制作出來(lái)，還鍛煉了自己的動(dòng)手能力。整個(gè)設(shè)計(jì)包含了最基本的機(jī)械設(shè)計(jì)，電路設(shè)計(jì)，單片機(jī)編程，完成的主要工作如下：
1）進(jìn)行了五自由度機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，小車(chē)底盤(pán)選用和相關(guān)零件的選用和分析。運(yùn)用機(jī)械原理，機(jī)械設(shè)計(jì)，機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)等課程中所學(xué)的知識(shí)，對(duì)機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了設(shè)計(jì)。
2）對(duì)機(jī)械臂的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)的多種方式，進(jìn)行了比較選擇，
在步進(jìn)電機(jī)，伺服電機(jī)，舵機(jī)中進(jìn)行比較，羅列出各驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)劣，最終選擇性價(jià)
比較高的舵機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)。同時(shí)對(duì)于多路舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行了設(shè)計(jì)，即多路 PWM 脈沖的
發(fā)生方式的設(shè)計(jì)。
3）對(duì)于控制電路和程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括遙控端小車(chē)控制和模擬機(jī)械臂控制系統(tǒng)，以及車(chē)載端小車(chē)運(yùn)動(dòng)，超聲波和車(chē)載機(jī)械臂控制系統(tǒng)。
4）制作出了實(shí)物，將各部分的設(shè)計(jì)運(yùn)用其中，并且在一定精度許可內(nèi)滿足要求。
操作人員控制模擬機(jī)械臂即可控制車(chē)載五自由度機(jī)械臂，簡(jiǎn)單實(shí)用；小車(chē)運(yùn)動(dòng)通過(guò)遙控端無(wú)線靈活控制；雙攝像頭，保證工作視區(qū)廣闊；超聲波避障，在一定環(huán)境下實(shí)現(xiàn)自主行駛。
7.2展望
目前對(duì)于基于五自由度機(jī)械手的遙控車(chē)有了一定的設(shè)計(jì)，但是還是有幾個(gè)方面有待完善，需要在以后的工作研究中深入：
1）五自由度模擬機(jī)械臂的剛度和自鎖性能需要改善。模擬機(jī)械臂采用1mm的鋁合金直角支架和一字支架構(gòu)成，操作人員操控模擬機(jī)械臂的時(shí)候有少量抖動(dòng)，從而使采集的AD值不太穩(wěn)定，使車(chē)載端五自由度度機(jī)械手有時(shí)抖動(dòng)；另外模擬機(jī)械臂關(guān)節(jié)處采用了摩擦片自鎖，長(zhǎng)期使用后自鎖性能下降。
2）視頻實(shí)時(shí)傳輸信號(hào)有時(shí)和小車(chē)遙控有沖突。因?yàn)椴捎玫亩际?.4GHz信號(hào)無(wú)線傳輸，視頻信號(hào)采用的是1W的大功率傳輸，有時(shí)會(huì)干擾小車(chē)信號(hào)，后期視頻傳輸模塊可以改成1.2GHz或5.8Hz無(wú)線傳輸。
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參考文獻(xiàn)
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附錄一
1 部分遙控小車(chē)程序：
void main()
{
init_NRF24L01();
P1M1=0x00;
P1M0=0xFF;
P1=Number[speed];
while(1)
{ Getdata();
NRF24L01_Txpacket(TXBuf);
SPI_RW_Reg(WRITE_REG+STATUS,0xFF);
SPI_RW_Reg(FLUSH_TX,0xFF)
}
}
2 部分模擬機(jī)械臂程序：
void main()
{ uchar i;
InitTimer0();
init_NRF24L01();
InitADC();
while(1)
{ for(i=0;i<8;i++)
{ TXBuf[i]=GetADCResult(i)/1.5;
}
}
}
3 部分小車(chē)接收端程序：
void init_NRF24L01(void)
{ delayus(10);
CE=0;
CSN=1;
SCK=0;
IRQ=1;
SPI_Write_Buf(WRITE_REG+TX_ADDR,TX_ADDRESS,TX_ADR_WIDTH);
SPI_Write_Buf(WRITE_REG+RX_ADDR_P0,RX_ADDRESS,RX_ADR_WIDTH); SPI_RW_Reg(WRITE_REG+EN_AA,0x00);
SPI_RW_Reg(WRITE_REG+EN_RXADDR,0x01);
SPI_RW_Reg(WRITE_REG+RF_CH,0x4D);
SPI_RW_Reg(WRITE_REG+RX_PW_P0,RX_PLOAD_WIDTH); SPI_RW_Reg(WRITE_REG+RF_SETUP,0x07);
}
4 部分五自由度機(jī)械臂程序：
void main()
{ init_NRF24L01();
InitTimer0();
while(1)
{ SetRX_Mode();
if(IRQ==0)
{ nRF24L01_RxPacket(RXBuf);
LED=~LED;
}
致謝
本設(shè)計(jì)是在指導(dǎo)老師周華茂、康麗春老師的大力支持和悉心指導(dǎo)下完成的。在設(shè)計(jì)過(guò)程中我遇到了不少機(jī)械和電子的問(wèn)題，老師都不知疲倦、不厭其煩的給我分析和講解，而且也給我灌輸了一些先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)理念，使我大受裨益。他們嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神，深深地感染和激勵(lì)著我。從課題的選擇到項(xiàng)目的最終完成，周老師和康老師始終給予我細(xì)心的指導(dǎo)和不懈的支持。在此我謹(jǐn)向周老師和康老師兩位老師致以誠(chéng)摯的謝意和崇高的敬意。
同時(shí)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，有機(jī)制1003班王俊斌，電子信息工程1102王新海同學(xué)以及班上同學(xué)的幫助一起探討設(shè)計(jì)課題、步驟、方法等；但是由于該設(shè)計(jì)許多方面的細(xì)節(jié)問(wèn)題涉及面太廣，而本人知識(shí)面和能力都極其有限，也因?yàn)闀r(shí)間倉(cāng)促，因而不能科學(xué)詳盡地做出正確的判斷和選擇。所以設(shè)計(jì)中難免出現(xiàn)很多錯(cuò)誤。雖然有這些不足和遺憾，但是總的來(lái)說(shuō)，此次設(shè)計(jì)學(xué)到了很多東西的。并且最終獨(dú)立的完成總體機(jī)械設(shè)計(jì)，電路設(shè)計(jì)和程序編寫(xiě)調(diào)試，成功的完成了老師布置的任務(wù)。如果有不夠完善的地方還請(qǐng)各位老師批評(píng)指正。
本文同時(shí)參考了大量的文獻(xiàn)資料，在此，我要感謝機(jī)械和電子行業(yè)的前輩們，是你們不斷的摸索和高超的智慧總結(jié)出來(lái)的經(jīng)驗(yàn)給我夯實(shí)了學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，在此表示衷心的感謝。
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