第八章 基于机器人项目的嵌入式系统设计

如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受 任何力以下均同）。 如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时 转子向右移过1/3て，此时齿3与C偏移为1/3て，齿4与A偏移（て-1/3て） =2/3て。如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移 过1/3て，此时齿4与A偏移为1/3て对齐。
因此，要控制电机的正、反转只需要控制Q1 、Q2、 Q3、 Q4的 通断，控制它们同样也可以实现调速。
2.舵机
以日本FUTABA-S3003型舵机为例，下图是FUFABA-S3003型舵机的内部 电路。 舵机的工作原理是：PWM信号由接收通道进入信号解调电路BA6688。 的12脚进行解调，获得一个直流偏置电压。该直流偏置电压与电位器的电 压比较，获得电压差由BA6688的3脚输出。该输出送人电机驱动集成电路 BAL6686，以驱动电机正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带 动电位器Rw1旋转，直到电压差为0，电机停止转动。舵机的控制信号是 PWM信号，利用占空比的变化改变舵机的位置。
Probots机器人总体框图
机器人上层编程软件系统
机器人主控系统
机器人传感器系统
机器人执行系统
一、机器人主控制器设计介绍 1.主控制系统硬件框图
工作电源范围 (3.3V~12V)
键盘 (3*3) I/O口 UART0 AD0~7
PC通讯模块 USB(Device)
LCD像素屏 UART1 (128*64)
（2）直流电机驱动电路
H桥驱动电路工作原理
如图所示，H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。要使 电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导 通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的 转向。
电机正转：
电机反转：
控制Q1和Q4导通，正向 电流流过电机
控制Q2和Q3导通，反向 电流流过电机
基于机器人项目驱动的嵌入式教学讲义
第八讲 基于机器人项目的嵌入式 系统设计
河海大学计算机与信息学院
机器人的介绍
多功能焊接机器人
美国iRobot公司为驻伊士兵 制作的排雷机器人
跟着你走的音响ｉＰｏｄ扩展机器人
在日本东京的本田公司总部，两台 “阿西莫”机器人服务员为公司员 工送茶。
基于51单片机的机器人系统设计
tw T
通过调整脉冲宽度（tw）来调节电动机的转动速度
如何产生脉冲调制信号，一般有两种方法： 通过芯片中的PWM来产生，产生方式比较简单；仅需配 置相应的寄存器就可以实现脉宽调制信号。 通过芯片的输入/输出（I/O）口来产生，需要用芯片中的 定时器来产生中断，从而控制I/O口的高低电平，来产生脉宽 调制信号。 无论是由第一种还是第二种方法产生的脉宽调制信号都不 能直接驱动电动机，因为芯片产生的信号是TTL电平，驱动电 流非常小，不足以驱动电动机，因此，需要增加一个专用的电 机驱动电路。 最常用的电机驱动电路主要是H桥电路，它可以实现电机的 正、反转以及调整电机的转动速度。
A A’ B B’
二相 步进电机
A A’ B B’
速度控制：通过时序信号的频率来达到速度控制； 方向控制：步进信号的顺序来控制；
电机驱动电路板
电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依 次分别与转子齿轴线错开。0、1/3て、2/3て,（相邻两转子齿轴线间的距离为 齿距以て表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3て，C与齿3向右错 开2/3て，A'与齿5相对齐，（A'就是A，齿5就是齿1）下面是定转子的展开图：
（2）步进电机驱动电路
步进电机通常有两种基本类型：一是单极性步进电机，通常也称为 四相步进电机；二是双极性步进电机，通常也称为两相步进电机；一般 而言，在机器人中用的步进电机为双极性步进电机，它的扭力比单极性 大，精度比单极性的高，一般可以达到1.8o，甚至到0.9o。 双极性步进电机的工作方式一般有三种：一是单拍工作方式 （扭力小，精度1.8o ）；二是双拍工作方式（经常使用，精度达到 1.8o）；三是半拍工作方式（精度0.9o）；
标准的舵机有3条导线，分别是：电源线、地线、控制线，如图2 所示。
电源线和地线用于提供舵机内部的直流电机和控制线路所需的能源．电压通 常介于4～6V，一般取5V。注意，给舵机供电电源应能提供足够的功率。控制线 的输入是一个宽度可调的周期性方波脉冲信号，方波脉冲信号的周期为20 ms(即 频率为50 Hz)。当方波的脉冲宽度改变时，舵机转轴的角度发生改变，角度变化 与脉冲宽度的变化成正比。某型舵机的输出轴转角与输入信号的脉冲宽度之间的 关系可用下图来表示。
Vcc
GND
模拟量传感器
红外测距传感器
A
灰度传感器
2. 数字量传感器
超声测距传感器
Vcc GND SDA SCL
数字量传感器
光电传感器扩展模块
模拟量传感器扩展模块
3.全复眼
全复眼正面
全复眼反面
4.灰度阵列
三、 机器人执行系统
1.直流电机
M
M
直流电机正转
直流电机反转
直流电机的调速 通过改变加在电机两端直流电压大小来调整转动速度； 常用调速方法：脉宽调制
C8051F360
A/D接口(8路)
PWM0~5 SPI 语音模块 输出接口 (6路PWM) I2C I2C接口(8路)
主控制系统电路图分析
见电路图
基于51（C8051F360）单片机的机器人看控制器
2.主控制系统软件框图
源自文库
应用软件
实时操作系统
微处理器硬件抽象
硬件设备驱动
二、 机器人传感器系统 1. 模拟量传感器
3.步进电机
步进电机工作原理:
步进电动机是一种将脉冲信号变换成相应的角位移(或线位移)的电磁 装置，是一种特殊的电动机。一般电动机都是连续转动的，而步进电动机 则有定位和运转两种基本状态，当有脉冲输入时步进电动机一步一步地转 动，每给它一个脉冲信号，它就转过一定的角度。步进电动机的角位移量 和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步，因此只要控制 输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序，便可获得所需的转角、 转速及转动方向。在没有脉冲输入时，在绕组电源的激励下气隙磁场能使 转子保持原有位置处于定位状态。