包裹采集機器人對抗賽-工業控制技術國家重點實驗室2023/12/27包裹采集機器人對抗賽工業控制技術國家重點實驗室1.概述包裹采集機器人的基本組成部分包裹采集機器人對抗賽工業控制技術國家重點實驗室2.主控處理器選型目前可采用的主控處理器主要有:單片機(80C51，C8051F，PIC，……）DSP（TI公司的TMS320C2000系列）嵌入式處理器（ARM7：S3C44B0X，……）FPGA（Altera公司的EP1C3，EP1C6，……）可用于擴展處理器外圍邏輯的器件：CPLD（Altera公司的MAX7000A系列，MAXII系列，……）包裹采集機器人對抗賽工業控制技術國家重點實驗室2.1單片機主控處理器優點：使用簡單價格便宜，外圍電路簡單缺點：功能相對簡單大多數情況下需要仿真器和編程器可選型號：80C51系列C8051F系列PIC系列AVR系列……包裹采集機器人對抗賽工業控制技術國家重點實驗室2.2DSP主控處理器TI公司用于電機控制等領域的DSP有如下優點：專為電機控制設計，具有許多電機控制所需要的片上外設，如PWM發生器，正交編碼器外圍電路簡單（片上集成Flash和SRAM）開發較容易價格適中DSP的缺點：需要仿真器可選型號：TMS320LF2407TMS320LF2812包裹采集機器人對抗賽工業控制技術國家重點實驗室2.3嵌入式主控處理器嵌入式處理器目前應用很廣，其優點有：性能較強，有豐富的片上外設，大多數處理器帶有PWM模塊可以移植操作系統（uClinux，Linux等），為使用USB攝像頭等提供了可行方案有豐富的開發資料可以參考不需要仿真器嵌入式處理器的缺點：外圍電路復雜，多數情況下需要擴展Flash和SDRAM如果采用現成的開發板成本較高基于操作系統環境，移植USB攝像頭等難度較大包裹采集機器人對抗賽工業控制技術國家重點實驗室2.3嵌入式主控處理器可選型號：ARM7系列：三星公司的S3C44B0X（片上外設豐富，有PWM發生器，需要外擴Flash和SDRAM，有移植好的uClinux，不需要仿真器）飛利浦公司的LPC213X系列（更像一塊高性能的單片機，片上外設豐富，有PWM發生器，片上集成Flash和SRAM，外圍電路簡單，不需要仿真器。個人比較推薦）ARM9系列：三星公司的S3C2410（功能相當強大，系統復雜，有移植好的Linux，為使用USB攝像頭等提供了可能，價格不菲）包裹采集機器人對抗賽工業控制技術國家重點實驗室2.4FPGA主控處理器FPGA（現場可編程門陣列）是一種可編程器件，其優點有：器件可編程，可以根據自己需要添加各種外設，使得開發具有極大靈活性在Altera公司的FPGA上可以使用NIOSII處理器軟核，使得FPGA變成一片32位的嵌入式處理器，極大的方便了開發使用NIOSII處理器軟核可在線調試，不需要仿真器外圍電路極其簡單價格適中FPGA的缺點：不同于一般的MCU，開發過程中會使用到硬件描述語言，對沒有基礎的同學來說起步相對較難可選型號：Altera公司的Cyclone系列FPGA，如EP1C3，EP1C6包裹采集機器人對抗賽工業控制技術國家重點實驗室2.5CPLD用于外擴邏輯 CPLD也是一種硬件可編程器件，其工作原理和FPGA基本一樣，但CPLD門數較小，價格便宜，其用途有：擴展主控處理器沒有的外設功能，如正交編碼單元，PWM發生器等實現主控處理器與外設的時序轉換實現各種數字邏輯，簡化外圍電路設計 可選型號：Altera公司的MAX7000S系列（EPM7064,EPM7128)Altera公司的MAX3000A系列（EPM3064，EPM3128）Altera公司的MAXII系列（EPM240，EPM570）包裹采集機器人對抗賽工業控制技術國家重點實驗室3.常用傳感器介紹 在機器人中，傳感器占有重要位置。在包裹采集機器人里，傳感器可以完成尋線，視覺，測距，辨識目標等功能。常用的傳感器有：紅外傳感器超聲波傳感器光敏傳感器CCD……包裹采集機器人對抗賽工業控制技術國家重點實驗室3.1紅外傳感器

紅外傳感器由紅外發射二極管和紅外接收三極管構成。通常使用的紅外光波長是940nm。

紅外發射二極管紅外接收三極管包裹采集機器人對抗賽工業控制技術國家重點實驗室3.1紅外傳感器

為了提高抗干擾能力，發射管發射的紅外光通常被調制到38KHz的頻率。為了提高紅外靈敏度和作用范圍，通常調制波的占空比較小但幅值很大。包裹采集機器人對抗賽工業控制技術國家重點實驗室3.1紅外傳感器

紅外接收管通常分為分離式紅外三極管和一體化紅外接收管。紅外三極管集、射級加一電壓，當接收到紅外光時集射級電流較大，當沒有紅外光時集射級電流較小。 使用較為麻煩，需要自己用鎖相環對38KHz紅外光進行鎖相檢測。一體化紅外接收管如圖所示。

當接收管接受到38KHz紅外光

時輸出高電平或脈沖，否則輸

出低電平。

使用簡單，但體積略大。包裹采集機器人對抗賽工業控制技術國家重點實驗室3.1紅外傳感器 紅外線發射與接收的方式有兩種，其一是直射式，其二是反射式。直射式指發光管和接收管相對

安放在發射與受控物的兩端，

中間相距一定距離?？捎糜谔?/p>

測目標物和電機測速。反射式指發光管和接收管并列

一起，平時接收管始終無光照，

只在發光管發出的紅外光遇到

反射物或反光物質時，接收管

收到反射回來的紅外線才工作。

可用于尋線，探測目標物等。

常用型號HS0038A,HS0038B。包裹采集機器人對抗賽工業控制技術國家重點實驗室3.2超聲波傳感器

超聲波傳感器由超聲波發生器和超聲波接收器組成。

超聲波發生器超聲波接收器包裹采集機器人對抗賽工業控制技術國家重點實驗室3.2超聲波傳感器 實際應用中，采用的超聲波頻率通常為40KHz，即加在超聲波發生器兩端的方波電壓頻率為40KHz。包裹采集機器人對抗賽工業控制技術國家重點實驗室3.2超聲波傳感器 超聲波接收器是一種無源器件，它能將接收到的超聲波能量轉化成電壓信號輸出。此輸出電壓幅值較小，需要經過放大并通過鎖相環識別才能成為MCU能處理的邏輯信號。包裹采集機器人對抗賽工業控制技術國家重點實驗室3.2超聲波傳感器 超聲波傳感器主要用于探測前方物體和測距。超聲波發生器發出的超聲波碰到前方障礙物后被反射回來并被超聲波接收器接收。通過計算發出超聲波與接受到超聲波的時間差可以計算出前方障礙物的距離。 和紅外傳感器相比，超聲波

傳感器在測距和探測障礙物方面

精準度和作用范圍都好很多。通

常超聲波測距距離可達5～10米，

精度可達0.1米。 超聲波在空氣中的傳播速度

與聲速相同，與溫度有關。包裹采集機器人對抗賽工業控制技術國家重點實驗室3.3光敏傳感器 常用的光敏傳感器包括：光敏電阻光敏二極管光敏三極管 光敏傳感器可以用在可見光反射尋物，電機測速等方面。包裹采集機器人對抗賽工業控制技術國家重點實驗室3.3光敏傳感器

光敏電阻是一種阻值隨光照強度變化而變化的電阻。其優點包括靈敏度高，光譜特性好，體積小，重量輕和成本低等。包裹采集機器人對抗賽工業控制技術國家重點實驗室3.3光敏傳感器光敏二極管和一般的二極管相似。但光敏二極管一般工作在反偏狀態下。無光照時光敏二極管的反向電流很小，當有光照時反向電流增加。包裹采集機器人對抗賽工業控制技術國家重點實驗室3.3光敏傳感器光敏三極管和紅外接收管相似。它除了把光信號轉換成電流信號外，同時又將電流信號加以放大。因此光敏三極管的光電流比相同管型的二極管光電流大很多。包裹采集機器人對抗賽工業控制技術國家重點實驗室3.4CCD/CMOS攝像頭典型的USB攝像頭組成框圖左：CMOS傳感器右：CCD傳感器包裹采集機器人對抗賽工業控制技術國家重點實驗室3.4CCD/CMOS攝像頭

方案一：在uClinux/Linux下移植USB攝像頭驅動

方案二：采用現成的USB攝像頭，不用其接口芯片，而直接用MCU控制感光傳感器，得到需要的視頻信號。（例如采用CMOS傳感為HY7131R/鎂光MI360的攝像頭）

方案三：采用手機攝像頭。（例如采用OV9650的攝像頭）注意：如果采用方案二、三，最重要的是能否找到對應芯片的datasheet包裹采集機器人對抗賽工業控制技術國家重點實驗室4.電機及驅動包裹采集機器人中可能用到的電機包括：直流電機有刷直流電機無刷直流電機步進電機伺服電機（舵機）包裹采集機器人對抗賽工業控制技術國家重點實驗室4.1直流電機直流電機主要包括有刷直流電機和無刷直流電機。這里主要討論有刷直流電機（下簡稱直流電機）。直流電機的參數主要有：

功率W輸出力矩N最高轉速rpm電壓V電流I包裹采集機器人對抗賽工業控制技術國家重點實驗室4.1直流電機直流電機的工作特性:

轉速n=n0–ke·I

(n0是空載轉速，ke是轉速常數，I是電流）輸出轉矩T=km·I(km是轉矩常數，I是電流）電機電動勢E＝ke·n電流I＝（U－E）/r0(U是加在電機兩端的電壓，r0是電機繞組的內阻）直流電機的工作特性曲線包裹采集機器人對抗賽工業控制技術國家重點實驗室4.1直流電機直流電機多采用PWM（脈寬調制）方式進行控制。其加在電機兩端的電壓為PWM波：占空比:電機兩端電壓的直流分量:由此可見,電機電壓的平均值與PWM波的占空比成正比，可以通過調節占空比實現直流電機的調速。通常情況下，PWM波的頻率為幾十KHz。包裹采集機器人對抗賽工業控制技術國家重點實驗室4.1直流電機 直流電機的PWM調速通常由H橋實現。包裹采集機器人對抗賽工業控制技術國家重點實驗室4.1直流電機常用H橋芯片：L298N（電流2A）包裹采集機器人對抗賽工業控制技術國家重點實驗室4.1直流電機電機通常采用碼盤反饋速度和轉向：光學式碼盤：碼盤發射端：紅外發射器或可見光源接收端：紅外接收器或光敏器件正交編碼脈沖：可以提高轉速檢測精度和測定轉向。包裹采集機器人對抗賽工業控制技術國家重點實驗室4.1直流電機直流電機控制系統：包裹采集機器人對抗賽工業控制技術國家重點實驗室4.2步進電機步進電機是一種用電脈沖信號進行控制，并將電脈沖信號轉換成相應角位移或線位移的控制電機。其特點有：可以根據控制轉過精確的角度無需反饋，是一個半閉環系統步距誤差不會積累停止時有自鎖功能多數情況下需要使用步進電機專用驅動器包裹采集機器人對抗賽工業控制技術國家重點實驗室5.機器人的供電系統包裹采集機器人可采用的供電方式主要是電池供電。常用的電池類型有：堿性電池鎳氫電池鋰電池電池選取的主要參數：電池組電壓（ie:12V）電池組的容量（ie:2200mAH）電池組的最大輸出電流（ie：10A）包裹采集機器人對抗賽工業控制技術國家重點實驗室5.1降壓的實現措施通常情況下，機器人使用的電池為十幾伏，而很多芯片的供電電壓為5V，3.3V，甚至1.8V。因此需要采用降壓電路來得到需要的電壓。降壓電路分為兩類：線性降壓電路優點：簡單，可靠性較高缺點：效率低，器件發熱厲害開關型降壓電路優點：效率高，器件發熱量小缺點：電路較為復雜包裹采集機器人對抗賽工業控制技術國家重點實驗室5.1降壓的實現措施采用LM2576得到＋5V電壓的開關式降壓電路包裹采集機器人對抗賽工業控制技術國家重點實驗室5.1降壓的實現措施采用TPS767D318得到＋3.3V和＋1.8V電壓的線性降壓電路包裹采集機器人對抗賽工業控制技術國家重點實驗室5.2獲得負電壓的措施機器人一般采用單電源正電壓供電方式，而一些模擬器件如運放等可能需要正、負雙電源供電，這樣就需要將正電壓轉換成負電壓。電壓極性轉化常用Buck－Boost型開關變換電路實現。采用LM2576得到－12V電壓的典型電路包裹采集機器人對抗賽工業控制技術國家重點實驗室6.參考資料《TMS320LF240xDSPC語言開發應用》劉和平等編著北京航空航天大學出版社《SOPC設計基礎與實踐》王建校編著西安電子科技大學出版社

《電機與拖動基礎》林瑞光編著浙江大學出版社《電子系統設計》何小艇編著浙江大學出版社《電動機的