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文檔簡介
1、哈爾濱工業(yè)大學(xué)網(wǎng)球訓(xùn)練服務(wù)機(jī)器人The design of service robot for tennis trainning Harbin Institute of Technology答 辯 人:何太航 丁業(yè)峰 戴 明指導(dǎo)教師:馬廣程 解偉男總體架構(gòu)電機(jī)的選擇傳感器的選擇FPGA及運(yùn)動控制難點(diǎn)總結(jié)目錄 / CONTENTS網(wǎng)球作為一項高運(yùn)動量的競技體育項目,如今也是備受關(guān)注,越來越多的人開始接受這項體育運(yùn)動,而一個新手甚至是老將在訓(xùn)練的時候總是會準(zhǔn)備一筐網(wǎng)球以便運(yùn)動者能夠更連貫的進(jìn)行網(wǎng)球的訓(xùn)練,避免了練球時間跟撿球時間差不多長的尷尬局面,這也提高了運(yùn)動員的訓(xùn)練效率。選題背景功能自動發(fā)球1
2、.發(fā)球頻率為6次/分鐘2.擊球力量可調(diào)快速撿球1.網(wǎng)球位置10cm2.機(jī)器人移動速度 2 m/s3.撿球時間10s設(shè)計背景自主避障小車尺寸:長1m(包含0.3m的機(jī)械鏟)、寬0.6m、高0.6m、重15kg、前后輪軸距L=0.6m、小車車輪半徑0.05m、最大轉(zhuǎn)向角a=45系統(tǒng)總體流程FPGA視覺傳感器超聲波傳感器障礙物距離小球分布轉(zhuǎn)向行進(jìn)轉(zhuǎn)向電機(jī)行進(jìn)電機(jī)小車狀態(tài)機(jī)械臂電機(jī)1電機(jī)2機(jī)械鏟合攏機(jī)械鏟抬起發(fā)球裝置電磁鐵的通電視覺傳感器 視覺傳感器是整個機(jī)器視覺系統(tǒng)信息的直接來源,主要由一個或者兩個圖形傳感器組成,有時還要配以光投射器及其他輔助設(shè)備。視覺傳感器的主要功能是獲取足夠的機(jī)器視覺圖像信息。
3、 在這個系統(tǒng)中我們使用兩類視覺傳感器,一種固定在場地四個角落,用于全局觀察場地內(nèi)網(wǎng)球的散落情況,另一種固定在機(jī)器人上,用于在撿網(wǎng)球過程中對網(wǎng)球的精確觀察,指導(dǎo)撿球裝置的運(yùn)行。視覺傳感器一 視覺傳感器二對于固定在場地四周的視覺傳感器,我們不需要很高的精度,只需要知道,在哪塊區(qū)域里有網(wǎng)球即可,并不需要通過這個傳感器知道網(wǎng)球的精確位置。所以這個傳感器的分辨率不需要很高,但是需要有較大的可視角。聯(lián)想街道使用的監(jiān)視器,這種監(jiān)視器符合我們的要求。初步選定龍視安 LS-Z633DM這種型號的監(jiān)視器。其產(chǎn)品參數(shù)如右圖。查取其具體規(guī)格,得知在使用4mm鏡頭焦距時,其可視角為69.9,基本上可以滿足我們的遠(yuǎn)程監(jiān)測
4、網(wǎng)球的要求。小車上搭載的傳感器需要其具有較高的精度,且對灰度的辨識度較高,經(jīng)過比較暫定選擇西門子公司生產(chǎn)的SIMATICVS120型號傳感器。SIMATIC VS120型傳感器可以通過對拍攝的圖像與設(shè)定圖像的對比,識別出特定的物體,并可記錄其數(shù)量。這兩者是我們控制撿球裝置所需要的信息。視覺傳感器與FPGA的通訊 位于場邊的四個攝像頭要實時向FPGA傳輸圖像信息,數(shù)據(jù)量大,且要求遠(yuǎn)距離無線傳輸,故可采用WiFi技術(shù)。Wi-Fi是一種可以將個人電腦、手持設(shè)備(如pad、手機(jī))等終端以無線方式互相連接的技術(shù),事實上它是一個高頻無線電信號,傳輸速度非常快,可以達(dá)到54Mbps,符合這個智能機(jī)器人系統(tǒng)的
5、需求,并且由于發(fā)射信號功率低于100mw,低于手機(jī)發(fā)射功率,所以WiFi也是最安全健康的。圖像識別及灰度處理 對于采集到的圖像,我們進(jìn)行灰度處理,其灰度范圍為0255,在圖像處理中可以識別特定的灰度進(jìn)行處理。進(jìn)過matlab的簡單的圖像處理,得知網(wǎng)球在圖片中的灰度介于45-65之間,編寫程序,使灰度滿足條件的像素點(diǎn)為1,其他為0,進(jìn)行二值化處理,再確定物體的輪廓,即可知道網(wǎng)球的位置。這是對于外圍場地四周的監(jiān)視器得到的圖像的處理過程,而對于在機(jī)器人上搭載的視覺傳感器,可以通過上文所提到的識別圖像與設(shè)定圖像的對比得知網(wǎng)球的具體位置與數(shù)量,也可以使用上訴的監(jiān)視器所得圖像的處理算法處理圖像,具體使用時
6、因綜合考慮,選取合適的算法。超聲波測距傳感器 在機(jī)器人小車上我們需要探測需要避讓的物體,這里我們使用超聲波傳感器進(jìn)行檢測,檢測范圍為1m,使用BANNER ENGINEERING T186UEQ超聲波發(fā)生器與MULTICOMP MCUSR10P40B07RO超聲波接收器。發(fā)球裝置理論計算假設(shè)機(jī)器人在離中心線1.5米一側(cè)以垂直高度一米、傾角20發(fā)球,球運(yùn)動軌跡的俯視圖如上圖所示,紅線為最遠(yuǎn)落點(diǎn),藍(lán)線為最近落點(diǎn)。最大射速 最小射速 解之得,小球射速在12.6m/s和16.4m/s之間。推桿以平均力F(為簡化計算)作用在小球上使之加速運(yùn)動0.1m后脫離推桿并射出,小球的一般質(zhì)量在57.5g左右,由動
7、能定理計算出此力F約為56N。6 .19cosvt6 .10cos10tv121sin2gtvt086. 021210gttv221mvFx 發(fā)球裝置的設(shè)計 考慮到市面上小型氣動裝置提供的作用力普遍不超過20N,故采用彈性系數(shù)選擇范圍很寬、力與位移呈線性關(guān)系的彈簧來提供推力。 由胡克定律與功能關(guān)系 計算可知,應(yīng)采用彈性系數(shù)為1100N/m的彈簧。由于直線電機(jī)高轉(zhuǎn)矩、低轉(zhuǎn)速的特性,并不能滿足發(fā)球頻率6次/秒的要求,且給彈簧儲能后不好釋放,這里采用非接觸式的電磁開關(guān),執(zhí)行機(jī)構(gòu)簡圖如右: 前端磁性圓盤與彈簧焊接固定,上端滑槽內(nèi)是一個限位開關(guān),可實現(xiàn)最大射速與最小射速之間的任意調(diào)節(jié),右端是一個電磁鐵吸
8、引圓盤并使彈簧儲能。22021212121mvkxkx電磁鐵的選擇彈簧長20cm,壓縮10cm需要110N的力,可選用直流吸盤式電磁鐵,它在通電狀態(tài)下可產(chǎn)生強(qiáng)勁吸附力,省力省電,安全可靠,并可進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。在多次比較價格及性能參數(shù)后,決定選用樂青市鳴豫電氣有限公司的設(shè)備:留出一定裕量,選用吸引力為180N的型號CNMYE1-P34,可以滿足性能要求,價格為78元,經(jīng)濟(jì)上也能接受??刂破鞯倪x擇在網(wǎng)球機(jī)器人這個系統(tǒng)里,控制器要接收視覺傳感器和距離傳感器發(fā)送來的信息,并對其作出處理,發(fā)送指令控制控制小車轉(zhuǎn)向、行進(jìn)及撿球,單片機(jī)難以勝任,故采用在圖像處理領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的FPGA,具體型號為:ALINX8
9、22。核心板主要由 FPGA+兩片 DDR2 構(gòu)成,承擔(dān)視頻圖像處理的核心算法,充分利用了 FPGA 并行處理的能力,加上兩片 DDR2 構(gòu)建 32bit 總線,整個系統(tǒng)的帶寬高達(dá) 10Gb/s;兩片 DDR2 容量高達(dá)2Gbit,滿足視頻處理過程中對高緩沖區(qū)的需求。我們選用的 FPGA 為 ALTERA 公CYCLONE IV 系列的EP4CE30F23C6N 這款高速的 FPGA 芯片。我們選用 CYCLONE IV 系列中速度級別最高的 C6 級別,F(xiàn)PGA 和 DDR2 之間的時鐘頻率達(dá)到 200M,DDR2 內(nèi)部 400M,充分滿足了四路 1080p 視頻處理的需求。FPGA的供電為
10、了讓 FGPA 可以正常的工作,我們需要為 FPGA 提供 3.3V、2.5V、1.2V 三路電源,三 路電源均美國 MPS 公司進(jìn)口的 MP2359 DCDC 芯片,具有效率高,不發(fā) 熱,可提供電流大,紋波小等特點(diǎn),是 FPGA 絕佳的電源解決方案;大量使用高檔進(jìn)口的電容電感,保證系統(tǒng)的電源穩(wěn)定可靠;電源部分原理圖如下:運(yùn)動控制主程序路徑規(guī)劃子程序收集網(wǎng)球中斷避讓障礙物主程序:路徑規(guī)劃場邊的攝像頭將整個球場上網(wǎng)球的分布情況采集下來,根據(jù)網(wǎng)球的分布情況劃分集中分布區(qū)域A、B、C、D、E等,定義一個分布密度p=N/S,當(dāng)密度小于2個/平方分米時,可認(rèn)為是區(qū)域的邊界。主程序就是規(guī)劃一個從信號源到各
11、個區(qū)域的閉合回路,小車到達(dá)每個區(qū)域時,再執(zhí)行相應(yīng)的子程序,即收集網(wǎng)球。子程序:收集網(wǎng)球收集網(wǎng)球時,小車上的攝像頭鎖定區(qū)域內(nèi)的任意一個球,形成一個指向小球的矢量A,并不斷測量它與垂直于車前端的矢量B的夾角,通過FPGA控制轉(zhuǎn)向電機(jī)使夾角不斷變小,當(dāng)小于3時,可認(rèn)為小車已朝著小球運(yùn)動。到達(dá)小球所在點(diǎn)時,合攏機(jī)械鏟并上抬完成收集動作,對于邊緣墻角這種情況,使機(jī)械鏟以合攏的狀態(tài)鏟球至墻角再上抬完成動作。重復(fù)此過程直至收集完該區(qū)域及附近的小球再繼續(xù)執(zhí)行主程序。中斷:避讓障礙物 高度為30cm的聲波測距傳感器以1s的采樣周期不斷掃描四周,一單發(fā)現(xiàn)3m以內(nèi)的障礙物,F(xiàn)PGA發(fā)出指令控制轉(zhuǎn)向電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)向避讓,
12、駛離障礙物后,跳出中斷程序,繼續(xù)執(zhí)行主程序。距離傳感器采集的信號作為優(yōu)先等級最高的中斷信號,可以在任意時間打斷主程序及子程序的運(yùn)行,從而及時完成避讓。行進(jìn)電機(jī)的選擇電動機(jī)的功率公式: 由恒速v = 2 m/s算出n = 382.0 r/min , 這里的M等于滾動摩擦力所產(chǎn)生的阻力矩約等于0.66Nm, 計算出在以2 m/s的速度行進(jìn)時, 直流電機(jī)的機(jī)械功率約為13.2w在此以恒定速度時的功率外加20%的余量來計算, 所選電機(jī)的額定功率約為15.84w根據(jù)求得的參數(shù)得知, 電機(jī)正常工作的最大機(jī)械功率為13.2W, 恒定行進(jìn)速度為2 m/s , 車輪半徑為 0.05 m, 根據(jù)公式:其中:T 電
13、機(jī)軸端的輸出轉(zhuǎn)矩P 電機(jī)輸出的機(jī)械功率 旋轉(zhuǎn)角速度求得所選電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩約為0.396Nm根據(jù)計算出的數(shù)據(jù),我們選取了上海矩奉自動化有限公司生產(chǎn)的50SZD No.01直流伺服電機(jī),并配備減速比為2的減速器。602 nMPPT 轉(zhuǎn)向電機(jī)的選擇 小車轉(zhuǎn)向時車輪要克服摩擦力矩。此時的摩擦力按照滑動摩擦力來計算,小車質(zhì)量為15kg,車輪與地面的滑動摩檫系數(shù)最大為0.9,假定車輪與地面接觸面為一個半徑為2cm的圓,那么摩擦力矩約為 。經(jīng)過機(jī)械傳動裝置后,作用在電機(jī)上的力矩約為2 Nm,因此,我們?nèi)匀徊捎蒙虾>胤钭詣踊邢薰旧a(chǎn)的50SZD No.01直流伺服電機(jī),并配備減速比為10:1的減速器。Nm
14、mgr35. 121機(jī)械鏟 網(wǎng)球場服務(wù)機(jī)器人的一項基本功能就是撿球,所以在外部要設(shè)計一套機(jī)械臂鏟組件,用以收集網(wǎng)球,過程中需要連桿機(jī)構(gòu)給予推進(jìn),這樣就需要電機(jī)給桿機(jī)構(gòu)以驅(qū)動力。而這兩項功能的實現(xiàn)都需要電機(jī)的驅(qū)動,考慮到直流伺服電機(jī)相比步進(jìn)電機(jī)來說具有更優(yōu)越的性能,因此我們?nèi)匀徊捎弥绷魉欧姍C(jī)來驅(qū)動小車的機(jī)械臂鏟組件。機(jī)械臂鏟的運(yùn)動分為兩部分。第一步,V字臂鏟合攏,收集地面的小球。第二步,抬起臂鏟,讓小球滾入箱子。這兩部分都分別需要一個電機(jī)。機(jī)械鏟中電機(jī)的選擇第一個電機(jī),其功能是合攏V字臂鏟。根據(jù)公式:其中:Tst 起動轉(zhuǎn)矩J阻力轉(zhuǎn)動慣量F阻力由于齒輪傳動間摩擦力較小,忽略不計。而齒輪見傳動力為
15、主要力,假定為10N(外部機(jī)械臂)/5N(內(nèi)部傳動桿),電機(jī)上安裝的齒輪半徑定為1cm,則公式中第二項為0.1Nm/0.05Nm。齒輪以及電機(jī)本身的轉(zhuǎn)動慣量所產(chǎn)生的力矩項數(shù)值較小,所以合在一起進(jìn)行估算大約為0.05Nm。這樣根據(jù)公式計算得出直流電機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩約為0.2Nm。第二個電機(jī)的功能是抬起臂鏟。臂鏟的長度為30cm,假設(shè)一次最多鏟起10個網(wǎng)球。那么由網(wǎng)球及機(jī)械臂鏟所產(chǎn)生的重力力矩約為1.5Nm。這兩個部分的運(yùn)動對電機(jī)的轉(zhuǎn)速都沒有要求,電機(jī)的轉(zhuǎn)矩越大反而越有利。由此,我們選擇無刷行星齒輪減速電機(jī),如右圖所示。nknkkkkkstRFJT11設(shè)計難點(diǎn)機(jī)械手機(jī)構(gòu)復(fù)雜,每次撿一個球,效率太低。采用V形機(jī)械鏟,每次處理多個
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