四足载物箱的设计与实现—整体电路设计.doc
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1、北京理工大学珠海学院2020届本科生毕业设计 四足载物箱的设计与实现-整体电路设计学 院:专 业:姓 名:指导老师:工业自动化学院机械电子工程刘志伟学 号:职 称:160404102571宫赟讲师中国珠海二二零年五月诚信承诺书本人郑重承诺:本人承诺呈交的毕业设计四足载物箱的设计与实现-整体电路设计是在指导教师的指导下,独立开展研究取得的成果,文中引用他人的观点和材料,均在文后按顺序列出其参考文献,设计使用的数据真实可靠。承诺人签名: 刘志伟 .日期: 2020 年 5 月 12 日四足载物箱的设计与实现-整体电路设计摘 要中国现在也面临着人口老龄化问题,且现状日趋严重,随着人类的年龄增长,身体
2、机能会逐渐退缩,但人是社会性动物,势必有流动性,那么随身携带的行李物件则很有可能成为高龄或不健壮者的较大阻碍,故一款智能便捷的搬运机器人在人们日常生活场景应用中显得尤为有价值,且具有较高的发展前景。我们设计的四足载物箱子体积类比于正常行李箱大小,通过四足爬行,能适应各种复杂地形,无论是平地,阶梯,还是洼地,都能通过超声波进行避障,极大地保障了行进平稳性。其次,还能通过颜色识别,智能跟随使用者,实现即使在人潮拥挤的机场也能紧跟自如。最后,载物箱的启停非常简洁,可以利用手机APP进行蓝牙控制载物箱的启动与否,十分便捷高效。此次我们选用的是树莓派作为载物箱模型的实现基础。而本文也将根据四足载物箱应实
3、现的功能,对硬件部分进行电路分析及设计,包括树莓派及其拓展板电路设计进行原理图分析,同时还会对四足载物箱的PROE模型仿真作出讨论。关键词:电路设计;原理图;树莓派;PROE仿真; Design and implementation of four-legged container robot- overall circuit designAbstractChina is faced with an aging population, now more and more serious and the status quo, as humans age, the body will gradu
4、ally retreat, but people are social animals, and is bound to have liquidity, then carry luggage items are likely to be older or less robust of the larger obstacles, therefore, a smart and convenient handling robots in Peoples Daily life scene is particularly valuable in application, and has high dev
5、elopment prospects.The volume of the four-legged luggage box we designed is similar to the size of a normal suitcase. It can adapt to all kinds of complicated terrains through four-legged crawling. No matter it is flat ground, ladder or depression, it can avoid obstacles through ultrasonic waves, wh
6、ich greatly guarantees the traveling stability.Second, it can also follow the user intelligently through color recognition, so that it can follow the user easily even in crowded airports.Finally, the start and stop of the container is very simple, and the mobile APP can be used to control whether th
7、e container is started or not, which is very convenient and efficient. This time, we chose raspberry pie as the implementation basis of the container model.In this paper, the circuit analysis and design of the hardware part will be carried out according to the functions of the four-legged loading bo
8、x, including the schematic diagram analysis of the circuit design of raspberry PI and its extension board. Meanwhile, the motion simulation of the PROE model of the four-legged loading box will be discussed.Keyword: Circuit design;Schematic diagram;Raspberry pie;PROE simulation;目 录摘 要11 绪论11.1 研究背景及
9、意义11.1.1 研究背景11.1.2 本设计的目的及意义11.2 四足机器人的国内外现状21.3研究的主要内容和目标21.4 本章小结32四足载物箱整体电路设计及PROE仿真的总体方案设计42.1 设计概述42.2 四足载物箱整体电路的设计要求42.3 四足载物箱PROE运动仿真的总体设计52.4本章小结53.重要元器件分析63.1 LX824串行总线电机63.1.1舵机简介63.1.2 舵机的工作原理73.1.3 选择串行总线舵机的理由83.2 USB摄像头93.2.1摄像头介绍93.2.2摄像头控制原理93.3本章小结104四足载物箱整体电路设计114.1 树莓派的简介114.2 树莓派
10、的硬件构成114.3树莓派的电路设计及分析134.3.1输入电源电路134.3.2 主控芯片电路154.3.3 HDMI控制电路174.3.4 树莓派外接串口电路184.3.5 树莓派音频、显示及摄像模块204.3.6 POE 4针针脚供电电路224.3.7 无线与蓝牙模块电路234.4树莓派拓展板的电路设计及分析244.4.1 拓展板串口电路254.4.2 拓展板的总线驱动电路274.4.3 拓展板舵机驱动电路284.5 本章小结295 四足载物箱PROE机构仿真305.1 四足载物箱的机构分析305.2 四足载物箱的运动分析315.3 四足载物箱的PROE仿真过程325.3.1 零件装配及
11、机构参数设置325.3.2机构仿真375.4 本章小结406 结束语416.1 结论416.2展望41参考文献42致 谢43附录1 硬件相关电路原理图44附录2 英文参考文献451.Introduction452.Adaptive Time-Delayed Control Schemes43.Simulation104.Discussion175.Conclusions26References301 绪论1.1 研究背景及意义1.1.1 研究背景二十世纪以来,中国经济呈现迅猛增长形势,当代的中国GDP已然位居全球第二位,且仍在不断上升中。但拥有如此大经济基础和人口基数的中国,老龄化问题是一个严
12、重且不可忽视的问题,随着人类年龄的增长,身体各项机能势必会衰退,但人是具有流动性的,出门无关乎年龄长幼,此时随身行李势必会成为不可忽视的较大阻碍,故对于年长者或身体并不健壮者,面对刚需的出行需求,解决行李携带问题便凸显重要性,于是一款智能便携的载物机器人显得十分有意义。但是目前市场上存在的运输机器人都是已轮式,履带式行进居多,这种机器人设计相对简单,承载能力折中,成本可能相对较低,但是缺点也是十分明显无法适应多地形的行进需求,这一点在生活中却尤为常见,故看似简单高效,实则“一波三折”。所以开发一款能够在多地形灵活应对的智能机器人显得尤为必要,经过我们研究分析,四足机器人便是解决这一棘手问题的最
13、佳载体。1.1.2 本设计的目的及意义在当下,出行是一个自然人刚需的存在,但在人口老龄化日趋严重的中国,如何方便老龄人口和体弱不舍者的出行需求,被突显的尤为重要,故一款智能多地形运输机器人显得相当重要。目前,机器人的移动方式主要分为轮圈滚动式,足类步行式,履带行进式等。然而,生活中所面对的大部分应用场景都不是那么“尽人意”,大多数时候都非“一马平川”而概之,故不能为我们日常常见的轮式或履带式机器人所行进。但经过我们的观察,大自然中的许多动物,能够在野外各种复杂的生态环境中“灵巧自如”,这是大自然数万年间自然选择的结果,物竞天择,适者生存,事实证明足类行进的大多数不如动物能够很好的适应野外各种复
14、杂的地形环境,无论是平原还是泥地,坑洼或是沙砾,所以我们从中汲取经验,认定足类步行机器人能够实现我们多地形的搬运要求。现在面临的选择是,足类机器人分为二、四、六足等足数的类型,经过分析,机器人足的数目较多时,更加适合负载情况下的慢速移动,不符合我们的较高移动需求;而二和四足机器人的机构相对精简,移动效率有较大提升,同时再次细分,在负载相当的情况下,四足机器人的稳定性优于二足,所以最终考虑选用四足机器人作为载物箱承载,在合理的承重条件下,能够灵活便捷地实现移动,并且能很好的适应生活场景中各种复杂的地形环境地形,是十分理想的机器人载体选择。1.2 四足机器人的国内外现状20世纪60年代,随着计算机
15、技术革命风暴的掀起,计算机应用的深入研究和各行业普及,对四足机器人的研究正式开始了序幕。1977年,由Frank和McGhee制作完成,世界上第一台可称作真正意义上的四足机器人诞生了,尽管碍于当时的技术有限,由基本的逻辑电路无法完成除基础运动外的稍微复杂动作,但能实现基础的相对稳定步态动作 ,这一实现在当时机器人领域有着标志性的突破。时间来到了20世纪80,90年代,由日本Shigeo Hirose实验室Hirose教授于研制出了四足机器人TITAN系列,成为当时四足机器人领域最具代表性的典例。其最具突破性的创新点在于,通过升级步态信息控制系统,以及在足底安装步态信息传感器,能够将机器人所处地
16、形实时上传分析并作出决策,实现机器人在较为复杂地形中得以适应。反观国内,1991年, JTUWM系列四足步行机器人由我国上海交通大学马培荪教授研制。其创新点在于安装足底测力传感器的同时,创新性与神经网络模拟算法结合,实现通过受力分析和位置感应相结合做出判断,同时,另一点为本次四足机器人的足机构设计采用了3自由度设计,多关节设定能是每一足完成更多的动作形态,实现机器人多地形适应的需求。目前,世界四足机器人的前列水平,要属2016年由波士顿动力公司发行的Spot机器人,这款四足机器人有着优良的独立供电系统,能满足较长时间的户外工作需。先进的足部机构设计,仿造山羊的内弯折设计,提供良好的稳定性,并且
17、搭配先进的驱动系统,已经能与真实动物的灵敏度无异。最为核心的是其头部的激光雷达传感器,能够扫描周围地形,实时分析所处环境并迅速做出反应,综合看,人类四足机器人的研究成果终将对比生物有过之而无不及。1.3研究的主要内容和目标本次设计我们选用了树莓派3B+作为四足载物箱模型的主体控制,舵机选用为LX824串行总线电机。设计过程大体为:根据小组讨论得出的需实现功能,如舵机控制,摄像头避障等,在对树莓派及拓展板的硬件电路分析的基础上,绘制相应原理图,并将各部分模块梳理清晰,其次将实物元件按实际需求原理情况进行对应组装,完成四足载物箱硬件的搭建,其次还会通过PROE对载物箱建模进行运动仿真,观察分析运动
18、状态,以保证运动的相关合理性。本设计要完成的目标:(1) 学习相关书籍、论文和论坛,为识别电子器件原理,原理图绘制和PROE仿真操作打下相应的基础。(2) 根据所学内容完成拓展板Proteus原理图绘制。(3) 对树莓派和拓展板的原理图进行相关分析,梳理运行原理。(4) PROE对建模进行运动仿真,并进行相关分析。1.4 本章小结本章主要是对四足载物箱的背景和现状进行分析得出本设计的必要及合理性,然后分析了本设计的主要内容,分析本设计中整体电路和建模仿真的主要过程和要达到的目标。342四足载物箱整体电路设计及PROE仿真的总体方案设计本次设计主要采用树莓派3B+作为四足载物箱的主控板,辅以树莓
19、派拓展版作为拓展元件驱动,LX824串行总线电机,故需要对树莓派及其拓展版的硬件原理参数,及电路模块做出相应的分析和梳理,详细了解树莓派及其拓展板的运行流程,舵机的参数及使用,以便实际的合理装配及制作。对于PROE部分,对建模进行一定的机构分析,确定运动的类型和方向,进行相应的仿真操作,观察最终的仿真运动效果。2.1 设计概述此次选用的是现在炙手可热的编程“利器”,树莓派是一款可以连接键盘、网线和鼠标,能处理音视频输入HDMI高清输出的微型计算机,以ARM作为硬件架构,SD卡作为储存架构,拥有多个USB接口和以太网连接口,功能发达却能体积小巧。故使用此作为控制机器人的控制主板是十分合适的,其次
20、我们选用的为串行总线舵机,在装配和调试上比起传统的PWM电机更加的方便快捷。在PROE仿真上,将模型进行机构分析,梳理模型运动状态,并用PROE实际操作,将模型的机构仿真实现,便于后续的步态分析。2.2 四足载物箱整体电路的设计要求我们需要能够运用树莓派编程,联动拓展板,控制串行电机的运转,同时调用OPENCV摄像头的反馈,实现颜色识别跟随,与拓展板联动实现超声波避障,并且需要使用蓝牙模块进行无线通信,控制启停。具体的要求如下:(1)可以通过树莓派与拓展驱动板驱动通信,控制串行总线舵机,舵机能按照规定的要求的方向转动相应的角度,并可以通过改变参数去调节舵机的运转速度。(2)可以通过树莓派与OP
21、ENCV摄像头实时通讯,控制实现摄像头的实时颜色识别,及与舵机联动做出反应,完成跟随功能。(3)可以使用树莓派蓝牙模块,与手机APP匹配,实现远程无线载物箱启停。(4)可以使用树莓派超声波模块,对周围障碍进行实时反馈,联动舵机系统进行规避。2.3 四足载物箱PROE运动仿真的总体设计根据已有建模,对四足载物箱进行机构梳理,运动分析,预先模拟出运动形态四足机构的摆动情形,在分析结束后,进行PROE的相关机构仿真操作,完毕后,观察仿真动画效果。2.4本章小结本章主要是对四足载物箱的整体电路设计和PROE仿真进行一个总体方案的概述,罗列了本文要设计的硬件电路的要求,以及PROE所需实现的仿真效果。3
22、.重要元器件分析3.1 LX824串行总线电机3.1.1舵机简介舵机是一种带有输出轴的小型装置,它可以根据控制信号的而转动一定的角度。舵机常用于机器人控制领域,因它能用较少的电能消耗产生较大的转动扭矩。如图3.1,在我们的四足载物箱中,“舵机”是四足机器人足上关节的“肌肉”,用于牵拉“骨骼关节”(转动副),在一条腿中它分布于两处,一个是Z轴的转动副,一个是X轴的转动副,实现单独一条腿的行进运动,是四足载物箱运动的至关重要的一个元件。在本次四足载物箱的设计当中,控制舵机需要额外给扩展板供电,供电范围跟舵机有关,一般为6.4v-8.4v。图3.1 四足机器人舵机一览3.1.2 舵机的工作原理图3.
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- 关 键 词:
- 四足载物箱 设计 实现 整体 电路设计
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