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        基于直流電機驅(qū)動電路的移動式采摘機器人設(shè)計

        2019-12-21 02:49:14張戰(zhàn)杰
        農(nóng)機化研究 2019年4期
        關(guān)鍵詞:系統(tǒng)設(shè)計

        張戰(zhàn)杰

        (洛陽職業(yè)技術(shù)學院,河南 洛陽 471003)

        0 引言

        隨著機器學習、機械自動化及智能控制等技術(shù)的發(fā)展,智能化正在向各個領(lǐng)域延伸。近年來,農(nóng)業(yè)智能化程度越來越高,擠奶機器人、放牧機器人、施肥機器人、除草機器人、葡萄園機器人、育苗機器人、種植機器人、分揀果實機器人、蜜蜂機器人及采摘機器人等相繼問世并得到了實際應用。本文基于直流電機驅(qū)動策略,設(shè)計了采摘機器人大功率電機驅(qū)動調(diào)速控制系統(tǒng),對直流電機在農(nóng)業(yè)機器人上的應用具有一定的實際意義。

        1 采摘機器人移動平臺

        采摘機器人一般由控制系統(tǒng)、移動裝置、末端執(zhí)行器、機械手、電源、傳感器接口、視覺系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)組成,如圖1所示。移動平臺是采摘機器人正常行駛的核心,是其能否靈活移動的核心。

        圖1 采摘機器人整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 The block diagram of overall system structure for picking robot

        采摘機器人包括機械和電氣控制兩部分:機械部分主要包括履帶底盤、大小臂、夾持器和動力臂轉(zhuǎn)動裝置等;電氣控制部分包括傳感器模塊、障礙物檢測模塊、主控制板、電源、攝像頭和驅(qū)動馬達等。采摘機器人整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

        圖2 采摘機器人整體結(jié)構(gòu)Fig.2 The overall structure of the picking robot

        圖2中,機械部分是整機的硬件框架,為機器人運動和采摘作業(yè)提供了支撐,其各部件作用各不相同,組合起來實現(xiàn)整個系統(tǒng)的自主控制。移動平臺是機器人的基礎(chǔ),是搭建其他機械部件的載體,采摘機器人的機械手、大小臂、主控制系統(tǒng)、電源模塊都是搭載在移動平臺之上的。電氣部分的功能是采用智能控制的方式驅(qū)動整個機械部分,使機器人正常移動和作業(yè)。

        2 采摘機器人運動控制系統(tǒng)設(shè)計

        采摘機器人的主要工作是實現(xiàn)對目標果實的順利采摘,運動控制系統(tǒng)的作用無需像特種機器人處理復雜的實時突發(fā)狀況。為了保證采摘機器人運動系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性,避免能源消耗嚴重和最小限度地降低開發(fā)成本,設(shè)計了如圖3所示的運動系統(tǒng)框架圖。

        圖3 采摘機器人運動控制系統(tǒng)的框架圖Fig.3 The frame diagram of the motion control system for the picking robot

        本文設(shè)計的采摘機器人采用履帶行進的方式,前部負責控制車體的前行方向,后部控制車體的前后運動。前部采用一種位置伺服驅(qū)動的舵機,根據(jù)控制器指令控制機器人的轉(zhuǎn)向;后部采用直流電機驅(qū)動,控制機器人的前進后退。采摘機器人車體結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。

        圖4 采摘機器人車體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 The schematic diagram of the body structure of the picking robot

        3 直流電機選型及驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

        3.1 直流電機選型

        采摘機器人主動輪采用電機驅(qū)動的方式。由于系統(tǒng)采用36V鋰電池供電,因此選用直接電機驅(qū)動。直流電機的轉(zhuǎn)動慣量相對較小,容易控制,能夠最大程度地提高采摘機器人運動靈敏性,一般由電動機、轉(zhuǎn)子、位置傳感器和開關(guān)器組成。直流電機原理框架如圖5所示。

        圖5 直流電機原理框架Fig.5 Dc motor principle frame

        本文采用日本PANASONIC公司的55-110型號直流電機。該電機有兩個極數(shù);額定功率為30~1 200W;額定電壓為6~110V,具有寬電壓輸入特性;額定轉(zhuǎn)速為150~6 500r/min。該電機應用系統(tǒng)構(gòu)成示例圖如圖6所示。

        圖6 電機應用系統(tǒng)構(gòu)成示例Fig.6 The example of the structure of the motor application system

        3.2 PWM脈寬調(diào)速原理

        控制電機轉(zhuǎn)速一般是采用PWM脈寬控制的方法。該方法通過改變電機電樞電壓的接通與斷開的時間比來控制電機轉(zhuǎn)速的方法,實現(xiàn)調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的目的。PWM脈寬調(diào)速原理如圖7所示。

        圖7 PWM調(diào)速原理Fig.7 The principle of PWM speed regulation

        從圖7(b)可以看出:Vd與占空比D并不是完全的線性關(guān)系。當系統(tǒng)允許的時候,可以近似看作為線性關(guān)系。因此,可以看作Ua與占空比D成正比,改變占空比的大小可達到調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的目的。

        3.3 直流電機驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

        本文設(shè)計的采摘機器人驅(qū)動系統(tǒng)采用直流電機驅(qū)動。直流電機驅(qū)動系統(tǒng)主要由左右電機、NMOS驅(qū)動控制電路、光耦隔離器、DC/DC電壓隔離及H橋驅(qū)動電路組成,如圖8所示。

        圖8 直流電機驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)圖Fig.8 The design structure diagram of DC motor drive system

        直流電機驅(qū)動系統(tǒng)采用4路PWM信號控制,控制信號采用TTL信號輸入。為了保證電機控制器的可靠性,避免電機高壓部分影響微處理器的穩(wěn)定性,采用光電隔離電路,將微處理器與電機驅(qū)動電路進行光電隔離。4路PWM電路經(jīng)過光電隔離電路直接控制NMOS驅(qū)動控制電路,然后產(chǎn)生4路非共態(tài)的PWM信號,控制H橋驅(qū)動橋驅(qū)動電路,以脈寬調(diào)制的方式,控制電機的轉(zhuǎn)速。

        3.4 直流電機驅(qū)動部分電路設(shè)計

        1)微處理器最小系統(tǒng)的設(shè)計。根據(jù)直流電機驅(qū)動控制的特點,了解到控制器主要是處理多種數(shù)據(jù)、控制算法、直流電機驅(qū)動和人機交互等,本文選擇ST公司的32位STM32F103C8T6微處理器。該處理器包含一個支持JTAG仿真的Cortex-M3處理器、與片內(nèi)的存儲控制器接口的局部總線、與中斷控制器的高性能總線AHB和連接片內(nèi)外設(shè)功能的VLSI外設(shè)總線VPB,包括指令I(lǐng)-bus、數(shù)據(jù)D-bus、系統(tǒng)S-bus、內(nèi)外部專用外設(shè)等5個驅(qū)動總線。該處理器具有運算能力強、編程簡單、功耗低、體積小等優(yōu)點??刂茊卧钚∠到y(tǒng)如圖9所示。

        2)光耦隔離電路設(shè)計。光耦輸入阻抗較小,一般為幾百歐姆,驅(qū)動電流一般在2~20mA,而干擾源阻抗較大,因此輸入端的干擾信號會被抑制掉;另外,光耦的輸入與輸出兩端無電氣聯(lián)系,也不會共地,不會產(chǎn)生共阻抗耦合干擾信號。因此,光電耦合隔離是一種有效將不停電壓控制回路充分進行隔離的方式。為了保證采摘機器人控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性,減少電機驅(qū)動電路模塊對控制部分微處理器造成干擾,提高驅(qū)動電路的可靠性,本文采用光耦器件進行電氣隔離設(shè)計。光耦隔離電路設(shè)計如圖10所示。

        圖9 控制單元最小系統(tǒng)Fig.9 The minimum system of control unit

        圖10 光耦隔離電路原理圖Fig.10 The schematic diagram of optocoupler isolation circuit

        3)電機驅(qū)動電路設(shè)計。采摘機器人電機不僅只有單向轉(zhuǎn)動需求,更是需要雙向轉(zhuǎn)動功能。為了實現(xiàn)采摘機器人的四象限驅(qū)動(即滿足機器人正常的暫定、前進和后退等運動),本文采用H橋驅(qū)動方案。H橋電機驅(qū)動電路設(shè)計如圖11所示。

        圖11 H橋電機驅(qū)動電路原理圖Fig.11 The schematic diagram of H bridge motor drive circuit

        圖11中,4個Nmos晶體管組成H的4條腿,直流電機則為H中間的“-”。系統(tǒng)想讓電機正常工作起來,則需處理器給定的PWM信號讓H橋電路中對角的兩個Nmos管導通。在H橋電機驅(qū)動中,不同的晶體管導通電機的旋轉(zhuǎn)方向會不一樣,這樣就能確保電機是前行還是后退。H橋電路工作的3種模式分別為:①暫停。即四路PWM信號全為低電平,4個Nmos晶體管工作狀態(tài)為截止,電機不轉(zhuǎn)動。②前進。當PWML1_OUT和PWMR2_OUT有高電平產(chǎn)生時,電源正極經(jīng)Q1從左至右穿過電機,然后再經(jīng)Q4回到電源負極,電機會正向轉(zhuǎn)動,機器人前行。③后退。當PWMR1_OUT和PWML2_OUT有高電平產(chǎn)生時,電源正極經(jīng)Q2從右至左穿過電機,再經(jīng)Q3回到電源負極,電機會反向轉(zhuǎn)動,機器人后退。

        4 實驗與結(jié)果分析

        為了驗證該采摘機器人行走系統(tǒng)的可靠性,進行了實驗驗證。實驗包括直行測試和轉(zhuǎn)彎測試:前5次進行直行試驗,行走距離為2、5、8、10、15m;后5次進行轉(zhuǎn)彎試驗,轉(zhuǎn)彎角度為30°、60°、90°、150°和180°。行走距離如表1所示,轉(zhuǎn)彎測試如表2所示。

        表1 行走距離測試結(jié)果Table 1 The test results of walking distance m

        表2 轉(zhuǎn)彎測試結(jié)果Table 2 The turn test result (°)

        從表1和表2可以看出:在直行測試中,控制系統(tǒng)保證開環(huán)控制電機相同的速度,行走誤差較小,在0.38m以內(nèi);轉(zhuǎn)彎誤差測試中,轉(zhuǎn)彎誤差與轉(zhuǎn)彎角度關(guān)系不大,角度誤差在4.2°以內(nèi),直行和轉(zhuǎn)彎測試均滿足設(shè)計要求。

        5 結(jié)論

        以采摘機器人移動行走為研究對象,搭建了采摘機器人移動平臺,設(shè)計了運動系統(tǒng)控制方案、H橋功率驅(qū)動電路及PWM脈寬調(diào)速策略,可以實現(xiàn)采摘機器人大功率驅(qū)動調(diào)速控制。實驗結(jié)果表明:該采摘機器人在行走和轉(zhuǎn)彎測試中誤差較小,能夠滿足設(shè)計要求,對直流電機在其場合的驅(qū)動控制具有一定的參考價值。

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