履带机器人-项目申报书（校创）

一、项目的研究意义、国内外研究现状、水平和发展趋势，研究预期达到的科学技术水平、社会和经济效益。
项目研究意义：
随着工业自动化的悄然而至，多种多样的工业机器人成为了各大企业争相预购的
对象。与此同时，工业机器人也在不断完善。就本项目而言，传统的工业货运机器人在面对如今日益复杂的工厂环境中显露的不足日益明显，因此研究开发新的工业送货机器人日益迫切。
其实，货运机器人本质就是循迹加电机速度控制算法，循迹也是大学生科创比赛中的热门赛题。但是其比赛所做的内容形式却偏于简单，无论从循迹稳定性，速度控制要求，位置姿态控制与稳定的程序算法上都无法满足工业级别水平，市场需求性不大。
因此最近几年无论是从循迹传感器选型，还是速度算法确定上都在飞速发展。
尤其是在国外科技相对发达的国家，工业级货运机器人已经应用相当成熟，多用与大
型无人货仓管理与工业现场物品搬运。
而反观中国，作为工业自动化后起之秀，工业货运机器人也在飞速向前发展。

预期达到的科学技术水平：
设计一款工业货运机器人，使用CCD图像传感器为机器人增加视觉循迹功能，同时
使用附加模块（工业光电对管，编码器）、PID算法、PWM波差速调节方法完成循迹闭环控制，以实现工业级货运机器人稳定性好、速度可控制性好、响应速度快的特点。努力像工业级循迹小车靠拢。

社会经济效益：
　　本项目作为一款经典PID控制与PWM波控速货运机器人系统，克服传统工业货运机器人无法适应现在日益复杂工厂线路控制要求与严格的稳定性，以工业需求为导向，努力做到货运机器人循迹稳，速度控制性强，运行可靠性高的特点，具有较高的市场价值，与研发前景。
二、项目的研究内容、预计突破或解决哪些技术难题、研究的创新点。
研究内容：
1、线阵CCD图像传感器
CCD(Charge Coupled Device)，电荷耦合器件，是20世纪70年代初发展起来的新型半导体集成光电器件。
线阵CCD，结构简单，成本较低。可以采集一行的可视像素。由于其单排感光单元的数目可以做得很多，在同等测量精度的前提下，其测量范围可以做的较大，并且由于线阵CCD实时传输光电变换信号和自扫描速度快、频率响应高，能够实现动态测量，并能在低照度下工作。
基于此原理本项目选用TSL1401CL线性CCD。

2、位置闭环控制
　　（1）位置闭环控制就是根据编码器的脉冲累加测量电机的位置信息，并与目标值进行比较得到控制偏差，然后通过对偏差的比例、积分、微分进行控制，使偏
差趋向于零的过程。
　　（2）控制原理图（图一）
其中需要说明的是，我们这边是通过微机实现PID
控制的，所以下面的(位置PID控制器)是一个软件实现的过程，比如在我们的
代码里面就是一个我们定义的函数

图一
3、速度闭环控制
　　（１）速度闭环控制就是根据单位时间获取的脉冲数(这里使用了M法测速)测量
电机的速度信息，并与目标值进行比较，得到控制偏差，然后通过对偏差的比例
积分、微分进行控制，使偏差趋向于零的过程。
（２）控制原理图（图二）

图二
4 、功率放大器件TB6612PNVG
　　直流电机是大电流感性负载，STM32单片机的带载能力较弱，所以我们需要功率放大器件，在这里，我们选择了TB6612FNG。
　　TB6612PNVG是东芝半导体公司生产的一款直流电机驱动器件，它具有大电流
MOSFEII-H桥结构，双通道电路输出，可同时驱动2个电机。也许大家更熟恐L298N，
其实这两者的使用基本一致的。而且，相比L298N的热耗性和外围二极管续流电
路，它无需外加散热片，外围电路简单，只需外接电源滤波电容就可以直接驱动
电机，利于减小系统尺寸。对于PWM信号输入频率范围，高达100kHz的频率更
是足以满足我们大部分的需求了。
5、直流减速电机
　　直流电机+,-两极通电即转，改变两端电压大小，便可实现直流电机调速，改变施加直流电机极性便可改变方向。本项目在对直流减速电机控制上配合使用减速器，以降低直流减速电机输出转速，增大输出转矩，以满足工业循迹机器人载物特点。同时，对于直流减速速度调节我们采用PWM波控速的方法，直接采用STM32F103C8T6
定时器PWM方法，可以多级控制速度，以满足工业机器人严格速度控制要求。

研究创新点：
1、 全新的，高稳定性图像传感器在循迹上的应用
2、 位置与速度的PID控制，达到控制精度高，稳定性好
3、 闭环速度控制，满足工业速度控制标准

预计突破技术难题：
1.机器人整体调试
2.STM32F103C8T6引脚较少芯片的引脚资源统筹
3.线性CCD图像传感器采集程序
4.机器人速度的闭环PID控制
5.货运机器人姿态的测定
6.PWM波差速调节两轮速度

三、项目的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析
本系统以STM32F103C8T6最小系统为核心，紧扣工业控制要求，完成循迹机器人从底层硬件PCB设计到上层软件程序设计。
　技术路线：（图三）

图三

实验方案：
1.起始阶段
通过查阅相关资料，确定总体方向，完成所需模块知识采集与学习。
2.硬件设计
前期首先通过杜邦线完成货运机器人模块组装与程序测试，就以往经验而言不能上手进行PCD设计与制板，以免造成日后器件无从添加。搭建好并调试好后，在利用DXP软件进行PCB绘图，将所用器件引脚与模块一一绘制，并留足预留端口，发给捷配打板。打板成功后，对电路板进行元器件焊接，并且测试相关功能。如有错误，立即改正且重新制作。
3.软件设计
　程序编程是一点一滴的，从最开始线性CCD（TSL1401）与OLED进行编程使用并显示图像带普，在次成功的基础上在搭建小车驱动装置与电机模块，最后进行程序总体调试与编写。
4.分析调试阶段
对过程中出现的问题进行总结，并且优化各部分代码，完成项目。

四、研究工作条件和基础（包括前期研究工作基础，已有研究成果，现有的主要仪器设备、研究技术及协作条件等）
前期研究工作基础：
软件方面： 小组成员精通51单片机和STM32单片机
硬件方面：
1.小组成员能熟练使用PCB电路图的绘制（AD软件）
　 2.在实验室已练习过电烙铁的使用及复杂元器件的焊接；
　　 3熟悉画板，打板流程（有经验）

现有主要仪器设备：
　　１、创新实验室为项目的展开提供硬件软件设备支持（示波器、直流稳压电源、万用表、电烙铁、焊锡丝）
２、已具备语音模块使用和调试经验

研究技术及协作条件：
　　１、小组个成员均接受过系统的C语言、数电、模电、电路原理教程，理论基础良好，并且对项目中涉及的单片机等有浓厚兴趣爱好，已拥有良好的STM32单片机基础；
　　２、指导老师有丰富的理论和实践经验，对单片机和电信号有大量的研究；
　　３、小组成员协作参加多场正式比赛，实战经验丰富；

五、研究工作进度安排
2018.11-2018.12完成项目具体工作流程讨论，
2019.01-2019.03硬件电路PCB设计与打板与相应器材的购买焊接
2019.03-2019.04 购买直流减速电机、编码器、电池、线性CCD、电压ADC
2019.04-2019.06 程序代码编写与调试
2019.07-2019.10 总结整体材料，并做好结题准备

六、预期研究成果及考核目标
预期研究成果：
1、线性CCD正常工作，并使用OLED带普实时显示工作情况
2、实现电源电压ADC检测并使用OLED显示
3、实现货运机器人速度的闭环控制PID的位置与速度算法应用
4、实现PWM差速控制两轮直流减速电机
5、编码器正常使用与检测数值正常显示
6、货运机器人循迹过程平稳，实现特定动作（原地360度旋转）

考核目标：
1、 工业循迹机器人实物一份
2、 结题报告一份
七、主要参考文献或资料
[1] 朱定华.单片机原理与接口技术.电子工业出版社,2001,4
[2] 单片机原理与接口技术.北京大学出版社
[3] 传感与检测技术.浙江大学出版社
[4] 电机与拖动基础.中国电力出版社，2005.4
[5]自动控制原理及其应用.高等教育出版社，2016.5
[6]《基于PD算法两轮差速调节》