機(jī)械電子工程畢業(yè)論文-基于聲音的舵機(jī)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制分析

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　基于聲音的舵機(jī)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制分析</p><p><b>　　誠(chéng)信聲明</b></p><p>　　本人鄭重聲明：本論文及其研究工作是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)

2、下獨(dú)立完成的，在完成論文時(shí)所利用的一切資料均已在參考文獻(xiàn)中列出。</p><p>　　學(xué)位論文作者簽名： 日期： 年 月 日 </p><p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書</b></p><p>　　設(shè)計(jì)題目： 基于聲音的舵機(jī)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制分析

3、 </p><p>　　1．設(shè)計(jì)的主要任務(wù)及目標(biāo)</p><p>　　本課題通過研究舵機(jī)機(jī)器人底層控制程序的控制策略，利用聲音信號(hào)對(duì)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)控制。</p><p>　　2．設(shè)計(jì)的基本要求和內(nèi)容</p><p>　　完成舵機(jī)機(jī)器人控制程序的學(xué)習(xí)，編寫舵機(jī)機(jī)器人的控制程序，實(shí)現(xiàn)舵機(jī)機(jī)器人的特定運(yùn)動(dòng)。</p>&l

4、t;p>　　完成聲音傳感器與舵機(jī)機(jī)器人的程序編寫及控制，實(shí)現(xiàn)聲音信號(hào)向舵機(jī)機(jī)器人各控制器的傳輸。</p><p>　　完成外部聲響變換與舵機(jī)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的匹配，實(shí)現(xiàn)舵機(jī)機(jī)器人基于聲音的自動(dòng)運(yùn)行。</p><p>　　提交設(shè)計(jì)說明書一份，控制程序及運(yùn)動(dòng)仿真過程視頻各一份。</p><p><b>　　3．主要參考文獻(xiàn)</b></p>

5、;<p>　　[1] 濮良貴.機(jī)械設(shè)計(jì).第八版[M] . 高等教育出版社，2010，6</p><p>　　[2] 孫恒.機(jī)械原理.第七版[M] . 高等教育出版社，2012，7</p><p>　　[3] 機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與MATLAB仿真[M] . 北京：清華大學(xué)出版社，2008，6</p><p><b>　　4．進(jìn)度安排</

6、b></p><p>　　基于聲音的舵機(jī)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制分析</p><p>　　摘 要:舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動(dòng)器，由于這種機(jī)器具有重量輕，體積小，精度高扭矩大等優(yōu)點(diǎn)，因此很適合應(yīng)用在機(jī)器人上作為機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)?；诼曇艨刂频亩鏅C(jī)機(jī)器人是研究舵機(jī)機(jī)器人的一個(gè)重要方面。本文以舵機(jī)機(jī)器人為研究對(duì)象，以聲音控制系統(tǒng)為主線，從多個(gè)方面對(duì)基于聲音的舵機(jī)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制作了系統(tǒng)的研究。</p

7、><p>　　本文從提高舵機(jī)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)時(shí)性出發(fā)，應(yīng)用Bioloid機(jī)器人套件，采用PoboPlus軟件，設(shè)計(jì)了基于聲音控制的舵機(jī)機(jī)器人。使用CM-530控制器使得舵機(jī)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制得以實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)包括了舵機(jī)機(jī)器人的硬件組裝、PID控制算法的分析、控制程序的編寫、運(yùn)動(dòng)過程的分析等過程。</p><p>　　關(guān)鍵詞：舵機(jī)機(jī)器人，運(yùn)動(dòng)控制，PoboPlus，PID </p>&

8、lt;p>　　The analyze based on sound on the motion control of the servo robot</p><p>　　Abstract: The steering engine is a position servo driver, and it's suitable for application in robot as a robot driv

9、er because of its light quality, small volume, high accuracy and large torque. The servo robot based on the sound control is an important aspect of researching servo robot. This paper systemically researches the motion c

10、ontrol of servo robot based on the sound control from many aspects with the servo robot being the object and sound control system being the main line.</p><p>　　This paper also applies the Bioloid robot kits

11、and uses the PoboPlus software to design the servo robot based the sound control from the point of improving the instantaneity of the servo robot. Using the CM - 530 controller makes the achievement of servo motion contr

12、ol of robot. The design includes the assembling of servo robot, analysis of PID control algorithm, the writing of control program and the analysis of motion process.</p><p>　　Keywords: servo robot, motion co

13、ntrol, PoboPlus, PID</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1選題的背景及意義1</p><p>　　1.2Bioloid概述1</p><p>　　1.2.1 Biolo

14、id硬件介紹2</p><p>　　1.2.2 Bioloid軟件介紹3</p><p>　　1.3本文章節(jié)安排6</p><p>　　2 舵機(jī)機(jī)人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)8</p><p>　　2.1電子元器件選擇8</p><p>　　2.1.1控制器的選擇8</p><p>　　2.1

15、.2舵機(jī)的選擇10</p><p>　　2.1.3其他元件的選擇10</p><p>　　2.2舵機(jī)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)11</p><p>　　2.3舵機(jī)機(jī)器人組裝11</p><p>　　2.4本章小結(jié)13</p><p>　　3 舵機(jī)的結(jié)構(gòu)及其控制原理13</p><p>　　3

16、.1舵機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)13</p><p>　　3.2舵機(jī)的工作原理14</p><p>　　3.3 AX-12+舵機(jī)的控制15</p><p>　　3.4本章小結(jié)15</p><p>　　4 舵機(jī)機(jī)器人的速度控制15</p><p><b>　　4.1引言15</b></p>

17、<p>　　4.2數(shù)字PID控制算法16</p><p>　　4.3基于數(shù)字PID的機(jī)器人速度控制18</p><p>　　4.3.1PID控制的MATLAB仿真19</p><p>　　4.4本章小結(jié)23</p><p>　　5 舵機(jī)機(jī)人控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)23</p><p>　　5.1 Rob

18、oPlus Task程序的編寫23</p><p>　　5.2RoboPlus Motion程序的編寫27</p><p>　　5.3本章小結(jié)29</p><p>　　6 總結(jié)與展望29</p><p><b>　　6.1總結(jié)29</b></p><p><b>　　6.2展

19、望29</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)31</b></p><p><b>　　致 謝33</b></p><p><b>　　附 錄34</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p>

20、<p>　　1.1選題的背景及意義</p><p>　　隨著機(jī)器人的技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的快速速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)在全世界得到了廣泛的應(yīng)用，幾乎所有的領(lǐng)域都有計(jì)算機(jī)的參與。機(jī)器人的發(fā)展大致經(jīng)過三代的演變[1]：第一代的機(jī)器人是“示教再現(xiàn)型”，這類機(jī)器人只擁有記憶、存儲(chǔ)能力，但卻沒有反饋控制能力；第二代機(jī)器人是具有一定感覺功能和自適應(yīng)能力的離線編程機(jī)器人；第三代機(jī)器人是具有外部環(huán)境和對(duì)象感知能力的，它

21、不但可以處理外部復(fù)雜的信息，而且可以對(duì)自己行為作出自主決策能力。第三代機(jī)器人通常裝有多種傳感器，能夠?qū)ν獠啃畔⑦M(jìn)行處理。</p><p>　　當(dāng)前，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制過程還是依靠傳統(tǒng)的鍵盤輸入，即使是有一些機(jī)器人已經(jīng)開始使用視覺控制技術(shù)，但是由于受到視線和能見度的局限，在光線條件不良或者障礙物阻擋的情況下，視覺控制就會(huì)失效。在這種情況下，聽覺系統(tǒng)作為人類感官的重要組成部分，為機(jī)器人感知技術(shù)的研究提供了新的思路。

22、</p><p>　　聲音控制技術(shù)就是通過模擬人耳聽覺機(jī)制的模擬，利用聲學(xué)傳感裝置接收外界傳來的聲波，再通過特定的裝置將聲音信號(hào)進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)聲源位置探測(cè)、識(shí)別以及目標(biāo)定位及跟蹤。20世紀(jì)80年代以來，聲音控制技術(shù)依靠其極強(qiáng)的隱蔽性、良好的適用性、低成本等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，漸漸受到世界各國(guó)的重視，在民用與軍用上都有十分廣的應(yīng)用，如在海戰(zhàn)場(chǎng)水下目標(biāo)感知和戰(zhàn)場(chǎng)排雷等危險(xiǎn)環(huán)境作業(yè)中應(yīng)用等[2]。</p>&l

23、t;p>　　綜上所訴，人們可以利用聲音控制技術(shù)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，研究基于聲音的機(jī)器人控制系統(tǒng)。機(jī)器人的聲音控制技術(shù)將近一步推動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用范圍，具有廣闊的前景和研究意義。 </p><p>　　1.2Bioloid概述</p><p>　　Bioloid，是一種全方位的機(jī)器人套件，能夠依據(jù)使用者想法，來組裝出各種形態(tài)。Bioloid機(jī)器人套件的優(yōu)點(diǎn)是可以組裝出各種實(shí)體型態(tài)，也可以

24、無限擴(kuò)充，并提供程序設(shè)計(jì)界面、控制器、智慧伺服馬達(dá)與感測(cè)模塊；透過整合應(yīng)用，幫助設(shè)計(jì)出機(jī)器人行為。</p><p>　　圖1.1 Bioloid機(jī)器人套件</p><p>　　1.2.1 Bioloid硬件介紹</p><p>　　硬件架構(gòu)主要分為CM-530、AX-12+、各感應(yīng)器、框架和線材。還有連接線、擴(kuò)充版、外部傳感器、轉(zhuǎn)接器、無線傳輸模塊等一些額外配件。&

25、lt;/p><p>　　CM-530是Bioloid套件中的核心，用來連接 Dynamixels系列（AX-12+、AX-S1、AX-20等等)以及OLLO組件（Geared Moto BOX、Touch Sensor、LED Module、IR Sensor,etc)和周邊設(shè)備（包含各種感應(yīng)器）。可以使用RoboPlus Motion(動(dòng)作編輯)編輯和存儲(chǔ)特定動(dòng)作。可以利用RoboPlus Task(行為控制)執(zhí)行

26、已儲(chǔ)存的動(dòng)作檔（mtn文件）。也可以寫入任務(wù)程序來控制每個(gè)組件動(dòng)作。</p><p>　　AX-12+ 智能型馬達(dá)，作為機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)。內(nèi)建了微控器，可以控制速度、旋轉(zhuǎn)位置感測(cè)溫度讀取設(shè)定值等。除此之外當(dāng)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)超出當(dāng)前預(yù)設(shè)的安全范圍（溫度過高、過載或其他錯(cuò)誤情況），會(huì)自動(dòng)關(guān)閉以避免損壞，并發(fā)出聲音警告使用者。</p><p>　　框架組包括框架、線纜、螺絲、螺帽、軸承、和輪圈等等，能將

27、CM-530和AX-12+銜接起來。</p><p>　　各感應(yīng)元件：（1）紅外線物體傳感器，感測(cè)方法是利用紅外線反射來取得距離數(shù)據(jù)紅外線適合計(jì)算所距距離。因?yàn)榧词乖谙嗤嚯x下，只要光線、彩、亮度不同，反</p><p>　　射數(shù)據(jù)也會(huì)大不同。(2)距離傳感器，用于探測(cè)物體或距墻壁固定的距離，不受顏色所影響的紅外線距離傳感器，可以感應(yīng)更準(zhǔn)確的距離。</p><p>

28、　　1.2.2 Bioloid軟件介紹</p><p>　　RoboPlus中擁有RoboPlus Task（行為控制）、 RoboPlus Motiom（動(dòng)作編輯）、 RoboPlus Manager（硬件管理）三部分。</p><p>　　RoboPlus Task通常被用來設(shè)計(jì)機(jī)器人在面對(duì)某種事件時(shí)所產(chǎn)生的反應(yīng)，這種反應(yīng)根據(jù)傳感器所測(cè)得的各項(xiàng)數(shù)據(jù)來做判斷，RoboPlus Task使

29、用的編程語言是一種類C語言的程序，其中主要用來透過CM-530等控制器來控制周邊馬達(dá)或傳感器，程序內(nèi)部已經(jīng)將大多數(shù)周邊配備編寫成的一個(gè)個(gè)的函數(shù)庫，必要時(shí)只需要呼叫函數(shù)或者變量即可完成操作，有C語言基礎(chǔ)將會(huì)更容易使用RoboPlus Task。</p><p>　　行為控制邏輯是銜接輸入與輸出之間關(guān)系的，輸入好比人類的五官，耳朵、眼睛、觸覺等（AX-S1傳感器）以及其他的零組傳感器；而大腦（CM-530控制器）接收

30、到外在資料根據(jù)情況作出適合的反應(yīng)，對(duì)機(jī)器人來說這就是輸出。行為控制邏輯就是以邏輯思考的方式，來控制輸入輸出的。</p><p>　　圖1.7 RoboPlus Task工作界面</p><p>　　RoboPlus Motiom最大的功能就是簡(jiǎn)化程序的編寫，一次控制多樣馬達(dá)，一次進(jìn)行多樣馬達(dá)的動(dòng)作，一次進(jìn)行連續(xù)動(dòng)作。行為控制（RoboPlus Task）可以輕而易舉的控制數(shù)量不多的馬達(dá)，但

31、到了15、16個(gè)以上的馬達(dá)數(shù)量，將會(huì)控制不易，但動(dòng)作編輯（RoboPlus Motiom）能夠簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)控制多樣馬達(dá)，并且達(dá)到連續(xù)動(dòng)作。使用方法就是用動(dòng)作編輯（RoboPlus Motiom）設(shè)計(jì)好的動(dòng)作再經(jīng)由行為控制（RoboPlus Task）來進(jìn)行使用，就可以達(dá)到所需動(dòng)作或感應(yīng)。</p><p>　　Motiom包含了動(dòng)作頁面、動(dòng)作旗標(biāo)、機(jī)器人偏移設(shè)置等三樣參數(shù)設(shè)定。</p><p>

32、;　　動(dòng)作頁面（Motiom Page）此參數(shù)當(dāng)執(zhí)行時(shí)，代表要求機(jī)器人執(zhí)行所指定的動(dòng)作頁面，當(dāng)在判斷時(shí)表示檢查現(xiàn)在正處于哪一個(gè)動(dòng)作頁面。下面介紹主要功能及限制</p><p>　　? 輸入某個(gè)數(shù)字后,則執(zhí)行該數(shù)字所指定的頁面。</p><p>　　? 可以檢查正處于哪個(gè)頁面。</p><p>　　? 可以利用Motion的ExitPage來停止動(dòng)作。</p&g

33、t;<p>　　? 如果確認(rèn)是否停止動(dòng)作可以檢查動(dòng)作旗標(biāo)。</p><p>　　? 當(dāng)動(dòng)作頁面設(shè)置為0控制執(zhí)行Exit Page的頁面并停止。</p><p>　　? 當(dāng)動(dòng)作頁面設(shè)置為-1控制器將執(zhí)行到最后輸入的頁面并停止。</p><p>　　? 動(dòng)作頁使用數(shù)字1~225之間。</p><p>　　動(dòng)作旗標(biāo)（Motion

34、Status）是為了顯示現(xiàn)在是否執(zhí)行Motion動(dòng)作，如果正在執(zhí)行數(shù)值將會(huì)是1，未執(zhí)行則是0。</p><p>　　機(jī)器人偏移設(shè)置（Joint Offset）是一個(gè)陀螺儀姿勢(shì)調(diào)整。</p><p>　　圖1.8 RoboPlus Motion工作界面</p><p>　　RoboPlus Manager是機(jī)器人控制管理員?？梢詫?duì)Dynamiexl進(jìn)行設(shè)定，如更改ID

35、、更改動(dòng)作模式、修改ZigBee對(duì)應(yīng)編號(hào)等。</p><p>　　圖1.9 RoboPlus Manager工作界面</p><p>　　1.3本文章節(jié)安排 </p><p>　　本文以舵機(jī)機(jī)器人系統(tǒng)為平臺(tái)，研究在基于聲音傳感器基礎(chǔ)上，編寫控制程序，讓機(jī)器人運(yùn)行特定的動(dòng)作。實(shí)驗(yàn)采用Bioloid機(jī)器人套件為實(shí)驗(yàn)機(jī)器人，運(yùn)行環(huán)境在室內(nèi)，機(jī)器人上將配備紅外線物體傳感器、

36、聲音傳感器（集成于控制器CM-530）。在特定運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)，文章將分別利用紅外線物體傳感器和聲音傳感器得到外界信息，然后將信息傳遞到控制器CM-530，進(jìn)而控制器發(fā)出指令使舵機(jī)機(jī)器人做出特定的動(dòng)作。</p><p>　　本文的主要組織結(jié)構(gòu)安排如下：</p><p>　　第1章是緒論，簡(jiǎn)述了基于聲音控制舵機(jī)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀和研究意義，對(duì)Bioloid機(jī)器人套件的軟件和硬件進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹。<

37、;/p><p>　　第2章介紹舵機(jī)機(jī)人控制硬件系統(tǒng)，并提出已此系統(tǒng)作為基于聲音的舵機(jī)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)。</p><p>　　第3章介紹舵機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理以及控制方法。</p><p>　　第4章介紹現(xiàn)階段可用的控制方法，說明選用PID算法的理由，將PID算法運(yùn)用到本實(shí)驗(yàn)中，證明PID算法在本實(shí)驗(yàn)中的可行性。</p><p>　　第5章用行

38、為控制和動(dòng)作編輯兩種編程相結(jié)合的方法來編寫舵機(jī)機(jī)器人控制程序，并說明了兩種編寫程序所負(fù)責(zé)編寫的內(nèi)容。</p><p>　　第6章對(duì)本論文中的內(nèi)容做了總結(jié)和回顧，并對(duì)實(shí)驗(yàn)的不足方面提出改進(jìn)。對(duì)舵機(jī)機(jī)器人的未來發(fā)展方向進(jìn)行展望。</p><p>　　2 舵機(jī)機(jī)人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　2.1電子元器件選擇</p><p>　　在對(duì)舵

39、機(jī)機(jī)器人系統(tǒng)建立之前，首先應(yīng)對(duì)電子元器件進(jìn)行選擇。是否能選擇合適的電子元件將會(huì)直接影響到所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的性能。</p><p>　　2.1.1控制器的選擇</p><p>　　嵌入式系統(tǒng)中的微處理器和微控制器從二十世紀(jì)七十年代研發(fā)至今已經(jīng)擁有40年的發(fā)展歷史了。嵌入式系統(tǒng)最開始的的應(yīng)用只能是基于單片機(jī)，而且那時(shí)只是4位的處理器在被使用，應(yīng)用在一些單線程的程序上，還說不上“系統(tǒng)”這一概念。

40、但是嵌入式系統(tǒng)基于單片機(jī)的使用，卻使得家用電器、汽車電子、工業(yè)機(jī)械設(shè)備、通信設(shè)備以及成百上千種產(chǎn)品可以通過嵌入式電子系統(tǒng)獲得更好的實(shí)用性能。</p><p>　　當(dāng)今，嵌入式控制系統(tǒng)中微控制器應(yīng)用范圍最廣的是單片機(jī)，而 MCS-51和 96 系列是單片機(jī)中的代表。但由意法半導(dǎo)體公司推出的STM32微電子芯片具有單片機(jī)所沒有的優(yōu)點(diǎn)，它具有高性能的內(nèi)核、一流的外設(shè)、低功耗以及最大的集成度等特點(diǎn)。[4]。</p&

41、gt;<p>　　除此之外STM32系列采用了業(yè)界領(lǐng)先的哈佛結(jié)構(gòu)（程序和數(shù)據(jù)分開），提供單周期乘法指令和硬件除法指令，內(nèi)置了快速的中斷器等。正是由于STM32使用了這些與MCS-51普通單片機(jī)不同的結(jié)構(gòu)，才使得其與普通單片機(jī)相比具有如下特點(diǎn)[5]：</p><p>　　1) 完成一次乘法或一次加法在一個(gè)指令周期內(nèi)就可以實(shí)現(xiàn)；</p><p>　　2) 采用哈佛結(jié)構(gòu)，程序總線和

42、數(shù)據(jù)總線、程序空間和數(shù)據(jù)空間是分開的，這一結(jié)構(gòu)使其可以同時(shí)訪問指令和數(shù)據(jù)；</p><p>　　3) 片內(nèi)擁有快速 RAM，可以同時(shí)訪問兩塊芯片中RMA；</p><p>　　4) 具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持；</p><p>　　5) 快速的中斷處理和硬件 I/O 接口支持；</p><p>　　6) 具有在單周期內(nèi)操作的多個(gè)硬

43、件地址產(chǎn)生器；</p><p>　　7) 內(nèi)部采用的特殊設(shè)計(jì)使其支持并執(zhí)行多個(gè)操作任務(wù)；</p><p>　　8) 支持流水線操作，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行。</p><p>　　考慮到這種芯片的高性價(jià)比以及舵機(jī)機(jī)器人控制性能的要求，選用有STM32F103芯片的CM-530控制器作為舵機(jī)機(jī)器人的微控制器。這樣不僅可以大大的提升控制機(jī)器人的性能，還可以減

44、少控制器的大小。</p><p>　　圖2.1 CM-530控制器</p><p>　　? PC Link(Serial Cable): 用來連接CM-530和PC。也可以用來與其他PC連接和下載任務(wù)程序。</p><p>　　?Communication Device Connection Port：無線模塊（ZIG-110），與紅外線接收器或其他模塊連接使用。&

45、lt;/p><p>　　?Battery Jack：電池插座。</p><p>　　?Power Jack：電源插座。</p><p>　　?Mode LED：顯示操作模式之LED。</p><p>　　?Status LED：顯示狀態(tài)之LED。</p><p>　　?Power LED：顯示電源開關(guān)狀態(tài)之LED。<

46、/p><p>　　?Power Switch：電源開關(guān)</p><p>　　?MODE Button：模式切換按鈕。</p><p>　　?START Button：執(zhí)行所選擇的模式。</p><p>　　?U/L/D/R Button：程序運(yùn)行時(shí)，發(fā)送指令給機(jī)器人使用。</p><p>　　?AX-12+ BUS Por

47、t：AX12+ Dynamixel串接插座。</p><p>　　?Peripheral Devices Connection Port：l連接距離傳感器、觸碰傳感器、紅外線傳感器以及周邊設(shè)備。</p><p>　　2.1.2舵機(jī)的選擇</p><p>　　傳統(tǒng)的舵機(jī)有三條傳輸線,分別是:VDD線、GND及DATA線。VDD和GND線是提供內(nèi)部的直流馬達(dá)及控制線路板

48、所需的電源,電壓通常介于7V-10V之間,該電源應(yīng)盡可能與處理系統(tǒng)的電源分隔開，因?yàn)轳R達(dá)會(huì)產(chǎn)生噪音。同時(shí),舵機(jī)在重負(fù)載時(shí)也會(huì)拉低放大器的電壓,所以整個(gè)系統(tǒng)的電源供應(yīng)必須合理[6]。在這里本文選用AX-12+舵機(jī)，是由于Dynamixe系列中AX-12+專用于機(jī)器人伺服電機(jī)與傳統(tǒng)的伺服電機(jī)相比不但具有位置反饋，而且還具有速度反饋與溫度反饋的功能，支持高速串行網(wǎng)絡(luò).Dynamixel系列中AX-12+專用機(jī)器人伺服電機(jī)與傳統(tǒng)的伺服電機(jī)相比A

49、X12+不但具有位置反饋，而且還具有速度反饋與溫度反饋功能，支持高速串行網(wǎng)絡(luò)。Dynamixel系列中AX-12+專用機(jī)器人伺服電機(jī)與傳統(tǒng)的伺服電機(jī)相比AX12+不但具有位置反饋，而且還具有速度反饋與溫度反饋功能，支持高速串行網(wǎng)絡(luò)。Dynamixel系列中AX-12+專用機(jī)器人伺服電機(jī)與傳統(tǒng)的伺服電機(jī)相比AX12+不但具有位置反饋，而且還具有速度反饋與溫度反饋功能，支持高速串行網(wǎng)絡(luò)。這樣選擇AX-12+就可以更好的完成機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)任務(wù)。

50、</p><p>　　圖2.2 AX-12+硬件電路原理圖 </p><p>　　2.1.3其他元件的選擇</p><p>　　在設(shè)計(jì)整個(gè)控制系統(tǒng)中，使用的控制其中搭配了聲音傳感器，可以判斷聲音的大小。聲音傳感器使用數(shù)字0至255之間，因此最高音量為225。除聲音傳感器外還有聲音計(jì)數(shù)器，聲音的計(jì)數(shù)方法，判斷法則為高于所設(shè)定的參數(shù)數(shù)據(jù)則判斷為一次的聲響，而感應(yīng)為聲音傳

51、感器，當(dāng)感測(cè)出來時(shí)聲音計(jì)數(shù)器會(huì)+1。此外，本實(shí)驗(yàn)還會(huì)用到紅外線物體感測(cè)器。</p><p>　　2.2舵機(jī)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　如圖2.3所示 舵機(jī)機(jī)器人的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)包括電源模塊、微控制器模塊、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、紅外線物體傳感器模塊及聲音傳感器模塊等傳感器模塊組成。</p><p>　　圖2.3舵機(jī)機(jī)器人控制系統(tǒng)</p><p

52、>　　在整個(gè)系統(tǒng)中由電源模塊提供12伏電壓供電給控制器CM-530，又通過聲音傳感器和紅外線傳感器接收外界信息，接收信息后將信息傳給控制器，然后控制器按照PC已經(jīng)編寫好的程序發(fā)出指令，舵機(jī)做出設(shè)定好的動(dòng)作。</p><p>　　2.3舵機(jī)機(jī)器人組裝</p><p>　　本論文應(yīng)用到Bioloid機(jī)器人套件，將機(jī)器人套件組裝成四足機(jī)械狗。整個(gè)機(jī)器人用到15個(gè)AX-12+舵機(jī)，一個(gè)CM-

53、530控制器，一個(gè)紅外線物體傳感器以及若干框架組。組裝實(shí)物如下圖：</p><p><b>　　圖2.4四足機(jī)械狗</b></p><p>　　四足機(jī)械狗所涉及15個(gè)舵機(jī)的控制中全部用于關(guān)節(jié)，轉(zhuǎn)動(dòng)角度為0~300°。 表2-1是四足機(jī)械狗的舵機(jī)分配表。</p><p>　　2-1四足機(jī)械狗的舵機(jī)分配表</p><

54、;p><b>　　2.4本章小結(jié)</b></p><p>　　本章介紹了舵機(jī)機(jī)器人硬件的選擇，也對(duì)基于聲音的舵機(jī)機(jī)器人的控制系統(tǒng)做了硬件設(shè)計(jì)。給出了所要用的實(shí)驗(yàn)器材，尤其是微控制器的選擇。分析了各個(gè)模塊與整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)系，將各個(gè)模塊整合成一個(gè)整體。最后介紹了舵機(jī)機(jī)器人的組裝過程。 </p><p>　　3 舵機(jī)的結(jié)構(gòu)及其控制原理</p><p&

55、gt;　　本文章中所選用的AX-12+數(shù)字伺服電機(jī)具有高效能、串接式、連接簡(jiǎn)單、全方式360°定位等特點(diǎn)。采用PID控制，適合多關(guān)節(jié)系統(tǒng)的應(yīng)用（如機(jī)械手臂，六足、雙足機(jī)器人）。</p><p>　　3.1舵機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　舵機(jī)是由外殼、電路板、直流電機(jī)、齒輪組與位置檢測(cè)器組成的。如圖3.1所示。高速轉(zhuǎn)動(dòng)的直流電機(jī)提供了所需的動(dòng)力，帶動(dòng)變速（減速）齒輪組轉(zhuǎn)動(dòng)，使之

56、產(chǎn)生高力矩的輸出齒輪組的變速比愈大，伺服馬達(dá)的輸出力矩也愈大，越能承受更大的力量，但是齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)的速度也會(huì)變得很低。</p><p>　　圖3.1 舵機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　3.2舵機(jī)的工作原理</p><p>　　舵機(jī)是一個(gè)典型的閉環(huán)反饋系統(tǒng)，其工作原理如下圖：</p><p>　　圖3.2舵機(jī)的工作原理</p>&

57、lt;p>　　減速齒輪組依靠馬達(dá)驅(qū)動(dòng),其終端(輸出端)帶動(dòng)一個(gè)線性的比例電位器作位置檢測(cè),該電位器把轉(zhuǎn)角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為一比例電壓反饋給控制線路板,控制線路板將其與輸入的控制脈沖信號(hào)做比較,產(chǎn)生調(diào)整脈沖,并驅(qū)動(dòng)馬達(dá)正向或反向地轉(zhuǎn)動(dòng),使齒輪組的輸出位置與期望值相一致,令調(diào)整脈沖趨于零,從而達(dá)到使舵機(jī)精確工作的目的[7]。</p><p>　　3.3 AX-12+舵機(jī)的控制</p><p>　

58、　AX-12+數(shù)字伺服電機(jī)不像一般的R/C微伺服電機(jī)（舵機(jī)）使用PWM（脈沖寬度調(diào)制）控制，其需要使用CM-5 Dynamixel AX12+伺服電機(jī)專用控制器控制。當(dāng)用做關(guān)節(jié)電機(jī)時(shí)，可以旋轉(zhuǎn)0～300°；當(dāng)用作輪子驅(qū)動(dòng)時(shí)，可以選擇360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)模式。更重要的是AX-12+提供了高達(dá)16kg·cm的扭矩，是一般數(shù)字舵機(jī)的2倍[8]。</p><p>　　圖3.3

59、 AX-12+與CM-5伺服電機(jī)專用控制器控制器接法</p><p><b>　　3.4本章小結(jié)</b></p><p>　　本章介紹了舵機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，工作原理即控制方法（PWM傳統(tǒng)舵機(jī)的控制方法）。還說明了AX-12+舵機(jī)與傳統(tǒng)舵機(jī)控制方法的不同點(diǎn)，其具有一般舵機(jī)所沒有的優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　4 舵機(jī)機(jī)器人的速度控制</p>

60、<p><b>　　4.1引言</b></p><p>　　舵機(jī)機(jī)器人控制有2種方法分別是開環(huán)控制和閉環(huán)控制，在開環(huán)控制中,機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度并沒有進(jìn)行反饋,從而無法確保機(jī)器人按照預(yù)期的速度前進(jìn)或后退。但在閉環(huán)控制方法中,通過電位器檢測(cè)機(jī)器人舵機(jī)的轉(zhuǎn)速,進(jìn)而可以實(shí)時(shí)獲得機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度,并通過閉環(huán)控制算法控制機(jī)器人使其按預(yù)定速度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，常用的閉環(huán)控制算法有:自適應(yīng)控制、模糊控、

61、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和PID控制等,其中PID控制是由比例(Proportion)、積分(Integral)、微分(Differential)組成的線性控制器,原理簡(jiǎn)單,應(yīng)用方便,適合用于比較簡(jiǎn)單的被控對(duì)象,應(yīng)用該控制算法能夠獲得很好的控制效果,并且構(gòu)成的控制系統(tǒng)具有良好的控制性[9]。</p><p>　　PID控制理論問世至今己有近70年歷史,它以其技術(shù)成熟、應(yīng)用范圍廣、穩(wěn)定性好、調(diào)整方便、控制靈活而成為工業(yè)控制理論

62、的主要技術(shù)之一。本章將采用PID控制算法進(jìn)行舵機(jī)機(jī)器人的速度閉環(huán)控制[10]。</p><p>　　4.2數(shù)字PID控制算法[11]</p><p>　　PID是一個(gè)閉環(huán)的控制算法。因此在實(shí)現(xiàn)PID算法之前，硬件上必須采用閉環(huán)控制，就是有反饋。PID是比例(P)、積分(I)、微分(D)控制算法。但并不是必須同時(shí)具備這三種算法，也可所以PD,PI,甚至是P算法控制。下面就對(duì)PID算法的原理做

63、簡(jiǎn)單介紹：</p><p>　　模擬PID算法的原理如圖4.1所示，其中，w(t)是設(shè)定值，y(t)是系統(tǒng)實(shí)際輸出值，而e(t)是w(t)與y(t)的偏差值即：</p><p><b>　　(4.1)</b></p><p>　　按其比例、積分、微分通過線性組合構(gòu)成控制量。其表示如下圖：</p><p>　　圖4.1PI

64、D控制原理</p><p>　　u(t)是PID控制器的輸出和被控對(duì)象的輸入，模擬PID控制器規(guī)律為：</p><p><b>　　(4.2)</b></p><p>　　其中KP為比例增益，TI為積分時(shí)間常數(shù)，TD為微分時(shí)間常數(shù)，u(t)為控制量，e(t)為偏差。</p><p>　　PID算法中各環(huán)節(jié)的作用：<

65、/p><p>　　比例控制可以快速反應(yīng)誤差，從而使誤差減小，但是比例控制卻不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，而且如果KP過大，就會(huì)引起系統(tǒng)不穩(wěn)定；積分控制的作用是，只要系統(tǒng)存在誤差，積分控制作用就會(huì)不斷積累并輸出控制量從而消除系統(tǒng)誤差，因此只要時(shí)間允許，理論上積分控制將能完全消除誤差，但是積分作用過強(qiáng)會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)量有所增大，甚至?xí)瓜到y(tǒng)產(chǎn)生振蕩；微分控制作用是可以減小超調(diào)量，克服振蕩，從而使系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到提高，與此同時(shí)加快系統(tǒng)的動(dòng)

66、作的響應(yīng)速度，減小調(diào)整時(shí)間，從而改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。</p><p>　　由于論文是采用數(shù)字PID控制舵機(jī)速度，因此應(yīng)用數(shù)字PID增量型控制型算法。其求解過程如下：</p><p>　　為了便于計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)，必須把式(4-2)變換成差分方程，為此做如下近似</p><p><b>　?。?.3）</b></p><p>

67、<b>　　(4.4)</b></p><p>　　由式(4-2)、（4-3）、(4-4)可得數(shù)字PID位置控制算式為</p><p><b>　　(4.5)</b></p><p>　　根據(jù)式(4-5)不難寫出第k-1次采樣時(shí)的控制算式</p><p><b>　　(4.6)</b

68、></p><p>　　將式(4-5)和（4-6）相減即得到數(shù)字PID增量型控制算式為</p><p><b>　　△</b></p><p><b>　?。?.7）</b></p><p>　　其中KP稱為比例增益，KI=KP稱為積分系數(shù), KD= KP稱為微分系數(shù)。為了方便，可以將（4-7

69、）整理成如下形式</p><p>　　△u(k)=q0e(k)+q1(k-1)+q2e(k-2) (4.8)</p><p>　　其中q0=KP（1+）</p><p>　　q1= - KP(1+2)</p><p>　　q2= KP

70、 (4.9) </p><p>　　從(4-9)可以看出，若整個(gè)控制系統(tǒng)確定采樣周期T，選用合理KP、TD、和TI就可以確定增量。</p><p>　　4.3基于數(shù)字PID的機(jī)器人速度控制</p><p>

71、;　　本節(jié)將以CM-530控制器，采用數(shù)字PID控制算法，通過對(duì)舵機(jī)AX-12+的轉(zhuǎn)速控制來實(shí)現(xiàn)舵機(jī)機(jī)器人的速度控制。</p><p>　　在數(shù)字PID控制算法中，若確定采樣周期T，剩余最重要的工作就是確定KP、TD、和TI三個(gè)參數(shù)，因?yàn)橛猩弦还?jié)已經(jīng)了解了PID算法中各環(huán)節(jié)的作用就可以明白，這三個(gè)參數(shù)選擇將會(huì)直接影響控制效果的好壞。參數(shù)整定的實(shí)質(zhì)就是利用改變PID控制器參數(shù)使其特性和過程特性達(dá)到相互匹配,進(jìn)而改善

72、系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)指標(biāo),達(dá)到最好的控制效果。</p><p>　　整定控制器參數(shù)的計(jì)算方法歸納起來有工程整定法與理論計(jì)算整定法兩類，工程整定法有臨界比例法。試湊法、衰減曲線法、響應(yīng)曲線法等，該方法的特點(diǎn)是在計(jì)算前并不需要知道該過程的數(shù)學(xué)模型,直接在過程控制系統(tǒng)中進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)整定，該整定方法方便簡(jiǎn)單、容易掌握；計(jì)算簡(jiǎn)單理論計(jì)算整定法有根軌跡法和對(duì)一數(shù)頻率特性法等[12]。</p><p>　　本文

73、的整個(gè)PID控制過程的流程圖如圖4.2所示</p><p>　　圖4.2舵機(jī)的程序控制圖</p><p>　　本文中由AX-12+舵機(jī)的技術(shù)手冊(cè)得到通訊波特率7343bps~1Mbps，采用的通訊協(xié)議是半雙工異步串行通訊，采用試湊法整定KP、TD、和TI三個(gè)參數(shù)的值。數(shù)對(duì)控制效果的影響趨勢(shì),反復(fù)調(diào)整KP、TD、和TI大小,一般是按照先比例,再積分,最后微分的步驟整定參數(shù)。</p>

74、;<p>　　4.3.1PID控制的MATLAB仿真</p><p>　　MATLAB是由美國(guó)MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)值計(jì)算和可視化軟件，它的功能包括數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)可視化、矩陣運(yùn)算、信號(hào)處理和圖形顯示等。MATLAB在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計(jì)算方面是首屈一指的，它不僅為用戶構(gòu)成了一個(gè)方便的、界面友好的環(huán)境，而且具有十分豐富的函數(shù)庫。MATLAB和其他高級(jí)語言一樣具有良好的接口，同時(shí)也可

75、以方便地實(shí)現(xiàn)與其他語言程序的混合編寫，使它已經(jīng)成為當(dāng)今最為流行的科學(xué)與工程計(jì)算的軟件工具之一，從而受到了廣大用戶的熱烈歡迎[13,14]。</p><p>　　本論文中，采用的舵機(jī)是AX-12+該電機(jī)的參數(shù)為：額定電壓７Ｖ，轉(zhuǎn)速ｎ＝15300r/min，電動(dòng)勢(shì)常數(shù)Ce＝0.0173V/(r/min)，電機(jī)時(shí)間常數(shù)Tｍ ＝0.12S電磁時(shí)間常數(shù)Ｔi ＝0.02ｓ。直流電機(jī)的傳遞函數(shù)模型為[15]:</p&g

76、t;<p><b>　　（4.10）</b></p><p>　　將電機(jī)參數(shù)代入式（4-10），得到舵機(jī)的數(shù)學(xué)模型為：</p><p><b>　　（4.11）</b></p><p>　　PID應(yīng)用Matlab參數(shù)整定過程如下[16-20]：</p><p>　?。?）起初，只保留比

77、例系數(shù)Kp而將積分系數(shù)Ti和微分系數(shù)Td置為0。其Matlab的系統(tǒng)控制仿真圖如4.3所示</p><p>　　圖4.3不同Kp下Matlab仿真圖</p><p>　　由仿真結(jié)果可知:比例項(xiàng)確實(shí)可以減小控制系統(tǒng)產(chǎn)生的偏差，伴隨著Kp的增加,整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)速度也越來越快。但Kp過大，則系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生超調(diào)，震蕩次數(shù)也會(huì)有所增多，增加了調(diào)節(jié)時(shí)間，使系統(tǒng)穩(wěn)定性也會(huì)有所下降。 因此Kp的增大不可能從根

78、本上消除穩(wěn)態(tài)誤差，只能減小。上圖Kp值分別是5,10,15</p><p>　　比例控制Kp Matlab程序如下：</p><p>　　G=tf(400,[1 50 417]);</p><p>　　>> Kp=[5:5:15];</p><p>　　>> for i=1:length(Kp)</p>

79、<p>　　Gc=feedback(Kp(i)*G,1);</p><p><b>　　step(Gc),</b></p><p><b>　　hold on</b></p><p><b>　　end</b></p><p>　?。?）設(shè)Kp=10,討論Ti=0.0

80、5~0.15時(shí)PID的控制情況，進(jìn)行Matlab的仿真圖如下：</p><p>　　圖4.4不同Ti下Matlab仿真圖</p><p>　　對(duì)于積分系數(shù) Ti的主要作用是消除控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，增強(qiáng)系統(tǒng)的無差度。但隨著Ti的逐漸增大，超調(diào)量會(huì)有所減小，系統(tǒng)的響應(yīng)速度會(huì)變的很慢，有時(shí)甚至?xí)蟹e分飽和的現(xiàn)象產(chǎn)生。上圖Ti值分別為0.05，0.10，0.15。</p><p

81、>　　積分控制Ti Matlab程序如下：</p><p>　　G=tf(400,[1 50 417]);</p><p><b>　　Kp=10;</b></p><p>　　Ti=[0.05:0.05:0.15];</p><p>　　>> for i=1:length(Ti)</p>

82、<p>　　Gc=tf(Kp*[Ti(i) 1],[Ti(i) 0]);</p><p>　　Gcc=feedback(Gc*G,1);</p><p>　　step(Gcc),</p><p><b>　　hold on</b></p><p><b>　　end</b></p&

83、gt;<p>　　(3) 微分系數(shù)Td的大小反映的是偏差的變化率，起著預(yù)見的作用，從而改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。微分實(shí)驗(yàn)理論原理與比例、積分一樣。如果Td過大，系統(tǒng)就會(huì)提前制動(dòng)，使調(diào)節(jié)時(shí)間變長(zhǎng)，于此同時(shí)也會(huì)使控制系統(tǒng)的抗干擾能力有所下降。</p><p>　　G=tf(400,[1 50 417]);</p><p>　　Kp=10;Ti=0.1</p><p

84、>　　Td=[0.005:0.005:0.015];</p><p>　　>> for i=1:length(Td)</p><p>　　Gc=tf(Kp*[Ti*Td(i) Ti 1],[Ti 0]);</p><p>　　Gcc=feedback(Gc*G,1);</p><p>　　step(Gcc),</p&g

85、t;<p><b>　　hold on</b></p><p><b>　　end</b></p><p>　　經(jīng)過這樣不停的反復(fù)實(shí)驗(yàn)最終可以確定PID的各個(gè)參數(shù)Kp=10,Ti=0.1,Td=0.01。</p><p>　　從而達(dá)到應(yīng)用PID控制法來控制舵機(jī)速度。</p><p>&

86、lt;b>　　4.4本章小結(jié)</b></p><p>　　本章介紹了PID控制算法及其控制原理，將PID算法和AX-12+舵機(jī)的控制結(jié)合起來，說明了PID控制算法的優(yōu)越性和應(yīng)用的廣泛性。</p><p>　　5 舵機(jī)機(jī)人控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　舵機(jī)機(jī)器人控制系統(tǒng)中軟件設(shè)計(jì)是最重要的部分，所有舵機(jī)運(yùn)行狀況都是有控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的。本文的

87、控制系統(tǒng)是基于STM32F103為主要元件的硬件之上進(jìn)行設(shè)計(jì)的，因此在實(shí)驗(yàn)時(shí)直接使用了基于STM32F103開發(fā)的CM-530控制器。本控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括；程序編寫、調(diào)試、修改、整合等步驟。</p><p>　　5.1 RoboPlus Task程序的編寫</p><p>　　RoboPlus Task的程序命令語法和一般的C語言語法非常相似（稱為類C語言），另外還有額外獨(dú)立開發(fā)的外

88、部無窮循環(huán)函數(shù)（CallBack函數(shù)），可以雙向多工運(yùn)作，雖然第二工作函數(shù)中有許多的判斷語言無法使用，且不能和主程序做太多關(guān)聯(lián)（會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤），但實(shí)質(zhì)的應(yīng)用層面卻比傳統(tǒng)的C語言的架構(gòu)程序來的好上很多。下面介紹命令句：</p><p>　　Start&End ：?jiǎn)?dòng)&結(jié)束命令句</p><p>　　Start/Exit Program ：開始和結(jié)束的命令</p>

89、<p>　　“{“&”}”：區(qū)塊命令，主要在定義范圍</p><p>　　// ：注解，主要是使用者加以說明程序用，不會(huì)執(zhí)行</p><p>　　Execute ：執(zhí)行/運(yùn)算命令句</p><p>　　Compute ：運(yùn)算命令句，包含數(shù)字運(yùn)算、邏輯運(yùn)算等</p><p>　　Load ：加載命令句，左側(cè)的數(shù)值將會(huì)等于右

90、側(cè)數(shù)值</p><p>　　Label ：標(biāo)簽，主要是用來跳躍之用</p><p>　　Jump ：跳躍，能夠跳躍至指定的標(biāo)簽位置</p><p>　　Condition ：判斷命令句</p><p>　　If/Else If/Else ：用于判斷內(nèi)容的命令</p><p>　　Loap ：循環(huán)命令句</p>

91、;<p>　　Endless Loap：無限回圈</p><p>　　Condition Loop ：條件循環(huán)，條件達(dá)成則執(zhí)行循環(huán)</p><p>　　Count Loop ：次數(shù)循環(huán)，可以指定次數(shù)的循環(huán)</p><p>　　Break Loop ：跳出循環(huán)，強(qiáng)制離開回圈之前的命令句</p><p>　　Conditional

92、Stand ：等待循環(huán)，條件滿足時(shí)將鎖定在這個(gè)循環(huán)中，直到條件解除</p><p>　　Function ：子程序/函數(shù)命令句</p><p>　　Make CallBack ：創(chuàng)造獨(dú)立的無窮循環(huán)</p><p>　　Make Function ：創(chuàng)造一個(gè)子程序</p><p>　　Call Function ：呼叫子程序</p>

93、<p>　　Exit Function ：離開子程序（只要是子程序都必須使用）、</p><p>　　在任何的程式一般都要事先設(shè)計(jì)流程圖，不能憑空想象，所以必須制作一個(gè)流程圖來設(shè)計(jì)所需的程式走向繪制流程圖的最大好處在于循序漸進(jìn)的方式來達(dá)到所需的功能，能避免將許多重復(fù)性的元件、架構(gòu)再次撰寫、浪費(fèi)記憶空間進(jìn)而增加了程式讀取執(zhí)行效率，圖5.1給出了程序的動(dòng)作流程圖。在程序開始之前，必須進(jìn)行設(shè)定初始化。由于

94、本控制系統(tǒng)用到了15個(gè)舵機(jī)，所以在初始化階段就要包括對(duì)電機(jī)ID、電機(jī)轉(zhuǎn)速以及電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度的初始化。舵機(jī)ID初始化就是讀取讀取舵機(jī)的ID設(shè)計(jì)，確定ID號(hào)。</p><p>　　圖5.1程序動(dòng)作流程圖（1）</p><p>　　圖5.2程序動(dòng)作流程圖（2）</p><p>　　圖5.3程序動(dòng)作流程圖（3）</p><p>　　在整個(gè)程序動(dòng)作流程

95、圖中，由RoboPlus Task建立起整個(gè)程序架構(gòu)。由于所組裝的舵機(jī)機(jī)器人用到了15個(gè)電機(jī)，數(shù)量較多，因此僅僅依靠RoboPlus Task來編程控制15個(gè)電機(jī)是不便的。所以用RoboPlus Motion來編寫具體的動(dòng)作即上述框架中的動(dòng)作1到動(dòng)作11。</p><p>　　在確定程序的框架圖后，就可以根據(jù)框架圖來編寫設(shè)計(jì)程序，具體程序代碼在附錄。</p><p>　　5.2RoboPl

96、us Motion程序的編寫</p><p>　　本論文中所設(shè)計(jì)的舵機(jī)機(jī)器人的動(dòng)作共有11個(gè)，具體動(dòng)作編輯在附錄。其具體的編輯過程如下: </p><p>　　如圖5.2機(jī)器人的動(dòng)作設(shè)計(jì)可以借由右下角的兩個(gè)燈泡（一個(gè)亮，一個(gè)滅）來控制機(jī)器人馬達(dá)的啟動(dòng)和不啟動(dòng)。在不啟動(dòng)狀態(tài)下，可以搬動(dòng)機(jī)器人馬達(dá)關(guān)節(jié)，來設(shè)計(jì)自己所需的動(dòng)作。然后將所設(shè)計(jì)的動(dòng)作的關(guān)節(jié)值傳送給控制器，控制器將動(dòng)作關(guān)節(jié)值保存在所設(shè)計(jì)

97、動(dòng)作頁面。</p><p>　　圖5.2 舵機(jī)機(jī)器人動(dòng)作編輯界面 </p><p>　　在動(dòng)作設(shè)計(jì)上必須要參考流程圖的設(shè)計(jì)，也就是說不能把所有動(dòng)作串連在一起，所以在動(dòng)作編輯器上使用相同的方法簡(jiǎn)化程序。簡(jiǎn)化的這部分程序可以省略掉大部分連續(xù)馬達(dá)動(dòng)作，如果但使用行為控制邏輯控制全部馬達(dá)是非常費(fèi)時(shí)的，因此可以使用行為控制邏輯控制動(dòng)作編輯器元件代替掉許多馬達(dá)的控制，從而簡(jiǎn)化程序的編寫。</p&

98、gt;<p><b>　　5.3本章小結(jié)</b></p><p>　　本章介紹了舵機(jī)機(jī)器人的軟件設(shè)計(jì)過程，由RoboPlus Task建立編寫程序的框架，主要包括機(jī)器人動(dòng)作的先后順序、各傳感器的控制程序、舵機(jī)的初始設(shè)計(jì)等。使用RoboPlus Motion來設(shè)計(jì)具體動(dòng)作。</p><p><b>　　6 總結(jié)與展望 </b><

99、;/p><p><b>　　6.1總結(jié)</b></p><p>　　基于聲音控制的舵機(jī)機(jī)器人是多技術(shù)相結(jié)合的一個(gè)融合體。隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)對(duì)舵機(jī)機(jī)器人的理論研究也越來越深入。本文以Bioloid機(jī)器人套件為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以舵機(jī)機(jī)器人的聲音控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為主線，編寫了基于聲音的舵機(jī)機(jī)器人的控制程序，在此基礎(chǔ)上對(duì)舵機(jī)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)做出了分析。論文研究的主要內(nèi)容如下：<

100、;/p><p>　　（1）以舵機(jī)機(jī)器人為背景，設(shè)計(jì)了基于CM-530微控制器的舵機(jī)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。它以STM320芯片為核心，運(yùn)用PID控制控制算法和DynamixelAX12+伺服電機(jī)專用控制器控制CM-530，完成了舵機(jī)的控制。將舵機(jī)硬件設(shè)計(jì)和軟件編寫結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了舵機(jī)機(jī)器人特定動(dòng)作的運(yùn)行，并通過聲音傳感器和紅外線物體傳感器將外界反饋信號(hào)傳給控制器，使舵機(jī)機(jī)器人根據(jù)外界情況作出動(dòng)作。</p>

101、<p>　　（2）應(yīng)用了舵機(jī)機(jī)器人的動(dòng)作平臺(tái)，可以對(duì)任意的舵機(jī)機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)作設(shè)計(jì)，通過串口通信可以實(shí)時(shí)控制舵機(jī)機(jī)器人的動(dòng)作，并能將舵機(jī)機(jī)器人動(dòng)作產(chǎn)生的數(shù)據(jù)傳送回電腦，以便對(duì)機(jī)器人的動(dòng)作做出分析。</p><p>　?。?）對(duì)常用的控制算法作了簡(jiǎn)單介紹，重點(diǎn)說明了AX-12+舵機(jī)所應(yīng)用的PID控制算法。詳細(xì)地論述了該算法的實(shí)現(xiàn)在舵機(jī)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)中的應(yīng)用。</p><p><b

102、>　　6.2展望 </b></p><p>　　本文所介紹的工作主要是通過聲音傳感器對(duì)舵機(jī)機(jī)器人的控制，使其做出特定的動(dòng)作。基本上完成了任務(wù)書中的要求，但仍由去多地方需進(jìn)一步改進(jìn)和研究：</p><p>　　(1)本論文試驗(yàn)中所應(yīng)用的CM-530控制器是基于STM320芯片設(shè)計(jì)的，雖然可以較好地控制舵機(jī)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，但仍有很大的發(fā)展空間。從提高舵機(jī)的控制速度與效果出發(fā)，我

103、們可以應(yīng)用更為高級(jí)的芯片，當(dāng)然這樣成本也會(huì)有所增加，但卻可以保證更好的控制效果。 </p><p>　　（2）機(jī)器人的聽覺效果直接影響到本實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，這就對(duì)聲音傳感器的靈敏度提出要求，聲音傳感器的效果不僅在于接收外界信息的敏感度，更在于抗干擾能力的強(qiáng)弱，因此對(duì)聲音傳感器的改進(jìn)也是巨大的。</p><p>　　（3）本文對(duì)舵機(jī)機(jī)器人的控制進(jìn)了簡(jiǎn)單討論，舵機(jī)所采用的PID控制法可以很好的控制舵

104、機(jī)，但仍存在一定的局限性。這里可以尋求更好的控制方法。</p><p>　　由于本文作者知識(shí)水平的不足，希望能再進(jìn)一步的的學(xué)習(xí)后針對(duì)以上三點(diǎn)做出改進(jìn)，從而能夠更好的控制舵機(jī)機(jī)器人。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 王宏，艾海舟. 移動(dòng)機(jī)器人體結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)器人，1993,15（1）：49～54

105、</p><p>　　[2] 靳瑩，楊潤(rùn)澤.聲測(cè)定位技術(shù)的現(xiàn)狀研究[J].電聲基礎(chǔ)，2007,31（2）；4-8</p><p>　　[3] 李冬光.輪式移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制[D].大連：大連理工大學(xué)，2004.</p><p>　　[4] STM icroelectronics．STM32Fl03 datasheet，2010．6</p><

106、p>　　[5] 江思敏等. TMS320LF240xDSP 硬件開發(fā)教程[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2003.</p><p>　　[6] http://www.idminer.com.tw/View.Asp?id=49</p><p>　　[7] 代庚辛.基于80c196kc單片機(jī)的舞蹈機(jī)器人的控制系統(tǒng)[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2004.</p&g

107、t;<p>　　[8] TMS320LF/LC240x DSP Controllers Reference Guide System and Peripherals[J].Texas Instruments, 2000.</p><p>　　[9] 武少程.基于DSP的移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制研究[D].山東：山東科技大學(xué)2011.</p><p>　　[10] 孫娟.基于DS

108、P的超聲波液位計(jì)的研制[D].南京：南京信以卜程大學(xué),2005.</p><p>　　[11] 高國(guó)琴.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.</p><p>　　[12] 李亮. PID控制器參數(shù)整定方法[J].電氣自動(dòng)化技術(shù)網(wǎng),2003,46(3)：317-323.</p><p>　　[13] 王沫然. MATLAB與科學(xué)計(jì)算[M]. 北京

109、：電子工業(yè)出版社，2003.[14] 薛定宇.控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助分析--Matlab語言及其應(yīng)用[M]. 1北京：清華大學(xué)出版社，1996</p><p>　　[15] 陳義.基于MC9S12XS128單片機(jī)的智能車控制系統(tǒng)的研究［D］．保定：華北電力大學(xué)，2011．</p><p>　　[16] 劉明俊，于明祁．自動(dòng)控制原理[M]．長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué)出版社，2000．[17] 陳輝，

110、邵林．基于MATLAB的數(shù)字PID控制器仿真[J]．連云港職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，19(2)：3l~32．[20] 齊劍玲，曾玉紅，劉慧芳。PID調(diào)節(jié)器的仿真研究[J]．海淀走讀大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，8(1)：69-71．[21] Schulz. D, Fox D. Bayesian Color Estimation for Adaptive Vision-based Robot</p><p>　　Lo

111、calization[C]. //Proceedings of IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, 2004.1884-1888.</p><p>　　[22] Amal Punchihewa .Voice Command Interpretation for Robot Control[J].IEEE the

112、 5th International Conference On Automation,Robotics and Applications ,2011,5:90-95.</p><p>　　[23] John J Dazzo,Constantine H. Houpis.Liliear Colltrol Analys and Design[M].Fourth</p><p>　　Editi

113、oll:MARCELDEKKER,INC,2003.</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　時(shí)間如白駒過隙，轉(zhuǎn)眼四年間的大學(xué)生活馬上就要結(jié)束了?；叵肫鹱蛉兆诮淌覂A聽老師諄諄教誨，而今天就要離開親愛的母校，心中感慨萬千。</p><p>　　本論文是在劉嘉認(rèn)真老師悉心指導(dǎo)下完成，特別感謝劉嘉老師這半年來對(duì)我畢業(yè)設(shè)計(jì)