禽蛋抓取控制系统的设计

禽蛋抓取控制系统的设计

论文摘要

本文在参考了大量的机器人特别是果蔬类采摘机器人的结构和控制系统后,以实现禽蛋加工的自动化为出发点,设计了禽蛋抓取控制系统。禽蛋抓取控制系统由硬件和软件组成。硬件是由上位机、RS232通信电路、下位机、电机驱动电路、步进电动机、旋转光电编码器、倍频电路、接近开关电路和电磁阀控制电路组成,具有构建数据通信通道、驱动步进电机、电机转速及定位的反馈和抓取禽蛋的功能。PC机作为上位机,指挥和监督下位机即单片机的工作。通信电路为上位机和下位机的通信提供通道,以MAX232芯片为核心构成多机通信系统,负责传输上位机和下位机之间的数据。下位机采用与MCS-51兼容的AT89S52单片机,该机是低功耗,8位CMOS工艺处理器,具有8K的在线可编程Flash存储器,片内Flash存储器可以多次编程。电机驱动电路以L298N芯片构成,L298N内部包含4通道逻辑驱动电路,是一种二相和四相电机的专用驱动器,可驱动46V、2A以下的电机。步进电动机采用四相混合式步进电机,步距角0.9°/1.8°,保持转矩为0.54N·m,定位转矩0.025N·m,重量为0.36Kg。步进电动机采用闭环控制,选择旋转光电编码器作为反馈元件,旋转光电编码器旋转一周可以产生100个脉冲,本文的步进电动机旋转一周需要400个脉冲,因此在旋转光电编码器的输出端增加了倍频电路,使旋转光电编码器旋转一周发出400个脉冲,提高闭环控制精度。当吸盘靠近禽蛋时接近开关电路发出低电平信号,单片机接收信号后由电磁阀控制电路使电磁阀失电,吸盘内的气压降低,将禽蛋吸取。软件包括上位机和下位机程序,具有交换数据、电机定位控制、电机转速调节功能。首先,利用VC++6.0软件设计上位机的通信程序,包含一个简单的界面,可以输入整数数据发送给下位机;其次,利用Keil软件设计下位机程序,下位机主要包括下位机通信程序、步进电机升降频程序、PID转速控制程序。下位机通信程序负责下位机与上位机的通信,当上位机发送地址时判断是否为本机地址,然后决定是否应该接受数据。升降频程序采用指数升降频方法,符合步进电机矩频特性,保证步进电机在短时间内达到最高运行转速。PID转速控制程序负责电机转速的调节。应用PID转速控制程序后,显著的提高了步进电动机转速调节的动态性能指标。PID控制参数是通过建立步进电动机的二阶数学模型后,应用Simulink进行数字仿真而获得的最优控制参数(比例系数KP=1.1,积分时间Ti=0.081,微分时间TD=0.068)。试验表明,系统对步进电动机转速能实时检测和控制,调节时间短,转速稳定,系统的定位精度达到步进电机100个步数以内,满足系统的设计要求。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • 1.1 课题研究的意义
  • 1.2 文件综述
  • 1.2.1 机器人定义及分类
  • 1.2.2 工业机器人技术发展
  • 1.2.3 农业机器人技术发展
  • 1.2.4 国内外农业机器人研究现状
  • 1.3 研究目标及内容概述
  • 1.3.1 研究目标
  • 1.3.2 课题研究的内容
  • 1.3.3 课题研究技术路线
  • 第二章 控制系统方案设计
  • 2.1 控制器的选择
  • 2.2 驱动器的选择
  • 2.2.1 驱动方式的比较
  • 2.2.2 步进电机工作原理及特点
  • 2.2.3 步进电机的主要参数
  • 2.2.4 步进电机的选择
  • 第三章 控制系统硬件设计
  • 3.1 控制系统组成框图和工作原理
  • 3.2 复位电路
  • 3.3 时钟电路
  • 3.4 通讯电路
  • 3.4.1 RS-232的接口及电气特性
  • 3.4.2 RS-232电平转换芯片
  • 3.4.3 PC机与MCS-51单片机串行通信接口电路
  • 3.5 步进电机闭环控制电路
  • 3.5.1 单片机控制器
  • 3.5.2 驱动电路
  • 3.5.3 光电编码器
  • 3.5.4 倍频电路
  • 3.5.5 闭环控制电路
  • 3.6 电磁阀控制电路
  • 3.7 接近开关电路
  • 第四章 控制系统软件设计
  • 4.1 PC与单片机通信协议
  • 4.1.1 串行异步通信
  • 4.1.2 地址、命令及数据帧信号
  • 4.2 PC通信程序的设计
  • 4.2.1 通信程序实现方法
  • 4.2.2 通信程序的界面
  • 4.2.3 PC通信程序的设计
  • 4.2.4 PC通信程序流程
  • 4.3 单片机通信程序的设计
  • 4.3.1 串行口的工作方式及波特率
  • 4.3.2 单片机多机通信
  • 4.3.3 下位机通信程序流程及程序设计
  • 4.4 步进电机升降速设计
  • 4.4.1 步进电机的升降速控制
  • 4.4.2 步进电机指数升速过程设计
  • 4.4.3 步进电机降速过程设计
  • 4.4.4 步进电机升降速的计算机实现
  • 4.4.5 升降速程序设计及流程图
  • 4.5 步进电机转速控制
  • 4.5.1 PID调节算法及数字实现
  • 4.5.2 PID参数的整定
  • 4.5.3 PID转速控制程序流程图及程序设计
  • 第五章 试验与分析
  • 5.1 概述
  • 5.2 检测电路
  • 5.3 通信试验
  • 5.4 步进电机定位试验
  • 5.5 升频试验
  • 5.6 转速PID调节试验
  • 第六章 结论与讨论
  • 6.1 系统验证与结论
  • 6.2 讨论与建议
  • 参考文献
  • 致谢
  • 附录 闭环控制电路图
  • 检测电路图
  • 相关论文文献

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