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。