智能寻迹小车的设计与制作 下载本文

内容发布更新时间 : 2024/12/23 9:04:16星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

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智能寻迹小车的设计与制作

作者:胡建明

来源:《科学与财富》2016年第32期

摘要:文章介绍了使用双路电压比较器,设计出智能寻迹小车,其控制系统由四个模块组成:路面寻迹检测、误差比较放大、驱动电机、控制小车。文章详细地介绍了系统组成、工作原理与设计过程,该设计具有低功耗、可靠

智能小车可实现寻迹、避障、检测贴片、寻光入库,避崖等功能。智能小车牵涉到机械结构、电子基础、传感器原理、自动控制甚至单片机编程等诸多学科知识,通过动手实践能大大提高解决实际问题的能力,而且智能小车还是一个很好的硬件平台,只要增加一些控制电路就能完成循迹小车、救火机器人、足球机器人、避障机器人、遥控汽车、无人驾驶等课题。 此次的设计主要实现路面检测寻迹功能,并对该项目设计目标的可行性进行了论证。小车要实现自动寻迹功能就必须要感知导引线,感知导引线相当给小车一个视觉功能,实现自动识别路线,选择正确的行进路线,实现无人驾驶。 1、设计要求

在白色(或黑色)的场地上有一条16毫米左右宽的黑色(或白色)跑道,不管是跑道如何弯曲,寻迹小车都能沿着黑色跑道自动行驶。 2、设计方案的比较与论证

本项目为智能小车,对于智能小车来说,其驱动轮的驱动电机的选择就显得十分重要。由于本实验要实现对路径控制定位和速度测量不是要求太高,精度也不是太高,所以我们综合考虑了一下两种方案。

方案1:采用步进电机作为该系统的驱动电机。由于其转过的角度可以精确的定位,可以实现小车前进路程和位置的精确定位。虽然采用步进电机有诸多优点,步进电机的输出力矩较低,随转速的升高而下降,且在较高转速时会急剧下降,其转速较低,不适用于小车等有一定速度要求的系统,经综合比较考虑,我们放弃了此方案。

方案2:采用直流电机作为该系统的驱动电机。直流电机驱动小车的话必须要减速,否则转速过高的话小车跑得太快根本也来不及控制,而且未经减速的话转矩太小甚至跑不起来。带减速齿轮的直流减速电机电机电压3V,空载电流约50毫安,转速每分钟30转,断电能自动锁止,驱动力很大,转动力矩大,体积小,重量轻,装配简单,使用方便,能够较好的满足系统的要求。

因此我选择了方案2。

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3、设计思路

智能寻迹小车,采用红外线发射和红外线接收对管,红外线发射管发射光线,经路面反射回来,由于白色和黑色对红外线的反射信号不相同,通过红外线接收到高低不同的电平信号,分别送到不同的LM393双路电压比较器进行误差比较,通过误差比较,得到一个误差电压,分别送到两路驱动放大电路进行放大,放大后的信号驱动电机,电机带动小车朝着轨道的方向自动行驶。电机部分,在设计时,专门设计了带减速齿轮的直流电机增大转矩和减小转速,防止小车跑不起来或是小车跑得太快根本来不及控制。

整个电路系统分为路面寻迹检测、误差比较放大、电机驱动、小车控制四个模块。首先利用光敏电阻对路面信号进行检测,经过比较器处理之后,输出相应的信号驱动直流电机转动,从而控制整个小车的运动。系统方案方框图如图2-1所示: 4、小车寻迹的原理

这里的寻迹是小车在白色的地板上寻黑线行走,用红色的LED作为光源,光线通过地面反射到光敏电阻上,LM393双路电压比较器随时比较着两路光敏电阻的大小,当出现不平衡时(例如一侧压黑色跑道)说明小车跑偏,立即控制一侧电机减速,另一侧电机加速旋转,从而使小车修正方向,恢复到正确的方向上,甚至电机停转这一侧的绿色的LED熄灭,驱动小车向相反方向行驶,这样小车就能始终沿着跑道行驶了。整个过程是一个闭环控制,因此能快速灵敏地控制。

5、硬件电路设计与实现

直流电机驱动小车的话必须要减速,否则转速过高的话小车跑得太快根本也来不及控制,而且未经减速的话转矩太小甚至跑不起来。带减速齿轮的直流电机能增大转矩和减小转速,防止小车跑不起来或是小车跑得太快根本来不及控制。 4)、硬件设计

智能寻迹小车能够快速平稳地行驶,需要控制系统把路径判断、转向及直流驱动电机控制结合在一起。小车硬件控制系统采用模块化设计,系统主要由电源模块、电机驱动模块、电压比较器模块、传感器模块组成。路径识别方案采用光电检测,小车硬件电路图下图所示: 6、安装调试 1)、电路部分安装

对照电路原理,先清理、检测元件,再对元件进行整型,再进行焊接电路图。 2)、机械组装

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将万向轮螺丝穿入PCB孔中,并旋入万向轮螺母和万向轮。电池盒通过双面胶贴在PCB上,引出线穿过PCB预留孔焊接到PCB上,红线接3V正电源,黄线接地,多余的引线可以用于电机连线。

机械部分组装可以先组装轮子,轮子由三个轮片组成,最内侧的轮片中心孔是长园孔,中间的轮片直径比较小,外侧的轮片中心孔是园的,用两个螺丝螺母固定好三片轮片,并用黑色的自攻螺丝固定在电机的转轴上,最后将硅胶轮胎套在车轮上。用引线连接好电机引线,最后将车轮组件用不干胶粘贴在PCB制定位置,注意车轮和PCB边缘保持足够的间隙,将电机引线焊接到PCB上,注意引线适当留长一些,防止电机旋转方向错误后便于调换引线的顺序。 3)、整车调试

在电池盒内装入2节AA电池,开关拨在\位置上,小车正确的行驶反相是沿万向轮方向行驶,如果按住左边的光敏电阻,小车的右侧的车轮应该转动,按住右边的光敏电阻,小车的左侧的车轮应该转动,如果小车后退行驶可以同时交换两个电机的接线,如果一侧正常另一侧后退,只要交换后退一侧电机接线即可。

设计出的智能寻迹小车,通过安装调试后,智能寻迹小车运行非常平稳,该设计具有低功耗、可靠性好、安全性高以及低成本等特点,完全实现自动无人驾驶,该设计方案完全满足智能寻迹小车的设计要求。 参考文献

[1] 冯全源. 数字电子技术 [M].北京:机械工业出版社, 2015

[2] 高雪飞. Altium Designer 10原理图与PCB设计教程[M].北京:北京希望电子出版社, 2014

作者简介:

胡建明,男,1970.2.17,汉族,重庆忠县人,副教授,重庆三峡职业学院,研究方向:电子技术及自动化控制方向,