机器人创新实践 寻仙小车文档格式.docx

机器人创新实践 寻仙小车文档格式.docx

《机器人创新实践 寻仙小车文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机器人创新实践 寻仙小车文档格式.docx（12页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

所在学院

自动化科学与工程

论文提交日期

2013.7.8

前言

本设计介绍一个智能寻线小车的的制作方法和流程，下文通过展示设计过程中的每个细节，设计步骤，设计原理来描述寻线小车。

寻线小车以一个红色硬板为基础，各部分元器件（包括车轮，电机，光敏电阻等）通过焊接，装在硬板上，形成一个小车的基本硬件模型。

本小车采用LM393作为电压比较模块芯片，LM393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）立即控制一侧电机停转，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，整个过程是一个闭环控制，因此能快速灵敏地控制。

小车主要由四部分组成，分别是传感器部分、电压比较部分、电机驱动部分以及电源部分，四部分相互协调工作，实现小车的寻线运动。

下面同过介绍本设计所需的零部件，组装细节，机械结构，驱动原理和控制系统设计等必要的叙述，详细说明这个设计的思想。

1、系统设计

系统总框图

根据以下系统方案设计，自寻迹小车共5个模块：

LM393主

控模块、道路信息采集模块、电源模块、电机驱动模块、换向模块。

各模块的作用如下：

LM393主控模块，作为整个自平衡载物小车的“大脑”，将采集光电传感器、光电编码器等传感器的信号，根据控制算法做出控制决策，驱动直流电机完成对小车的控制。

道路信息采集模块，是智能车的“眼睛”，可以通过一定的前瞻性，提前感知前方的赛道信息，为小车的“大脑”做出决策提供必要的依据和充足的反应时间。

电源模块，为整个系统提供合适而又稳定的电源。

电机驱动模块，驱动直流电机完成小车的加减速控制和转向控制。

换向模块，作为小车前轮换向角度驱动。

2、硬件设计

电源模块

电源模块为系统其它各个模块提供所需要的电源，设计中，除了要考虑到电压范围和电流容量等基本参数之外，还要在电源转换效率、降低噪声、防止干扰和电路简单等方面进行优化。

可靠的电源方案是整个硬件电路稳定可靠运行的基础。

本设计采用5号大小电池两块即可为各个模块进行供电，使其正常运行。

道路信息采集模块

我们这里用红色的LED作为光源，光线通过地面反射到光敏电阻上通过检测光敏电阻阻值变化能判断小车是否行驶在白色区域上。

采用红色的LED作为光源，传感器分为发射和接收两部分，其中发射红外光或者激光等特定光线，当照射在白板上，由于光的反射使接收管能够接收到反射光信号，此时接收端会有相应的电阻值变化（电平变化），当照射在黑线上，由于光被黑线几乎吸收，接收管基本上接收不到光信号，此时接收管的信号端会发生相反的电平跳变，这样就能够将黑白线区分开了。

为了对于小车的有较大前瞻性，可以适当把红外传感器尽可能隔较宽宽度和离车头较远距离放置，实现前瞻性循线控制。

而且红外对管由于光斑可见，对于安装调试能够提供很大方便。

电机驱动

在设计中，在后轮电机驱动电路的驱动芯片允许的范围内，采用了JD3-100型电机2个，作为两个轮子的驱动源。

零部件清单

零件实物图

主要元器件的介绍

LM393比较器集成电路

LM393是双路电压比较器集成电路，由两个独立的精密电压比较器构成。

它的作用是比较两个输入电压，根据两路输入电压的高低改变输出电压的高低。

输出有两种状态：

接近开路或者下拉接近低电平，LM393采用集电极开路输出，所以必须加上拉电阻才能输出高电平。

光敏电阻

光敏电阻能够检测外界光线的强弱，外界光线越强光敏电阻的阻值越小，外界光线越弱阻值越大，当红色LED光投射到白色区域和黑色跑道时因为反光率的不同，光敏电阻的阻值会发生明显区别，便于后续电路进行控制。

带减速齿轮的直流电机

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，我们专门定做的这种电机已经集成了减速齿轮大大降低了制作难度非常适合我们使用。

3、组装步骤

第一步：

电路部分基本焊接

电路焊接部分比较简单，焊接顺序按照元件高度从低到高的原则，首先焊接8个电阻，焊接时务必用万用表确认阻值是否正确，焊接有极性的元件如三极管、绿色指示灯、电解电容务必分清楚极性尽量参考我们图片的元件方向焊接，焊接电容时引脚短的是负极插入PCB丝印上阴影的一侧，焊接绿色LED时注意引脚长的是正极，并且焊接时间不能太长否则容易焊坏，D4D5R13R14可以暂时不焊，集成电路芯片可以不插，初步焊接完成后请务必细心核对，防止粗心大意。

第二步：

机械组装

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，轮子由三片黑色亚克力轮片组成，装配前请将保护膜揭去，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。

装配图：

第三步：

安装光电回路

光敏电阻和发光二极管（注意极性）是反向安装在PCB上的，和地面间距约5毫米左右，光敏电阻和发光二极管之间距离也在5毫米左右。

最后可以通电测试。

第四步：

整车调试

在电池盒内装入2节AA电池，开关拨在“ON”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。

调试时可用以上专业的15mm的小车跑道，也可自行用黑色胶带，在白色地面上弄成轨迹很散乱的轨迹。

4、原理结构

简单原理：

LM393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）立即控制一侧电机停转，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，整个过程是一个闭环控制，因此能快速灵敏地控制

当光源射到白色物体和黑色物体上时的反光率是不同的，我们这里用红色的LED作为光源，光线通过地面反射到光敏电阻上通过检测光敏电阻阻值变化能判断小车是否行驶在白色区域上，如果检测到是黑色跑道，说明小车跑偏，这一侧的电机就会减速甚至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。

电路版图：

电路原理图：

五、测试、结果及分析

基本功能

要求实现功能

测试结果

小车可根据黑线指引识别道路

实现了自动寻路功能

发挥功能部分

功能

是否实现及描述

车前防撞栏设计

发生故障脱离跑道时，可以保护车前红外传感器

成品小车：

附录：

参考文献：

《机器人制作入门篇》北京航空航天大学出版社

《机器人制作提高篇》北京航空航天大学出版社

《玩具机器人制作》科学出版社

《小型电子监探装置制作》科学出版社

XX文库资料

豆丁网上资料

6、心得体会

经过本次机器人创新实践，我们队通过自己寻找课题，选定了“只能寻线小车”这一课题。

在完成这一创新实践的过程中，我获益匪浅。

在系统设计的过程中，我们把整个系统分成五个大部分，主要部分是LM393芯片，它是双路电压比较器集成电路，由两个独立的精密电压比较器构成，是这五部分的核心。

电源给系统供电，实现电机、传感器等部件的协调工作，这是这一设计的主要思想。

当然，在构思系统设计的过程还不是很难，这一过程仲我们遇到的问题也不多，毕竟理论知识我们还是挺扎实的，还加上多方面文献资料的帮助下，一切问题都不难解决。

在组装的过程中，我们遇到的问题是最大的。

因为我们在学校，课堂上学到的理论知识，以及应用都很灵活，但是动手能力还是相对较差。

在焊接的时候，我们没有按照从原件高度从低到高的原则，所以在焊接时候经常都不得心应手。

有时候还会出现一个部件要焊接好几次才能成功接上的情况。

在焊接过程中，还出现了多次虚焊，导致在最后调试的时候不成功。

但是，通过我们的努力，拿着电表一小段一小段地检查电路，最后还是把虚焊部分找出，调试成功。

在组装过程中也出现了色环电阻位置接错的问题，经过仔细检查，这些小问题还是很快就找出来，并重新接好。

我在这次创新实践中，亲身体验了自己完完整整地做出一个作品的过程。

让我清晰地了解到做一个这类型的作品的过程。

在选择传感器的过程中，其实有多种传感器可供选择，但是我们还是选择了一个简单的红色发光二极管配合光敏电阻，就可成功地做到路面信息的采集。

核心部件也只是简单的LM393电压集成比较器，就可以完成一个自动寻迹过程。

本设计结束后，我学会了独立解决设计中遇到各种问题的解决方法。

我觉得，经过理论课之后，再进行一个综合性的创新实践，把我们用过的电机拖动，运动控制，自控原理等多门学科知识结合运用，还是很有必要的。

结合学过的理论知识，对理论知识有了深刻的理解后，再让学生自行设计一个课题，让学生真正理解各个学科在实际生活生产中的作用，让我们对认识自动化这一专业有很大的益处。

而我们所选择的课题---“智能寻迹小车”牵涉到机械结构、电子基础、传感器原理、自动控制等诸多学科知识，学生通过动手实践能大大提高解决实际问题的能力。

经过本次创新实践活动，以及在陈老师的指导教育后，我可以自信地说，我对制作一个智能产品已经有了一个概括性的理解。