基于无线遥控小船的设计方案制作学位论文.docx

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基于无线遥控小船的设计方案制作学位论文

基于无线遥控小船的设计制作

摘要：

本设计采用编码器构成主从式控制系统，通过无线视频编码发射器和无线射频解码接收控制器来提高其控制的可靠性。

小船是以塑料为船身，加以电动机带动螺旋桨驱动，用两个电机的正反转来控制船的航向，RX-2芯片、控制电路和电源电路以及其它构成，主要分电机驱动部分、无线遥控部分、航向控制部分等。

本次设计基于完备的软硬件系统，很好的实现了小船的无线遥控，任意航线的行驶，完成撒料喂鱼的任务。

关键词：

编码器转向控制RX-2芯片电机驱动

一、绪论

1.1课题产生的背景和意义

1.1.1课题背景

自第一台工业机器人诞生以来，智能机器的发展已经遍及机械、电子冶金、交通、宇航、国防等领域。

近几年机器人的智能水平不断提高，并且迅速地改变着人们的生活方式。

随着科学技术的发展，运用机器人的传感的类越来越多，其中传感器成为机器人自动行走和障碍的重要部件。

传感器的典型应用领域为自主式智能导航系统，对于传感器的各种技术而言图像处理技术已相当发达，而基于图像的理解技术还很落后，机器运转需要通过大量的运算也能识别一些结构化环境简单的目标。

随着微电子技术、计算机技术和制造技术的飞速发展，数码相机、DVD/洗衣机、汽车等面向最终用户的消费类产品越来越呈现出光机电一体化、智能化、小型化、节能化等趋势。

光纤制造设备、集成电路芯片制造设备、石油化工生产设备、汽车和飞机制造设备等现代化的装备工业也体现着机电一体化、智能化、自动化的显著特点。

高科技含量的点电子互动式小车也将成为玩具行业发展的主流。

目前，我国在这些方面的技术水平与欧美等拥有先进制造技术的国家还有相当的差距。

我们迫切需要培养和训练能够设计智能化、自动化设备的工程技术人才。

智能化作为现代科技发展的新方向，它可以按照预先设定的模式在一个环境里自动的运作，不需要人为的管理，可应用于科技勘探，娱乐等用途。

智能遥控小船就是其中的一个体现。

本次设计的无线遥控小船，采用RX-2芯片编码器作为小船的控制核心；采用编码器的高低频来控制小船在各区域的行驶。

本设计结构简单，易于实现，而且还具有高智能化、人性化特点。

1.2.1课题目的及意义

所谓遥控小船，是通过无线遥控装置，在指定的水域能航行，完成预定的喂鱼功能，实现自动撒料，无需人工操作，减轻了劳动者的体能劳动。

本次设计我们选择“遥控小船的设计”是为了能更好地学习和研究自动化的相关知识，掌握电路设计的方法和技巧。

学会如何讲学习到的理论知识运用到实际当中去，怎么能够活学活用，深入的了解电子元器件的使用方法，了解各种元器件的基本用途和方法，能够灵活敏捷的判断电路中出现的故障，学会独立设计电路，积累更多的设计经验，加强焊接能力和技巧，同时在实践过程中锻炼查阅、归纳资料的能力，提高理论知识运用于实践的能力。

同时通过亲自独立设计训练我们大学生应用所学专业知识解决实际工程实际问题的技能，巩固所学专业知识，拓宽知识面。

激发我们大学的创新意识，培养大学生实践动手能力和综合科研能力。

1.2课题研究的预期目标、主要内容及结构安排

1.2.1课题研究的预期目标

本课题欲研究开发出一套基于无线电遥控小船，要实现的主要目标有：

（1）小船的前进、后退、转向功能，

（2）撒料喂鱼功能。

1.2.2课题研究的预期目标

在本文中，智能小船要实现无线遥控，自动撒料的功能，其中无线电遥控由无线电脉冲编码，和解码完成小船的预制功能。

以下详述各部分能容及结构安排：

第一章综术国内外遥控小船的发展的现状和背景，对多种遥控技术、进行说明，同时介绍了本文的选择背景、主要研究内容和研究意义。

第二章遥控小船的硬件设计的合理性和稳定性是小船实现本文功能要求的基础。

本章主要介绍了电源选择、电机与电机驱动电路选择、、撒料喂鱼装置的选择。

第三章无线控电路的设计，控制系统。

小船的总体效果图

二、总体设计

2.1总体方案论证与比较

方案一：

自己制作遥控电路。

我们采用一块RX-2芯片来驱动电机，通过两电机的正反转来改变船的方向的方案，使小船可以做转弯的功能。

在安装时因保证两个驱动电机在一条水平线上使其平衡。

这种结构使得小船在前进时比较平稳，可以避免出现大的水泼改变小船的航向。

为了保证小船的平衡应将电池盒装在船首来平衡船尾的电动机。

但是一般的说来，采用RX-2的芯片带来的缺点：

这种芯片制作麻烦电路板焊接出错将无法修复但从经济方面考虑其价格合理容易购买。

方案二：

购买玩具电动船。

购买的玩具电动船具有组装完整的遥控电路、电机及其驱动电路。

这种方案价格昂贵，不能发挥我们的动手能力。

比较以上方案的优缺点，方案一简洁、灵活可扩展性能好，能较好的实现题目的设计要求，因此本课题采用方案二来实现。

方案二的基本原理图如图2.1所以。

图2.1整机的控制单元

2.2各独立模块论证与比较

2.2.1电源的选择

方案一：

采用两个电源供电，将电动机驱动电源与撒料喂鱼装置电源完全隔离，利用光电耦合器传输信号。

这样可以使电动机驱动所造成的干扰彻底消除，提高了系统的稳定性。

但是多一组电池，增加了小车的重量，同时也增加了小船的惯性，消除了电动机的控制性能，降低了灵敏。

方案二：

采用单一电源供电。

电源直接给电动机供电，因电动机起动瞬间电流较大，会造成电源电压波动，因而控制需通过集成稳压供电，将电压稳定在一定数值范围内，以免有波动电压造成电路的损毁，同时也具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能，其供电方式也比方案一简单。

我们在选用的时候，根据自己的经济情况采用了第二种方案，并且选择的是可充电电池组，作为供电电源。

2.2.2电机和电机驱动电路的选择

1）电机的选择

对于无线遥控小船来说，其驱动螺旋桨的驱动电机和撒料电机的选择是十分重要。

表2.1电机选择方案比较

方案

起停和正反转

其他特点

方案一步进电机

快速起停，正转、反转控制灵活

负荷不超过动态转矩值启动或反转灵敏价格昂贵

方案二直流电机

无极快速起、制动和反转

体积小，重量轻，转配简单，使用方便，性价比高

综上所述，我们选择了方案二。

2）驱动电路的选择

方案一：

使用直流电机，加上适当减速比的减速器。

直流电机具有良好的调速性能，控制起来也比较简单。

直流电机只要通上直流电就可连续不断的转动，调节电压的大小就可以改变电机的转速。

直流电机的驱动电路实际上就是一个功率放大器。

常用的驱动方式是PWM方式，即脉冲宽度调制方式。

PWM的理论基础是：

冲量相等而形状不同的窄脉冲加在电机电驱上的脉冲电压频率不变，调节其脉冲宽度。

电机是一个惯性环节，它的电驱电流和转速均不能突变，很高的频率的PWM加在电机上，效果相当于施加一个恒定电压的直流电，如图所示。

电压可以由脉冲的宽度调节。

图2.2脉冲宽度调节

电机驱动电路，采用PWM（脉宽调制）H型变换电路，它是由四个三极管和四个续流二极管组成的桥式电路。

该电路的特点是：

可以用一个驱动电源以脉冲控制电流的方向控制电动机的正转和反转。

它的通用电气原理图如下所示：

图2.3电动机驱动电路

遥控小船是采用两台直流电机驱动，一台电机驱动小船的左侧螺旋桨，另一台电机驱动右侧螺旋桨，当输入两个前进信号时，两台电机同时正转，小船前进。

当输入一台电机倒转，一台正转时，小船实现转向功能。

电机控制电路采用H型直流驱动电路，并加以PWM脉宽调制进行调速控制。

优点：

左右螺旋桨分别驱动，方向控制方便。

方案二：

使用步进电机，步进电机具有良好的控制性能，当给步进电机输入一个电脉冲信号时，步进电机的输出轴就转动一个角度，因此可以实现精确的位置控制。

与直流电机不同，要使步进电机连续的转动，需要连续不断的输入点脉冲信号，转速的大小由外加的脉冲频率决定，而且其转动不受电压波动和负载变化的影响，也不受温度、气压等环境因素的影响，仅与控制脉冲有关。

但步进电机的驱动相对较复杂，要由控制器和功率放大器组成。

这两种方案都能达到很好的控制效果，鉴于此处实验不要求十分精确，使用直流电机足以满足题目所需精度，因此选择方案一。

2.2.3撒料喂鱼装置的选择

1）撒料装置的选择

本次设计主要是实现喂鱼功能，设计合理的喂鱼装置机构是十分重要，也是本设计的主要任务。

表2.2喂鱼装置的选择方案

方案

撒料机的装置

其他特点

方案一

传送带撒料

两滚筒带动传送带输送颗粒物料

弹性好，但输送装置跨巨大，占有空间大

方案二

绞龙螺旋撒料

通过螺旋叶片输送颗粒物料

制造成本地，操作安全方便可实现多点卸料

综上所述，我们选择了方案二

2）撒料装置的设计

螺旋输送机俗称绞龙，它适用于水泥，煤粉、粮食、化肥、沙子等粉状、颗粒状和小块物料的水平输送，倾斜输送，垂直输送等形式，其输送距离从两米到七十米等距离，规格从120-600型多种，特殊规格课根据客户需求制作。

绞龙具有结构简单，制作成本低，密封性强、操作安全方便等优点，中间可多点装、卸料。

被广泛地运用于各种行业部门。

例如建材、电力、化工、冶金、煤炭、机械、轻工、粮食及食品行业。

蛟龙输送机的特点是：

结构简单、横截面尺寸小、密封性好、工作可靠、制造成本低，便于中间装料和卸料，输送方向可逆，也可同时向相反两个方向输送。

输送过程中还可对物料进行搅拌、混合、加热和冷却等作业。

通过装卸闸门可调节物料流量。

但不易输送易变质的、粘性大的、易结块的及大块的物料。

输送过程中物料易破碎，螺旋及槽易磨损。

单位功率较大。

使用中要保持料槽的密封性及螺旋与料槽间有适当的间隙。

绞龙一般由绞龙本体、进出料口及驱动装置三大部分组成；绞龙本体有头节、中间节、尾节三部分组成。

绞龙的螺旋叶片有实体螺旋面、带式螺旋面和叶片螺旋面三种形式，其中，叶片式螺旋面应用相对较少，主要用于输送粘度较大和可压缩物料，这种螺旋面型在完成输送作业过程中，同时具有本完成对物料的搅拌、混合等功能。

3）螺旋输送机的具体设计包括：

①根据输出条件和要求选择合适类型的螺旋输送机。

②根据具体输送要求计算螺旋直径，选择螺旋类型和布置形式。

③计算输送功率并以此选择合适的电动机和减速器等驱动装置。

④根据设计手册选择合适参数确定输送机的外形和尺寸。

⑤确定螺旋输送机长度组合及各节重量。

4）螺旋输送机的选型

设计螺旋输送机系统是=时，往往需要考虑下列问题：

A、合理的转载方式，提供给料装置和卸料装置的要求。

B、输送机线路上输送机之间的相互关系。

启动顺序是受料的输送机先驱动，停车顺序是给料的输送机先停车，当个=各螺旋输送机的参数不同时，通过这一关系可以提出启动时间和停机时间要求。

C、不能满足上面的启动和停车顺序的要求时，需要考虑在螺旋输送机间增设缓冲仓以提高系统的适应能力和系统的运转率。

Ⅰ根据设计要求我们选择水平输送机，倾斜角度为0度，如下图所示：

图2.4水平螺旋输送机

1—驱动装置；2—末端轴承；3—装在口；4—螺旋轴；5—料槽；

6—中间轴承；7—卸料口；8—首段轴承

Ⅱ选择螺旋输送机的布置形式

水平螺旋输送机根据螺旋的旋向、螺旋轴的旋转方向、以及装料口与卸料位置等不同，有6种常见的布置形式：

图2.5水平螺旋输送机布置形式

根据实际的输送机要求选择中间的第2种布置形式。

Ⅲ螺旋轴由螺旋叶片与轴组成。

①制造方法

螺旋叶片一般由钢板冲压而成，然后焊接在无缝钢轴上，而且各叶片间加以焊接，对于输送磨琢性较大的物料或输送距离较短的输送机，螺旋面可采用由扁钢轧制而成的节段套装在轴上而形成。

②螺旋轴的旋向、头数与母线

螺旋轴上的螺旋叶片有左、右旋两种，物料的输送方向是有螺旋的旋向与螺旋轴的转向所决定的。

螺旋的头数可以使单头、双头或三头的多头螺旋主要用于需要完成搅拌作业的输送装置。

螺旋面的母线通常采用垂直于螺旋轴线的直线，采用种螺旋叶片形式的螺旋称为标准形式螺旋。

螺旋叶片旋向的辨别方法如下图所示：

图2.6水平螺旋输送机布置形式

以输送物料为目的的水平螺旋输送机应首先考虑采用标准形式的右旋单头螺旋。

③螺旋叶片的形状

螺旋叶片有实体式、带式、叶片式、齿轮式四种形状，如下图所示，应根据被输送物料颗粒或粉状的物料；带式螺旋适用于块状物料或具有一定粘性的物料；叶片式与齿形式螺旋适用易压实挤紧的物料。

如图所示：

图2.7螺旋面形状

4）螺旋输送机的驱动装置

螺旋输送机的驱动装置有五种形式：

第一种为TY型驱动装置，有TY型同轴式减速器和弹性注销联轴器构成，功率范围为0.55—45KW；第二种为YY型驱动装置，由ZSY型减速器，Y系列电动机，弹性注销联轴器和底座构成，最实用于LS630—LS1250螺旋输送机，功率范围7.5—75KW，YY型驱动装置有Ⅰ型（右旋）和Ⅱ型（左旋）两种装配形式；第三种为YJ型驱动装置，由Y型电机与ZQ型减速器组成；第四种为YTC型驱动装置，由YTC型同轴式齿轮减速器与Y型电机组成；第五种为XWD型驱动装置，由XYD型行星摆线针轮减速器组成。

我们选择第三种驱动装置：

YJ驱动装置

5）撒料装置的效果图

三、无线遥控电路设计

3.1无线遥控路设计电路及控制方式

3.1.1无线电遥控器电路设计

无线电遥控器的工作原理和控制原理，本设计采用了三通道比例遥控设备系统，无线电遥控器它是三通道比例遥控发射机设备，外部开关和各部分名称则分别为：

在发射机机壳的面板上分别有两个控制l、2通道和3通道动作指令的操纵杆，又称遥控杆。

我设计的无线遥控车发射器主要以编码集成块IC1（TX-2）核心及其他元件组成，IC1的3、9为电源供应端；其1、14脚为左右转弯控制信号输入端；4、5脚分别为后退和前进控制信号输入端；6脚为加速控制信号输入端，如果外接拨动开关将该脚接地，就可以把该车升级为具有加速功能的遥控车；11、12脚外接振荡电阻R7三极管Q2及晶振XT等构成载波振荡器，振荡频率为27.145MHzLED为电源指示灯，在该电路中1、4、5、14脚外接按键开关接地选通，可分别实现右转弯、后退前进、左转弯。

电路图如下：

图3.1遥控器电路

3.1.2无线接收器电路设计

接收器电路原理如下：

第一通道为动力通道，由标有1，2，3的3个脚输出控制，例如1脚为高电压时两个电调都为第一档，同理3脚为高电压时两个电调为第三档。

（这三个脚在同一时刻只有一个脚输出为高电压信号另两个为低）。

第二通道位左右通道，由标有左右的2个脚输出控制，例如左为高时，左发全速运转右发停转。

同样，左右脚只能有一个为高电压。

一二通道是互相独立又制约的。

电路图如下：

四、结束语

从本次设计的无线遥控小船中体会到，要对高速行驶的船舶控制不是一个简单的自动控制问题，它涉及到了机械学，力学、光学、电磁学等方面的知识，通过与编码器的相互结合，利用了高低频放大电路实现了小船的控制功能。

印象最深的是电路板的焊接和卸料装置的设计安装，刚开始的时候自己不知道如何调试，从何下手，经过指导老师的指点，我们一步步进行调试。

在调试过程中损坏了不少电器元件，从损毁的电器元器件中，摸索学到了如何维修电路，从何下手去检查电路中出现的故障，自己如何解决故障。

从最终测试结果来看，本系统具有基本的环境适应能力，很好的完成了课题的要求。