引言：

隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和制造技術(shù)的飛速發(fā)展，消費(fèi)產(chǎn)品呈現(xiàn)光、機(jī)、電一體化、智能化、小型化的趨勢(shì)。各種智能化小車(chē)在市場(chǎng)玩具中占一個(gè)很大的比例。傳統(tǒng)玩具的市場(chǎng)比重正在逐步縮水，高科技含量的電子玩具蒸蒸日上，日益成為電子玩具行業(yè)的發(fā)展主流。智能控制與傳統(tǒng)控制有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，提高整體優(yōu)勢(shì)，更好地滿足人們的需求。智能技術(shù)必將迎來(lái)它的發(fā)展新時(shí)代，因此，我們?cè)O(shè)計(jì)了這款智能小車(chē)。

1、機(jī)械部分總方案

在小車(chē)的機(jī)械要求保證預(yù)定的功能的前提下，我們還考慮到小車(chē)的經(jīng)濟(jì)、可靠、外形美觀，性能好、富有時(shí)代特點(diǎn)。

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。為了保證小車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)精確、靈敏、可靠性高且在轉(zhuǎn)向時(shí)小車(chē)前輪純滾動(dòng)而無(wú)滑動(dòng)，利用阿克曼原理及解析算法，設(shè)計(jì)出等腰梯形的雙搖桿機(jī)構(gòu)，小車(chē)的完美轉(zhuǎn)向變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

1.1、機(jī)械控制原理

在以單片機(jī)為核心的控制下，直流減速雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)小車(chē)后輪，舵機(jī)通過(guò)等腰梯形雙搖桿機(jī)構(gòu)控制小車(chē)轉(zhuǎn)向。

如圖一所示：

圖一：機(jī)械控制原理圖

1.2、阿克曼原理：

如圖二所示：

圖二：阿克曼原理示意圖

轉(zhuǎn)彎時(shí)因輪距與軸距的關(guān)系，兩前輪轉(zhuǎn)角不同，內(nèi)側(cè)輪轉(zhuǎn)向角比外側(cè)轉(zhuǎn)向角大，要使車(chē)輛轉(zhuǎn)向順利，車(chē)輪在地面純滾動(dòng)而不產(chǎn)生滑移，必須使所有車(chē)輪都繞同一瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)中心滾動(dòng)，兩前輪轉(zhuǎn)軸延長(zhǎng)線與后輪輪軸延長(zhǎng)線交與一點(diǎn)，這是阿克曼原理。此時(shí)，轉(zhuǎn)向的內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角關(guān)系為 ：

ctgβ-ctgα=M/L

由解析法計(jì)算等腰梯形雙搖桿機(jī)構(gòu)連桿、連架桿長(zhǎng)度：

已知連架桿AB的三個(gè)位置與連架桿CD的三個(gè)位置相對(duì)應(yīng)，即三組對(duì)應(yīng)位置為

，用解析法設(shè)計(jì)該四桿機(jī)構(gòu)。

建立直角坐標(biāo)系，如圖所示，和分別為AB和CD的初始角，各桿長(zhǎng)度分別用矢量和表示。將各矢量分別在軸和軸投影，得到投影方程

在上述方程中消去并整理，可得與之間的函數(shù)關(guān)系

在上式中令：

通過(guò)化簡(jiǎn)可得到：

將兩連架桿對(duì)應(yīng)的參數(shù)分別代入到方程得到，再根據(jù)其他條件選定機(jī)架長(zhǎng)度，據(jù)此，可求出其余桿的長(zhǎng)度

有了小車(chē)的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)，將小車(chē)其他零件裝配好，可得到小車(chē)的裝配圖，如圖三：

圖三：小車(chē)整體裝配圖

2、電路部分總體方案

智能小車(chē)采用52單片機(jī)作為控制器，通過(guò)控制電路控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向和直流減速電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動(dòng)方向，使小車(chē)能夠走直線和轉(zhuǎn)彎。運(yùn)用集成的紅外對(duì)管GP2A25來(lái)巡線，安裝在車(chē)子前方，并排安裝三個(gè)，采集路面信號(hào)反饋給單片機(jī)，再由單片機(jī)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)和方向的調(diào)整，從而達(dá)到巡線的效果。整個(gè)小車(chē)還采用金屬傳感器來(lái)識(shí)別小車(chē)巡線上的金屬。

整個(gè)小車(chē)的結(jié)構(gòu)圖如圖四所示：

圖四：電路部分總方案圖

下面分別討論以上五個(gè)模塊。

2.1、單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)要能夠工作，必須加上晶振和復(fù)位電路，如果用到P0口的話還得給其加上上拉電阻，保證通電后P0為高電平。另外還得有給單片機(jī)燒寫(xiě)程序的下載器，這個(gè)老師已給。單片機(jī)是此電路的核心部分。設(shè)計(jì)采用的52單片機(jī)，其工作電壓為5V（20引腳接5V，40引腳接地）。單片機(jī)根據(jù)程序輸出邏輯電壓從而完成控制作用。本設(shè)計(jì)使用單片機(jī)的P0.5到P0.7引腳來(lái)作為紅外巡線的反饋控制引腳。P0.4為金屬傳感器的控制端口，只可惜時(shí)間上不允許我們把金屬探測(cè)的功能做出來(lái)。P2.0到P2.3，為直流減速電機(jī)的控制線接口，能控制左右電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停轉(zhuǎn);P2.4和P2.5為電機(jī)的使能端接口，分別控制左右電機(jī)的轉(zhuǎn)速。P2.6為舵機(jī)的控制線接口，通過(guò)控制占空比來(lái)控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)角大小。電路圖如圖五：

圖五：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)

2.2、電源模塊

首先單片機(jī)用到的是5V的數(shù)字電，而電機(jī)驅(qū)動(dòng)要用到L298的芯片，這種芯片用到12V的模擬電壓，驅(qū)動(dòng)舵機(jī)用到的又是5V的模擬電壓。這就用到了三種電壓。我手上有一塊12V的電池，能夠供給L298作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電源。然后我選擇L7805來(lái)得到5V的模擬電壓。最后供給單片機(jī)的也是此電壓，然后把數(shù)字地和模擬地共地，從而得到了整個(gè)智能小車(chē)的總體供電系統(tǒng)。但是由于數(shù)字電和模擬電共在一起，干擾很大，系統(tǒng)的效果并不是很好。電路圖如圖六：

圖六：電源模塊電路圖

2.3、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)我們選擇芯片L298，當(dāng)然在單片機(jī)和L298之間我們加了光耦，用來(lái)隔離數(shù)字電路和模擬電路。設(shè)計(jì)采用的光耦是TLP521-4，它主要由發(fā)光二極管和光敏三極組成。其工作原理如下：當(dāng)光耦的輸入端（如IN1）接收到高電壓時(shí)，發(fā)光二極管沒(méi)有導(dǎo)通不發(fā)光，光敏三極管呈高阻態(tài)（可以認(rèn)為其為斷路），此時(shí)輸出端（如OUT1）輸出高電壓;當(dāng)光耦的輸入端接收到低電壓時(shí)，發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)光，光敏三極管導(dǎo)通呈低阻態(tài)（可以認(rèn)為其短路），此時(shí)輸出端輸出低電壓。由此可以看出通過(guò)光耦可以順利地將數(shù)字電路的邏輯電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換到模擬電路中。而L298是雙H高電壓大電流功率集成電路。直接采用11L邏輯電平控制?？梢则?qū)動(dòng)繼電器、直流電動(dòng)機(jī)、步迸電動(dòng)機(jī)等電感性負(fù)載。在此電路中L298連接保護(hù)電路根據(jù)單片機(jī)提供的邏輯電壓對(duì)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。具體驅(qū)動(dòng)方式如下：當(dāng)使能端為高電平時(shí)。輸人端1N1（IN3）為高電平信號(hào)，IN2（IN4）為低電平信號(hào)時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn);輸人端INl（IN3）為低電平信號(hào)，IN2（IN4）為高電平信號(hào)時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn);INl（IN3）與IN2（IN4）相同時(shí)，電機(jī)快速停止。當(dāng)使能端為低電平時(shí)。電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用的是PWM（脈寬調(diào)制）的方式。這是單片機(jī)上常用的模擬量輸出方法，通過(guò)外接轉(zhuǎn)換電路，可以將占空比不同的脈沖轉(zhuǎn)換成不同的電壓，以驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)從而得到不同的轉(zhuǎn)速。PWM波的占空比越大，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度越快，當(dāng)占空比達(dá)到100%時(shí)，速度達(dá)到最大。電路圖如圖七所示。

圖七：電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和光耦隔離電路圖

2.4、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)

舵機(jī)驅(qū)動(dòng)我們選擇的是單片機(jī)的P2.6端口，在接到舵機(jī)之前我們也用了光耦來(lái)隔離數(shù)字電路和模擬電路，如圖七所示。而舵機(jī)的連接電路也很簡(jiǎn)單，僅僅只有三根線：紅線接5V電壓，黑線接地，白線為信號(hào)控制線，接入單片機(jī)即可。舵機(jī)的內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準(zhǔn)信號(hào)，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，通過(guò)級(jí)聯(lián)減速齒輪帶動(dòng)電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。接口連接圖如圖八所示。

2.5、紅外探測(cè)電路和金屬傳感器電路

紅外探測(cè)采用的是GP2A25集成紅外對(duì)管。其工作原理是當(dāng)其檢測(cè)到黑線，即發(fā)射管發(fā)射的信號(hào)被黑線吸收而不能接收時(shí)單片機(jī)的端口得到一個(gè)高電平，否則為低電平。金屬傳感器的原理和紅外對(duì)管的原理相差無(wú)幾。接口連接圖如圖八所示。

圖八：舵機(jī)、紅外以及金屬探測(cè)器接口電路

3、程序部分

我所設(shè)計(jì)的三個(gè)紅外對(duì)管探測(cè)地面的算法是：首先中間檢測(cè)到黑線，則車(chē)直行，這時(shí)當(dāng)黑線偏離時(shí)，左右的紅外對(duì)管都有可能檢測(cè)到。到檢測(cè)到就向相應(yīng)方向轉(zhuǎn)。這時(shí)黑線必將到達(dá)中間的紅外對(duì)管下面，車(chē)又直行。以下（圖九）為程序流程圖。

圖九：程序流程圖

程序有很多都是老師提供，只有紅外巡線的程序是我自己編寫(xiě)，故我將此段程序?qū)懹诟戒浿小?/p>

4、調(diào)試部分

當(dāng)電路板焊接好以后，首先是在不通電的情況下進(jìn)行測(cè)試，看有無(wú)短路斷路問(wèn)題存在。還好，我此次焊接的電路板并沒(méi)有這種問(wèn)題。下一步就是通電測(cè)試了。主要是看單片機(jī)有沒(méi)有起振，有沒(méi)有開(kāi)始工作，各管腳的電壓值等等啊。還好，一切正常。第三步就是燒寫(xiě)程序以后的程序測(cè)試了。這也是耗費(fèi)我最多時(shí)間的地方。在測(cè)試中，我先是發(fā)現(xiàn)自己的電路數(shù)字電路和模擬電路的相互干擾特別嚴(yán)重，舵機(jī)在工作的時(shí)候會(huì)很顫。于是我把電路分離開(kāi)，重新測(cè)試。這時(shí)在測(cè)試的過(guò)程中我先后發(fā)現(xiàn)了其中一個(gè)直流電機(jī)存在問(wèn)題，舵機(jī)也壞了。我又更換它們?cè)俅螠y(cè)試。

在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，我收獲頗豐。以前沒(méi)有調(diào)試過(guò)舵機(jī)，這次終于在自己的努力和老師的不吝賜教下學(xué)會(huì)了如何調(diào)試舵機(jī)。還有就是對(duì)整個(gè)電路系統(tǒng)的把握上也得到了很大的提高。

5、總結(jié)

看到小車(chē)比賽的視頻或是現(xiàn)場(chǎng)的比賽，勾起了兒時(shí)的美好回憶，興起了自己動(dòng)手制作智能巡跡小車(chē)的念頭。曾經(jīng)還認(rèn)為小車(chē)的硬件部分應(yīng)該是比較簡(jiǎn)單的，通過(guò)自己的實(shí)踐才明白，從小車(chē)的整體構(gòu)思設(shè)計(jì)到每個(gè)零件的設(shè)計(jì)和加工，都蘊(yùn)含了機(jī)械設(shè)計(jì)的各項(xiàng)原則，滿足性能要求，經(jīng)濟(jì)、可靠、外形美觀的諸多限制。

在小車(chē)轉(zhuǎn)向方面，我們認(rèn)真研究了阿克曼原理并查閱了相關(guān)的資料最終采用解析法確定了平面等腰梯形四雙搖桿機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了小車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)靈敏、準(zhǔn)確，純滾動(dòng)無(wú)滑動(dòng)的完美結(jié)構(gòu)。

電路方面，我們的收獲也很大。不僅鍛煉了自己在電路板焊接、測(cè)試方面的能力，包括了檢查錯(cuò)誤，改正錯(cuò)誤的能力;還學(xué)習(xí)了單片機(jī)的有關(guān)知識(shí)，這其中包括了直流電機(jī)、舵機(jī)、紅外巡線等方面的知識(shí)。

附錄：

1、 總電路圖

2、 機(jī)械結(jié)構(gòu)總圖