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2005 年 IEEE 會議錄 國際機器人和自動化會議 西班牙巴塞羅那 2005 年 4 月 用于無媒介博物館進行互動的高度可靠的機器人的設計 Illah Nourbakhsh 艾米莉 托馬斯修 Mark Lotter 和 Skip Shelly 哈姆納 埃里克波特 布賴恩 Gogoco 有限責任公司 LotterShelly Dunlavey 和 Ellen Ayoob 桑尼維爾 加州 美國 賓夕法尼亞州匹茲堡 機器人研究所 卡耐基梅隆大學 賓夕法尼亞州匹茲堡 美國 摘要 在對公眾開放的技術博物館 安裝機器人系統(tǒng) 常常會給三個方面帶來嚴重問題 首先 機器人必須是可靠的 既要在日常使用時少出問題 并允許博物館的工作人員可以 輕松地返回機器人服務 第二 不需要工作人員干預 機器人能有系統(tǒng)自主權 全日的運 行操作 無需更換電池 第三 用戶端的互動軟件必須是不言自明的 不論是用來從事教 學還是進行有成效得交流展覽的學習目標 本文我們描述了這樣的一個機器人系統(tǒng)設計 并且共享了早期成果 這個系統(tǒng)已成功部署于五個橫跨美國的博物館 索引詞 可靠性 形態(tài) 人機器人互動 互動設計 1 導言 在過去數(shù)年 制造具有長期使用性 高性能的移動機器人的關鍵技術已取得重大進展 與 此同時 移動機器人與人之間智能互動的可能性大大增加 人機互動體驗和學術努力領域 一樣 正經歷一個顯著增長 7 8 通過個人流動站項目 我們特別專注于互動應用 直 觀體現(xiàn)了用于非正式學習環(huán)境下的機器人技術 5 我們和其他人的研究結果顯示教育機器 人可以觸發(fā)顯著的學習成果 是遠遠超出 STEM 科學 技術 工程和數(shù)學 的 并能使 人獲得解決問題和溝通的相關的終身技能 這就積極有效地推動了這個議程 1 4 5 9 11 12 13 14 16 17 18 19 個人羅浮項目的機器人設計工作優(yōu)先引導于 Trikebot 教育機器人的創(chuàng)造和使用 10 作為 一個用于密集基礎課程的工具 Trikebot 通過最大限度地發(fā)揮機械的透明度 達到了教育 目標 采用開槽的結構技術 由學生八周以上的集約利用 使完成構造和修復成為了可能 與 Trikebot 機器人相比 本項目要求機器人能夠實現(xiàn)成千上萬的機器人無故障的同時相互 作用 機械透明度將是次要的設計美學 主要使用界面的透明度和魯棒性 被稱為個人探 測車 每 我們的由此產生互動科學流動站是為了延長使用無中介設置 由新手用戶 無 需飽受失敗的脆弱性和易感性經常出現(xiàn)在設備的互動機器人 在每有被設計成一個機器人 的技術簡介這使美國航天局的任務 作為一個身臨其境 教育工具所面臨的挑戰(zhàn)體驗美國 宇航局的科學家 每個項目的目標是 證明火星車是做科學的工具讓參觀者充當任務科學家 使用每進行一個科學的運作 讓觀眾欣賞到自治中的作用機器人系統(tǒng) 特別是行星探索流動站 該裝置目前的每參觀者巖石上的挑戰(zhàn)尋找生命的跡象在一物理 Marscape 模擬或火星的院子 使用精心設計的亭式用戶界面溝通與流動站 游客解釋全景圖像和拼字 俯拍圖像識別科 學的興趣目標 然后監(jiān)視為每接近巖石 掃描 找到目標的精確位置 糾正和演習自主一 位親密方法 然后進行一個生命的跡象代用品的考驗 跨越物理研究成果顯著機器人的設計 機器人軟件 建筑與人機器人互動設計 重點扶持 發(fā)展包括權力的領域管理 地形推理 科學目標的方法 和軟件架構 僅在頭兩個月行動 中 Pers 的影響超過 20 000 自治科學目標的方法 實現(xiàn)了平均無故障時間故障性能超過一 個星期的使用 大超過 30 英里的車旅費完成了與閑置時代在接近 0 的博物館開放時間探 索館 當時只有九機器人故障分析這個時間跨度 所有這些都是簡單的伺服電機故障 很 容易被修理更換一個愛好伺服 到目前為止 每個機器人裝置 工作在五國家博物館 包括史密森國家航空航天博物館 NASM 的 和舊金山探索館 我們的研究結果表明 時間可靠 在公共場所機器人約定 在這里 本文介紹了月球車的機械設計 嵌入式電子架構 軟件架構 人類與機器人互動 設計 圖 1 每個機箱 二 機器人設計 A 機械摘要 特征描述 對機械底盤左右 設計由 Gogoco 合作與卡內基梅隆大學 圖 1 的配置模擬 美國宇航局的兩個火星探測車 MER 的機器人目前正在探索火星 像市場匯率 每有 6 輪式搖臂轉向架懸掛支持直線身體 電子盒 以上是一個電子盒攝像頭短的桅桿頂上 總體 而言 高度每約 36 厘米 長度為 33 厘米 寬度為 34 厘米 圖 2 大約的重量 充分裝 15 磅 目標和建設 首先最重要的 每一個移動攝像機平臺 像市場匯率 每需要能夠穿越地形 而非結構化無論是導航和科學研究捕捉圖像 不同的是市場匯率 每被設計為相對廉價使 許多 Pers 的可用于多種內建展覽同時以低廉的價格點 與以前的個人羅孚項目機器人 Trikebot 9 為此 每設計過程中接受了使用關機狀態(tài)下的現(xiàn)成機電元件時可行的 例如 股票型鋼筋混凝土愛好伺服系統(tǒng) 電池 齒輪減速機等 不是每設計有類似規(guī)模的市場匯 率的平臺 我們選擇以減少而每大小 受到場外的現(xiàn)成傳感器 電機和微處理器的限制 使相對較小博物館火星碼將仍然取得豐碩相互作用 而每最終規(guī)模為最終取決于所需的電 子盒大小房子的電子線路板 即微處理器板 電機控制器 電源板 和電池 對定制部分或大部分激光切割塑料 聚甲醛 或形成金屬板材 最小化機加工零件的數(shù)量 減少 而部分費用鋁板陽極氧化的金屬結構 有助于貸款每一個空間硬件的美感 懸架和傳動系統(tǒng) 每卷的六個車輪采用搖臂轉向架懸掛系統(tǒng)類似于由使用的市場匯率 行 有三個輪子兩邊 四個角落的車輪是用直流供電齒輪減速機 并帶領自主標準 RC 通過總 范圍約 180 舵機愛好度 橡膠輪胎的股票 6 8 厘米直徑的鋼筋混凝土安裝在汽車輪胎 允 許自定義樞紐的馬達部分被安裝在裝有方向盤按照軸的車輪 圖 4 中心 這兩個中心輪 全方位 自由旋轉 瑞典 90 輪 總的軸距 距離之間的前后輪 中心為 25 厘米 和輪寬 度 之間的中心距左 右車輪踏面 為 26 厘米 圖 2 該搖臂轉向架型懸掛均采用旅居車和最近的市場匯率 噴氣推進實驗室開發(fā)的 它允許所 有六個輪子保持同一個充分接觸表面凹凸不平未經使用彈簧或供電執(zhí)行器 圖 3 出位移 它還平均值所有六個輪子 最大限度地減小了 Rover 的產生傾斜作為主體的談判暫停顛簸 和石塊 這種穩(wěn)定是主機箱尤為重要市場匯率和 Pers 的 因為它產生了一個更穩(wěn)定的相機 平臺 為了盡量減少功率和控制要求 只有每角車輪的驅動 而不像市場匯率有六輪驅動和督導 這是有害的在每的最終能力穿越艱難的地形 但充分的人造火星地形 有助于院子降低成 本和控制復雜度 擁有四個獨立可控的角落 drivewheels 隨著全方位的車輪使每中心偉大的定向自由 它可以 把到位 翻譯側身 或驅動器在一個角方向無關 雖然在技術上并不完整 因為對每條腿 總是馬達轉動速度的同時 這幾何使雙方全方位 阿克曼 風格的議案 圖 2 每正面和側面尺寸以厘米為單位 圖 3 該搖臂轉向架懸掛有助于穩(wěn)定結果 并保留所有 作為六個輪子 每個地穿越崎嶇 圖 4 一 自定義輪轂使轉向軸符合車輪的中心 二 搖臂轉向架懸 掛和全輪 三 在每的蓋子波動為方便在電池組開放 四 云臺 使每 頭的重點方向 明確觀察員 紫外線光在羅孚前面是用來分析巖石的目標 更 多圖片可在 http www cs cmu edu personalrover 元 gallery html 電子盒 懸架系統(tǒng)進行了電子框 電池和電子產品上 這個箱子的蓋子是鉸鏈 以方便進 入電池 圖 4 電源開關和一個紫外熒光燈也安裝到外部的此框 這個盒子是全封閉保護 電子從灰塵和損傷 對于實力雄厚 底部和兩側是金屬而結束 頂蓋使無線電透明度 使 塑料的 WiFi 在電子板連接操作 蓋子的形狀成為了 翼 上的太陽能電池板想起市場匯 率 攝像機和照相機的桅桿 紅外照相機和光學測距器是安裝在車的云臺 泛從中心軸可以旋 轉 180 使 360 要作出全景相機 傾斜軸機械范圍為 90 45 的水平度 該鏡頭 軸線相交的軸線 以幫助簡化泛對意象的解釋 平移不還的原因翻譯的觀點 根據(jù)先前的結 果診斷方面的透明度 非常小心被帶到設計 因此 它顯示了每的云臺頭明確方向 注意 圖 4 該議案因為它的頭盤和傾斜 以搜尋和科學的障礙有利于實現(xiàn)目標的參觀者了解 關于注意支付給每級周圍的環(huán)境 二電子 處理器 圖 5 顯示了每的電路圖電子系統(tǒng) 對于低級別的電機控制和我們用一個傳感器 讀數(shù)小腦控制板 這 PIC 微處理器為基礎的電路板的設計是由機器人研究所 卡耐基梅隆 大學 和 Botrics 有限責任公司 它可以指揮兩個直流電動機雙和 8 的 R C 風格的舵機 它也可以讀入 8 個模擬輸入和額外的數(shù)字輸入 在每的主要處理器 斯泰頓板 是一個由英特爾公司嵌入式計算機設計的機器人申請 這 單板計算機上運行的 Linux 經營上的 400 MHz 的 ARM 處理器的系統(tǒng) 上板存儲器包含 32 MB 的 Flash ROM 和 64 MB 的內存 同車的相機 這板通信通過 USB RS232 串行多小腦 運行 115200 波特 并通過與無線以太網(wǎng) 802 11 任務控制接口在 PC 上運行 圖 5 每電子示意圖 電力 該探測器由 4 7 2 伏鎳金屬氫化物電池串聯(lián)在一起 他們的總容量為 3 安培伏特 28 8 小時 Botrics 有限責任公司專門設計為每電源板 這板分布從 28 8 伏電池組上的所有 權力 車載電子設備 它的總輸出功率 4 日是 5 伏 對處理器 5 伏 對舵機 放大器 和 16 伏 至馬達 完全充電包權力探測器在典型的 10 博物館使用時間 全天的電池壽命 和整體流動站耐力代表每一個關鍵的性能指標由于對項目工作人員的時間放在高流量需求 科學中心和博物館 有根本沒有時間去更換電池或充電電池等中午設施 該解決方案要求 低功耗使用處理器 包括 PIC 單片機和 ARM 基于主處理器在一個標準的 PC 平臺代替 一單一的高電壓電池公共汽車 通過高效率的喂養(yǎng)開關電源 設計與現(xiàn)有能力為每個所需 的電壓源 提供下半年的答案 通過消除耗電 價格便宜每個處理器板監(jiān)管機構 我們顯 著誘導簡單地避免了儲蓄過剩的轉換上板的能量來加熱 輸出 四車驅動電機有 332 1 齒輪比 使他們在靠近旋轉恒定速度不論他們是根據(jù)負荷 月球車每個驅動器 16 伏汽車給予每 4 最高速度厘米 秒 由于小腦只能車道兩個獨立的馬 達 馬達在左側使用一通道上 右側發(fā)動機使用其他 在每的轉向和頭部角度都是驅動愛好舵機 伺服電機的轉向低姿態(tài) 高與銅軸扭矩伺服系 統(tǒng) 泛伺服設計為在 R C 作為絞車帆船使用 并有能力超過 360 度的轉彎 紫外線燈泡 和驅動裝置使每一個測試模擬生命的跡象 用熒光涂裝目標巖這不是普通光下可見的藍色 光芒下紫外線光 以示生命的模擬跡象 傳感器 流動站有一個 USB 攝像頭和紅外測距儀安裝在云臺頭 該攝像頭 臨創(chuàng)意攝像頭 同時用于全景成像和近距離目標成像 它有一個最大幀速率 15 幀 秒 最大分辨率為 640 x480 紅外線三角型測距儀是用來尋找距離 夏普模型 2Y0A02 測距儀讀數(shù)準確返回點 的距離 20 厘米和 150 厘米 流動站使用此掃描測距儀在其路徑中的障礙物遍歷并確定確切 的距離和軸承目標巖石 之間的電源板和連接小腦允許漫游者監(jiān)視電池電壓 三軟件架構 小腦 小腦上的軟件設計得盡可能簡單 隨后 原則上只接受單一指揮類型規(guī)定了六個位 置伺服 電機速度 以及紫外線燈泡狀態(tài) 它總是返回同一類型的響應狀態(tài)字節(jié)包含一個 沿與紅外線距離和電池電壓 小腦極限的速度移動的伺服電機把小的壓力 為了確保安全 操作的機器人 如果沒有已收到有效的命令 在過去 120ms 的 在伺服電機和驅動器被關 閉 斯泰頓 在斯泰頓不僅使決策太時間重要的是要通過無線鏈路傳送 當機器人是指揮一個 把指定數(shù)目度或驅動器有一定距離 斯泰頓作出決定至于何時停止機器人 而駕駛 斯泰 頓移動掃描頭采用紅外障礙測距儀和作出決定停止 如果一個障礙被檢測到 雖然石頭掃描 掃流動站測距儀通過 270 度范圍內產生 91 讀數(shù) 為了迅速完成掃描 頭部 能不能停下來記錄每個距離 更為復雜的行動是事實伺服系統(tǒng)不提供任何位置反饋 每 50 毫秒 泛伺服是指揮一個新的位置 閱讀范圍被送回 通過實驗 它在掃描時被確定 伺 服的實際位置滯后約 100ms 的指令位置 在此應用程序 時間是至關重要的確保掃描讀數(shù) 盡可能準確 因此 掃描動作的控制機上斯泰頓 其他的斯泰頓的主要功能是創(chuàng)造一個抽象到用戶控制的機器人 該驅動器馬達都在不同的 速度稍有轉機 伺服電機都有不同的中心位置及不同范圍的動作 例如 改變脈沖寬度從 1 毫秒到 2ms 可能導致一個伺服移動 90 度又到移動 95 度 出于這個原因 每一個機器人 有一個校準文件時加載斯泰頓程序開始運行 它告訴斯泰頓如何轉換一到伺服的立場 即 小腦角理解并存儲了電機的特點 使該探測器可以準確地轉向和驅動 盡管固有的電機速 度 可以改變高達 25 在斯泰頓保留了所有六個伺服跟蹤的立場電機 這使得它只是等待適量伺服電機的時間去 角的指揮 此功能簡化了拍攝照片 以便用戶可以簡單地命令圖片在特定潘采取和傾斜 在斯泰頓移動頭的位置和需要圖片時頭部到位 請求圖片可以排隊 這樣一個圖片之后采 取頭移動到下一位置前圖像圖片壓縮并發(fā)送 這些特點是用于創(chuàng)建全景圖像不模糊在盡可 能少的時間 英特爾公司已經授權斯泰頓技術弩科技公司所產生的星際之門板取代在隨后的斯泰頓沒有 建立 每明顯的差異 電腦 一個 Java 應用程序在 PC 上運行 使所有決定與高級別代表團執(zhí)行 所有導航規(guī)劃 發(fā)生在這個層面上 以及用戶任務接口 四維持 每個機器人的設計要易于維護 該部分最有可能失敗 伺服系統(tǒng)和電機 可場外的現(xiàn)成 可在不拆卸更換整個流動站 為了協(xié)助博物館工作人員在此維護 我們創(chuàng)建了一個手冊 艾滋病的工作人員在診斷和每修復 該手冊涵蓋簡單的診斷問題 更換破碎部分 通過更 換零件校準助手方案 手冊的副本可于 www cs cmu edu personalrover 元 downloads html 良好的文檔是最有效的耦合透明與診斷上對部分行為機器人 讓博物館的工作人員 可隨 著時間的推移有權通過觀察和互動 準確地找出存在和來源失敗的機器人硬件或軟件 為 此一系列交互式診斷的獨立設計到每固件 使博物館的工作人員來測試每個自由度和校準 點 而不需要一臺計算機連接到左右 簡單地用手勢溝通與流動站的測距儀和照相機 一 這種診斷的第二個例子涉及透明度低電量警告 在低電壓的情況下 每命令頭的傾斜角度 以便它期待直線上升 當這種行為熟悉 博物館的工作人員發(fā)現(xiàn)他們可以自信地驗證一切 都與電池充電只需一眼井機器人 以確保它不是 仰視 的獨特從機器人的姿態(tài)和毫不含 糊的人類 三 交互設計 該機器人系統(tǒng)的最后一個組成部分中間人博物館的使用是一個用戶界面 允許用戶新手方 便地控制機器人 并幫助指導他們通過所需的互動 為了設計這樣的界面 我們匯集了設 計師 機器人專家團隊 程序員 該小組接著一個迭代設計過程 并用幾種方法來理解的 范圍 目標和項目的技術要求 最初的評估現(xiàn)有的接口和結果初步揭示了一些非正式的用 戶測試領域改善 具體來說 三個指導性的目標交互作用集 確保通過使用戶方便地旅客吞吐量完成在不到三分鐘的使命 溝通的想法 機器人工具科學和探索 演示月球車的半自治 而用戶給流動站的高階命令 月球車執(zhí)行任務期間作出明智的決策 使用情景設計中必不可少的工具創(chuàng)建過程 并根據(jù)用戶的非正式測試說明了良好的和一個 從用戶的角度來看車展覽不愉快的經歷 通過快速樣機的設計和連續(xù)循環(huán)非正式用戶測試 該小組能夠迅速消除問題的概念 并得出以下抽樣方案 界面語言 未來的觀眾代表了廣泛的科學和技術專才 使最小的正式的科學和技術術語被 使用 相反 一個簡單的 游戲般的音調支持的相互作用 互動線索 默認的屏幕顯示 或 吸引循環(huán) 提供了一個可視化概述亭使命 預示可能采 取的步驟的用戶 該亭本身有一個簡單的跟蹤球和一個按鈕的設置 類似于街機游戲 訪 問團時開始用戶按下按鈕 一個非線性相互作用下的任務展開的分步給用戶 物理方向 為了幫助用戶之間的東方火星院子和信息顯示在屏幕上 一火星太陽畫在墻上 的火星碼遠并可見無論從亭及在全景在屏幕上查看 圖 6 此外 目標巖職位 巖石形態(tài) 和形狀的院子提供反饋和幫助用戶解釋字形提供地圖圖像 動畫是用來幫助澄清不熟悉 360 度環(huán)繞式的優(yōu)勢全景圖像 實時反饋 一個 任務生成器 畫面顯示 圖 7 跟蹤用戶實時的進展 直到他們準備提 交給流動站使命 隨著火星車執(zhí)行任務 一 rover s 眼視攝像機讓游客體驗從任務火星車的 看法 在 漫游者任務 子窗口在右下角在執(zhí)行過程中仍然可見 提供有關數(shù)據(jù)流動站業(yè) 務 旅行的距離和角度轉向 可視化界面 一致的調色板是用來統(tǒng)一畫面 在靜態(tài)和動畫元素屏幕的目的是為用戶提供 聯(lián)絡點根據(jù)不同的需要采取的行動 一貫 明確排版提供視覺層次 提高可讀性 2 圖 6 能夠看到院子里 屏幕上同時艾滋病亭 在面向用戶展示自己 圖 7 使命生成器 的屏幕顯示 平面設計 LotterShelly 四 羅孚性能 該探測器已被證明是可靠的 而且 正如看出這個博物館的工作人員的意見 往往比可靠博物館曾預計 不像我們這些展品大部分 人 獲取抨擊不斷 開放關閉 沒有休息 我認 為 他們拿著出奇地好 比我認為他們會 最多的失敗是由于被破壞或伺服電機 很容易被博物館的工作人員提供服 務 當展品打開后 我們發(fā)現(xiàn)第一個機器人的失敗是在傾斜伺服系統(tǒng) 驅動電 機和轉向舵機 對于這一切我們所做的修改部分的機器人 為了減輕驅動電機 故障 我們減少了電機占空比為 100 至 80 1 月 12 日 督導伺服速度也 減少了 并開始 1 月 27 日我們修改了電源板 而不是發(fā)送到舵機 6V 的 5V 電 壓 該原來傾斜了塑料齒輪舵機 初揚 27 日 我們換成了一個金屬齒輪的伺 服這些舵機 這些修改之后 車的可靠性顯著改善 圖 8 圖 8 破碎探測器組件的數(shù)量前后流動站修改 實施 雖然機器人已運行約 8 倍比修改后的汽車前 電機故障總數(shù)僅修改后略高 于前失敗的次數(shù)修改 該機器人已運作大約兩倍長后轉向伺服和傾斜伺服修改 之前的修改 傾 斜伺服失敗的次數(shù)已經有所減少 轉向數(shù)量的失敗伺服系統(tǒng)增加了一倍 正如 所預期的 然而 1316 修改后的伺服指出 失敗了坐落在一個單一的網(wǎng)站 國 家科學中心 我們認為 高比例伺服故障在該位置的部分原因是對國家的粗糙 表面科學中心碼 6 月 1 日開始 一個新的和更強大的轉向伺服將被替換的舊 督導舵機突破 其他車組件已經被證明是相當可靠 在大約五個月之間的 12 月 29 日 和 6 月 1 日 一個鍋伺服被打破因事故 四紅外照相機和三線電線被打破了 但容 易修復 一個攝像頭打破了 一個機器人通訊發(fā)達的問題 機器人跑了 8 天之前平均無故障修改和一個 19 天的平均無故障在修改之 后 縱觀總營運時間 12 月 29 日之間 和 6 月 1 日 機器人運行在平均 15 天前 的失敗 五 附錄可應用性 學習研究與發(fā)展中心 LRDC 和對知識創(chuàng)新研究所 伊犁 進行正規(guī)教 育評價每展覽 該分析表明 該展覽是在其目標的成功幫助旅客在科學探索機 器人的使用和機器人的自主性的作用 這種詳細的分析結果可以被發(fā)現(xiàn) 15 有關展覽運用定量統(tǒng)計自動收集裝置展覽軟件 該機器人訪客互動總數(shù)集 內超過 50 000 首九個月經營和持續(xù)增長 值得注意的是 統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示 在任 務時間非常接近設計目標為 3 分鐘 遠遠超過了 1 4 分鐘訂婚時通常出現(xiàn)在互 動科學展品 3 更重要的是用戶的幾乎所有展品 98 能夠成功地設計和發(fā) 送任務到流動站 15 連同這些統(tǒng)計數(shù)字表明 關于工作時間的分布并非如通 常的情況是在博物館的展品 而是單峰和指數(shù)狹窄 誰是由每個用戶仍然從事 展覽從事通過完成任務 然后幫忙 釋放控制到隊列中下一個博物館參觀者 關于進行任務的一半 52 7 結束成功與月球車定位一塊石頭 在 43 9 的的任務 月球車并沒有找到目標的巖石 該因未能找到目標的主要原 因是車到了髖關節(jié)墻壁或火星車的道路被封鎖由一塊石頭 流動站認為石頭成 為障礙而不是目標時 仍有 150 多名厘米離開的使命 在這種情況下 用戶給 予選擇重試 只有 1 9 的任務在超時這一階段 顯示用戶的高度參與 甚至 他們的任務時未能發(fā)現(xiàn)目標的巖石 該任務結束由于機器人錯誤 如失敗溝通 只有 3 4 的任務 總之 很明顯無論從時間上任務的值 超時稀有性和任務的成功率 游客 的能有效地使每展出的使用 即使在在探索館和中間人案件美國航天局 埃姆斯 設施 六 結論 個人探測車曾作為教育機器人示范應用獎勵非正規(guī)學習空間 該工程演示 該機器人技術已在引人注目的價值博物館的設置 具體的教育效果可實現(xiàn)這樣 的設置和測量 超過 40 每的迄今已制作 平均時間故障間隔超過全日制二周 用法非機器人專家 博物館的工作人員和導賞員已被證明將移動機器人技術能 力嘗鮮當頒發(fā)過的成品換證手續(xù)這是有據(jù)可查的 圖表統(tǒng)計顯示 幾乎所有的 用戶成功地完成了整個科研流動站的使命 教育評價的建議該展覽有效地充當 家庭平臺關于機器人的市場匯率的使命和討論 并孩子們遠離可衡量的展覽在 這些領域的知識 隨著機器人技術的進步 這種跨學科團隊的工程師 交互設計師和教育 專家會不斷發(fā)明和執(zhí)行能力更引人注目的展品 為正式課程和非正式學習的場 所 我們希望這個項目可以作為未來的團隊不僅動機研究 夢想和發(fā)明 而且 還設計 硬化 制造和安裝 使數(shù)千名能夠受益于這些教育科技企業(yè) 鳴謝 我們要感謝所有的博物館是在幫誰使每給公眾 我們還要感謝以下為他 們的貢獻和支持的人 與 Debra 伯恩斯坦 吉姆巴特勒 丹克蘭西 凱文克勞 利 Maylene 杜埃尼亞斯 埃德資源增值計劃 雷切爾 Gockley 讓哈普利 馬 蒂盧威 Anuja Parikh 克里斯汀拔 和彼得章 參考文獻 1 Beer R Chiel H Drushel R Using 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Hamner E Bernstein D Crowley K Porter E Hsiu T Dunlavey B Ayoob E Lotter M Shelly S Parikh A Clancy D The Personal Exploration Rover The Ground up Design Deployment and Educational Evaluation of an Educational Robot for Unmediated Informal Learning Sites Carnegie Mellon University Technical Report CMU RI TR 04 38 August 2004 16 Nourbakhsh I 2000a When students meet robots Essay in IEEE Intelligent Systems and Their Applications 15 6 p 15 2000 17 Nourbakhsh I Robotics and education in the classroom and in the museum On the study of robots and robots for study In Proceedings Workshop for Personal Robotics for Education IEEE ICRA 2000 18 Papert S and Harel I Situating Constructionism in Constructionism Ablex Publishing Corp 1991 19 Wolz U Teaching design and project management with Lego RCX robots In Proc SIGCSE Conference 2000 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設計 論文 摘 要 本文首先對玩具遙控車的國內為發(fā)展現(xiàn)狀做了介紹 同時根據(jù)設計要求對 玩具遙控車的整體方案進行了分析 包括幾何尺寸 驅動芯片的選擇和程序的 編制 然后從玩具遙控車性能要求的角度出發(fā) 分別對玩具遙控車的運動方式 模型結構和車體成型方式做了比較 最終確定了非完整約束輪驅四移動結構模 型 后輪同軸驅動 前輪轉向的玩具遙控車 文章對玩具遙控車硬件結構做了詳細的可行性分析及設計 并且做了相應 的計算 校核 主要包括 驅動輪電機和轉向輪電機的選擇及其驅動電路的設 計 齒輪的設計計算和校核 前后減震系統(tǒng)以及轉向機構設計和車體的一些機 械結構設計等 并且針對本設計所研究的玩具遙控車 設計了驅動模塊 最后 本文對所作研究和主要工作進行了總結 并將設計的玩具遙控車的 結構進行聯(lián)合調試 實驗結果表明 該系統(tǒng)性能穩(wěn)定 可靠 可控制性高 安 全性高 達到了本設計的設計要求 關鍵詞 玩具遙控車 硬件結構 驅動電路 驅動模塊 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設計 論文 I Abstract Firstly the domestic toy remote control cars for the current development is introduced and according to the design requirements of the overall scheme of remote controlled toy vehicle are analyzed including the selection and compilation of program size the driving chip Then from the perspective of the performance of remote controlled toys do exercise respectively on toy remote control car body model structure and forming method and ultimately determine the four wheel drive driven nonholonomic mobile structure model rear wheel coaxial remote controlled toy vehicle with front wheel steering This paper made a feasibility analysis and detailed design of the remote controlled toy vehicle hardware structure and the corresponding calculation checking mainly includes wheel driving motor and steering wheel motor and its driving circuit design design and check gear before and after the shock absorber system and vehicle steering mechanism design and some mechanical structure design etc And for the remote controlled toy vehicle research of this design the drive module design Finally this paper summarizes the research work and main structure toy remote control cars and will design the joint debugging The experimental results show that the system is stable reliable high controllability high safety meet the design requirements of the design Keywords remote control toy car hardware drive circuit drive module 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設計 論文 II 目錄 摘 要 I Abstract II 目錄 III 第 1 章 緒論 1 1 1 課題研究的目的與意義 1 1 2 我國玩具行業(yè)的發(fā)展概況 1 1 3 我國玩具行業(yè)的消費現(xiàn)狀 3 1 4 玩具行業(yè)的發(fā)展前景 4 1 4 1 傳統(tǒng)玩具向電子玩具過渡 4 1 4 2 提高玩具附加值勢在必行 4 1 5 方案分析及設計要求 4 1 6 本課題主要研究內容 5 第 2 章 玩具遙控車結構設計 7 2 1 玩具遙控車運動方式的選擇 7 2 2 玩具遙控車驅動方案的選擇 8 2 3 玩具遙控車驅動輪組成 9 2 3 1 驅動電機選擇 10 2 3 2 減速機構的設計與校核 14 2 3 3 變速箱體及后減震 24 2 3 4 驅動車輪及輪轂 24 2 4 玩具遙控車轉向輪組成 26 2 4 1 驅動電機選擇 27 2 4 2 傳動機構及前減震機構 29 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設計 論文 III 2 4 3 前車體及電池箱 30 2 4 4 轉向輪胎和輪轂 30 2 5 玩具遙控車受力分析及如何保證加速度最優(yōu) 30 2 6 系統(tǒng)可靠性設計 32 第 3 章 玩具遙控車驅動設計 33 3 1 玩具遙控車驅動組成 34 3 2 轉向電機控制 34 3 2 1 電機驅動芯片的選擇 34 3 2 2 電機驅動電路設計 36 3 2 3 程序控制流程及代碼 38 3 3 直流電機控制 41 3 3 1 直流電機驅動芯片的選擇 41 3 3 2 直流電機驅動電路設計 42 3 3 3 直流電機 PWM 調速 43 3 3 4 閉環(huán)反饋控制模塊 44 3 3 5 程序控制流程及代碼 46 結論 50 致謝 51 參考文獻 52 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設計 論文 0 第 1 章 緒論 1 1 課題研究的目的與意義 中國是玩具大國 玩具出口在我國的外貿出口中占主要地位 中國的玩具 廠商要在國際上站穩(wěn)腳跟 就要有所發(fā)展 一定要有新的 高層次的產品 國 內的大型玩具企業(yè)已經充分意識到這一點 正在和科研院所合作 研發(fā)高端兒 童玩具車產品 企業(yè)的參與將為兒童玩具車的發(fā)展起到推動作用 隨著人們對休閑 娛樂需求的增加 以及人們對玩具功能觀念的改變 玩 具的消費群體也正在迅速擴大 玩具已不再是兒童的專利 越來越多高檔 新 穎的玩具開始成為成年人的休閑 娛樂用品 而目前 我國成人玩具的開發(fā)還 是一個空白 顯然這個市場有著巨大的潛力去開發(fā) 從而解決了因玩具出口受 限而轉內銷的市場銷量瓶頸 有關數(shù)據(jù)顯示 中國現(xiàn)有玩具企業(yè) 2 萬余家 從 業(yè)人員超過 400 萬 年產值 1000 多億元 產量占世界總產量的 70 以上 而 目前高端成年人玩具市場卻是眾多玩具業(yè)廠商不重視的一個市場 所以對于內 銷市場 國內企業(yè)應該加大投入力度 力爭中國市場成為另外一個美國市場 成為中國玩具業(yè)最堅定 最雄厚的一條頂梁柱 通過本課題 讓學生在畢業(yè)設計過程中綜合大學所學基礎課程及專業(yè)課程 培養(yǎng)學生綜合應用所學知識和技能去分析和解決一般工程技術問題的能力 進 一步培養(yǎng)學生分析問題 創(chuàng)造性地解決實際問題的能力 1 2 我國玩具行業(yè)的發(fā)展概況 中國是全球玩具第一大生產國 我國玩具行業(yè)是從上世紀 80 年代后發(fā)展 起來 70 以上還是來料加工和來樣加工 自主開發(fā)和創(chuàng)新的能力不強 能夠 以自創(chuàng)品牌出口的還為數(shù)不多 要從依附式發(fā)展轉向自主式發(fā)展還需要一定的 過程 中國國內市場的玩具質量合格率僅為 76 3 還面臨著嚴峻的知識產權保 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設計 論文 1 護和歐盟貿易壁壘等難題 而且近一年來國際石油價格不斷攀升 使得塑料原 料價格大幅上揚 玩具生產成本增加 市場競爭加劇 東部沿海一些地區(qū)出現(xiàn) 的電力供應緊張以及勞動力短缺問題 也制約著玩具行業(yè)發(fā)展 現(xiàn)代玩具工業(yè)的發(fā)展經歷了以下幾個階段 二戰(zhàn)后 由于塑料的出現(xiàn) 塑料玩具代替了木制玩具 70 年代 電子玩具的出現(xiàn)已成為玩具的發(fā)展潮流 80 年代末 兩家日本玩具商搶先推出托架玩具 行銷一時 現(xiàn)在 世界幾家大 型玩具生產商從傳統(tǒng)產品中脫穎而出 轉產電子游戲 為應對多媒體的挑戰(zhàn) 搶占市場 這些公司又捷足先登 研發(fā)智能玩具 我國是世界上最大的玩具制造國和出口國 全球 70 的玩具是在我國境 內制造的 我國現(xiàn)有玩具企業(yè) 2 萬余家 從業(yè)人員超過 400 萬 年產值 1000 多億元 產量占世界總產量的 70 以上 其中 廣州的產值達 300 億元 2005 年全國玩具出口額達 150 多億美元 廣東 江蘇 浙江 上海 山東和福建這 五省一市歷來是中國玩具最重要的生產和出口基地 占中國玩具年銷售額的 95 以上 其中廣東占中國玩具年銷售額 50 以上 其主要生產基地在深圳 東莞以及澄海地區(qū) 澄海玩具禮品生產單位超 3000 家 從業(yè)人員 10 多萬人 2005 年產值 120 億元 并以年均 30 的速度遞增 全區(qū) 250 多家企業(yè)在 126 個國家和地區(qū) 建立營銷渠道或固定銷售網(wǎng)點 產品外銷達 70 以上 占全國玩具出口量的 9 左 右 有了這些基礎 澄海區(qū)正積極申報建設 國家澄海玩具特色產業(yè)基地 玩具制造業(yè)在我國屬于開放程度較高的行業(yè) 目前 三資企業(yè)仍占據(jù)行 業(yè)的主導地位 取得全行業(yè)產品銷售收入的 65 8 和利潤總額的 62 7 民營 企業(yè)的經濟效益則是行業(yè)內最好的 國內市場的玩具約有 3 萬多個品種 大部分適合 4 歲 8 歲兒童 適合嬰 幼兒的玩具不多 適合成年人的玩具更少 殘障兒童玩具市場有待開發(fā) 玩具用塑料原料主要有 ABS PP PE PVC POM EVA 樹脂 PA 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設計 論文 2 不飽和聚酯 熱塑性彈性體等 在我國的用量較大 而且增長潛力巨大 統(tǒng)計 數(shù)字表明 僅 2003 年全國各類塑料玩具用樹脂量達到近 180 萬噸 銷售額已 突破 140 億元 預計還將以每年 40 的速度繼續(xù)遞增 這也預示著作為制造塑 料玩具的基礎原料也將在玩具業(yè)的推動下進入一個快速增長的黃金時代 1 3 我國玩具行業(yè)的消費現(xiàn)狀 我國玩具消費正以每年 30 40 的速度增長 到 2010 年我國玩具消費總 額將超過 1000 億元 中國社會調查事務所日前進行的一項中國玩具產業(yè)調查 的結果顯示 中國玩具市場蘊藏著巨大商機 中國 14 歲以下人口為 3 億多 其中的城市人口為 8000 萬人 構成了龐大的玩具消費群體 城市兒童每年人 均玩具消費額為 35 元 城市成年人 12 元 大中城市的消費者普遍可接受的玩 具價格在 100 元以下 一些售價在 1000 元以上的高檔玩具同樣有市場 在中 國玩具市場 毛絨玩具和兒童車最為暢銷 模型玩具 遙控玩具和塑膠玩具的 銷量持續(xù)看好 有 34 的城市消費者選購電子玩具 31 選擇智能型玩具 23 選 擇高檔毛絨 布制玩具 農村消費者以傳統(tǒng)的玩具類型為主 48 的農村消費 者愿意購買電動玩具 28 愿意購買拼裝玩具 24 愿意購買中 低檔毛絨 布制玩具 以下玩具將成為市場新寵 模型玩具 專利授權玩具 電影玩具 卡通玩具 等 玩偶 高科技玩具 益智玩具 互聯(lián)網(wǎng)兼容玩具 以及適合成年人休閑 娛樂的成人玩具 成年男士比較喜愛電腦智力型玩具 成年女士喜歡高檔精美 的裝飾性玩具 如布娃娃 毛絨娃娃 木制玩具和小動物玩具等 中年人多會 選購消遣性 輕度運動型玩具 老年人較喜歡各種觀賞型玩具 如 小動物玩 具 玩偶等 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設計 論文 3 1 4 玩具行業(yè)的發(fā)展前景 1 4 1 傳統(tǒng)玩具向電子玩具過渡 玩具智能化成為玩具行業(yè)的發(fā)展新趨勢 高科技智能化玩具不僅滿足了兒 童的好奇心 加強了孩子和玩具的互動 同時也激發(fā)了孩子的求知欲 玩具企 業(yè)將計算機 電子 通訊等領域內的先進技術 嫁接 到玩具產品中 突破了 傳統(tǒng)玩具的局限性 賦予玩具 聽 說 功能 與人進行互動 智能化玩具 的形式多樣 內容豐富 寓知于樂 可以與孩子們進行 情感 交流 進而培 養(yǎng)孩子良好的習慣 并在愉悅中學習 體會生活 真正達到寓教于樂的目的 而且玩具已經不在僅是兒童的專利 據(jù)中國玩具協(xié)會統(tǒng)計 約 64 的成 人消費者表示有興趣購買適合自己的玩具 估計成人休閑益智玩具市場每年約 值 500 億元人民幣 傳統(tǒng)玩具的市場日趨下滑 益智類 成人類玩具的出口已 不斷呈現(xiàn)增長趨勢 1 4 2 提高玩具附加值勢在必行 近年來 國際油價持續(xù)攀高 與石油相關的原材料價格亦隨之上揚 塑料 價格較年前上漲 30 40 而一件玩具中 塑料成本大概占據(jù)總成本的 60 70 這大大增加了塑料玩具的生產成本 這就要求生產企業(yè)必須跨越原料價格高漲 貿易壁壘和 3C 認證等重重障 礙 有人認為 國內玩具企業(yè)面臨著如此多的困難 制約其發(fā)展的主要因素可 以歸結為質量不高和技術含量低 據(jù)此 我們不難找到解決難題的路徑 研發(fā) 符合安全和環(huán)保要求的產品 利用科技創(chuàng)新 提高產品附加值 并向高檔化邁 進 1 5 方案分析及設計要求 本文所討論玩具遙控車系統(tǒng)運動學模型近似于汽車 因此稱為玩具遙控車 它的組態(tài)由玩具遙控車在工作環(huán)境中的位態(tài)確定 它作為一種小型玩具遙控車 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設計 論文 4 是一種非線性控制系統(tǒng) 為了能發(fā)揮將來加載到這種玩具遙控車上的功能 因 而對小車性能作了要求 作為主要用于娛樂的玩具遙控車長度不宜超過 1000mm 高度要控制在玩 具遙控車平衡穩(wěn)定運作的范圍內 因此 車體在保證穩(wěn)定的情況下做的盡量小 各部件排列方式應盡量減小縱向尺寸 使車體緊湊 內置于其中的電路板和電 池的尺寸也要受到限制 設計電路是要盡量選用功能大 集成度高的芯片 而 電池要選用體積小并且耐用的型號 因此 本課題控制器設計選用 SPCE061A 系列單片機來實現(xiàn)控制電路的架構 并且減少外圍邏輯電路 使板面布局緊湊 車體系統(tǒng)的運動是影響系統(tǒng)性能 決定玩具遙控車性能達標的重要因素 因此 在軟硬件選型時 滿足快速性 準確性要求是考慮的第一要素之一 要 求機構能夠具有更大的靈活性與柔性 能夠具有更大的跨越障礙的能力 最好 采用減震設計 它有利于保護玩具遙控車各組成部件 特別是電器元件 我們設計的玩具遙控車所處的環(huán)境所受的強磁干擾要小得多 但是要達到 系統(tǒng)運作實時 準確 某些干擾就顯得較為明顯 首先 玩具遙控車體積很小 電機及其驅動系統(tǒng) 處理器系統(tǒng) 無線模塊同處于很小的空間 這幾部分之間 的相互干擾 特別是電機及其驅動系統(tǒng)對處理器的干擾 無線模塊對處理器的 干擾以及無線通訊所特有的噪聲干擾都不容忽視 本課題中 分別采用了硬件 抗干擾設計和軟件抗干擾設計 其次 玩具遙控車工作環(huán)境周圍的電器將對其 產生影響 1 6 本課題主要研究內容 課題主要完成玩具遙控車結構設計 驅動電機選擇 驅動芯片的選擇及程 序的編制 驅動電路設計 1 機械結構部分包括玩具遙控車構成方案選擇 玩具遙控車本體機構設計 和驅動電機的選擇 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設計 論文 5 2 針對設計要求結合所選用的電機 設計電機的驅動模塊 并討論系統(tǒng)設 計的可靠性問題 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設計 論文 6 第 2 章 玩具遙控車結構設計 2 1 玩具遙控車運動方式的選擇 玩具遙控車運動方式歸納起來基本有三種 輪子方式 履帶方式和腿足方 式 為了得到我們設計需要最合適的方式 我們對以上三種方式做了簡單的比 較如下表 2 1 2 文 獻 表 2 1 運動方式的比較 考慮因素 驅動方式 適應的環(huán)境 驅動方面的考慮 機構方面的考慮 輪子方式 適于室內 硬路 面等平整地面 特別不適合松軟 或崎嶇地面 驅動方式簡單多樣 力矩相對較小主要有 兩輪驅動兼轉向加隨 動輪 兩輪差動加輔 助輪 驅動輪加轉向 輪 機構實現(xiàn)相對簡單 相互約束條件少 穩(wěn)定性較好 輪子 安裝需要一定精度 要求 履帶方式 適應環(huán)境最廣泛 特別是崎嶇不平 地和濕洼地形 驅動方式單一 力矩 較大 使用兩側輪差 動 實現(xiàn)驅動和轉向 不需要輔助輪 機構實現(xiàn)較輪子復 雜 需要履帶的張 緊設計 支撐面積 大 穩(wěn)定性好 腿足方式 適應范圍較廣 適應地形受其步 態(tài)影響 不適合 崎嶇山路 驅動復雜 對平衡和 穩(wěn)定要求極高 自由 度越多 驅動控制部 分越多 有較多的 運動部 件和關節(jié) 要求較 高的加工和裝配等 級 對材料性能要 求較高 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設計 論文 7 通過對以上方式的比較 我們選用輪子方式做為玩具遙控車運動方式 它 符合我們的設計要求 適應室內活動環(huán)境 需要動力較小 能量消耗少 結構 實現(xiàn)簡單可靠 2 2 玩具遙控車驅動方案的選擇 玩具遙控車的機械結構 如圖 2 1 圖 2 2 圖 2 3 5 文 獻 圖 2 1 驅動結構 圖 2 2 前輪驅動兼轉向結構 圖 2 3 后輪驅動 前輪轉向結構 如圖 2 1 采用兩輪獨立驅動的結構 驅動輪分別由兩套直流伺服系統(tǒng)驅 動 提供需要的轉速或者力矩 前輪為萬向輪 可任意移動 這種結構優(yōu)點 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設計 論文 8 簡單輕便 控制性好 運動靈活轉彎半徑小 缺點 承載能力低 對地面環(huán)境 的要求高 圖 2 2 中的玩具遙控車 稱為前輪驅動玩具遙控車 后輪為輔助輪 方向 不變 前輪為驅動輪兼轉向輪 兩輪驅動速度相同 轉向速度一致 這種結構 優(yōu)點 運動平穩(wěn) 穩(wěn)定性好 缺點 結構復雜 控制難度高 我們根據(jù)設計需要和實現(xiàn)的難易程度選擇了圖 2 3 中的玩具遙控車 我們 稱之為后輪驅動玩具遙控車 它是一種典型的非完整約束的玩具遙控車模型 后輪為驅動論方向不變 提供前進驅動力 兩輪驅動速度相同 前輪為轉向輪 稱為舵輪 通過轉向系統(tǒng)同步控制兩輪轉向 使玩具遙控車按照要求的方向移 動 移動機構又主要分三個輪 四個輪 三輪支撐理論上是穩(wěn)定的 然而 這 種裝置很容易在施加到單獨輪的左右兩側力 F 作用下翻倒 因此對負載有一定 限制 我們?yōu)樘岣叻€(wěn)定性和承載能力 決定選用四輪機構 后輪為兩驅動輪 兩個轉向輪為前輪 這種結構能實現(xiàn)運動規(guī)劃 穩(wěn)定以及跟蹤等控制任務 可 適應復雜的地形 承載能力強 但是軌跡規(guī)劃及控制相對復雜 2 3 玩具遙控車驅動輪組成 后輪驅動裝置機械傳動結構如圖 2 4 所示 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設計 論文 9 1 變速箱底座 2 變速箱蓋 3 軸承 4 齒輪 5 齒輪 6 齒輪 7 電動機 8 中間軸 9 輪轂 10 輪胎 圖 2 4 驅動輪機械傳動示意圖 根據(jù)上面所確定的方案 玩具遙控車后輪驅動裝置由驅動電機 減速裝置 車輪及輪轂組成 2 3 1 驅動電機選擇 目前在玩具遙控車的運動控制中較為常用的電機有直流電機和交流電機 對它們的特性 工作原理與控制方式有分類介紹 下面總結如表 2 2 所示 一般玩具遙控車用電機的基本性能要求 1 啟動 停止和反向均能連續(xù)有效的進行 具有良好的響應特性 2 正轉反轉時的特性相同 且運行特性穩(wěn)定 3 良好的抗干擾能力 對輸出來說 體積小 重量輕 4 維修容易 不用保養(yǎng) 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設計 論文 10 驅動輪為兩后輪 要求控制性好且精度高 能耗要低 輸出轉矩大 有一 定過載能力 而且穩(wěn)定性好 通過比較以上電機的特性 工作原理 控制方式 以及玩具遙控車的移動性能要求 自身重量 傳動機構特點等因素 所以我們 決定選用直流電機作為驅動電機 直流電動機以其良好的線性調速特性 簡單的控制性能 較高的效率 優(yōu) 異的動態(tài)特性 一直占據(jù)著調速控制的統(tǒng)治地位 雖然近年不斷受 表 2 2 不同電機的特性 工作原理與控制方式 電機類型 主要特點 構造與工作原理 控制方式 直流電機 接通直流電即可 工作 控制簡單 啟動轉矩大 轉 速和轉矩容易控 制 效率高 需 要定時維護和更 換電刷 使用壽 命短 噪聲大 由永磁體定子 線圈轉子 電刷 和換向器構成 通過電刷和換向 器使電流方向隨 轉子的轉動角度 而變化 實現(xiàn)連 續(xù)轉動 轉動控制采用電 壓控制方式 兩 者成正比 轉矩 控制采用電流控 制方式 兩者也 成正比 交流電機 沒有電刷和換向 器 無須維修 驅動電路復雜 價格高 按結構分為同步 和異步 無刷直 流電機結構與同 步電機相同 特 性與支流電機相 同 分為電壓控制和 頻率控制兩種方 式 異步電機常 采用電壓控制 到其他電動機 如交流變頻電動機 步進電動機等 的挑戰(zhàn) 但直流電動機仍然 是許多調速控制電動機的最優(yōu)選擇 在生產 生活中有著廣泛的應用 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設計 論文 11 所需電機的功率計算 玩具遙控車小車的受力簡圖如圖 2 5 所示 玩具遙控車所需的牽引力 WfaF 式中 玩具遙控車移動需要的牽引力aF sinmg 式中 自身重力而產生的阻力W cosFf 式中 玩具遙控車移動所受摩擦力F 圖 2 5 玩具遙控車小車的受力簡圖 則有 cossinmgFa 式中 摩擦系數(shù) 式中 最大爬坡角度 據(jù)課題要求 可以按 0 計算 則玩具遙控車在水平面上運動的功率為 WVFPa 61 58 90315 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設計 論文 12 傳動裝置的總效率 2BG 按照 中表 2 1 1 確定的個部分效率有 齒輪傳動效率 14 文 獻 滑動軸承效率 97 0 G 97 0B 代入得到 89 0 2 所需直流電機的最小功率 WPw 697 01 通過以上的比較和計算 我們決定選用廣東德昌微電機公司生產的 SRC 555 3250 型直流電動機其外觀如圖 2 6 所示 尺寸如圖 2 7 所示 技術參 數(shù)如表 2 3 所示 圖 2 6 電動機其外觀如圖 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設計 論文 13 圖 2 7 直流電機尺寸圖 表 2 3 直流電機技術參數(shù)表 空載 最大效率下 制動 轉速 電流 轉速 電流 力矩 功率 力矩 功率型號 額定電壓 r min A r min A g cm W g cm W SRC 555 3250 12v CONSTAN T 6100 0 24 5300 1 49 229 12 4 1650 9 20 2 3 2 減速機構的設計與校核 直流電機輸出轉速較高 一般不能直接接到車輪軸上 需要減速機構來降 速 同時也提高了轉距 減速裝置的形式多種多樣 選擇一種合適的減速裝置 對玩具遙控車的性能有著相當重要的作用 2 3 2 1 減速形式的選擇 驅動輪機械傳動形式有多種 主要分為 鏈條傳動 皮帶傳動 蝸桿傳動 和齒輪傳動等 1 鏈條傳動 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設計 論文 14 優(yōu)點是 工況相同時 傳動尺寸緊湊 沒有滑動 不需要很大的張緊力 作用在軸上的載荷小 效率高 能在惡劣的環(huán)境中使用 缺點 瞬時速度不均勻 高速運轉是傳動不平穩(wěn) 不易在載荷變化大和急 促反向的傳動中使用 工作噪音大 2 皮帶傳動 優(yōu)點是 能緩和沖擊 運行平穩(wěn)無噪音 制造和安裝精度要求低 過載時 能打滑 防止其他零件的損壞 缺點 有彈性滑動和打滑 效率低不能保證準確的傳動比 軸上載荷大 壽命低 3 蝸桿傳動 優(yōu)點 結構緊湊 工作平穩(wěn) 無噪聲 沖擊震動小 能得到很大的單級傳 動比 缺點是 傳動比相同下效率比齒輪低 需要用貴重的減磨材料制造 4 齒輪傳動 工作可靠 使用壽命長 易于維護 瞬時傳動比為常數(shù) 傳動效率高 結 構緊湊 功率和速度使用范圍很廣 缺點是 制造復雜成本高 不宜用于軸間 距的傳動 比較以上傳動形式 結合本設計中玩具遙控車的要求 輸出轉矩大傳動效 率高噪音小等條件 我們采用兩級齒輪傳動 減速比為 15 電機軸直接作為輸 入軸安裝主動齒輪 不是用聯(lián)軸器 既提高了精度又減輕了重量 輪轂和齒輪 3 安裝在同一根軸上 他們轉速相同 齒輪類型為漸開線直齒齒輪 聯(lián)軸器相 聯(lián) 齒輪與車輪裝在同一個軸上 它們的轉速相同 齒輪參數(shù)如下 第一級減速 m 3 mm mm 31 i10z3 d302 z92d 第二級減速 m 3 mm mm 53 51 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設計 論文 15 2 3 2 2 齒輪傳動的計算與校核 設計中第一級齒輪傳動的齒輪強度計算與校核 如下 1 齒面接觸疲勞強度計算 1 初步計算 轉矩 T8 651024 5 905 96161 nPmN 8 齒數(shù) d 接觸疲勞極限 liH 由 表 12 13 取 2 文 獻 6 0 d 由 表 1 73文 獻 6 0 d MPaH251lim li 初步計算的許用接觸應力 H 259 0 1lim1 H2li2 MPa5 1 H92 值dA 由 取 3 文 獻 0d 初步計算小齒輪直徑 1 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設計 論文 16 muTAdHd 18 235 19608323211 取 251m 初步齒寬 b 256 01 d 5 2 校核計算 圓周速度 93 610652106 ndsm93 精度等級 由 表 12 6 2 文 獻 選 6 級精度 齒數(shù) z 和模數(shù) m 初取齒數(shù) 10 3012 iz31zd 由 表 12 3 取 這里往大或往小取均可 視驗算結果而定 2 文 獻 m 則 1031 dz12 im 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設計 論文 17 10 z32 使用系數(shù) AK 由 表 12 9 文 獻 5 1 A 動載系數(shù) v 由 表 12 9 2 文 獻 1 vK 齒間載荷分配系數(shù) HK 由 表 12 10 先求 9 文 獻 NdTFt 264 5821 mbKtA 3 0 mNbFKtA 103 79854 1 2 62 3cos12 812 z9 035 4 Z 由此得 21 12 ZKH5 130Z2 H 齒向載荷分布系數(shù) HK 由 表 12 11 文 獻 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設計 論文 18 103 1507 6109 22321 bcdbKH 3 H 載荷系數(shù) K85 13 2 15 HvAK 彈性系數(shù) EZ 由 表 12 12 2 文 獻 MPaE4 56 節(jié)點區(qū)域系數(shù) HZ 由 圖 12 16 文 獻 5 2 HZ 接觸最小安全系數(shù) minHS 由 表 12 14 文 獻 05 1min HS 總工作時間 ht602 3 ht60 應力循環(huán)次數(shù) LN 由 表 12 15 估計 則指數(shù) 2 文 獻 9710 LN78 m 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設計 論文 19 6 78 78 78 178 maxax1103 7 302502060 ni hiihminihivLtTttN 原估計應力循環(huán)次數(shù)正確 6612 107 23 iNL610 7 2L 接觸壽命系數(shù) NZ 由 圖 12 18 文 獻 5 1 NZ2 許用接觸應力 H 05 12min1l1 NHSZ in2l2 MPaH1 3 2 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設計 論文 20 23 15103 428 1 054 6 ubdKTZHE 計算結果表明 接觸疲勞強度教為合適 齒輪尺寸無需調整 否則 尺寸 調整后還應在進行驗算 MPaPaHH1 323 2 2 齒根彎曲疲勞強度驗算 重合度系數(shù) Y74 052 1 07 25 0 4 齒間載荷分配系數(shù) FK 由 表 12 10 2 文 獻 35 174 0 Y35 1 FK 齒向載荷分布系數(shù) FK48 325 0 hb 由 圖 12 14 文 獻 6 1 FK 載荷系數(shù) 89 3615 2 1 FvA 齒形系數(shù) aY 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設計 論文 21 由 圖 12 21 2 文 獻 75 1 FaY432 應力修正系數(shù) SaY 由 圖 12 22 文 獻 38 1 SaY42 彎曲疲勞極限 limF 由 圖 12 23c 文 獻 MPaF81lim 2li 彎曲最小安全系數(shù) minFS 由 表 12 14 文 獻 25 1min FS 應力循環(huán)次數(shù) LN 由 表 12 15 估計 則指數(shù) 文 獻 106103 LN94 m 7 94 94 91 4191 4maxax110 3 30250206606 ni hiihminihivL tTtt 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設計 論文 22 原估計應力循環(huán)次數(shù)正確 7712 103 3 iNL710 23L 彎曲壽命系數(shù) NY 由 圖 12 24 文 獻 5 21 NY 尺寸系數(shù) X 由 圖 12 25 2 文 獻 0 1 XY 許用彎曲應力 F 1625 8min1l1 XNFSY in2l2 F MPaF16 2 驗算 05 274 3815 2310489 2111 YmbdKTSaFF 9 0 122 SaFFY 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設計 論文 23 傳動無嚴重過載 故不做靜強度校核 1105 2FFMPa 2 第二級嚙合齒輪 的計算校核也采用以上步驟 通過計算知 強度均3z4 符合要求 2 3 3 變速箱體及后減震 變速箱體要求在保證足夠剛度的條件下 應盡量減輕車架的重量 以提高 有效承載重量 其次 變速箱體應保證其它元件安裝上以后 能達到平衡 對 稱和同軸 材料為 ABS 厚度為 6mm 軸承盒集成在箱體上 降低了制造難 度 為保護系統(tǒng)結構免受震動的損傷 和提高躍障能力 在變速箱與前車體間 加一減震彈簧 它不但能緩沖震動 而且當玩具遙控車遇到低于 100mm 的幛 礙物 或者高低不平的路面時不至于被架空 2 3 4 驅動車輪及輪轂 本設計中可選用玩具遙控車的運動方式為輪子方式 輪子方式可以提供多 種排列方式 從而滿足不同情況需要 而且轉向容易 可以實現(xiàn)運動的精確控 制 機構實現(xiàn)簡單 所以我們考慮到所設計玩具遙控車的工作環(huán)境和控制要求 我們選用了四輪方式 選擇車輪需要考慮多種因素 有玩具遙控車的尺寸 重量 地形狀況 電 機功率等 車重加負載重量為 2kg 4 5kg 所以用質地堅硬且易于加工的聚苯乙 烯作輪轂 采用不充氣的中空橡膠輪胎 其優(yōu)點在于不僅重量小而且橡膠與地 面的附著系數(shù)大 保證了足夠的驅動能力 其中輪胎直徑 d 300mm 則車輪轉一圈移動的為 mdS942 031 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設計 論文 24 車輪最大轉速為 電機轉速 傳動比 min3 5101ri 則玩具遙控車的最大線速度為 smS5 i8 2 942 01 玩具遙控車小車的受力簡圖如圖 2 13 玩具遙控車所需的牽引力 WfaF 式中 玩具遙控車移動需要的牽引力aF sinmg 式中 自身重力而產生的阻力W cosFf 式中 玩具遙控車移動所受摩擦力F 則有 ssinmga 式中 摩擦系數(shù) 式中 最大爬坡角度 則玩具遙控車在水平面上的功率為 wVFPa 47 25 89315 0 其最大加速度為 2 1 smma 其中 的計算在 2 3 1 中作了介紹 aF 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設計 論文 25 圖 2 8 玩具遙控車小車的受力簡圖 2 4 玩具遙控車轉向輪組成 轉向輪起支撐和轉向作用 不產生驅動力矩 在小車轉向時它可以以一定 角度轉動 主要機械組成結構如圖 2 9 1 前減震彈簧 2 轉向連桿 3 拉桿 4 拉緊彈簧 5 撥叉 6 電機 7 前車體蓋 8 轉向節(jié) 9 前輪軸 10 前輪轂 11 輪胎 12 電池盒蓋 13 后減震彈簧 14 連接軸 15 變速箱 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設計 論文 26 圖 2 9 轉向裝置結構圖 玩具遙控車前輪裝置由以下幾部分構成 驅動電機 蓄電池和充電部 分 轉向傳動機構和前減震機構 前車體和電池箱及輪胎和輪轂五部分 如上 圖 2 15 所示 2 4 1 驅動電機選擇 轉向輪的電機通過對表 2 1 不同電機的特性 工作原理與控制方式的分析 比較 為了滿足轉向系統(tǒng)轉動精度高 控制性能強 并且控制簡單容易實現(xiàn)的 特點 我們決定選用電機作為轉向機構驅動電機 電機是一種將電脈沖信號轉換成角位移 或線位移 的機電元件 對這種電 機施加一個電脈沖后 其轉軸就轉過一個角度 稱為一步 脈沖數(shù)增加 角位 移 或線位移 就隨之增加 脈沖頻率高 則電機旋轉速度就高 反之就低 分配 脈沖的相序改變后 電機的轉向則隨之而變 電機的運動狀態(tài)和通常勻速旋轉 的電動機有一定的差別 它是步進形式的運動 故也稱其為步進電動機 電機的主要指標有 相數(shù) 產生不同對極 N S 磁場的激磁線圈對數(shù) 常用 m 表示 拍數(shù) 完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或導電狀態(tài)用 n 表示 或指電 機轉過一個齒距角所需脈沖數(shù) 以四相電機為例 有四相四拍運行方式即 AB BC CD DA AB 八拍運行方式即 A AB B BC C CD D DA A 步距角 對應一個脈沖信號 電機轉子轉過的角位移用 表示 360 度 轉子齒數(shù) J 運行拍數(shù) 以常規(guī)二 四相 轉子齒為 50 齒電機為例 四拍運 行時步距角為 360 50 4 1 8 俗稱整步 八拍運行時步距角為 360 50 8 0 9 俗稱半步 定位轉矩 電機在不通電狀態(tài)下 電機轉子自身的鎖定力矩 由磁場齒形的 諧波以及機械誤差造成的 靜轉矩 電機在額定靜態(tài)電作用下 電機不作旋轉運動時 電機轉軸的鎖 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設計 論文 27 定力矩 此力矩是衡量電機體積 幾何尺寸 的標準 與驅動電壓及驅動電源等 無關 雖然靜轉矩與電磁激磁匝數(shù)成正比 與定齒轉子間的氣隙有關 但過分 采用減小氣隙 增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的 這樣會造成電機的發(fā) 熱及機械噪音 步距角精度 電機每轉過一個步距角的實際值與理論值的誤差 用百分比表 示 誤差 步距角 100 不同運行拍數(shù)其值不同 四拍運行時應在 5 之內 八拍運行時應在 15 以內 失步 電機運轉時運轉的步數(shù) 不等于理論上的步數(shù) 稱之為失步 失調角 轉子齒軸線偏移定子齒軸線的角度 電機運轉必存在失調角 由失 調角產生的誤差 采用細分驅動是不能解決的 最大空載起動頻率 電機在某種驅動形式 電壓及額定電流下 在不加負 載的情況下 能夠直接起動的最大頻率 最大空載的運行頻率 電機在某種驅動形式 電壓及額定電流下 電機不 帶負載的最高轉速頻率 運行矩頻特性 電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關系的曲線 稱為運行矩頻特性 這是電機諸多動態(tài)曲線中最重要的 也是電機選擇的根本 依據(jù) 電機有其獨特的優(yōu)點 歸納起來主要有 1 步距值不受各種干擾因素的影響 簡而言之 轉子運動的速度主要取 決于脈沖信號的頻率 而轉子運動的總位移量取決于總的脈沖個數(shù) 2 位移與輸入脈沖信號相對應 步距誤差不長期積累 因此可以組成結 構較為簡單而又具有一定精度的開環(huán)控制系統(tǒng) 也可以在要求更高精 度時組成閉環(huán)控制系統(tǒng) 3 可以用數(shù)字信號直接進行開環(huán)控制 整個結構簡單廉價 4 無刷 電動機本體部件少 可靠性高 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設計 論文 28 5 控制性能好 起動 停車 反轉及其他運行方式的改變 都在脈沖內 完成 在一定的頻率范圍內運行時 任何運行方式都不會丟步 6 停止時有自鎖能力 7 步距角選擇范圍大 可在幾角分至 大范圍內選擇 在小范圍情況 180 下 通?？梢栽诔退傧赂咿D距穩(wěn)定的運行 通過比較各種指標和參數(shù)后 我們決定選用常州豐源公司生產的 35BYHJ03 減速 電機 自帶 25 1 的減速器 參數(shù)如表 2 6 所示 表 2 6 電機參數(shù) 步距 角 相 數(shù) 電壓 U V 電流 I mA 電阻 R 減速 比 空載運 行頻率 F pps 空載啟 動頻率 F pps 起動 轉距 T g cm 鎖定 轉距 T g c m 7 5 25 4 12 255 47 1 25 550 680 750 1400 2 4 2 傳動機構及前減震機構 在本課題中我們?yōu)榱说玫椒€(wěn)定和承載能力強的系統(tǒng)結構 我們采用了兩前 置轉向輪 轉向輪不作為驅動輪 只提供支撐和轉向作用 結構形式模仿普通 機動車的一些結構 電機變速箱輸出軸連接撥叉 撥叉撥動左右轉向節(jié)連桿來 實現(xiàn)轉向 為了消除傳動間隙和電機反轉死區(qū) 我們在機構中加裝了兩個拉緊 桿和一條拉緊彈簧 很大程度上消除了誤差 轉向傳動機構受力簡圖如圖 2 10 為保護系統(tǒng)結構免受震動的損傷 提高玩具遙控車在不平地面上的行走能 力 在每個轉向節(jié)軸上加裝減震彈簧 它不但能緩沖震動 而且防止在特殊情 況下玩具遙控車被架空 它與后減震配合工作效果更加明顯 工作原理與后減 震類似 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設計 論文 29 圖 2 10 傳動機構受力簡圖 2 4 3 前車體及電池箱 前車體是轉向機構零件的載體 其結構復雜 要求精度也高 實物模型圖 如圖 特別是轉向節(jié)安放孔和電機支撐座等 要求同軸度和垂直度高 因此為 了提高裝配精度 車體蓋和車體配合的螺栓孔采用了卯榫式設計 其結構見圖 紙裝配圖 1 保證了裝配的精度 為簡化制造工序 提高車體的緊湊程度和牢固程度 將電池盒設計到前車 體后部 并且盡量降低電池盒與地面間距 以降低玩具遙控車的重心高度 為了保證運行時電池在和內的牢靠程度和降低噪聲 電池盒蓋內側附貼一 薄層海綿 結構見圖紙裝配圖 1 控制電路容易受到電動機和驅動電路的影響 因此我們將控制電路板與驅 動板并列排列 2 4 4 轉向輪胎和輪轂 前輪輪胎采用和后輪相同的結構和材料 輪轂的軸孔與軸相對滑動 所以 要求較后輪精度高機 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設計 論文 30 2 5 玩具遙控車受力分析及如何保證加速度最優(yōu) 本設計中玩具遙控車采用四輪支撐 即兩后輪 驅動輪 和兩前輪 轉向 輪 為了增加車輪和地面的滑動摩擦系數(shù) 每個車輪的輪胎材料均為橡膠 滑動軸承和輪轂采用了具有自潤滑能力的塑料 摩擦力很小 可以忽略不計 采用這些結構 使小車具有一很好的運動性能 玩具遙控車小車受力如圖 2 11 所示 有如下關系 滑動摩擦力 grNF 支撐反力 Gg am 水平方向受力 Fr 以上關系可推出加速度 mNga 從上式可以看出 由于小車質量 m 一定 若想增加加速度只有增加摩擦 系數(shù) 和減少支撐力 N 由于玩具遙控車活動場所在室內需要頻繁的更換速 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設計 論文 31 圖 2 11 小車受力圖 度 只有加速度大一些時 才能滿足足球玩具遙控車快速性 實時性要求 在摩擦系數(shù)一定時 只有盡量減少支撐力 N 加速度才能達到最大 這 直接關系到小車重心的位置 小車的電池和后加負載是小車中比重較大者 在 放置是應該盡量靠近后輪 這樣支撐力 N 就會減小 加速度在啟動時就能保持 盡量大 通過計算玩具遙控車通過實驗驗證最優(yōu)加速度為 3 92m s 左右 2 6 系統(tǒng)可靠性設計 控制系統(tǒng)質量的高低主要表現(xiàn)在技術性能 可靠性 適應性和經濟性四個 方面 其中技術性和可靠性是最重要的方面 但在系統(tǒng)的具體設計工作中 往 往特別強調其技術性能指標而忽視了它的可靠性 而由于可靠性設計的不周密 在偶然囚素或意外事件的作用下 系統(tǒng)便不能正常工作 從而可能造成災難性 的后果 系統(tǒng)的可靠性保證有賴十完善的可靠性設計 嚴格的部件制作 規(guī)范 的設備安裝調試 正確的操作使用和經常性的維護 本運動控制系統(tǒng)的設計充分考慮了可靠性這一指標 主要體現(xiàn)在以下兒個 方面 1 屏蔽技術 本系統(tǒng)中 直流電機 驅動部件 甚至是微控制器使用的振蕩器 都是電 磁干擾的噪聲源 當距離較近時 電磁波會通過分布電容和電感藕合到信號回 路而形成電磁干擾 當距離較遠時 電磁波則以輻射形式構成干擾 針對上幾 述情況 主要要通選用高導磁材料做成屏蔽體 使電磁波經屏蔽體壁的低磁阻 磁路快速衰減 以降低干擾 2 地線的處理 理解產生地線噪聲的機制對于減小地線干擾至關重要 所有地線都有阻抗 和所有電路一樣 電流必須流回其源點 電流通過地線卜的有效陰 抗將產生 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設計 論文 32 一個電壓降 這些電壓降就是地線干擾的原因 正確接地是控制系統(tǒng)抑制干擾 所必須注意的重要問題 在設計中若能把接地和屏蔽正確的結合 可很好地消 除外界丁擾的影響 接地設計的基本目的是消除各電路電流流經公共地線時所 產生的噪聲電壓 以及免受電磁場和地位差的影響 即使其不能形成地環(huán)路 3 抑制自感電動勢干擾 在本系統(tǒng)中 使用了電動機這種具有較大電感量的器件 當電感回路的電 流被切斷時 會產生很大的反電勢而形成噪聲干擾 這種噪聲不但能產生電磁 場干擾其它回路 甚至還有可能擊穿電路中的晶體管之類的器件 對此在線圈 兩端并聯(lián)了二極管來抑制反向自感電勢的干擾 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設計 論文 33 第 3 章 玩具遙控車驅動設計 3 1 玩具遙控車驅動組成 玩具遙控車驅動設計主要包括步進電動機和直流電動機的控制 其中包括 各驅動芯片的選擇 驅動電路的設計以及程序的編制 3 2 轉向電機控制 轉向電動機控制主要實現(xiàn)電動機啟動 停止 正轉 反轉 以滿足玩具遙 控車能夠實現(xiàn)左右轉彎 3 2 1 電機驅動芯片的選擇 電機的功率驅動芯片我們選擇 SGS 公司的 L298 L298 功率集成電路采用 SGS 公司特有的 Multiwatt 塑料封裝 15 個引腳 可用螺釘固定在散熱器上 L298 內含的功率輸出器件設計制作在一塊石英基片上 由于制作工藝的同一 性 因而具有分立元件組合電路不可比擬的性能參數(shù)一致性 工作穩(wěn)定 L298 是雙 H 橋高電壓大電流功率集成電路 它接受標準 TIL 邏輯信號 可以用來 驅動繼電器 線圈 直流電動機和步進電動機等電感性負載 兩個 H 橋能夠使 其接受或不接受輸入信號 它的每個 H 橋的下側臂晶體管發(fā)射極連在一起 相 應外接電流檢測電阻 L298 的內部結構如圖 3 1 所示 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設計 論文 34 圖 3 1 L298 內部結構圖 L298 各引腳特性如下 CURRENT SENSING A 和 CURRENT SENSING B 引腳 1 和引腳 15 用來連接電流檢測電阻 LOGIC SUPPLY VOLTAGE VSS 引腳 9 接邏輯控制部分的電源 常用 5V SUPPLY VOLTAGE VS 引腳 4 為電機驅動電源 INPUT1 INPUT2 INPUT3 INPUT4 引腳 5 7 10 12 輸入 標準 TTL 邏輯電平信號 用來控制 H 橋的開與關 ENABLE A 和 ENABLE B 引腳 6 和引腳 11 為使能控制端 當為 低電平時 L298 不工作 OUTPUT1 OUTPUT2 OUTPUT3 和 OUTPUT4 引腳 2 3 13 14 為輸出 控制電機 GND 引腳 8 則為接地腳 L298 的封裝及各管腳如圖 3 2 所示 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設計 論文 35 圖 3 2 L298 的封裝圖 3 2 2 電機驅動電路設計 本設計中將電機采用 L297 L298 實現(xiàn)環(huán)行分配器與功率放大器的功能 L297 是電機控制集成芯片 包括環(huán)形分配器 采用模擬 數(shù)字電路兼容的 I L 工藝 20 腳 DIP 塑料封裝 常以 5V 供電 全部信號線是 TTL CMOS 兼2 容 L297 四相驅動信號 應用于微處理機控制兩相雙極性和四相單極性電機 電動機可由半階梯 正常和斬波驅動模式驅動 同時設于晶片內的 PWM 斬波 線路容許以開關形式控制線路的電流 此器件只需要時鐘 方向和模式輸入信 號 相位是由內部產生的 因此可減輕微處理機和程序設計的負擔 單片機 L297 L298 構成步進電動機控制驅動器電路 單片機發(fā)出時鐘信號 正反轉 信號 工作模擬信號 復位信號 使能輸入信號及控制信號 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設計 論文 36 圖 3 3 電機驅動電路 L297 的引腳 17 控制電機的轉向 取 1 和取 0 時的轉向CW 相反 18 為步進脈沖信號輸入端 在每一個脈沖的下降沿 電機CLOK 產生一步步進 19 為半步或基本步矩模式設置 為 1 時是半FULHA 步模式 為 0 時是基本步距 取低電平 當脈沖分配器工作于奇L 數(shù)狀態(tài) 則為兩相激勵方式 當工作于偶數(shù)狀態(tài) 則為單相激勵方式 11 斬波控制 當為 0 時控制 5 和 8 當為 1 時CONTRL1INT2I 控制 10 使能輸入 當為 0 時 ABDE NTAB 和 4 6 7 和 9 都為 0 20 是異步復位信號 其作用是將RES 環(huán)行脈沖分配器復位 當輸入為 0 時 脈沖分配器回到初狀態(tài) HOME 此時 狀態(tài)輸出信號 HOME 為 1 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設計 論文 37 L298 引腳 SENSE A 和 SENSE B 1 和 15 用來連接電流檢測電阻 VSS 9 接邏輯控制部分的電源 常用 5V VS 4 為電機驅動電源 IN1 IN2 IN3 IN4 5 7 10 12 輸入標準 TTL 邏輯電平信號 既從 L297 的輸出口 4 6 7 9 輸出的信號 用來控制 H 橋的開與關 EnA 和 EnB 6 和 11 為使能控制端 當為低電平時 L298 不工作 OUT1 OUT2 OUT3 和 OUT4 2 3 13 和 14 為輸出 控制電機 GND 8 則為接地腳 用 L297 輸出信號可控制 L298 雙 H 橋驅動集成電路 構成一個完整的系統(tǒng) 驅動四相步進電動機 最高電壓為 46V 每相電流達 2 5A 單片機與 L297 L298 集成電路構成的單片機控制驅動器 具有需要的元件 少 可靠性高 占空間少 裝配成本低等優(yōu)點 并且通過軟件開發(fā) 可以簡化 和減輕微型計算機的負擔 設計電路如圖 3 3 3 2 3 程序控制流程及代碼 步進電動機控制主要實現(xiàn)電動機啟動 停止 正轉 反轉 以滿足玩具遙 控車能夠實現(xiàn)左右轉彎 在此應用 80c51 單片機 需要改變運動狀態(tài)時 由外部開關 S1 S2 控制單片機中斷主程序的執(zhí) 行 實時控制電機按命令的要求運動 命令執(zhí)行結束后 重新返回主程序繼續(xù) 執(zhí)行 S1 用于控制電機正轉 S2 用于控制電機反轉 由設計過程知 采用定時器 T0 工作于方式 1 TMOD 值為 01H 時間常數(shù) 為 TH0 0FBH TL0 1EH 程序控制流程如圖 3 4 程序代碼如下 入口程序 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設計 論文 38 ORG 0000H LJMP MAIN ORG 000BH LJMP INQP 開 始 初始化 定時器 T0 初始化 啟動定時器 T0 開中斷 自動控制子程序 圖 3 4 電機控制流程 主程序 MAIN MOV TMOD 01H MOV TH0 0FBH MOV TL0 1EH SETB TR0 SETB ET0 SETB EA AJMP 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設計 論文 39 AJMP INQP T0 中斷程序 INQP MOV TH0 0FBH MOV TL0 1EH CJNE P3 0FAH X1 CPL P1 0 SETB P1 1 X1 CJNE P3 0F6H X2 CPL P1 0 SETB P1 1 X2 CJNE P3 0F5H X3 CPL P1 0 CLR P1 1 X3 CJNE P3 0F9H X4 CPL P1 0 CLR P1 1 X4 CJNE P3 0FEH X5 CPL P1 0 SETB P1 1 X5 CJNE P3 0FDH X7 CPL P1 0 CLR P1 1 蘇州科技學院天平學院畢業(yè)設計 論文 40 X6 RETI 3 3 直流電機控制 直流電動機是玩具遙控車的動力來源 直流電動機控制主要實現(xiàn)電動機啟 動 停止 加速 減速 以滿足玩具遙控車能夠實現(xiàn)以不同的速度前進 在此 應用 SPCE061A 單片機 3 3 1 直流電機驅動芯片的選擇 直流電機驅動芯片仍然選 L298 其芯片引腳功能在 3 2 1 中已經做過介紹 在此不在贅述 只對其控制直流電機做說明 L298 控制直流電機原理圖 3 5 如 下 由以上的 L298 控制直流電機的原理圖知道 當使能端接高電平時 又一 下三種情況 1 C 端接高電平 D 端接低電平 電機前進 即正轉 2 C 端接低電平 D 端接高電平 電機反向 即反轉 3 C 端和 D 端電平一樣時 電機快速制動 當使能端接低電平時 電機緩慢的停止轉動