《跟隨式自動(dòng)行李箱.doc》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《跟隨式自動(dòng)行李箱.doc（17頁珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

機(jī)電一體化大作業(yè) 自動(dòng)跟隨行李箱設(shè)計(jì) 組長： 劉志鴻20127631(模型建模) 組員: 張平亮20127624(模型建模) 鄭 順 20127627 孫健錕20127633（控制系統(tǒng)） 曾小良 20127632 胡宇涵20127626（傳動(dòng)，程序） 指導(dǎo)老師：李敏 2014年11月 目錄 自動(dòng)跟隨行李箱設(shè)計(jì) 1 總體思路 2 1.引言 3 2.控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)思路 3 2.1控制芯片的設(shè)計(jì) 3 2.2超聲波傳感器的設(shè)計(jì) 4 2.3電源的設(shè)計(jì) 5 2.4無線串口模塊設(shè)計(jì) 6 2.5直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì) 7 2.6蓄電池的選擇 10 3.傳動(dòng)設(shè)計(jì) 10 4.程序設(shè)計(jì) 12 5.模型結(jié)構(gòu) 13 自動(dòng)跟隨行李箱設(shè)計(jì) 總體思路 控制系統(tǒng)通過測(cè)距傳感器感知主人的方位與距離，以實(shí)現(xiàn)智能跟隨的功能。硬件電路主要采用單片機(jī)、超聲波測(cè)距模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、無線串口信號(hào)傳輸模塊；軟件部分由上下位傳感器調(diào)試程序構(gòu)成。行李箱的驅(qū)動(dòng)采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，直流電機(jī)的動(dòng)力來源由蓄電池提供。 總體參數(shù)設(shè)計(jì)：行李箱的外觀尺寸為70cm40cm20cm，總質(zhì)量20kg、根據(jù)成人步行的一般速度設(shè)計(jì)跟隨速度為，正常工作時(shí)間為4小時(shí)。（計(jì)算所涉及的重力加速度。） 1.引言 隨著社會(huì)的進(jìn)步，智能化技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到各行各業(yè)，利用傳感器自動(dòng)導(dǎo)航的機(jī)器人已經(jīng)得到應(yīng)用，但使用CCD攝像頭傳感器，價(jià)格高，處理復(fù)雜，成本高，如果在自動(dòng)跟隨行李箱中采用超聲波傳感器，其傳感器有體積小，處理簡(jiǎn)單，成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此本設(shè)計(jì)中采用超聲波傳感器，成功實(shí)現(xiàn)行李箱的自動(dòng)跟隨。 2.控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)思路 單片機(jī)通過采集行李箱前面5個(gè)超聲波的值，判斷行人的當(dāng)前位置，然后控制直流電機(jī)，實(shí)現(xiàn)行李箱的轉(zhuǎn)向，前進(jìn)，后退等功能，單片機(jī)通過無線串口模塊，把當(dāng)前傳感器數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)，通過上位機(jī)數(shù)據(jù)顯示來進(jìn)行傳感器好壞的判斷和距離閥值的修改。 圖1 控制系統(tǒng)硬件控制結(jié)構(gòu)圖 2.1控制芯片的設(shè)計(jì) 本控制器采用飛思卡爾公司生產(chǎn)的S12XS128芯片做控制芯片，S12芯片具有SCI,PWM等功能，同時(shí)具有豐富的I/O引腳，成本低廉是用方便， 可以實(shí)現(xiàn)本控制器的功能。 圖2 控制芯片電路圖 2.2超聲波傳感器的設(shè)計(jì) 本傳感器采用HY-SRF超聲波模塊，工作電壓為5V，工作電流為15MA，工作頻率40HZ，最遠(yuǎn)探測(cè)距離4.5M，最近探測(cè)距離2CM，探測(cè)角度為15度，在本設(shè)計(jì)中行李箱前部均勻分布有5個(gè)傳感器，實(shí)現(xiàn)前方都可以探測(cè)到人，防止視野死角。 圖3 超聲波傳感器電路圖 圖4 超聲波模塊 2.3電源的設(shè)計(jì) 在本設(shè)計(jì)中單片機(jī)，超聲波模塊，無線串口都需要5V供電，所以電源采用LM2940提供5V電壓。LM2940電路原理如圖所示。 圖5 LM2940電路原理圖 2.4無線串口模塊設(shè)計(jì) 無線串口采用APC200-43多通道為功率嵌入式無線數(shù)據(jù)傳輸模塊。APC200-43模塊式高度集成半雙工微功率無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，提供多個(gè)頻道的選擇，可在線修改串口速率，發(fā)射功率，發(fā)射頻率等各種參數(shù)，同時(shí)具有小體積寬電壓運(yùn)行，傳輸距離較遠(yuǎn)可以應(yīng)用與本設(shè)計(jì)中。 圖6 APC200-43無線串口模塊 APC200A-43模塊是高度集成半雙工微功率無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，其嵌入高速單片機(jī)和高性能射頻芯片。創(chuàng)新的采用高效的循環(huán)交織糾檢錯(cuò)編碼，抗干擾和靈敏度都大大提高，最大可以糾24bits連續(xù)突發(fā)錯(cuò)誤，達(dá)到業(yè)內(nèi)的領(lǐng)先水平。APC200A-43模塊提供了多個(gè)頻道的選擇，能夠透明傳輸任何大小的數(shù)據(jù)，而用戶無須編寫復(fù)雜的設(shè)置與傳輸程序，并提供UART/TTL，RS485以及RS232三種接口。同時(shí)小體積，寬電壓運(yùn)行，較遠(yuǎn)傳輸距，豐富便捷的軟件編程設(shè)置功能，使APC200A-43模塊能夠應(yīng)用與非常廣泛的領(lǐng)域。 2.5直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì) 在本設(shè)計(jì)中電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用L298N雙H橋直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。本驅(qū)動(dòng)供電范圍5v-7v，最大功率20W。本模塊可以控制2個(gè)直流電機(jī)的正反停。因?yàn)槭撬妮嗱?qū)動(dòng)，所以采用2塊L298N雙H橋直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可滿足要求。輪半徑R=5cm，跟隨速度為。假設(shè)行李箱質(zhì)量分布均勻，則有每一個(gè)輪所受的力為50N。輪胎與路面的滾動(dòng)摩擦系數(shù)如下表，將行李箱滾輪近似視為實(shí)心橡膠輪胎，路面為優(yōu)質(zhì)路面，將滾動(dòng)摩擦系數(shù)近似取0.1。 表1 輪胎與路面的滾動(dòng)摩擦系數(shù)表 則有： 每一個(gè)滾輪所受到的滾動(dòng)摩擦力： ， 滾動(dòng)摩擦力形成的力矩： ； 行李箱受到的總摩擦力： ， 總的摩擦力矩： 滾輪角速度： ， 轉(zhuǎn)速： 。 電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩T和總的摩擦力矩相等，則有電機(jī)的輸出功率。 考慮到電機(jī)效率一般為80%，故實(shí)際電機(jī)功率 根據(jù)摩擦力扭矩1NM選擇電機(jī)型號(hào)，并結(jié)合控制電路所選電機(jī)如下表加色行,具體參數(shù)見表格。 表2 JGB37-520直流電機(jī)參數(shù)表 型號(hào)：JGB37-520 參數(shù)表 電壓Voltage 空載No Load 堵轉(zhuǎn)Stall 減速器Reducer 重量 范圍 額定 轉(zhuǎn)速 電流 轉(zhuǎn)速 電流 扭矩 扭矩 電流 減速比 尺寸 Weight Workable Rated Speed Current Speed Current Torque Torque Current Ratio Size 單位 Range Volt.V rpm ma rpm ma kg.cm kg.cm A 1:00 mm g 3-9 6v 1280 300 896 700 0.07 0.28 2 6.25 19 144 3-9V 6V 800 300 640 700 0.1 0.4 2 10 19 144 3-9V 6V 425 300 340 700 0.18 0.72 2 18.8 22 150 3-9V 6V 266 200 212 500 0.3 1.2 2 30 22 150 3-9V 6V 142 200 113 400 0.56 2.2 2 56 24 158 3-9V 6V 88 100 70 400 0.9 3.6 2 90 24 158 3-9V 6V 61 100 48 350 1.3 5.2 2 131 26.5 ， ,, ， , , 說明： ：輪1的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量[]； ：輪2的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量[]； ：皮帶和工件的總質(zhì)量（kg）； ：輪1的直徑（cm）； ：輪2的直徑（cm）； 綜上，電機(jī)功率選擇25W。 2.6蓄電池的選擇 由于直流電機(jī)是該行李箱的主要耗能部件，因此我們?cè)谶x擇蓄電池的時(shí)候主要根據(jù)直流電機(jī)的參數(shù)來確定蓄電池的參數(shù)。根據(jù)前面的計(jì)算和查閱資料我們知道電機(jī)的功率為25W，工作電壓為5V，工作電流為1A，正常工作時(shí)間為4小時(shí)。故蓄電池容量為Q=It=14=4Ah。根據(jù)市場(chǎng)上出售的蓄電池，我們選用6V，4.5Ah的蓄電池。蓄電池輸出的電經(jīng)DC-DC電路將電壓轉(zhuǎn)換為5V后輸送到直流電機(jī)。考慮到成本，我們采用LC-RO64R5(6V4.5AH)鉛酸蓄電池。 表3 LC-RO64R5(6V4.5AH)鉛酸蓄電池基本參數(shù) 外型尺寸： 70*48*102，總高108（mm） 類型： 固定型蓄電池 化學(xué)類型： 鉛酸蓄電池 型號(hào)： LC-RO64R5NA 6V4.5AH 品牌： Panasonic 松下 額定容量： 4.5AH 3.傳動(dòng)設(shè)計(jì) 傳動(dòng)模型如圖7所示， 圖7 電機(jī)、傳動(dòng)裝置和負(fù)載的傳動(dòng)模型 圖中電動(dòng)機(jī)M轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 電動(dòng)機(jī)M的角位移 負(fù)載L的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 摩擦阻轉(zhuǎn)矩 i----齒輪系G的總傳動(dòng)比 根據(jù)傳動(dòng)關(guān)系有： ； 其中： 分別為電動(dòng)機(jī)的角位移、角速度、角加速度； 分別為負(fù)載的角位移、角速度、角加速度； 換算到電動(dòng)機(jī)軸上的阻抗轉(zhuǎn)矩為； 換算到電動(dòng)機(jī)軸上的阻抗轉(zhuǎn)矩為。設(shè)Tm為電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，在忽略傳動(dòng)裝置慣量的前提下，根據(jù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方程，電動(dòng)機(jī)軸上的合轉(zhuǎn)矩Ta為 根據(jù)加速度最大原則，令解得 若不計(jì)摩擦力，即；則 n=2，i=52.63，按照最小質(zhì)量原則，查圖8可得。 圖8 二、三傳動(dòng)比分配線圖 4.程序設(shè)計(jì) 下位機(jī)程序主要實(shí)現(xiàn)超聲波傳感器的數(shù)據(jù)采集、判斷；電機(jī)的控制；串口數(shù)據(jù)的發(fā)送等功能。程序設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。 圖9 程序流程圖 5.模型結(jié)構(gòu) 圖10 整體外觀 圖11 各零部件結(jié)構(gòu)圖