跟隨式自動行李箱.doc

機電一體化大作業(yè) 自動跟隨行李箱設(shè)計機電一體化大作業(yè)自動跟隨行李箱設(shè)計 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，程序） 指導(dǎo)老師：李敏2014年11月目錄自動跟隨行李箱設(shè)計1總體思路21.引言32.控制系統(tǒng)硬件設(shè)計思路32.1控制芯片的設(shè)計32.2超聲波傳感器的設(shè)計42.3電源的設(shè)計 52.4無線串口模塊設(shè)計62.5直流電機驅(qū)動設(shè)計7 2.6蓄電池的選擇103.傳動設(shè)計104.程序設(shè)計125.模型結(jié)構(gòu)13自動跟隨行李箱設(shè)計 總體思路控制系統(tǒng)通過測距傳感器感知主人的方位與距離，以實現(xiàn)智能跟隨的功能。硬件電路主要采用單片機、超聲波測距模塊、電機驅(qū)動模塊、無線串口信號傳輸模塊；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)動采用直流電機驅(qū)動，直流電機的動力來源由蓄電池提供?？傮w參數(shù)設(shè)計：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)計跟隨速度為，正常工作時間為4小時。（計算所涉及的重力加速度。）1.引言隨著社會的進步，智能化技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到各行各業(yè)，利用傳感器自動導(dǎo)航的機器人已經(jīng)得到應(yīng)用，但使用CCD攝像頭傳感器，價格高，處理復(fù)雜，成本高，如果在自動跟隨行李箱中采用超聲波傳感器，其傳感器有體積小，處理簡單，成本低等優(yōu)點，因此本設(shè)計中采用超聲波傳感器，成功實現(xiàn)行李箱的自動跟隨。2.控制系統(tǒng)硬件設(shè)計思路單片機通過采集行李箱前面5個超聲波的值，判斷行人的當(dāng)前位置，然后控制直流電機，實現(xiàn)行李箱的轉(zhuǎn)向，前進，后退等功能，單片機通過無線串口模塊，把當(dāng)前傳感器數(shù)據(jù)傳輸給上位機，通過上位機數(shù)據(jù)顯示來進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，同時具有豐富的I/O引腳，成本低廉是用方便，可以實現(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，最遠探測距離4.5M，最近探測距離2CM，探測角度為15度，在本設(shè)計中行李箱前部均勻分布有5個傳感器，實現(xiàn)前方都可以探測到人，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 在本設(shè)計中單片機，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)，同時具有小體積寬電壓運行，傳輸距離較遠可以應(yīng)用與本設(shè)計中。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)錯誤，達到業(yè)內(nèi)的領(lǐng)先水平。APC200A-43模塊提供了多個頻道的選擇，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。同時小體積，寬電壓運行，較遠傳輸距，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直流電機驅(qū)動設(shè)計在本設(shè)計中電機驅(qū)動模塊采用L298N雙H橋直流電機驅(qū)動器。本驅(qū)動供電范圍5v-7v，最大功率20W。本模塊可以控制2個直流電機的正反停。因為是四輪驅(qū)動，所以采用2塊L298N雙H橋直流電機驅(qū)動器可滿足要求。輪半徑R=5cm，跟隨速度為。假設(shè)行李箱質(zhì)量分布均勻，則有每一個輪所受的力為50N。輪胎與路面的滾動摩擦系數(shù)如下表，將行李箱滾輪近似視為實心橡膠輪胎，路面為優(yōu)質(zhì)路面，將滾動摩擦系數(shù)近似取0.1。表1 輪胎與路面的滾動摩擦系數(shù)表則有：每一個滾輪所受到的滾動摩擦力：，滾動摩擦力形成的力矩：；行李箱受到的總摩擦力：，總的摩擦力矩：滾輪角速度：，轉(zhuǎn)速：。電機的輸出轉(zhuǎn)矩T和總的摩擦力矩相等，則有電機的輸出功率?？紤]到電機效率一般為80%，故實際電機功率根據(jù)摩擦力扭矩1NM選擇電機型號，并結(jié)合控制電路所選電機如下表加色行,具體參數(shù)見表格。表2 JGB37-520直流電機參數(shù)表型號：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WeightWorkableRatedSpeedCurrentSpeedCurrentTorqueTorqueCurrentRatioSize單位RangeVolt.Vrpmmarpmmakg.cmkg.cmA1:00mmg3-96v12803008967000.070.2826.25191443-9V6V8003006407000.10.4210191443-9V6V4253003407000.180.72218.8221503-9V6V2662002125000.31.2230221503-9V6V1422001134000.562.2256241583-9V6V88100704000.93.6290241583-9V6V61100483501.35.2213126.5 ， ,，,說明：輪1的轉(zhuǎn)動慣量；：輪2的轉(zhuǎn)動慣量；：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，電機功率選擇25W。2.6蓄電池的選擇由于直流電機是該行李箱的主要耗能部件，因此我們在選擇蓄電池的時候主要根據(jù)直流電機的參數(shù)來確定蓄電池的參數(shù)。根據(jù)前面的計算和查閱資料我們知道電機的功率為25W，工作電壓為5V，工作電流為1A，正常工作時間為4小時。故蓄電池容量為Q=It=14=4Ah。根據(jù)市場上出售的蓄電池，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。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：LC-RO64R5NA 6V4.5AH品牌：Panasonic 松下額定容量：4.5AH3.傳動設(shè)計傳動模型如圖7所示，圖7 電機、傳動裝置和負載的傳動模型圖中電動機M轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量 電動機M的角位移 負載L的轉(zhuǎn)動慣量 摩擦阻轉(zhuǎn)矩i-齒輪系G的總傳動比根據(jù)傳動關(guān)系有：；其中： 分別為電動機的角位移、角速度、角加速度； 分別為負載的角位移、角速度、角加速度； 換算到電動機軸上的阻抗轉(zhuǎn)矩為； 換算到電動機軸上的阻抗轉(zhuǎn)矩為。設(shè)Tm為電動機的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，在忽略傳動裝置慣量的前提下，根據(jù)旋轉(zhuǎn)運動方程，電動機軸上的合轉(zhuǎn)矩Ta為根據(jù)加速度最大原則，令解得若不