跟隨式自動行李箱

./WORD格式可編輯機(jī)電一體化大作業(yè)自動跟隨行李箱設(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,程序指導(dǎo)老師：李敏2014年11月.目錄TOC\o"1-3"\h\u自動跟隨行李箱設(shè)計(jì)1總體思路 21.引言32.控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)思路32.1控制芯片的設(shè)計(jì)32.2超聲波傳感器的設(shè)計(jì)42.3電源的設(shè)計(jì)52.4

無線串口模塊設(shè)計(jì) 62.5

直流電機(jī)驅(qū)動設(shè)計(jì) 72.6蓄電池的選擇103.傳動設(shè)計(jì)104.程序設(shè)計(jì)125.模型結(jié)構(gòu)13自動跟隨行李箱設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)智能跟隨的功能。硬件電路主要采用單片機(jī)、超聲波測距模塊、電機(jī)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(jī)驅(qū)動,直流電機(jī)的動力來源由蓄電池提供?？傮w參數(shù)設(shè)計(jì)：行李箱的外觀尺寸為70cm×40cm×20cm,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,正常工作時間為4小時?！灿?jì)算所涉及的重力加速度。1.引言隨著社會的進(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(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)探測距離4.5M,最近探測距離2CM,探測角度為15度,在本設(shè)計(jì)中行李箱前部均勻分布有5個傳感器,實(shí)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(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5LM2940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(yùn)行,傳輸距離較遠(yuǎn)可以應(yīng)用與本設(shè)計(jì)中。圖6APC200-43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(dá)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(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)動設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中電機(jī)驅(qū)動模塊采用L298N雙H橋直流電機(jī)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(jī)的正反停。因?yàn)槭撬妮嗱?qū)動,所以采用2塊L298N雙H橋直流電機(jī)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(shí)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(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?？紤]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1N·M選擇電機(jī)型號,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2JGB37-520直流電機(jī)參數(shù)表型號：JGB37-520參數(shù)表電壓Voltage空載NoLoad

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WeightWorkableRatedSpeedCurrentSpeedCurrentTorqueTorqueCurrent

RatioSize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(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,因此我們在選擇蓄電池的時候主要根據(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,正常工作時間為4小時。故蓄電池容量為Q=It=1×4=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(jī)。考慮到成本,我們采用LC-RO64R5<6V4.5AH>鉛酸蓄電池。表3LC-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(jì)傳動模型如圖7所示,圖7電機(jī)、傳動裝置和負(fù)載的傳動模型圖中電動機(jī)M轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量電動機(jī)M的角位移負(fù)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(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；換算到電動機(jī)軸上的阻抗轉(zhuǎn)矩為；換算到電動機(jī)軸上的阻抗轉(zhuǎn)矩為。設(shè)Tm為電動機(jī)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(yùn)動方程,電動機(jī)軸上的