方許銳,肖宏磊,夏渠紅
(吉林大學交通學院,吉林長春130022)
基于57步進電機的道路標線自動劃線車
方許銳,肖宏磊,夏渠紅
(吉林大學交通學院,吉林長春130022)
隨著經(jīng)濟的發(fā)展,我國的公路建設也進入了一個迅猛的發(fā)展階段。就道路標線而言,目前多采用手推劃線機進行人工噴涂,費時費力,工人的精神負擔重,因此設計出一臺由程序自動控制的劃線小車,在路面上能夠繪制出簡單獨立的道路標線。針對現(xiàn)有的采用手推劃線車的道路劃線方式,提出了道路標線自動劃線車的想法并進行了研究。采用單片機程序控制和步進電機驅(qū)動車輪,編寫標線圖案程序,設計杠桿結構控制噴涂開關,達到劃線車沿圖案線型行駛并繪制標線的目的。此裝置在一定程度上降低了工作人員的緊張程度,提高了工作效率。
單片機;步進電機;杠桿;脈沖頻率控制
1.1 設計思路
以單片機控制原理和機械制造為理論基礎,首先通過軟件Keil編譯出相關交通標志的程序代碼,再通過串口部分將其傳輸給小車的單片機處,單片機則將相應的程序轉(zhuǎn)化為對應的圖形名稱呈現(xiàn)在顯示屏上。在裝置開機后,通過按鍵選擇所需繪制的圖案線型,并把裝置放在基點處。然后裝置通過單片機給驅(qū)動器發(fā)送電信號,單片機內(nèi)預存有所需繪制圖案的程序,劃線車開始沿線型行駛,并在需要繪線的地方控制電推桿向上推動杠桿機構的一端,使另一端下降壓迫噴灌,從而噴出油漆繪制圖案,完成標線圖案繪制。
1.2 研究方法
新型的道路標線自動劃線車為實現(xiàn)其自動畫線的要求,采用單片機開發(fā)板作為其主控大腦,并在單片機開發(fā)板上接入57步進電機作為驅(qū)動輪,以保證路線行駛的準確性;設計了一套杠桿機構作為噴涂的執(zhí)行機構。據(jù)此,我們對主控系統(tǒng)、電機及其驅(qū)動模塊、執(zhí)行機構、人機交互界面進行了深入的研究。圖1所示為工作流程。
圖1 工作流程圖
2.1 差速轉(zhuǎn)彎模型
本項目車體采用三輪式結構,前輪為一個單向輪,后2個輪子為步進電機帶動的主動輪,分別由2個驅(qū)動器獨立控制,能夠互不干擾地實現(xiàn)獨立運動。車體轉(zhuǎn)彎的核心思想是將圓弧段劃分成微段的直線段,通過后面2個輪子產(chǎn)生速度差來實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎的功能。
假設電機一個脈沖歩距角為K,輪徑為D,兩輪之間輪距為L,輪距中心至轉(zhuǎn)動的圓心之間距離為S,轉(zhuǎn)過的角度為α,轉(zhuǎn)彎內(nèi)側(cè)輪接收脈沖m1個,外側(cè)輪接收脈沖m2個,如圖2所示。
圖2 電機各個量示意圖
根據(jù)幾何關系可以得到:
當V左>V右時,車子向右邊轉(zhuǎn)彎;當V左<V右時,車子向左邊轉(zhuǎn)彎;當V左=V右時,車子前進或者后退。
2.2 脈沖頻率控制
步進電動機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的機電元件。步進電動機的輸入量是脈沖序列,輸出量則為相應的增量位移或步進運動。每當步進電機的驅(qū)動器收到一個脈沖信號(由STC89C52單片機發(fā)出)時,它就讓驅(qū)動步進電機按設定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度,即步距角,通過多重信號的累加即可實現(xiàn)電機按照規(guī)定的角度運轉(zhuǎn)。
3.1 主控系統(tǒng)
該系統(tǒng)主要由STC89C52單片機組成,單片機內(nèi)部編寫存儲了圖案線型的程序。STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。系統(tǒng)具有以下標準功能:8K字節(jié)Flash,512字節(jié)RAM,32位I/O口線,3個16位定時器/計數(shù)器,4個外部中斷,一個7向量4級中斷結構(兼容傳統(tǒng)51的5向量2級中斷結構),全雙工串行口。
3.2 電機及其驅(qū)動模塊
本項目電機采用扭矩為2.3N×M,四線兩相制的57步進電機,型號為J-5718HB3401。該電機屬于混合式步進電動機(HB),綜合了反應式和永磁式步進電動機兩者的優(yōu)點,它的步距角小,出力大,動態(tài)性能好,是目前性能最高的步進電動機。驅(qū)動器采用TB6600型驅(qū)動器,其接口采用高速光耦隔離,自動半流減少發(fā)熱量,可達到低振動、小噪聲和高速度的效果??梢栽谥骺叵到y(tǒng)的控制下平穩(wěn)地驅(qū)動57步進電機旋轉(zhuǎn),從而完成一系列指定動作。
3.3 執(zhí)行機構
執(zhí)行機構是小車噴涂劃線的直接操縱部分,包括電推桿、杠桿和噴灌等,結構主體是杠桿機構,杠桿一端的動力臂是電推桿,杠桿另一端的阻力臂是噴罐。電推桿接收來自單片機的信號立即向上運動,從而壓迫杠桿另一端的噴灌使其噴出油漆,實現(xiàn)了即時命令,即時劃線。
3.4 人機交互界面
人機交互單元主要包括含字庫的12864顯示屏和按鍵。12864點陣液晶顯示模塊是由128×64個液晶顯示點組成的一個128列64行的陣列。每一個液晶顯示點由二進制數(shù)0和1表示,0表示該點滅,1表示該點亮。由所需圖形或漢字找出所對應液晶顯示亮點的位置,再確定其對應的存儲單元的位置,從而將所需的點陣信息寫入到RAM中,由此顯示屏即可顯示出所需的漢字信息。人機交互單元通過數(shù)據(jù)傳輸線與單片機相連。
3.5 劃線機的構架
劃線車為三輪機構,后輪為2個57步進電機驅(qū)動車輪旋轉(zhuǎn),前輪為單向萬向輪。車底盤為鋁制合金,剛度大不易變形。車上安裝杠桿機構、電推桿和噴灌,可由程序控制噴灌的噴涂動作。顯示屏和按鍵連接在電路板上,再將電路板固定在車的底板支架上。
本項目采用全自動模式進行道路劃線,試驗結果滿足預期構想,繪制出的標線比較精準,大大降低了勞動強度,充分滿足了相關行業(yè)對劃線產(chǎn)品的要求,適用于普通道路和一些人為劃線存在危險性的路段,在此基礎上進一步改裝可以做成墻壁自動繪圖機器人,二次可開發(fā)空間大。
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〔編輯:劉曉芳〕
TM383.6
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10.15913/j.cnki.kjycx.2017.15.128
2095-6835(2017)15-0128-02