胡云霄，丁 頌，趙文寶，安旭松

(長春師范大學(xué)工程學(xué)院，吉林長春 130032)

根據(jù)全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽主題“重力勢能驅(qū)動的自控行走小車越障競賽”要求設(shè)計重力小車，其驅(qū)動行使的動能是由質(zhì)量為1kg的標(biāo)準(zhǔn)砝碼(鋼制φ50mm×65mm)鉛垂下降400mm來獲得。并由除人工交互遙控外的機械或電控裝置自動實現(xiàn)具有賽道障礙識別、軌跡判斷及自動轉(zhuǎn)向功能和制動功能，小車示意圖如圖1所示。為使小車在如圖2所示的賽道中行駛，其分為平賽道和坡道，坡道位置位于直賽道中央，出發(fā)線在平賽道上，距離坡道起始位置大于1m，具體位置在兩端直線、半圓弧切點處，賽道邊緣設(shè)有高度為80mm的道牙擋板，并間隔不等(隨機)交錯設(shè)置多個高度約80mm的障礙板，其最小板間距為1m，每個障礙板從賽道一側(cè)邊緣延伸至超過中線130mm。本文中設(shè)計了一種機電結(jié)合的基于51單片機自控越障尋跡小車以滿足競賽主題要求。

圖1 小車示意圖

1 小車傳動系統(tǒng)設(shè)計

砝碼的重力勢能轉(zhuǎn)化為小車動能驅(qū)動小車前行，砝碼重力勢能一定，傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率越高，小車行駛的距離越遠(yuǎn)。本文設(shè)計的傳動系統(tǒng)由齒輪、定滑輪、繞線輪組成，該系統(tǒng)用于進(jìn)行運動傳遞和能量轉(zhuǎn)換。

[指導(dǎo)教師]丁 頌(1984- )，男，副教授，博士，從事機械傳動研究。

圖2 賽道示意圖

圖3 滑輪傳動簡圖

圖4 系統(tǒng)傳動簡圖

傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖3和圖4所示，其中，1和9為支撐，當(dāng)砝碼2下落時，重力勢能通過繩子4經(jīng)定滑輪3傳到繞線輪5，以順時針方向?qū)⒗K子纏繞在繞線輪5上。隨著砝碼2的下落，繩子4帶動繞線輪5以逆時針方向轉(zhuǎn)動，使齒輪6、7以逆時針方向轉(zhuǎn)動，后輪軸8和后輪10以逆時針方向轉(zhuǎn)動，從而將重力勢能轉(zhuǎn)化成使小車向前行駛的動能，小車向前行駛。SolidWorks虛擬建模小車如圖5所示。

圖5 小車三維圖

圖6 轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 小車電控硬件設(shè)計

2.1 障礙檢測模塊

障礙檢測模塊為自控越障尋跡小車的主要模塊之一，障礙檢測模塊要精準(zhǔn)、高速地采集障礙物信息，選用E18-d50NK型光電開關(guān)作為障礙檢測模塊的檢測元件，光電開關(guān)利用被檢測物對光束的反射，由同步回路選通電路，檢測物體有無。運用光電開關(guān)來檢測小車到障礙物的距離，得到小車的位置信息，通過反饋控制使小車產(chǎn)生相應(yīng)動作。

2.2 轉(zhuǎn)向控制模塊

主控模塊通過反饋作用調(diào)用障礙檢測模塊檢測到的位置信息，對其進(jìn)行處理，通過改變STC12C5410單片機的PWM端口輸出的脈寬調(diào)制輸出信號控制舵機轉(zhuǎn)角大小，實現(xiàn)對小車轉(zhuǎn)向控制，改變小車的行駛方向，其控制結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

2.3 硬件總體電路設(shè)計

控制系統(tǒng)是由信號輸入裝置、執(zhí)行器和控制單元組成，本文是以STC12C5410單片機作為主控模塊的主芯片，該控制系統(tǒng)由主控模塊、障礙檢測模塊、轉(zhuǎn)向控制模塊等組成，總體框圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)總體框圖

圖8 系統(tǒng)總體電路

系統(tǒng)的總體電路如圖8所示。分別選用P3.2引腳和P3.3引腳作為光電開光P6、P7檢測小車位置信息的信號輸入端口，光電開關(guān)P6、P7檢測得到小車與障礙物的位置信息，經(jīng)預(yù)處理通過信號輸入端口進(jìn)入STC12C5410單片機U1內(nèi)部自帶的A/D轉(zhuǎn)換器，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)處理后通過PWM產(chǎn)生一個可調(diào)的高低電平信號輸出，輸出信號通過單片機U1的P1.1引腳傳送給舵機P5，調(diào)節(jié)舵機P5轉(zhuǎn)角，控制小車的轉(zhuǎn)向，ISP端口在本系統(tǒng)作為程序下載和在線調(diào)試。

3 小車控制程序設(shè)計

自控越障尋跡小車在前行過程中，單片機控制系統(tǒng)需要接收識別電路信號，采用PWM脈寬調(diào)制，產(chǎn)生一個可調(diào)高低電平信號，控制舵機的轉(zhuǎn)角，從而實現(xiàn)小車轉(zhuǎn)向?？刂葡到y(tǒng)基于KeiluVision 4軟件采用C語言編程，并采用模塊化設(shè)計方法以便于程序調(diào)試。

主程序根據(jù)小車所處位置的不同，確定舵機的任務(wù)，使小車產(chǎn)生相應(yīng)的動作。程序流程圖如圖9所示，當(dāng)小車在賽道上行走時，系統(tǒng)對光電開關(guān)信號進(jìn)行快速的判斷處理，當(dāng)距離等于25cm時，為可調(diào)的光電開關(guān)檢測距離值，當(dāng)距離小于25cm時，光電開關(guān)檢測到障礙物燈亮，反之無障礙物燈滅，具體情況如下：左邊光電開關(guān)燈亮右邊燈滅，舵機右轉(zhuǎn)120度；左邊光電開關(guān)燈亮右邊燈亮，舵機保持該時刻狀態(tài)；左邊光電開關(guān)燈滅右邊燈亮，舵機左轉(zhuǎn)60度；左邊光電開關(guān)燈滅右邊燈滅，舵機保持該時刻狀態(tài)。

圖9 程序流程圖

4 結(jié)語

本文進(jìn)行基于51單片機自控越障尋跡小車的傳動系統(tǒng)、電控硬件和控制程序進(jìn)行設(shè)計。實現(xiàn)小車靠重力勢能轉(zhuǎn)化進(jìn)行動力驅(qū)動，51單片機自動控制小車的行進(jìn)方向，實現(xiàn)自控越障尋跡平穩(wěn)運行，達(dá)到預(yù)期效果。

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