李小靜，曹鶴，徐振

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基于MiniDriver的智能寫字小車的設(shè)計(jì)

李小靜，曹鶴，徐振

（鄭州科技學(xué)院 車輛與交通工程學(xué)院，河南 鄭州 450064）

運(yùn)用Doodle Bot的內(nèi)部函數(shù)庫(kù)，對(duì)智能小車的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行精確控制，實(shí)現(xiàn)寫字功能；同時(shí)利用藍(lán)牙模塊對(duì)照明系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程無線控制。該智能小車主要由MiniDriver控制板、伺服電機(jī)、藍(lán)牙模塊、鋰電池組和霍爾傳感器組成，通過程序的設(shè)定來實(shí)現(xiàn)智能小車書寫路徑的確定，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字、字母書寫和簡(jiǎn)單圖形的繪制。采用3D打印技術(shù)制作車身和相關(guān)零部件，能夠便捷的完成智能小車的設(shè)計(jì)。該智能小車可以用于建筑裝飾上地面基準(zhǔn)線的繪制，還可以用于日常娛樂和教學(xué)演示。

智能；藍(lán)牙；寫字；3D打印

前言

基于MiniDriver的智能寫字小車包含MiniDriver主控制器、伺服電機(jī)、霍爾傳感器、藍(lán)牙模塊、RGB燈和鋰電池組，其書寫功能是通過預(yù)先存儲(chǔ)在主控制器中的程序控制相關(guān)模塊的工作來完成的[1]。操作者運(yùn)用Android智能手機(jī)作為上位機(jī)發(fā)送信號(hào)，藍(lán)牙模塊接收信息并將信息傳送給主控制器，主控制器接受并處理信息后，控制RGB照明燈的開啟與關(guān)閉，從而為操作者提供照明和作為警示燈而存在。智能小車能夠根據(jù)存儲(chǔ)在主控制器中的程序執(zhí)行相應(yīng)的操作；操作者將設(shè)計(jì)完成的程序加載到主控制器中可以實(shí)現(xiàn)預(yù)先設(shè)定的操作，比如控制書寫筆的抬起與下落、準(zhǔn)確的控制智能小車移動(dòng)距離和實(shí)現(xiàn)文字的書寫和簡(jiǎn)單圖形的繪制。該智能小車能夠自主的完成字母和數(shù)字的書寫，使其具有娛樂的觀賞性；同時(shí)能幫助建筑工人完成基準(zhǔn)線的繪制，使其具有實(shí)用性。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 車身與相關(guān)零部件的設(shè)計(jì)與制作

20世紀(jì)90年代中期出現(xiàn)的3D打印技術(shù)到現(xiàn)在已經(jīng)得到極大的發(fā)展，[2]考慮到車身與相關(guān)零部件制作的經(jīng)濟(jì)性和便捷性，決定使用3D打印技術(shù)來制作車身與相關(guān)零部件。先根據(jù)預(yù)期設(shè)想和前期計(jì)算，通過三維制圖軟件CATIA繪制出智能小車的零件圖[3]，接著運(yùn)用切片軟件將待打印零件保存為STL格式，依次打印，最后使用熱熔膠槍和螺釘將車身與相關(guān)零部件組裝好。采用快速成型的擠壓式3D打印機(jī)，運(yùn)用PLA材質(zhì)、1.75mm的熱塑性塑料作為原材料，該材料使用可再生的植物資源（如玉米等）所提取出的淀粉原料制成，具有污染小、易成型、經(jīng)濟(jì)型好等優(yōu)點(diǎn)。智能小車車身設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 智能小車裝配圖

1.2 伺服電機(jī)的選擇

本設(shè)計(jì)中的三線伺服電機(jī)在收到主控制器發(fā)送的信號(hào)后，會(huì)立即旋轉(zhuǎn)一個(gè)脈沖所對(duì)應(yīng)的角度，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的輸出。同時(shí)，伺服電機(jī)[4]自身能夠發(fā)出脈沖，所以伺服電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度后，都會(huì)發(fā)出對(duì)應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣主控制器就能知道有多少信號(hào)發(fā)送到伺服電機(jī)上，又接收到多少脈沖回來，就能準(zhǔn)確的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)智能小車的精確控制。本設(shè)計(jì)中共有3個(gè)伺服電機(jī)，其中一個(gè)用于控制書寫筆的上升與下落；余下的兩個(gè)伺服電機(jī)作為動(dòng)力輸出裝置，使智能小車準(zhǔn)確移動(dòng)，由主控制器控制3個(gè)伺服電機(jī)同時(shí)工作，從而實(shí)現(xiàn)書寫功能。

1.3 霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器的選擇

該傳感器包括霍爾開關(guān)集成傳感器和磁性轉(zhuǎn)盤組成，其中磁性轉(zhuǎn)盤位于智能小車車輪的內(nèi)側(cè)，使用熱熔膠槍粘附在車輪內(nèi)側(cè)；霍爾開關(guān)集成傳感器固定智能小車車輪內(nèi)側(cè)對(duì)應(yīng)的底盤上，且兩者間距為2—3mm。由于磁性轉(zhuǎn)盤在被測(cè)智能小車車輪上粘附，當(dāng)被測(cè)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，磁性轉(zhuǎn)盤也隨著轉(zhuǎn)動(dòng)，固定在底盤上的霍爾開關(guān)集成傳感器就能夠隨著磁性轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖，通過檢測(cè)單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)，便可以知道被測(cè)對(duì)象的轉(zhuǎn)速，從而確定智能小車單位時(shí)間內(nèi)走的距離。智能小車的輪子轉(zhuǎn)動(dòng)一周，霍爾開關(guān)集成傳感器就能夠檢測(cè)到磁性轉(zhuǎn)盤上出現(xiàn)了4次脈沖信號(hào)，每次脈沖信號(hào)中智能小車移動(dòng)的的距離約為4mm。

1.4 電源的選用

選用3.7V鋰電池兩個(gè)，將兩個(gè)鋰電池并聯(lián)為智能小車供電。該聚合物鋰電池具有質(zhì)量輕、放電持久、可以循環(huán)充放電等優(yōu)點(diǎn)。另外，配備充電接口可以在需要的時(shí)候進(jìn)行二次充電。

1.5 照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)還具有可以遠(yuǎn)程藍(lán)牙控制的RGB燈，RGB色彩模式幾乎包含了人類視力所能感知的所有色彩，是目前運(yùn)用最廣的顏色系統(tǒng)之一。該照明系統(tǒng)可以在光線昏暗的地方實(shí)現(xiàn)照明，鮮艷的led燈光還能使附近的人員注意到智能小車的存在，保護(hù)了操作者和智能小車。本設(shè)計(jì)中的照明系統(tǒng)選用藍(lán)牙無線遙控[5]，遙控部分技術(shù)參數(shù)如下：芯片：采用CSR主流藍(lán)牙芯片； 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)：藍(lán)牙V2.0協(xié)議；輸入電壓：直流3.6V—6V；工作電流：10mA。

2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試

2.1 主控制器的設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)采用基于Atmega8A單片機(jī)的MiniDriver主控制器，該控制器包含兩路H橋驅(qū)動(dòng)，能夠同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩路直流電機(jī)，為控制智能小車準(zhǔn)確移動(dòng)提供了可能；該控制器上有藍(lán)牙模塊的接口，便于智能小車加裝藍(lán)牙模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程無線控制；同時(shí)控制器還包括8路IO插針，可以使用其中的IO插針連接控制書寫筆抬起與下落的伺服電機(jī)。

2.2 程序的設(shè)計(jì)

以Doodle Bot中的函數(shù)為基礎(chǔ)，通過主程序調(diào)用Go(距離)、Turn(角度)、Up()、Down()和End()函數(shù)來實(shí)現(xiàn)書寫功能，使用者還可以通過調(diào)用函數(shù)繪制個(gè)人設(shè)計(jì)的圖形。

寫字的步驟：

（1）找一個(gè)想要書寫的文字。

（2）使用繪圖工具，繪制出約為16mm間距的正方形網(wǎng)格圖，并將在此網(wǎng)格上繪制出你想寫的文字。

（3）改動(dòng)文字的線條，原則上盡量使更多的文字線條畫在網(wǎng)格上。

（4）觀察網(wǎng)格線圖形寫程序，調(diào)用Go(距離)、Turn(角度)、Up()、Down()和End()函數(shù)，沿網(wǎng)格線上走一格距離用函數(shù)Go(1)；書寫筆需要轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的角度用函數(shù)Turn(角度)，角度范圍（—180，+180）；書寫筆開始書寫用Down()函數(shù)；結(jié)束書寫用Up()函數(shù)；結(jié)束時(shí)用End（）函數(shù)。

（5）通過運(yùn)行智能小車，對(duì)比書寫的文字，若差距過大，再次進(jìn)行3和4步驟，直至操作者滿意。

繪制自己設(shè)計(jì)的圖形的步驟與寫字的步驟一樣，如果繪制過程中想改變圖形的色彩，可以使用延遲函數(shù)delay(時(shí)間)使智能小車暫時(shí)停止運(yùn)行，在更換書寫筆完成后，智能小車將繼續(xù)運(yùn)行。

2.3 線路連接和調(diào)試

按照元件布置接線連接引腳，安裝電氣元件，確保無誤后焊接。

調(diào)試：①檢查車身的組裝是否可靠，各模塊之間連接是否正確：

②接通電源，觀察各模塊是否正常運(yùn)行，是否有異?，F(xiàn)象發(fā)生。

③使用無線功能，測(cè)試RGB燈是否正常工作。

3 結(jié)論

在調(diào)試結(jié)束后，智能小車可以完成數(shù)字和英語(yǔ)字母的書寫，使用者可以通過相應(yīng)函數(shù)的調(diào)用來實(shí)現(xiàn)其書寫功能；還可以通過書寫步驟完成簡(jiǎn)單圖形的繪制，其中所有繪制圖形的程序需要一次全部下載到MiniDriver控制板中。

該設(shè)計(jì)能夠使智能小車自身實(shí)現(xiàn)劃基準(zhǔn)線的功能，有效的避免了由于墨汁給操作者帶來的不便，還使操作者在節(jié)約自己做基準(zhǔn)標(biāo)注時(shí)間的同時(shí)去從事其它工作，很大程度上節(jié)約了操作者的時(shí)間，提高了操作者的效率。

該智能小車還具有無線藍(lán)牙控制的RGB燈，該燈可以通過遠(yuǎn)程控制迅速的作出反應(yīng)，為操作者觀看智能小車的運(yùn)行結(jié)果提供照明，同時(shí)還可以提醒附近的人員這里有智能小車，這樣在保護(hù)人員安全的情況下，也保障了智能小車的完整性。

[1] 陳玉敏,謝瑋,孟憲民,et al.智能寫字機(jī)器人設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制, 2016, 24(1):266-268.

[2] 李小麗,馬劍雄,李萍,et al. 3D打印技術(shù)及應(yīng)用趨勢(shì)[J].自動(dòng)化儀表, 2014, 35(1):1-5.

[3] 蘇國(guó)霞.CATIA軟件在汽車研發(fā)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用[J].硅谷, 2014(1):25-26.

[4] 望威,周茜.實(shí)用機(jī)器人制作講座（九）:機(jī)器人驅(qū)動(dòng)DC電機(jī)的控制[J].電子制作, 2004(1):54-59.

[5] 王桂坤,吳承達(dá),蔡謹(jǐn)民, et al. 基于藍(lán)牙控制技術(shù)的智能小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中山大學(xué)研究生學(xué)刊(自然科學(xué).醫(yī)學(xué)版), 2015(2):50-61.

Design of Intelligent Writing Car Based on MiniDriver

Li Xiaojing, Cao He, Xu Zhen

( Zhengzhou Institute Of Science And Technology, College of Vehicle and Transportation Engineering, Henan Zhengzhou 450064 )

Using the technology of Doodle Bot, the movement of the smart car is precisely controlled to realize the writing function. At the same time, the Bluetooth module is used to wirelessly control the lighting system. The smart car mainly consists of a MiniDriver control board, a servo motor, a Bluetooth module, a lithium battery pack and a Hall sensor. The setting of the program is used to determine the writing path of the smart car, and the drawing of numbers, letters and simple pictures can be realized. The body and related parts are made using 3D printing technology. The smart car can be used for the drawing of ground reference lines on architectural decorations, as well as for daily entertainment and teaching demons -trations.

smart; bluetooth;writing;3D printing

U462

A

1671-7988(2019)08-58-03

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李小靜，碩士，就職于鄭州科技學(xué)院，研究防線：混合動(dòng)力汽車建模仿真。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.08.018