从机械到电路教你做智能小车

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1、X-SHARK智能小车V1.0设计参考手册西安电子科技大学测控技术与仪器教研中心2006-05-091．概述X-SHARK智能巡线小车模型是一辆完全由PCB拼装的小车。所有的机械结构和零部件都安装固定在电路板上。因此完全不需要机械加工，非常适合业余机器人爱好者自制。本文简述了X-SHARK智能巡线小车的设计思路和实现过程。包括小车的机械结构、电路、软件、控制算法、调试方法等。可作为一般的设计参考。小车的左右后轮分别由2只6V直流减速电机提供动力；前导向轮是一只万向轮。430单片机的PWM发生器产生2路占空比可变的方波，经三极管扩流后分别驱动后轮

2、左右电机。控制2路PWM的比例，不仅可以调节小车向前运动的速度，还可通过2路PWM占空比的差异，改变小车运动方向。10只反射式红外传感器位于小车前方，垂直探测地面的黑线。由传感器采回的数据求出黑线偏移量，由PID算法计算出转弯量，再计算PWM发出两轮的速度差，控制小车沿轨迹行驶。小车离意外开黑线时，传感器无数据，还有相应的错误处理和寻线程序。2．机械结构2．1后轮（驱动轮）两块2mm厚的PCB板通过2支沉头螺栓定为一体，构成了后轮的主体。用小锉刀沿两板夹缝，挫一道V型槽，上一条O型橡胶圈，就构成一只轮胎。后轮的固定采用过盈配合。轮的中心孔为2.

3、8mm,比电机轴略小0.2mm。PCB板挖空2个圆孔，并用狭缝和中心孔贯通，构成一个有弹性的“卡缝”。将电机轴用力推入轮中心孔，PCB由于弹性形变会略微扩张，弹力将轴紧紧抱死。改进：现在的缺点是O型圈容易脱落，可用704硅橡胶固定。另外为了固定O型圈，需要用挫加工V型槽。可改为3块PCB构成轮子，中间一块半径略小2mm。2．2前轮（导向轮）前轮是决定小车能否灵活拐弯的关键部分。这辆小车和汽车不同，不是靠前轮摆舵控制转弯，而是靠左右后轮速度差来实现转弯控制。这样前轮实际上是从动轮。下图中，当左轮速度高于右轮时，小车右转弯；前轮的速度可以分解为前进

4、的速度和水平侧移的速度。普通定轴前轮只能垂直方向前进，水平方向是无法左右滑动的。因此小车不可能实现拐弯（实际的结果是：因为前轮不能活动，右轮也成了从动轮，两轮速度一样，直线前进）。所以前轮一定要能够侧滑，并能转向。最简单的方法是使用万向轮。一般机械上使用的万向轮非常笨重，实验效果很不理想。这里我们设计了一种简易的万向轮：用一根镀锌铁丝弯成半圆形作为支架，穿一小轮。当小车右转弯时，小轮相对于支架左滑动（其实是小轮因为地面摩擦而不动，支架右滑），转弯角也随之改变；小轮还会根据转弯量自动地调整到合适的角度。这种结构小轮是自由的，只要有轻微的力，就能使

5、小轮滑动，转向非常灵活。2．3电机小车的动力采用直流减速电机直接驱动，省去了齿轮组、传动部件等复杂的机械结构。这里选择了6V/300rpm的电机，速度和力矩都比较适中。电机的安装采用焊接。电机背面2个电源端子用粗铜丝焊在电路板上，克服电机自由转动。电路板上刻有一比电机略长的槽口，卡住电机，用拉紧的铜丝焊在电路板将电机固定，克服前后运动。改进：减速电机成本高，且300rpm以上的电机需12V供电，不方便。竞速车可改为录音机的磁带驱动电机（约3000rpm，车轮要减小）。2．4传感器传感器选用反射式红外传感器ST188，它的最佳探测距离为4-12m

6、m。因此需要调整传感器离路面的高度8mm左右。传感器引脚很细，容易晃动，需要穿过一块支撑板以增加强度；同时还可以通过铜柱的高度或增加垫片来细调传感器离地面的距离。3．硬件电路3．1电机驱动电路左右轮电机由2只三极管S9013控制。当PWM_L为高时，Q6导通，左轮电机MG1通电，当PWM_L为低时，Q6截止，MG1失电。控制PWM_L信号高低电平的时间比，就可以控制MG1的转速。同样的方法控制右轮，利用左右轮速度差还可以转向。二极管是为了防止电机线圈电感突然断开时，产生的高压击穿三极管。102电容吸收电机电刷火花产生的干扰，防止其干扰其他电子设

7、备。3.2传感器电路传感器采用反射式红外传感器，来读取黑线位置。为了提高控制精度，要求传感器排列紧密，越近越好。但传感器排列紧密，传感器发射管的光线可能会从地面反射进入临近传感器的接收管。为消除传感器之间互相干扰，传感器分5组，由P_SEN1~P_SEN5这5根IO口控制传感器的电源。下图是传感器电路的一部分。传感器采取脉冲扫描式读。例如某时刻P_SEN1高电平，其余P_SEN2~5低，这样1、6号传感器的红外发射管亮，其余传感器不发射红外线。等待数据稳定后，读取1、6号传感器的数据。然后关闭1、6号传感器，打开2、7号传感器电源，依次类推，读

8、取10个传感器的数据。这样可以保证任何时刻都不会有临近的传感器同时工作。从而保证了相邻传感器之间不会互相干扰。同时，红外发射管是除了电机之外耗电最大的