機電一體化大作業 自動跟隨行李箱設計機電一體化大作業自動跟隨行李箱設計 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）曾小良 20127632 胡宇涵20127626（傳動，程序） 指導老師：李敏2014年11月目錄自動跟隨行李箱設計1總體思路21.引言32.控制系統硬件設計思路32.1控制芯片的設計32.2超聲波傳感器的設計42.3電源的設計 52.4無線串口模塊設計62.5直流電機驅動設計7 2.6蓄電池的選擇103.傳動設計104.程序設計125.模型結構13自動跟隨行李箱設計 總體思路控制系統通過測距傳感器感知主人的方位與距離，以實現智能跟隨的功能。硬件電路主要采用單片機、超聲波測距模塊、電機驅動模塊、無線串口信號傳輸模塊；軟件部分由上下位傳感器調試程序構成。行李箱的驅動采用直流電機驅動，直流電機的動力來源由蓄電池提供。總體參數設計：行李箱的外觀尺寸為70cm40cm20cm，總質量20kg、根據成人步行的一般速度設計跟隨速度為，正常工作時間為4小時。（計算所涉及的重力加速度。）1.引言隨著社會的進步，智能化技術已經應用到各行各業，利用傳感器自動導航的機器人已經得到應用，但使用CCD攝像頭傳感器，價格高，處理復雜，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，成本低等優點，因此本設計中采用超聲波傳感器，成功實現行李箱的自動跟隨。2.控制系統硬件設計思路單片機通過采集行李箱前面5個超聲波的值，判斷行人的當前位置，然后控制直流電機，實現行李箱的轉向，前進，后退等功能，單片機通過無線串口模塊，把當前傳感器數據傳輸給上位機，通過上位機數據顯示來進行傳感器好壞的判斷和距離閥值的修改。圖1 控制系統硬件控制結構圖2.1控制芯片的設計本控制器采用飛思卡爾公司生產的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，可以實現本控制器的功能。圖2 控制芯片電路圖2.2超聲波傳感器的設計本傳感器采用HY-SRF超聲波模塊，工作電壓為5V，工作電流為15MA，工作頻率40HZ，最遠探測距離4.5M，最近探測距離2CM，探測角度為15度，在本設計中行李箱前部均勻分布有5個傳感器，實現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電源的設計 在本設計中單片機，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5 LM2940電路原理圖2.4無線串口模塊設計無線串口采用APC200-43多通道為功率嵌入式無線數據傳輸模塊。APC200-43模塊式高度集成半雙工微功率無線數據傳輸模塊，提供多個頻道的選擇，可在線修改串口速率，發射功率，發射頻率等各種參數，同時具有小體積寬電壓運行，傳輸距離較遠可以應用與本設計中。圖6 APC200-43無線串口模塊APC200A-43模塊是高度集成半雙工微功率無線數據傳輸模塊，其嵌入高速單片機和高性能射頻芯片。創新的采用高效的循環交織糾檢錯編碼，抗干擾和靈敏度都大大提高，最大可以糾24bits連續突發錯誤，達到業內的領先水平。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據，而用戶無須編寫復雜的設置與傳輸程序，并提供UART/TTL，RS485以及RS232三種接口。同時小體積，寬電壓運行，較遠傳輸距，豐富便捷的軟件編程設置功能，使APC200A-43模塊能夠應用與非常廣泛的領域。 2.5直流電機驅動設計在本設計中電機驅動模塊采用L298N雙H橋直流電機驅動器。本驅動供電范圍5v-7v，最大功率20W。本模塊可以控制2個直流電機的正反停。因為是四輪驅動，所以采用2塊L298N雙H橋直流電機驅動器可滿足要求。輪半徑R=5cm，跟隨速度為。假設行李箱質量分布均勻，則有每一個輪所受的力為50N。輪胎與路面的滾動摩擦系數如下表，將行李箱滾輪近似視為實心橡膠輪胎，路面為優質路面，將滾動摩擦系數近似取0.1。表1 輪胎與路面的滾動摩擦系數表則有：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：，轉速：。電機的輸出轉矩T和總的摩擦力矩相等，則有電機的輸出功率。考慮到電機效率一般為80%，故實際電機功率根據摩擦力扭矩1NM選擇電機型號，并結合控制電路所選電機如下表加色行,具體參數見表格。表2 JGB37-520直流電機參數表型號：JGB37-520參數表電壓Voltage空載No Load堵轉Stall減速器Reducer重量范圍額定轉速電流轉速電流扭矩扭矩電流減速比尺寸WeightWorkableRatedSpeedCurrentSpeedCurrentTorqueTorqueCurrentRatioSize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的轉動慣量；：輪2的轉動慣量；：皮帶和工件的總質量（kg）；：輪1的直徑（cm）；：輪2的直徑（cm）；綜上，電機功率選擇25W。2.6蓄電池的選擇由于直流電機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直流電機的參數來確定蓄電池的參數。根據前面的計算和查閱資料我們知道電機的功率為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=14=4Ah。根據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DC-DC電路將電壓轉換為5V后輸送到直流電機。考慮到成本，我們采用LC-RO64R5(6V4.5AH)鉛酸蓄電池。表3 LC-RO64R5(6V4.5AH)鉛酸蓄電池基本參數外型尺寸：70*48*102，總高108（mm）類型：固定型蓄電池化學類型：鉛酸蓄電池型號：LC-RO64R5NA 6V4.5AH品牌：Panasonic 松下額定容量：4.5AH3.傳動設計傳動模型如圖7所示，圖7 電機、傳動裝置和負載的傳動模型圖中電動機M轉子的轉動慣量 電動機M的角位移 負載L的轉動慣量 摩擦阻轉矩i-齒輪系G的總傳動比根據傳動關系有：；其中： 分別為電動機的角位移、角速度、角加速度； 分別為負載的角位移、角速度、角加速度； 換算到電動機軸上的阻抗轉矩為； 換算到電動機軸上的阻抗轉矩為。設Tm為電動機的驅動轉矩，在忽略傳動裝置慣量的前提下，根據旋轉運動方程，電動機軸上的合轉矩Ta為根據加速度最大原則，令解得若不