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作者希望通过完整的记录一个寻迹小车
FollowMe
的设计、制作过程,来引导
想入门的人,并且通过这个过程形成一个相对一致的平台,此后大家可以以这
个平台为基础,逐步构建一个相对集中、持久的主题,不断进行交流、提高。
寻迹小车 FollowMe
—— 之一:起因、目标及车体设计
作者:Hanker
一、 背景
两年前的 6 月,我发表了一篇有关机器人入门的文章 —— “关于初级机器人入门项
目的设想”,没有得到响应。两年来,论坛上的变化有限,仍然缺少可以连续关
注的主题。由于那时我还有工作在身,所以只能提提设想,没有办法自己去尝
试。现在我已不需要应付工作,可以做一些想做的事了。眼看又到了暑假,旧
话重提,但这次我想通过我的具体行动促成这件事,希望能得到响应。
在这两年中,我一直在关注、思考这方面的问题:如何能让有意学习嵌入式控
制的人得到有效的帮助?感谢一位网友所发的“国外机器人俱乐部”的帖子,通
过浏览这些俱乐部的网站,我受到了很大的启发,同时也激发了我做此事的热
情。
这次,我想通过完整的记录一个寻迹小车的设计、制作过程,来引导想入门的
人,并且通过这个过程形成一个相对一致的平台,此后大家可以以这个平台为
基础,逐步构建一个相对集中、持久的主题,不断进行交流、提高。这是我期
望的目标。
因为我希望有人能与我同行,所以将文章的题目设为:寻迹小车 FollowMe。
为了有可能做到这一点,我将整个过程分为 8 次发表,每周一次,从
设计构思开始,直到最后的调试结果,这样有意参与者可以同步实施,
还可以相互交流。我将公布所有的技术细节,包括结构设计图、电原
理图、PCB、软件等等,以及设计中是如何考虑的,器件选择的依据,
调试中所遇到的问题等。希望能起到抛砖引玉的作用,更希望在这个
过程中有人也能发表自己的作品,形成一个“百花齐放、百家争鸣”的局
面。
二、 概述
以自制方式为主制作一辆低成本的寻迹小车,用于学习嵌入式应用(单片机),
这个项目有两个基本的出发点:
1. 便于自制,成本低廉,可以让大多数人参与;
2. 有可以改进的空间,包括机械性能和电器性能,为进一步学习、提高提
供可能。
还有一个潜在的延伸目标:
利用这个平台引入国外较流行的比赛项目 —— MiniSumo。
我觉得轨迹赛虽然比较普及,但是缺少趣味,改进的激励因素偏少。而
MiniSumo 是对抗性项目,趣味性大大增加了,比赛场地要求也比较低,只需
一个 70cm 的圆台即可,便于开展。对于参与者而言,改进小车的激励因素较
多,可以促使学习者得到更多的收获。
但是轨迹项目是最好的入门项目,所以还是以此开始。
三、需求分析
基于上述目标,这个项目的需求如下:
外形尺寸不大于 10*10cm(MiniSumo 的规则要求);
在满足走轨迹的要求的同时兼顾 MiniSumo 灵活性的需求;
机械机构要简单,取材要方便,便于自制;
成本要低(期望车体部分控制在 50 - 60 元左右,连基本的控制部分 200
元以内);
电机要有一定的改进可能,便于逐步提高机械性能,以满足 MiniSumo
的要求;
电机的驱动电路也要有可能扩充,以满足电机的要求;
控制部分要容易上手,有便宜的开发手段;
控制部分要有扩充、提高的可能,满足 MiniSumo 中的高级需要;
控制部分组成要灵活,便于不同学习目标的人有所选择。
四、车体设计
4.1 设计依据
因为要考虑日后能够用于 MiniSumo 竞赛,所以车体尺寸必须在 10*10cm 范围
内。而且 MiniSumo 对车的运动灵活性要求较高,基本不能考虑模型汽车的转
向机制,所以将利用模型底盘改制的可能排除了,必须使用两轮转向机制的结
构。
车体设计主要考虑的因素有:底盘、电机选择、驱动方式。
底盘设计:为了便于制作,日后在上面安装其它东西方便,同时具有一定的重
量,使小车运行稳定,所以采用 10mm 厚的聚氯乙烯板材制作,此材料便宜,
加工特性好,可以直接打孔攻丝,不像有机玻璃那样易碎,只是美观差一些。
外形设计成圆型,主要是为了在 MiniSumo 中不至于频繁的互相卡死。
电机:电机的选择是最困难的,既要便宜,又要容易使用,还要有改进提高的
可能。四驱车的 130 电机应当是最好的选择,此种电机有便宜到几块钱的,也
可以花费上百元改制,使之性能大大提高。如果选择带减速机构的电机,驱动
方式是很方便,直接将轮子固定在齿轮箱的输出轴上即可,但不足是:其一是
价格高,通常一只在 30 元以上。其二是改变电机性能比较困难。所以还是选择
了 130 电机。
驱动方式:因为选择了 130 电机,驱动方式就相对麻烦。开始受到论坛上曾介
绍的那辆纽扣电池小车的启发,才决定采用 130 电机的,因为他那种摩擦传动
方式比较容易实现。后初步尝试了一下,效果不好,主要是压紧了之后,电机
轴与轴套间的摩擦损耗太大,压松了打滑。后改用皮带传动才得以实现。
之所以没有选择齿轮传动,主要是因为没有选到合适的齿轮,而且觉得难以得
到不同规格的齿轮,想改变传动比就很困难。用皮带传动只需改变传动轮的大
小即可得到所需的传动比,而传动轮制作比齿轮方便许多。
为了简单且不受制约,轮子自制,轮胎用 O 型密封圈,轮毂和皮带传动轮合并,
采用尼龙棒车制。传动皮带也是用 O 型密封圈。这种方式可以按照自己的需求
随意改变轮子的大小和宽窄,比较灵活。O 型密封圈规格较多,取材方便,价
格也便宜,通常在一元以下一只。
车体采用了两轮驱动方式后,另外一个支撑点就成了问题,多数万向轮对于这
个 10cm 的小车来说太大了。我为此设计了一个使用 10mm 钢珠的球形支点,
在摩擦小的时候是滑动,摩擦大时滚动,性能基本能满足要求,且价格很便宜,
总共不到 2 元钱。
4.2 详细设计
车体中底盘、轮毂、小传动皮带轮(安装在电机轴上的)、球形支撑座采用自
制方式,详见所附设计图纸。
固定电机采用最常见的固定管线夹,规格 20mm 的,大部分五金电器店均有。
目前设计的传动比为 8:1,轮胎选用内径 30mm、粗 5mm 的 O 型密封圈。
传动皮带选用内径 35mm、粗 1.8mm 的 O 型密封圈。
为了轮子转动灵活,中心嵌入了一个内径 3mm、外径 10mm、厚度 4mm 的滚
珠轴承,轮子安装结构见附图。
之所以将车轮设计为直径约 40mm,是为了底盘下有一定的高度,便于安装光
电头,用于检测轨迹以及以后的 MiniSumo 中检测是否到边。
其它就是一些螺丝、螺母、垫圈等通用件了。
这样的小车底盘虽说不十分完善,但是相对来说基本满足了多数要求,且在上
面比较容易构建自己的结构,目前底盘上所设计的四个 M3 的螺丝孔就是为了
安装 25mm 的垫柱,构成 2 层平面,以安装控制部分。还可以升到 3 层,安装
自己需要的东西。关键是取材容易,便于自制,价格不高,除去几个自制件和
电机,其它的东西购买不超过 15 元。
以下是我在验证设计可行性过程中制作的原型及一些选用的标准件,供参考。
小车车体原型:
正面
反面
加装一个安装平面
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资源评论
- 须佐能乎552013-05-14使用效果很好的!
- xuhongfei124582012-11-06经过试验发现效果还可以~~~
windicanfly
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