Hanker循迹小车系列1.docx
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Hanker循迹小车系列1
【Hanker循迹小车系列】循迹小车FollowMe之一
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:
3)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:
1)外形尺寸不大于10*10cm(MiniSumo的规则要求);
2)在满足走轨迹的要求的同时兼顾MiniSumo灵活性的需求;
3)机械机构要简单,取材要方便,便于自制;
4)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);
5)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;
6)电机的驱动电路也要有可能扩充,以满足电机的要求;
7)控制部分要容易上手,有便宜的开发手段;
8)控制部分要有扩充、提高的可能,满足MiniSumo中的高级需要;
9)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
O型密封圈
固定管线夹
滚珠轴承
(未完待续)
参考资料:
1)摩擦传动方式的桌面寻线小车http:
//elm-chan.org/works/ltc/report.html
2)MiniSumo竞赛规则http:
//www.botlanta.org/MonthlyContest/sumo/mini-sumo.html
3)MiniSumo竞赛视频
附件:
1)底盘设计图
2)轮毂及皮带传动轮设计图
3)滚珠轴承盖设计图
4)小皮带传动轮设计图
5)球形支撑座设计图
6)车轮安装示意图
7)球形支撑示意图
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