葉林勇 張碧云

一、引言

從節(jié)省成本、多功能化和自動(dòng)化方面考慮，我們創(chuàng)作了一輛以智能小車為載體地自動(dòng)劃線機(jī)，本項(xiàng)目所搭建的自動(dòng)劃線機(jī)可以根據(jù)實(shí)際需要，設(shè)定智能小車的運(yùn)行軌跡，帶動(dòng)小車上面的劃線系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)劃線，提高工作效率。

二、劃線機(jī)的設(shè)計(jì)思路

1.劃線機(jī)的構(gòu)架：劃線機(jī)由一輛可以自動(dòng)行走的智能小車組成，采用三輪結(jié)構(gòu)，前面的兩個(gè)輪子使用步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力裝置，采用步進(jìn)電機(jī)的最大好處是路程長(zhǎng)度可以精確控制，而且不易打滑，后面一個(gè)輪子使用萬(wàn)向輪。國(guó)內(nèi)流行的智能小車普遍采用此結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)靈活，控制簡(jiǎn)單，小車的轉(zhuǎn)向控制通過(guò)前面兩個(gè)輪子的轉(zhuǎn)速差來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.控制核心：這個(gè)項(xiàng)目我們采用的是飛思卡爾的32位芯片KL26，該芯片采用ARM公司的Cortex MO架構(gòu)，最大特點(diǎn)是低功耗，系統(tǒng)工作時(shí)鐘達(dá)48MHz，擁有256K的flash存儲(chǔ)器，運(yùn)行速度快，程序存儲(chǔ)空間大，完全能夠勝任劃線小車的自動(dòng)化控制。

3.人機(jī)通信：劃線小車的人機(jī)通信由0.96寸的OLED和4*4矩陣按鍵組成，OLED液晶顯示的功能是顯示小車的運(yùn)行狀態(tài)、劃線形狀、設(shè)置的半徑等數(shù)據(jù)，可以提供良好的人機(jī)交互界面，方便用戶使用。選擇該顯示屏的原因是OLED本身體積小，無(wú)需背光，而且分辨率高，超低功耗，使用IIC通信方式，只需占用系統(tǒng)板的4個(gè)IO口，節(jié)約芯片的IO資源。在執(zhí)行劃線任務(wù)前，我們通過(guò)4*4矩陣按鍵向芯片輸入劃線數(shù)據(jù)，主要有形狀、大小、劃線速度等信息，芯片通過(guò)中斷掃描方式獲取按鍵輸入，并且實(shí)時(shí)顯示在OLED上。

4.劃線系統(tǒng)：劃線系統(tǒng)由一個(gè)由舵機(jī)、空心杯電機(jī)、滾筒組成。執(zhí)行劃線任務(wù)時(shí)，核心板向舵機(jī)輸出固定占空比的PWM波形，精確控制舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，使?jié)L筒下降執(zhí)行劃線任務(wù)，同時(shí)核心板控制水泵把顏料罐的顏料輸送到滾筒上，劃線結(jié)束時(shí)，反轉(zhuǎn)舵機(jī)，收起滾筒?？招谋姍C(jī)用于固定滾筒，可以減小滾筒在執(zhí)行劃線任務(wù)時(shí)的動(dòng)摩擦系數(shù)。

5.反饋系統(tǒng)：雖然使用步進(jìn)電機(jī)可以比較精確地控制劃線小車的運(yùn)行軌跡，但是步進(jìn)電機(jī)本身的控制誤差還有小車和劃線系統(tǒng)的機(jī)械誤差的存在，所以劃線過(guò)程中的誤差在所難免，本項(xiàng)目我們采用OV7725數(shù)字?jǐn)z像頭，實(shí)時(shí)采集劃線圖像，將所得數(shù)據(jù)傳回芯片，通過(guò)芯片預(yù)制的算法與我們預(yù)期的軌跡進(jìn)行對(duì)比，有錯(cuò)誤及時(shí)修正，保證劃線精度。

三、劃線小車的原理及性能分析

1.步進(jìn)電機(jī)的控制原理：步進(jìn)電機(jī)是一種可以將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰频拈_環(huán)控制元件。在非超載的情況下，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器收到一個(gè)脈沖信號(hào)時(shí)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。步進(jìn)電機(jī)一般有四拍和八拍兩種工作方式，四拍工作方式轉(zhuǎn)動(dòng)力矩較小。本項(xiàng)目采用兩相四線步進(jìn)電機(jī)，使用八拍工作方式，步距角為四拍工作時(shí)的一半，采用這種工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩又可以提高控制精度，減少劃線誤差。

2.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：由于我們使用的步進(jìn)電機(jī)為SV的小型減速步進(jìn)電機(jī)，工作電壓和電流比較小，所以我們沒(méi)有采用主流韻步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298，本項(xiàng)目我們使用L9110芯片作為兩相四線步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片為兩通道推挽式功率放大專用集成電路器件，有兩個(gè)TTL/CMOS兼容電平的輸入，可以直接接KL26系統(tǒng)板的輸出，它具有較大的電流驅(qū)動(dòng)能力，每通道能通過(guò)800mA的持續(xù)電流，峰值電流能力可達(dá)1.5A。由于電機(jī)為感性負(fù)載，線圈在通過(guò)電流時(shí)，會(huì)在兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)電流消失時(shí)，其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)會(huì)對(duì)電路中的元件產(chǎn)生反向電壓。L9110驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)置鉗位二級(jí)管，可以為反向電壓提供續(xù)流通道，使得它在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)上安全可靠。

3.劃線小車的運(yùn)行軌跡控制：由于通過(guò)步進(jìn)電機(jī)，我們可以精確地控制小車的運(yùn)行速度和停止的位置，所以可以比較簡(jiǎn)單的控制小車的運(yùn)行軌跡。比如我們想要小車劃出一個(gè)圓形，我們假設(shè)兩個(gè)輪子之間的距離為d，所作圓半徑為r，內(nèi)側(cè)輪子的線速度為V1，外側(cè)輪子線速度為V2，運(yùn)行時(shí)間為t，則兩個(gè)輪子的運(yùn)行距離分別為S1=V1*t，S2=V2*t，則V1/V2=S1/S2=（2*）/（2*）=r1/r2=r（r+d）。即控制內(nèi)外兩個(gè)輪子的速度比恒定，即可畫出圓形，速度比為r/（r+d），半徑即為r。

4.劃線機(jī)的機(jī)械性能和電氣性能分析：劃線小車的機(jī)械架構(gòu)由玻纖材料組成，硬度高，在壓力實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)合格。動(dòng)力裝置由減速步進(jìn)電機(jī)組成，減速比為1：50，采用減速步進(jìn)電機(jī)可以有效增加電機(jī)的旋轉(zhuǎn)力矩，同時(shí)采用八拍的工作方式，進(jìn)而增加了劃線小車的負(fù)重能力。電氣性能方面，KL26的核心開發(fā)板的加工經(jīng)過(guò)覆漆覆油防腐蝕等一系列操作，在信號(hào)流通控制上穩(wěn)定性優(yōu)良。電路板集成度高，節(jié)省成本，并且不浪費(fèi)資源，避免信號(hào)在電路板長(zhǎng)距離流通影響穩(wěn)定性。

四、結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)目具有很強(qiáng)的實(shí)用性，以我們創(chuàng)作的迷你智能劃線小車為基礎(chǔ)，對(duì)硬件尺寸適當(dāng)放大，改良，倘若能夠制作出在塑膠場(chǎng)地和水泥場(chǎng)地自動(dòng)劃線的智能劃線機(jī)，應(yīng)用前景廣闊。本項(xiàng)目的意義在于，能夠讓運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地的劃線工作更加簡(jiǎn)便化、自動(dòng)化、智能化。