方許銳，肖宏磊，夏渠紅

（吉林大學(xué)交通學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130022）

基于57步進(jìn)電機(jī)的道路標(biāo)線(xiàn)自動(dòng)劃線(xiàn)車(chē)

方許銳，肖宏磊，夏渠紅

（吉林大學(xué)交通學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130022）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)的公路建設(shè)也進(jìn)入了一個(gè)迅猛的發(fā)展階段。就道路標(biāo)線(xiàn)而言，目前多采用手推劃線(xiàn)機(jī)進(jìn)行人工噴涂，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，工人的精神負(fù)擔(dān)重，因此設(shè)計(jì)出一臺(tái)由程序自動(dòng)控制的劃線(xiàn)小車(chē)，在路面上能夠繪制出簡(jiǎn)單獨(dú)立的道路標(biāo)線(xiàn)。針對(duì)現(xiàn)有的采用手推劃線(xiàn)車(chē)的道路劃線(xiàn)方式，提出了道路標(biāo)線(xiàn)自動(dòng)劃線(xiàn)車(chē)的想法并進(jìn)行了研究。采用單片機(jī)程序控制和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪，編寫(xiě)標(biāo)線(xiàn)圖案程序，設(shè)計(jì)杠桿結(jié)構(gòu)控制噴涂開(kāi)關(guān)，達(dá)到劃線(xiàn)車(chē)沿圖案線(xiàn)型行駛并繪制標(biāo)線(xiàn)的目的。此裝置在一定程度上降低了工作人員的緊張程度，提高了工作效率。

單片機(jī)；步進(jìn)電機(jī)；杠桿；脈沖頻率控制

1 設(shè)計(jì)原理

1.1 設(shè)計(jì)思路

以單片機(jī)控制原理和機(jī)械制造為理論基礎(chǔ)，首先通過(guò)軟件Keil編譯出相關(guān)交通標(biāo)志的程序代碼，再通過(guò)串口部分將其傳輸給小車(chē)的單片機(jī)處，單片機(jī)則將相應(yīng)的程序轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的圖形名稱(chēng)呈現(xiàn)在顯示屏上。在裝置開(kāi)機(jī)后，通過(guò)按鍵選擇所需繪制的圖案線(xiàn)型，并把裝置放在基點(diǎn)處。然后裝置通過(guò)單片機(jī)給驅(qū)動(dòng)器發(fā)送電信號(hào)，單片機(jī)內(nèi)預(yù)存有所需繪制圖案的程序，劃線(xiàn)車(chē)開(kāi)始沿線(xiàn)型行駛，并在需要繪線(xiàn)的地方控制電推桿向上推動(dòng)杠桿機(jī)構(gòu)的一端，使另一端下降壓迫噴灌，從而噴出油漆繪制圖案，完成標(biāo)線(xiàn)圖案繪制。

1.2 研究方法

新型的道路標(biāo)線(xiàn)自動(dòng)劃線(xiàn)車(chē)為實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)畫(huà)線(xiàn)的要求，采用單片機(jī)開(kāi)發(fā)板作為其主控大腦，并在單片機(jī)開(kāi)發(fā)板上接入57步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)輪，以保證路線(xiàn)行駛的準(zhǔn)確性；設(shè)計(jì)了一套杠桿機(jī)構(gòu)作為噴涂的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。據(jù)此，我們對(duì)主控系統(tǒng)、電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、人機(jī)交互界面進(jìn)行了深入的研究。圖1所示為工作流程。

圖1 工作流程圖

2 理論模型

2.1 差速轉(zhuǎn)彎模型

本項(xiàng)目車(chē)體采用三輪式結(jié)構(gòu)，前輪為一個(gè)單向輪，后2個(gè)輪子為步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)的主動(dòng)輪，分別由2個(gè)驅(qū)動(dòng)器獨(dú)立控制，能夠互不干擾地實(shí)現(xiàn)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。車(chē)體轉(zhuǎn)彎的核心思想是將圓弧段劃分成微段的直線(xiàn)段，通過(guò)后面2個(gè)輪子產(chǎn)生速度差來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎的功能。

假設(shè)電機(jī)一個(gè)脈沖歩距角為K，輪徑為D，兩輪之間輪距為L(zhǎng)，輪距中心至轉(zhuǎn)動(dòng)的圓心之間距離為S，轉(zhuǎn)過(guò)的角度為α，轉(zhuǎn)彎內(nèi)側(cè)輪接收脈沖m1個(gè)，外側(cè)輪接收脈沖m2個(gè)，如圖2所示。

圖2 電機(jī)各個(gè)量示意圖

根據(jù)幾何關(guān)系可以得到：

當(dāng)V左＞V右時(shí)，車(chē)子向右邊轉(zhuǎn)彎；當(dāng)V左＜V右時(shí)，車(chē)子向左邊轉(zhuǎn)彎；當(dāng)V左＝V右時(shí)，車(chē)子前進(jìn)或者后退。

2.2 脈沖頻率控制

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移或線(xiàn)位移的機(jī)電元件。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸入量是脈沖序列，輸出量則為相應(yīng)的增量位移或步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。每當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器收到一個(gè)脈沖信號(hào)（由STC89C52單片機(jī)發(fā)出）時(shí)，它就讓驅(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，即步距角，通過(guò)多重信號(hào)的累加即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)按照規(guī)定的角度運(yùn)轉(zhuǎn)。

3 裝置模塊及工作原理

3.1 主控系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由STC89C52單片機(jī)組成，單片機(jī)內(nèi)部編寫(xiě)存儲(chǔ)了圖案線(xiàn)型的程序。STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。系統(tǒng)具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8K字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，32位I/O口線(xiàn)，3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，4個(gè)外部中斷，一個(gè)7向量4級(jí)中斷結(jié)構(gòu)（兼容傳統(tǒng)51的5向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)），全雙工串行口。

3.2 電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)模塊

本項(xiàng)目電機(jī)采用扭矩為2.3N×M，四線(xiàn)兩相制的57步進(jìn)電機(jī)，型號(hào)為J-5718HB3401。該電機(jī)屬于混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（HB），綜合了反應(yīng)式和永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)兩者的優(yōu)點(diǎn)，它的步距角小，出力大，動(dòng)態(tài)性能好，是目前性能最高的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。驅(qū)動(dòng)器采用TB6600型驅(qū)動(dòng)器，其接口采用高速光耦隔離，自動(dòng)半流減少發(fā)熱量，可達(dá)到低振動(dòng)、小噪聲和高速度的效果?？梢栽谥骺叵到y(tǒng)的控制下平穩(wěn)地驅(qū)動(dòng)57步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而完成一系列指定動(dòng)作。

3.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)是小車(chē)噴涂劃線(xiàn)的直接操縱部分，包括電推桿、杠桿和噴灌等，結(jié)構(gòu)主體是杠桿機(jī)構(gòu)，杠桿一端的動(dòng)力臂是電推桿，杠桿另一端的阻力臂是噴罐。電推桿接收來(lái)自單片機(jī)的信號(hào)立即向上運(yùn)動(dòng)，從而壓迫杠桿另一端的噴灌使其噴出油漆，實(shí)現(xiàn)了即時(shí)命令，即時(shí)劃線(xiàn)。

3.4 人機(jī)交互界面

人機(jī)交互單元主要包括含字庫(kù)的12864顯示屏和按鍵。12864點(diǎn)陣液晶顯示模塊是由128×64個(gè)液晶顯示點(diǎn)組成的一個(gè)128列64行的陣列。每一個(gè)液晶顯示點(diǎn)由二進(jìn)制數(shù)0和1表示，0表示該點(diǎn)滅，1表示該點(diǎn)亮。由所需圖形或漢字找出所對(duì)應(yīng)液晶顯示亮點(diǎn)的位置，再確定其對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)單元的位置，從而將所需的點(diǎn)陣信息寫(xiě)入到RAM中，由此顯示屏即可顯示出所需的漢字信息。人機(jī)交互單元通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)與單片機(jī)相連。

3.5 劃線(xiàn)機(jī)的構(gòu)架

劃線(xiàn)車(chē)為三輪機(jī)構(gòu)，后輪為2個(gè)57步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪旋轉(zhuǎn)，前輪為單向萬(wàn)向輪。車(chē)底盤(pán)為鋁制合金，剛度大不易變形。車(chē)上安裝杠桿機(jī)構(gòu)、電推桿和噴灌，可由程序控制噴灌的噴涂動(dòng)作。顯示屏和按鍵連接在電路板上，再將電路板固定在車(chē)的底板支架上。

4 總結(jié)展望

本項(xiàng)目采用全自動(dòng)模式進(jìn)行道路劃線(xiàn)，試驗(yàn)結(jié)果滿(mǎn)足預(yù)期構(gòu)想，繪制出的標(biāo)線(xiàn)比較精準(zhǔn)，大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，充分滿(mǎn)足了相關(guān)行業(yè)對(duì)劃線(xiàn)產(chǎn)品的要求，適用于普通道路和一些人為劃線(xiàn)存在危險(xiǎn)性的路段，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步改裝可以做成墻壁自動(dòng)繪圖機(jī)器人，二次可開(kāi)發(fā)空間大。

［1］郭天祥.新概念51單片機(jī)C語(yǔ)言教程［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

［2］孫建忠.電機(jī)與拖動(dòng)［M］.第三版.北京：北京機(jī)械工業(yè)出版社，2016.

［3］張斌，周英，羅衛(wèi)華.點(diǎn)陣式液晶顯示器LM12864與51單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)［J］.電子世界，2004（2）.

〔編輯：劉曉芳〕

TM383.6

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10.15913/j.cnki.kjycx.2017.15.128

2095-6835（2017）15-0128-02