环保机电产品综合设计-水路两栖观光车

济南大学毕业设计PAGE27-1前言车辆历来是部队陆地机动的重要装备，但自古以来，江河湖泊等水障是车辆行驶的天然屏障，车辆只能望“水”兴叹。随着技术的发展，集陆地机动和水上机动优点于一身的水陆两栖汽车出现了，拓展了车辆的机动范围，提高了部队的机动能力，在现代武器装备中占有重要的地位。水陆两栖汽车兼具车与船的特性，既可在陆上行驶，又可泛水浮渡，在军事、经济等领域具有广泛的应用价值。其可用于海军陆战队、登陆与反登陆部队伴随作战保障，用于岛屿部队的物资人员输送和边防部队的执勤巡逻，用于武警公安执行特种任务等。同时，水陆两栖车辆在国民经济的许多行业都有用武之地，如水利水电部门、防汛部门、野外勘测或水上作业的石油地质部门、环保部门、近海及淡水养殖以及水陆运输部门、水上旅游行业等[10]。1.1水陆两栖车的发展史第一辆水陆两栖车由美国人OliveEvans于1805年发明。为了能在水中行驶,他在车上装了轴和桨轮,用发动机飞轮轴的皮带和皮带轮来驱动桨轮。当这辆两栖车一到水中,车尾的桨轮开始工作,最早的水陆两栖车就这样面世了[14]。1883年,出现了脚踏的水陆两栖车AmphibiousTricycle,这是发明人MrTerry的突发奇想。拆开一辆脚踏三轮车,然后重新组装并披上帆布,就成了一艘12英尺长的小船。就在那年夏天,MrTerry脚踏这艘小舟横渡了英吉利海峡[14]。1894年,Beach&Harris公司推出了CycleRaft水陆两栖车,该车实际上是一辆装了两个充气浮囊的脚踏车,但结构复杂,并不实用[14]。1907年,法国人Ravailler开发出一种独木舟状的两栖车,名为“水陆一号”,它在陆上由1台20hp的发动机驱动,在水中由一个推进器推动,采用了实心轮胎的盘式轮作舵[14]。1926年,美国Wisconsin大学的学生决定把福特T型车改造成水陆两栖车,但该车一到水中就沉下去。几年以后,也是在美国,有报道说有人造出了一辆新奇的流线型水陆两栖车,它由1台后置的70hp航空发动机驱动,陆上时速为80mph,水中时速为25mph[14]。1.2国内外研究现状陆两栖车的出现改变了原来过河只能坐船的观点，是科学史上的一次创新。我觉得，水陆两栖车在未来世界中更多的会被用于军事领域中，因为在近海作战时，航母或者驱逐舰等大型单位很难接近海岸线，一旦接近，那便很快会成为被攻击的目标。而水陆两栖车就可以发挥其小快灵的特点：较小的体型是其不会被轻易攻击到；快速移动的能力使其可以迅速的接近海岸线，将陆战队运送到一线战场；而其灵活的水路、陆路转换移动能力，就可以在运送部队的同时，充当摧城拔寨的利器！水陆两栖汽车兼具车与船的特性，既可在陆上行驶，又可泛水浮渡，在军事、经济等领域具有广泛的应用价值。其可用于海军陆战队、登陆与反登陆部队伴随作战保障，用于岛屿部队的物资人员输送和边防部队的执勤巡逻，用于武警公安执行特种任务等。同时，水陆两栖车辆在国民经济的许多行业都有用武之地，如水利水电部门、防汛部门、野外勘测或水上作业的石油地质部门、环保部门、近海及淡水养殖以及水陆运输部门、水上旅游行业等。1.3选题的目的及意义随着汽车工业的迅速发展，关于汽车的研究也就越来越受人关注。对于当今现状过多的水面垃圾难以收集，目前收集此类水面垃圾还主要都依靠传统的人工收集，费时费力，效率极低，非常需要一种专门的自动水面垃圾收集器来高效、绿色的收集水面垃圾。本设计就是在这样的背景下提出的，可见其研究意义很大。随着汽车工业的迅速发展，关于汽车的研究也就越来越受人关注。全国电子大赛和省内电子大赛几乎每次都有智能小车这方面的题目，全国各高校也都很重视该题目的研究。本设计就是在这样的背景下提出的，具有自动寻迹、避障功能，可程控行驶速度。该设计具有实际意义，可以应用于考古、医疗器械等许多方面，尤其是在足球机器人研究方面具有很好的发展前景，现实意义很强。该设计具有实际意义，可以应用于救援、水面垃圾收集、军事等许多方面。尤其对于国内水面垃圾收集方面具有很好的利用空间；所以本设计与实际相结合，现实意义很强。1.4设计内容随着人们生活水平的提高，人们对美的要求也越来越高，城市人工湖的建造也越来越多，但快速发展的经济带来的水体污染也越来越严重。全国绝大部分护城河，人工湖都存在漂浮垃圾污染的问题，大大影响了城市风貌和危害了人体健康！如何清除塑料袋、矿泉水瓶等漂浮在人工湖等静水面上的垃圾已成为人们亟需解决的难题。目前收集此类水面垃圾还主要都依靠传统的人工收集，费时费力，效率极低，非常需要一种专门的自动水面垃圾收集器来高效、绿色的收集水面垃圾。本题目将城市观光车设计为水陆两栖功能，并在行驶过程中，实现对水面垃圾及路面垃圾的收集清洁工作。1.电源要求：满足观光要求，单次充电应能行驶50公里；2.电机的选择要求：考虑到电机运转平稳，精度有一定的保证，按要求选择电机；3.观光车尺寸：长4米左右，宽度1.5米左右，载人5人（含驾驶员）；4.重量及排水要求：观光车自重应<500KG，排水量1.5吨；5.速度要求：在陆地能平稳行驶，限速20公里/小时；在水中能抗4级风浪，限速10公里/小时；6.设计要求：车体要设计多级密封，在水中行驶，需提供救生设备；车头要设计流线式，在水中行驶尽量减少阻力，从而节省电源；在材料上的选择，车体要耐腐蚀，减少车重；水面驱动的选择，需要保持尽时间的行驶；7.可在行驶过程中顺带完成环保清洁工作。设计一辆智能水陆两栖车，能够顺利通过已受损桥梁的河流，认定所给的路径并且自动躲避障碍物，顺利到达“受灾都市”。要能控制电动两栖车的自动避障，快慢速行驶，以及自动停车，自动寻迹功能。实现对电动车的运动状态进行实时控制，控制灵活、可靠，精度高，可满足对系统的各项要求。图1.1抢险路障场地相关说明1.障碍物外形尺寸20cm×10cm×8cm，障碍物材料可以是金属或塑料或木质的，桥梁尺寸100cm×30cm；2.智能抢险水陆两栖车允许用玩具汽车改装，尺寸：25cm>车宽>15cm，40cm>车长>25cm，高度无限制，水陆两栖车的动力来源于车载伺服电机及电池，不能用人工有线或无线遥控。

2.设计方案2.1单片机的选择与论证方案一：采用AT89C51系列单片机作为系统控制器。在本设计中，使用的I/O口资源较多和需要语音的播报和识别，对于51单片机来说，实现这些功能都比较困难。方案二：采用凌阳16位单片机SPCE061A作为控制核心。SPCE061是一款拥有2KRAM、32KFlash、32个I/O口，并集成了AD/DA功能强大的16位微处理器，它还拥有丰富的语音处理功能，为小车的功能扩展提供了相当大的空间。独特的语音功能可使本系统具有更好的人机交互界面。而且它内部还有PWM脉宽调制，可以实现电机调速。综上分析，选择方案二更有利本设计。2.2寻迹传感器选择与论证方案一：用黑白线传感器。黑白传感器是专门检测白底黑线或黑底白线的传感器，黑白线只出现高低电平变化，变化明显，易于区别，非常适合小车的寻迹。方案二：采用红外传感器。即利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质，以单片机反射回来的红外光为依据来确定黑线的位置和小车的行走路线。由于黑白度不均，很容易造成误差，而且检测距离太近，电压变化不太明显，灵活度低，不易控制。所以我们选择了择方案一。2.3电机驱动模块选择与论证方案一：采用分立元件构成电路来驱动直流电机。由于分立元件构成电机驱动电路，结构简单，价格低廉，在实际应用中应用广泛。但是这种电路工作性能不够稳定。方案二：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过控制开光的切换速度实现对小车的速度进行调整。该电路简单，但继电器的体积大、要驱动电路。方案三：采用L293D作为电机驱动芯片。L293D是一种直流电机控制器件，该器件具有外围电路简单、稳定性高等特点。经过考虑，采用方案三。2.4电机的选择与论证方案一：用步进电机。步进电机可以精确地控制角度和距离。步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，其转速较低，不适用于小车等有一定速度要求的系统。并且它的体积大，价格高，质量大。用步进电机的编程复杂，增加了编程的难度。方案二：采用直流电机。直流电机运转平稳，精度有一定的保证。直流电机控制的精确度虽然没有步进电机那样高，但完全可以满足本题目的要求。方案二能够较好的满足系统的要求，因此我们选择了此方案。2.5语音模块选择与论证方案一：通过单片机来控制语音芯片来实现提示信息的播报。但是由于语音芯片成本比较高，而且扩展起来比较复杂，增加焊接难度和设计成本。方案二：如果控制器采用凌阳16位单片机SPCE061A，SPCE061A开发板自身集成有语音模块，不需要外围扩展，而且由于其集成开发环境自带的语音API函数库，可以减少开发难度和复杂度。综上分析，采用方案2。2.6直流调速系统选择与论证方案一：串电阻调速系统。方案二：静止可控整流器。简称V-M系统。方案三：脉宽调速系统。旋转变流系统由交流发电机拖动直流电动机实现变流，由发电机给需要调速的直流电动机供电，调节发电机的励磁电流即可改变其输出电压，从而调节电动机的转速。改变励磁电流的方向则输出电压的极性和电动机的转向都随着改变，所以G-M系统的可逆运行是很容易实现的。该系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机，还要一台励磁发电机，设备多、体积大、费用高、效率低、维护不方便等缺点。且技术落后，因此搁置不用。V-M系统是当今直流调速系统的主要形式。它可以是单相、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型，可实现平滑调速。V-M系统的缺点是晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。它的另一个缺点是运行条件要求高，维护运行麻烦，系统的功率因数很低。采用晶闸管的直流斩波器基本原理与整流电路不同的是，在这里晶闸管不受相位控制，而是工作在开关状态。当晶闸管被触发导通时，电源电压加到电动机上，当晶闸管关断时，直流电源与电动机断开，电动机经二极管续流，两端电压接近于零。脉冲宽度调制（PulseWidthModulation），简称PWM。脉冲周期不变，只改变晶闸管的导通时间，即通过改变脉冲宽度来进行直流调速。与V-M系统相比，PWM调速系统有下列优点：（1）由于PWM调速系统的开关频率较高，电枢电流容易连续，系统的低速运行平稳，调速范围较宽，可达1：10000左右。由于电流波形比V-M系统好，在相同的平均电流下，电动机的损耗和发热都比较小。（2）同样由于开关频率高，若与快速响应的电机相配合，系统可以获得很宽的频带，因此快速响应性能好，动态抗扰能力强。（3）由于电力电子器件只工作在开关状态，主电路损耗较小，装置效率较高。根据以上综合比较，以及本设计中受控电机的容量和直流电机调速的发展方向，本设计采用了H型单极型可逆PWM变换器进行调速。脉宽调速也可通过单片机控制继电器的闭合来实现，但是驱动能力有限。为顺利实现电动小汽车的前行与倒车，本设计采用了可逆PWM变换器。可逆PWM变换器主电路的结构式有H型、T型等类型。我们在设计中采用了常用的双极式H型变换器，它是由4个三极电力晶体管和4个续流二极管组成的桥式电路。2.7最终方案确定机器人以凌阳公司的SPCE061A为平台。机器人由传感器、控制器和驱动器等模块组成。采用反射式红外传感器来辨别路线，利用红外光电传感器检测障碍物，实现自动避障。传感器模块包括了消除干扰信号的电路。驱动模块的电机速度采用PWM方式进行控制。小车采用无线通信技术进 行远程语音控制，根据经训练的语音命令对小车的启动．停止和小车的行驶状态进行控制。本系统设计的整体结构如图2-1所示：图2.1系统原理图

3车体机械部分设计3.1车体结构的设计车体采用线性聚乙烯、高密度聚乙烯或交联聚乙烯材料，该小车的主动轮有两个，因为其两个驱动轮彼此独立，只要利用两个电机的速度差，就可以很方便地实现车的转弯。小车采用履带式结构，这样使小车重心更低，运动更加平稳。图3.1总装图3.2传动结构设计车体运动部分采用八轮式，以提高其越障能力，前轮为独立两路驱动，以实现差动，提高车体转向的灵活性。该设计采用的是齿轮传动，通过齿轮减速组将电机轴的高转速降为输出轴的低转速。电机轴的最高转速V1为2600r/min，输出轴的最高转速V2为200r/min，传动比I=3600/200=18。若采用一级齿轮传动，则齿轮尺寸过大，造成空间上的浪费，并且对小齿轮的性能要求也很高。因此采用多级齿轮减速传动，经过分析采用三级减速比较合理。车体本身重量较重，齿轮所需提供的负载转矩较大，选用渐开线直齿轮，模数取2。各级传动比：I1=3，I2=3，I3=2；各级齿轮齿数：一级：大齿轮Z=90，小齿轮z=30二级：大齿轮Z=75，小齿轮z=25三级：大齿轮Z=60，小齿轮z=30减速齿轮组结构图如下图所示。图3.2减速齿轮组结构图

4单片机系统设计4.1SPCE061A单片机最小系统我们用的是凌阳的SPCE061A单片机最小系统其概述如下：SPCE061A是继系列产品SPCE500A等之后凌阳科技推出的又一款16位结构的微控制器。与SPCE500A不同的是，在存储器资源方面考虑到用户的较少资源的需求以及便于程序调试等功能，SPCE061A里只内嵌32K字的闪存（FLASH）。较高的处理速度能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。因此，与SPCE500A相比，SPCE061A微控制器是适用于数字语音识别应用领域产品的一种最经济的选择。主要性能如下：16位微处理器；工作电压(CPU)VDD为2.4~3.6V(I/O)VDDH为2.4~5.5V；CPU时钟：0.32MHz~49.152MHz；内置2K字SRAM；内置32KFLASH；可编程音频处理；晶体振荡器；2个16位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值)；2个10位DAC(数-模转换)输出通道；32位通用可编程输入/输出端口；14个中断源可来自定时器A/B，时基，2个外部时钟源输入，键唤醒；具备触键唤醒的功能；使用凌阳音频编码SACM_S240方式(2.4K位/秒)，能容纳210秒的语音数据；锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号；32768Hz实时时钟；7通道10位电压模-数转换器(ADC)和单通道声音模-数转换器；声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制(AGC)功能；具备串行设备接口；具有低电压复位(LVR)功能和低电压监测(LVD)功能；内置在线仿真电路ICE（In-CircuitEmulator）接口；具有保密能力；具有WatchDog功能；图4.116位微处理器结构图4.1.1SPCE061A时钟电路SPCE061A时钟电路采用晶体振荡器。下图为SPCE061A时钟电路的接线图。外接晶振采用32768Hz。图4.2时钟电路4.1.2PLL锁相环PLL电路的作用是将系统提供的实时时钟的基频(32768Hz)进行倍频，输出系统时钟Fosc图4.3PLL电路4.1.3看门狗WatchdogSPCE061A的清狗周期为0.75S；清看门狗操作寄存器：P_Watchdog_Clear(0x7012H)清狗操作：在每个0.75S的清狗周期里P_Watchdog_Clear写入0x0001。4.1.4低电压复位（LVR）通过某种方式，使单片机内存各寄存器的值变为初始的操作称为复位。SPCE061A的复位方式为低电压复位。图4.4低电压复位电路4.1.5I/O端口OA口：IOA0~IOA6：7路普通AD输入端口，IOA0~IOA7：触键唤醒功能；IOB口：外部中断输入，串行接口、PWM输出等复用端口。图4.5I/O端口原理图4.1.6时基与定时器时基信号可提供常用的、现成的频率信号，完成部分定时器的功能。图4.6定时器原理图4.1.7SPCE061A的定时器/计数器递增计数方式，自动重载定时器/计数器初始值，输出4位可调脉宽比PWM信号，溢出频率/2的方波输出，多种时钟源输入。4.1.8ADC、DACSPCE061A的特色是其强大灵活的语音功能；而单片机对语音处理的支持，除了其处理能力外，还有片内集成的ADC、DAC；特别是集成有AGC电路的MIC通道。图4.7ADC转换过程示意图4.2系统硬件设计4.2.1电源电路原理与设计系统供电电源为12v蓄电池，可直接为驱动芯片供电，经H7805降压电路（图3.9）降为5v给单片机供电。凌阳SPCE061A单片机内部自带变压电路（图3.8），可以满足自身电压需求。图4.8内部电源电路图图4.9外部降压电路4.2.2电机驱动电路的原理与设计本设计中采用的电机专用驱动芯片L298N。为单块集成电路、高电压、高电流、四通道驱动。设计用来接收DTL或者TTL逻辑电平，驱动感性负载(比如继电器，直流电机)，和开关电源晶体管。内部包含4通道逻辑驱动电路。其额定工作电流为1A，最大可达1.5A，Vss电压最小4.5V，最大可达36V。表4.1输入引脚和输出引脚的逻辑关系L298N可直接的对电机进行控制，无须隔离电路。通过单片机的I/O输入改变芯片控制端的电平，即可以对电机进行正反转，停止的操作，操作非常方便，亦能满足直流减速电机的大电流要求。调试时在依照上表，用程序输入对应的码值，即可以实现对应的操作。其驱动电路原理图如下所示：图4.10驱动电路原理图4.2.3避障电路的原理与设计用红外避障传感器进行避障。红外避障传感器是发射头与接收头于一体的检测开关，其工作原理是根据发射头发出的光束，被物体反射，接收头据此做出判断是否有障碍物。当有光线反射回来时，输出低电平。当没有光线反射回来时，输出高电平。单片机根据接收头电平的高低做出相应控制，避免小车碰到障碍物。由于接收管输出TTL电平，有利于单片机对信号的处理。红外避障传感器进行避障的电路原理图如下图所示：图4.11避障电路4.2.4语音提示电路的原理与设计凌阳SPCE061A单片机自带双通道DAC1、DAC2装换输出的模拟量电流号分别通过AUD1和AUD2管教输出，DAC输出为电流型输出，经LM386音频放大，即可驱动喇叭放声，放大电路如图3.13，在DAC1、DAC2后面接一个简单的音频放大电路和喇叭，就实现了播放功能。图4.12语音电路4.3系统软件设计本设计主要采用SPCE061A单片机作为控制核心，使用C语言来编程，最后用电脑通过在线调式器把程序下载到SPCE061A单片机中。通过软件编程实现小车的寻迹、寻光、还有铁片的检测与铁片颜色的判断。本系统主要用中断来实现，其中计时用到了2Hz中断，寻迹用到了定时器中断。4.3.1软件设计各模块voidRunTime2Hz(void);设置2HZ基频中断向量函数。voidOffTime2Hz(void);清2HZ基频中断向量函数。voidClear_WatchDog(void);清看门狗函数unsignedintSP_GetCh(void);取键值函数voiddelay2s(inttimer)可调的延迟函数4.3.2速度控制速度控制用TIMERA的PWM输出控制，当它前进时设PWM为12/16，当它转弯时设为8/16。其代码为：*P_TimerA_Ctrl=0x0333;*P_TimerA_Data=0xff9f;4.3.3看门狗看门狗只要一定时间给其喂狗，就可以保证程序不会跑飞，跑飞就会自动复位。其代码就只有一句：*P_Watchdog_Clear=0x0001;4.3.4基频中断采用2HZ的基频中断，实现实时控制；一次中断，中断时间为0.5S，其代码如下：[P_INT_Ctrl]=r1;INTIRQ;//开中断4.3.5程序设计流程图图4.13总流程图图4.14寻迹流程图图4.15避障流程图图4.16直线调节流程图

5结论测试表明，小车能够较好的完成实验的基本要求和发挥部分。通过各种方案的讨论及尝试，再经过多次的整体软硬件结合调试，不断地对系统进行优化，智能小车能够完成各项功能到达车库。而且语音播报清晰，显示正常，寻迹寻光稳定，在检测搬运铁片的时候出错也很少，可以说性能很稳定。但是本设计还是存在着一些不足，比如说自动化程度还不够理想，如果说再加多一些灭火装置或是避障之类的功能的话会更加完美。

参考文献[1]宋桂霞，赵又群，吴珂.悬架变动对水陆两栖车性能的影晌.机械科学技术[J]，2008，22(2)：249-256.[2]李玉良，潘双夏，赵薇.推进器与车体相互作用的理论及数值分析.浙江大学学报[J]，2007，41(2)：1277-1282.[3]贾小平，赵萌飞，宗磊强，姜海.滩涂车辆静垫升性能的CFD仿真.长四川兵工学报[J]，2009，30(6)：3-5.[4]李莉，毕小平，贾小平.履带式两栖车辆航驶阻力的数值模拟.船舶[J]，2003，4：47-50[5]韩洪亮，李澎，吕鹏，郝建庆，张光才.两栖装甲车辆改装前后作战性能评估.装备指挥技术学院学报[J]，2006，17(5)：1-4.[6]宋桂霞，赵又群，吴珂.两栖车辆阻力水气两相流三维数值模拟.哈尔滨工程大学报[J]，2008，29(9)：907-911.[7]王涛，郭齐胜，徐国英.两栖车辆水上行驶流场的仿真.系统仿真学报[J]，2007，19(22)：5130-5133.[8]韩占忠，王国玉，闫为革.两栖车辆航行粘性阻力数值分析.车辆与动力技术[J]，2003，2：5-10.[9]王涛，徐国英，姚新民，周景涛.两栖车想绕流场的模拟与水上快速性分析.机械工程学报[J]，2008，44(12).[10]吴坷，王伟，赵丰.军用水陆两栖汽车发展现状和发展趋势.专用汽车[J]，2004，4：1-2.[11]尹咸阳,边宇枢.基于GPS的水陆两栖机器人导航系统的研究.研究与设计[J]，2006，22(7)：1-17.[12]徐国英，王俊，周景涛.基于CFD的两栖车辆阻力和浮态数值模拟.舰船科学技术[J]，2006，28(4)：22-25.[13]杨定富，吴珂.FTA在某水陆两栖汽车副分动器可靠性设计与分析中的应用.轻型汽车技术[J]，2005(4/5)：11-16.[14]薛军.水陆雨栖车发展史.上海汽车[J]，2011，,46.[15]DongSun,JianZhu,ChimingLai,S.K.Tso.Avisualsensingapplicationtoaclimbingcleaningrobotontheglasssurface:D.Sunetal./Mechatronics.2004.[16]CrowleyJL,PourrazF.Continuitypropertiesoftheappearancemanifoldformobilerobotpositionestimation:ImageVisionComput.2001.目录TOC\o"1-2"\h\z\u1项目概况 11.1区位交通 11.2规划范围 11.3规划期限 11.4规划依据 11.5县域概况 32规划区空间发展认知 72.1时代背景 72.2自然生态条件 82.3社会经济条件 92.4开发综合评价 112.5规划解读 133发展目标与功能定位 163.1规划指导思想 163.2规划原则 163.3总体发展目标 173.4近期发展目标 173.5中长期发展目标 183.6主要规划指标 183.7发展思路 193.8功能定位 204空间结构与用地布局 224.1