行星轮避越障车大赛论文.doc

首都高校第五届机械创新设计大赛学生参赛作品首都高校第五届机械创新设计大赛学生参赛作品行星轮机构避越障车2010年4月5日摘 要：该作品将行星轮机构巧妙地应用于车轮，在平坦的路面上由于车体的重力作用使得行星轮（主动轮）保持在大轮的下方，从而使车轮平稳转动，车辆平稳前进，当遇到障碍物时，大车轮受到制动力而停止转动，这样行星轮继续在大车轮内啮合转动，当行星轮运动到一定位置时，主动力矩大于约束力矩，大车轮就可以越过障碍物继续前进。利用行星轮在运动中不同位置时不同力矩，根据不同路面状况自动地改变轮系位置，再配合车体自身重力，以杠杆原理撬动外轮，从而大大提高了车辆的爬越能力。通过车轮重心的改变，使得小车的爬越高度突破了车轮的半径的限制。此外，通过超声波与红外线探测模块，车辆具有了自主辨别障碍物的能力，可以根据障碍物的不同高度，自主选择优化避越障方案，进一步增强了车辆对于复杂地形的适应能力，提高了运动效率。车轮行星轮机构创新的设计，使车辆能够根据路面状况改变重心分布，车体自身重力以及所受外载荷成为了车辆越障时力矩的受力来源，节约了能量，提高了运动效率。行星轮机构车辆可以适应复杂地形，在一些具有特殊地形（如凸台、壕沟、陡坡等）的路面上能体现出相当大的优势，可以承担运输、探测、救援等工作，特别适合于沙地等松软地面的运动，防止车辆陷入。同时，也是现代新型月球车车轮传动机构设计方案的尝试与验证。关键词：车辆，行星轮，避障，越障，自主决策ABSTRACT: The usage of planet wheels in driving system developed the suitability of the robot in various environment conditions. The robot maintains steady and runs smoothly when on placid surface. While confronted obstacles, the automatically changing position of the smaller gear of the planet wheel system lifts the robot with the lever principle, enhancing the climbing suitability of the robot. By changing the centre of gravity, it clears the limitation of half wheel height obstacle clearing capability. Also, with the appliance of ultrasonic and infrared ray, the robot gains a certain level of judgment upon obstacles. By recognizing different levels of obstacles, the robot decides by its own whether to surpass obstacles or find another way out, which increases the capability of the robot by raising its efficiency. When applied to vehicles facing complicated situation, planet wheeling driving system can update their efficiency. Still, our experiment is a trial of a possible mechanism for future moon robots.KEY WORDS: robot, planet wheels, machine intelligence, clearing obstacles, obstacles avoidance目录一、引言61.1实际需求61.2他人研究的分析与比较6二、工作原理72.1 越障原理简述72.2 跨沟原理简述82.3 车轮结构简述82.4避越障判断原理92.4.1超声波传感器92.4.2 红外线传感器10三、车辆设计133.1越障车轮机构的设计133.2 控制系统的设计153.3转弯原理163.4 电机驱动控制163.4.1十六位单片机凌阳SPCE061A简介163.4.2性能163.4.3概览SPCE061A 结构如图3.1173.4.4 I/O端口结构173.4.5电机控制电路18四、主要创新点19五、实验及结果19六、结论与展望206.1 结论206.2 展望21参考文献22附录1 零件设计图纸23附录2 控制部分源程序30一、引言1.1实际需求今天，科学发现和科技进步改变了人类的处境，各种小型车辆的应用愈加广泛。在各个领域，由于其控制精确、适应性强、机械功能强大等特点，小型车辆往往扮演着举足轻重的角色。往往，各种车辆面临的工作环境复杂，无论是应用于航空航天领域的探测还是突发灾难中的救援等，都需要其具备高机动性和强大的路面适应能力。同时，在救援过程中特别需要防止车轮陷入泥土等情况，干扰救援进度。为此我们利用行星轮机构在轮系转动过程中车身产生力矩的变化，设计了独特的行星轮车轮机构，从而大大提高了车辆对复杂地形的适应能力。1.2他人研究的分析与比较就移动系统而言，主要有以下几种分类：轮式，腿式，轮腿式和履带式。以下是几种不同移动系统比较：移动方式优点缺点轮式高速、高效越障能力较差腿式地形适应能力强速度低，效率低，控制复杂轮腿式高速高效，地形适应能力强控制比较复杂履带式适应能力强，结构紧凑重量大，能耗大1.1表 移动系统对比表由此，我们通过改进轮式车辆的车轮机构，极大得提高了轮式车辆的越障能力，同时仍然保持着高速、高效、高机动性的特点。就行星轮机构车轮设计而言，曾经有几种方案：1、三个行星轮配合，优点是具有行星轮越障的初步功能，但缺点是质量大，轮动效率低。2、单个行星轮驱动，前后轮相连以舵机控制方向，有点是设计与控制简单，但缺点是不利于左右轮单独越障。为此，我们设计了四轮独立驱动的单行星轮驱动的运动机构，避免了上述缺点，同时极大地利用车辆在运动中保持车身平面的水平，提高车载系统的可靠性。二、工作原理2.1 越障原理简述2.1图 越障原理示意图如图2.1所示，设车体向右行进。图A为轮子在平地上行进的状态。由于车身重力的作用，齿轮的啮合点始终处于最低点，大轮在小轮的碾压作用下匀速前进。图B为车轮刚遇到障碍时的状态。此时大轮由于障碍物和地面的静摩擦作用而停止转动，小轮则在驱动力的作用下沿着大轮向上攀升。图C、图D为越障的中间阶段。小轮在驱动力的作用下沿着大轮逐渐向上攀升，并最终使啮合点高于障碍物顶端。图E、图F为越障过程最精彩的一段。大轮在小轮强大压力作用下腾空而起，顺利到达预定高地。2.2 跨沟原理简述如图2.2所示，设车体向右行进。2.2图 跨沟原理示意图图A为车轮刚遇到壕沟时的状态。此时车轮与地面的作用点位于壕沟边沿。车轮即将陷入壕沟，处于危险的临界状态。图B至图D为车轮跨沟的中间阶段。大轮陷入沟中，并且由于壕沟两侧边沿的静摩擦作用而停止运动。小轮在驱动力作用下沿着大轮向下滚动，此时啮合点最低，然后利用越障原理向上攀升，并最终使啮合点高于沟的对岸。图E至图F为跨沟过程的最后阶段。大轮在小轮的强大压力作用下瞬间脱离此岸，登抵彼岸，并继续前行。2.3 车轮结构简述2.3图 车轮结构示意图12.4图 车轮结构示意图2如图2.3、图2.4所示，越障车采用了差动式周转轮系作为车轮。其巧妙之处在于该轮系能根据路面的摩擦状态自动变换轮系的结构，在平地行走时为定轴轮系，当遇到障碍物时自动转变为周转轮系。这种变结构的车轮结构大大提高了车辆的越障能力。2.4避越障判断原理2.4.1超声波传感器超声波为频率超过20KHz 的人耳听不见的声波，与光波的某些特性相似，如发射、折射等，波长短，绕射小，能成为射线定向传播，这种特性使之能应用于距离测量。超声波传感器是基于TOF原理。首先发射一组声波脉冲信号，然后一个积分器就开始计算发射时间。一个返回信号阀值接着就会被设定来接受回波信号，这个阀值会随着时间的增加而减小，因为回波会随着距离的增加而发散，从而强度变小。TOF（time of flight):TOF 原理就是距离速度时间，即靠测量估算声波发射出去到接受到反射波的时间来计算距离。计算公式为： D=12CT 其中常数C 为声波在介质中的传播速度，C=331.4 (1+k/ 273) ,k 为绝对温度，T 为超声波发射到返回的时间间隔，D 为障碍物距离。2.5图 超声波探测示意图2.4.2 红外线传感器光谱位于红色光之外，波长为0.761.5m，比红色光的波长还长，这样的光被称为红外线。2.6图 红外线探测示意图红外传感器都是基于三角测量原理。红外发射器按照一定的角度发射红外光束，当遇到物体以后，光束会反射回来，反射回来的红外光线被CCD检测器检测到以后，会获得一个偏移值L，利用三角关系，在知道了发射角度，偏移距L，中心矩X，以及滤镜的焦距f 以后，传感器到物体的距离传感器到物体的距离D就可以通过几何关系计算出来了。1 避障原理在本行星轮避越障车上，安装有两个红外传感器和一个超声波传感器，其中，超声波传感器连接一超声波可编程连接模块。当超声波测量障碍为1500mm时，启动红外传感器系统，并于前进过程中重复获取障碍物数据。通过左右红外探头及超声波传感器，判断确定障碍状况，通过记录控制达到避障的目的。下表为传感器收集数据判断结论和基本控制处理：0表示无障碍1表示有障碍超声波传感器左红外传感器右红外传感器判断结论基本控制000无障碍前行100可越过障碍前行110左不可越障碍右转101右不可越障碍左转111大不可越障碍通过C计算控制2.1表 传感器判断真值表记录控制，既是通过历史运动状况判断选择现行运动指令，令矩阵D记录传感器状况，C为控制记录变量，则有：C=DR其中，R为控制系数：R=0-11通过比较C与0的大小，可以判断历史运动情况，通过其与0的比较，可以确立控制方式。当C小于零时，则左转，并另C-，当其大于等于零时，需右转，C+。当C=+4 or -4时，令C=0。比如，小车经历了直行左障碍直行左障碍直行右障碍直行大障碍。此时D=000101010101000000010，由C=DR，可得：C=0001010101010000000100-11由C=DR,可计算出，C=-1。判断为左转。同时，在编程中加入直行时间计数函数COUNT。当直行时间达到一定值以后，由C可判断历史运动情况，当其不为零时，进行转弯处理，使其归零。记录控制由历史运动数据进行判断，从而保证了小车在遇到障碍后，运动方向不变。三、车辆设计3.1越障车轮机构的设计3.1图 车辆组装三视图各零件设计图详见附录3.2图 车辆组装三维图设计参数：驱动电机：12V 扭矩，8kg.cm，70r/min超声波识别距离1.5m0.2m红外线识别距离1.0m红外线识别高度 90mm5mm大轮直径160mm质量约为5 kg外形尺寸约为420mm240mcm280 mm设计越障高度 大于或等于80mm行星轮机构传动比 3.5齿轮模数 1 （出于加工方便）行星越障轮不需要复杂的辅助机构来实现平面上运动与越障运动之间转换，因此作业时具有很高的可靠性，特别适合用在人类难以到达环境下作业的作业器上所以，采用行星越障轮的车辆能够适应凹凸不平、表层土壤松软的复杂地形表面环境3.2 控制系统的设计利用超声波范围广、检测距离准确；红外线检测位置精确的特点，采用超声波与红外线采集系统相结合的方法，判断前方障碍物的高度。具体判断流程如下：3.3图 模块判断流程图通过此种控制方案的设计，使小车具有自动判断障碍物高度，自主决策避越障方案的能力，通过算法的设计记录车辆的转弯方案，在转弯后逆向操作回到原定路线上，保证了车辆的正常行驶方向，从而大大提高了车辆在复杂地形运行中的适应能力和运动效率。3.3转弯原理 通过控制两侧车轮不同速度来实现 设左右车轮速度为V1，V2 转弯半径为： R= i= B为左右轮间距 当V1=-V2，可实现零半径转弯 3.4 电机驱动控制3.4.1十六位单片机凌阳SPCE061A简介 SPCE061A 是继nSP(TM)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 ）。较高的处理速度使nSP(TM)能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。3.4.2性能1) 16 位nSP(TM)微处理器； 2) 工作电压(CPU) VDD 为 2.43.6V (I/O) VDDH 为 2.45.5V 3) CPU 时钟：0.32MHz49.152MHz；4) 内置2K 字 SRAM；5) 内置32K FLASH； 6) 可编程音频处理； 7) 晶体振荡器; 8) 系统处于备用状态下(时钟处于停止状态)，耗电仅为2A3.6V ；9) 2 个 16 位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值)；10) 2 个 10 位 DAC(数-模转换)输出通道； 11) 32 位通用可编程输入/输出端口； 12) 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； 13) 具备串行设备接口； 14) 具有低电压复位(LVR)功能和低电压监测(LVD)功能；15) 内置在线仿真电路ICE（In- Circuit Emulator ）接口；16) 具有保密能力。3.4.3概览SPCE061A 结构如图3.13.4图SPCE061A的结构3.4.4 I/O端口结构SPCE061A 提供了位控制结构的I/O 端口，每一位都可以单独用于数据输入或输出。每个独立的位可通过以下3 种控制向量来作设定： 数据向量Data； 属性向量Attribution；方向控制向量Direction。其端口组合控制设置如表3.1。3.1表I/O端口组和控制设置3.4.5电机控制电路 3.5图 电机控制电路板布线图3.6图 电机控制电路原理图四、主要创新点1、行星轮机构的设计运用，使车轮根据路面状况自动改变周转轮系，大大提高了越障能力。使车轮越障高度不再受到车轮半径的束缚。 2、利用车身重力越障，使得载荷也能成为小车越障的受力来源，在一定范围内，载荷越大越能提高越障能力。节省了能量，提高了效率。 3、两侧挡板的设计，既固定大轮运动，又防止沙尘进入轮系机构，磨损齿轮。 4、四轮驱动设计，保证了小车运动的平稳，为保证车辆水平奠定了基础。 5、自主决策避越障功能的运用，提高了行星轮机构使用中对复杂地形的适应能力。 五、实验及结果5.1图 初步调试时作品照片各项相关数据：外形包络尺寸：450mm240mcm280 mm车轮外径：160mm最大越障高度：90mm驱动方式：4轮独立驱动驱动电机：驱动电压12V 扭矩8kg.cm转速70r/min直行速度：0.15m/s最大运动速度：0.2m/s超声波识别距：1.5m0.2m红外线识别距：1.0m地形信息检测频率：4us/次红外线识别高度：85mm5mm总体质量约：5 kg爬坡角度：40 最小转弯半径：0m抗横向侧翻角：40 六、 结论与展望6.1 结论该车具有较强的越障能力和灵活的转弯特性，能够适应复杂地形中凹凸不平的环境，使轮式结构的车辆越障能力成功地突破了车轮半径的限制。利用车身重力越障，使得载荷也能成为小车越障的受力来源，在一定范围内，载荷越大越能提高越障能力。节省了能量，提高了效率。 使用凌阳61单片机，接入红外线和超声波模块采集前方路面信息，自主判断障碍物的高度。 当障碍物低于小车越障极限，小车直行越障；当障碍物高于小车越障极限，小车转弯避障。 自主决策避越障功能的运用，提高了行星轮机构使用中对复杂地形的适应能力。 6.2 展望通过加入刹车机构和运动传感器来控制小车平台在越障时依然能保持水平，更便于各种工作的开展。 通过加入的其他采集功能，增加小车的实用性能。如生命救援，环境监测，军事侦察等。 参考文献（1）邓宗全,高海波,胡明,等. 行星越障轮式月球车的设计J . 哈尔滨工业大学学报, 2003 , 203207(2) 张海洪，谈士力，龚振邦全方位越障机构的设计J机械设计与制造工程，2000，29(3)：l2一l3（3）陈吉清,兰凤崇,王予望,等. 前轮驱动车轮越障能力的计算，机模拟及试验研究J . 有色金属, 1996 ,48 (2) : 16附录1 零件设计图纸附录2 控制部分源程序/初始化volatile unsigned int *P_IOA_Data=(unsigned int*)(0x7000);volatile unsigned int *P_IOA_Dir=(unsigned int*)(0x7002);volatile unsigned int *P_IOA_Attrib=(unsigned int*)(0x7003);volatile unsigned int *P_IOB_Data=(unsigned int*)(0x7005);volatile unsigned int *P_IOB_Dir=(unsigned int*)(0x7007);volatile unsigned int *P_IOB_Attrib=(unsigned int*)(0x7008);volatile unsigned int *P_TimerA_Data=(unsigned int*)(0x700A);volatile unsigned int *P_TimerA_Ctrl=(unsigned int*)(0x700B);volatile unsigned int *P_TimerB_Data=(unsigned int*)(0x700C);volatile unsigned int *P_TimerB_Ctrl=(unsigned int*)(0x700D);volatile unsigned int *P_INT_Ctrl=(unsigned int*)(0x7010);volatile unsigned int *P_INT_Clear=(unsigned int*)(0x7011);volatile unsigned int *P_Watchdog_Clear=(unsigned int*)(0x7012);volatile unsigned int *P_SystemClock=(unsigned int*)(0x7013);/*/定义函数void Delay(int s)int i,j;for (i=0;is;i+)for (j=0;j1000;j+)*P_Watchdog_Clear=0x1;/*/主程序int main(void) int flag=0; /标识变量 int count=0; /计时器 int dir=0; /方向控制变量 int i; /参数/*/设置A口（输入）/* *P_IOA_Dir=0x0000; *P_IOA_Attrib=0x0000; *P_IOA_Data=0x0000; /*/设置B口（控制电机）/* *P_IOB_Dir=0xFFFF; *P_IOB_Attrib=0xFFFF; *P_IOB_Data=0xFFFF; /*/读取A口输入/*/令第15口接超声波传感器14口接左红外传感器，13口接右红外传感器，高电平表示传感器测出障碍 while (1) if(*P_IOA_Data)&0x