【某智能运输小车的整体方案设计案例综述2600字】

-8-某智能运输小车的整体方案设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u8483某智能运输小车的整体方案设计案例 -1-105621.1总体方案设计 -1-195171.2智能小车的基本结构 -2-244431.1.1智能小车机械结构方案 -2-262751.1.2智能小车的车轮结构 -2-1.1总体方案设计本设计针对课题要求，确定以下方案：控制模块作为系统的核心，通过控制电机驱动模块使电机进行相应的动作：正转、反转、急停。电机驱动模块相应的I/O口输出PWM信号，使电机受到不同的扭矩大小，达到既定的转速，进而控制各个轮子的速度，使小车能完成各种运动轨迹。摄像头模块采集路面信息，当识别到前方有小球障碍物时，将检测到的信息通过I/O口传给Arduino进行处理，改变小车的运动状态，并通过控制舵机模块使小车安装的机械手移动到合适的角度，完成对小球的抓取，并将小球放入车顶的货仓中。

本方案可以控制智能小车实现不同轨迹的运动并完成对小球的抓取，控制灵活、可靠性高，满足设计要求。其整体设计框图如图1.1所示。图1.1整体设计方案框图1.2智能小车的基本结构1.1.1智能小车机械结构方案智能小车是可移动机器人的一种，它的外形像一辆玩具车，主要由控制器、执行器、传感器三部分组成，具有循线、避障、检测贴片等功能。控制器就像智能小车的“大脑”，一般以单片机系统为核心，能够根据接收的传感器信号，通过软件程序进行信号处理和输出，决定智能小车对外部环境的反应，控制执行器实现相应动作。执行器部分也就是执行控制器发出的信号，驱动电机输出相应的转矩，带动车轮转动，实现小车的各种运动轨迹。传感器部分能够读取外界的各种信息，如红外传感器、超声波传感器等，并将读取的信息传递给控制器部分，相当于人的耳朵。对于智能小车来说，这三部分都是必不可少的。智能小车的机械部分也有着较高的要求，特别是底盘部分，底盘承受着最大的载荷，其大小、形状、材料、重量都需要经过选定，确保智能小车结构的稳定性。采用三层板的结构，可以放置多种元件。每层板需要预留多个安装孔，用以安装机械手、摄像头等元件，也可以放置主控制器、外接电源等部件，同时还有直径较大的孔让系统的电路接线穿过。1.1.2智能小车的车轮结构车轮对于小车来说是及其重要的，它相当于小车的“脚”。本设计为了满足课题要求，使小车实现全向移动，选择了结构特殊的麦克纳姆轮作为小车的驱动轮。1.1.1.1麦克纳姆轮介绍麦克纳姆轮简称麦轮，是由瑞典科学家BengtErlandllon于20世纪70年代在瑞典麦克纳姆公司发明的，它的出现改变了机器人的运动方式，具有全向运动的特性，美国海军被这种特性所吸引，于1980年购买了该专利，为经常在航母工作的叉车装配了四个麦克纳姆轮，从而解决了货物装卸难的问题。现如今，麦克纳姆轮已经广泛应用于残障人士出行、物流仓储和机器人竞技比赛等领域。麦克纳姆轮外形就像一个斜齿轮，轮齿是可旋转的鼓状辊子，辊子的轴线与轮的轴线成α角，一般为45°。辊子有三个自由度，其自身可以旋转又能绕车轴转动，还能绕辊子与地面的接触点转动。这使得轮子本身也有三个自由度：绕轮轴的转动和沿辊子轴线垂线方向的平行移动及绕辊子与地面接触点的转动。因此麦克纳姆轮具有在一个方向上的驱动能力，还具有向另一个方向自由运动（被动运动）的运动特性。麦克纳姆轮是通过紧凑的结构以及灵活的运动特性所构造的一种成功的全向轮。智能小车使用4个这种新型轮子，可以实现更灵活方便的全方位移动。相较传统轮子，麦克纳姆轮小车运动灵活性高，不受空间和环境的约束；缺点是需要4个电机单独驱动各个麦轮，移动速度慢，对路面平整度的要求更高。本课题采用麦克纳姆轮作为小车的驱动轮，使小车移动更加灵活，机动性更高。采用全向驱动技术，加上麦克纳姆轮的运动特性，小车能够实现不同的运动轨迹，在任意方向上实现平移和原地旋转，可以在狭小的空间内运动自如。具体的运动方式可以为直行、斜行、横行、原地旋转等。1.1.1.2麦克纳姆轮参数本设计采用的麦克纳姆轮参数如表1.1所示。表1.1麦克纳姆轮参数表直径60mm厚度32mm滚轮数量8个角度45°联轴器高度12mm联轴器内径6mm用Solidworks软件绘制出的麦克纳姆轮如图1.2所示。图1.2麦克纳姆轮Solidwork模型1.1.1.3麦克纳姆轮运动原理要达到全向移动的目的，需要用到4个麦克纳姆轮，分别为2个左旋轮和2个右旋轮。左旋轮和右旋轮必须相对着安装，即分别安装在对角。本设计中麦克纳姆轮在智能小车上的安装方式如图1.3所示，4个轮子的辊子形成的图形呈X型。图1.3麦克纳姆轮安装方式麦克纳姆轮是通过辊子来实现全向移动的，每个轮子都需要单独的电机提供动力，通过电机的正反转带动麦克纳姆轮进行正向旋转或反向旋转，而不同方向的旋转与地面产生的摩檫力方向也相反。如图1.4所示，首先对一个麦克纳姆轮进行受力分析：辊子与地面夹角为45°，根据摩檫力与物体受力方向相反的原理，麦轮受力方向是沿辊子方向。可以将这个力沿水平方向和竖直方向进行分解。设麦轮受到的力为F，则其水平方向所受的力为F1=Fcos45°，竖直方向所受的力为F2=Fsin45°。图1.4麦克纳姆轮分析图可以对每一个轮子的受力按照相同的方法进行分解，得到所有轮子的分力后，将它们进行合成得到小车的整体合力方向，而小车的移动方向正是合力方向。通过电机让四个麦轮进行相应的正反转，可以让小车实现向前向后移动，向左向右移动以及自转。例如，若想让小车整体向前移动，则4个轮子都向前正旋；若想让小车向右平移，就让左前轮和右后轮正旋，左后轮和右前轮反旋。还可以通过小车的运动状态计算出4个轮子的速度，按照以下4个步骤进行分析可以得到小车运动的速度和方向与麦轮转速的关系：图1.5麦克纳姆轮速度计算步骤设小车的左右移动方向为水平方向,定义为Y轴；小车的前后移动方向为竖直方向，定义为X轴，建立平面直角坐标系。小车的整体移动速度是一个既有大小又有方向的矢量V，与X轴成θ角。根据小车的运动速度V和运动方向θ，依照所建坐标系，可以计算出轮子的水平速度Vx和竖直速度Vy。得到轮子轴心位置的速度后，可以把它分解为沿辊子方向的速度和垂直于辊子方向的速度，而垂直于辊子方向的速度仅用于辊子本身的自转，与小车的移动无关，所以可以忽略不做计算。以左前轮作为研究对象，设向量e为沿辊子方向的单位矢量，则平行于辊子方向的速度为：得到平行于辊子方向的速度与Vx、Vy的关系，便可以