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机器人小车


浙江大学第十二届“中控杯”机器人竞赛 技术报告

一、方案总述
我们通过红外传感器计算距离, 当小车前端并排三个红外线传感器中的左右 红外线传感器同时接收到反射回来的信号的时,记作移动一格, 同时通过前后总 共四个传感器使小车在白线上行驶。并且通过机械臂把双倍球放入圆台上的 home 区并抓取圆台中间的绿砖,这个功能放到比赛的后半端去实现。 通过两个比较常用的 L298N 电机驱动模块来驱动 4 个 12V 直流减速电机, L298N 板子逻辑供电 5V(将 12V 分出来通过稳压降压成为 5V) ,驱动电压 12V。 4 路红外传感器,前端 3 个,后端 1 个,用于巡线,逻辑电压 5V,信号接入 单片机。 舵机控制板 5V 逻辑电压,驱动电压 7.4V,通过接口与单片机进行通信,实 现对舵机的并行控制。 小车总体示意图:

机器人大体为两层的轮式机器人结构,中间用双内螺纹铜柱连接

总体尺寸:

290 mm(长)×

280 mm(宽)× 285 mm(高)

预估质量:直流减速电机 航模电池 600g 小车总质量

320g ×4

3 Kg

二.

机械部分

1、 小车的电机我们选用了 37GA555 直流齿轮减速电机,轮子采用的 65mm 的普通 橡胶轮,电机参数如下: 额定力矩:3.5 Kg·cm 电 直 轴 压:12VDC 径:37 mm 长:20 mm(带有 90 度切口)

轴直径:6 mm 长 度:88 mm(含编码器、减速箱, 但不含输出轴) 堵转电流:4.5 A 减速比:19.3:1 空载转速:330 转/分钟

额定转速:247.5 转/分钟 机械手以及双角前端使用到的舵机: 1)MG996:净重: 55g 尺寸: 40.7*19.7*42.9m 扭矩:10.5kg/cm(4.8V),13kg/cm(6V) 反应速度: 0.20sec/60degree(4.8v)0.17sec/60degree(6.0v) 工作电压: 4.8-7.2V 工作温度: 0℃-55℃

2、搬运砖块 我们队使用的方法是推动砖块, 使砖块进入前面的双角中, 双角呈现怀抱的姿势, 中间留出 8cm 的距离使得砖块顺利进入, 同时使得砖块在小车转弯的时候不容易 出去,根据设计前面为 12cm×25cm,理论上可以容纳 8 个砖块。

拾取一定数量的砖块后小车回到自己的 home 区,然后用舵机使双角前端抬起一 定角度然后后退,使砖块留在 home 区。

3、机械手的使用 比赛开始前机器人小车用机器手抓着双倍砖,比赛的时候小车行驶到圆台附近, 机械手位于圆台 home 区的上方,给舵机一个指令,松开双倍砖使其落入 home 区。

然后抓取圆台中间的绿砖块,把它放到圆台上的 home 区。

三.

传感器位置排布和电路板安装位置示意图

小车的上板上有一个绿色的 arduino 板,两个蓝色的降压模块,一块紫色的循迹 传感器模块, 另外能看到下板上其他模块的那些切除的部分用来接线,通过切除 部分与下板的模块相连。

下板安装两个红色的 L298 驱动模块 一个黄色的航模电池

下板的地面安装了 4 个传感器,前端安装三个,后端一个。 四. 取胜思路和可行性分析

比赛开始后,使机械手抓紧双倍砖,因机器人采用全驱,不会出现常用的全向轮 结构的打滑和驱动力不足的现象,所以机器人的运动速度较快。 机器人虽然也有 机械臂,但是还是主要以推砖块为主,以速度取胜,机械臂主要是为了后来把双 倍砖放入圆台 home 区以及抓取圆台上的绿砖,这样就能避免了抓取砖块的速度 较慢的问题。机器人先不着急把双倍砖放入 home 区,先按既定路线用最短路线 先把地面上自己半区的绿砖拾取完再回家, 在回家的路线上把家门口的黄砖也拾 取了,然后把拾取到的砖块先推到自己的 home 区,这样就不会遇到拾取了很多 砖块但是和对面机器人撞上没有得分的尴尬局面, 同时也避免了被对面以速度取 胜直接拿到三绿三黄直接完胜的情况。 把自己半区砖块全部拾取后去对面半区巡视, 把对方有些还没来得及取的砖块放 到自己 home 区,巡视一遍后在比赛后半段时间里,地面的砖已经大部分拾取完 了。这个时候基本上地面上没有什么砖块,可以尝试把双倍砖放入圆台的 home

区以及抓圆台上的绿砖, 这样更容易得高分,也避免了比赛刚开始把双倍砖放入 home 区但后面机器人需要重启,从而双倍砖无效并因前面花了太多时间而被别 人取胜的情况。 完成上诉任务后, 机器人回到自己家门口的十字路口,停在这个位置防止对面来 家里偷砖头。

五.

电路部分

主控芯片——Arduino MEGA2560 R3 1. 简介 Arduino Mega2560 是采用 USB 接口的核心电路板,它最大的特点 书具有多大 54 路数字数字输入输出,特别适合需要大量 IO 接口 的设计。Mega2560 的处理器核心是 ATmega2560,同时具有 54 路 数字输入/输出口,16 路模拟输入,4 路 UART 接口,一个 16MHz

晶体振荡器,一个 USB 口,一个电源插座,一个 ICSP header 和 一个复位按钮。Arduino Mega2560 也能兼容为 Arduino UNO 设计 的扩展板。 2. 规格参数: 处理器 ATmega2560 工作电压 5V 输入电压(推荐) 7-12V 输入电压(范围) 6-20V 数字 IO 脚 54 (其中 16 路作为 PWM 输出) 模拟输入脚 16 IO 脚直流电流 40mA 3.3V 脚直流电流 50mA Flash Memory 256KB (ATmega328,其中 8KB 用于 bootloader) SRAM 8KB EEPROM 4KB 工作时钟 16MHz 3. 引脚定义 VIN——当外部直流电源引入电源插座时,可以通过 VIN 向外部 供电, 也可以通过此引脚向 Mega2560 直接供电; VIN 有电时将忽 略从 USB 或者其他引脚接入的电源。 5V——通过稳压或 USB 的 5V 电压,为 UNO 上的 5V 芯片供电。

3.3V——通过稳压器产生的 3.3V 电压,最大驱动电流 50mA GND——地脚 4. 通信接口 串口:ATmega2560 内置的 4 路 UART 可以与外部实现串口通信; ATmega16U2 可以访问串口 0 实现 USB 上的虚拟串口。 TWI(兼容 I2C)接口 SPI 接口 5. 引脚接口图

直流减速电机驱动模块——L298N 1. 简介 L298N 是 ST 公司生产的一种高电压、大电流点击驱动芯片。该

芯片采用 15 脚封装。主要特点是:工作电压高,最高工作电压可 达 46V;输出电流大,瞬间峰值可达 3A,持续工作电流为 2A; 额定功率 25W。内含两个 H 桥的高电压大电流全桥式驱动器,可 以用来驱动直流电动机和步进电机、继电器线圈等感性负载;采 用标准逻辑电平信号控制;具有两个使能控制端,在不受输入信 号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端,使 内部逻辑电路部分在低压下工作;可以外接检测电阻,将变化量 反馈给控制电路。使用 L298N 芯片驱动电机,该芯片可以驱动一 台两相步进电机或四相步进电机,也可以驱动两台直流电机。

L298N 驱动模块参数 2. 电路图:

3.直流电机的驱动: 该驱动板可驱动 2 路直流电机,使能端 ENA、ENB 为高电平时有 效,控制方式及直流电机状态表如下所示

若要对直流电机进行 PWM 调速,需设置 IN1 和 IN2,确定电机 的转动方向,然后对使能端输出 PWM 脉冲,即可实现调速。当 使能信号为 0 时,电机处于自由停止状态;当使能信号为 1,且 IN1 和 IN2 为 00 或 11 时,电机处于制动状态,阻止电机转动。

四路循迹传感器模块 1. 模块描述

此模块是为智能小车、机器人等自动化机械装置提供一种多用途 的红外线探测系统的解决方案。该传感器模块对环境光线适应能 力强,其具有一对红外线发射与接收管,发射管发射出一定频率 的红外线,当检测方向遇到障碍物(反射面)时,红外线反射回 来被接收管接收,经过比较器电路处理之后,同时信号输出接口 输出数字信号(一个低电平信号) ,可通过电位器旋钮调节检测距 离,有效距离范围 2~60cm,工作电压为 3.3V-5V。该传感器的 探测距离可以通过电位器调节、具有干扰小、便于装配、使用方 便等特点,可以广泛应用于机器人避障、避障小车、流水线计数 及黑白线循迹等众多场合。 2. 模块参数说明 a) 当模块检测到前方障碍物信号时,电路板上红色指示灯点亮, 同时 OUT 端口持续输出低电平信号,该模块检测距离 2~60cm, 检测角度 35° ,检测距离可以通过电位器进行调节,顺时针调 电位器,检测距离增加;逆时针调电位器,检测距离减少。 b) 传感器属于红外线反射探测,因此目标的反射率和形状是探测 距离的关键。其中黑色探测距离最小,白色最大;小面积物体距 离小,大面积距离大。 c) 传感器模块输出端口 OUT 可直接与单片机 IO 口连接即可, 也 可以直接驱动一个 5V 继电器模块或者蜂鸣器模块;连接方 式:VCC-VCC;GND-GND;OUT-IO。 d) 尺寸大小:中控板 42mm× 38mm× 12mm(长× 宽× 高)

小板 25mm× 12mm× 12mm(长× 宽× 高) 3. 原理图 a) 小板

b) 主控板

六、尚未解决的难点问题 机械手的抓取:抓取圆台上的绿砖时因为圆台是可旋转的,所以绿砖 的摆放可以是不规则的, 这时候用机械手去抓取可能会不小心把绿砖 碰到对面的 home,怎么样能稳定的抓取中间的绿砖。 机器人平衡沿着白线运行问题:小车通过轮子的正转反转实现转弯,

转弯后如果是右转则会前端左边的传感器先接收到信号, 当前端中间 的传感器和后端的传感器同时接受信号时小车向前,但是因为滞后, 小车可能会偏一个角度,而不是沿白线前进,然后前端右边的传感器 接收到信号,小车再向右偏,这样小车可能会不停地调整,头转来转 去。

七、经费运算
项目
《动手玩转arduino》 杜邦线

单价 36.5 4 5 3 33 6 132 35 5 30 86 10 8 3 100 100

数目 1 7 2 2 1 2 1 4 4 2 1 1 4 4 1 1

总价 36.5 28 10 6 33 12 132 140 20 60 86 10 32 12 100 100 817.5

面包板 降压模块 arduino板 L298板 航模电池 直流减速电机 电机支架 舵机 机械手臂 传感器扩展版 车轮 电机联轴器 其他尚未统计小零件 运费路费 总计


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