一種可觸控投影機(jī)器人的移動(dòng)底盤(pán)設(shè)計(jì)

蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣工程學(xué)院 王萬(wàn)炳 洪梓榕

本文設(shè)計(jì)了一款三輪移動(dòng)的可觸控投影機(jī)器人的底盤(pán)，通過(guò)前輪萬(wàn)向輪與后輪麥克納姆輪的配合實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)、避障等基本功能，具有移動(dòng)靈活、控制方便的優(yōu)點(diǎn)。

目前智能投影設(shè)備在家庭環(huán)境內(nèi)大量使用，但大多數(shù)是固定設(shè)備可自主靈活移動(dòng)的設(shè)備較少，本文設(shè)計(jì)了一款三輪自主移動(dòng)的智能型投影機(jī)器人的底盤(pán)，通過(guò)后端麥克納姆輪和前端萬(wàn)向輪的配合實(shí)現(xiàn)小角度轉(zhuǎn)彎，具有移動(dòng)穩(wěn)定的特點(diǎn)。

1 可觸控投影機(jī)器人底盤(pán)總體設(shè)計(jì)

可觸控投影機(jī)器人底盤(pán)總體結(jié)構(gòu)主要分為前端和后端兩部分組成，機(jī)器人底盤(pán)前端部分由傳感器系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。機(jī)器人底盤(pán)后端部分由電源系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和操作系統(tǒng)。底盤(pán)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，底盤(pán)底部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 可觸控投影機(jī)器人底盤(pán)總體結(jié)構(gòu)圖

圖2 可觸控投影機(jī)器人底盤(pán)底部結(jié)構(gòu)

機(jī)器人移動(dòng)功能的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)傳感器模塊去獲取機(jī)器人的當(dāng)前位置信息，傳輸?shù)叫畔⑻幚硐到y(tǒng)，信息處理系統(tǒng)接收到后，再發(fā)送到控制系統(tǒng)里面進(jìn)行分析和處理，處理結(jié)果反饋給驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)再控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)去對(duì)機(jī)器人進(jìn)行移動(dòng)，以及避障。底盤(pán)控制系統(tǒng)框架如圖3所示。

圖3 底盤(pán)控制系統(tǒng)框架

2 可觸控投影機(jī)器人底盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 底盤(pán)前端設(shè)計(jì)

機(jī)器人底盤(pán)前端由傳感系統(tǒng)和信息處理及控制系統(tǒng)構(gòu)成。傳感系統(tǒng)由紅外傳感器、超聲波傳感器、循跡模塊組成。在機(jī)器人底盤(pán)的正前端，設(shè)有循跡模塊，循跡模塊內(nèi)部具有發(fā)光二極管和光敏電阻，它可利用不同顏色的檢測(cè)面對(duì)光的反射程度不同，通過(guò)光敏電阻對(duì)不同的檢測(cè)面返回光及阻值用不同的原理進(jìn)行顏色深淺的檢測(cè)。控制機(jī)器人沿指定的路徑移動(dòng)。在機(jī)器人底 盤(pán)前端左右兩側(cè)都設(shè)有紅外傳感器，通過(guò)它實(shí)現(xiàn)紅外測(cè)距和避障。在紅外傳感器的外側(cè)放置有超聲波傳感器，由超聲波傳感器通過(guò)聲波進(jìn)行測(cè)距，當(dāng)達(dá)到設(shè)定距離后，移動(dòng)底盤(pán)會(huì)改變移動(dòng)方向或停止。

信息處理及控制系統(tǒng)設(shè)有無(wú)線接/發(fā)送模塊、音頻輸出模塊，控制系統(tǒng)設(shè)有STM32主控制板、電機(jī)驅(qū)動(dòng)板、電源監(jiān)測(cè)模塊，可通過(guò)它來(lái)接收傳感器模塊發(fā)送來(lái)的信息，進(jìn)行分析處理，再通過(guò)控制模塊控制機(jī)器人移動(dòng)或避障。

2.2 底盤(pán)的后端設(shè)計(jì)

機(jī)器人底盤(pán)后端部分由電源系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、操作系統(tǒng)組成。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由電機(jī)與麥克納姆輪組成，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人整體的移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，投影機(jī)器人底盤(pán)的大小取決于電機(jī)和麥克納姆輪的尺寸。考慮到本產(chǎn)品多用于空間小的室內(nèi)，我們采用了后端為麥克納姆輪，前端為萬(wàn)向輪，通過(guò)電機(jī)的差速，有效的提高了底盤(pán)轉(zhuǎn)彎的角度，有效的提高了機(jī)器人移動(dòng)的機(jī)動(dòng)性。

底盤(pán)后端外側(cè)是操作系統(tǒng)由操作按鈕及指示燈組成，通過(guò)按壓操作按鈕可選擇相關(guān)工作模式，通過(guò)系統(tǒng)指示燈可判斷出底盤(pán)系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)是否工作在正常狀態(tài)。當(dāng)指示燈為綠色時(shí)，表明系統(tǒng)工作正常；當(dāng)指示燈為黃色時(shí)，表明系統(tǒng)出現(xiàn)故障，需要檢修；當(dāng)指示燈為紅色時(shí)，表明系統(tǒng)在待機(jī)狀態(tài)。

3 可觸控投影機(jī)器人底盤(pán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 主控板的選擇

根據(jù)底盤(pán)控制系統(tǒng)的要求以及完成底盤(pán)控制系統(tǒng)與機(jī)器人主體控制系統(tǒng)的信息交互功能，本控制系統(tǒng)選擇了STM32F103ZET6芯片作為核心處理器，其工作電壓范圍為2.0-3.6V。它集成了豐富的片內(nèi)資源，包括256K至512K字節(jié)的閃存，高達(dá)64K字節(jié)的SRAM，3個(gè)12位微秒級(jí)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換范圍為0至3.6V，多達(dá)112個(gè)快速輸入輸出口、11個(gè)定時(shí)器、13個(gè)通信接口等，可以有效的簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)的外圍電路以及節(jié)約硬件設(shè)計(jì)的成本。

3.2 驅(qū)動(dòng)控制電機(jī)的選擇

底盤(pán)所采用的是36-555行星減速電機(jī)24V大扭力全金屬齒輪中心出軸永磁直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，采用脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速系統(tǒng)對(duì)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、制動(dòng)進(jìn)行控制。機(jī)身小巧、超靜音，聲音低于50分貝，電機(jī)均采用優(yōu)質(zhì)進(jìn)口鋁材制作，耐腐蝕，不易生銹，電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制原理圖如圖4所示。

圖4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制原理圖

3.3 傳感器的選擇

依據(jù)可觸控投影機(jī)器人底盤(pán)的需求，本人選擇了紅外傳感器，超聲波傳感器、循跡模塊。

本文設(shè)計(jì)的底盤(pán)采用自主設(shè)計(jì)的循跡電路板。循跡傳感器以高亮正白光二極管作為光源，光敏電阻作為光強(qiáng)檢測(cè)器件，因在不同顏色的反射光不同，所以可以進(jìn)行簡(jiǎn)單的顏色判斷，從而進(jìn)行算法計(jì)算，進(jìn)行循跡行進(jìn)。原理圖如圖5所示。

圖5 循跡模塊原理圖

紅外傳感器具有一個(gè)紅外線發(fā)射管和一個(gè)紅外線接收管。紅外線發(fā)射管按照一定角度發(fā)射紅外光束，當(dāng)遇到物體之后，紅外線會(huì)反射回來(lái)，當(dāng)紅外接收管接收到紅外線反射回來(lái)的光后，通過(guò)空間結(jié)構(gòu)上的幾何三角關(guān)系，就可以計(jì)算出物體距離。

超聲波傳感器具有一個(gè)超聲波發(fā)射頭和一個(gè)超聲波接收頭。超聲波測(cè)距的原理與紅外傳感器原理相似，當(dāng)超聲波發(fā)射頭發(fā)射超聲波后當(dāng)超聲波遇到障礙物會(huì)反射，當(dāng)超聲波接收頭接收到反射回來(lái)的超聲波時(shí)，就可以通過(guò)超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間差，計(jì)算出測(cè)量到的距離，就能計(jì)算出機(jī)器人距離障礙物的實(shí)際距離。

本文主要針對(duì)校內(nèi)實(shí)訓(xùn)基地、大型流動(dòng)展會(huì)及家庭影院等場(chǎng)所研發(fā)制作的一款移動(dòng)靈活，操作方便，觀賞性強(qiáng)的可觸控投影機(jī)器人的底盤(pán)，通過(guò)控制系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的相互配合來(lái)完成所需完成的任務(wù).并且本文的這個(gè)底盤(pán)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，不僅用于投影機(jī)器人這個(gè)領(lǐng)域，也可用于餐飲服務(wù)類、智能家具行業(yè)之中。可深入研究?jī)r(jià)值還是挺高的。