机械电子学课程设计.docx

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机械电子学课程设计

新“木牛流马”方案报告

1.设计背景和意义

2.功能要求

3.技术指标

4.总体方案

5.机械结构设计与计算

6.传感器与执行器

7.控制系统原理

8.运动仿真及优化设计

9.参考文献

1.设计背景和意义

木牛流马，为三国时期蜀汉丞相诸葛亮发明的运输工具，分为木牛和流马。

史载建兴九年至十二年（231年－234年）诸葛亮在北伐时所使用，其载重量为“一岁粮”，大约4百斤以上，每日行程为“特行者数十里，群行二十里”，为蜀国十万大军提供粮食。

另外还有机关防止敌人夺取后使用。

不过，确实的方式、样貌现在亦不明，对其亦有不同的解释。

步入21世纪，随着机械技术、电子技术、信息技术以及其他高新技术的发展和成熟，我们已经来到了智能机器的时代。

无论是在生活中还是军事领域，装备有电子系统的机械设备越来越多，机械系统与电子系统的有机结合，赋予了设备新的功能和更高的性能。

结合当代的技术背景，我们可以设计一辆新的木牛流马，一辆机电一体化的运输工具，并赋予它新的功能。

木牛流马的产生主要是为了方便在崎岖不平的山路上运输粮草。

结合现在的应用环境，我们可以设计一辆小型野外运输车，适应复杂的地形和环境条件，可以通过遥控进行控制，也可以切换为智能模式，主动行走。

这样的小型运输车可以用于抗震救灾现场的物资运输，便于节省人力，提高运输效率，防止人工运输途中的二次伤亡。

新木牛流马也可以用于军事领域中，方便在崎岖的山路中小型武器、弹药以及食物的运输。

2．功能要求

作为一辆运输车，它的主要功能是运输货物，需要其有一定的载重及货物存储的能力。

但它又是一辆小型的运输车，为了能够满足各种崎岖的地形要求，需要其底盘系统灵活可靠，运动自如。

新木牛流马拥有两种工作模式，一种是人工遥控模式，车速可以无级调控，遥控器具有较好的控制功能和显示功能；另一种是智能识别模式，设定一个目的地，运输车可以通过GPS导航、摄像头识别、红外避障等功能自动将货物运送到目的地。

新木牛流马工作在复杂且恶劣的环境中，还需要此运输车具有防水、抗震、抗干扰的能力。

为了提高性能，需要对整车进行轻量化设计，节约行驶中的能源消耗，提升续航力。

可以添加太阳能电板，利用太阳能充电。

考虑人机工程，提升木牛流马的操作性和维护性。

如遥控器可以放置到运输车上充电，拥有手机等手持设备的充电接口，运输车上备有照明设备

3.技术要求

额定载荷：

200kg

行驶速度范围：

8-20Km/h（参考人步行速度10km/h左右）

遥控距离：

10m

续航里程：

20km

可以爬行30°的斜坡

底盘高度可调，调节高度的范围100mm，精度为0.5mm

全自动可折叠式太阳能板，完成展开时间为20s左右

电池电量显示　精度１％

电压显示　　精度０.１Ｖ

行驶里程累计与预估行驶的距离　精度0.1km

密封式高强度储物箱

ＧＰＳ模块定位、行驶线路绘制和显示

温度传感器（环境温度，电池，电机温度监控）

载重质量传感器（防止超载）

倾角传感器（防止翻车）

红外测距传感器（避障）

数字摄像头（识别路况）

霍尔传感器（各个轮速的测试）

光敏传感器（测试环境光，智能开启照明灯，智能打开太阳能板）

语音开关（语音识别技术，系统启动开关控制）

４.总体方案

　　4.1机械部分：

新木牛流马采用轮式驱动设计，不同的是这些轮子并非固定在车身上，而是通过悬架连接至车身，并通过主动悬架技术调节底盘高低，增强运输车的通过性。

底盘调节的方式是通过步进电机调节控制臂的长短，实现避振初始位置的调节，从而实现底盘高度的调节。

由于负载时整车的质量较重，调节控制臂所需力矩较大，所以调节的步进电机需要通过一个减速器，实现减速增矩的作用，

考虑转向的灵敏度，以及整车强大的动力性，采用四轮全时驱动，每个轮上装备一个轮毂电机，电机周围加装散热片，通过风扇进行风冷散热，防止电机长时间工作后过热而烧毁。

折叠式太阳能板，由于太阳光的能量与吸收的面积成正比，所以需要较大的太阳能板来增加充电的效率。

但是较大的顶板不利于运输车在复杂地形的通过性，所以太阳能板通常是折叠起来的，在空旷和光源充足的地方，可以自动展开，并调节角度，使板面垂直于入射光，提高充电效率。

电池组放置于车身的底部，降低质心，提升车身的稳定性。

储物箱设计有可拆卸式隔断，可以存放小物体，隔断用来归类物品，同时起到防止物品串动的作用，也可拆掉隔断，放置较大的物体。

4.2电控部分：

电控主要分为两部分，一个是车载，一个是遥控器。

由于新木牛流马的功能较多，而且较为复杂，需要较多的接口和较好的计算能力的单片机，综合考虑选用STM32F系列的单片机。

遥控器的控制相对较为简单可以选用51系列的单片机。

功能框图如下：

图1.车上系统图

图2.遥控器系统图

5.机械结构设计

5.1轮毂电机机构

电机直接安装在轮毂上，通过一级齿轮传动，将动力直接传递到轮胎上，动力响应快。

齿轮为了保证齿轮传动的可靠性，设计了一个齿轮箱，并考虑密封、润滑以及轻量化设计，齿轮箱必须设计紧凑，减轻簧下质量，便于提高木牛流马的灵活性。

图3.轮毂机构示意图

.

图4.剖视图图5.透明化示意图

5.2主动悬架机构

由于此运输车需要在颠簸的路面行驶，为了提高整个系统的稳定性，设计一套主动悬架式结构，使得轮胎和车体不是刚性连接，而是通过一个阻尼弹簧系统。

示意图如下。

图6.机构示意图

此系统模仿汽车上的双叉臂式悬架系统设计，此悬架系统一般用于高档运动型轿车，或是超级跑车，此结构的运动性能良好，可调的范围大。

主动悬架也是高档轿车中才有的配置，功能是在行驶过程中根据路况、车速等条件自动调节底盘高低、避震器的阻尼和刚度。

根据新木牛流马的设计要求，此主动悬架是通过调节示意图中调节杆的长短来实现底盘高度的调节。

调节杆的长度是通过调节杆两端分别采用左旋和右旋螺纹来实现的，旋转中间的螺纹管，就可以使调节杆伸长或是缩短。

旋转调节的机构采用涡轮蜗杆的减速机构，较高的减速比，可以产生较大的终端扭矩，便于在高负载下转动调节杆。

图7.内侧结构示意图

图8.外侧示意图

5.3可折叠太阳能板机构

图9.太阳能板机构

如上图所示，太阳能板分为三层，此为折叠状态下的形式。

顶层板是固定不动的，中间层板和底层板是可以左右滑动的。

底层和中间层之间有个电机，电机通过齿轮齿条结构连接在这两层之间，电机逆时针转动，中间层板向左滑动，底层板向右滑动。

收起太阳能板，只需电机反转就可。

此处需要两个行程开关，用来检测板的运动行程，到达指定行程后，电机停转。

5.4总体结构布局

图10.底盘布局图

图11.前侧视图

图12.后侧视图

6.传感器与执行器

6.1传感器（传感器原理和参数，工作过程）

Ø轮速传感器

轮速采用霍尔传感器，码盘的材料必须是铁磁性的，传感器输出脉冲方波信号，信号输入至中断口，通过上升沿触发采集，根据固定时间内采集到的脉冲数以及轮胎直径，计算行驶速度。

显示屏上显示速度为四轮的平均速度。

Ø温度传感器

温度采集使用数字化温度传感器DS18B20，该温度传感器采用单总线协议，与单片机接口仅需占用一个I/O端口，无须任何外部元件，直接将环境温度转化为数字信号，以数字码方式串行输出，简化了传感器与微处理器的接口。

支持多点组网功能，可以将电机温度传感器并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。

Ø光敏传感器

光敏电阻，随着光强的增大而电阻值变小，非线性，可以设计一个光控开关电路，电路图如下

图13.光敏开关电路

当入射光强时，光敏电阻阻值较小，此时通过5v的分压，三极管的基极电压低于0.7v，三极管不导通，此时pin脚测得是电源电压，为高电平；当入射光弱时，光敏电阻阻值增大，此时三极管导通，pin脚通过三极管接地，为低电平。

Ø红外传感器

　红外测距传感器具有一对红外信号发射与接收二极管，利用的红外测距传感器LDM301发射出一束红外光，在照射到物体后形成一个反射的过程，反射到传感器后接收信号，然后利用CCD图像处理接收发射与接收的时间差的数据。

经信号处理器处理后计算出物体的距离。

这不仅可以使用于自然表面，也可用于加反射板。

GP2Y0A02YK0F是夏普的一款距离测量传感器模块。

它由PSD（positionsensitivedetector）和IRED（infraredemittingdiode）以及信号处理电路三部分组成。

由于采用了三角测量方法，被测物体的材质、环境温度以及测量时间都不会影响传感器的测量精度。

传感器输出电压值对应探测的距离。

通过测量电压值就可以得出所探测物体的距离，所以这款传感器可以用于距离测量、避障等场合。

Ø倾角传感器

理论基础就是牛顿第二定律，根据基本的物理原理，在一个系统内部，速度是无法测量的，但却可以测量其加速度。

如果初速度已知，就可以通过积分计算出线速度，进而可以计算出直线位移。

所以它其实是运用惯性原理的一种加速度传感器。

当倾角传感器静止时也就是侧面和垂直方向没有加速度作用，那么作用在它上面的只有重力加速度。

重力垂直轴与加速度传感器灵敏轴之间的夹角就是倾斜角了。

随着MEMS技术的发展，惯性传感器件在过去的几年中成为最成功,应用最广泛的微机电系统器件之一，而微加速度计（microaccelerometer）就是惯性传感器件的杰出代表。

作为最成熟的惯性传感器应用，现在的MEMS加速度计有非常高的集成度，即传感系统与接口线路集成在一个芯片上。

倾角传感器把MCU，MEMS加速度计，模数转换电路，通讯单元全都集成在一块非常小的电路板上面。

可以直接输出角度等倾斜数据，让人们更方便的使用它。

Ø称重传感器

称重传感器实际上使用的一种力传感器。

电阻应变式称重传感器原理，它能将作用在被测物体上的重力按一定比例转换成可计量的输出信号。

不同使用地点的重力加速度和空气浮力对转换的影响，称重传感器的性能指标主要有线性误差、滞后误差、重复性误差、蠕变、零点温度特性和灵敏度温度特性等。

Ø语音识别模块

嵌入式语音识别系统都采用了模式匹配的原理。

录入的语音信号首先经过预处理，包括语音信号的采样、反混叠滤波、语音增强，接下来是特征提取，用以从语音信号波形中提取一组或几组能够描述语音信号特征的参数。

特征提取之后的数据一般分为两个步骤，第一步是系统“学习”或“训练”阶段，这一阶段的任务是构建参考模式库，词表中每个词对应一个参考模式，它由这个词重复发音多遍，再经特征提取和某种训练中得到。

第二是“识别”或“测试”阶段，按照一定的准则求取待测语音特征参数和语音信息与模式库中相应模板之间的失真测度，最匹配的就是识别结果。

语音模块与单片机通信，然后通过程序识别语音启动信号，信号识别正确则输出一个开关信号，启动继电器，开通各个执行器的驱动电源线。

ØGPS模块

GPS模块就是集成了RF射频芯片、基带芯片和核心CPU，并加上相关外围电路而组成的一个集成电路。

单片机通过与GPS模块通信，设定GPS的工作模式，同时获取经纬度的信息，将这些信息储存到ROM中，记录行驶的轨迹。

Ø无线收发模块

无线收发采用NRF24L01无线模块，此模块工作于2.4GHz～2.5GHzISM频段。

内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。

nRF24L01功耗低，在以-6dBm的功率发射时，工作电流也只有9mA;接收时，工作电流只有12.3mA，多种低功率工作模式（掉电模式和空闲模式）使节能设计更方便。

满足设计要求工作距离为10米。

6.2执行器

Ø轮毂电机（直流减速电机）

考虑行驶速度20km/h，爬30°坡，载重200kg。

估算整车净重50kg，轮子直径300mm，齿轮减速箱的减速比为2.5，则电机的额定转速为884.3r/min，额定转矩约为7.35N/m。

直流电机的正反向控制只需电机两端的供电电压反接即可，在实际中，通常会用电机控制器来实现弱电的单片机控制强电的电机。

以L298驱动器为例，它可以驱动两个电机实现正反转以及调速。

如下图所示，电机1通过output3和output4控制正反转，这两个口的状态与input3和input4的状态一致，当单片机给input3和input4不同的电平状态，电机工作。

ENAB输入单片机的PWM波，通过这个波的占空比来调速，ENAB高电平下电机转，ENAB低电平电机不转，当以较高频率的PWM波输入时，电机的抖动性会很小。

此车为四轮驱动，所以至少需要两个L298驱动器。

图14.电机驱动电路图

Ø步进电机

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。

在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。

通过步进电机控制悬架的初始位置，可以达到较高的控制精度和响应速度。

步进电机也可以使用L298驱动器。

7.控制系统原理

图15.行驶系统原理图

Ø手动控制过程：

通过一个拨动开关，选择手动控制，然后进入手动控制的程序。

摇杆就是类似航模的遥控杆，它实际上就是一个两路的电位器，而速度调节旋钮就是一个单路的电位器。

51芯片初始化，设置无线模块的工作模式，以及其他基本设置，然后通过一个四路的AD转换芯片将控制信号读取至一个系统变量中，通过扫描式的方式，反复读取摇杆和速度调节的信号，以达到实时采样的效果。

最后通过向NRF24L01的FIFO中发送一个含有8字符的数据单元，前两位为验证字符串，防止数据发送错误，提高系统的稳定性。

第二个双字符串为摇杆某个电位器的变量值，第三个双字符串为摇杆另一个电位器的变量值，最后一个双字符串为速度调节的变量值。

遥控器端的无线模块设为发送模式，车上的设为接收模式，STM32将接收的到的数据进行拆解，根据要求控制四个电机的转动速度和转动方向。

运输车的转向是通过四轮的差速实现。

若左边车轮轮速低于右边车轮轮速，则车辆向左转向，在转较小的弯角时，可以一边的轮子反转，一边的轮子正转。

Ø智能行走过程：

单片机从GPS模块中读取当前的位置信息，然后根据设定的目的地位置信息，计算行驶路线，在行走的过程中，通过摄像头采集的前方道路信息，以及红外测距传感器，不断更换行驶路线，修正行驶方向和速度。

根据环境光的强度，智能开启前照灯。

根据倾角传感器，修正各个悬架的高度。

8.运动仿真和优化设计

轻量化设计

优化前优化后

悬架上的摇臂通过ansysstaticstructural分析后，可以进行轻量化设计，通过ShapeOptimization模块进行形状优化，减少60%的质量，同时满足结构强度和刚度。

材料可以选用强度高，且密度低的铝合金。

有些零件可以采用复合材料加工，如碳纤维，碳纤维是一种低密度高强度的材料，比铝的密度低，强度比铝大，但是价格也较贵。

9.参考文献

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[5]ANSYSworkbench14.0超级学习手册[M].人民邮电出版社，2013.

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[7]王嘉义,孙楷,张羽辉.木牛流马再世——机械马的建模及制作[J].中学生数理化:

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