论文总字数：13381字

摘 要

移动小车，又称智能小车，近年来，无论是国内还是国外，都对其进行了大量的研究。其在军用和民用的用途均极为广泛。本文对移动小车进行了全面的设计，包括采用了双后轮驱动方式，移动小车整体机械部分设计，电机的选择，以及以单片机STC89C52为核心的硬件设计，还有软件的编程。然后进行了实物的演示，成功完成了设计要求的寻迹避障任务。最后对移动小车进行了经济分析与安全分析。

关键词：移动小车；STC89C52；编程

Abstract

In recent years, both at home and abroad,much research has been finished on the mobile car, also known as intelligent car. It is widely used in military and civil applications. In this paper, a comprehensive design of the mobile car is carried out,including adopting the double rear wheel drive mode,The whole mechanical part of the mobile car, motor selecting , design of the hardware with the single chip computer STC89C52 as the core and the software programming . Then,the demonstration of the real object is carried out, and the task of track finding and obstacle avoidance required by the design is successfully completed. Finally, the economic analysis and safety analysis of the mobile car are done

Keywords:mobile car; STC89C52; programming

目录

第一章 绪论 1

1.1移动小车简介 1

1.2移动小车国内外研究现状及发展趋势. 1

第二章 机械部分设计 2

2.1设计任务 2

2.2 确定机械传动方案 2

2.3选择直流伺服电机 3

2.4 联轴器的选择 4

2.5 蜗轮蜗杆设计 4

2.6 前轮轴的设计 6

2.7 后轮轴的设计 7

2.8 滚动轴承的选择 7

2.9 校核 7

2.10运动学分析 8

第三章 控制系统的设计 10

3.1 单片机的选择 10

3.2 电机驱动模块的选择 10

3.3 红外传感器的选择 11

3.4 调速系统选择 12

3.5 编程语言选择 12

3.6 电源模块选择 12

3.7 最小应用系统设计 13

3.8 系统编程 14

第四章 实物演示 22

4.1 寻迹传感器的调试 23

4.2 避障传感器的调试 25

4.3 速度的选择 26

4.4 程序的烧录和修改 27

4.5 测试结果 28

第五章 经济分析与安全环保等分析 30

5.1经济分析 30

5.2安全、环保分析 30

结束语 32

致谢 33

第一章 绪论

1.1移动小车简介

移动小车，又叫智能小车、轮式移动机器人，集合了探测、控制、驱动等功能。近年来，无论是国内还是国外，都对其进行了大量的研究。其用途也极为广泛，不仅用于各种重大比赛，如国内的著名的飞思卡尔赛事，而且在民用以及军用都有了很大的市场。例如，在军用方面，有一些危险的地方，用移动小车代替人去执行任务则更加安全。

移动小车的设计主要分为几大方面，如系统总体设计，硬件设计，软件设计等。

1.2移动小车国内外研究现状及发展趋势.

国内移动小车的研究越来越多，市场上的需求也在不断增加，随着经济的快速发展，我国在这方面的科研有了更多新的进展。不仅仅是基于单片机控制，还增加了很多其他的功能，如闭环控制、蓝牙控制和视频监控等。有的小车增加了履带，以便于可以在复杂的路况行驶，增加机械手，可以进行物品的装卸。有的小车还可以用手机进行远程控制。我国移动小车技术在国家“863”计划期间在很多领域都取得了很好的有价值的成就。在这种大的趋势下,很多高等院校和科研团队也在积极开展相关项目的研究和探索。尽管我们的技术还不能与发达国家相媲美，但是毫无疑问国内市场的发展潜力很大。

国外移动小车的研究则比我国更早，研究成果也更多，1954年美国一家公司为了方便货物搬运研究出来了第一个AGVS系统。后来有了单片机的参与，更加加快了移动小车的发展速度。IROBOT,ADEPT,PAL,AETHON,新松、昆船、米克力美等公司也在AGV领域取得了不少的进展。并且已经发展到商业领域。亚马逊仓库使用的kiva，无论是在硬件上还是软件上都处于世界领先的地位。在几万平方米的仓库，kiva在里面大显身手，万无一失的完成仓库物流搬运的任务。

总之国内外都在加速加大力度研究移动小车，未来移动小车的作用不可限量。在各个领域，甚至是在我们自己的家中，都会看到移动小车的身影。移动小车硬件和软件会不断发展，运动会更加精确，实现的功能会更多更复杂，更好的为人类服务。

第二章 机械部分设计

2.1设计任务

设计一台移动小车，使其可以承受一定的负载，可以按照一定的速度，完成移动小车的行进，并具有一定的负载能力。

设计参数如下：

小车长宽高510mm*310mm*200mm

小车车重15KG

应达到的技术要求如下：

负载：10KG

行进速度：0.2m/s

2.2 确定机械传动方案

方案一:移动小车车轮结构采用两后轮一个万向轮。直流伺服电机转动，带动两个后轮的转动。传动系统如图2.1所示。

方案二: 移动小车车轮结构采用两后轮和两前轮。直流伺服电动机经过蜗轮蜗杆减速后带动小车的运动。两电机速度相同则前进或者后退，速度不同则可以左转或者右转。传动系统如图所示。

针对两种方案的选择，方案一传动误差大而且计算更为复杂。方案二采用蜗轮蜗杆减速，设计简单速度控制精确、转向灵活，负载能力较好，稳定性也高于方案一。综上所述，本设计采用方案二。

2.3选择直流伺服电机

要求速度为0.2m/s

所用轮子的直径为200mm

蜗轮蜗杆减速比为1：62

则所需电机转速为0.2*60*62/（0.2*3.14）=1184r/min

驱动电机有直流伺服电机和步进电机两种，伺服电机可以用电压信号使小车运动。而且直流伺服电机的很多特性都优于步进电机，如直流伺服电机运转平稳，具有较强的负载能力，所以本设计选择用J45SY100B直流伺服电机驱动小车。

2.4 联轴器的选择

联轴器的作用是将两根轴连接在一起，并且使其固定保证其可以一起转动。

电机的输出轴的直径为6mm，蜗杆与联轴器相连的轴的直径为12mm。因此选择联轴器的型号为刚性型顶丝式联轴器[CPRL25-6-12]，两个轴端与联轴器各用两个内六角止动螺丝固定。

2.5 蜗轮蜗杆设计

蜗杆的设计采用渐开线蜗杆。

蜗杆设计参数如下：
传递效率：0.69

传递转矩：9.55
传动比i：62

模数mn:1.25
导程角γ:3.19

头数Z1:1
变位系数X1:0
齿宽B1:23.375mm
分度圆直径d1:22.4mm
齿顶圆直径da1:24.9mm

涡轮设计参数如下：

齿数Z2:62
变位系数X2:0.04
齿宽B2:17.43mm
总变位系数X:0.04

分度圆直径d2:77.5mm
齿顶圆直径da2:80.1mm

2.6 前轮轴的设计

前轮轴由两个轴承固定在车架上，轴承用轴用弹性挡圈固定，轮子用轴用弹性挡圈固定防止其轴向滑动，用轮子上面的键固定使其跟随前轮轴一起转动。具体设计尺寸见图。

2.7 后轮轴的设计

前轮轴由两个轴承固定在车架上，轴承用轴用弹性挡圈固定，轮子用轴用弹性挡圈固定防止其轴向滑动，用轮子上面的键固定使其跟随后轮轴一起转动。涡轮用键使其固定在后轮轴上，由键的作用使涡轮带动后轮轴的转动。具体设计尺寸见图。

2.8 滚动轴承的选择

滚动轴承在机械设计中经常出现，它可以将转动轴固定在支架上，还可以使轴的摩擦降低。将前轮轴和后轮轴固定在支架上的轴承选用深沟球轴承，将蜗杆固定在支架上的轴承也用深沟球轴承，并用轴用弹性挡圈将其固定在支架上。

2.9 校核

移动小车重量为G1=Mg=15KG*10=150N

负载重量G2=Mg=10KG*10=100N

满负荷小车总重量G0=100 150=250N

小车四个轮子每个轮子承受的力均为F=250/4=62.5N

单个后轮最大力偶矩Mf=0.006*62.5=0.375N•m

0.006为车轮与地面的滚动摩擦系数

小车牵引力F=Mf/(D*0.5)=0.375/0.1=3.75N

额定转速为4000m/min

车轮半径为r=100mm

电机输出轴力矩T=(3.75 0.15*62.5)*0.2*10/(2*62)=0.302N•m

输出轴复合惯性J=0.00005 (0.008732 0.000350 0.00550)/(62*62)=0.00005379Kg•m²

电机转动惯量为1500Kg•m²

573.9/1500=0.3826 0.25lt;0.3826lt;1

所以电机满足要求

A³√(P/n)=120*³√(62.5*0.2/1000/65)=6.84mmlt;20mm

所以前轮轴后轮轴设计满足要求

2.10运动学分析

小车转弯时的行进速度为0.05m/s

小车转弯示意图

假设移动小车在转弯弯道是匀速转弯;后小车两轮之间的距离为350mm;匀速转向时R为半径;两轮的速度分别为心V2、V1。则有
Rgt;v/(μg)
Rgt;(0.05)/（0.004*10）=1250mm
故小车转弯的最小半径为R=1250mm。假设左、右轮的速度为
V2=(2R B)V/（4rR*3.14）=(2x1.250 0.350)x0.050/（4*0.100*3.14*1.250）≈91mm/s
V1=(2R-B)V/（4rR*3.14）=(2x1.250-0.350)x0.050/（4*0.100*3.14*1.250）≈69mm/s

第三章 控制系统的设计

设计任务：使小车可以完成基本的前进、后退、左转、右转的任务，并且可以按照规定的线路前进(可以沿着黑线行进)，在遇到障碍物时可以立刻停止，在移走障碍物时可以沿着黑线继续前进。

3.1 单片机的选择

本设计的控制芯片采用单片机，单片机目前在市场的有很多种，传统的AT89C51/52单片机已经可以实现很多功能，但是其内存较小，往往需要外加扩展空间，因此本设计选择国产的STC89C52型单片机，用其控制各种硬件完成设计任务。

3.2 电机驱动模块的选择

由于单片机引脚出来的电流很小，只有几十ma这样是无法驱动电机的，而电机驱动模块相当于让你能够用小功率控制大功率。本设计选用L298N驱动模块。在本设计中可以刚好用一个L298N驱动模块来驱动两个直流伺服电机。L298N原理图如下。

L298N引脚说明

EN1：IN1和IN2的使能端。

EN2：IN3和IN4的使能端

IN1~IN4：输入端

OUT1~OUT4:输出端，可用一个直流OUT1OUT2两个输出端与OUT3OUT4两个输出端驱伺服电机。

3.3 红外传感器的选择

寻迹和避障任务均需要传感器来进行探测。

1、寻迹传感器

请支付后下载全文，论文总字数：13381字