(2)四驱轮式车体,其特点是所有轮子都是驱动轮,均可以控制。优点是通过旋转轮子来转向,并提供动力,可以更好适应粗糙路面,而且速度快,噪声低;缺点是机械结构复杂,但也非常灵活,但是控制较复杂。
(3)汽车结构式轮式车体,其特点是只需要两个马达,一个作为动力驱动,另一个驱动差速器实行转向,容易控制。优点是速度快、效率高、运动噪声低;缺点是转弯效率低,或转外半径大,越障能力、地形适应能力较差,但比四驱轮式好。适合野外、城市环境,但是地形不能太复杂,如上楼梯难以实现。
(4)履带式车体,其特点是差速驱动两个履带。优点是动力强劲、越障能力、地形适应能力强;缺点是速度相对较低、效率低、运动噪声较大。适合野外、城市环境尤其在爬楼梯、越障等方面优于轮式车体。
综合考虑,本系统主要用于室内环境,对地形条件要求不高,所以采用二驱轮式车体作为系统车体。
3.硬件电路设计与实现
3.1 运动控制单元电路
运动控制单元主要承担着对小车状态控制的职责,它主要涉及到控制单元、驱动部分、和车体结构。控制部分由芯片STC89C51承担,主要的任务是分析接收到的信号,然后发出控制指令[7]。驱动部分主要由芯片L298N组成。车体主要是小车行走的硬件基础。
3.1.1 控制单元
系统的控制单元由STC89C51系统承担,在整个系统中承担着重要的作用。首先它直接与小车的驱动芯片相连,对芯片发送控制信号。其次它承担着对接受到的控制信号的分析和处理重要职责,对小车的状态的控制起着不可替代的作用。
控制单元的电路图如图5所示。51单片机通过P3.0接收上位机发送的控制信号,通过查询的方式对其接口信号进行查询分析,通过P2.0-P2.3接口向L298N模块发送控制信号,实现对小车控制信号的转换和发送,从而实现小车状态的控制。
图5 控制单元单元电路图
3.1.2 驱动部分
本系统运动控制驱动单元主要是由L298N模块完成,如图6为其电路图。主要分为两个部分:一个是L298N驱动模块,另外一个是电机。电机驱动模块的工作就是根据51板的输出信号去放大和转换,增大驱动能力,以便启动和停止相应的电机,以及调整电机的正反转方向[8]。正是通过开启和关闭相应的电机,使电机在不同的组合状态运转,最终来实现小车的状态控制功能。而电机的作用无疑就是小车的动力部分,分别控制两个电机的运动和停止,实现小车的前进、后退、左转、右转及停止等功能。电机主要是由线圈组成的,因此在电机的转动的过程中就相当于一个阻值很大的电感,尤其是在换向的时候会产生很大的反向电流,对电机有很大的破坏作用,因此要在电路中添加二极管,其作用就是泄流,对电机有保护作用。
图6 运动控制驱动单元电路图
控制驱动芯片主要采用L298N,其引脚功能分配图见图7。4管脚VS接2.5V到46V的电压,它是用来驱动电机的,9引脚是用来接4.5到7V的电压的,它是用来驱动L298芯片的,6和11引脚是它的使能端,一个使能端控制一个电机,具体由哪一个时能端控制由硬件的焊接决定,只有当它们都是高电平的时候两个电机才有可能工作。5,7,10,12是298的信号输入端和单片机的IO口相连,2,3,13,14是输出端,输入5和7控制输出2和3, 输入的10,12端口控制输出的13,14端口。
图7 L298N引脚图
通过单片机的I/O输出改变芯片控制端的电平,用单片机的P0口的低四位(P0.0 、P0.1、 P0.2、P0.3)分别接到电机控制芯片L298的控制信号输入端口IN1、IN2、IN3、IN4,用P1.3和P1.4分别接到L298的使能端口ENA和ENB。由于本设计采用两个电机来驱动小车,因此ENA、IN1、IN2是控制电机1,ENB 、IN3、IN4是控制电机2。
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