寻迹小车FollowMe之一: 起因、目标及车体设计

发表于 2/1/2011 4:15:21 PM 阅读（25728）

[提要] 这一系列文章主要是为了帮助初学者入门，借助“寻迹小车”这个项目逐步进入嵌入式控制领域。
本篇描述了如何制作一个简单易行的小车底盘，作为控制对象。

一、背景

    两年前的6月，我发表了一篇有关机器人入门的文章 —— “关于初级机器人入门项目的设想”，没有得到响应。两年来，论坛上的变化有限，仍然缺少可以连续关注的主题。由于那时我还有工作在身，所以只能提提设想，没有办法自己去尝试。现在我已不需要应付工作，可以做一些想做的事了。眼看又到了暑假，旧话重提，但这次我想通过我的具体行动促成这件事，希望能得到响应。

    在这两年中，我一直在关注、思考这方面的问题：如何能让有意学习嵌入式控制的人得到有效的帮助？感谢一位网友所发的“国外机器人俱乐部”的帖子，通过浏览这些俱乐部的网站，我受到了很大的启发，同时也激发了我做此事的热情。

    这次，我想通过完整的记录一个寻迹小车的设计、制作过程，来引导想入门的人，并且通过这个过程形成一个相对一致的平台，此后大家可以以这个平台为基础，逐步构建一个相对集中、持久的主题，不断进行交流、提高。这是我期望的目标。

    因为我希望有人能与我同行，所以将文章的题目设为：寻迹小车FollowMe。

    为了有可能做到这一点，我将整个过程分为8次发表，每周一次，从设计构思开始，直到最后的调试结果，这样有意参与者可以同步实施，还可以相互交流。我将公布所有的技术细节，包括结构设计图、电原理图、PCB、软件等等，以及设计中是如何考虑的，器件选择的依据，调试中所遇到的问题等。希望能起到抛砖引玉的作用，更希望在这个过程中有人也能发表自己的作品，形成一个“百花齐放、百家争鸣”的局面。

二、概述

    以自制方式为主制作一辆低成本的寻迹小车，用于学习嵌入式应用（单片机），这个项目有两个基本的出发点：

    1）便于自制，成本低廉，可以让大多数人参与；
    2）有可以改进的空间，包括机械性能和电器性能，为进一步学习、提高提供可能。

还有一个潜在的延伸目标：

    3）利用这个平台引入国外较流行的比赛项目 —— MiniSumo。

    我觉得轨迹赛虽然比较普及，但是缺少趣味，改进的激励因素偏少。而MiniSumo是对抗性项目，趣味性大大增加了，比赛场地要求也比较低，只需一个70cm 的圆台即可，便于开展。对于参与者而言，改进小车的激励因素较多，可以促使学习者得到更多的收获。

    但是轨迹项目是最好的入门项目，所以还是以此开始。

三、需求分析

    基于上述目标，这个项目的需求如下：

    1）外形尺寸不大于10*10cm（MiniSumo的规则要求）；
    2）在满足走轨迹的要求的同时兼顾 MiniSumo 灵活性的需求；
    3）机械机构要简单，取材要方便，便于自制；
    4）成本要低（期望车体部分控制在50 - 60元左右，连基本的控制部分 200元以内）；
    5）电机要有一定的改进可能，便于逐步提高机械性能，以满足MiniSumo的要求；
    6）电机的驱动电路也要有可能扩充，以满足电机的要求；
    7）控制部分要容易上手，有便宜的开发手段；
    8）控制部分要有扩充、提高的可能，满足MiniSumo中的高级需要；
    9）控制部分组成要灵活，便于不同学习目标的人有所选择。

四、车体设计

4.1设计依据

    因为要考虑日后能够用于MiniSumo竞赛，所以车体尺寸必须在 10*10cm 范围内。而且MiniSumo 对车的运动灵活性要求较高，基本不能考虑模型汽车的转向机制，所以将利用模型底盘改制的可能排除了，必须使用两轮转向机制的结构。

    车体设计主要考虑的因素有：底盘、电机选择、驱动方式。

    底盘设计：为了便于制作，日后在上面安装其它东西方便，同时具有一定的重量，使小车运行稳定，所以采用 10mm 厚的聚氯乙烯板材制作，此材料便宜，加工特性好，可以直接打孔攻丝，不像有机玻璃那样易碎，只是美观差一些。外形设计成圆型，主要是为了在 MiniSumo 中不至于频繁的互相卡死。

    电机：电机的选择是最困难的，既要便宜，又要容易使用，还要有改进提高的可能。四驱车的130电机应当是最好的选择，此种电机有便宜到几块钱的，也可以花费上百元改制，使之性能大大提高。如果选择带减速机构的电机，驱动方式是很方便，直接将轮子固定在齿轮箱的输出轴上即可，但不足是：其一是价格高，通常一只在 30元以上。其二是改变电机性能比较困难。所以还是选择了130电机。

    驱动方式：因为选择了130电机，驱动方式就相对麻烦。开始受到论坛上曾介绍的那辆纽扣电池小车的启发，才决定采用130电机的，因为他那种摩擦传动方式比较容易实现。后初步尝试了一下，效果不好，主要是压紧了之后，电机轴与轴套间的摩擦损耗太大，压松了打滑。后改用皮带传动才得以实现。

    之所以没有选择齿轮传动，主要是因为没有选到合适的齿轮，而且觉得难以得到不同规格的齿轮，想改变传动比就很困难。用皮带传动只需改变传动轮的大小即可得到所需的传动比，而传动轮制作比齿轮方便许多。

    为了简单且不受制约，轮子自制，轮胎用O型密封圈，轮毂和皮带传动轮合并，采用尼龙棒车制。传动皮带也是用O型密封圈。这种方式可以按照自己的需求随意改变轮子的大小和宽窄，比较灵活。O型密封圈规格较多，取材方便，价格也便宜，通常在一元以下一只。

    车体采用了两轮驱动方式后，另外一个支撑点就成了问题，多数万向轮对于这个10cm 的小车来说太大了。我为此设计了一个使用10mm钢珠的球形支点，在摩擦小的时候是滑动，摩擦大时滚动，性能基本能满足要求，且价格很便宜，总共不到2元钱。

4.2 详细设计

    车体中底盘、轮毂、小传动皮带轮（安装在电机轴上的）、球形支撑座采用自制方式，详见所附设计图纸。

    固定电机采用最常见的固定管线夹，规格20mm的，大部分五金电器店均有。

    目前设计的传动比为8：1，轮胎选用内径30mm、粗5mm的O型密封圈。

    传动皮带选用内径 35mm、粗1.8mm的O型密封圈。

    为了轮子转动灵活，中心嵌入了一个内径3mm、外径10mm、厚度4mm的滚珠轴承，轮子安装结构见附图。

    之所以将车轮设计为直径约40mm，是为了底盘下有一定的高度，便于安装光电头，用于检测轨迹以及以后的MiniSumo中检测是否到边。

    其它就是一些螺丝、螺母、垫圈等通用件了。

    这样的小车底盘虽说不十分完善，但是相对来说基本满足了多数要求，且在上面比较容易构建自己的结构，目前底盘上所设计的四个M3的螺丝孔就是为了安装 25mm的垫柱，构成2层平面，以安装控制部分。还可以升到3层，安装自己需要的东西。关键是取材容易，便于自制，价格不高，除去几个自制件和电机，其它的东西购买不超过15元。

    以下是我在验证设计可行性过程中制作的原型及一些选用的标准件，供参考。

小车车体原型:

正面

反面

加装一个安装平面

O型密封圈

固定管线夹

滚珠轴承

（未完待续）

参考资料：

1）摩擦传动方式的桌面寻线小车http://elm-chan.org/works/ltc/report.html
2）MiniSumo竞赛规则 http://www.botlanta.org/MonthlyContest/sumo/mini-sumo.html
3）MiniSumo 竞赛视频
http://www.robotgames.net/photogallery/wcrg2004/Videos/Mini-Sumo%20(advanced).mpg

附件：

1）底盘设计图8903957059327.pdf