基于步進(jìn)電機(jī)的運動場地自動劃線機(jī)

葉林勇 張碧云

一、引言

從節(jié)省成本、多功能化和自動化方面考慮，我們創(chuàng)作了一輛以智能小車為載體地自動劃線機(jī)，本項目所搭建的自動劃線機(jī)可以根據(jù)實際需要，設(shè)定智能小車的運行軌跡，帶動小車上面的劃線系統(tǒng)，實現(xiàn)自動劃線，提高工作效率。

二、劃線機(jī)的設(shè)計思路

1.劃線機(jī)的構(gòu)架：劃線機(jī)由一輛可以自動行走的智能小車組成，采用三輪結(jié)構(gòu)，前面的兩個輪子使用步進(jìn)電機(jī)作為動力裝置，采用步進(jìn)電機(jī)的最大好處是路程長度可以精確控制，而且不易打滑，后面一個輪子使用萬向輪。國內(nèi)流行的智能小車普遍采用此結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是運動靈活，控制簡單，小車的轉(zhuǎn)向控制通過前面兩個輪子的轉(zhuǎn)速差來實現(xiàn)。

2.控制核心：這個項目我們采用的是飛思卡爾的32位芯片KL26，該芯片采用ARM公司的Cortex MO架構(gòu)，最大特點是低功耗，系統(tǒng)工作時鐘達(dá)48MHz，擁有256K的flash存儲器，運行速度快，程序存儲空間大，完全能夠勝任劃線小車的自動化控制。

3.人機(jī)通信：劃線小車的人機(jī)通信由0.96寸的OLED和4*4矩陣按鍵組成，OLED液晶顯示的功能是顯示小車的運行狀態(tài)、劃線形狀、設(shè)置的半徑等數(shù)據(jù)，可以提供良好的人機(jī)交互界面，方便用戶使用。選擇該顯示屏的原因是OLED本身體積小，無需背光，而且分辨率高，超低功耗，使用IIC通信方式，只需占用系統(tǒng)板的4個IO口，節(jié)約芯片的IO資源。在執(zhí)行劃線任務(wù)前，我們通過4*4矩陣按鍵向芯片輸入劃線數(shù)據(jù)，主要有形狀、大小、劃線速度等信息，芯片通過中斷掃描方式獲取按鍵輸入，并且實時顯示在OLED上。

4.劃線系統(tǒng)：劃線系統(tǒng)由一個由舵機(jī)、空心杯電機(jī)、滾筒組成。執(zhí)行劃線任務(wù)時，核心板向舵機(jī)輸出固定占空比的PWM波形，精確控制舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，使?jié)L筒下降執(zhí)行劃線任務(wù)，同時核心板控制水泵把顏料罐的顏料輸送到滾筒上，劃線結(jié)束時，反轉(zhuǎn)舵機(jī)，收起滾筒?？招谋姍C(jī)用于固定滾筒，可以減小滾筒在執(zhí)行劃線任務(wù)時的動摩擦系數(shù)。

5.反饋系統(tǒng)：雖然使用步進(jìn)電機(jī)可以比較精確地控制劃線小車的運行軌跡，但是步進(jìn)電機(jī)本身的控制誤差還有小車和劃線系統(tǒng)的機(jī)械誤差的存在，所以劃線過程中的誤差在所難免，本項目我們采用OV7725數(shù)字?jǐn)z像頭，實時采集劃線圖像，將所得數(shù)據(jù)傳回芯片，通過芯片預(yù)制的算法與我們預(yù)期的軌跡進(jìn)行對比，有錯誤及時修正，保證劃線精度。

三、劃線小車的原理及性能分析

1.步進(jìn)電機(jī)的控制原理：步進(jìn)電機(jī)是一種可以將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰频拈_環(huán)控制元件。在非超載的情況下，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動器收到一個脈沖信號時，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的。步進(jìn)電機(jī)一般有四拍和八拍兩種工作方式，四拍工作方式轉(zhuǎn)動力矩較小。本項目采用兩相四線步進(jìn)電機(jī)，使用八拍工作方式，步距角為四拍工作時的一半，采用這種工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動力矩又可以提高控制精度，減少劃線誤差。

2.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊：由于我們使用的步進(jìn)電機(jī)為SV的小型減速步進(jìn)電機(jī)，工作電壓和電流比較小，所以我們沒有采用主流韻步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片L298，本項目我們使用L9110芯片作為兩相四線步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動芯片，該芯片為兩通道推挽式功率放大專用集成電路器件，有兩個TTL/CMOS兼容電平的輸入，可以直接接KL26系統(tǒng)板的輸出，它具有較大的電流驅(qū)動能力，每通道能通過800mA的持續(xù)電流，峰值電流能力可達(dá)1.5A。由于電機(jī)為感性負(fù)載，線圈在通過電流時，會在兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。當(dāng)電流消失時，其感應(yīng)電動勢會對電路中的元件產(chǎn)生反向電壓。L9110驅(qū)動芯片內(nèi)置鉗位二級管，可以為反向電壓提供續(xù)流通道，使得它在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動上安全可靠。

3.劃線小車的運行軌跡控制：由于通過步進(jìn)電機(jī)，我們可以精確地控制小車的運行速度和停止的位置，所以可以比較簡單的控制小車的運行軌跡。比如我們想要小車劃出一個圓形，我們假設(shè)兩個輪子之間的距離為d，所作圓半徑為r，內(nèi)側(cè)輪子的線速度為V1，外側(cè)輪子線速度為V2，運行時間為t，則兩個輪子的運行距離分別為S1=V1*t，S2=V2*t，則V1/V2=S1/S2=（2*）/（2*）=r1/r2=r（r+d）。即控制內(nèi)外兩個輪子的速度比恒定，即可畫出圓形，速度比為r/（r+d），半徑即為r。

4.劃線機(jī)的機(jī)械性能和電氣性能分析：劃線小車的機(jī)械架構(gòu)由玻纖材料組成，硬度高，在壓力實驗中表現(xiàn)合格。動力裝置由減速步進(jìn)電機(jī)組成，減速比為1：50，采用減速步進(jìn)電機(jī)可以有效增加電機(jī)的旋轉(zhuǎn)力矩，同時采用八拍的工作方式，進(jìn)而增加了劃線小車的負(fù)重能力。電氣性能方面，KL26的核心開發(fā)板的加工經(jīng)過覆漆覆油防腐蝕等一系列操作，在信號流通控制上穩(wěn)定性優(yōu)良。電路板集成度高，節(jié)省成本，并且不浪費資源，避免信號在電路板長距離流通影響穩(wěn)定性。

四、結(jié)束語

本項目具有很強(qiáng)的實用性，以我們創(chuàng)作的迷你智能劃線小車為基礎(chǔ)，對硬件尺寸適當(dāng)放大，改良，倘若能夠制作出在塑膠場地和水泥場地自動劃線的智能劃線機(jī)，應(yīng)用前景廣闊。本項目的意義在于，能夠讓運動場地的劃線工作更加簡便化、自動化、智能化。