CN106310674A - 自控行走避障前轮转向装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自控行走避障前轮转向装置，包括电控系统和转向传动机构，电控系统包括单片机、三个红外对管传感器以及两个超声波传感器，红外对管传感器和超声波传感器均与单片机连接；转向传动机构包括舵机、转向轴、转向叉、转向前轮以及转向支座，舵机支撑于转向支座顶端并通过与单片机连接，转向轴穿出转向支座，上端与舵机的输出端连接，下端与转向叉连接，转向前轮通过固定芯轴装设于转向叉内；遇障时，红外对管传感器给单片机输入障碍信号；直行时，超声波传感器给单片机输入方向偏差信号；单片机通过信号处理控制舵机转向、掉头或微调校正。本发明具有结构简单、加工容易、重量轻、智能避障和自我调节等优点。

Description

自控行走避障前轮转向装置

技术领域

本发明涉及无碳小车，特别涉及一种自控行走避障前轮转向装置。

背景技术

设计并制作无碳小车已逐渐成为地区性乃至国家级的机械设计比赛。如图1所示，无碳小车是以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车；小车为三轮结构，具有转向控制机构，且该转向控制机构具有可调节功能或者可快速更换结构，以适应设有不同间距障碍物的竞赛场地；驱动小车行走及转向的能量只能由给定的重力势能转换而来，不可使用其他的能量来源。给定重力势能为铅垂下降来获得，落差400mm，铅锤落下后须被小车承载并同小车一起运动，不允许从小车上掉落。

现有的无碳小车大部分采用凸轮、齿轮、曲柄摇杆作为小车驱动转向机构，这些机构存在以下一些缺点：一是零部件加工精度要求高，加工困难。二是体积质量大，占用空间，安装不便，使得整车尺寸变大。三是存在多处摩擦副，传动链较长，行驶阻力大，导致能量损失较多，控制精度下降，使得小车转向不灵敏。且传统的机械转向需要消耗重物下落的势能，过重的转向机构使得整车笨重，行进过程中的摩擦阻力大大增加，用来驱动小车行驶的能量利用率很低，直接限制了小车的最远行驶距离，难以在比赛中取得很好的成绩。且在不允许使用人工交互遥控、放有不同间距和位置障碍并进行掉头的竞赛场地，传统的机械转向并不能适应。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构简单、加工容易、重量轻、智能避障和自我调节的自控行走避障前轮转向装置，其可解决目前无碳小车依靠重物下落的势能通过机械传动链驱动小车转向而造成的能量损失、传递精度不高、转向固定、行进过程中不能自动识别并执行转向避开障碍的问题。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种自控行走避障前轮转向装置，包括电控系统和转向传动机构，所述电控系统包括设于车架底板前端中部的单片机、三个设于车架底板前端左右两侧的红外对管传感器以及两个设于车架底板右侧前后两端的超声波传感器，所述红外对管传感器和超声波传感器均通过数据线与单片机连接；所述转向传动机构包括舵机、转向轴、转向叉、转向前轮以及设于车架底板上的转向支座，所述舵机支撑于转向支座顶端并通过数据线与单片机连接，所述转向轴竖直穿出转向支座，转向轴上端与舵机的输出端连接，下端与转向叉连接，所述转向前轮通过固定芯轴装设于所述转向叉内；小车遇障时，红外对管传感器给单片机输入障碍信号；小车直行时，超声波传感器给单片机输入方向偏差信号；单片机通过信号处理控制舵机实现转向、掉头或微调校正。

作为上述技术方案的进一步改进：

优选的，所述转向支座包括转向上支座和转向下支座，所述转向下支座的外周设有螺孔与车架底板连接，转向上支座上设有连接孔与舵机连接；转向上支座和转向下支座的中部均设有通孔穿设转向轴，转向轴下端与转向下支座之间设有定位轴承并通过上下轴肩定位。

优选的，所述转向轴的上端通过花键传动副与舵机的输出端连接，转向轴下端通过螺纹副与转向叉连接。

优选的，所述固定芯轴一端设有固定头，另一端与转向叉之间通过夹紧套固定连接。

优选的，所述转向前轮通过双轴承与固定芯轴之间转动连接。

优选的，所述单片机通过信号处理控制舵机实现转向或掉具体为：

若左右两侧靠前端的两个红外对管传感器靠近障碍墙，并判断到距离小于均目标距离时，同时给单片机输入信号0，单片机判断条件为真，给舵机发出转向信号；当靠后的另一个红外对管传感器靠近赛道末端时，中间障碍墙消失，距离瞬间增大，给单片机输入信号1，单片机判断条件为真，给舵机发出掉头信号。

优选的，所述单片机通过信号处理控制舵机实现微调校正具体为：

两个超声波传感器将检测到的障碍墙距离输入给单片机，若单片机判断出位于前端的超声波传感器检测到的距离加上两个超声波传感器水平位置的差值距离之和小于后端的超声波传感器检测到的距离时，给舵机发出左转信号；

若单片机判断出前端的超声波传感器检测到的距离加上两个超声波传感器水平位置的差值距离之和大于后端的超声波传感器检测到的距离时，给舵机发出右转信号。

本发明还提供一种无碳小车，包括车架底板、驱动装置以及转向装置，所述转向装置为上述的自控行走避障无碳小车转向装置，其中的单片机设于车架底板靠前端的中部，车架底板的左侧靠单片机的位置前后并排设有两个红外对管传感器，右侧对应位置设有一个红外对管传感器和一个超声波传感器，车架底板的右侧后端设有一个超声波传感器；其中的转向传动机构设于车架底板前端。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1.本发明的自控行走避障前轮转向装置，通过设置红外对管传感器、超声波传感器、单片机以及舵机，从舵机输出到转向前轮转向，其响应速度快，转向传动精度高；能够实现小车在特定时刻的任意角度转向与方向校正，并快速准确地将转向信号转变为前轮的转向动作；

2. 本发明的自控行走避障前轮转向装置，舵机和转向轴通过转向支座固定在车架底板上，可保证转向装置的稳定可靠性能；

3. 本发明的自控行走避障前轮转向装置，转向前轮采用固定芯轴连接，由于没有移动副，可大大降低摩擦能耗，提高能量传递效率；

4. 本发明的自控行走避障前轮转向装置，各部件的加工要求精度不高，传动链简短，零件数量少，能批量生产。具有结构简单、加工容易、重量轻、智能避障和自我调节等优点。

附图说明

图1是无碳小车的简易原理示意图。

图2是本发明自控行走避障前轮转向装置中的转向传动机构分解示意图。

图3是本发明自控行走避障前轮转向装置中的转向传动机构装设于车架底板上的俯视结构示意图。

图4是本发明中电控系统控制原理图。

图5是本发明无碳小车的立体结构示意图。

图例说明：

1、舵机；2、转向上支座；3、转向下支座；4、转向轴；5、双轴承；6、固定芯轴；7、转向前轮；8、夹紧套；9、转向叉；10、定位轴承；11、单片机；12、第一红外对管传感器；13、第二红外对管传感器；14、后超声波传感器；15、第三红外对管传感器；16、前超声波传感器；17、定滑轮；18、重物；19、齿轮副；20、绳轮轴；21、后轮轴；22、后轮。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

如图2-图4所示，本发明的一种自控行走避障前轮转向装置实施例，包括电控系统和转向传动机构，电控系统包括设于车架底板前端中部的单片机11（型号为80C51）、三个设于车架底板前端左右两侧的红外对管传感器以及两个设于车架底板右侧前后两端的超声波传感器，三个红外对管传感器和两个超声波传感器均通过数据线与单片机11连接；三个红外对管传感器包括前后并排位于左侧的第一红外对管传感器12、第二红外对管传感器13以及位于右侧的第三红外对管传感器15；两个超声波传感器与第三红外对管传感器15同侧设置，包括位于前端的前超声波传感器16和位于后端的后超声波传感器14。其中，第一红外对管传感器12的信号线与单片机11的P0.1口相连并带有上拉电阻R3，第二红外对管传感器13的信号线与单片机11的P3.2（或外部中断1）口相连，第三红外对管传感器15的信号线与单片机11的P0.0口相连并带有上拉电阻R2；前超声波传感器16的两根信号线Trig、Echo分别与单片机11的P1.2、P1.3口相连，后超声波传感器14的两根信号线Trig、Echo分别与单片机11的P1.0、P1.1口相连。转向传动机构包括舵机1、转向轴4、转向叉9、转向前轮7以及设于车架底板上的转向支座，舵机1支撑于转向支座顶端并通过数据线与单片机11的P0.2口相连并带有上拉电阻R4，转向轴4竖直穿出转向支座，转向轴4上端与舵机1的输出端连接，下端与转向叉9连接，转向前轮7通过固定芯轴6装设于转向叉9内；无碳小车遇障时，红外对管传感器给单片机11输入障碍信号；无碳小车直行时，超声波传感器给单片机11输入方向偏差信号；单片机11通过信号处理控制舵机1实现转向、掉头或微调校正。本发明通过设置红外对管传感器、超声波传感器、单片机以及舵机，转向信号从舵机输出到转向前轮转向，响应速度快，转向传动精度高，能快速准确地将转向信号转变为转向前轮的转向动作，实现小车在特定时刻任意角度转向与方向校正。具有结构简单、加工容易、重量轻、智能避障和自我调节等优点。

本实施例中，转向支座包括转向上支座2和转向下支座3，转向下支座3的外周设有螺孔用于与车架底板连接，转向上支座2顶部设有连接孔用于与舵机1连接；转向上支座2和转向下支座3的中部均设有通孔用于穿设转向轴4，转向轴4下端与转向下支座3之间设有定位轴承10并通过上下轴肩定位。转向轴4的上端通过花键传动副与舵机1的输出端连接，转向轴4下端通过螺纹副与U形转向叉9的顶部连接。舵机和转向轴通过转向支座固定在车架底板上，可保证小车行进过程中转向传动机构的稳定性和转向前轮行进方向的准确性。

本实施例中，固定芯轴6一端设有固定头，另一端穿过U形转向叉9的两侧边并通过夹紧套8固定连接。转向前轮7通过双轴承5装设于固定芯轴6上。转向前轮采用固定芯轴连接，由于没有移动副，可大大降低摩擦能耗，提高能量传递效率。

本实施例中，单片机通过信号处理控制舵机实现转向、掉头或微调校正的过程具体为：

当第一红外对管传感器12、第三红外对管传感器15靠近障碍墙，并判断到距离小于均目标距离时，同时给单片机11输入信号0，单片机11判断条件为真，给舵机1发出转向信号；或者当第二红外对管传感器13靠近赛道末端时，中间障碍墙消失，距离瞬间增大，给单片机11输入信号1，单片机11判断条件为真，给舵机1发出转弯掉头信号；

或者直线行驶时，后超声波传感器14和前超声波传感器16将检测到的障碍墙距离输入给单片机11：

单片机11判断出前超声波传感器16检测到的距离加上两个超声波传感器水平位置的差值距离之和小于后超声波传感器14检测到的距离时，给舵机1发出左转信号；

单片机11判断出前超声波传感器16检测到的距离加上两个超声波传感器水平位置的差值距离之和大于后超声波传感器14检测到的距离时，给舵机1发出右转信号。

舵机1接收单片机11输入的转向信号并执行转向动作，舵机1的旋转带动转向轴4、转向叉9作相同幅度的转动，转向叉9通过固定芯轴6、双轴承5将转动传递至转向前轮7，使其左右摆动，从而完成直线行驶时的方向校正、遇障时的避障和赛道末端的掉头行驶动作。

如图5所示，本发明的一种无碳小车实施例，包括车架底板、驱动装置以及转向装置，驱动装置包括绳轮轴20和后轮轴21，绳轮轴20和后轮轴21之间通过齿轮副19连接，后轮轴21上装设有后轮22，重物18的线绳通过定滑轮17连接于绳轮轴20上。转向装置为上述本发明的自控行走避障无碳小车转向装置，其中的单片机11设于车架底板靠前端的中部，车架底板的左侧靠单片机11的位置设有两个红外对管传感器，右侧对应位置设有一个红外对管传感器和一个超声波传感器，车架底板的右侧后端设有一个超声波传感器；转向支座固定于车架底板前端，转向轴的下端穿出转向支座和车架底板与转向叉连接，上端通过花键与舵机的输出端连接。

本发明无碳小车的工作原理：

旋转后轮22将重物18上抬至400±2mm的高度，小车动力准备完成，将无碳小车放到起跑线前，使得小车转向前轮7与起跑线齐平，调整小车位置，使初始行进方向与两边障碍墙尽可能保持平行，释放小车，重物18开始下落，绳轮轴20随之转动，通过齿轮副19驱动后轮轴21转动，从而带动后轮22旋转使得小车前行。

当第一红外对管传感器12、第三红外对管传感器15靠近障碍墙，并判断到距离小于均目标距离时，同时给单片机11输入信号0，单片机11判断条件为真，给舵机1发出转向信号；或者当第二红外对管传感器13靠近赛道末端时，中间障碍墙消失，距离瞬间增大，给单片机11输入信号1，单片机11判断条件为真，给舵机1发出转弯掉头信号。

或者直线行驶时，后超声波传感器14和前超声波传感器16将检测到的障碍墙距离输入给单片机11：

单片机11判断出前超声波传感器16检测到的距离加上两个超声波传感器水平位置的差值距离之和小于后超声波传感器14检测到的距离时，给舵机1发出左转信号；

单片机11判断出前超声波传感器16检测到的距离加上两个超声波传感器水平位置的差值距离之和大于后超声波传感器14检测到的距离时，给舵机1发出右转信号。

舵机1接收单片机11输入的转向信号并执行转向动作，舵机1的旋转带动转向轴4、转向叉9作相同幅度的转动，转向叉9通过固定芯轴6、双轴承5将转动传递至转向前轮7，使其左右摆动，从而完成直线行驶时的方向校正、遇障时的避障和赛道末端的掉头行驶动作。

Claims (7)

1.一种自控行走避障前轮转向装置，其特征在于：包括电控系统和转向传动机构，所述电控系统包括设于车架底板前端中部的单片机、三个设于车架底板前端左右两侧的红外对管传感器以及两个设于车架底板右侧前后两端的超声波传感器，所述红外对管传感器和超声波传感器均通过数据线与单片机连接；所述转向传动机构包括舵机、转向轴、转向叉、转向前轮以及设于车架底板上的转向支座，所述舵机支撑于所述转向支座顶端并通过数据线与单片机连接，所述转向轴竖直穿出转向支座，转向轴上端与舵机的输出端连接，下端与转向叉连接，所述转向前轮通过固定芯轴装设于转向叉内；小车遇障时，红外对管传感器给单片机输入障碍信号；小车直行时，超声波传感器给单片机输入方向偏差信号；单片机通过信号处理控制舵机实现转向、掉头或微调校正。

2.根据权利要求1所述的自控行走避障前轮转向装置，其特征在于：所述转向支座包括转向上支座和转向下支座，所述转向下支座的外周设有螺孔与车架底板连接，转向上支座上设有连接孔与舵机连接；转向上支座和转向下支座的中部均设有通孔穿设转向轴，转向轴下端与转向下支座之间设有定位轴承并通过上下轴肩定位。

3.根据权利要求1所述的自控行走避障前轮转向装置，其特征在于：所述转向轴的上端通过花键传动副与舵机的输出端连接，转向轴下端通过螺纹副与转向叉连接。

4.根据权利要求1所述的自控行走避障前轮转向装置，其特征在于：所述固定芯轴一端设有固定头，另一端与转向叉之间通过夹紧套固定连接。

5.根据权利要求1所述的自控行走避障前轮转向装置，其特征在于：所述转向前轮通过双轴承与固定芯轴之间转动连接。

6.根据权利要求1所述的自控行走避障前轮转向装置，其特征在于：所述单片机通过信号处理控制舵机实现转向或掉头具体为：

若左右两侧靠前端的两个红外对管传感器靠近障碍墙，并判断到距离小于均目标距离时，同时给单片机输入信号0，单片机判断条件为真，给舵机发出转向信号；当靠后的另一个红外对管传感器靠近赛道末端时，中间障碍墙消失，距离瞬间增大，给单片机输入信号1，单片机判断条件为真，给舵机发出掉头信号。

7.根据权利要求1所述的自控行走避障前轮转向装置，其特征在于：所述单片机通过信号处理控制舵机实现微调校正具体为：

两个超声波传感器将检测到的障碍墙距离输入给单片机，若单片机判断出位于前端的超声波传感器检测到的距离加上两个超声波传感器水平位置的差值距离之和小于后端的超声波传感器检测到的距离时，给舵机发出左转信号；

若单片机判断出前端的超声波传感器检测到的距离加上两个超声波传感器水平位置的差值距离之和大于后端的超声波传感器检测到的距离时，给舵机发出右转信号。