CN109080732A - 一种智能指南车 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用机械传动轮系和单片机共同实现指南与避障的新型智能车，涉及一种智能指南车，属于智能控制领域。该智能指南车包括刚性支撑框架、机械传动轮系、红外传感器、控制模块、车轮、电机及电池，刚性支撑框架包括上下底板、框架支撑轴、内部支撑机构、车轮轴，机械传动轮系包括十字型齿轮轴、锥齿轮、同步带轮、指南轴。本发明利用机械传动轮系实现指南功能，工作可靠性高；并且传动轮系中采用同步带轮，一方面简化整个轮系的结构，另一方面同步带轮适用于两轴中心距较大的场合，传动稳定，并且大大降低制作成本；利用电控模块实现自动循迹和停止功能，具有智能性；且指南车采用铝棒进行框架支撑，整体刚性好。

Description

一种智能指南车

技术领域

本发明涉及一种智能指南车，属于智能控制领域，特指一种利用机械传动轮系和单片机共同实现指南与避障的新型智能车。

背景技术

现代生活中，指向设备已经和日常生活紧密相关，现在的指南设备主要有指南针和GPS定位。其中指南设备的工作原理主要是利用地磁场来完成南北极的指向，但是采用这种原理制作的指南设备，因为其过分依赖地磁场，而磁暴等太阳活动会使磁场产生混乱，故其稳定性较差。

除了上述指南设备，人们还经常采用指南车进行指示方向。指南车又被称为司南车，起源黄帝与蚩尤作战时期，历经了几度失传几度重制，但均未留下具体结构的资料，直至宋代才有较完整的资料。现代以来国内外很多人尝试复原指南车，大致分为以下四种。第一种指南车结构采用两轮的差动使蜗杆向上运动带动曲轴转动，再由曲轴带动车上的指向木人，产生与指南车转向角度相同、但方向相反的运动，从而实现指向功能。这种复原结构具有结构简单，指向精确的优点。第二种指南车结构，采用在两个车轮上刻画标记，通过标记两个车轮差动了多少来判断方向，这种复原结构的指南车行走时无法辨别方向，需要车停下来观察车轮的标记才能辨明方向，不符合“车虽回运而手常指南”的功能。第三种指南车结构类型是采用自动离合装置，它利用齿轮传动系统和自动离合装置来传递两车轮之间的差动，实现指示方向，虽然结构比较简单，但存在使用条件严格，指向误差大，实用性差的缺点。第四种是采用差速齿轮原理结构的指南车，指向精度较好。

中国专利(CN207462667U)公开了超声波指南车，包括底盘和车身本体，所述底盘的后端底面设有两个驱动马达，所述驱动马达的输出端均连接有后车轮，所述底盘的前端底面设有一万向轮；所述底盘上设有一控制装置，以及与该控制装置连接的若干个超声波测距模块、用于指定方向的电子指南针模块、两个循迹传感器，所述驱动马达的控制开关与控制装置连接。该实用新型并未采用机械轮系的传动方式，是一种单纯应用电控模块实现指南和循迹功能的指南小车，其工作效率较低，且工作可靠性较低。中国专利(CN202533087U)公开了指南车，包括第一、第二车轮，第一、第二传动轮系，指向装置；第一传动轮系包括第一左锥齿轮、第二左锥齿轮、行星轮系、齿轮组；第二传动轮系包括第一右锥齿轮、第二右锥齿轮、右齿轮、行星轮系、齿轮组；指向装置设置在齿轮组上；上述指南车分别在第一、第二车轮上设置第一传动轮系、第二传动轮系，向右转弯时第一车轮带动第一传动轮系，第一传动轮系带动指向装置向左转动，抵消车辆向右转弯的影响，指向装置始终指向初始给定方向；当车子向左转弯时，第二车轮带动第二传动轮系，第二传动轮系带动指向装置向右转动，以抵消车子左转的影响，指向装置仍指向初始方向，从而实现无论向左转动或向右转动，指向装置不受车子运动影响。该小车采用纯机械装置实现了指南功能，但未能实现自动循迹功能，且轮系复杂，传动误差大。

因此，设计一种结构简单，性能稳定，工作效率高，且能够有效实现自动循迹功能的新型智能指南车具有重要意义。

发明内容

基于此，本发明提供了一种智能指南车，利用机械传动轮系实现指南功能，并且通过电控模块实现自动循迹和自动避障功能，真正实现智能指示方向。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：

一种智能指南车，包括上底板、下底板及位于上底板、下底板之间的轮系，上底板、下底板通过框架支撑轴相固定，形成中空的框架，所述上底板外侧设有红外避障传感器、控制模块及电池，下底板外侧设有红外循迹传感器、内侧设有内部支撑机构，用于实现对轮系的支撑，轮系两侧通过轮轴固定车轮，车轮与电机相连，上底板、下底板之间还安装指南轴，指南轴伸出上底板；控制模块分别与红外避障传感器、红外循迹传感器和电机相连。

上述方案中，所述轮轴包括左轮轴、右轮轴，所述车轮包括左车轮、右车轮，左车轮、右车轮分别穿过下底板上开设的通孔，所述电机包括左电机、右电机。

上述方案中，所述轮系包括十字型齿轮轴C、锥齿轮a-j、同步带轮和同步带轮轴，锥齿轮d-i均内置滚针轴承，十字型齿轮轴C由短轴和长轴组成；同步带轮固定在左轮轴上，同步带轮的A轮、B轮通过皮带实现A、B轮同步，A轮与同步带轮轴一端固定，同步带轮轴另一端固定锥齿轮c；所述长轴尾端固定锥齿轮b，锥齿轮b与锥齿轮a啮合，锥齿轮a固定在指南轴上；锥齿轮c与锥齿轮d啮合，锥齿轮d与锥齿轮e通过轴套连成一体，安装在所述长轴上，锥齿轮e分别与锥齿轮f、g啮合，并安装在短轴两端，锥齿轮f、g分别与锥齿轮h啮合，且锥齿轮h与锥齿轮i通过轴套连成一体，并安装在长轴上，锥齿轮i与j啮合，锥齿轮f、g构成自转机构，用于改变指南轴的方向，锥齿轮j安装在右轮轴上。

上述方案中，所述电机通过电机支撑轴与下底板固定。

上述方案中，所述下底板外侧还固定有万向轮，增强指南车的平衡性，并支撑下底板。

上述方案中，所述内部支撑机构，包括固定板、滚针轴承和两根短支撑轴，短支撑轴的一端固定在下底板上，另一端攻外螺纹，拧入固定板内；固定板留有通孔，孔内安装滚针轴承。

上述方案中，所述上底板和下底板后端各打一个孔，安装上、下法兰杯式轴承，指南轴穿过上、下法兰杯式轴承分别固定安装在上底板、下底板上。

上述方案中，所述电池为红外避障传感器、红外循迹传感器、控制模块、电机供电。

本发明的有益效果是：

本发明利用机械传动轮系实现指南功能，工作可靠性高；并且传动轮系中采用了同步带轮，一方面简化了整个轮系的结构，另一方面可以实现大的中心距，传动稳定，大大降低了制作成本。利用控制模块和电机实现自动循迹和停止功能，具有智能性，也为其他需要此类功能的指南车提供了一种实施途径；指南车采用铝棒进行框架支撑，整体刚性好。

附图说明

图1为本发明的一种智能指南车的整体结构示意图；

图2为本发明的一种智能指南车的爆炸视图；图3为本发明的一种智能指南车的机械传动轮系简图；

图4为本发明的一种智能指南车的内部支撑结构简图；

图5为本发明的一种智能指南车的十字型齿轮结构简图；

图6为本发明的一种智能指南车的循迹控制原理图。

其中：1-上面板，2-下底板，3-指南轴，4-框架支撑轴，5-内部支撑机构，6-轮系，7-左轮轴，8-右轮轴，9-左车轮，10-右车轮，11-电机支撑轴，12-红外避障传感器，13-红外循线传感器，14-控制模块，15-电池，16A-左电机，16B-右电机，17-万向轮，18A–上法兰杯式轴承，18B–下法兰杯式轴承，19-同步带轮轴，501-固定板，502-滚针轴承，503-短支撑轴。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述，有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进，这些都属于本发明的保护范围。

如图1、2所示，一种智能指南车，包括上底板1、下底板2、指南轴3、框架支撑轴4、内部支撑机构5(由固定板501、滚针轴承502、短支撑轴503组成)、轮系6、左轮轴7、右轮轴8、左轮9、右轮10、电机支撑轴11、红外避障传感器12、红外循迹传感器13、控制模块14(ArduinoUNO单片机)、电池15、电机、万向轮17、法兰杯式轴承18、同步带轮轴19。

上底板1、下底板2通过框架支撑轴4相固定，框架支撑轴4采用铝棒经车床车削加工而成，轴上两端攻丝后，用螺丝与上下两底板相连，形成一个中空的框架，框架支撑轴4的数量为四，轮系6位于上底板1、下底板2之间；上底板1、下底板2采用亚克力板经激光切割加工而成，厚度为5mm，上底板1和下底板2后端各打一个孔，安装上、下法兰杯式轴承18A、18B，指南轴3穿过上、下法兰杯式轴承18A、18B分别安装在上底板1、下底板2上，指南轴3伸出上底板1。

上底板1外侧设有控制模块14及电池15，上底板1前端设有的红外避障传感器12用于实现指南车的智能避障功能，使指南车在遇到障碍物时能自动停止运动；下底板2前端设有三个红外循迹传感器13，用于实现指南车的自动循迹功能，使指南车按照规定路线前行；控制模块14分别与红外避障传感器12、红外循迹传感器13和左电机16A、右电机16B相连，红外循迹传感器13检测到黑线的位置(实验设置的指南车路径)后发送给控制模块14，由控制模块14判断指南车行走方式，并控制电机转速来改变指南车的行驶方向。

下底板2内侧设有六个内部支撑机构5，如图4所示，每个内部支撑机构包括一个固定板501、一个滚针轴承502和两根短支撑轴503，短支撑轴503的一端钻孔攻螺纹，通过螺丝将其固定在下底板2上，另一端做成阶梯轴攻外螺纹，并将其拧入固定板501的螺纹孔内，固定板501采用3D打印技术加工，固定板501留有通孔，孔内安装滚针轴承502。

如图3所示，轮系6包括一个十字型齿轮轴C、锥齿轮a-j、同步带轮和一个同步带轮轴19，同步带轮的A轮、B轮通过皮带实现A、B轮同步；图5中，十字型齿轮轴C采用铝棒经车床车削加工而成，图中粗轴为短轴，图中细轴为长轴，短轴上钻有通孔和两个螺纹孔，长轴穿过通孔，两轴形成一个整体，锥齿轮d-i安装在十字型齿轮轴C上，并将滚针轴承①-⑥依次内置于锥齿轮d-i内；锥齿轮a-j均带有凸台，锥齿轮a与b啮合，a固定在指南轴3上，b固定在十字型齿轮轴C的长轴尾端；c固定在同步带轮轴19上，c与d啮合，d与e通过轴套连成一体，安装在十字型齿轮轴C的长轴上；与e啮合的f、g分别安装在十字型齿轮轴C的短轴两端；h与f、g分别啮合，且h与i通过轴套连成一体，安装在十字型齿轮轴C的长轴上；i与j啮合，锥齿轮j安装在右轮轴8上；其中f、g构成自转机构，用于改变指南轴3的方向，使其在小车运动时，保持原定方向不变。同步带轮的A轮与锥齿轮c分别固定在同步带轮轴19两端，并利用内部支撑机构5对同步带轮轴19进行支撑，同步带轮轴19采用铝棒经车床车削加工而成；同步带轮的B轮与左车轮9均固定在左车轮轴7上；轮系6用于传递指南车的运动并实现指南，是整个指南车机械传动的核心部分。

左轮轴7和右轮轴8，采用铝棒经车床车削加工而成，右轮轴8一端固定在右车轮10孔内，另一端安装锥齿轮j，利用内部支撑机构5对右轮轴8进行支撑。

左车轮9和右车轮10，采用3D打印技术加工，下底板2还开有供车轮伸出的通孔；车轮上设置有凸台的一侧面设有与电机相连的孔，另一侧面设有与车轮连接的孔。电机支撑轴11，数量为四，采用铝棒经车床车削加工而成，两端钻孔并攻丝，一端用螺丝与下底板2固定在一起，另一端用螺丝与电机连接在一起。

电池15为六节18650电池串联电池组，为红外避障传感器12、红外循迹传感器13、控制模块14、电机供电；电机用于驱动左车轮9和右车轮10，从而带动指南车运行；万向轮17，用于增强整个指南车的平衡性。

该指南车以左车轮9和右车轮10作为输入件，车轮动力由电机提供，车轮转动经过左轮轴7和右轮轴8将运动传递给轴上的锥齿轮j和同步带轮B，与锥齿轮j啮合的锥齿轮i带动锥齿轮h转动，同步带轮A带动锥齿轮c，从而使与锥齿轮c啮合的锥齿轮d产生运动，而锥齿轮e与锥齿轮d为一个整体，当两轮的运动均传入自传机构(锥齿轮f、g组成)时，锥齿轮f和锥齿轮g发生自传运动，从而带动十字型齿轮轴C的长轴发生转动，十字型齿轮轴C前端的锥齿轮b将运动传给与之啮合的锥齿轮a，从而使指南轴3产生与指南车转向相反、角度相等的运动，抵消车轮运动的影响，保持原定方向不变。

红外避障传感器12与红外循迹传感器13由红外发射管以及红外接收管组成，红外发射管放射出的红外线经物体表面反射会被红外接收管接收到，此时光电二极管的信号输出端为+5V高电平，但红外线很容易被黑色物体接收，这时信号输出端为低电平；将输出的信号传递给控制模块14进行信息处理，并经控制模块14驱动电机，如图6所示。当指南车前方有障碍物时，红外避障传感器12发出红外线经物体表面反射被红外线接收管收到，避障信号为高电频，指南车运动停止。红外循迹传感器13由左、中、右三个红外传感器组成，中间红外循迹传感器探测到黑线时则指南车两轮转速相同，指南车保持直行。当左侧的红外循迹传感器探测到黑线(即接收不到信号)时，右电机16B加速，使地面上的黑线移动到指南车中间，右侧红外循迹传感器探测到黑线时，左电机16A加速。这样不断循环，最终完成整个循迹过程。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种智能指南车，其特征在于：包括上底板(1)、下底板(2)及位于上底板(1)、下底板(2)之间的轮系(6)，上底板(1)、下底板(2)通过框架支撑轴(4)相固定，形成中空的框架，所述上底板(1)外侧设有红外避障传感器(12)、控制模块(14)及电池(15)，下底板(2)外侧设有红外循迹传感器(13)、内侧设有内部支撑机构(5)，用于实现对轮系(6)的支撑，轮系(6)两侧通过轮轴固定车轮，车轮与电机相连，上底板(1)、下底板(2)之间还安装指南轴(3)，指南轴(3)伸出上底板(1)；控制模块(14)分别与红外避障传感器(12)、红外循迹传感器(13)和电机相连。

2.根据权利要求1所述的智能指南车，其特征在于：所述轮轴包括左轮轴(7)、右轮轴(8)，所述车轮包括左车轮(9)、右车轮(10)，左车轮(9)、右车轮(10)分别穿过下底板(2)上开设的通孔，所述电机包括左电机(16A)、右电机(16B)。

3.根据权利要求2所述的智能指南车，其特征在于：所述轮系(6)包括十字型齿轮轴C、锥齿轮a-j、同步带轮和同步带轮轴(19)，锥齿轮d-i均内置滚针轴承，十字型齿轮轴C由短轴和长轴组成；同步带轮固定在左轮轴(7)上，同步带轮的A轮、B轮通过皮带实现A、B轮同步，A轮与同步带轮轴(19)一端固定，同步带轮轴(19)另一端固定锥齿轮c；所述长轴尾端固定锥齿轮b，锥齿轮b与锥齿轮a啮合，锥齿轮a固定在指南轴(3)上；锥齿轮c与锥齿轮d啮合，锥齿轮d与锥齿轮e通过轴套连成一体，安装在所述长轴上，锥齿轮e分别与锥齿轮f、g啮合，并安装在短轴两端，锥齿轮f、g分别与锥齿轮h啮合，且锥齿轮h与锥齿轮i通过轴套连成一体，并安装在长轴上，锥齿轮i与j啮合，锥齿轮f、g构成自转机构，用于改变指南轴(3)的方向，锥齿轮j安装在右轮轴(8)上。

4.根据权利要求1或2所述的智能指南车，其特征在于：所述电机通过电机支撑轴(11)与下底板(2)固定。

5.根据权利要求1所述的智能指南车，其特征在于：所述下底板(2)外侧还固定有万向轮(17)，增强指南车的平衡性，并支撑下底板(2)。

6.根据权利要求1所述的智能指南车，其特征在于：所述内部支撑机构(5)，包括固定板(501)、滚针轴承(502)和两根短支撑轴(503)，短支撑轴(503)的一端固定在下底板(2)上，另一端攻外螺纹，拧入固定板内；固定板(501)留有通孔，孔内安装滚针轴承(502)。

7.根据权利要求1所述的智能指南车，其特征在于：所述上底板(1)和下底板(2)后端各打一个孔，安装上、下法兰杯式轴承(18A)、(18B)，指南轴(3)穿过上、下法兰杯式轴承(18A)、(18B)分别固定安装在上底板(1)、下底板(2)上。

8.根据权利要求1所述的智能指南车，其特征在于：所述电池(15)为红外避障传感器(12)、红外循迹传感器(13)、控制模块(14)、电机供电。