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基于无线供电的循迹小车设计与制作
作者: admin    文章来源: 五六电子    点击:12886    更?#29575;?#38388;:2015-01-25

       无线供电技术随着气候变化、能源枯竭和环境保护的日趋严峻而不断发展,而电磁所具有的功率大、输电效率高的特点,各高校和研究机构先后?#24230;?#35813;领域的研究和应用。但目前主要研究成果仍然集中在美国、日本、韩国等国家。我国的研究主要集中在实验和验证、应用推广领域。各高校也将无线供电作为课程设计和毕业设计引入到教学当中,并组件相关的兴趣小组。而循迹小车作为典型的机器人技术,应用领域越来越广?#28023;?#23558;无线输电技术和循迹结合起来,是实现扩大循迹小车应用功能的一个思路。

1 设计概要
      小车的设计与制作共分为四个部分,首先制作实验模型的框架,尺寸为5 0 CM*5 0 CM,材料为木制框架及P T板台面,同时进行技术析,包括线圈排?#36857;?#21464;压器位置等进行初步设计。其次选定循迹方式,在设计过程中初次方案为基于C51单片机?#25945;?#30340;循迹,为降低负载功率,选用基于AT S 51?#25945;?#30340;红外探测比较循迹方式。选定方案后,进行小车的焊接与制作。再?#38382;?#36873;定充放电电路,进行比较后制作供电?#20302;?#27169;块。最后对供电?#20302;?#19982;循迹小车的配合进行仿真,进行?#38382;?#20462;正,并形成成品。

2 循迹模块设计
2.1 小车循迹原理
      循迹小车的循迹原理是在制作好的模型框架上,可以用记号?#23454;?#36827;行?#26434;?#30340;轨道绘制,由于黑线与白底对光的反射?#20302;?#19981;同,传感器可根据接收到的反射光来进行判断,并将判断结果输送给电机。

2.2 检测电路
      在循迹的方式中,利用红外探测是一种经济?#34892;?#30340;方法,由于设计对精度的要求不高,因此采用红外探测的方法。即红外线对不同颜色物体的表面有着不同的反射性质,当遇到?#21672;装?#26102;候,发生漫反射现象,反射光被接?#23637;?#25509;收,若为黑线,则接?#23637;?#26080;信号。为提高可靠性,采用集成式的S T系列探头,该系列探头具有价廉、方便、可靠等优点,其内部结?#36141;?#22806;接电路。(1

              

 

         图2中R1限制发射二极管的电流,发射管的电流和发射功率成正比,但受其极限输入正向电流影响,用R1=15 0的电阻作为限流电阻,Vc c = 5 V作为电源电压,测试发现发射功率满足检测需要;R 2限制接收电路电流,保护接收红外管和检测电路的灵敏度的调节。在输出端增加了比较器,先将S T 16 8输出电压与2 . 5 V进行比较,再送给单片机处理和控制。

      高发射功率红外光电二极管和高灵敏光电晶体管是S T168的主要组成部分,检测方式为非接触式。当然也存在检测距离小(8~15m m),8 m m 以下为检测盲区,大于15m m干扰过大。经过反复比较和测试,距离检测表面为11m m为最佳检测距离。安装的排列方式如图2所示。在?#30528;套?#35774;4个红外探测头,进行两级方向纠正控制,提高其循迹的可靠性。

2.3 软件控制单元
      软件控制是循迹小车制作的核心部分,起着控制小车所有运行状态的作用,主要表现为循迹程序的设计与编?#30784;?#24403;小车进入循迹模式,程序不间断读取与传感器连接的I /O接口,若检测到接口?#34892;?#21495;变化,则启动判断程序,同将输出的结果输送给电机,通过电机的动作纠正小车的状态。其程序控制方框图。(见图3)

          

2.4 车速的控制
      车速控制是设计中比?#29616;?#35201;的部分,?#35805;?#21487;以通过步进电机代替直流电机,实现车速调节。另外一种做法是在原有直流电机的基础上,采用PWM调速法进行调速。若采用前一种,则在机械装置的设计时需要进行预先设计与制作,因此采用后一种方式,利用输出端高电平的脉宽及占空比的大小来控制电机的转速度。通过实验不断调整相应的?#38382;?#20351;小?#30340;?#22815;较为平稳地进行动作,克服在寻循迹时摇摆的问题。

2.5 电机驱动单元
      由于单片机接口输出的信号功率很低,在无多余负载时也无法驱动电机,在实际应用往往加入驱动芯片,用来提高驱动功率,使能够根据实际需求来控制电机转动,在设计中根据驱动功率大小的需求选择L298N驱动芯片。

3 无线供电模块设计
3.1 无线供电概述
      无线电能传输(W i r e l e s s P o w e rTr a n s m i s s io n, WP T),就是在无任何物理上的连接或接触(不用导线)的情况下,通过电磁场、电磁波进行电能传输的一种技术。美国麻省理工学院于2 0 0 7年发表其研究成果后,无线电能传输技术作为一种中等距离无线电能传输技术,受到了越来越广泛的关注。该成果中所叙述的磁耦合谐振式无线电能传输技术也?#32479;?#20026;了研究热点问题。

3.2 无线供电模块设计
3.2.1 电磁感应充电原理
      其工作原理与变压器相似,但原边和副边是分离的,没有任何物理上的连接接触,当发送线圈?#22411;?#20197;交变电流,该电流在将在周围介?#25163;行?#25104;一个交变磁场,电能、磁能随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式向空间传播,要产生电磁波首先要有电磁振荡,电磁波的频率越高其向空间辐射能力的强度就越大,电磁振荡的频率至少要高于10 0KHZ,才有足够的电磁辐射。接收线圈中产生的感应电动势可驱动小车型。

      ?#20302;?#36890;过逆变电?#26041;?#30452;流电转换为高频等幅交流信号驱动原边?#35889;椋?#21103;边?#35889;?#30913;通量的高频变化使得副边?#35889;?#20013;产生?#27426;?#24133;值的高频感应电动势,经过整流、滤波、稳压可得到具有?#27426;?#39537;动能力的直流电。
3.2.2 电路设计
      设计中由于原、副边线圈存在很大的漏感,所以要提高?#20302;?#30340;效率,需要加入?#23454;?#30340;补偿,减小漏感的能量消?#27169;?#20351;电路工作在谐振的状态,可以?#34892;?#38477;低电源的电压电流定额,使得原边电压电流同相位,输入具有高功率因数。选用X KT- 4 0 8A集成PWM方波调制发生器芯片完成高频振荡,用T5336集成晶闸管芯片做功率放大电路,综合考虑电能发射模块的复杂程度、体积、成本以及小?#30340;?#22411;的工作电?#36141;?#24037;作电流需求,设计电能发射的原边电路如图4 所示。

      

      副边电路用肖特基二极管进行整流后经T 316 8开关型集成稳压芯片变?#36141;?#36755;出5 V给小车供电,电路。(见图5)

3.2.3 电路的仿真与实验
1)仿真
      利用M U LT I S I M 绘制出仿真实验电路:按图设置各元件的?#38382;?#25171;开仿真开关,从示波器上两个通道观察输出波形及其与输入信号的关系。

2)实际电路的测试。
      为分析各个因素对传输效率的影响,?#38382;?#36873;择时,根据实际应用情况,首?#28909;?#23450;发射线圈用线径Φ0 .7 m m,外径5 0 m m,电感量3 0 u H,接收线圈线径Φ0 .7 m m,?#26412;?#20026;50 mm。

4 结语
      为可行性探索实验的样机,目标功能为驱动小功率汽?#30340;?#22411;,如果将该设计推广到电动汽车上为大容量电池充电,从理论上还需要有相当长的时间,同时存在功率稳定和电磁辐射的问题。通过实验模型验证,初步概想作为新型玩具,或者应用到现代工厂中的智能循迹小车,具备?#27426;?#30340;应用价值,当然还有如供电功率、线径、传输效?#23454;?#35832;多因素要考虑,在后续的研究中加以深入?#25945;幀?/span>

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