专利名称：一种教学用寻迹机器人装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及汽车专业辅助教学领域，尤其涉及一种教学用寻迹机器 人装置。 技术背景
随着人类进入21世纪，各种新问题、新技术和新机遇的挑战层出不穷， 改革教育，加强素质培养，锻炼学生动手能力，促进各学科专业的交叉与渗 透业已成为不可逆转的潮流。同时，随着科学的进步，特别是近年来高集成 度与高速数字技术的飞跃发展，新材料、新工艺和新器件的不断出现，也使 汽车技术研究领域发生了巨大和深刻的变化，尤其是以信息技术为核心，自 动控制原理与应用课程在高等工科院校汽车专业的地位越来越重要。但是对 于汽车控制的自动化、智能化的教学辅助工具却没有，满足不了学生对自动 控制原理的深入理解，也不能对学生的实际应用能力进行锻炼，达不到教学 的真正目的。 发明内容
本实用新型的目的在于提供一种教学用寻迹机器人装置，它能够增强学生 对自动控制原理的深入理解，通过亲自动手制作和安装操作，可以锻炼学生 的实际应用能力。
为了达到上述技术目的，本实用新型的技术方案包括赛道、寻迹机器人， 其特征在于，所述寻迹机器人基于电动玩具车，该电动玩具车具有设置在车架上的前轮舵机、后轮电机，以及驱动前轮舵机的H桥转向驱动电路、驱动 后轮电机的H桥行驶驱动电路，所述电动玩具车内设置有自动控制单元，该
自动控制单元分别与所述H桥转向驱动电路和H桥行驶驱动电路相连，所述
电动玩具车的车架前还设置有采集赛道信息的传感器单元，该传感器单元向
所述自动控制单元传输赛道信息。 '
所述赛道为白色底板路面，其中央设置有线型不断变化的黑线信息，所述
传感器单元采用反射式光电传感器，采集赛道的黑线信息。
所述自动控制单元采用单片机ATMEGA16进行控制信息处理。 所述电动玩具车采用环奇塑料玩具有限公司生产的捷思达1: 24仿比例遥
控车或广东奥迪玩具实业有限公司生产的雷速登1: 24比赛级遥控车。
本实用新型的优点
(1) 制作方便，容易实现。电动玩具车司空见惯，很容易获得，尤其是 占有市场份额较大的环奇塑料玩具有限公司和广东奥迪玩具实业有限公司生 产的电动玩具车。通过对电动玩具车的改造可以提高学生的动手能力。
(2) 自动控制单元采用单片机，学生可以充分发挥聪明才智，编写各种
控制算法，验证控制理论，而不必改变硬件连接。
(3) 知识点丰富，可以增强学生对于单片机理论与应用、常用电子元器 件的理论与应用、电路设计焊制査错、系统算法设计与编程调试、系统整体 设计优化、改装玩具车模等方面的了解与学习。
(4)趣味性、竞争性强。采用课程比赛的方式给出成绩，因此，具有极 大的挑战性，可以调动学生的创优热情。
图1为本实用新型的安装示意图。
图2为本实用新型硬件电路连接示意图。
图3为赛道示意图。 图4为反射式光电传感器电路原理图。 图5为H桥转向驱动电路(H桥行驶驱动电路)原理图。 图6为自动控制单元接线原理图。
具体实施方式
本实施例采用环奇塑料玩具有限公司生产的捷思达1: 24仿比例遥控车。 也可采用广东奥迪玩具实业有限公司生产的雷速登1: 24比赛级遥控车。两
种类型的遥控玩具车都能实现加速，减速，左向行驶，右向行驶等功能。捷
思达l: 24仿比例遥控车的技术参数是长188mm，宽80mra，高62mm， 轴距113mra，重量260mm，主马达260，伺服马达N20。自动控制单元 采用ATMEGA16单片机，它具有高性能、低功耗的8位AVR 微处理器，先进 的RISC结构，可擦写IO，OOO次，四通道P觀，8路10位ADC， 8个单端通 道。
参照图1，在捷思达遥控玩具车车架8的前端设置有传感器单元1，传感 器单元1包括5个相同的反射式光电传感器A、 B、 C、 D、 E，它们的输出端分 别为Jl、 J2、 J3、 J4、 J5。 5个反射式光电传感器等距并排安装在一起，用 来监测路面信息，其总体安装距离略大于车架8的宽度。利用玩具车本身的 前轮舵机6、后轮电机7以及其传动系统，车架8上还设置有H桥转向驱动电 路2用于驱动前轮舵机6，设置有H桥行驶驱动电路4用于驱动后轮电机7。 电源5采用玩具车模自带的4节5号电池供电，供电电压为5V。自动控制单元3采用ATMEGA16单片机。
参照图2，传感器单元l、 H桥转向驱动电路2、 H桥行驶驱动电路4、电 源5与自动控制单元3相连接，电源5分别向自动控制单元3、传感器单元1、 H桥转向驱动电路2和H桥行驶驱动电路4供电。
参照图3，赛道由白色底板路面9和在其中央设置的线型不断变化的黑线 10组成。赛道的白色底板宽为318 mm，中间粘贴18 mm的黑胶带做为黑线信 息。为了便于进行比赛，同时考虑到寻迹机器人在转向时方向是打死的，因 此，实际比赛中的赛道最小转弯半径为4500mm。
参照图4，反射式光电传感器A包括反射式光电传感头TCRT、比较器 LM324、可调电阻R3、发光二极管D以及电阻Rl、电阻R2、电阻R4组成。反 射式光电传感头TCRT包括信号发射端U1、信号接收端U2。 Ul负端接地，正 端通过电阻Rl与5V电源相连。U2正端与5V电源相连，负端通过电阻Rl接 地。比较器LM324的4号管脚接5V电源，11号管脚接地，5号管脚接比较电 压，比较电压由可调电阻R3提供。6号管脚为输入端子，与反射式光电传感 头TCRT的U2负端相连。5V电源、电阻R4、发光二极管D依次串联后与输出 端子J1 (7号管脚)相接，组成输出指示电路。
反射式光电传感头TCRT的信号发射端Ul发射光信号，当信号接收端U2 接收到赛道白色底板反射回来的光信号时，LM324的6号管脚接收到的电压比 LM324的5号管脚接收到的电压低，根据LM324比较器的特点，当6号管脚电 压低于5号管脚电压时，7号管脚输出低电平，同时显示信号输出的发光二极 管D被点亮。相反，当信号接收端U2没有接收到信号发射端Ul发射出的光 信号时，即光信号被赛道上的黑胶带吸收，LM324的7号管脚输出高电平，同时显示信号输出的发光二极管D不亮。
参照图5， H桥转向驱动电路和H桥行驶驱动电路原理相同，都是分别由 2个8550PNP三极管T1、 T2 ， 2个9013NPN三极管T3、 T4， 2个8050NPN三 极管T5、 T6， 2个100Q电阻R1、 R2， 2个1KQ电阻R3、 R4和2个500Q电 阻R5、 R6组成。以H桥转向驱动电路为例进行说明，电源Vcc的正极分别与
8550PNP三极管Tl、 T2的发射极相连，电源Vcc的负极分别与8050NPN三极 管T5、 T6的发射极相连，Tl与T5的集电极分别于舵机电机Ml的Kl端子相 连，T2与T6的集电极分别于舵机M1的K2端子相连，Tl的基极通过电阻Rl 与T4的集电极相连，T4的发射极通过电阻R6与T6的基极相连，T2的基极 通过电阻R2与T3的集电极相连，T3的发射极通过电阻R5与T5的基极相连。 T3的基极通过电阻R3与舵机左转向输入端Jll相连，T4的基极通过电阻R4 与舵机右转向输入端J12相连。
当舵机左转向输入端J11为高电平信号时，三极管T3、 T2、 T5导通，舵 机中电流方向为从右到左，舵机正转，寻迹机器人向左转向；相反，当舵机 右转输入端J12为高电平信号时，三极管T4、 Tl、 T6导通，舵机中电流方向 为从左到右，舵机反转，寻迹机器人向右转向。
同样参照图5， H桥行驶驱动电路包括前进输入端J13，后退输入端J14， 后轮电机即用图中的M2代表。当后轮电机前进输入端J13为高电平信号时， 三极管T3、 T2、 T5导通，电动机中电流方向为从右到左，后轮电机正转，寻 迹机器人前进；相反，当后轮电机后退输入端J14为高电平信号时，三极管 T4、 Tl、 T6导通，电动机中电流方向为从左到右，后轮电机反转，寻迹机器 人后退。参照图6，自动控制单元采用单片机ATMEGA16，单片机中10号管脚接电 源正输入端，30号管脚接电源负输入端，PA3-PA7 (37-33号管脚)分别接光 电传感单元的5个反射式光电传感器A、 B、 C、 D、 E的输出端J1、 J2、 J3、 J4、 J5。 PDO (14号管脚)与舵机左转信号输入端Jll相连接，PD1 (15号管 脚)与舵机右转信号输入端J12相连接。PD4 U8号管脚)与后轮电机前进信 号输入端J13相连，PD5 (19号管脚)与后轮电机后退信号输入端J14相连。
结合图1、图3、图5、图6，将寻迹机器人置于赛道上，单片机上电初 始化，反射式光电传感单元上电，单片机PD4 (18号管脚)输出高电平，H桥 行驶驱动电路前进输入端J13为高电平信号，后轮电机正转，寻迹机器人幵 始向前行驶。由于反射光电传感器A、 B、 C、 D、 E从左至右安装于车体前端， 当传感器A探测到黑线时，即黑线位于车行驶中央线左侧，传感器A向单片 机PA3 (37号管脚)输入高电平，此时单片机控制PDO (14号管脚)输出高 电平，舵机左转，寻迹机器人向左转向；当传感器B探测到黑线时，即黑线 位于车行驶中央线左侧，传感器B向单片机PA4 (36号管脚)输入高电平， 此时单片机控制PDO (14号管脚)管脚输出高电平，舵机左转，寻迹机器人 向左转向；当传感器C探测到黑线时，即黑线位于车行驶中央线上，传感器C 向单片机PA5 (35号管脚)输入高电平，此时单片机控制PDO (14号管脚)、 PD1 (15号管脚)输出低电平，舵机不转向，寻迹机器人保持转向；当传感器 D探测到黑线时，即黑线位于车行驶中央线右侧，传感器D向单片机PA6 (34 号管脚)输入高电平，此时单片机控制PD1 (15号管脚)输出高电平，舵机 右转，寻迹机器人向右转向；当传感器E探测到黑线时，即黑线位于车行驶 中央线右侧，传感器E向单片机PA7 (33号管脚)输入高电平，此时单片机控制PDl (15号管脚)输出高电平，舵机右转，寻迹机器人向右转向；通过
反射光电传感器A、 B、 C、 D、 E，寻迹机器人可以按照赛道上的黑线信息自主 寻迹行驶。同时，通过优化单片机内的控制程序可以加速寻迹机器人的前进 行驶速度，也可以后退行驶，排除简单障碍。
权利要求1、一种教学用寻迹机器人装置，包括赛道、寻迹机器人，其特征在于，所述寻迹机器人基于电动玩具车，该电动玩具车具有设置在车架上的前轮舵机、后轮电机，以及驱动前轮舵机的H桥转向驱动电路、驱动后轮电机的H桥行驶驱动电路，所述电动玩具车内设置有自动控制单元，该自动控制单元分别与所述H桥转向驱动电路和H桥行驶驱动电路相连，所述电动玩具车的车架前还设置有采集赛道信息的传感器单元，该传感器单元向所述自动控制单元传输赛道信息。
2、 根据权利要求1所述的一种教学用寻迹机器人装置，其特征在于，所 述赛道为白色底板路面，其中央设置有线型不断变化的黑线信息，所述传感 器单元采用反射式光电传感器，采集赛道的黑线信息。
3、 根据权利要求1所述的一种教学用寻迹机器人装置，其特征在于，所 述自动控制单元采用单片机ATMEGA16进行控制信息处理。
4、 根据权利要求1所述的一种教学用寻迹机器人装置，其特征在于，所 述电动玩具车采用环奇塑料玩具有限公司生产的捷思达i: 24仿比例遥控车或广东奥迪玩具实业有限公司生产的雷速登1: 24比赛级遥控车。
专利摘要本实用新型涉及汽车专业辅助教学领域，公开了一种教学用寻迹机器人装置，它包括赛道、寻迹机器人，其特征在于，所述寻迹机器人基于电动玩具车，该电动玩具车具有设置在车架上的前轮舵机、后轮电机，以及驱动前轮舵机的H桥转向驱动电路、驱动后轮电机的H桥行驶驱动电路，所述电动玩具车内设置有自动控制单元，该自动控制单元分别与所述H桥转向驱动电路和H桥行驶驱动电路相连，所述电动玩具车的车架前还设置有采集赛道信息的传感器单元，该传感器单元向所述自动控制单元传输赛道信息。
文档编号G09B25/00GK201149746SQ200820028228
公开日2008年11月12日 申请日期2008年1月29日 优先权日2008年1月29日
发明者张雪峰, 毅 韩 申请人:长安大学