一种基于非平衡电桥原理的光源跟踪小车

1.本实用新型涉及光电技术领域，特别涉及一种基于非平衡电桥原理的光源跟踪小车。


背景技术：

2.伴随着人们的生活、生产对智能化的要求与日俱增，如今智能机器人发展迅速，各种机器人粉墨登场。对移动目标的智能跟踪技术能够运用于生产生活的多种场合。
3.目前，相关市场上出了能够对特定移动目标进行实时跟踪的智能小车。可以跟踪特定目标，与目标保持一定距离，携带物品。可以根据不同场合的跟踪要求设置小车的跟踪距离和跟踪速度等参数，可以实现对移动目标的准确跟踪，帮助携带物品，解放人们双手。整个设计包括测距定位系统、单片机控制系统、电机驱动系统三个子系统。其中测距定位系统包括主测距部分和目标标识部分；主测距部分包括两个超声波发射装置和无线接收装置；目标标识部分包括一个超声波接收和无线发射装置。单片机控制系统主要负责超声波信号的处理、定位算法和控制算法的实现，电机驱动负责驱动控制电机。
4.但是，该跟踪小车，结构较为复杂，所需部件成本较高，且精度不高；不利于推广，因此，需要一种结构较为简单、制造成本低、性能稳定、反映迅速的跟踪小车。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于提供一种结构设计合理、结构简单、制造成本低、精度高、体积小、性能稳定、反应迅速、灵敏度高且实用性好的基于非平衡电桥原理的光源跟踪小车。
6.本实用新型实施例提供一种基于非平衡电桥原理的光源跟踪小车，包括：包括底座；所述底座下方设有四个轮子；两个为主动轮，两个为从动轮；两个所述主动轮分别由两个差速电机控制；所述底座下方还设有电机电源；所述电机电源给两个所述差速电机供电；
7.所述底座上方设有包含多个光敏电阻的单轴或双轴控制电路板；所述单轴或双轴控制电路板，与所述电机电源连接，且与两个所述差速电机控制连接。
8.进一步地，所述单轴控制电路板，包括：光敏电阻r1、r4、定值电阻r2、 r3、光电耦合器l1、l2、继电器j1和j2；
9.其中，所述光敏电阻r1和r4串联，构成第一电路；所述定值电阻r2和r3串联，构成第二电路；
10.所述第一电路和第二电路并联后，两端分别连接所述电机电源的正、负极；
11.在所述光敏电阻r1和r4之间的线路上，通过导线连接光电耦合器l1的输入端，光电耦合器l1的发射端连接所述电机电源负极，光电耦合器l1的集电极通过继电器j1与其中一个第一差速电机控制连接；当r1＜r4时，所述第一差速电机正转；
12.在所述光敏电阻r1和r4之间的线路上，通过导线连接光电耦合器l2的输入端，光电耦合器l2的发射端连接所述电机电源负极，光电耦合器l2的集电极通过继电器j2与其中一
个第一差速电机控制连接；当r1＞r4时，所述第一差速电机反转。
13.进一步地，所述光电耦合器l1的发射端连接所述电机电源负极的线路上，还设有两个三极管；
14.所述光电耦合器l2的发射端连接所述电机电源负极的线路上，还设有两个三极管。
15.进一步地，所述光敏电阻r1、r4为同型号同规格的光敏电阻；
16.所述定值电阻r2、r3为同型号同规格的定值电阻；
17.所述光电耦合器l1、l2为同型号同规格的光电耦合器。
18.进一步地，所述继电器j1、j2为5v的继电器。
19.进一步地，所述双轴控制电路板，包括两套所述单轴控制电路板；所述电机电源分别与两套所述单轴控制电路板连接；其中，第一套单轴控制电路板的光敏电阻为r1、r4；第二套单轴控制电路板的光敏电阻为r'1、r'4；
20.其中，在所述光敏电阻r'1和r'4之间的线路上，通过导线连接光电耦合器l'1的输入端，光电耦合器l'1的发射端连接所述电机电源负极，光电耦合器l'1的集电极通过继电器j'1与第二差速电机控制连接；当r'1＜r'4时，所述第二差速电机正转；
21.在所述光敏电阻r'1和r'4之间的线路上，通过导线连接光电耦合器l'2的输入端，光电耦合器l'2的发射端连接所述电机电源负极，光电耦合器l'2的集电极通过继电器j'2与第二差速电机控制连接；当r'1＞r'4时，所述第二差速电机反转；
22.所述底座上方设有t型板；所述t型板的左边为第一区域，右边为第二区域，上方为第三区域；所述第三区域为车尾方向，所述t型板整体倾斜预设角度设置；
23.所述光敏电阻r1位于第一区域内；所述光敏电阻r4、r'1位于第二区域内；所述光敏电阻r'4位于第三区域内。
24.本实用新型的优点在于，本实用新型实施例提供的一种基于非平衡电桥原理的光源跟踪小车，利用光敏电阻阻值随着光照强度变化而变化这一特征，通过非平衡电桥，输出大小和方向随光照强度变化而变化的电流，实现对差速电机的控制，巧妙地实现了小车自动跟踪光信号的这一“智能化”功能。与现有技术相比，该基于非平衡电桥原理的光源跟踪小车，克服了常规的跟踪系统电路复杂，成本较高，反应不灵敏，不精确等缺点，结构设计合理、结构简单、制造成本低、精度高、体积小、低能耗、性能稳定、反应迅速、灵敏度高且实用性好。
25.本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
26.下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
27.附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：
28.图1为本实用新型实施例提供的基于非平衡电桥原理的光源跟踪小车的结构图；
29.图2为本实用新型实施例提供的非平衡电桥测电压原理图；
30.图3为本实用新型实施例提供的非平衡电桥控制发光二极管示意图；
31.图4为本实用新型实施例提供的光电耦合器内部结构示意图；
32.图5为本实用新型实施例提供的单轴跟踪系统的控制示意图；
33.图6为本实用新型实施例提供的单轴跟踪系统的电机正反转驱动电路图；
34.图7为本实用新型实施例提供的t型板的结构示意图；
35.图8为本实用新型实施例提供的双轴跟踪系统的控制示意图；
36.图9为本实用新型实施例提供的双轴跟踪系统的电机正反转驱动电路图；
37.图10为本实用新型实施例提供的双轴跟踪系统逻辑框架图；
38.图11为本实用新型实施例提供的小车追光示意图；
39.图12为本实用新型实施例提供的另一小车追光示意图。
40.附图中，1
‑
底座；2
‑
主动轮；3
‑
从动轮；4
‑
第一差速电机；5
‑
第二差速电机；6
‑
电机电源；7
‑
t型板。
具体实施方式
41.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
42.参照图1所示，本实用新型实施例提供了一种基于非平衡电桥原理的光源跟踪小车，小车以底座1为主体，底座1下方设有四个轮子，两个主动轮2和两个从动轮3，两个主动轮2分别由两个第一差速电机4、第二差速电机5控制，两电机中间设有电机电源6，电机电源6分别给第一差速电机4、第二差速电机5供电；底座1上方设有包含多个光敏电阻的单轴或双轴控制电路板，控制电路板可以控制底座下方两电机的转向从而控制小车的运动方向。
43.当光源位于小车正前方时，小车会直线前进；当光源位于小车正后方时，小车会直线后退；当光源位于小车侧方时，小车会向光源方向偏转，从而实现跟踪光源。
44.如图2所示，为非平衡电桥测电压原理图：当r1r3＝r2r4时，电桥平衡， u
ab
＝0。当r1r3≠r2r4时，电桥不平衡，u
ab
≠0。根据基尔霍夫电压定律和电流定律，可列方程解得：
[0045][0046]
将r1和r4用相同的光敏电阻替代，r2和r3均用定值电阻r替代。此时电桥的输出电压会出现三种情况：
[0047]
(1)当r1接收的光强大于r4时，即r1<r4，则u
ab
>0；
[0048]
(2)当r1接收的光强小于r4时，即r1>r4，则u
ab
<0；
[0049]
(3)当r1接收的光强等于r4时，即r1＝r4，r1r3＝r2r4，此时电桥平衡，u
ab
＝0。
[0050]
从上式中看出，u
ab
的大小和r1、r4的关系虽然比较复杂，但总体存在一种趋势：在u
cd
一定时，r1、r4的阻值差值越大，u
ab
越大。
[0051]
为了更加形象地显示光敏电阻对a、b两点电压u
ab
的影响情况，我们在a、 b两点之间在ab两点接入两个方向相反的发光二极管l1、l2，如图3所示。
[0052]
(1)光敏电阻r1接受到的光强大于r4时，若u
ab
足够大，则l1发光，l2由于接入反向电
压，不发光；
[0053]
(2)光敏电阻r1接受到的光强小于r4时，若u
ba
足够大，则l2发光，l1不发光。
[0054]
(3)光敏电阻r1接受到的光强等于r4时，u
ab
＝0，l1、l2均不发光。
[0055]
当光敏电阻r1接受到的光强不等于r4时，要确保a、b两点的电流(电压) 足够大，可以改变继电器的通断状态，从而影响差速电机的正反转动。
[0056]
为了进一步增大电流的差异性，可利用光电耦合器及三极管实现电流的多极放大：
[0057]
光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种“电
→
光
→
电”转换器件。如图4所示，光的信号放大部分主要由电子电路等构成，发光器件的管脚为输入端，而光敏器件的管脚为输出端。工作时把电信号加到输入端，使发光器件的芯体发光，而光敏器件受光照后产生光电流并经电子电路放大后输出，实现“电
→
光
→
电”的转换，并实现输入和输出电路隔离。由于光电耦合器输入与输出互相隔离，且电信号在传输时具有单向性等优点，因而光电耦合器具有良好的抗电磁波干扰能力和电绝缘能力。
[0058]
一般情况下，图3中光敏电阻r1或r4阻值变化时，a、b两点电压u
ab
或u
ba
经过光电耦合器后，仍然较小，还不足以改变继电器的通断状态。因此，还需要在光电耦合器后再接入2个三极管，进行两次电流放大。这样当r1或r4变化极小时，都可以改变继电器的通断状态，从而实现差速电机正反转的同步控制。
[0059]
因此，在一个实施例中，上述单轴控制电路板，包括：光敏电阻r1、r4、定值电阻r2、r3、光电耦合器l1、l2、继电器j1和j2；其中，光敏电阻r1、r4为同型号同规格的光敏电阻；定值电阻r2、r3为同型号同规格的定值电阻；光电耦合器l1、l2为同型号同规格的光电耦合器。可选用继电器j1、j2为5v的继电器。
[0060]
如图5所示，光敏电阻r1和r4串联，构成第一电路；定值电阻r2和r3串联，构成第二电路；第一电路和第二电路并联后，两端分别连接电机电源的正、负极；
[0061]
在光敏电阻r1和r4之间的线路上，通过导线连接光电耦合器l1的输入端，光电耦合器l1的发射端连接电机电源负极，光电耦合器l1的集电极通过继电器 j1与其中一个第一差速电机控制连接；光电耦合器l1的输出端一个接三极管q2的基极.另一个接继电器的b1点(图6所示)；当r1＜r4时，第一差速电机正转；
[0062]
在光敏电阻r1和r4之间的线路上，通过导线连接光电耦合器l2的输入端，光电耦合器l2的发射端连接电机电源负极，光电耦合器l2的集电极通过继电器 j2与其中一个第一差速电机控制连接；光电耦合器l2的输出端一个接三极管q4的基极.另一个接继电器的b2点(图6所示)；当r1＞r4时，第一差速电机反转。
[0063]
在光电耦合器l1的发射端连接电机电源负极的线路上，还设有两个三极管；
[0064]
同样地，在光电耦合器l2的发射端连接电机电源负极的线路上，也设有两个三极管。
[0065]
本实施例中，单轴跟踪系统的控制和实现：
[0066]
当光源位于某个方向(比如r1一侧)时，光敏电阻r1阻值变小，控制主动轮2的第一差速电机4正转，光敏电阻r4逐渐向光源靠近，最终使得r1和r4光照强度一致，此时第一差速电机停止转动。反之，若光源位于r4一侧时，第一差速电机4反转。
[0067]
如图5所示的单轴跟踪系统。图5中采用继电器来实现上述目标。继电器是一种电
控制器件，是当输入量(激励量)的变化达到规定要求时，在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电器，通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。在此，本实施例中，可利用继电器控制电流的通断。
[0068]
单轴跟踪系统的工作原理流程如下，如图5
‑
6所示：
[0069]
(1)当r1接收的光强大于r4时，l1通路，l2截止，继而继电器j1的e1、d1两点连通，即j1吸合，而j2不吸合(即e2、d2不连通)，此时第一差速电机4正转。转动过程中，r4受到的光照逐渐增强。当r4受到的光照等于r1时，j1、j2均断开，路端开路，电机停止转动。
[0070]
(2)当r1接收的光强小于r4时，l1截止，l2通路，继而继电器j1的e2、d2两点连通，即j2吸合，而j1不吸合(即e1、d1不连通)，此时第一差速电机4反转。转动过程中，r1受到的光照逐渐增强。当r1受到的光照等于r4时，j1、j2均断开，路端开路，电机停止转动。
[0071]
(3)两者受到光强相同时，e1、d1不连通且e2、d2也不连通，即j1、j2都不吸合，此时电机不转动。
[0072]
电机正反转驱动电路如图6所示，正常工作条件下，两个继电器只会出现上述三种情况，电机根据继电器的内部情况实现正反转动。
[0073]
在一个实施例中，为了更加智能的控制小车，采用双轴控制电路板，该双轴控制电路板包括两套上述单轴控制电路板；电机电源分别与两套单轴控制电路板连接；其中，第一套单轴控制电路板的光敏电阻为r1、r4；第二套单轴控制电路板的光敏电阻为r'1、r'4；
[0074]
同理，在光敏电阻r'1和r'4之间的线路上，通过导线连接光电耦合器l'1的输入端，光电耦合器l'1的发射端连接电机电源负极，光电耦合器l'1的集电极通过继电器j'1与第二差速电机控制连接；当r'1＜r'4时，第二差速电机正转；
[0075]
在光敏电阻r'1和r'4之间的线路上，通过导线连接光电耦合器l'2的输入端，光电耦合器l'2的发射端连接电机电源负极，光电耦合器l'2的集电极通过继电器 j'2与第二差速电机控制连接；当r'1＞r'4时，第二差速电机反转；
[0076]
如图1所示在底座上方设有t型板；如图7所示，t型板7的左边为第一区域，右边为第二区域，上方为第三区域；第三区域为车尾方向，t型板整体倾斜预设角度设置；t型板中t字所在平面和小车面板平行的；t的竖线y 与小车车头方向程30
‑
60度角度。可优选45度夹角。
[0077]
光敏电阻r1位于第一区域内；光敏电阻r4、r'1位于第二区域内；光敏电阻 r'4位于第三区域内。
[0078]
双轴跟踪系统的控制和实现，如图8
‑
9所示：
[0079]
要实现对光源的自动追踪，需要两套如图5所示的控制电路和两套如图6 所示的电机驱动电路。因此，首先需要对所有控制电路中的光敏电阻进行空间合理搭配，具体设置如图7所示：在底座面板上安放一个“t”型挡板，将空间平面分割成1、2、3三个区域。其中，r1放置在第一区域
①
，将r4和r'1放置在第一区域
②
，r'4放置在第三区域
③
。这样，r1和r4可以实现对第一主动轮的控制，而r'1和r'4可以实现对第二主动轮的控制，从而可以实现双轴电机对光源的自动跟踪。
[0080]
其次，本实施例中，需要两套如图5所示的控制电路和两套如图6所示的电机驱动电路。完整的双轴控制电路如图8所示，电机驱动电路如图9所示。
[0081]
下面对第二主动轮的控制系统的工作原理流程作简要叙述，如图8所示：
[0082]
(1)当r'1接收的光强大于r'4时，l'1通路，l'2截止，继而继电器j'1的e'1、d'1连通，即j'1吸合，而j'2不吸合，此时第二差速电机5实现反转。转动过程中， r'4接收的光强逐渐增强，当其光照强度等于r'1时，j'1、j'2均断开，路端开路，第二差速电机5停止转动。
[0083]
(2)当r'1接收的光强小于r'4时，l'1截止，l'2通路，继而继电器j'2的e'2、d'2连通，即j'2吸合，而j'1不吸合，此时第二差速电机5实现正转。转动过程中， r'1接收的光强逐渐增强，当其光照强度等于r'4时，j'1、j'2均断开，路端开路，第二差速电机5停止转动。
[0084]
(3)两者受到光强相同时，继电器j'1的e'1、d'1和继电器j'2的e'2、d'2均不连通，此时第二差速电机5静止。
[0085]
整个双踪控制的逻辑判断流程如图10所示。
[0086]
举例应用：
[0087]
为验证本实用新型追踪光源的可行性，以下将举例说明小车的追光过程。
[0088]
如图11中(a)所示，当光源位于小车第一主动轮一侧时，r1接收到的光强大于r4，j1吸合，而j2不吸合，此时第一差速电机4正转；r'1接受到的光强等于r'4，j'1、j'2均断开，第二差速电机5停止转动。小车会向逆时针方向拐弯，直至转动至如图11中(b)所示的位置。当小车处于图11中(b)所在位置时，r'1接受到的光强大于r'4，j'1吸合，而j'2不吸合，此时第二差速电机5实现反转； r1接收到的光强等于r4，j1、j2均不吸合，此时第一差速电机4停止转动。小车会继续向逆时针方向转动，直至转动至如图11中(c)所示的位置。当小车处于图11中(c)所在位置时，r'1接受到的光强大于r'4，第二差速电机5继续反转；而r1接收到的光强小于r4，j2吸合、j1不吸合，此时第一差速电机4实现反转。小车会向着光源沿直线运动，最终实现小车的光源跟踪。
[0089]
如图12中(a)所示，当光源位于小车第二主动轮一侧时，r1接收到的光强小于r4，j2吸合，而j1不吸合，此时第一差速电机4反转；r'1接受到的光强大于r'4，j'1吸合、j'2不吸合，第二差速电机5反转。小车会向着光源沿直线前进，直至前进到如图12中(b)所示的位置。当小车处于图12中(b)所在位置时， r'1接受到的光强等于r'4，j'1和j'2均不吸合，此时第二差速电机5停止转动；r1接收到的光强小于r4，j2吸合、j1不吸合，此时第一差速电机4实现反向转动。小车会向顺时针方向转动，直至转动至如图12中(c)所示的位置。当小车处于图12中(c)所在位置时，r'1接受到的光强大于r'4，第二差速电机5反转；而r1接收到的光强小于r4，j2吸合、j1不吸合，此时第一差速电机4实现反转。小车会向着光源沿直线运动，最终实现小车的光源跟踪。
[0090]
本实用新型提供的基于非平衡电桥原理的光源跟踪小车，利用光敏电阻阻值随着光照强度变化而变化这一特征，通过非平衡电桥，输出大小和方向随光照强度变化而变化的电流，再通过光电耦合器、三极管、继电器、差速电机等器件，设置两个相互独立的主动轮控制电机，巧妙地实现了设备自动跟踪光信号的这一“智能化”功能。该小车克服了常规的跟踪系统电路复杂，成本较高，反应不灵敏，不精确等缺点，结构设计合理、结构简单、制造成本低、精度高、体积小、低能耗、性能稳定、反应迅速、灵敏度高且实用性好。
[0091]
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其
均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。