一種用于機器人教學的微型機器人小車的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種用于機器人教學的微型機器人小車，包括帶PCB板的車體，車體上分別裝有主控電路模塊、電源模塊、巡線模塊、尋光模塊、改進型H橋電機驅(qū)動模塊，主控電路模塊使用STM32作為控制芯片，最小系統(tǒng)電路為整個模塊的核心；電源模塊使用集成的線性穩(wěn)壓電源芯片1117；所述巡線模塊包括有多個紅外光電對管；所述尋光模塊包括有多個光敏二極管；所述改進型H橋電機驅(qū)動模塊包括有六個三極管和一個用于帶動車體動作的電機，所述電機和四個三極管構成H橋式電機驅(qū)動電路，且該H橋式電機驅(qū)動電路的兩端分別連接有一個三極管。本實用新型集成有多種功能，能在很小的空間實現(xiàn)機器人的教學與研究，功能易于擴展，讓學生學以致用，充分發(fā)揮創(chuàng)造力。
【專利說明】—種用于機器人教學的微型機器人小車

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及機器人教學的【技術領域】，尤其是指一種用于機器人教學的微型機器人小車。

【背景技術】
[0002]隨著機器人技術的發(fā)展，開設機器人相關的課程的學校增多，但是，由于國內(nèi)發(fā)展得較晚，而且大部分只開學生的課外實踐來進行，缺乏系統(tǒng)的培養(yǎng)；越來越多的所謂機器人比賽，但其教育實際上也沒有發(fā)展成熟起來，卻催生了國內(nèi)機器人教育的畸形化發(fā)展，從一些機器人教育相關行業(yè)人士了解，發(fā)現(xiàn)了機器人教育方面的幾個不足:
[0003]1、功利化:很大程度上，國內(nèi)機器人比賽已經(jīng)不單單只是學生的比賽，而是學校之間爭奪名譽的比賽，很多學校為了名譽，投入大量的資金，購買大量的模塊，甚至聘請技術公司提供協(xié)助，而學生的參與則很少。
[0004]2、難深入:由于沒有專門的課題研究，學生學習機器人只能是不斷重復前面別人做好了的事情，并沒有從前人的基礎上繼續(xù)深入，缺乏創(chuàng)造力。
[0005]3、門檻高:市面上的機器人教育套件，低則幾千，貴則上萬，普通的學生根本負擔不起，更別提教育二字，而學生有興趣學的，又缺乏硬件平臺，難以開展。
[0006]而對于國外的機器人教育，如美國:相關的政府部門在全國中小學生中推行“感知和認知移動機器人”計劃，大力支持和鼓勵機器人教學。中學生們可免費獲得70公斤重的一套零件，按照自己的想法和創(chuàng)意自行組裝成遙控機器人，然后參加機器人比賽；日本教學機器人Memoni，具有人工智能功能，可以與學生直接對話，還會自動記錄場景，其儲存了2萬多個詞匯，能建構20億以上的完整句子；俄羅斯政府大規(guī)模投資，首都莫斯科和周圍地區(qū)1200所學校和2000所其他公共教育機構中配備了樂高教育分部的產(chǎn)品，包括學校專用的樂高“頭腦風暴”機器人系列。由于現(xiàn)在機器人的教學熱，每個國家都花費大量金錢在購買機器人上，其缺點很明顯，教學所需經(jīng)費較為龐大，導致經(jīng)濟壓力增加，使得一些普通高校也沒法負擔，更不要說推廣到一般學生的教學上了。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足與缺點，提供一種外形小巧、成本低、性價比高、易操作、功能可擴展范圍大、使用及攜帶方便的用于機器人教學的微型機器人小車，有利于機器人教學的使用。
[0008]為實現(xiàn)上述目的，本實用新型所提供的技術方案為:一種用于機器人教學的微型機器人小車，包括有帶PCB板的車體，所述PCB板水平裝于車體頂部，所述車體上分別裝有主控電路模塊、電源模塊、巡線模塊、尋光模塊、改進型H橋電機驅(qū)動模塊，其中，所述主控電路模塊使用STM32作為控制芯片，最小系統(tǒng)電路為整個模塊的核心，該主控電路模塊主要包括STM32芯片、復位電路、晶振、驅(qū)動器；所述電源模塊使用集成的線性穩(wěn)壓電源芯片1117，給主控電路模塊提供穩(wěn)定的電壓，輸入及輸出分別使用電容對電壓進行濾波，降低輸出紋波；所述巡線模塊包括有多個紅外光電對管，采用紅外光電對管陣列，經(jīng)過電壓比較器對輸入的信號進行二值化處理，從而將模擬信號轉換為數(shù)字信號傳輸給主控電路模塊的STM32芯片，所述多個紅外光電對管裝于車體的底板底部；所述尋光模塊包括有多個光敏二極管，所述多個光敏二極管沿PCB板的周向分布在其周邊，對光進行全方位的追蹤，其產(chǎn)生的微弱電流變化經(jīng)過采樣電阻轉換為電壓的變化，輸入到主控電路模塊的AD采集端中進行處理；所述改進型H橋電機驅(qū)動模塊包括有六個三極管和一個用于帶動車體動作的電機，所述電機和四個三極管構成H橋式電機驅(qū)動電路，且該H橋式電機驅(qū)動電路的兩端分別連接有一個三極管。
[0009]所述PCB板上集成有STM32芯片、驅(qū)動器、蜂鳴器、晶振和紅外二極管，其中，所述紅外二極管是把光信號轉換成電信號的光電傳感器件。
[0010]所述車體上還裝有RS232-USB接口轉換器和通信模塊，其中，所述RS232-USB接口轉換器內(nèi)置USB功能控制器、USB收發(fā)器、振蕩器和帶有全部調(diào)制解調(diào)器控制信號的UART，其外接電容即可實現(xiàn)USB信號與RS232信號的轉換；所述通信模塊采用2.4G發(fā)射接收模塊，該模塊采用SPI通信協(xié)議，內(nèi)置頻率發(fā)生器、增強型SchockBurst模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器和解調(diào)器。
[0011]所述PCB板為圓形PCB板，多個光敏二極管呈360°排布。
[0012]所述多個紅外光電對管在底板底部排成一排。
[0013]本實用新型與現(xiàn)有技術相比，具有如下優(yōu)點與有益效果:
[0014]1、集成有多項功能，如尋光功能、巡線功能，使得小車可滿足多種需求，實現(xiàn)了機器人小車體積小巧的前提下，能在很小的空間(如桌子上)實現(xiàn)機器人的教學與研究，而且機器人還能進行二次開發(fā)，功能易于擴展，讓學生學以致用，充分發(fā)揮創(chuàng)造力；
[0015]2、采用改進型H橋電機驅(qū)動模塊，使得在同一時間內(nèi)，同一橋臂只能有一個三極管導通，避免了兩個同側的三極管同時導通的短路現(xiàn)象，并且節(jié)省了控制端1 口的使用；
[0016]3、一體化的設計，使得用戶不必再購買額外的硬件，節(jié)省開發(fā)時間。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本實用新型所述微型機器人小車的立體圖之一。
[0018]圖2為本實用新型所述微型機器人小車的立體圖之二。
[0019]圖3為本實用新型所述微型機器人小車的俯視圖。
[0020]圖4為本實用新型所述微型機器人小車的側視圖。
[0021]圖5為本實用新型所述微型機器人小車的后視圖。
[0022]圖6為本實用新型所述H橋式電機驅(qū)動電路的原理圖。
[0023]圖7為本實用新型所述H橋式電機驅(qū)動電路驅(qū)動電機順時針轉動的示意圖。
[0024]圖8a為環(huán)境光校正前后對比圖。
[0025]圖8b為對單光源和多光源的對比圖。

【具體實施方式】
[0026]下面結合具體實施例對本實用新型作進一步說明。
[0027]如圖1至圖5所示，本實施例所述的用于機器人教學的微型機器人小車，包括有帶圓形PCB板I的車體，所述PCB板I水平裝于車體頂部，所述車體上分別裝有主控電路模塊、電源模塊、巡線模塊、尋光模塊、改進型H橋電機驅(qū)動模塊、RS232-USB接口轉換器和通信模塊。
[0028]所述主控電路模塊使用STM32作為控制芯片，最小系統(tǒng)電路為整個模塊的核心，該主控電路模塊主要包括STM32芯片、復位電路、晶振、驅(qū)動器。
[0029]所述電源模塊使用集成的線性穩(wěn)壓電源芯片1117，給主控電路模塊提供穩(wěn)定的3.3V電壓，輸入及輸出分別使用10Uf電容對電壓進行濾波，降低輸出紋波。
[0030]所述巡線模塊包括有多個紅外光電對管2，采用紅外光電對管陣列，經(jīng)過電壓比較器對輸入的信號進行二值化處理，從而將模擬信號轉換為數(shù)字信號傳輸給主控電路模塊的STM32芯片，所述多個紅外光電對管2裝于車體的底板7底部，并排成一排。巡線，也就是在一塊白色地板上貼一條黑色的線，讓小車跟隨著黑線前進，正如我們了解到，小車的底部裝有一排紅外光電對管2，紅外光照射在不同顏色反射回來的強度也是不同的，而紅外光電對管2恰好可以將接收到的光的強度轉換為電信號，利用這一點，我們就可以對比出紅外光照射在黑色和白色區(qū)域的區(qū)別，從而判斷出黑線的位置。得出黑線的位置，STM32芯片就可以判斷黑線是否處于中心位置，是左偏還是右偏，從而改變電機的轉速輸出，使得小車能及時消除偏差，跟隨著黑線前行。
[0031]所述尋光模塊包括有多個光敏二極管3，參考昆蟲的“復眼”，所述多個光敏二極管3沿PCB板I的周向分布在其周邊，呈360°排布，對光進行全方位的追蹤，其產(chǎn)生的微弱電流變化經(jīng)過采樣電阻轉換為電壓的變化，輸入到主控電路模塊的AD采集端中進行處理。
[0032]所述改進型H橋電機驅(qū)動模塊包括有六個三極管和一個用于帶動車體動作的電機，所述電機和四個三極管構成H橋式電機驅(qū)動電路，如圖6所示，要使電機運轉，必須導通對角線上的一對三極管。根據(jù)不同三極管對的導通情況，電流可能會從左至右或從右至左流過電機，從而控制電機的轉向。驅(qū)動電機時，保證H橋上兩個同側的三極管不會同時導通非常重要。如果三極管Ql和Q2同時導通，那么電流就會從正極穿過兩個三極管直接回到負極。此時，電路中除了三極管外沒有其它任何負載，因此電路上的電流就可能達到最大值(該電流僅受電源性能限制)，甚至燒壞三極管?；谏鲜鲈?，在實際驅(qū)動電路中通常要用硬件電路方便地控制三極管的開關。由于同一橋臂的兩個三極管同時導通會導致電流短路，因此在H橋式電機驅(qū)動電路的基礎上，我們分別在兩端分別各增加一個三極管，這樣設計的好處是，同一時間內(nèi)，同一橋臂只能有一個三極管導通，避免了短路現(xiàn)象，并且節(jié)省了控制端1 口的使用。
[0033]所述RS232-USB接口轉換器可提供一個RS232全雙工異步串行通信裝置與USB功能接口便利連接的解決方案，其內(nèi)置USB功能控制器、USB收發(fā)器、振蕩器和帶有全部調(diào)制解調(diào)器控制信號的UART，只需外接幾只電容即可實現(xiàn)USB信號與RS232信號的轉換。
[0034]所述通信模塊采用2.4G發(fā)射接收模塊，該模塊采用SPI通信協(xié)議，內(nèi)置頻率發(fā)生器、增強型SchockBurst模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器和解調(diào)器，輸出功率頻道選擇和協(xié)議的設置可以通過SPI接口進行設置。
[0035]所述PCB板I上集成有STM32芯片、驅(qū)動器、蜂鳴器4、晶振5和紅外二極管6，采用一體化的設計，這樣做的目的主要是用戶不需要重新購買額外的硬件，節(jié)省了研發(fā)費用，而且做實驗時也不需要使用繁雜的引線，節(jié)省了硬件的開發(fā)時間。而且小車做成一體化，大大提高了運行的穩(wěn)定性和可靠性，用戶可以將時間用在更加高級的算法上去，而不用重復地做底層的東西。
[0036]所述紅外二極管6和普通二極管一樣，也是由一個PN結組成的半導體器件，也具有單方向?qū)щ娞匦浴５陔娐分兴皇亲髡髟?，而是把光信號轉換成電信號的光電傳感器件。普通二極管在反向電壓作用時處于截止狀態(tài)，只能流過微弱的反向電流，紅外二極管6在設計和制作時盡量使PN結的面積相對較大，以便接收入射光。紅外二極管6是在反向電壓作用下工作的，沒有紅外光，反向電流極其微弱，叫暗電流；有紅外光時，反向電流迅速增大到幾十微安，稱為光電流。光的強度越大，反向電流也越大。光的變化引起光電二極管電流變化，這就可以把紅外光信號轉換成電信號，成為光電傳感器件。
[0037]下面我們以尋光功能做例子:參考昆蟲的“復眼”，用光敏二極管3排成360°對光進行全方位的追蹤，光的強弱使二極管產(chǎn)生的微弱電流變化經(jīng)過采樣電阻轉換為電壓的變化，輸入到主控電路模塊的AD采集端中進行處理，得出光源位置后，當三極管Ql和三極管Q4導通時，電流就從電源正極經(jīng)三極管Ql從左至右穿過電機，然后再經(jīng)三極管Q4回到電源負極。按圖7中電流箭頭所示，該流向的電流將驅(qū)動電機順時針轉動。
[0038]由于實際場地中，必定會存在或多或少的光源干擾，這對于尋找特定光源來說是一個極大的難題，因此我們一開始需要對復眼模塊進行環(huán)境光的校正，如圖8a和圖Sb所
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[0039]在校正前，復眼模塊對環(huán)境光光源與特定光源的判斷會有誤差，可能會沒法找到需要光源；在校正后，在沒有特定光源的情況下，其對環(huán)境光的感應都應將每處的光強視為一樣，如圖8a所示。這樣，就能尋找我們需要的光源。
[0040]圖8b顯示了在校正后，對單光源與多光源的感應，并向光源轉向。
[0041]微型機器人小車的設計成功，將可應用到機器人教學當中，相信其豐富的功能，力口上低廉的價格，定能在機器人教育這一領域得到普及。學生可以通過聽課堂上的講解，通過實驗平臺去驗證這樣的理論知識，然后能結合各知識點創(chuàng)造出各種各樣的功能，將學到的知識從消化，實踐，再到創(chuàng)造。其次，將小車加以改進，也能用于各實驗室中作為算法研究的平臺，如蟻群算法的研究，機器人的群控，協(xié)作等，值得推廣。
[0042]以上所述之實施例子只為本實用新型之較佳實施例，并非以此限制本實用新型的實施范圍，故凡依本實用新型之形狀、原理所作的變化，均應涵蓋在本實用新型的保護范圍內(nèi)。
【權利要求】
1.一種用于機器人教學的微型機器人小車，其特征在于:包括有帶PCB板(I)的車體，所述PCB板(I)水平裝于車體頂部，所述車體上分別裝有主控電路模塊、電源模塊、巡線模塊、尋光模塊、改進型H橋電機驅(qū)動模塊，其中，所述主控電路模塊使用STM32作為控制芯片，最小系統(tǒng)電路為整個模塊的核心,該主控電路模塊主要包括STM32芯片、復位電路、晶振、驅(qū)動器；所述電源模塊使用集成的線性穩(wěn)壓電源芯片1117，給主控電路模塊提供穩(wěn)定的電壓，輸入及輸出分別使用電容對電壓進行濾波，降低輸出紋波；所述巡線模塊包括有多個紅外光電對管(2)，采用紅外光電對管陣列，經(jīng)過電壓比較器對輸入的信號進行二值化處理，從而將模擬信號轉換為數(shù)字信號傳輸給主控電路模塊的STM32芯片，所述多個紅外光電對管(2)裝于車體的底板底部；所述尋光模塊包括有多個光敏二極管(3)，所述多個光敏二極管⑶沿PCB板⑴的周向分布在其周邊，對光進行全方位的追蹤，其產(chǎn)生的微弱電流變化經(jīng)過采樣電阻轉換為電壓的變化，輸入到主控電路模塊的AD采集端中進行處理；所述改進型H橋電機驅(qū)動模塊包括有六個三極管和一個用于帶動車體動作的電機，所述電機和四個三極管構成H橋式電機驅(qū)動電路，且該H橋式電機驅(qū)動電路的兩端分別連接有一個三極管。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種用于機器人教學的微型機器人小車，其特征在于:所述PCB板⑴上集成有STM32芯片、驅(qū)動器、蜂鳴器(4)、晶振(5)和紅外二極管(6)，其中，所述紅外二極管(6)是把光信號轉換成電信號的光電傳感器件。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種用于機器人教學的微型機器人小車，其特征在于:所述車體上還裝有RS232-USB接口轉換器和通信模塊，其中，所述RS232-USB接口轉換器內(nèi)置USB功能控制器、USB收發(fā)器、振蕩器和帶有全部調(diào)制解調(diào)器控制信號的UART，其外接電容即可實現(xiàn)USB信號與RS232信號的轉換；所述通信模塊采用2.4G發(fā)射接收模塊，該模塊采用SPI通信協(xié)議，內(nèi)置頻率發(fā)生器、增強型SchockBurst模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器和解調(diào)器。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種用于機器人教學的微型機器人小車，其特征在于:所述PCB板⑴為圓形PCB板，多個光敏二極管(3)呈360°排布。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種用于機器人教學的微型機器人小車，其特征在于:所述多個紅外光電對管(2)在底板底部排成一排。
【文檔編號】G05D1/02GK203982192SQ201420336329
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年6月23日 優(yōu)先權日:2014年6月23日
【發(fā)明者】張東, 關國亮, 鐘曉航, 鄧李智, 劉曉庭, 張文桂, 趙一凡, 廖登宏 申請人:華南理工大學