新木牛流马总体方案设计.doc

研究生试卷 类别标准分数实得分数平时成绩10作业成绩90总分100授课教师签 字系 别：机械设计及理论 课程名称：机械电子学 学 号：姓 名： 考试时间： 年 1 月 17 日新“木牛流马”总体方案设计0、 前言“木牛流马”——是武侯诸葛亮发明于公元231年的一种适用于崎岖山路的运输工具，用以为前线运送军粮在此期间，“木牛流马”震惊四方,英名远播公元234年,诸葛亮去世,“木牛流马”突然神秘消失,踪迹全无,仅留下诸葛亮本人的一纸纪念性文章这也使得其更具神秘性，激励着一代代后人探索其中的奥秘并试图复制这一神奇的发明本文试图从千年前“木牛流马”的设计初衷与应用背景出发，设计出一种新型的“木牛流马”这里所谓的“新型”，是结合了现代驱动技术、现代传感技术以及测控技术等组成一个复杂机电系统，以赋予“木牛流马”智能行走的功能1、 主要技术指标要求鉴于古代“木牛流马”设计目的，其主要用于运输粮草，因此主要的技术指标就是承载能力以及行进速度，且对转向性能有一定的要求综合考虑，新“木牛流马”技术指标应包括有：1） 承载能力。

根据史书记载推断，“木牛”承载能力大约为现在的600kg，因此承载能力指标定为600kg2） 行进速度由于智能“木牛流马”行进时，虽不需要人进行操纵，但考虑到运输过程中需要有人监控，因此设计时其正常行进速度与人快速步行时速度相当又知，人的正常步速大约为1.35m/s，即大约5km/h，因此“木牛流马”的正常行进速度应为5km/h但具体工作时，根据具体情况不同，可能需要其以不同的行进速度前进，因此设计时应设有调速功能低速对应正常行进速度，为5km/h；高速档对应人跑步步速，大约为5倍步行速度，即为25km/h3） 灵活的转向性能无论何种运输工具，转向性能都是一个重要的技术指标这里要求转向灵活，省力，且不影响行进速度4） 高效的制动性能同样，制动性能也是一个重要的技术指标，要求制动响应迅速、准确5） 不需要耗费大量人力，无需人进行操纵、提供驱动力木牛流马”设计的初衷之一就是节省人力，而且这也是任何运输工具设计的必要前提该智能化“木牛流马”需具有智能识别道路，自行拐弯、停车避障等功能2、 总体方案确定通过查阅相关文献[1][2][3]，了解到时至今日,对诸葛亮“木牛”的结构和功能研究,形成了三种相对稳定的观点:1） 独轮车说。

如图1 由于结构紧凑，转弯灵活，在古代科技水平条件下特别适用于完成崎岖山路上的运输任务《中国古机械史》教材就把“木牛流马”中的“木牛”确定为独轮车结构，这也是部分著名学者的主导性意见 图1 古代独轮车结构但是独轮车结构由于必须有人操控，稳定性差，对平衡性能要就很高，要将其应用在智能控制中，就需要对车的姿态进行实时监测，并不断调整，使其时刻处于平衡状态这对监测元件、传感部件、监测系统驱动控制系统等要求极高，很难在较短的时间设计完成因此，综合考虑，放弃以独轮车为基本结构的新“木牛流马”方案2） 步行器说这一说法的支持者众多，历史上关于步行器“木牛”的试制也层出不穷且诸葛亮《作木牛流马法》中的“木牛”做法明显倾向于步行器的描述, 更使人们坚信“木牛”曾经走起来过近代人们复制“木牛流马”也大多采用这种结构但是尽管步行器符合诸葛亮的文字描述，但遗憾的是，就算是移动式步行器也未曾出现合理的结构实样很多设计或是明显不符合原文的综合描述, 或是在功能上存在诸多缺陷如果要按现代步行机器人来设计“木牛流马”，需要设计各种复杂机构，设置大量的运动关节，就需要大量的机械动力学知识,而且控制系统也相当复杂[4]。

目前最具代表性的就是四足行走机器人，这部分研究需要很深的理论功底，在短时间内很难拿出一个可行的方案在国内，对四足行走机器人还处于研究阶段[5]；在世界范围内，美国波士顿动力学工程公司（Boston Dynamics）为美国军方所研制的“大狗（big dog）”行走机器人以交付军方，其无论从智能性或实用性上，都代表着目前四足机器人应用的最高水平[6] 图2 美国“大狗”四足机器人综合分析，虽然步行器方案理论上可行，但很难在较短的时间内设计出来，因此，基于步行器结构的新“木牛流马”方案也放弃3） 四轮车说四轮车说的主要依据, 是原文中“一脚四足”和“转者为牛足”两句[7][8]，相关研究者一般都依此推论为有四个会转的“足”再者，四轮车具有重心稳定, 载重量大、驱车省力的优点，设计相对于步行机器人简单，相对于独轮车更容易实现智能控制因此，该新“木牛流马”确定采用轮式结构为基本机械机构在此方案的基础上进行下一步设计考虑到“木牛流马”所行走的道路崎岖，一般四轮车遇到路面上比较大的障碍就会被挡住，无法直接通过，因此仔细考虑后，确定采用车轴可以摆动的新型结构，图下图3所示当前方有障碍物时，车轮可以直接碾过，通过障碍物后，利用弹簧及液压机构使车轮复位。

图3 车轮结构但是若采用一般的四轮车结构时，利用上述这样的车轮结构很容易在障碍物较大时造成翻车为解决这一问题，设计时将新型“木牛流马”改为“六足牛”，及采用六轮结构，这样可以进一步提高车的稳定性，保证不会因为障碍物太大而侧翻同时，所谓智能“木牛流马”，就是能够自动识别道路，自动拐弯本设计就是在“木牛”的前方和两个侧方安装三个红外探测装置通过红外探测，确定“路在何方”，若前方没有高大的障碍物，则继续按原方向前进；若探测到前方为“死路”，则通过左右两侧红外探测装置，确定拐弯方向，从而避开高大障碍，继续前进而为了实现智能控制，除了必须有“眼睛”——红外探测装置外，更重要的是需要给“木牛”安装“大脑”——单片机本设计是通过单片机实现对小车进行控制的红外测控装置将测得的信号传输到单片机中，单片机通过判断，确定小车是否转向或停车，然后把判断后的输出信号传输给电机，从而控制小车的行驶状况该新型“木牛流马”的转向功能是通过调节前轮两轮的转速不同来实现的具体的说，是在前轮安装两个伺服电机，分别控制前轮两个轮的转速，电机则通过单片机来控制当需要转弯时，单片机发出指令，控制两个伺服电机以不同的转速转动，从而使得两轮转速不同，实现转向。

该“木牛流马”的动力由发动机提供，通过后轮驱动把动轮传动到中间轮驱动转向电机采用步进电机制动系统则是靠安装在车轮上的车闸来实现制动，整个控制系统是有单片机来实现的综上所述，通过采用传感元件和驱动装置，设计合理电路实现“木牛流马”智能化具体的说，能够实现自动检测前方路况并反馈到控制系统中，通过转弯或制动，自动调整行进状态3、 主要机械结构方案总体方案确定后，通过对各部分机械结构进行细化，建模，最终确定出整个“木牛流马”的主要机械结构，如下图4所示图4新“木牛流马”整体结构图侧面传感装置前面传感装置在小车前方和两侧分别装有红外传感装置，如下图5所示通过小车前方的传感装置判断前面是否有高大障碍，若有则判断左右的情况，确定拐弯方向，实现自动避障功能 图5 装在“木牛流马”上的传感装置新“木牛流马”车轮结构采用轴线可以摆动的结构，当前进方向有小的障碍物时，车轮可以直接碾过而无需避让，如下图6所示 （a） (b) （c） (d) (e)图6 “木牛流马”通过障碍物过程图 为了实现“木牛流马”遇到高大障碍能够智能转向，本设计采用两个电机分别控制两个前轮转速的方法，通过调整两个前轮的转速实现对“木牛流马”行进方向的控制。

原理图如下图7所示图7 转向机构原理图4、 传感部件选型该设计用到的传感器主要是监测障碍用的探测器，根据不同类型的探测器及适用范围进行选型具体方案如下方案1：使用超声波探测器 超声波探测器探测距离远，测距方便但由于声波衍射现象较严重，且波包散面太大，易造成障碍物的错误判断同时，超声波探测具有几厘米甚至几十厘米的盲区，不适用与崎岖且道路不平的山路故放弃了这一方案 方案2：使用光电对管探测 光电对管探测距离太近，使得小车必须制动迅速然而，本设计“木牛流马”载重量大，惯性较大，制动距离太短会导致与障碍物相撞，同时制动部件也受到很大的冲击载荷，对部件寿命也有不利的影响因此综合考虑放弃该方案方案3：使用视频采集处理装置进行探测 使用CCD实时采集小车前进路线上的图像并进行实时传输及处理，这是最精确的障碍物信息采集方案，可以对障碍物进行精确定位和测距但是使用视频采集会大大增加小车成本和设计开发难度，而且考虑到我们小车行进转弯的精确度并未达到视频处理的精度，因而使用视频采集在实际应用中是个很大的浪费，所以放弃了这一方案方案4：使用光电开关探测 使用六只E3F-DS30C4光电开关，分别探测正前方、前右侧、前左侧和后方、后左侧、后右侧障碍物信息，前方传感器用于检测前进中的障碍物信息，后方传感器用于检测倒退时后方（前方）的障碍物信息。

E3F-DS30C4光电开关平均有效探测距离0~30cm可调，并且可以较好的抑制外界背景光，在强烈的日光下也可正常工作但需要的传感器数目较多，故放弃这一方案 方案5：使用红外探测器探测 红外传感器具有体积小、功耗低、应用方便、稳定可靠、不存在摩擦、灵敏度高、响应快等优点，检测距离可以从几厘米到几十厘米可调，但价格高，故不采用该方案5、 控制系统设计根据设计要求和设计内容，采用基于单片机的控制方案，设计出系统框图如下图8所示，包括主控模块、检测模块、电机驱动模块和电源模块等 主控模块检测模块电机驱动模块电源模块调速模块避障模块启停控制模块图8 控制系统框图5.1主控制模块由于本方案设计的新“木牛流马”从本质上说属于电动控制运输车目前，在具有智能功能的运输小车中，应用最多的控制器就是单片机它具有集成度高、体积小，可靠性高、实用温度范围宽，有优良的性能价格比，控制功能强，外部总线丰富，功能扩展性强及低功耗等特有的优良性能，因而得到了广泛应用[9]常用的典型的单片机有Intel公司的MCS-51系列单片机、Motorola公司的M68系列单片机、Philips公司的P系列单片机、WinBond（华邦）公司的W77、W78系列单片机、ATMEL公司生产的AT89系列单片机、EPSON公司的单片机等。

由于本设计具有多开关量输入，并需要考虑传感器，电机驱动等情况，综合考虑，采用ATMEL公司的STC89C51型单片机，如下图9所示充分利用 STC89C51单片机的资源和适合复杂控制应用场合的特点下面就具体对各个模块进行设计图9 STC89C51单片机引脚图5.2 检测模块对于新型智能“木牛流马”的设计，使其具有对于道路状态检测能力是一个必要的设计内容现在常用的检测元器件有超声波探测器、光电对管探测器、利用视频采集装置进行探测的器件、光电开关控制器以及红外探测器等[9]由于本设计“木牛流马”负载后质量较大，光电对管探测器以及光电开关控制器的检测距离较小，若采用此类检测元件可能导致检测距离小于制动距离，因此此类元器件不能使用；又由。