基于步進電機的運動場地自動劃線機

葉林勇 張碧云

一、引言

從節省成本、多功能化和自動化方面考慮，我們創作了一輛以智能小車為載體地自動劃線機，本項目所搭建的自動劃線機可以根據實際需要，設定智能小車的運行軌跡，帶動小車上面的劃線系統，實現自動劃線，提高工作效率。

二、劃線機的設計思路

1.劃線機的構架：劃線機由一輛可以自動行走的智能小車組成，采用三輪結構，前面的兩個輪子使用步進電機作為動力裝置，采用步進電機的最大好處是路程長度可以精確控制，而且不易打滑，后面一個輪子使用萬向輪。國內流行的智能小車普遍采用此結構，此結構的優點是運動靈活，控制簡單，小車的轉向控制通過前面兩個輪子的轉速差來實現。

2.控制核心：這個項目我們采用的是飛思卡爾的32位芯片KL26，該芯片采用ARM公司的Cortex MO架構，最大特點是低功耗，系統工作時鐘達48MHz，擁有256K的flash存儲器，運行速度快，程序存儲空間大，完全能夠勝任劃線小車的自動化控制。

3.人機通信：劃線小車的人機通信由0.96寸的OLED和4*4矩陣按鍵組成，OLED液晶顯示的功能是顯示小車的運行狀態、劃線形狀、設置的半徑等數據，可以提供良好的人機交互界面，方便用戶使用。選擇該顯示屏的原因是OLED本身體積小，無需背光，而且分辨率高，超低功耗，使用IIC通信方式，只需占用系統板的4個IO口，節約芯片的IO資源。在執行劃線任務前，我們通過4*4矩陣按鍵向芯片輸入劃線數據，主要有形狀、大小、劃線速度等信息，芯片通過中斷掃描方式獲取按鍵輸入，并且實時顯示在OLED上。

4.劃線系統：劃線系統由一個由舵機、空心杯電機、滾筒組成。執行劃線任務時，核心板向舵機輸出固定占空比的PWM波形，精確控制舵機的旋轉角度，使滾筒下降執行劃線任務，同時核心板控制水泵把顏料罐的顏料輸送到滾筒上，劃線結束時，反轉舵機，收起滾筒?？招谋姍C用于固定滾筒，可以減小滾筒在執行劃線任務時的動摩擦系數。

5.反饋系統：雖然使用步進電機可以比較精確地控制劃線小車的運行軌跡，但是步進電機本身的控制誤差還有小車和劃線系統的機械誤差的存在，所以劃線過程中的誤差在所難免，本項目我們采用OV7725數字攝像頭，實時采集劃線圖像，將所得數據傳回芯片，通過芯片預制的算法與我們預期的軌跡進行對比，有錯誤及時修正，保證劃線精度。

三、劃線小車的原理及性能分析

1.步進電機的控制原理：步進電機是一種可以將電脈沖信號轉變為角位移的開環控制元件。在非超載的情況下，步進電機的轉速和停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數。當步進電機的驅動器收到一個脈沖信號時，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。步進電機一般有四拍和八拍兩種工作方式，四拍工作方式轉動力矩較小。本項目采用兩相四線步進電機，使用八拍工作方式，步距角為四拍工作時的一半，采用這種工作方式既可以保持較高的轉動力矩又可以提高控制精度，減少劃線誤差。

2.步進電機驅動模塊：由于我們使用的步進電機為SV的小型減速步進電機，工作電壓和電流比較小，所以我們沒有采用主流韻步進電機驅動芯片L298，本項目我們使用L9110芯片作為兩相四線步進電機的驅動芯片，該芯片為兩通道推挽式功率放大專用集成電路器件，有兩個TTL/CMOS兼容電平的輸入，可以直接接KL26系統板的輸出，它具有較大的電流驅動能力，每通道能通過800mA的持續電流，峰值電流能力可達1.5A。由于電機為感性負載，線圈在通過電流時，會在兩端產生感應電動勢。當電流消失時，其感應電動勢會對電路中的元件產生反向電壓。L9110驅動芯片內置鉗位二級管，可以為反向電壓提供續流通道，使得它在步進電機的驅動上安全可靠。

3.劃線小車的運行軌跡控制：由于通過步進電機，我們可以精確地控制小車的運行速度和停止的位置，所以可以比較簡單的控制小車的運行軌跡。比如我們想要小車劃出一個圓形，我們假設兩個輪子之間的距離為d，所作圓半徑為r，內側輪子的線速度為V1，外側輪子線速度為V2，運行時間為t，則兩個輪子的運行距離分別為S1=V1*t，S2=V2*t，則V1/V2=S1/S2=（2*）/（2*）=r1/r2=r（r+d）。即控制內外兩個輪子的速度比恒定，即可畫出圓形，速度比為r/（r+d），半徑即為r。

4.劃線機的機械性能和電氣性能分析：劃線小車的機械架構由玻纖材料組成，硬度高，在壓力實驗中表現合格。動力裝置由減速步進電機組成，減速比為1：50，采用減速步進電機可以有效增加電機的旋轉力矩，同時采用八拍的工作方式，進而增加了劃線小車的負重能力。電氣性能方面，KL26的核心開發板的加工經過覆漆覆油防腐蝕等一系列操作，在信號流通控制上穩定性優良。電路板集成度高，節省成本，并且不浪費資源，避免信號在電路板長距離流通影響穩定性。

四、結束語

本項目具有很強的實用性，以我們創作的迷你智能劃線小車為基礎，對硬件尺寸適當放大，改良，倘若能夠制作出在塑膠場地和水泥場地自動劃線的智能劃線機，應用前景廣闊。本項目的意義在于，能夠讓運動場地的劃線工作更加簡便化、自動化、智能化。