基于MiniDriver的智能寫字小車的設計

李小靜，曹鶴，徐振

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基于MiniDriver的智能寫字小車的設計

李小靜，曹鶴，徐振

（鄭州科技學院 車輛與交通工程學院，河南 鄭州 450064）

運用Doodle Bot的內部函數庫，對智能小車的運動進行精確控制，實現寫字功能；同時利用藍牙模塊對照明系統進行遠程無線控制。該智能小車主要由MiniDriver控制板、伺服電機、藍牙模塊、鋰電池組和霍爾傳感器組成，通過程序的設定來實現智能小車書寫路徑的確定，能夠實現數字、字母書寫和簡單圖形的繪制。采用3D打印技術制作車身和相關零部件，能夠便捷的完成智能小車的設計。該智能小車可以用于建筑裝飾上地面基準線的繪制，還可以用于日常娛樂和教學演示。

智能；藍牙；寫字；3D打印

前言

基于MiniDriver的智能寫字小車包含MiniDriver主控制器、伺服電機、霍爾傳感器、藍牙模塊、RGB燈和鋰電池組，其書寫功能是通過預先存儲在主控制器中的程序控制相關模塊的工作來完成的[1]。操作者運用Android智能手機作為上位機發送信號，藍牙模塊接收信息并將信息傳送給主控制器，主控制器接受并處理信息后，控制RGB照明燈的開啟與關閉，從而為操作者提供照明和作為警示燈而存在。智能小車能夠根據存儲在主控制器中的程序執行相應的操作；操作者將設計完成的程序加載到主控制器中可以實現預先設定的操作，比如控制書寫筆的抬起與下落、準確的控制智能小車移動距離和實現文字的書寫和簡單圖形的繪制。該智能小車能夠自主的完成字母和數字的書寫，使其具有娛樂的觀賞性；同時能幫助建筑工人完成基準線的繪制，使其具有實用性。

1 硬件設計

1.1 車身與相關零部件的設計與制作

20世紀90年代中期出現的3D打印技術到現在已經得到極大的發展，[2]考慮到車身與相關零部件制作的經濟性和便捷性，決定使用3D打印技術來制作車身與相關零部件。先根據預期設想和前期計算，通過三維制圖軟件CATIA繪制出智能小車的零件圖[3]，接著運用切片軟件將待打印零件保存為STL格式，依次打印，最后使用熱熔膠槍和螺釘將車身與相關零部件組裝好。采用快速成型的擠壓式3D打印機，運用PLA材質、1.75mm的熱塑性塑料作為原材料，該材料使用可再生的植物資源（如玉米等）所提取出的淀粉原料制成，具有污染小、易成型、經濟型好等優點。智能小車車身設計如圖1所示。

圖1 智能小車裝配圖

1.2 伺服電機的選擇

本設計中的三線伺服電機在收到主控制器發送的信號后，會立即旋轉一個脈沖所對應的角度，從而實現動力的輸出。同時，伺服電機[4]自身能夠發出脈沖，所以伺服電機在轉動一個角度后，都會發出對應數量的脈沖，這樣主控制器就能知道有多少信號發送到伺服電機上，又接收到多少脈沖回來，就能準確的控制電機的轉動，從而實現對智能小車的精確控制。本設計中共有3個伺服電機，其中一個用于控制書寫筆的上升與下落；余下的兩個伺服電機作為動力輸出裝置，使智能小車準確移動，由主控制器控制3個伺服電機同時工作，從而實現書寫功能。

1.3 霍爾式轉速傳感器的選擇

該傳感器包括霍爾開關集成傳感器和磁性轉盤組成，其中磁性轉盤位于智能小車車輪的內側，使用熱熔膠槍粘附在車輪內側；霍爾開關集成傳感器固定智能小車車輪內側對應的底盤上，且兩者間距為2—3mm。由于磁性轉盤在被測智能小車車輪上粘附，當被測車輪轉動時，磁性轉盤也隨著轉動，固定在底盤上的霍爾開關集成傳感器就能夠隨著磁性轉盤轉動產生相應的脈沖，通過檢測單位時間內的脈沖數，便可以知道被測對象的轉速，從而確定智能小車單位時間內走的距離。智能小車的輪子轉動一周，霍爾開關集成傳感器就能夠檢測到磁性轉盤上出現了4次脈沖信號，每次脈沖信號中智能小車移動的的距離約為4mm。

1.4 電源的選用

選用3.7V鋰電池兩個，將兩個鋰電池并聯為智能小車供電。該聚合物鋰電池具有質量輕、放電持久、可以循環充放電等優點。另外，配備充電接口可以在需要的時候進行二次充電。

1.5 照明系統的設計

該設計還具有可以遠程藍牙控制的RGB燈，RGB色彩模式幾乎包含了人類視力所能感知的所有色彩，是目前運用最廣的顏色系統之一。該照明系統可以在光線昏暗的地方實現照明，鮮艷的led燈光還能使附近的人員注意到智能小車的存在，保護了操作者和智能小車。本設計中的照明系統選用藍牙無線遙控[5]，遙控部分技術參數如下：芯片：采用CSR主流藍牙芯片； 協議標準：藍牙V2.0協議；輸入電壓：直流3.6V—6V；工作電流：10mA。

2 控制系統的設計與調試

2.1 主控制器的設計

該設計采用基于Atmega8A單片機的MiniDriver主控制器，該控制器包含兩路H橋驅動，能夠同時驅動兩路直流電機，為控制智能小車準確移動提供了可能；該控制器上有藍牙模塊的接口，便于智能小車加裝藍牙模塊進行遠程無線控制；同時控制器還包括8路IO插針，可以使用其中的IO插針連接控制書寫筆抬起與下落的伺服電機。

2.2 程序的設計

以Doodle Bot中的函數為基礎，通過主程序調用Go(距離)、Turn(角度)、Up()、Down()和End()函數來實現書寫功能，使用者還可以通過調用函數繪制個人設計的圖形。

寫字的步驟：

（1）找一個想要書寫的文字。

（2）使用繪圖工具，繪制出約為16mm間距的正方形網格圖，并將在此網格上繪制出你想寫的文字。

（3）改動文字的線條，原則上盡量使更多的文字線條畫在網格上。

（4）觀察網格線圖形寫程序，調用Go(距離)、Turn(角度)、Up()、Down()和End()函數，沿網格線上走一格距離用函數Go(1)；書寫筆需要轉動相應的角度用函數Turn(角度)，角度范圍（—180，+180）；書寫筆開始書寫用Down()函數；結束書寫用Up()函數；結束時用End（）函數。

（5）通過運行智能小車，對比書寫的文字，若差距過大，再次進行3和4步驟，直至操作者滿意。

繪制自己設計的圖形的步驟與寫字的步驟一樣，如果繪制過程中想改變圖形的色彩，可以使用延遲函數delay(時間)使智能小車暫時停止運行，在更換書寫筆完成后，智能小車將繼續運行。

2.3 線路連接和調試

按照元件布置接線連接引腳，安裝電氣元件，確保無誤后焊接。

調試：①檢查車身的組裝是否可靠，各模塊之間連接是否正確：

②接通電源，觀察各模塊是否正常運行，是否有異常現象發生。

③使用無線功能，測試RGB燈是否正常工作。

3 結論

在調試結束后，智能小車可以完成數字和英語字母的書寫，使用者可以通過相應函數的調用來實現其書寫功能；還可以通過書寫步驟完成簡單圖形的繪制，其中所有繪制圖形的程序需要一次全部下載到MiniDriver控制板中。

該設計能夠使智能小車自身實現劃基準線的功能，有效的避免了由于墨汁給操作者帶來的不便，還使操作者在節約自己做基準標注時間的同時去從事其它工作，很大程度上節約了操作者的時間，提高了操作者的效率。

該智能小車還具有無線藍牙控制的RGB燈，該燈可以通過遠程控制迅速的作出反應，為操作者觀看智能小車的運行結果提供照明，同時還可以提醒附近的人員這里有智能小車，這樣在保護人員安全的情況下，也保障了智能小車的完整性。

[1] 陳玉敏,謝瑋,孟憲民,et al.智能寫字機器人設計[J].計算機測量與控制, 2016, 24(1):266-268.

[2] 李小麗,馬劍雄,李萍,et al. 3D打印技術及應用趨勢[J].自動化儀表, 2014, 35(1):1-5.

[3] 蘇國霞.CATIA軟件在汽車研發設計領域的應用[J].硅谷, 2014(1):25-26.

[4] 望威,周茜.實用機器人制作講座（九）:機器人驅動DC電機的控制[J].電子制作, 2004(1):54-59.

[5] 王桂坤,吳承達,蔡謹民, et al. 基于藍牙控制技術的智能小車系統設計[J].中山大學研究生學刊(自然科學.醫學版), 2015(2):50-61.

Design of Intelligent Writing Car Based on MiniDriver

Li Xiaojing, Cao He, Xu Zhen

( Zhengzhou Institute Of Science And Technology, College of Vehicle and Transportation Engineering, Henan Zhengzhou 450064 )

Using the technology of Doodle Bot, the movement of the smart car is precisely controlled to realize the writing function. At the same time, the Bluetooth module is used to wirelessly control the lighting system. The smart car mainly consists of a MiniDriver control board, a servo motor, a Bluetooth module, a lithium battery pack and a Hall sensor. The setting of the program is used to determine the writing path of the smart car, and the drawing of numbers, letters and simple pictures can be realized. The body and related parts are made using 3D printing technology. The smart car can be used for the drawing of ground reference lines on architectural decorations, as well as for daily entertainment and teaching demons -trations.

smart; bluetooth;writing;3D printing

U462

A

1671-7988(2019)08-58-03

U462

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1671-7988(2019)08-58-03

李小靜，碩士，就職于鄭州科技學院，研究防線：混合動力汽車建模仿真。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.08.018