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直流电机及其控制

主要部件​

小车硬件主要包含以下部分组件：

  • 开发者套件：根据摄像头收集的数据进行AI推理，将推理结果发送给主控模块控制小车运行。
  • 主控ESP32开发板：信号接收与发送，执行并调动其他部分完成指令。
  • 直流电机：为小车提供动力，可调节旋转方向和速度。
  • 舵机：装载摄像头并调节拍摄角度，可控角度0~180°。
  • 超声波传感器：可实现2~400cm的非接触距离感测功能，测距精度可以高达3mm。
  • 小车载板及电池：载板提供支架，电池提供电源。

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硬件主控ESP32​

ESP32 IOT&Robot Board （4Motor）物联网机器人开发板（4 电机），是一款以ESP-WROOM-32单片机为核心的物联网开发板。

图1 ESP32主控板接口

ESP32开发板能够处理数据和进行运算，最终通过引脚传递不同的电信号完成指令。

通过烧录控制程序可实现对外接传感器的感知和控制，常见的ESP32程序编译工具有Arduino、Mixly、MicroPython等，本文以Arduino工具为例。

表1 技术参数

参数说明
主控板ESP32单片机
处理器Tensilica LX6双核处理器
主频240Mhz时钟频率
SRAM520KB
Flash8MB
Wi-Fi标准FCC/CE/TELEC/KCC
Wi-Fi协议8022.11 b/g/n/d/e/i/k/r，A-MPDU与A-MSDU聚合，支持0.4us防护问题
频率范围2.4-2.5GHz
蓝牙协议符合蓝牙v4.2BR/EDR/BLE标准
供电方式CVSD和SBC音频低功耗 10uA
工作电压Micro USB供电
最大工作电流200mA

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直流电机及其控制​

电机的转动原理：1个电机对接ESP32开发板2个引脚，当两个引脚分别接高低电平则开始以一定方向转动，电平相反则反方向转动，同为低或者高均不转动。

电机转速控制：控制电信号PWM波的占空比，占空比越大，说明周期内高电平持续时间越长，电机转速越快。

:::note 说明 一般引脚的高电平为3.3V，通常不够驱动电机转动，需要5V左右电压可正常驱动轮子转动，所以需要使用大电池给小车供电。 :::

图1 电机位置

表1 电机与引脚序号

电机序号对应引脚
112/13
214/15
316/17
418/19

小车车轮配置麦克纳姆轮，车轮原理及方向控制如下图所示，只需调节4个电机的转动方向及速度即可实现小车的各种运动方式。

车轮原理：依靠各自机轮的方向和速度，这些力的最终合成在任何要求的方向上产生一个合力矢量，从而保证了这个平台在最终的合力矢量的方向上能自由地移动，而不改变机轮自身的方向。在它的轮缘上斜向分布着许多小滚子，故轮子可以横向滑移。小滚子的母线很特殊，当轮子绕着固定的轮心轴转动时，各个小滚子的包络线为圆柱面，所以改轮能够连续地向前滚动。麦克纳姆轮结构紧凑，运动灵活，是很成功的一种全方位轮。有4个这种新型轮子进行组合，可以更灵活方便的实现全方位移动功能。

图2 麦克纳姆轮方向控制

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舵机及其控制​

舵机是由直流电机、减速齿轮组、传感器(可变电阻）和控制电路组成的一套自动控制系统。

图1 TS90A 9D舵机

舵机只能在一定角度内转动（有最大旋转角度比如：180度），支持反馈转动的角度信息（如果带编码器就可以反馈角度），支持控制某物体转动一定角度。

舵机的控制原理：舵机的输入线共有三条，红色是电源线，棕色是地线，这两根线给舵机提供最基本的能源保证，主要供能是电机的转动消耗。另外一根线是控制信号线，一般为桔黄色。舵机的信号线作为输入线用于接收PWM信号（定时器产生）。一般PWM的周期是20ms，那么对应的频率是50hz。那么改变不同的占空比就可以控制转动的角度。其中占空比从0.5到180度，呈线性变化。

图2 舵机角度

图3 两轴云台

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超声波传感器​

超声波发射探头发出的超声波脉冲，传到物体表面，反射后传到接收探头，测定出超声脉冲从发射到接收所需的时间，根据传输媒质中的声速，计算从探头到物体表面之间的距离，工作原理如下：

  • 采用IO口TRIG触发测距，给至少10us的高电平信号；
  • 模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；
  • 有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间；
  • 测试距离 = (高电平时间 * 声速(340M/S)) / 2。

图1 超声波传感器

图2 工作原理

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组件设计​

智能小车外壳用户可直接点击链接获取模型，按当前模型规格制作组件，也可自行DIY设计模块与功能，建模软件需自行准备。

  • 使用已完成的建模模型。

    [获取链接](https://ascend-repo.obs.cn-east-2.myhuaweicloud.com/Atlas 200I DK A2/DevKit/samples/23.0.RC1/e2e-samples/Car/E2E智能小车样例3D结构件.zip)，用户可下载已设计完成的模型，提供给供应商直接进行组件制作，快速搭建智能小车样例。

  • DIY设计模型。

    若用户自行设计智能小车的外观框架、功能模块等，可使用SoildWorks建模软件，根据以下约束与规格制作组件，避免模块之间互相影响。软件请用户自行获取准备。

    备注

    须知

    小车外壳DIY设计与生产时需遵循以下原则约束。

    • 功能模块的使用层不可有其他功能与模块，否则会出现功能冲突。
    • 所有的紧固件开孔需要符合国标尺寸，需考虑可接受误差范围，具体尺寸可查阅表1。
    • 设计初期需要获取到所有零部件的固定孔径、固定孔距以及边缘最大尺寸，其中边缘最大尺寸需要包含运动极限尺寸，否则会出现运动干涉，影响正常运行。具体尺寸可查阅表1。
    • 设计需要考虑实际组装流程、零件到装配体的组装过程、紧固件的固定顺序。另外在零件的设计绘制图纸过程中也需准备好建图拉伸和切除的顺序。
    • 小车所需要的传感器较多，大多数传感器出厂设置的线长和接口方式固定，需要提前预留走线的位置和孔洞，使大部分连接线隐藏化。
    • 小车3D结构的选材和生产，可供选择的材质为铝合金、ABS3D打印、塑料注塑成型。其中铝合金材质在重量上要重于另外两种材质，所以在二次开发时要结合质量和外观选择不同的材质，不同材质会导致小车车轮承重不同，需要在控制层面调试不同的电机运行速度，以上三种材料均在普通TT减速电机的适用范围内。

    表1 小车部件尺寸表

    部件名称

    部件关键尺寸参数/mm

    ESP32单片机

    四孔中心距32*64。

    孔径3.4。

    最外边缘最大尺寸尺寸54*72*30。

    ESP32电池盒

    四孔中心距32*55.5。

    孔径4。

    最外边缘最大尺寸40*80*30。

    广角摄像头模组

    四孔中心距27*27~29*29。

    孔径1。

    最外边缘最大尺寸32.6*32.6*26.8。

    深度相机

    四孔中心距99*78。

    孔径3。

    最外边缘最大尺寸160*90*80。

    TT电机

    双孔中心距8。

    孔径3。

    -

    6路麦克风模组

    四孔中心距101*49。

    孔径4。

    最外边缘最大尺寸109*83*19。

    激光雷达

    四孔中心距80*48。

    孔径4.3。

    最外边缘最大尺寸88*80*42。

    Atlas 200I DK A2开发者套件

    四孔中心距112*127。

    孔径3。

    最外边缘最大尺寸135*120*50。

    舵机云台

    两孔中心距28，距离中心线左9右19。

    孔径2。

    -

    USB扬声器

    四孔中心距63.5*24.5。

    孔径3.5。

    最外边缘最大尺寸69*30*16。

    扬声器I2C语音合成

    四孔中心距38.5*22.5。

    孔径3.5。

    最外边缘最大尺寸44*28*8。

父主题： 样例组装

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