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題目：多功能智能網(wǎng)球撿球機(jī),班級： 機(jī)制1004班 學(xué)生： 王駿斌 指導(dǎo)教師：蔡金平,,,1、研究背景及意義 2、設(shè)計方案 3、撿球機(jī)的設(shè)計 4、控制系統(tǒng),1、研究背景及意義,經(jīng)常走過北區(qū)田徑場都可以看見網(wǎng)球場打網(wǎng)球的人打完球滿地都是網(wǎng)球，他們不得不把他們撿起來再打，看到這些萌生個想法能 不能做個自動撿網(wǎng) 球的機(jī)器，不用人 來撿，機(jī)器自己去 撿。,市場上撿球機(jī)調(diào)查 目前市面上的撿球機(jī)只有兩種機(jī)械撿球機(jī)，它體積和質(zhì)量都比較大，更難以接受的是它的價格貴的離譜，一臺這種撿球機(jī)高達(dá)5000-10000元之間。對于處于智能化時代的 現(xiàn)在，顯然它們不太適合市場。,市場上撿球機(jī)調(diào)查 然而還有些智能撿球機(jī)只是研究能夠自主撿球，根本就沒考慮好它的效率問題和實(shí)用性。,,,,市場對于一種 效率高、體積 小、質(zhì)量輕、 智能化程度 高的網(wǎng)球撿 球機(jī)多么的 迫切。,2、設(shè)計方案的選擇,方案一：螺旋輸送機(jī)式 優(yōu)點(diǎn)：噪音小、體積相對小、 撿球速度快。 缺點(diǎn)：加工困難、成本高， 需要二級提升。 方案二：斗式提升機(jī)式 優(yōu)點(diǎn)：撿球速度快。 缺點(diǎn)：體積大、噪音大、成 本高、功耗大,方案三：雙輪摩擦彈射式 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、成本低 缺點(diǎn)：效率不高、功耗大 需要二級提升。 方案四：撥桿儲球式 優(yōu)點(diǎn)：撿球速度快、噪音 小、體積小、功耗低、結(jié) 構(gòu)簡單，成本低。 缺點(diǎn)：儲球管里得儲滿幾 個球才行,3、撿球機(jī)的設(shè)計,,,,這就是多 功能智能 網(wǎng)球撿球 機(jī),,,,,,,,,,,,,,,儲球管支架,把手,撥桿保護(hù)罩,推桿,波桿電機(jī),儲球管,上底盤,球桶,,電池,紅外傳感器,上底盤支架,輪胎電機(jī),鎖存器,,,,,控制電路板,下底盤,撥桿,,,紅外傳感器,,,,,,網(wǎng)球通過 收納口進(jìn)入,網(wǎng)球被鎖存 器鎖在儲球 管中,網(wǎng)球從儲球 管中溢出進(jìn) 入球桶中,直流電機(jī)帶 動撥桿把球 推進(jìn)球儲球管,4、控制系統(tǒng),主控芯片：AVR中的ATmega16單片機(jī) 紅外傳感器 電機(jī)驅(qū)動芯片：L298N驅(qū)動芯片 無線模塊：NRF24L01,,,敬請老師批評指正！,
目錄
摘要 3
Abstract 4
引言 5
1 多功能智能撿球機(jī)概論 6
1.1 多功能智能撿球機(jī)外形簡介 6
1.1.1 撿球機(jī)底盤 6
1.1.3 鎖存機(jī)構(gòu) 7
1.2 智能撿球機(jī)的材料簡介 8
1.2.1 底盤材料 8
1.2.2 車輪材料 8
1.2.3 撿球機(jī)構(gòu)材料 8
1.2.4 固定材料 8
1.2.5 其他材料 8
2 多功能網(wǎng)球撿球機(jī)工作原理 8
2.1 多功能網(wǎng)球撿球機(jī)設(shè)計原理 9
2.1.1 撿球機(jī)底盤 9
2.1.2 撿球機(jī)構(gòu) 9
2.1.3 球桶的設(shè)計 10
2.2 控制中心的設(shè)計 11
2.2.1 撿球機(jī)的控制中央處理器AVR系列中ATmega16 11
2.2.5 紅外線傳感器模塊 13
3 數(shù)據(jù)理論計算 14
3.1 電機(jī)功率的計算 14
3.1.1 驅(qū)動電動機(jī)輸出功率 14
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 14
參考文獻(xiàn) 15
附錄 16
致謝 21
摘要
目前市面上已經(jīng)存在的各種網(wǎng)球發(fā)球機(jī)，忽視了把球撿回來的問題，很多訓(xùn)練網(wǎng)球的場所還是原始的采用人工撿球的方法，這樣做不僅僅浪費(fèi)了大量的時間，也消耗了人的體力。因此研究網(wǎng)球撿球設(shè)備同樣具有重要意義。人們希望制造一款簡單的網(wǎng)球撿球機(jī)，能夠在網(wǎng)球訓(xùn)練時輕松撿起，有效提高網(wǎng)球運(yùn)動樂趣。根據(jù)目前國內(nèi)外市面上主要網(wǎng)球撿球機(jī)的原理與特點(diǎn)，同時針對現(xiàn)有撿球機(jī)的不足之處設(shè)計了一款新型的多功能智能網(wǎng)球撿球機(jī)。多功能智能網(wǎng)球撿球機(jī)由驅(qū)動裝置、撿球裝置和中央處理器組成，以蓄電池供電，并用高性能的單片機(jī)作為控制核心對遙控裝置、尋球機(jī)構(gòu)、撿球裝置進(jìn)行高效集中的控制。多功能智能網(wǎng)球撿球機(jī)能夠通過遙控器甚至智能手機(jī)遙控完成網(wǎng)球撿取、人推動撿球機(jī)運(yùn)動完成網(wǎng)球撿取、技術(shù)成熟時可以通過無人操作智能識別全自動網(wǎng)球撿取，可以方便撿拾網(wǎng)球場上散落的網(wǎng)球，并可以通過遙控?fù)烨驒C(jī)撿球給運(yùn)動過疲勞的人們一點(diǎn)娛樂。它體積小，自動化程度高，能實(shí)現(xiàn)人工手推、遙控和未來的智能自主撿球，節(jié)省人力資源。
關(guān)鍵詞：網(wǎng)球撿球機(jī); 控制系統(tǒng); 撿球; 遙控?fù)烨?；多功能撿球機(jī)。
Abstract
There are already a variety of existing tennis ball machine , to some extent neglected to retrieve the ball and then issue a problem , a lot of tennis training places or artificial picking methods do not just spend a lot of time , also consume a person's strength. Therefore research Tennis picking device equally important . People want to manufacture a simple tennis picking machines , tennis training can be easy when it picked up , effectively improve tennis fun. According to the current domestic market principles and main characteristics of tennis picking machines , while for the deficiencies of existing picking machines designed a new type of multi-function smart tennis picking machines . Multifunctional smart tennis picking machines by the drive unit , consisting of a central processing unit and picking to battery -powered and high-performance microcontroller as the core of the remote control device , look for the ball institutions , picking device for efficient centralized control . Multifunctional smart tennis picking machines through remote control and even remote smartphones completed tennis seizure , people picking machine movement to promote the completion of tennis seizure , when the technology is mature intelligent recognition by unmanned automatic seizure of tennis , you can easily pick up scattered tennis on the tennis court , and picking through the remote machine picking people to exercise too tired little entertainment. Its small size , high degree of automation can be achieved manually push , remote and future intelligent picking , saving human resources.
Keywords: Mobile ball machine; control system; ball; remote control
引言
就目前來說，網(wǎng)球運(yùn)動在我國開展的還不夠廣泛。網(wǎng)球初學(xué)者在剛學(xué)習(xí)網(wǎng)球時需要人來配合練習(xí)，沒有合適的陪練人員使他們更加缺乏合適的練習(xí)機(jī)會。在這種情況下，如果網(wǎng)球場能夠配有網(wǎng)球發(fā)球機(jī)和撿球機(jī)，將解決初學(xué)者不能獨(dú)自練習(xí)和撿球疲勞的問題。 為了方便撿球，目前市場上出現(xiàn)了一些一類手推式網(wǎng)球撿球車。此類撿球車為純機(jī)械式，需要有人操作。人把撿球車推到需要撿起的球前，然后撿球車把球撥入車中。
但是，這種半自動的網(wǎng)球撿球工具仍有許多不足之處。它體積大且質(zhì)量重，相對于智能化撿球機(jī)比較笨拙。既浪費(fèi)了大量的空間，又影響訓(xùn)練人員打球，因?yàn)樵谒鼡烨虻倪^程中運(yùn)動員影響打球。還完全需要人工操作，相對于智能化撿球機(jī)浪費(fèi)了不必要的時間與體力。而且，它只適用于地上球較多的情況，但是地上球也會影響運(yùn)動員打球。地上球少時則沒有必要用上述撿球車。因此，它的適用環(huán)境較局限，未實(shí)現(xiàn)撿球過程的自動化、智能化。
為了克服以上半自動網(wǎng)球撿球機(jī)的不足之處，作者研制了能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)球撿球過程的智能化、高效化的多功能智能網(wǎng)球撿球機(jī)。多功能智能網(wǎng)球撿球機(jī)由遙控系統(tǒng)、運(yùn)動系統(tǒng)，撿球系統(tǒng)和中央處理器組成，他能夠?qū)崿F(xiàn)遙控?fù)烨?、高效率人推動撿球機(jī)撿球、未來實(shí)現(xiàn)全自動無人尋球和撿球。
1 多功能智能撿球機(jī)概論
1.1 多功能智能撿球機(jī)外形簡介
智能撿球機(jī)主體由小車底盤、控制中心、撿球機(jī)構(gòu)、鎖存機(jī)構(gòu)等四大部分組成并相互協(xié)調(diào)工作。從而達(dá)到快速智能撿球的目的。
1.1.1 撿球機(jī)底盤
小車底盤是由直徑350mm×2的圓形硬質(zhì)塑料材料做成。兩塊以間隔60mm的距離疊放在一起，中間通過上底盤支架和螺柱固定，在下底盤上有安裝四個直流減速電機(jī)驅(qū)動輪。在兩塊底盤之間有兩個上底盤支架支持上底盤支架形成的V形通道的收納口。收納口形成通道的底部與儲球管相連，儲球管是大小略大于網(wǎng)球直徑兩頭90度彎曲的一個空心管，90度的彎管和直徑略大于網(wǎng)球的作用是便于網(wǎng)球在進(jìn)入儲球管時運(yùn)動不受限制。其中一個上底盤支架的中間有一個紅外檢測傳感器，用于檢測是否有球進(jìn)來。上底盤上有儲球管安裝座和U型曹，用于安裝儲球筒和撥球桿的運(yùn)動。
1.1.2 撿球機(jī)構(gòu)
5
JIANGXI AGRICULTURAL UNIVERSITY
本 科 畢 業(yè) 論 文（設(shè) 計）
題目： 多功能智能網(wǎng)球撿球機(jī)
學(xué) 院： 工學(xué)院
姓 名： 王駿斌
學(xué) 號： 20101173
專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化
班 級： 機(jī)制1004班
指導(dǎo)教師： 蔡金平 職 稱： 講師
二 0 一四 年 五 月
目錄
摘要 3
Abstract 4
引言 5
1 多功能智能撿球機(jī)概論 6
1.1 多功能智能撿球機(jī)外形簡介 6
1.1.1 撿球機(jī)底盤 6
1.1.3 鎖存機(jī)構(gòu) 7
1.2 智能撿球機(jī)的材料簡介 8
1.2.1 底盤材料 8
1.2.2 車輪材料 8
1.2.3 撿球機(jī)構(gòu)材料 8
1.2.4 固定材料 8
1.2.5 其他材料 8
2 多功能網(wǎng)球撿球機(jī)工作原理 8
2.1 多功能網(wǎng)球撿球機(jī)設(shè)計原理 9
2.1.1 撿球機(jī)底盤 9
2.1.2 撿球機(jī)構(gòu) 9
2.1.3 球桶的設(shè)計 10
2.2 控制中心的設(shè)計 11
2.2.1 撿球機(jī)的控制中央處理器AVR系列中ATmega16 11
2.2.5 紅外線傳感器模塊 13
3 數(shù)據(jù)理論計算 14
3.1 電機(jī)功率的計算 14
3.1.1 驅(qū)動電動機(jī)輸出功率 14
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 14
參考文獻(xiàn) 15
附錄 16
致謝 21
摘要
目前市面上已經(jīng)存在的各種網(wǎng)球發(fā)球機(jī)，忽視了把球撿回來的問題，很多訓(xùn)練網(wǎng)球的場所還是原始的采用人工撿球的方法，這樣做不僅僅浪費(fèi)了大量的時間，也消耗了人的體力。因此研究網(wǎng)球撿球設(shè)備同樣具有重要意義。人們希望制造一款簡單的網(wǎng)球撿球機(jī)，能夠在網(wǎng)球訓(xùn)練時輕松撿起，有效提高網(wǎng)球運(yùn)動樂趣。根據(jù)目前國內(nèi)外市面上主要網(wǎng)球撿球機(jī)的原理與特點(diǎn)，同時針對現(xiàn)有撿球機(jī)的不足之處設(shè)計了一款新型的多功能智能網(wǎng)球撿球機(jī)。多功能智能網(wǎng)球撿球機(jī)由驅(qū)動裝置、撿球裝置和中央處理器組成，以蓄電池供電，并用高性能的單片機(jī)作為控制核心對遙控裝置、尋球機(jī)構(gòu)、撿球裝置進(jìn)行高效集中的控制。多功能智能網(wǎng)球撿球機(jī)能夠通過遙控器甚至智能手機(jī)遙控完成網(wǎng)球撿取、人推動撿球機(jī)運(yùn)動完成網(wǎng)球撿取、技術(shù)成熟時可以通過無人操作智能識別全自動網(wǎng)球撿取，可以方便撿拾網(wǎng)球場上散落的網(wǎng)球，并可以通過遙控?fù)烨驒C(jī)撿球給運(yùn)動過疲勞的人們一點(diǎn)娛樂。它體積小，自動化程度高，能實(shí)現(xiàn)人工手推、遙控和未來的智能自主撿球，節(jié)省人力資源。
關(guān)鍵詞：網(wǎng)球撿球機(jī); 控制系統(tǒng); 撿球; 遙控?fù)烨颍欢喙δ軗烨驒C(jī)。
Abstract
There are already a variety of existing tennis ball machine , to some extent neglected to retrieve the ball and then issue a problem , a lot of tennis training places or artificial picking methods do not just spend a lot of time , also consume a person's strength. Therefore research Tennis picking device equally important . People want to manufacture a simple tennis picking machines , tennis training can be easy when it picked up , effectively improve tennis fun. According to the current domestic market principles and main characteristics of tennis picking machines , while for the deficiencies of existing picking machines designed a new type of multi-function smart tennis picking machines . Multifunctional smart tennis picking machines by the drive unit , consisting of a central processing unit and picking to battery -powered and high-performance microcontroller as the core of the remote control device , look for the ball institutions , picking device for efficient centralized control . Multifunctional smart tennis picking machines through remote control and even remote smartphones completed tennis seizure , people picking machine movement to promote the completion of tennis seizure , when the technology is mature intelligent recognition by unmanned automatic seizure of tennis , you can easily pick up scattered tennis on the tennis court , and picking through the remote machine picking people to exercise too tired little entertainment. Its small size , high degree of automation can be achieved manually push , remote and future intelligent picking , saving human resources.
Keywords: Mobile ball machine; control system; ball; remote control
引言
就目前來說，網(wǎng)球運(yùn)動在我國開展的還不夠廣泛。網(wǎng)球初學(xué)者在剛學(xué)習(xí)網(wǎng)球時需要人來配合練習(xí)，沒有合適的陪練人員使他們更加缺乏合適的練習(xí)機(jī)會。在這種情況下，如果網(wǎng)球場能夠配有網(wǎng)球發(fā)球機(jī)和撿球機(jī)，將解決初學(xué)者不能獨(dú)自練習(xí)和撿球疲勞的問題。 為了方便撿球，目前市場上出現(xiàn)了一些一類手推式網(wǎng)球撿球車。此類撿球車為純機(jī)械式，需要有人操作。人把撿球車推到需要撿起的球前，然后撿球車把球撥入車中。
但是，這種半自動的網(wǎng)球撿球工具仍有許多不足之處。它體積大且質(zhì)量重，相對于智能化撿球機(jī)比較笨拙。既浪費(fèi)了大量的空間，又影響訓(xùn)練人員打球，因?yàn)樵谒鼡烨虻倪^程中運(yùn)動員影響打球。還完全需要人工操作，相對于智能化撿球機(jī)浪費(fèi)了不必要的時間與體力。而且，它只適用于地上球較多的情況，但是地上球也會影響運(yùn)動員打球。地上球少時則沒有必要用上述撿球車。因此，它的適用環(huán)境較局限，未實(shí)現(xiàn)撿球過程的自動化、智能化。
為了克服以上半自動網(wǎng)球撿球機(jī)的不足之處，作者研制了能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)球撿球過程的智能化、高效化的多功能智能網(wǎng)球撿球機(jī)。多功能智能網(wǎng)球撿球機(jī)由遙控系統(tǒng)、運(yùn)動系統(tǒng)，撿球系統(tǒng)和中央處理器組成，他能夠?qū)崿F(xiàn)遙控?fù)烨颉⒏咝嗜送苿訐烨驒C(jī)撿球、未來實(shí)現(xiàn)全自動無人尋球和撿球。
1 多功能智能撿球機(jī)概論
1.1 多功能智能撿球機(jī)外形簡介
智能撿球機(jī)主體由小車底盤、控制中心、撿球機(jī)構(gòu)、鎖存機(jī)構(gòu)等四大部分組成并相互協(xié)調(diào)工作。從而達(dá)到快速智能撿球的目的。
1.1.1 撿球機(jī)底盤
小車底盤是由直徑350mm×2的圓形硬質(zhì)塑料材料做成。兩塊以間隔60mm的距離疊放在一起，中間通過上底盤支架和螺柱固定，在下底盤上有安裝四個直流減速電機(jī)驅(qū)動輪。在兩塊底盤之間有兩個上底盤支架支持上底盤支架形成的V形通道的收納口。收納口形成通道的底部與儲球管相連，儲球管是大小略大于網(wǎng)球直徑兩頭90度彎曲的一個空心管，90度的彎管和直徑略大于網(wǎng)球的作用是便于網(wǎng)球在進(jìn)入儲球管時運(yùn)動不受限制。其中一個上底盤支架的中間有一個紅外檢測傳感器，用于檢測是否有球進(jìn)來。上底盤上有儲球管安裝座和U型曹，用于安裝儲球筒和撥球桿的運(yùn)動。
1.1.2 撿球機(jī)構(gòu)
撿球機(jī)構(gòu)由馬達(dá)驅(qū)動一根硬質(zhì)塑料撥桿。撥桿與電機(jī)輸出主軸連接在一起，電機(jī)轉(zhuǎn)動帶動撥桿旋轉(zhuǎn)，撥桿推動網(wǎng)球運(yùn)動，撥桿和球在儲球筒的弧形幾何外形下產(chǎn)生豎直向上的一個分力，使網(wǎng)球豎直向上運(yùn)動。
圖1.1.2 （撿球機(jī)構(gòu)圖）
圖 1.1.2 (撿球機(jī)構(gòu)實(shí)物圖)
1.1.3 鎖存機(jī)構(gòu)
鎖存器是由安裝在直徑略大于網(wǎng)球直徑的塑料儲球管左右兩端上的一個只能夠讓球單向運(yùn)動的機(jī)構(gòu)。鎖存器的作用是撥球桿把球撥進(jìn)儲球管中讓網(wǎng)球只能豎直向上運(yùn)動而不會依靠重力豎直向下運(yùn)動的一個機(jī)構(gòu)，他能有效地把網(wǎng)球儲存在進(jìn)球管中而不讓網(wǎng)球因?yàn)橹亓Φ粝氯?。鎖存器的原理是一個可以旋轉(zhuǎn)60度的L形的機(jī)構(gòu)，他可以通過L形狀的L直角處的軸轉(zhuǎn)動，軸的中間有扭簧用來復(fù)原旋轉(zhuǎn)后L形的鎖存器。
圖 1.1.3 （鎖存器）
1.2 智能撿球機(jī)的材料簡介
1.2.1 底盤材料
底座材料選擇為硬質(zhì)塑料板。對于網(wǎng)球而言，其質(zhì)量不大，網(wǎng)球質(zhì)量為180-200g，直徑為65mm。并且網(wǎng)球場比較平坦。撿球機(jī)在運(yùn)動時的運(yùn)動速度為0.5-0.7m/s。在這種低速的運(yùn)動下，撿球機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，撿球機(jī)受到的力并不大。對材料的力學(xué)性能要求并不高。普通的硬質(zhì)塑料的許用力學(xué)參數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過實(shí)際使用時的力學(xué)要求。硬質(zhì)塑料的強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性等力學(xué)性能都能滿足使用條件。在滿足使用要求的條件下，硬質(zhì)塑料具有易加工、易成型、易獲取、密度小、價格便宜的眾多優(yōu)點(diǎn)。
1.2.2 車輪材料
車輪是撿球機(jī)與地面接觸的重要部分。承擔(dān)著所有地面與撿球機(jī)的力，材料對其影響極大。但因?yàn)閾烨虮旧淼馁|(zhì)量輕，運(yùn)動速率小，受力小。所以選擇硬質(zhì)塑料。其直徑為60mm。外邊為后約2mm的橡膠輪，選用橡膠為了增加運(yùn)動時與地面的摩擦因數(shù)并且可以緩沖在地面不平時的沖擊。從而達(dá)到高效穩(wěn)定的工作效率。
1.2.3 撿球機(jī)構(gòu)材料
撿球機(jī)構(gòu)為一根直徑為5mm的塑料曲桿。曲率半徑為70mm。兩端略小于中間，利用的是塑料有極好的韌性，在受力較大時不會折斷。質(zhì)量較小，減小了輸出力矩，節(jié)省了電能。
1.2.4 固定材料
固定材料：硬質(zhì)角鋁、、螺釘、螺桿、螺柱等各類緊固件。
1.2.5 其他材料
萬用板、各類線接頭、各類電子元器件（單片機(jī)、電阻、二極管、發(fā)光二極管、電動機(jī)、數(shù)碼管）
2 多功能網(wǎng)球撿球機(jī)工作原理
多功能網(wǎng)球撿球機(jī)是將散落于球場的各個地方的網(wǎng)球收集撿起。根據(jù)其工作目的，可將工作原理分為三部分：1 移動部分，2 撿球部分，3 控制部分。
1）移動部分：因?yàn)榫W(wǎng)球散落于球場各個地方，撿球機(jī)需要運(yùn)動到各個地方，才能進(jìn)行撿起散落的網(wǎng)球。
2）撿球部分：當(dāng)撿球機(jī)運(yùn)動到網(wǎng)球所在地時。則需要通過撿球機(jī)構(gòu)將網(wǎng)球撿入存球筒中，將網(wǎng)球集中撿起，重復(fù)利用。
3）控制部分：控制部分由AVR高性能單片機(jī)ATmega16作為主控芯片、L298N電機(jī)驅(qū)動模塊、NRF24L01無線模塊、紅外傳感器模塊、電壓檢測模塊、降壓模塊、數(shù)碼管顯示以及高性能的繼電器組成。
2.1 多功能網(wǎng)球撿球機(jī)設(shè)計原理
2.1.1 撿球機(jī)底盤
撿球機(jī)底盤作為該部分保證機(jī)器人在場地內(nèi)自由運(yùn)動的主要框架結(jié)構(gòu)，保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在框架的兩側(cè)分別安裝由直流電動機(jī)驅(qū)動的運(yùn)動輪，運(yùn)動輪分別通過角鋁和螺釘固定，四臺減速電機(jī)同時驅(qū)動，可以通過左右兩邊的輪胎旋轉(zhuǎn)方向相反實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，能夠在網(wǎng)球場地中靈活的自由運(yùn)動。每臺電動機(jī)驅(qū)動一個輪子，保證了足夠的動力和運(yùn)動速度。從而實(shí)現(xiàn)高速穩(wěn)定的工作效率。小車底盤充分考慮了撿球機(jī)的美觀、體積大小、收納口的收球效果和美觀、四個電機(jī)的安裝空間、以及蓄電池和控制電路的安裝空間等綜合因素而設(shè)計的。
圖2.1.1 (下底盤)
2.1.2 撿球機(jī)構(gòu)
撿球機(jī)構(gòu)的撥桿外圓直徑位10mm，內(nèi)孔直徑位6mm,長75mm,曲率半徑為70mm的塑料曲桿。曲桿兩頭略小。內(nèi)孔與大扭矩的直流減速撿球電機(jī)主軸連接，并通過銷釘固定，防止其產(chǎn)生相對運(yùn)動。當(dāng)撿球機(jī)運(yùn)動到網(wǎng)球所在地時，撿球機(jī)通過網(wǎng)球的正上端，網(wǎng)球則通過撿球機(jī)的的收納口進(jìn)入儲球管。安裝在上底盤支架上的紅外檢測傳感器檢測到網(wǎng)球的進(jìn)入時發(fā)送個信號給控制中心處理后撿球電機(jī)開始轉(zhuǎn)動。撿球電機(jī)帶動撥桿圓周運(yùn)動，撥桿則推動網(wǎng)球在儲球管中完成由水平運(yùn)動轉(zhuǎn)換到豎直運(yùn)動。網(wǎng)球通過安裝在儲球管上的鎖存器后被限制向下運(yùn)動，最后這個網(wǎng)球就存儲在儲球管的中，安裝在撿球電機(jī)正上端的另一個紅外檢測傳感器檢測到撥桿后發(fā)送一個信號給控制中心處理后停止撿球電機(jī)的轉(zhuǎn)動，這時撥桿就停留在水平向上大概40度左右的方向上，這就完成一個網(wǎng)球的撿起。當(dāng)撿第二個網(wǎng)球時，同理第二個網(wǎng)球進(jìn)入儲球筒管中把第一個網(wǎng)球頂起后被鎖存器鎖死，這時儲球管中就儲存了兩個球。當(dāng)?shù)谌齻€球儲存在儲球管中，這時再進(jìn)來一個網(wǎng)球，那么儲球管中的最頂上的第一個網(wǎng)球在儲球管就溢了出來進(jìn)入球桶中，在后面的網(wǎng)球撿起來都進(jìn)入球筒中。在撿球的過程中每撿一個球，中央處理器都會發(fā)送數(shù)據(jù)給數(shù)碼管顯示球的個數(shù)，當(dāng)球撿滿后，報警喇叭就會報警。
圖 2.1.2 （撿球機(jī)構(gòu)剖面示意圖）
2.1.3 球桶的設(shè)計
球桶是直徑為356mm，壁厚為1.5mm的圓柱型塑料桶，塑料球桶的上方有凹陷下去用于安裝提手的凹槽，提手則可以旋轉(zhuǎn)放入凹槽，提手也可以旋轉(zhuǎn)豎直起來方便人們提動撿球機(jī)。塑料球桶后方也有一個T字形的凹槽，凹槽內(nèi)安裝有可伸縮T形推桿，推桿可以繞凹槽底部的一個軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)后與塑料球桶上表面形成大概100度的角度后固定，固定后推桿就可以拉伸，拉伸后人們就可以通過手推動撿球機(jī)完成高效率的撿球。塑料球桶儲滿球后可以通過球桶上方的一個酷似心形的一個圓口倒出來。
圖 2.1.3 （球桶）
2.2 控制中心的設(shè)計
本設(shè)計采用了2片AVR單片機(jī)(芯片采用的是ATmega16）作為處理器，由AVR芯片控制整個小車的運(yùn)行，然后由單片機(jī)與nRF24L01無線模塊構(gòu)成主從式的控制系統(tǒng)，雙機(jī)采用無線串行通信。遙控部分采用杭州茂葳科技有限公司生產(chǎn)的FSK無線模塊（nRF24L01），從而提高了控制的可靠性；該小車與遙控器采用了協(xié)議式的通信，根據(jù)它們之間所制定的協(xié)議，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，從而提高了控制的有效性?？刂撇糠植捎玫氖歉咝阅?、低功耗的8位AVR微處理器ATmega16。驅(qū)動小車部分采用了L298N單塊集成電路，四通道驅(qū)動設(shè)計，用來接收DTL或者TTL邏輯電平，驅(qū)動感性負(fù)載和開關(guān)電源晶體管。
2.2.1 撿球機(jī)的控制中央處理器AVR系列中ATmega16
ATmega16是基于增強(qiáng)的AVR?RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8?位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmega16?的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1?MIPS/MHz，從而可以減緩系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。??
ATmega16?AVR?內(nèi)核具有豐富的指令集和32?個通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與運(yùn)算邏單元(ALU)?相連接，使得一條指令可以在一個時鐘周期內(nèi)同時訪問兩個獨(dú)立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的CISC?微控制器最高至10?倍的數(shù)據(jù)吞吐率。
2.2.2基于nRF24L01無線模塊的無線傳輸?
nRF24L01是一款由NORDIC公司所生產(chǎn)的無線通信芯片，無線通信速度能夠達(dá)到2M（bps）。它采用了FSK調(diào)制，其內(nèi)部集成了自己的Enhanced?Short?Burst協(xié)議，能夠?qū)崿F(xiàn)1對6或者點(diǎn)對點(diǎn)的無線通信。該公司還提供了通信模塊的GERBER文件，可以直接進(jìn)行生產(chǎn)加工，可以很容易實(shí)現(xiàn)無線通信的功能，非常適合用來為MCU系統(tǒng)構(gòu)建無線通信功能
2.2.3基于L298N芯片驅(qū)動電路
L298是SGS(通標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)服務(wù)有限公司)公司所生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動芯片。我們經(jīng)常使用的是15腳Multiwatt封裝的L298N，其內(nèi)部包含有4通道邏輯驅(qū)動電路，能夠順利的驅(qū)動一個兩相步進(jìn)電機(jī)或者兩個直流電機(jī)。
2.2.4撿球機(jī)電氣簡圖
圖 2.2.4 （撿球機(jī)控制系統(tǒng)示意圖）
2.2.5 紅外線傳感器
紅外線傳感器抗干擾能力強(qiáng)，可以避免陽光和電燈等光線中紅外線的干擾，且具有可見光的反射特性，經(jīng)常作為避障傳感器使用。紅外線傳感器具有內(nèi)置的光濾波器，除了光敏二極管發(fā)出的紅外線外，其它光線都不允許通過，這就保證了探測的準(zhǔn)確性。該撿球機(jī)器人采用距離可調(diào)節(jié)的NPN 型光電開關(guān)紅外傳感器。
圖2.2.5 （紅外傳感器）
2.3、硬件調(diào)試存在的問題以及解決方案?
1.當(dāng)程序通過燒錄器寫入單片機(jī)時，單片機(jī)沒有按照預(yù)定設(shè)計工作，后經(jīng)過老師提?醒，用示波器檢測晶的震蕩電路是否正確。開始檢測時，晶振沒有產(chǎn)生鋸齒波形，后來?給震蕩電路換了一個電容，才產(chǎn)生了鋸齒波形。?
2.檢測無線傳輸模塊傳輸數(shù)據(jù)時，編寫了一個簡單程序，但是無線模塊不能正常工?作，后用萬能表檢測出無線傳輸模塊引腳電平，發(fā)現(xiàn)一個引腳不對，沒有接地，從而連?接了一個跳線。
2.4、硬件調(diào)試的心得與體會
經(jīng)過一段時間的調(diào)試，撿球機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)基本上的任務(wù)要求。但是，在這期間也遇到了一些問題，就是無線模塊不太穩(wěn)定，就是遙控部分，由于未知原因的影響，容易受到干擾，?使遙控不太靈敏。由于這個原因，怎么解決小車飛車成為了一個主要問題。?
整個系統(tǒng)的硬件調(diào)試和軟件調(diào)試是不能分開的，大多數(shù)的硬件錯誤是在軟件調(diào)試中被發(fā)現(xiàn)和糾正的。但通常是先排除過于明顯的硬件故障以后，再和軟件結(jié)合起來調(diào)試以進(jìn)一步排除故障?？梢娪布擒浖幕A(chǔ)，如果硬件調(diào)試不通過，軟件設(shè)計則更是無從做起。軟件的調(diào)試要在硬件配合中進(jìn)行，往往問題可能不是硬件上的。
3 數(shù)據(jù)理論計算
3.1 電機(jī)功率的計算
3.1.1 驅(qū)動電動機(jī)輸出功率
P=P w/η
式中:P w-工作機(jī)所需有效功率。
P w=FV/ηw
其中,F 為生產(chǎn)阻力,最小估算為15N,ηw 為工作機(jī)驅(qū)動總效率,估算為2/5,設(shè)計v 為0.5m/s,由此算得P w>=15×0.5/0.4=19 瓦,η-電動機(jī)至工作機(jī)之間傳動裝置的總效率, 估算為2/3,由此可得P>=19×3/2=28.5W。綜合考慮最后得出前輪驅(qū)動電機(jī)輸出總功率為P=30W。
3.1.2 撿球機(jī)構(gòu)電動機(jī)輸出功率
P=P w/η
P w=T×n/(9550×ηw)
撿球阻力距T 估算為1N*m,n 為轉(zhuǎn)速,由此可算得P w=7W。綜合考慮得出撿球機(jī)構(gòu)電動機(jī)輸出功率:P=10W。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
通過在網(wǎng)球場實(shí)地操作，網(wǎng)球場面積為長36.60 m，寬l8.30 m，撿球機(jī)器人的運(yùn)行速度為0．5 m／s，旋轉(zhuǎn)半徑為50 cm，一次裝球量為加個。球場內(nèi)球數(shù)少于20個時，一次運(yùn)行時間約為5 min。如果個別網(wǎng)球比較分散，還可以通過手動遙控的方式遙控機(jī)器人進(jìn)行撿球．通過網(wǎng)球撿球機(jī)從可以將繁瑣無聊的撿球工作變的有趣。
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附錄
附錄A1???無線發(fā)射電路圖
附錄A2???無線接受電路圖
附錄A3 撿球機(jī)三維圖
附錄A4 撿球機(jī)實(shí)物圖
附錄B1遙控部分程序清單?
#include
#include
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
//spi標(biāo)志
#define DDR_SPI DDRB
#define DD_MOSI 5
#define DD_MISO 6
#define DD_SCK 7
#define DD_SS 4
#define CE PB3
#define IRQ PB2
#define Hign_24L01_MISO PORTB|=(1 << PB6)
#define Low_24L01_MISO PORTB &= ~(1 << PB6)
#define Read_24L01_MISO PINB & (1 << PB6)
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#define Low_24L01_CSN PORTB &= ~(1 << PB4)
#define Hign_24L01_CSN PORTB |= (1 << PB4)
#define Hign_24L01_CE PORTB |= (1 << PB3)
#define Low_24L01_CE PORTB &= ~(1 << PB3)
#define Read_24L01_CE PINB & (1 << PB3)
//*********************************************NRF24L01*************************************
#define TX_ADR_WIDTH 5 // 發(fā)送地址長度，最大長度為5 5*8=40 bit
#define RX_ADR_WIDTH 5 // 接收地址長度
#define TX_PLOAD_WIDTH 5 // 發(fā)送字節(jié)長度，
#define RX_PLOAD_WIDTH 5 // 接收字節(jié)長度
uchar TX_ADDRESS[TX_ADR_WIDTH]={0x34,0x43,0x10,0x10,0x01}; //發(fā)送地址
uchar RX_ADDRESS[RX_ADR_WIDTH]={0x34,0x43,0x10,0x10,0x01}; //接收地址
//***************************************NRF24L01寄存器指令*******************************************************
#define READ_REG 0x00 // 讀寄存器指令
#define WRITE_REG 0x20 // 寫寄存器指令
#define RD_RX_PLOAD 0x61 // 讀取接收數(shù)據(jù)指令
#define WR_TX_PLOAD 0xA0 // 寫待發(fā)數(shù)據(jù)指令
#define FLUSH_TX 0xE1 // 沖洗發(fā)送 FIFO指令
#define FLUSH_RX 0xE2 // 沖洗接收 FIFO指令
#define REUSE_TX_PL 0xE3 // 定義重復(fù)裝載數(shù)據(jù)指令
#define NOP1 0xFF // 保留
//*************************************SPI(nRF24L01)寄存器地址****************************************************
#define CONFIG 0x00 // 配置收發(fā)狀態(tài)，CRC校驗(yàn)?zāi)Ｊ揭约笆瞻l(fā)狀態(tài)響應(yīng)方式
#define EN_AA 0x01 // 自動應(yīng)答功能設(shè)置
#define EN_RXADDR 0x02 // 可用信道設(shè)置
#define SETUP_AW 0x03 // 收發(fā)地址寬度設(shè)置
#define SETUP_RETR 0x04 // 自動重發(fā)功能設(shè)置
#define RF_CH 0x05 // 工作頻率設(shè)置
#define RF_SETUP 0x06 // 發(fā)射速率、功耗功能設(shè)置
delay_nms(2);
Hign_24L01_CE; //置高CE，激發(fā)數(shù)據(jù)發(fā)送
delay_nus(10);
Low_24L01_CE;
}
uchar CheckACK(void)
{ uchar sta1;
sta1=SPI_Read(STATUS); // 返回狀態(tài)寄存器
if((sta1&0x20)||(sta1&0x10)) //發(fā)送完畢中斷
{
SPI_RW_Reg((READ_REG+STATUS),0xff); // 清除TX_DS或MAX_RT中斷標(biāo)志
Low_24L01_CSN;
SPI_RW(FLUSH_TX);//用于清空FIFO ??！關(guān)鍵??！不然會出現(xiàn)意想不到的后果?。?！大家記住??！
Hign_24L01_CSN;
return(0);
}
else
return(1);
}
void init_NRF24L01(void)
{
spi_init();
Low_24L01_CE; // 空閑模式
Hign_24L01_CSN; // SPI 關(guān)閉
Low_24L01_SCK; // 關(guān)閉時鐘
致謝
為期一個學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計終于接近尾聲了，在這短短的幾個月里，不僅僅考察了大學(xué)四年自己所學(xué)要的東西，更重要的是把自己從老師從課本里所了解的東西應(yīng)用到實(shí)踐應(yīng)用中，檢驗(yàn)了自己的能力。雖然有過成功，有過失敗，有過歡笑，有過淚水，但是過程其實(shí)才是最重要的。?
通過本次畢業(yè)設(shè)計，我在蔡金平指導(dǎo)老師的精心指導(dǎo)和嚴(yán)格要求下，獲得了豐富的理論知識，并在設(shè)計過程中,翻閱大量的科技文獻(xiàn),針對設(shè)計內(nèi)容的要求,對所學(xué)過的專業(yè)知識又認(rèn)真細(xì)致的進(jìn)行鞏固和練習(xí),在硬件和軟件的組合上認(rèn)真聽取了謝老師以及一些優(yōu)秀同學(xué)的意見,在很大程度上使這次設(shè)計順利通過老師的審核和評定.在另一方面極大地提高了實(shí)踐能力，并對當(dāng)前機(jī)械和電子領(lǐng)域的研究狀況和發(fā)展方向有了一定的了解，機(jī)械設(shè)計這一領(lǐng)域這對我今后進(jìn)一步學(xué)習(xí)機(jī)械方面的知識有極大的幫助。在此，我忠心感謝蔡金平老師的指導(dǎo)和支持，以及一些同學(xué)給出的寶貴意見，可以說沒有了你們的支持，這次的畢業(yè)設(shè)計不可能這么順利的完成。在未來的工作和學(xué)習(xí)中，我將以更好的成績來回報各位領(lǐng)導(dǎo)和老師,回報老師和母校的辛勤栽培,做一名優(yōu)秀的大學(xué)畢業(yè)生,奉獻(xiàn)社會。??
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