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制作太阳能蔽障机器人原理分析

在完成上一个以简单电学电路为基础的避障机器人项目后,我们将进行第二个PVC机器人项目制作。这是一个比较特殊的机器人,首先其控制电路比上一个项目稍微复杂了一点,是以电子元器件组成的;其次这个机器人不再以传统电池作为电源,而是采用了绿色环保的太阳能作为能源。还有就是机器人是震动前进。 基本原理 本项目的太阳能机器人采用太阳能电池作为电源,依靠带偏心摆锤的震动马达发出的震动波进行移动。
分析步骤
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驱动原理 本项目机器人的动力依靠的是震动波,即用震动器带动整个机器人身体发生震动,在机器人的重量较轻,且支撑不是很平稳的时候,机器人就会发生位置的移动。 两个震动马达是在普通马达上接了偏心摆锤,而右边扁平的其实把马达和摆锤融为一体了,效果其实相当于左边马达竖着放而已,只不过结构更紧凑了。

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机械结构 “三点支撑”由于尾部着地点较远,导致重心比较靠中心,从而整体平衡较稳定,在震动的时候挪动的幅度不够。所以可以采用设计改为再增加两只后腿就可以了。: 1)“四点支撑”:四脚匍匐,较稳定,移动幅度小; 2)“三点支撑”:后脚站立,较稳定,移动幅度较大; 3)“一点支撑”:尾部独立着地,很不稳定,移动幅度最大。 在重量一定的情况下,越是不稳定的结构,在震动的影响下移动的幅度越大。不过由于震动采用的器件是带摆锤的马达,在震动的过程中会有一个旋转的趋势,如果采用不稳定的支撑结构时,容易发生原地转动。

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改变这个情况,则可以:调整震动马达的安装方位 如果把震动马达从现在平行身体(一字型)的方向改为垂直身体(十字型)的方向安装,则旋转的趋势就会变成向前或者向后的动力,震动时机器人就会由“打转”变为“向前”或“向后”移动。如果要改变前进或者是后退,则只要改变马达的电源正负极,即改变马达是顺时针还是逆时针旋转;如果震动马达的摆锤位置不是正好位于机器人身体的中心轴,则还会有略微的转动,但这样动起来的效果更好,还带一点转弯。 另外,如果改用扁平震动器,则不可避免的一定会出现以上所说的打转的状况,因为扁平震动器其实相当于上面那种震动马达以转轴垂直地面的竖着放的情况,而扁平震动器由于形状所限又不能随意调整安装方位(只能扁平的水平贴在物件的表面),即无法像上面所说情况那样通过改变方位去化解转动的趋势。当然,如果专门追求转动的效果那又是另外的一种思路。

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电路原理 本项目的电路比起上一个项目的简单电学电路来说复杂了一些,除了特殊的太阳能电池、震动马达之外,还有几个包括电阻、电容、二极管、三级管等在内的电子元件。 对于熟悉电子电路的朋友,看了这个电路图一定觉得很简单。下面我将用简单通俗的比喻进行讲解,有一些比喻未必非常恰当,但有助于理解一些抽象和生涩的内容。

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原理分析 下面是电路进行原理分析,机器人的电路实际上是一个比较巧妙的电路——脉动充放电控制电路,其可以把功率较低且有可能断断续续的太阳能电能收集起来集中存储,当存储的电能达到一定量的时候,通过瞬间短暂的放电以获取足够的电流去驱动马达。虽然瞬间放电的电流足够大能够驱动马达,但是持续时间很短,在积蓄的电能很快耗尽后,则马达停止电路重新开始收集太阳能进入下一次循环。 即是这样一个过程: 太阳能充电——>积累电能——>瞬间放电——>驱动马达——>耗尽电能——>太阳能充电…… (1)常规分析 下面我们将以常规的方式,即从电子专业的角度,对电路图的原理进行分析。 a)太阳能电池把太阳能转换为电能,并给电解电容充电。 b)电解电容积蓄电能,过程中整体电路的电压逐步上升,当达到LED二极管的导通电压时(2V),LED二极管导通。 c)LED二极管导通后,可以给PNP三极管的基级提供足够的电压,促使PNP三极管导通。 d)PNP三极管导通后,反过来又给NPN三极管的基极提供足够电压,促使NPN三极管导通。

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e)NPN三极管导通,一方面通过电阻给PNP三极管基极保持足够的导通电压,另一方面驱动马达转动。其中用电阻可以降低电流,以保护LED二极管以及PNP三极管不容易烧坏,而且也降低LED二极管的功耗(毕竟这里LED二极管的主要作用不是用来发光的),让更多的电能都用在驱动马达上。f)马达启动后,会迅速消耗电解电容中存储的电能,整体电路的电压下降,直到无足够电压保持二极管的导通,则二极管截止。g)由于NPN导通后会通过电阻分一定的电流给到PNP三极管的基极,使得即使二极管截止之后仍然有足够的电压在PNP三极管基极使其保持导通。h)当马达转动继续消耗电解电容中储存的电能,整体电路电压进一步下降,即便NPN三极管导通后有通过电阻分给PNP三极管基极电压,但也会因为该电压降到低于其导通的电压,则PNP三极管截止,同时NPN三极管也截止。接着,太阳能电池重新给电解电容充电,电路重新开始一次上面的各个步骤,循环往复。

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