基于步进电机的运动场地自动划线机

叶林勇 张碧云

一、引言

从节省成本、多功能化和自动化方面考虑，我们创作了一辆以智能小车为载体地自动划线机，本项目所搭建的自动划线机可以根据实际需要，设定智能小车的运行轨迹，带动小车上面的划线系统，实现自动划线，提高工作效率。

二、划线机的设计思路

1.划线机的构架：划线机由一辆可以自动行走的智能小车组成，采用三轮结构，前面的两个轮子使用步进电机作为动力装置，采用步进电机的最大好处是路程长度可以精确控制，而且不易打滑，后面一个轮子使用万向轮。国内流行的智能小车普遍采用此结构，此结构的优点是运动灵活，控制简单，小车的转向控制通过前面两个轮子的转速差来实现。

2.控制核心：这个项目我们采用的是飞思卡尔的32位芯片KL26，该芯片采用ARM公司的Cortex MO架构，最大特点是低功耗，系统工作时钟达48MHz，拥有256K的flash存储器，运行速度快，程序存储空间大，完全能够胜任划线小车的自动化控制。

3.人机通信：划线小车的人机通信由0.96寸的OLED和4*4矩阵按键组成，OLED液晶显示的功能是显示小车的运行状态、划线形状、设置的半径等数据，可以提供良好的人机交互界面，方便用户使用。选择该显示屏的原因是OLED本身体积小，无需背光，而且分辨率高，超低功耗，使用IIC通信方式，只需占用系统板的4个IO口，节约芯片的IO资源。在执行划线任务前，我们通过4*4矩阵按键向芯片输入划线数据，主要有形状、大小、划线速度等信息，芯片通过中断扫描方式获取按键输入，并且实时显示在OLED上。

4.划线系统：划线系统由一个由舵机、空心杯电机、滚筒组成。执行划线任务时，核心板向舵机输出固定占空比的PWM波形，精确控制舵机的旋转角度，使滚筒下降执行划线任务，同时核心板控制水泵把颜料罐的颜料输送到滚筒上，划线结束时，反转舵机，收起滚筒。空心杯电机用于固定滚筒，可以减小滚筒在执行划线任务时的动摩擦系数。

5.反馈系统：虽然使用步进电机可以比较精确地控制划线小车的运行轨迹，但是步进电机本身的控制误差还有小车和划线系统的机械误差的存在，所以划线过程中的误差在所难免，本项目我们采用OV7725数字摄像头，实时采集划线图像，将所得数据传回芯片，通过芯片预制的算法与我们预期的轨迹进行对比，有错误及时修正，保证划线精度。

三、划线小车的原理及性能分析

1.步进电机的控制原理：步进电机是一种可以将电脉冲信号转变为角位移的开环控制元件。在非超载的情况下，步进电机的转速和停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数。当步进电机的驱动器收到一个脉冲信号时，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。步进电机一般有四拍和八拍两种工作方式，四拍工作方式转动力矩较小。本项目采用两相四线步进电机，使用八拍工作方式，步距角为四拍工作时的一半，采用这种工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度，减少划线误差。

2.步进电机驱动模块：由于我们使用的步进电机为SV的小型减速步进电机，工作电压和电流比较小，所以我们没有采用主流韵步进电机驱动芯片L298，本项目我们使用L9110芯片作为两相四线步进电机的驱动芯片，该芯片为两通道推挽式功率放大专用集成电路器件，有两个TTL/CMOS兼容电平的输入，可以直接接KL26系统板的输出，它具有较大的电流驱动能力，每通道能通过800mA的持续电流，峰值电流能力可达1.5A。由于电机为感性负载，线圈在通过电流时，会在两端产生感应电动势。当电流消失时，其感应电动势会对电路中的元件产生反向电压。L9110驱动芯片内置钳位二级管，可以为反向电压提供续流通道，使得它在步进电机的驱动上安全可靠。

3.划线小车的运行轨迹控制：由于通过步进电机，我们可以精确地控制小车的运行速度和停止的位置，所以可以比较简单的控制小车的运行轨迹。比如我们想要小车划出一个圆形，我们假设两个轮子之间的距离为d，所作圆半径为r，内侧轮子的线速度为V1，外侧轮子线速度为V2，运行时间为t，则两个轮子的运行距离分别为S1=V1*t，S2=V2*t，则V1/V2=S1/S2=（2*）/（2*）=r1/r2=r（r+d）。即控制内外两个轮子的速度比恒定，即可画出圆形，速度比为r/（r+d），半径即为r。

4.划线机的机械性能和电气性能分析：划线小车的机械架构由玻纤材料组成，硬度高，在压力实验中表现合格。动力装置由减速步进电机组成，减速比为1：50，采用减速步进电机可以有效增加电机的旋转力矩，同时采用八拍的工作方式，进而增加了划线小车的负重能力。电气性能方面，KL26的核心开发板的加工经过覆漆覆油防腐蚀等一系列操作，在信号流通控制上稳定性优良。电路板集成度高，节省成本，并且不浪费资源，避免信号在电路板长距离流通影响稳定性。

四、结束语

本项目具有很强的实用性，以我们创作的迷你智能划线小车为基础，对硬件尺寸适当放大，改良，倘若能够制作出在塑胶场地和水泥场地自动划线的智能划线机，应用前景广阔。本项目的意义在于，能够让运动场地的划线工作更加简便化、自动化、智能化。