新“木牛流马”方案报告目录1.设计背景和意义2.功能要求3.技术指标4.总体方案5.机械结构设计与计算6.传感器与执行器7.控制系统原理8.运动仿真及优化设计9.参考文献1.设计背景和意义木牛流马，为三国时期蜀汉丞相诸葛亮发明的运输工具，分为木牛和流马。

史载建兴九年至十二年（231年－234年）诸葛亮在北伐时所使用，其载重量为“一岁粮”，大约4百斤以上，每日行程为“特行者数十里，群行二十里”，为蜀国十万大军提供粮食。

另外还有机关防止敌人夺取后使用。

不过，确实的方式、样貌现在亦不明，对其亦有不同的解释。

步入21世纪，随着机械技术、电子技术、信息技术以及其他高新技术的发展和成熟，我们已经来到了智能机器的时代。

无论是在生活中还是军事领域，装备有电子系统的机械设备越来越多，机械系统与电子系统的有机结合，赋予了设备新的功能和更高的性能。

结合当代的技术背景，我们可以设计一辆新的木牛流马，一辆机电一体化的运输工具，并赋予它新的功能。

木牛流马的产生主要是为了方便在崎岖不平的山路上运输粮草。

结合现在的应用环境，我们可以设计一辆小型野外运输车，适应复杂的地形和环境条件，可以通过遥控进行控制，也可以切换为智能模式，主动行走。

这样的小型运输车可以用于抗震救灾现场的物资运输，便于节省人力，提高运输效率，防止人工运输途中的二次伤亡。

新木牛流马也可以用于军事领域中，方便在崎岖的山路中小型武器、弹药以及食物的运输。

2．功能要求作为一辆运输车，它的主要功能是运输货物，需要其有一定的载重及货物存储的能力。

但它又是一辆小型的运输车，为了能够满足各种崎岖的地形要求，需要其底盘系统灵活可靠，运动自如。

新木牛流马拥有两种工作模式，一种是人工遥控模式，车速可以无级调控，遥控器具有较好的控制功能和显示功能；另一种是智能识别模式，设定一个目的地，运输车可以通过GPS导航、摄像头识别、红外避障等功能自动将货物运送到目的地。

新木牛流马工作在复杂且恶劣的环境中，还需要此运输车具有防水、抗震、抗干扰的能力。

为了提高性能，需要对整车进行轻量化设计，节约行驶中的能源消耗，提升续航力。

可以添加太阳能电板，利用太阳能充电。

考虑人机工程，提升木牛流马的操作性和维护性。

如遥控器可以放置到运输车上充电，拥有手机等手持设备的充电接口，运输车上备有照明设备3.技术要求额定载荷：200kg行驶速度范围：8-20Km/h（参考人步行速度10km/h左右）遥控距离：10m续航里程：20km可以爬行30°的斜坡底盘高度可调，调节高度的范围100mm，精度为0.5mm全自动可折叠式太阳能板，完成展开时间为20s左右电池电量显示精度１％电压显示精度０.１Ｖ行驶里程累计与预估行驶的距离精度0.1km密封式高强度储物箱ＧＰＳ模块定位、行驶线路绘制和显示温度传感器（环境温度，电池，电机温度监控）载重质量传感器（防止超载）倾角传感器（防止翻车）红外测距传感器（避障）数字摄像头（识别路况）霍尔传感器（各个轮速的测试）光敏传感器（测试环境光，智能开启照明灯，智能打开太阳能板）语音开关（语音识别技术，系统启动开关控制）４.总体方案4.1 机械部分：新木牛流马采用轮式驱动设计，不同的是这些轮子并非固定在车身上，而是通过悬架连接至车身，并通过主动悬架技术调节底盘高低，增强运输车的通过性。

底盘调节的方式是通过步进电机调节控制臂的长短，实现避振初始位置的调节，从而实现底盘高度的调节。

由于负载时整车的质量较重，调节控制臂所需力矩较大，所以调节的步进电机需要通过一个减速器，实现减速增矩的作用，考虑转向的灵敏度，以及整车强大的动力性，采用四轮全时驱动，每个轮上装备一个轮毂电机，电机周围加装散热片，通过风扇进行风冷散热，防止电机长时间工作后过热而烧毁。

折叠式太阳能板，由于太阳光的能量与吸收的面积成正比，所以需要较大的太阳能板来增加充电的效率。

但是较大的顶板不利于运输车在复杂地形的通过性，所以太阳能板通常是折叠起来的，在空旷和光源充足的地方，可以自动展开，并调节角度，使板面垂直于入射光，提高充电效率。

电池组放置于车身的底部，降低质心，提升车身的稳定性。

储物箱设计有可拆卸式隔断，可以存放小物体，隔断用来归类物品，同时起到防止物品串动的作用，也可拆掉隔断，放置较大的物体。

4.2电控部分：电控主要分为两部分，一个是车载，一个是遥控器。

由于新木牛流马的功能较多，而且较为复杂，需要较多的接口和较好的计算能力的单片机，综合考虑选用STM32F系列的单片机。

遥控器的控制相对较为简单可以选用51系列的单片机。

功能框图如下：图1. 车上系统图图2. 遥控器系统图5.机械结构设计5.1 轮毂电机机构电机直接安装在轮毂上，通过一级齿轮传动，将动力直接传递到轮胎上，动力响应快。

齿轮为了保证齿轮传动的可靠性，设计了一个齿轮箱，并考虑密封、润滑以及轻量化设计，齿轮箱必须设计紧凑，减轻簧下质量，便于提高木牛流马的灵活性。

图3. 轮毂机构示意图.图4. 剖视图图5. 透明化示意图5.2主动悬架机构由于此运输车需要在颠簸的路面行驶，为了提高整个系统的稳定性，设计一套主动悬架式结构，使得轮胎和车体不是刚性连接，而是通过一个阻尼弹簧系统。

示意图如下。

图6. 机构示意图此系统模仿汽车上的双叉臂式悬架系统设计，此悬架系统一般用于高档运动型轿车，或是超级跑车，此结构的运动性能良好，可调的范围大。

主动悬架也是高档轿车中才有的配置，功能是在行驶过程中根据路况、车速等条件自动调节底盘高低、避震器的阻尼和刚度。

根据新木牛流马的设计要求，此主动悬架是通过调节示意图中调节杆的长短来实现底盘高度的调节。

调节杆的长度是通过调节杆两端分别采用左旋和右旋螺纹来实现的，旋转中间的螺纹管，就可以使调节杆伸长或是缩短。

旋转调节的机构采用涡轮蜗杆的减速机构，较高的减速比，可以产生较大的终端扭矩，便于在高负载下转动调节杆。

图7. 内侧结构示意图图8. 外侧示意图5.3可折叠太阳能板机构图9. 太阳能板机构如上图所示，太阳能板分为三层，此为折叠状态下的形式。

顶层板是固定不动的，中间层板和底层板是可以左右滑动的。

底层和中间层之间有个电机，电机通过齿轮齿条结构连接在这两层之间，电机逆时针转动，中间层板向左滑动，底层板向右滑动。

收起太阳能板，只需电机反转就可。

此处需要两个行程开关，用来检测板的运动行程，到达指定行程后，电机停转。

5.4总体结构布局图10. 底盘布局图图11. 前侧视图图12. 后侧视图6.传感器与执行器6.1传感器（传感器原理和参数，工作过程）➢轮速传感器轮速采用霍尔传感器，码盘的材料必须是铁磁性的，传感器输出脉冲方波信号，信号输入至中断口，通过上升沿触发采集，根据固定时间内采集到的脉冲数以及轮胎直径，计算行驶速度。

显示屏上显示速度为四轮的平均速度。

➢温度传感器温度采集使用数字化温度传感器DS18B20，该温度传感器采用单总线协议，与单片机接口仅需占用一个I/O端口，无须任何外部元件，直接将环境温度转化为数字信号，以数字码方式串行输出，简化了传感器与微处理器的接口。

支持多点组网功能，可以将电机温度传感器并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。

➢光敏传感器光敏电阻，随着光强的增大而电阻值变小，非线性，可以设计一个光控开关电路，电路图如下图13. 光敏开关电路当入射光强时，光敏电阻阻值较小，此时通过5v的分压，三极管的基极电压低于0.7v，三极管不导通，此时pin脚测得是电源电压，为高电平；当入射光弱时，光敏电阻阻值增大，此时三极管导通，pin脚通过三极管接地，为低电平。

➢红外传感器红外测距传感器具有一对红外信号发射与接收二极管，利用的红外测距传感器LDM301发射出一束红外光，在照射到物体后形成一个反射的过程，反射到传感器后接收信号，然后利用CCD图像处理接收发射与接收的时间差的数据。

经信号处理器处理后计算出物体的距离。

这不仅可以使用于自然表面，也可用于加反射板。

GP2Y0A02YK0F是夏普的一款距离测量传感器模块。

它由PSD(position sensitive detector) 和IRED (infrared emitting diode) 以及信号处理电路三部分组成。

由于采用了三角测量方法，被测物体的材质、环境温度以及测量时间都不会影响传感器的测量精度。

传感器输出电压值对应探测的距离。

通过测量电压值就可以得出所探测物体的距离，所以这款传感器可以用于距离测量、避障等场合。

➢倾角传感器理论基础就是牛顿第二定律，根据基本的物理原理，在一个系统内部，速度是无法测量的，但却可以测量其加速度。

如果初速度已知，就可以通过积分计算出线速度，进而可以计算出直线位移。

所以它其实是运用惯性原理的一种加速度传感器。

当倾角传感器静止时也就是侧面和垂直方向没有加速度作用，那么作用在它上面的只有重力加速度。

重力垂直轴与加速度传感器灵敏轴之间的夹角就是倾斜角了。

随着MEMS技术的发展，惯性传感器件在过去的几年中成为最成功,应用最广泛的微机电系统器件之一，而微加速度计（microaccelerometer）就是惯性传感器件的杰出代表。

作为最成熟的惯性传感器应用，现在的MEMS加速度计有非常高的集成度，即传感系统与接口线路集成在一个芯片上。

倾角传感器把MCU，MEMS加速度计，模数转换电路，通讯单元全都集成在一块非常小的电路板上面。

可以直接输出角度等倾斜数据，让人们更方便的使用它。

➢称重传感器称重传感器实际上使用的一种力传感器。

电阻应变式称重传感器原理，它能将作用在被测物体上的重力按一定比例转换成可计量的输出信号。

不同使用地点的重力加速度和空气浮力对转换的影响，称重传感器的性能指标主要有线性误差、滞后误差、重复性误差、蠕变、零点温度特性和灵敏度温度特性等。

➢语音识别模块嵌入式语音识别系统都采用了模式匹配的原理。

录入的语音信号首先经过预处理，包括语音信号的采样、反混叠滤波、语音增强，接下来是特征提取，用以从语音信号波形中提取一组或几组能够描述语音信号特征的参数。

特征提取之后的数据一般分为两个步骤，第一步是系统“学习”或“训练”阶段，这一阶段的任务是构建参考模式库，词表中每个词对应一个参考模式，它由这个词重复发音多遍，再经特征提取和某种训练中得到。

第二是“识别”或“测试”阶段，按照一定的准则求取待测语音特征参数和语音信息与模式库中相应模板之间的失真测度，最匹配的就是识别结果。

语音模块与单片机通信，然后通过程序识别语音启动信号，信号识别正确则输出一个开关信号，启动继电器，开通各个执行器的驱动电源线。

➢GPS模块GPS模块就是集成了RF射频芯片、基带芯片和核心CPU，并加上相关外围电路而组成的一个集成电路。

单片机通过与GPS模块通信，设定GPS的工作模式，同时获取经纬度的信息，将这些信息储存到ROM中，记录行驶的轨迹。