CN209895543U - 一种面向教学的四驱智能车教学平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种面向教学的四驱智能车教学平台，其中四驱智能车包括激光雷达、车体、固定支架、机械手、直流电机、舵机与中控***；其中，所述机械手通过所述固定支架固定连接在所述车体前方；所述直流电机固定设置在所述固定支架的上方，用于驱动所述机械手的上下移动；所述舵机与机械手固定连接，用于驱动所述机械手的张合；所述激光雷达与所述中控***固定连接，用于对地面环境进行检测；所述中控***设置在所述车体上，用于控制所述直流电机与舵机的工作运行。本实用新型的面向教学的四驱智能车教学平台具有兼容性高、扩展性好、易插拨组装、控制方式较多以及灵活性高的益处。

Description

一种面向教学的四驱智能车教学平台

技术领域

本实用新型属于创客教育技术领域，具体涉及一种面向教学的四驱智能车教学平台。

背景技术

创客教育是指培养具有创新理念人才的教育，如今，创客教育在中国逐渐流行，尤其适合中小学启蒙教育。

在现有的电子科技类创客教育中，在不同的应用场景中，创客不仅需要开发软件程序，还需要耗费大量的时间完成硬件平台的开发，例如，对于平衡车产品，创客需要从底层芯片开始，搭配具有电机接口、舵机接口和供电接口等硬件的硬件平台，对于非平衡车产品，创客仍然需要从底层芯片开始，搭配具有电机接口、舵机接口和供电接口等硬件的硬件平台。对于不同的电子科技类产品，其硬件平台实际具有较多的相同之处，而针对每个产品，创客都需要重新开发硬件平台，从而导致创意转化率低，创业成本大，难以快速、高效地做出优秀的创意产品。

目前大多数的教学平台都是通过上位机或下位机来进行控制，没有形成一个完整的的闭环控制***，且功能单一，可扩展性能低，实现的功能也比较传统，不具有前沿性。

另外，现有技术中的有舵机的教学平台，其在功能上采用了避障传感器、寻迹传感器，其在功能上采用了简单的数据接收和发送处理没有实现自主运行的能力，灵活性差，只有通过人为手动或者按照原来规定的动作进行运行，不能实现自主运行。

并且，现有教学设备集成性能低，可扩展性差，市面上多数的产品本身不具备操作***，只是对要实现的功能进行单一的实现，控制方式单一，灵活性低。

因此，对于目前面向教学的四驱智能车教学平台，有待于做进一步的改进。

实用新型内容

本实用新型之目的提供了一种面向教学的四驱智能车教学平台，该面向教学的四驱智能车教学平台旨在改善现有教学平台对要实现的功能实现方式单一、控制方式单一、灵活性低的缺陷。

本实用新型提供一种面向教学的四驱智能车教学平台，该四驱智能车包括激光雷达、车体、固定支架、机械手、直流电机、舵机与中控***；其中，

所述机械手通过所述固定支架固定连接在所述车体前方；

所述直流电机固定设置在所述固定支架的上方，用于驱动所述机械手的上下移动；

所述舵机与机械手固定连接，用于驱动所述机械手的张合；

所述激光雷达与所述中控***固定连接，用于对地面环境进行检测；

所述中控***设置在所述车体上，用于控制所述直流电机与舵机的工作运行。

优选地，所述固定支架包括第一支架、第二支架与螺杆，所述第一支架固定连接在所述第二支架的上端部，所述第一支架用于固定所述直流电机；其中，

所述机械手与所述螺杆处设置有连接件，所述连接件上设置有第一螺孔；

所述第二支架上设置有第二螺孔，所述直流电机带动所述螺杆在所述第二螺孔内转动，同时所述螺杆在所述第一螺孔内转动进而带动所述机械手上下运动。

优选地，所述舵机为9g舵机。

优选地，所述中控***包括直流电机层电路板、舵机层电路板、码盘电机层电路板、电源板和核心中控板；

所述直流电机层电路板、舵机层电路板、码盘电机层电路板、电源板和核心中控板按任意次序堆叠到一起；

所述直流电机层电路板包括直流电机控制器、n个直流电机驱动模块、n个直流电机接口、直流电机供电端口与直流电机通讯接口；

所述直流电机控制器通过所述直流电机驱动模块连接到对应的所述直流电机接口，所述直流电机控制器分别与所述直流电机供电端口和所述直流电机通讯接口连接；其中，n为自然数；

所述核心中控板包括中控控制器、至少一个GPIO接口、至少一个中控USB接口、HDMI接口、音频输入输出接口、中控通讯接口以及以太网接口，所述中控控制器分别与所述GPIO接口、中控USB接口、HDMI接口、音频输入输出接口、中控通讯接口以及以太网接口连接；

所述码盘电机层电路板包括码盘电机控制器、m个码盘电机驱动模块、m个码盘电机接口、码盘电机供电端口和码盘电机通讯接口；所述码盘电机控制器通过所述码盘电机驱动模块连接到对应的所述码盘电机接口，所述码盘电机控制器分别与所述码盘电机供电端口和所述码盘电机通讯接口连接；其中，m为自然数；

所述舵机层电路板包括舵机控制器、q个舵机驱动模块、q个舵机接口、舵机供电端口和舵机通讯接口；所述舵机控制器通过所述舵机驱动模块连接到对应的所述舵机接口；所述舵机控制器分别与所述舵机供电端口和所述舵机通讯接口连接；其中，q为自然数；

所述电源板包括电源控制器、DC接口与至少一个供电端口，所述电源控制器分别与所述DC接口和供电端口连接，所述DC接口与外置电源相连接，所述供电端口用于为四驱智能车上的激光雷达供电；

所述直流电机层电路板、舵机层电路板、码盘电机层电路板、电源板和核心中控板通过插针进行连接与供电；所述激光雷达通过线缆与所述核心中控板的中控USB接口连接。

优选地，n为4，m为4，q为24。

优选地，所述直流电机控制器、所述码盘电机控制器和所述舵机控制器均采用STM32控制器，所述电源板控制器采用STM8控制器，所述中控控制器采用Linux操作***。

优选地，所述激光雷达通过亚克力板固定设置在所述中控***上。

优选地，所述固定支架还包括两个支撑杆，同时所述机械手上的连接件上设置有两个通孔，其中，

两个所述支撑杆对称设置在所述螺杆的两侧；

两个所述通孔对称设置在所述第一螺孔的两侧；

所述支撑杆穿过所述通孔，所述机械手沿所述支撑杆上下移动。

优选地，所述螺杆与直流电机通过联轴器进行连接。

优选地，所述激光雷达和中控***通过USB接口连接。

本实用新型的面向教学的四驱智能车教学平台相对于现有技术具有以下有益技术效果：

1、本实用新型中将直流电机层、码盘电机层、舵机层和中控层分开，采用堆叠的设计方式，可实现在不同应用场景中任意搭配使用，提高***的使用灵活性，满足大多数的创客需求。

2、面向快速创作的中控***具有兼容性高、扩展性好、易插拨组装的优点，因此，创客可根据自己设计需求，快速搭配得到所需产品的硬件平台，节约了创客在硬件上的耗费时间，提高了创意转化率。

3、本实用新型中的中控***支持多直流电机、码盘电机和舵机驱动，易于插拔；并且具备功能强大、兼容性高、安全性强等特点，具有开源、广泛的硬件支持。

4、本实用新型的中控***可堆叠为立方体结构，整体简洁的立方体结构，便于散热。

5、本实用新型的四驱智能车通过激光雷达检测地面环境，进而能够自主规划路线的小车，具有精度高、减少人为控制的特点，同时也解决了不便于移动和控制不方便等问题。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅用于解释本实用新型的构思。

图1为本实用新型中的中控***的原理框图；

图2为为本实用新型的面向教学的四驱智能车教学平台的原理结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本实用新型的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本实用新型的概念。

本实用新型的实施例的目的旨在克服现有技术存在的不足和缺陷，本实用新型提供一种面向教学的四驱智能车教学平台，其中该教学平台中的四驱智能车包括激光雷达、车体、固定支架、机械手、直流电机、舵机与中控***。其中，机械手通过固定支架固定连接在车体前方；直流电机固定设置在固定支架的上方，用于驱动机械手的上下移动；舵机与机械手固定连接，用于驱动机械手的张合；激光雷达与中控***固定连接，用于对地面环境进行检测；中控***设置在车体上，用于控制直流电机与舵机的工作运行。本实用新型的教学平台既能让使用者接触到底层的开发，也能够向上进一步扩展，为二次开发提拱了诸多便利，集成了大量的前沿技术作为依托，功能更加丰富，通过激光雷达自主检测地面环境信息，实现无人化管理与行驶，使得智能小车能够自主规划路线，同时可以自动控制机械手开合角度，满足不同规格物体的拿放。

具体地，激光雷达和中控***通过USB接口连接，并且为了激光雷达的安全稳定性，激光雷达通过亚克力板固定设置在中控***上。

在本实用新型的进一步实施例中，上述固定支架包括第一支架、第二支架与螺杆，第一支架通过螺丝固定连接在第二支架的上端部，第一支架用于固定直流电机。其中，机械手与螺杆处设置有连接件，连接件上设置有第一螺孔，第二支架上设置有第二螺孔，直流电机带动螺杆在第二螺孔内转动，同时螺杆在第一螺孔内转动进而带动机械手上下运动。

优选地，舵机为9g舵机。其中，9g舵机是一种位置(角度)伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制***。常见于航模，飞机模型，遥控机器人及机械部件当中。在使用中，舵机的配件通常包含一个能把舵机固定到基座上的支架以及可以套在驱动轴上的舵盘，通过舵盘上的孔可以连接其它物体构成传动模型。舵机自带的3线接口可以通过RJ25适配器与主板相连。

具体地，上述螺杆与直流电机通过联轴器进行连接。

优选地，为了机械手运动过程的稳定性，以及整体设备的牢固可靠性，固定支架上还可以包括两个支撑杆，同时机械手上的连接件上设置有两个通孔。其中，两个支撑杆对称设置在螺杆的两侧，两个通孔对称设置在第一螺孔的两侧，支撑杆穿过通孔，机械手可以沿支撑杆上下移动。上述机械手在直流电机的带动下随着螺杆的转动而上下移动，同时机械手也会在支撑杆上上下移动。也就是说，机械手会在螺杆与两个支撑杆上同时上下移动。

如图1所示，中控***包括直流电机层电路板、舵机层电路板、码盘电机层电路板、电源板和核心中控板，直流电机层电路板、舵机层电路板、码盘电机层电路板、电源板和核心中控板按任意次序堆叠到一起。

直流电机层电路板包括直流电机控制器、n个直流电机驱动模块、n个直流电机接口、直流电机供电端口与直流电机通讯接口；直流电机控制器通过直流电机驱动模块连接到对应的直流电机接口，直流电机控制器分别与直流电机供电端口和直流电机通讯接口连接；其中，n为自然数，例如，n为4。

核心中控板包括中控控制器、至少一个GPIO接口(通用之输入输出接口)、至少一个中控USB接口、HDMI接口、音频输入输出接口、中控通讯接口以及以太网接口，中控控制器分别与GPIO接口、中控USB接口、HDMI接口(高清晰度多媒体接口)、音频输入输出接口、中控通讯接口以及以太网接口连接。其中，GPIO接口是扩展接口，用来添加扩展传感器模块；中控USB接口是用来接摄像头进行图像采集和接VPU进行加速使用；HDMI接口是用来和7寸显示屏连接，进行显示作用；音频输入输出接口是用来接麦克风和喇叭，进行音频的输入和输出，该功能在大车这里暂时不用；中控通讯接口是用来和各个电机驱动板进行通讯的；太网接口连接是用来连接以太网的，这里可以使用wifi通讯接口来进行替代，或者在核心中控板上集成设置有wifi通讯接口。

码盘电机层电路板包括码盘电机控制器、m个码盘电机驱动模块、m个码盘电机接口、码盘电机供电端口和码盘电机通讯接口；码盘电机控制器通过码盘电机驱动模块连接到对应的码盘电机接口，码盘电机控制器分别与码盘电机供电端口和码盘电机通讯接口连接；其中，m为自然数，例如，m为4。码盘电机驱动模块用于驱动四驱智能车的4个麦克纳姆轮的前、后、左、右移动。

优选地，上述中控通讯接口为遵循Modbus协议的RS485通讯接口。

舵机层电路板包括舵机控制器、q个舵机驱动模块、q个舵机接口、舵机供电端口和舵机通讯接口；舵机控制器通过舵机驱动模块连接到对应的舵机接口；舵机控制器分别与舵机供电端口和舵机通讯接口连接；其中，q为自然数，例如，q为24。

电源板包括电源控制器、DC接口与至少一个供电端口，电源控制器分别与DC接口和供电端口连接，DC接口与外置电源相连接，供电端口用于为四驱智能车上的激光雷达供电。

直流电机层电路板、舵机层电路板、码盘电机层电路板、电源板和核心中控板通过插针进行连接与供电。具体地，直流电机层电路板、舵机层电路板、码盘电机层电路板、电源板和核心中控板通过以2.54mm的30pin的插针进行连接与供电。

实际应用中，直流电机控制器、码盘电机控制器和舵机控制器均采用STM32控制器，电源板控制器采用STM8控制器，中控控制器采用Linux操作***。

如图2所示，本实用新型的电源板上设置有多个电源管理输出接口，这里将电源输出接口分别给激光雷达与1个备用接口，激光雷达采集地面环境信息后，将数据返回给核心中控板，核心中控板对数据进行分析处理后，下发相应的指令给码盘电机，从而自主运行路线。***扩展电路中的机械手可以根据核心中控板的指令控制其上下运动，也可以控制其开合角度，进而满足不同规格物体的拾取。

另外，直流电机层电路板还可以集成有直流电机无线通信设备，直流电机无线通信设备与直流电机控制器连接，核心中控板还集成有中控无线通信设备，中控无线通信设备与中控控制器连接。其中，直流电机无线通信设备可采用wifi通信设备。

下面对本实用新型中的中控***的设计原理进行介绍：

(一)核心中控板

核心中控板属于中控***的核心板，核心中控板可称为iArduino板，配置多个GPIO接口(通用之输入输出接口)、多个中控USB接口、HDMI接口、音频输入输出接口、中控通讯接口以及以太网接口，核心中控板上配置有开放串口、通讯接口和USB接口等，便于二次开发与信息传输。在中控控制器的驱动下，可以实现直流电机、舵机或码盘中的单个作用或多个进行联动。其中，中控通讯接口分别与直流电机通讯接口、码盘电机通讯接口、舵机通讯接口相连接，可以实现核心中控板与直流电机层电路板、舵机层电路板、码盘电机层电路板与电源板的消息交互。通过在原有Arduino基础上加入了图形化编程和iArduino上层板，使其在使用上更加方便和易于学习。

(二)直流电机层电路板

直流电机层电路板配置有多个直流电机接口，直流电机层电路板与核心中控板通过插针连接，因此，直流电机层电路板与核心中控板通过插针进行通信和供电。另外，直流电机通讯接口通过线缆与所述中控通讯接口连接，通过通讯接口接收来自于核心中控板的指令，进而实现单直流电机单独运动或多直流电机同时联动。

直流电机层：支持1-9档调速运行，并且支持0％-100％之间任意整数调速，还可以按照预定的设定时间运行，支持直流电机卡死状态下不烧毁芯片。

直流电机层的核心控制器是STM32系列单片机，具备红外遥控功能，可用于红外遥控小车等场合，具体的，可通过红外遥控，控制直流电机、舵机和码盘电机的状态，自带wifi模块，可用于wifi控制，符合互联网+物联网时代特点。内部嵌入基于Google深度优化而成的iBlockly图形化编程，使复杂编程变得触手可及，带给学生前所未有的创客教育体验。

(三)舵机层电路板

舵机层电路板配置有多个舵机接口，舵机电路板与核心中控板通过插针连接，因此，舵机层电路板与核心中控板通过插针进行通信和供电。另外，舵机通讯接口通过线缆与所述中控通讯接口连接，通过通讯接口接收来自于核心中控板的指令，而可控制单舵机运行或多舵机同时联动运行。

此外，可根据指令控制舵机转动速度，例如，舵机层：支持1-9档调速，支持0-180°舵机，并且可以按照水平角度、俯仰角度或时间方式进行设置运行,具有掉电后角度记忆功能。市面上基本不支持舵机调速。

(四)码盘电机层电路板

码盘电机层电路板配置有多个码盘电机接口，码盘电机层电路板与核心中控板通过插针连接，因此，码盘电机层电路板与通过核心中控板通过插针进行通信和供电，以及码盘电机层电路板与核心中控板通过通讯接口连接，通过通讯接口接收来自于核心中控板的指令，进而可控制单码盘电机运动或多码盘电机同时联动。

具体的，码盘电机层支持1-9档调速，并且可以按照角度或时间方式进行设置运行。

(五)电源板

电源板包括电源控制器、DC接口与多个供电端口，电源控制器分别与DC接口和供电端口连接，DC接口与外置电源相连接，供电端口用于为四驱智能车上的激光雷达供电以及作为备用电源端口。其中，电源控制器进行Modbus/485通讯，并且监测两路电源输出，用LED灯进行显示输出现象，当一路输出时，对应一个指示灯点亮，同理，当两路同时输出时，会对应两路指示灯点亮。该电源板可以通过电池供电，或者可以通过外置12V充电器进行供电。

本实用新型提供的面向教学的四驱智能车教学平台，具有以下特点：

l、采用模块化设计，共包括五块电路板，分别为直流电机层电路板、码盘电机层电路板、舵机层电路板、核心中控板和电源板。这五块电路板可轻松实现分层堆叠，然后将对应的通信端口和供电端口采用线缆连接起来即可，具有易于组装的优点。由于配置了丰富的外设接口，因此，可根据创客需要进行随意组合与扩展，充分发挥创客的想象力和创造力。

2、本实用新型中的中控***支持多直流电机、码盘电机和舵机驱动，易于插拔；并且具备功能强大、兼容性高、安全性强等特点，具有开源、广泛的硬件支持。

3、本实用新型的中控***可堆叠为立方体结构，整体简洁的立方体结构，便于散热。

4、本实用新型的四驱智能车通过激光雷达检测地面环境，进而能够自主规划路线的小车，具有精度高、减少人为控制的特点，同时也解决了不便于移动和控制不方便等问题。

最后应说明的是，以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种面向教学的四驱智能车教学平台，其特征在于，该四驱智能车包括激光雷达、车体、固定支架、机械手、直流电机、舵机与中控***；其中，

所述机械手通过所述固定支架固定连接在所述车体前方；

所述直流电机固定设置在所述固定支架的上方，用于驱动所述机械手的上下移动；

所述舵机与机械手固定连接，用于驱动所述机械手的张合；

所述激光雷达与所述中控***固定连接，用于对地面环境进行检测；

所述中控***设置在所述车体上，用于控制所述直流电机与舵机的工作运行。

2.根据权利要求1所述的面向教学的四驱智能车教学平台，其特征在于，所述固定支架包括第一支架、第二支架与螺杆，所述第一支架固定连接在所述第二支架的上端部，所述第一支架用于固定所述直流电机；其中，

所述机械手与所述螺杆处设置有连接件，所述连接件上设置有第一螺孔；

所述第二支架上设置有第二螺孔，所述直流电机带动所述螺杆在所述第二螺孔内转动，同时所述螺杆在所述第一螺孔内转动进而带动所述机械手上下运动。

3.根据权利要求2所述的面向教学的四驱智能车教学平台，其特征在于，所述舵机为9g舵机。

4.根据权利要求1所述的面向教学的四驱智能车教学平台，其特征在于，所述中控***包括直流电机层电路板、舵机层电路板、码盘电机层电路板、电源板和核心中控板；

所述直流电机层电路板、舵机层电路板、码盘电机层电路板、电源板和核心中控板按任意次序堆叠到一起；

所述直流电机层电路板包括直流电机控制器、n个直流电机驱动模块、n个直流电机接口、直流电机供电端口与直流电机通讯接口；

所述直流电机控制器通过所述直流电机驱动模块连接到对应的所述直流电机接口，所述直流电机控制器分别与所述直流电机供电端口和所述直流电机通讯接口连接；其中，n为自然数；

所述核心中控板包括中控控制器、至少一个GPIO接口、至少一个中控USB接口、HDMI接口、音频输入输出接口、中控通讯接口以及以太网接口，所述中控控制器分别与所述GPIO接口、中控USB接口、HDMI接口、音频输入输出接口、中控通讯接口以及以太网接口连接；

所述码盘电机层电路板包括码盘电机控制器、m个码盘电机驱动模块、m个码盘电机接口、码盘电机供电端口和码盘电机通讯接口；所述码盘电机控制器通过所述码盘电机驱动模块连接到对应的所述码盘电机接口，所述码盘电机控制器分别与所述码盘电机供电端口和所述码盘电机通讯接口连接；其中，m为自然数；

所述舵机层电路板包括舵机控制器、q个舵机驱动模块、q个舵机接口、舵机供电端口和舵机通讯接口；所述舵机控制器通过所述舵机驱动模块连接到对应的所述舵机接口；所述舵机控制器分别与所述舵机供电端口和所述舵机通讯接口连接；其中，q为自然数；

所述电源板包括电源控制器、DC接口与至少一个供电端口，所述电源控制器分别与所述DC接口和供电端口连接，所述DC接口与外置电源相连接，所述供电端口用于为四驱智能车上的激光雷达供电；

所述直流电机层电路板、舵机层电路板、码盘电机层电路板、电源板和核心中控板通过插针进行连接与供电；所述激光雷达通过线缆与所述核心中控板的中控USB接口连接。

5.根据权利要求4所述的面向教学的四驱智能车教学平台，其特征在于，n为4，m为4，q为24。

6.根据权利要求4中所述的面向教学的四驱智能车教学平台，其特征在于，所述直流电机控制器、所述码盘电机控制器和所述舵机控制器均采用STM32控制器，所述电源板控制器采用STM8控制器，所述中控控制器采用Linux操作***。

7.根据权利要求1所述的面向教学的四驱智能车教学平台，其特征在于，所述激光雷达通过亚克力板固定设置在所述中控***上。

8.根据权利要求2所述的面向教学的四驱智能车教学平台，其特征在于，所述固定支架还包括两个支撑杆，同时所述机械手上的连接件上设置有两个通孔，其中，

两个所述支撑杆对称设置在所述螺杆的两侧；

两个所述通孔对称设置在所述第一螺孔的两侧；

所述支撑杆穿过所述通孔，所述机械手沿所述支撑杆上下移动。

9.根据权利要求2所述的面向教学的四驱智能车教学平台，其特征在于，所述螺杆与直流电机通过联轴器进行连接。

10.根据权利要求1所述的面向教学的四驱智能车教学平台，其特征在于，所述激光雷达和中控***通过USB接口连接。

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