本项目介绍的是晒太阳的蚊子的第三个远房亲戚——太阳能卫星机器人,同样是采用太阳能脉动充放电控制电路,但是却是另外一种全新的运动方式——以陀螺旋转的方式移动,所以又称为太阳能陀螺机器人。
如果了解BEAM机器人的朋友,可能对这样造型的机器人已经很熟悉了——三脚支架中的两脚,加上连接电机的底部转盘,总共三点支撑地面,晒会太阳充会电,电机驱动转盘转动再带动机器人移动。
从以上插图我们可以看到两种不同的造型,不过原理都是基本一样的,只不过结构上有一点区别(有一个带了碰撞环)
以下为效果视频,前一段是在灯光(白炽灯)下进行测试的效果(包括带碰撞环的效果),后面一段为在阳光下的效果。
点击此处查看视频 一、基本原理 本项目的机器人的外形像一个人造卫星,是以太阳能电池作为电源,电机驱动底部的转盘转动,从而带动整个机器人移动。由于以自身转动的方式进行移动的,就像一个旋转的陀螺,所以本项目机器人又可称为“陀螺机器人”。
1、驱动原理 本项目的驱动原理也是比较简单的,主要是电机带动底部的转盘转动——机器人有一个三脚支架,同时只有相邻的某两脚支撑地面,再加上底部连接电机的转盘,“两脚+转盘”——三点支撑地面。电机带动转盘转动,则其中一点转动,另外两点支撑,机器人就可以整体移动。
2、机械结构 本项目机器人有一个三脚支脚,主要有三种情况的结构,稍微通过调整就可以有不同的运行效果。
1、如果是三脚支架离地比较高(相对于转盘),且底部用直径比较小的转盘,则三点平衡比较稳定,每完成一次充电周期后电机转动只能带动转盘转一点距离,一般只能是由一组相邻的双脚交换为下一组相邻的双脚支撑地面,每周期移动的距离比较小。
2、如果是三脚支架离地过高(相对于转盘),则三点平衡相当稳定,虽然能够带动机器人移动,但是因为支架过高导致无法交换支撑地面的双脚,就是说一直都是开始运动时默认支撑地面的双脚着地。
3、如果是三脚支架离地比较低(相对于转盘),以及底部用直径比较大的转盘,则三点平衡相对不够稳定,每个充电周期后的运行可以接近平滑移动,也就是说每周期移动的距离相对会大一点。
作为扩展的结构功能,本项目的机器人还可以增加一个“碰撞环”:用PVC剪成细条做一个环,再用三根细条支架固定在周围一圈。本机器人加了“碰撞环”后,如果在转动移动的过程中,碰到障碍物后会有一个反弹转向的效果,之后再继续转动移动
3、电路原理
本项目机器人的控制电路和PVC-2号机器人项目基本是一样的——典型的脉动充放电电路。
但是两者还是有一点区别:PVC-2号项目的电解电容是一个4700uF,而本项目的电路采用的是三个2200uF的电解电容。
三个电解电容并联在一起,其容值就是三个电解电容之和,这样本项目采用的电解电容其实就是6600uF,比PVC-2号的4700uF大一点。对于本脉动充放电电路来说,
电解电容的容量越大,储电量就会越大,但充电的时间也会越长,不过放电的时间也会越长,持续运动的时间也会越久。
当然,本项目之所以用三个电解电容并联在一起代替原来的一个电解电容,主要还是因为机械结构的需要,即用三脚支架作为平衡支撑的结构。
基本原理如下:
1)太阳能电池板给电解电容充电,电解电容两端的电压不断上升;
2)当电路电压达到LED二极管的导通电压(2V左右)时,LED二极管导通;
3)三极管9015的基极从导通的LED二极管获得足够的导通电压,则三极管9015导通;
4)三极管9015导通后,又使三极管9014的基极获得足够的导通电压,则三极管9014导通;
5)三极管9014导通后,电机获得电流开始转动;
6)电机转动,消耗电解电容中存储的电能,电路电压下降;
7)当电路电压下降到低于LED二极管的导通电压时,LED二极管截止;
8)虽然三极管9015的基极失去了来自LED的导通电压,但是由于此时三极管9014已经导通,导通后的电流除了提供给电机转动之外,还通过电阻分流了一部分重新回到三极管9015的基极(形成一个循环),即三极管的基极还是有足够的导通电压;
9)当电机继续转动消耗电解电容的电能时,电路电压进一步下降,则即便三极管9014导通后回流给三极管9015基极的电压也无法保证三极管9015继续导通(循环被破坏),则两个三极管都截止,电机停止转动;
10)电解电容重新充电,继续重复上面的各环节。
简单的说,即:
太阳能电池对电解电容充电,当充电量达到由LED二极管设置的充电上限后,则电路开始瞬间放电提供给电机转动;虽然电机转动消耗电能使电压下降至低于LED二极管的下限,但是由于电路存在一个导通循环的机制,仍然会继续放电让电机转动,能够尽可能的把电解电容中存储的电能都消耗掉;消耗完电解电容中的电能后,重新由太阳能电池对其进行充电……如此循环往复。
也可以这样理解:
太阳能电池对电解电容进行缓慢充电(太阳能电池的电流比较小),充电达到上限后对电机进行瞬间放电(电机的电流比较大);放电停止的下限比较低,可以比较彻底的把充电的电量消耗完。
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