本发明涉及智能车技术领域，具体涉及一种叠层紧凑型双轮驱动智能小车。
背景技术：
智能小车是学习机器人入门的优质平台，但现有的智能小车体积往往过大，结构松散，活动起来不够平稳，使用起来比较繁琐，不利于初学者快速接入轮式机器人的学习，并且智能小车车身功能较少，拓展额外模块需要繁琐的接线或者组装。
技术实现要素：
为解决上述问题，本发明的目的在于：提供一种叠层紧凑型双轮驱动智能小车，整体紧凑，功能丰富。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：
所述叠层紧凑型双轮驱动智能小车，包括车体和电路组成部分，车体分为四层板式结构，自上向下依次为云台板、顶层板、中层板和底层板，所述四层板式结构通过铜柱固定连接，底层板的上端分别设置直流减速电机、电池和超声波传感器，直流减速电机的输出轴固定着动力轮，底层板和中层板的两侧开设动力轮安装槽，动力轮位于动力轮安装槽内，顶层板的上部固定着舵机，舵机的输出轴与车体的几何中心同轴，云台板的中部开有槽孔，舵机的输出轴位于槽孔内；电路组成部分包括控制及通信电路、电机及循迹电路、执行及交互电路以及电源电路，所述控制及通信电路包括控制器、usb接口电路、按键编码器模块、usb优先控制电路、2.4g射频模块和无线通信选通电路；电机及循迹电路包括循迹模块选通电路、红外反射循迹模块、电机控制分频电路和电机隔离及驱动电路；执行及交互电路包括电机驱动电路、舵机隔离电路、功能选通开关、蜂鸣器电路、三色led模块、超声波测距模块、拓展接口、oled模块；电源电路包括电池和稳压电路。
优选地，云台板、顶层板、中层板和底层板采用环氧树脂板制成，底层板和顶层板均为正十二边形。
优选地，直流减速电机与动力轮通过d型槽连接，并由电机固定架固定在底层板上。
优选地，中层板的一侧设置用于固定超声波传感器的预留卡槽。
优选地，车体三轮着地，前部无支撑，电池安装在电池盒内，电池盒位于两个动力轮与万向轮之间，整体位于底层板的后部，使得车体整体重心偏后，保证了运行的稳定性。
优选地，控制器仅具备一组串口通信通道，使用usb优先控制电路实现usb接口电路与2.4g射频模块对于串口通信通道的自动切换，从而实现对于串口通信通道的复用。
优选地，控制器通过无线通信选通电路实现2.4g射频模块和外接其他无线通信模块时对于串口通信通道的复用。
优选地，控制器对直流减速电机的控制采用2路脉宽调制信号和2路逻辑信号实现，通过电机控制分频电路实现对于直流减速电机的控制。
优选地，控制器具备8路模拟输入引脚，分别与8路红外反射循迹模块相连接。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明结构新颖，车体通过“3+1”叠层结构改善了传统车体松散的结构，大大提高了整体的紧凑性，并进一步保证了运行的稳定性，此外，可以在车体上拓展丰富的装置进行各类实验，例如循迹、壁障、声光等，车体采用两路直流减速电机加万向轮的形式进行驱动，移动方式灵活，利用此小车作为轮式机器人入门的学习平台可以更加快速高效的开展各类学习试验任务，此外，还为小车设计了配套的功能选通电路，在保证小车拓展性的前提下让小车自身集成了丰富的功能，方便广大学生学习实践应用。
附图说明
图1本发明结构爆炸图；
图2本发明立体图1；
图3本发明立体图2；
图4本发明结构主视图；
图5本发明结构左视图；
图6本发明电路组成部分的整体框图；
图7本发明usb优先控制电路原理图；
图8本发明无线通信选通电路的原理图；
图9本发明电机控制分频电路原理图；
图10本发明循迹模块选通电路的原理图。
图中：1、中层板；2、舵机安装槽；3、动力轮安装槽；4、万向轮；5、电机固定架；6、动力轮；7、直流减速电机；8、底层板；9、超声波传感器；10、云台板；11、槽孔；12、舵机；13、顶层板；14、电池；15、铜柱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例做进一步描述：
实施例1
如图1-5所示，本发明所述叠层紧凑型双轮驱动智能小车，包括车体和电路组成部分，车体分为四层板式结构，自上向下依次为云台板10、顶层板13、中层板1和底层板8，底层板8和顶层板13均为正十二边形，云台板10、顶层板13、中层板1和底层板8采用环氧树脂板制成，所述四层板式结构通过铜柱15固定连接，相关的控制电路可以直接设计在板上，也可以单独设计安装在各层板上，底层板8的上端分别设置直流减速电机7、电池14和超声波传感器9，直流减速电机7的输出轴固定着动力轮6，直流减速电机7与动力轮6通过d型槽连接，并由电机固定架5固定在底层板8上，直流减速电机7的安装位置可以根据实际需求调整，为了优化车体的整体重心，直流减速电机7的安装位置位于小车整体中部偏前的位置，底层板8和中层板1的两侧开设动力轮安装槽3，为轮胎预留位置，动力轮6位于动力轮安装槽3内，这样设计可起到保护动力轮6的作用，同时使得车体的整体设计更加紧凑，顶层板13的上部固定着舵机12，舵机12安装在舵机安装槽2内，舵机12的输出轴与车体的几何中心同轴，此外，中层板1中部开槽为舵机12的安装预留位置，云台板10位于舵机12的上方，云台板10的中部开有槽孔11，舵机12的输出轴位于槽孔11内，云台板10为舵机12输出轴上安装的装置提供支撑。
电路组成部分包括控制及通信电路、电机及循迹电路、执行及交互电路以及电源电路，所述控制及通信电路包括控制器、usb接口电路、按键编码器模块、usb优先控制电路、2.4g射频模块和无线通信选通电路；电机及循迹电路包括循迹模块选通电路、红外反射循迹模块、电机控制分频电路和电机隔离及驱动电路；执行及交互电路包括电机驱动电路、舵机隔离电路、功能选通开关、蜂鸣器电路、三色led模块、超声波测距模块、拓展接口、oled模块；电源电路包括电池14和稳压电路。
其中，控制器仅具备一组串口通信通道，使用usb优先控制电路实现usb接口电路与2.4g射频模块对于串口通信通道的自动切换，从而实现对于串口通信通道的复用，当小车通过usb接口电路连接时，2.4g射频模块不启用，小车处于有线通信模式；当usb接口电路断开连接，小车自动启用2.4g射频模块，处于无线连接模式。
其中，由于特殊场合使用时，2.4g射频模块不满足使用条件，需要额外拓展其它类型的无线通信模块，控制器通过无线通信选通电路实现2.4g射频模块和外接其他无线通信模块时对于串口通信通道的复用。无线通信选通电路通过一路开关控制，当开关断开时，2.4g射频模块处于启动状态，小车使用2.4g射频模块进行无线通信；当开关闭合时，2.4g射频模块关闭，小车可外接无线通信模块进行无线通信。
其中，控制器对直流减速电机7的控制采用2路脉宽调制信号和2路逻辑信号实现，通过电机控制分频电路实现对于直流减速电机7的控制，控制器具备8路模拟输入引脚，分别与8路红外反射循迹模块相连接，且通过循迹模块选通电路可实现对于红外反射循迹模块的选通。循迹模块选通电路由8路拨码开关组成，当开关断开时，红外反射循迹模块的发射管熄灭，模块与其对应的模拟输入通道断开连接；当开关闭合时，红外反射循迹模块的发射管点亮，模块与其对应的模拟输入通道连接。
所述智能小车通过功能选通开关可实现拓展接口与电机驱动电路、舵机隔离电路、蜂鸣器电路、三色led模块、超声波测距模块、oled模块的功能复用。选通开关使用8位拨码开关，当开关断开时，拓展接口可外接其它传感器；当开关闭合时，控制器与板载的对应模块相连接。
小车采用了拨轮与按键一体的按键编码器模块，通过3路数字输入引脚读取信号，通过控制器处理拨轮向左和向右拨动时产生的相位不同的脉冲来判断拨动的方向和次数。
其中，中层板1的一侧设置用于固定超声波传感器9的预留卡槽，固定后超声波传感器9的任何部分不超出底层板8在地面的垂直投影。
此外，车体的底层板8、上层板预留了充分的空间，可以设计安装各类循迹、壁障、声光等常用传感器及其他装置，装置既可以直接设计pcb焊接于板上，也可以通过机械结构固定于四层板式结构上，灵活的使用方式保证了小车充分的拓展性。
运行时，车体三轮着地，前部无支撑，电池14安装在电池盒内，电池盒位于两个动力轮6与万向轮4之间，整体位于底层板8的后部，使得车体整体重心偏后，保证了运行的稳定性。
实施例2
在实施例1的基础上，具体的应用时，车体板材的尺寸选择半径为5厘米的圆形的外接正十二边形为基准，则小车的底层板8、中层板1、上层板均为平行对边距离为10厘米的正十二边形。
小车的直流减速电机7安装位置位于小车中部偏前；万向轮4选用直径12毫米的钢珠、塑料外壳万向轮4，安装于车体的后部。
电池14选取10440规格锂电池14，固定于底层板8上，位于动力轮6与万向轮4之间，两节锂电池14串连供电，满电电压为8.4v。
电机驱动选择drv8833，均选用贴片封装，减少电路面积，方便安装在车体的中层板1上。稳压电路选用lm1117-5.0、lm1117-3.3的稳压芯片，向各部分电路提供5v和3.3v电源。
在小车底层板8设计安装tcrt5000型红外对管传感器，可实现循迹功能。超声波模块选用hc-sr04型超声波测距模块，可实现壁障功能。进一步的利用舵机12拓展的云台加装红外壁障开关，可实现小车对前方180度区域内进行灵活壁障。
在小车顶层板13加装lcd显示屏和按键功能，从而增加人机交互设计。选用hc-05主从一体蓝牙模块可实现通过电脑、手机等上位机设备对小车的远程遥控。
如图6所示，小车采用atmega328p单片机作为主控制器，初始化其引脚资源为1路串口通信(包括rx，tx)，8路模拟输入，12路数字输出。由于atmega328p仅具备1路串口通信，则通过复用方式，实现usb接口电路、2.4g射频模块以及其它无线通信模块的复用。
如图7所示，usb优先控制电路：采用ch340g芯片实现usb与uart(异步收发传输器)信号的转换。在usb电源输入串入二极管，在二极管前端下拉至gnd。则usb接入时，5v_usb信号为高电平，usb断开时，5v_usb信号为低电平。2.4g射频模块ls12c的cs引脚控制模块的选通，低电平有效，则usb接入时，模块未选通，usb优先通信；usb断开时，模块选通，无线通信。
如图8所示，无线通信选通电路：2.4g射频模块与其它无线通信模块的复用通过拨码开关与74hc4066模拟开关实现。当开关断开时，74hc4066的4个控制端cntl均为高电平，控制器与2.4g模块连接。当bt_sw闭合时，74hc4066的其中2路控制端为低电平，则控制器与2.4g模块的断开连接，可以通过rxd_ex、txd_ex两个外引的引脚进行无线通信模块拓展。
如图9所示，电机控制分频电路：由于atmega328p单片机仅具备3组定时器，每组2个输出通道，若想控制2路直流电机正反转需要4路pwm信号，但电机正转或者反转时总有一路信号输出为低电平。这样做严重浪费了单片机的定时器资源。则通过74hc08与74hc2g04实现对于pwm(脉冲宽度调制)信号的复用。通过dig5、dig6产生两路pwm信号；dig7、dig8输出逻辑电平，通过74hc2g04产生的后dig7_t和dig8_t总与dig7、dig8的逻辑相反。将上述6路信号输入74hc08后，可实现pwm1输出信号时，pwm2为低电平；pwm2输出信号时，pwm1为低电平。pwm3、pwm4相同。从而仅用1个定时器的2路pwm通道外加2个数字输出引脚就可实现对于2个直流电机的正反转调速控制。
如图10所示，小车具备8路循迹摸快st178，在实际使用中根据不同的使用场合可能不需要全部开启，则设计了循迹模块选通电路来实现。电路采用拨码开关与74hc4066实现，当拨码开关闭合时，74hc4066控制端为低电平，控制器的模拟输入针脚与红外反射循迹模块不连接，红外反射循迹模块的发射管无电源供电。当拨码开关闭合，5v电源接入，74hc4066控制端为高电平，控制器模拟输入针脚与红外反射循迹模块连接，且循迹模块的发射管点亮。这样设计合理利用了资源，并且在模块不使用时关闭了发射管，降低了功耗。
小车采用旋转式编码器与按键一体的模块实现人机交互，拨轮旋转时，产生两路有相位差的脉冲a和b。当顺时针旋转时，a相的相位领先b相90度；当逆时针旋转时，b相的相位领先a相90度。利用此特性判断a相位下降沿时b相的电平逻辑可判断拨轮转向。
小车集成了舵机12隔离电路、蜂鸣器电路、三色led模块、超声波测距模块、oled模块等常用模块，方便实用。为了增强拓展性，也同时将控制上述模块的数字引脚进行了引出。通过八位拨码开关来控制模块的选通，当拨码开闭合，控制器与车载模块相连接，当拨码开关断开，控制器与车载模块断开连接，可以通过拓展接口外接其他设备。