多功能智能小车的设计

多功能智能小车的设计学生：崔文浩学号：0805064150指导老师：张权总体设计及要求根据题目要求，本设计各部分采用模块化设计，以两电动机为主驱动，通过传感器采集各类信息，送入单片机处理数据后完成相应动作，实现小车的多功能自动控制。模块设计可分为寻迹模块、避障模块、寻光模块、距离检测模块、电源模块、电机驱动及PWM调制模块。前轮PWM驱动电路主要用于转向控制；后轮PWM驱动电路主要用于方向和速度控制；寻迹探测模块利用三个光感元件，对黑色轨道进行寻迹；避障模块利用红外传感器进行探测；光源探测模块利用三个光敏电阻制成，用于寻光并确定光源角度，以期获得较为精确的转向值。寻迹模块方案分析与比较方案一、使用简易光电传感器结合外围电路探测。由于所采用光电传感器实际效果并不理想，对行驶过程中的稳定性要求很高，且误测几率较大、易受光线环境和路面介质影响。在使用过程极易出现问题，而且容易因为该部件造成整个系统的不稳定，故最终未采用该方案。方案二、利用两只光电开关。分别置于轨道的两侧，根据其接受到白线的先后来控制小车转向来调整车向，但是如果两只光电开关之间的距离很小，则约束了速度,如果着重于小车速度的提升，则随着车速的提升，则势必要求两只光电开关之间的距离加大，从而使得小车的行驶路线脱离轨道幅度较大，小车将无法快速完成准确的导向从而有可能导致寻迹失败。方案三、用三只光电开关。一只置于轨道中间，两只置于轨道外侧，当小车脱离轨道时，即当置于中间的一只光电开关脱离轨道时，等待外面任一只检测到黑线后，做出相应的转向调整，直到中间的光电开关重新检测到黑线（即回到轨道）再恢复正向行驶。虽然小车在寻迹过程中可能会有一定的左右摇摆（因为小车的内部结构决定了光电开光之间的距离到达不了精确计算值1厘米），但只要控制好行驶速度就可保证车身基本上接近于沿靠轨道行驶[11]。避障模块方案分析与比较考虑到在测障过程中小车车速及反应调向速度的限制，小车应在距障碍物40CM的范围内做出反应，这样可以保证小车能够顺利绕过障碍物。否则，如果范围太大，则可能产生障碍物的判断失误；范围过小又很容易造成车身撞上障碍物或虽绕过障碍物却无法实现理想的定向方案。方案一、采用一只红外传感器置于小车中央。一只红外传感器小车中央安装简易，也可以检测到障碍物的存在，但难以确定小车在水平方向上是否会与障碍物相撞，也不易让小车做出精确的转向反应。方案二、采用二只红外传感器分置于小车两边。二只红外传感器分别置于小车的前端两侧，方向与小车前进方向平行，对小车与障碍物相对距离和方位能作出较为准确的判别和及时反应。但此方案过于依赖硬件、成本较高、缺乏创造性，而且置于小车左方的红外传感器用到的几率很小，所以最终未采用。方案三、采用一只红外传感器置于小车右侧并与小车前进方向呈一固定角度。基于对行车地图中光源及障碍物尺寸、位置的分析，我们采用了通过寻找光源来对行车方向进行控制，在向光源行驶的过程中检测障碍物并做出相应的反应，这样不仅只使用一只红外传感器就实现了避障，而且避免因小车自然转弯而导致的盲目方向控制，同时为后面以最简单最直接的路线和在最短的时间内完成行驶路程创造了机会[12]。智能小车应以准确、智能见优，我们采用方案三。寻光模块方案分析与比较方案一、采用多只方向性较强的光敏二极管作为光源定位器。若干定位器在水平面上按不同角度展开，在寻找光源时根据每个定位器接收到的光线强弱（有无）得出行车方位。该方案若采用方向性较强的光敏二极管作为光源定位器，要么是需要很多的器件，要么是难以检测到光源的方向。方案二、采用一个光源定位器。用深色不透光材料与光敏电阻制成的光源定位器有较理想的定向测试效果，2.5米之外就可以确定光源的方向。当小车绕过障碍物之后，通过不停地旋转使定位器获得最大光线照射以确定光源方向，这种方案有一定的可行性，但寻找光源的过程必定带来不必要的大量时间开销，且寻找过程盲目性太大，不利于控制，又增加了一个电机，增大的电源方案选择或安装的难度。方案三、利用多只光源定位器。在方案二所得数据的基础上，结合光敏电阻的敏感性，只用三到五只光敏电阻就可以达到目的，但因其对光非常敏感，所以必需为每只光敏电阻加上黑色隔离板。虽然制作有一定难度，但其能见长度和相对简明的控制措施显示了很大的优越性。综合考虑以上方案，方案三更具准确性和独创性，我们采用方案三。距离检测模块方案分析与比较方案一、通过测试得出小车平均速度v，在行驶过程中将行驶时间与其乘积t•v作为驶过的距离。但该方案受电池电量、路面介质等因素的影响，在大多数情况下均暴露出误差较大的缺点，故不予采用。方案二、在后轮内侧匀距贴上m个磁钢，车厢内装上霍尔开关。对轮子转速进行测量，由于低速下轮子与地面接触良好，设轮周长为c，可以用霍尔开关输出脉冲数n乘以c/m得出行驶距离。只要磁钢在后轮上的位置足够精确，霍尔开关固定牢靠，就可以获得较好的测试效果。但车子颠簸时，稳定性较差。方案三、在齿轮箱中安装透射式光电开关，测出变速齿轮的每秒转速，用变速比和车轮周长计算出线速度，积分求行驶距离。但在齿轮箱中使用光电开关，要求有足够的安装位置，不能影响传动机构的机械动作。其优点是工作稳定。综合以上方案优劣和小车的结构特点，我们采用方案二。电源与稳压模块方案分析与比较方案一、采用交流电经直流稳压处理后供电。采用交流电提供直流稳压电源，电流驱动能力及电压稳定性最好，且负载对电源影响也最小。但由于需要电线对小车供电，极大影响了智能小车行动的灵活性及地形的适应能力。而且避障小车极易把拖在地上的电线识别为障碍物，人为增加了不必要的障碍，故放弃了这一方案。方案二、采用蓄电池供电。蓄电池具有较强的电流驱动能力和较好的电压稳定性能，且成本低廉。可采用蓄电池经7812芯片稳压后给电机供电，再经过降压接7805芯片给单片机及其他逻辑单元供电。但蓄电池体积相对庞大，且重量过大，造成电机负载过大，故最终放弃了这一方案。方案三、采用干电池组进行供电。小车使用4节充电电池供电，4节串联为4.8–5V，可以满足各个芯片的供电要求，为了能适用于用普通电池供电，在电源部分采用LM2940来稳定电压，配合去耦电容滤去电源的杂波。这样解决了因普通电池的电压1.5V，新的通常有1.6V，4节串联将达6.4V，引起的电压的不稳定，内阻随着使用逐渐增大引起系统中芯片损坏等问题。为了避免电机启动及制动时的短暂电压干扰不会影响到逻辑单元和单片机的工作，采用电机单独供电。综合以上考虑，我们采用方案三。电机驱动及PWM调速模块方案分析与比较方案一、使用分立元件搭建电机驱动电路。使用分立元件搭建电机驱动电路造价低廉，在大规模生产中使用广泛。但分立元件H桥电路工作性能不够稳定，较易出现硬件上的故障，故放弃了这一方案。方案二、使用MC33886芯片驱动电机。MC33886是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；直接用单片机的I/O口提供信号，而且带有使能端，方便PWM调速，电路简单，性能稳定，使用方便。MC33886芯片可以用来驱动2个直流电动机或步进电动机等感性负载，正好符合小车两个二相电机的驱动要求。综合以上考虑，采用MC33886芯片驱动小车电机。MC33886驱动电机原理MC33886电机驱动电机供电电源+5V直流逻辑电平保护电路保护电路左电机右电机元件安装前后寻迹光电开关测障红外传感器转向灯车体中心光敏电阻蜂鸣器跳绚霓虹灯数据采集原理A/D转换技术——A/D转换器将电位器输入的模拟电压转换成数字量，然后送入单片机进行处理。逐次比较型A/D转换原理——逐次比较型A/D转换器由比较器C、D/A转换器、寄存器、时钟脉冲源和控制逻辑5个部分构成。A/D转换器的主要参数——A/D转换器件的转换精度和转换速度是决定ADC器件的重要参数，其中转换精度一般用分辨率和转换误差来描述。路径识别电路设计RPR220接收到反射信号，根据接收光强的不同输出不同的电压值。将输出的电压与比较器的阀值电压进行比较，当高于阀值电压时，LM293输出低电平，反之，输出高电平。将LM293的输出端接到单片机的IO口上来检测是否脱离轨道，并作出相应的转向调整。路径识别电路车速检测电路障碍物检测电路电源电路电机驱动电路键盘及显示子程序设计在键盘程序部分，用键盘来控制小车的工作状态，在显示程序部分通过从速度采集端口采集来的二进制数字转化为可以显示的ASCII码值，来实时显示速度和小车的转向指示。NN键盘扫描按键测试延时消抖判断键值延时消抖有键按下？有键按下是否释放返回NYY电机控制子程序Y控制开始计算速度，依据给定值和PID参数计算电机驱动PWM值解析命令收到命令？有脉冲？计算出？根据PWM参数计算出电机驱动所需参数NNYNY输出控制值障碍物检测子程序依据障碍物情况，从动作函数中选择动作传感器端口反馈值A/D转换为所需值值为多少？记录小车动作时间有障碍物溢出中断中断返回寻迹子程序循迹检测开始PINA&0X38=0X00PINA&0X38=0X08PINA&0X38=0X30PINA&0X38=0X20PINA&0X38=0X28PINA&0X38=0X30PINA&0X38=0X38出界，后退探测熄灭全部LED转右点亮右边LED前进两个LED点亮转左点亮左边LED直行点亮两个LED前进点亮两个LED十字线或终点转左探测YYYYYYYNNNNNN返回硬件看门狗电路MCU监控电路，即看门狗电路，时刻监视着单片机的运行状态，当单片机进入死寻环或死机后，复位单片机，使系统重启，从而保证系统的正常运行。它实际上是一个定时器，这个定时器只要上电就开始运行，当外界给它一个跳变的脉冲时，定时器就清零。如果外界超过一定时间没有跳变脉冲输入，则该定时器一直运行到溢出，这时就会输出复位信号。在实际的系统中，单片机的一个引脚接到看门狗电路的输入端，并每隔一段时间改变该引脚的输出电平，使看门狗定时器清零，这叫做运行喂狗指令。当单片机进入死寻环或死机而无法再持续执行喂狗指令时，看门狗就复位单片机。基本复位电路结论及展望在学习智能控制原理，单片机及传感器等相关知识的基础上，本课题对以单片机作为中心控制器的智能车控制系统进行了研究，从硬件和软件两方面对智能小车进行了设计。针对小车在行驶过程中的不同要求，采用模块化设计方案设计智能小车，从而实现了智能小车实时显示速度和里程，实现规定区域内自动寻迹、避让障物等功能。在对智能小车的设计过程中，我了解到我国的机器人教育还处于初级阶段，而智能小车的研究为机器人控制理论的学习奠定了扎实的基础，因此，本课题具有一定的现实意义。诚然，智能小车的“智能”是有限的，由于传感器受到自身性能的影响，传感器获得的信息非常有限，随着传感器种类的增多，一个强大的智能系统应该是一个多传感器系统，也是信息感知的新的研究方向。谢谢！