智能小车设计

本科组C题--智能小车设计长安大学代表队2011年全国大学生电子设计竞赛交流报告弘毅明德笃学创新2011-11-27长安大学Chang'anUniversity主要报告内容一、题目要求及设计思路简介二、智能小车系统设计三、系统关键问题分析及解决方案四、系统实现及测试五、指导教师点评2011年全国大学生电子设计竞赛交流报告主要报告内容一、题目要求及设计思路简介二、智能小车系统设计三、系统关键问题分析及解决方案四、系统实现及测试五、指导教师点评2011年全国大学生电子设计竞赛交流报告1.1题目要求简介题目要求两辆小车在如右图所示的赛道上实现如下功能：1.基本要求（1）甲车和乙车分别从起点标志线开始，在行车道各正常行驶一圈。（2）甲、乙两车按图所示位置同时起动，乙车通过超车标志线后在超车区内实现超车功能，并先于甲车到达终点标志线，即第一圈实现乙车超过甲车。（3）甲、乙两车在完成(2)时的行驶时间要尽可能的短。1.1题目要求简介2.发挥部分（1）在完成基本要求(2)后,甲、乙两车继续行驶第二圈，要求甲车通过超车标志线后要实现超车功能，并先于乙车到达终点标志线，即第二圈完成甲车超过乙车，实现了交替领跑。甲、乙两车在第二圈行驶的时间要尽可能的短。（2）甲、乙两车继续行驶第三圈和第四圈，并交替领跑；两车行驶的时间要尽可能的短。（3）在完成上述功能后，重新设定甲车起始位置（在离起点标志线前进方向40cm范围内任意），实现甲、乙两车四圈交替领跑功能，行驶时间要尽可能的短。1.2设计思路介绍智能小车功能需求精准寻迹快速行进位置同步自主超车解决方案红外传感器+步进电机+ARM控制板+无线收发完成功能需求所需的模块光电检测模块无线通讯模块电机及驱动模块供电系统模块主处理模块主要报告内容一、题目要求及设计思路简介二、智能小车系统设计三、系统关键问题分析及解决方案四、系统实现及测试五、指导教师点评2011年全国大学生电子设计竞赛交流报告1、主处理板选型2.1智能小车硬件设计方案一:采用AT89S52单片机作为主控芯片。其特点是功耗较低，集成度较高，兼容性较好，但CPU处理速度及片上资源有限，不适合复杂实时控制系统的应用。由于在小车运行过程中，涉及大量数据处理，需要完成传感器检测、电机控制、定时计数等功能。因此此系统需要有良好的运算性能，对两个小车的速度控制要求较高，而此普通单片机运算速度较慢，不能满足需求。2.1智能小车硬件设计方案二：采用嵌入式系统采用LM3S615的ARM芯片作为控制核心。LM3S615是基于ARM®Cortex-M3的控制器，它将高性能的32位计算引入嵌入式微控制器应用中。其特点是运算速度快，外围器件简单，功耗低，片上资源丰富，能满足小车的速度控制以及无线通信设备的需求，是目前性价比较高的控制类芯片。基于以上分析，我们选择方案二。2.1智能小车硬件设计2、电机及驱动模块的选择方案方案一：选择普通直流电机。直流电机可以通过减速齿轮增大扭力，提高带负载能力。直流电机的优点是：价格便宜，驱动控制容易，但不能做到精确控制是其一大弱点。2.1智能小车硬件设计方案二：选择步进电机。步进电机的特点是：可以精确控制电机选择步数和角度，能良好的达到题目要求的精确度。考虑到题目性能要求，我们选择了步进电机，同时采用电机驱动芯片BA6845FS。BA6845FS包含两个独立的H桥电路。直接给芯片上电，即可实现电机的驱动。此芯片集成度高，电路简单，控制方便可靠，体积小，效率高。2.1智能小车硬件设计3、位置同步方案方案一：采用超声波传感器测距方案超声波传感器采用IO触发测距，模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回。有价格便宜、使用简单的优点。但是不能准确测得小车超车及姿态调整时的距离，因此采用此种方案稳定性不高2.1智能小车硬件设计方案二：采用无线通信方案采用无线通信的方式可以在小车启动时、超车时很好的实现位置信号的同步，效果稳定。相比于电路复杂，成本高，实时性不好，控制复杂的Zigbee无线收发模块，我们采用无线收发模块UP-96。该模块采用了9600bit/s的波特率，直接可以连接到本设计的处理器输出口，无需在无线模块上编制程序，易于控制，传输速率高，可编程控制输出功率，操作简单。基于以上的分析，采用方案二。2.1智能小车硬件设计4、循迹模块的选择方案一：采用光敏电阻组成光敏探测器。光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变化。当光线照射到白线上面时，光线反射很强烈，光线照射到黑线上面时，光线反射较弱。基于光的反射原理因此光敏电阻在白线和黑线上方时，阻值会发生明显的变化。将阻值的变化值经比较器就可以输出TTL高低电平信号。但是这种方案受光照影响很大，不能够稳定的工作。2.1智能小车硬件设计方案二：采用反射式红外传感器。利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点，在小车行驶过程中红外发射管不断发出红外射线。当发出的红外射线照射到白色的平面后经反射，则检测出白线继而输出低电平；当发出的红外射线照射到黑色的平面后被吸收，则收不到发射管发出的红外线，则检测出黑线继而输出高电平。微控制器就是通过接收到的高低电平为依据来确定小车相对于黑线的位置。只要选择数量和探测距离合适的红外传感器，就可以精确控制小车。基于以上的分析，采用方案二。本设计中添加了鸣笛功能，由比较器和喇叭组成。当甲乙两车启动时、超车时以及到达终点时都会以鸣笛作为标志。2.1智能小车硬件设计5、鸣笛电路设计2.2智能小车软件设计本系统采用嵌入式的ARM芯片LM3S615作为控制核心。使用两个32位定时计数器的中断来对步进电机的时序进行控制，这样可以充分利用CPU的资源，精确而简单的控制小车的速度。小车在行进过程中不断检测红外传感器，判断小车是否偏离跑道外侧的黑线，可以通过调整定时器的计数值来调整两轮的速度，进而对小车的位置及方向进行矫正。对定时器的进一步控制可以准确的实现小车的转弯及超车。两车之间通过无线通信模块进行位置同步。软件流程图如下：2.2智能小车软件设计甲车软件流程图2.1智能小车软件设计乙车软件流程图主要报告内容一、题目要求及设计思路简介二、智能小车系统设计三、系统关键问题分析及解决方案四、系统实现及测试五、指导教师点评2011年全国大学生电子设计竞赛交流报告3.1小车行驶路径规划小车行驶路径规划如图所示：小车通过检测外边缘线来循迹，通过检测拐弯标志线进行弧度拐弯（转弯过程中不检测边缘线，而是通过计算步数来控制）。根据题目要求，黑色线有实横线（转弯及超车标志线）、实竖线（边缘标志线）和虚竖线（超车控制线），小车通过检测不同种类的线来确定方位和行为。为了正确检测识别各类标线，需要合理设置传感器布置方式及传感器数量，本系统以右边缘线作为检测基准线，边缘线宽度为2cm，所以在小车车身右侧2cm处布置3个红外传感器（按从左往右顺序依次命名为：IA，IB，IC），传感器间距为0.9cm，用以检测边缘线。小车车身前部中轴线位置放置1个红外传感器（命名为：ID）用以检测转弯及超车标志线。由于小车在行进过程中两个电机会分别出现失步、越步及受到其他干扰，小车需要不断调整自身姿态以确保按照正确的方式前进，各传感器输出真值表及其对应控制方式如下：3.2路径检测与循迹控制方法分析IAIBICID控制方式0000若为开始状态，向右前方前进；若为转弯状态，等待转弯结束；若为超车状态，等待超车结束。0010车辆偏左，向右调整，使小车靠右前行驶。0110正常循迹状态，继续前行。1110小车偏右，向左调整，防止跌落1111检测到转弯线，继续监测50步，若无第二条线，执行转弯。若有第二条累加判断是否进入超车区。其他传感器异常，转入异常处理3.2路径检测与循迹控制方法分析3.3姿态修正及转弯、超车控制通过对小车行驶轨迹分析，小车在行进过程中主要有以下四种控制模式。直线控制：结合题目要求及车体稳定性需求，将左右轮速度设为同一最大值。根据传感器返回的信号判断，若车体发生偏移，则调用姿态修正函数进行微调。姿态修正：若检测到左偏，右侧电机减速，否则左侧电机减速。转弯控制：当检测到转弯标志线时，左轮速度减慢，右轮速度保持不变。当转过一定角度后，直行并循环检测边线。超车控制：当前车检测到超车标志线后，转弯并减速，等待超车完成信号，并在接受到超车完成信号后加速。当后车检测到超车标志线后，从超车区域进行超车，完成后发送超车完成信号。3.4行进间两车位置同步本系统中启动和每次超车结束时都会有一次位置同步，位置同步是通过无线通信发送指令实现的。第一次同步：启动时，甲车在前，乙车在后。乙车在起跑以前会给甲车一个启动指令，保证两车同时启动。第二次同步：在超车结束时，前车会给后车发送一个加速指令，使两车继续前进。通过以上两次位置同步及步进电机对行进距离的准确控制实现了两车距离保持和自主超车。方法简单且减少了车间通讯次数。主要报告内容一、题目要求及设计思路简介二、智能小车系统设计三、系统关键问题分析及解决方案四、系统实现及测试五、指导教师点评2011年全国大学生电子设计竞赛交流报告4.1系统实现我们完成的智能小车4.1系统实现--演示4.2系统测试1、测试方案将两个小车按照要求放在起点标志线处，先分别测出两个小车各正常行驶一圈的时间，然后再测试两个同时起动的小车进行交替超车一圈、两圈、三圈、四圈的时间。测试条件小车在由2块细木工板（长244cm，宽122cm）拼接而成的赛道上行驶,进行多次测试。4.2系统测试2、测试结果（1）甲和乙单独行驶一圈数据小车类型次数总时间甲112.5s212.2s312.2s乙112.3s212.2s311.9s小车类型次数用时是否发生碰撞甲116.2s否216.1s否316.1s否乙111.9s否212.0s否312.1s否4.2系统测试（2）第一圈乙超甲数据（3）第二圈甲超乙数据小车类型次数用时是否发生碰撞甲112.0s否212.0s否312.1s否乙116.1s否216.0s否315.9s否4.2系统测试小车类型次数用时是否发生碰撞甲116.1s否216.1s否316.0s否乙112.3s否212.0s否312.1s否（4）第三圈乙超甲数据4.2系统测试（5）第四圈甲超乙数据小车类型次数用时是否发生碰撞甲111.9s否212.0s否312.1s否乙115.8s否216.0s否316.1s否4.2系统测试4.2系统测试3、测试结果分析根据上述测试数据，由此可以得出以下结论：（1）甲乙两车在行驶中速度设置恰当，既不会出现因为车速太慢，使小车停机，又不会出现车速太快冲出跑道的现象。（2）甲乙两车在行驶中不发生碰撞并准确地实现超车功能。（3）甲乙两车行驶时间是比较理想的，同时本设计中添加了鸣笛功能，当甲乙两车启动时，超车时以及到达终点时都以鸣笛作为标志。综上所述，本系统达到设计要求。主要报告内容一、题目要求及设计思路简介二、智能小车系统设计三、系统关键问题分析及解决方案四、系统实现及测试五、指导教师点评2011年全国大学生电子设计竞赛交流报告指导教师点评由于没有参与比赛过程，在这里只能通过训练过程中对学生的观察了解和赛后分析对本作品进行点评，并把我们的训练经历及经验与大家分享！指导教师点评作品优点：选用ARM平台，处理速度快，ARM芯片片上资源多，开发简单方便采用步进电机，控制比较精准整车体积小，重心低，行进姿态稳定，操控灵活、可靠用简单的控制方法完成系统的功能需求--外边缘循迹，线路简单规整--只用一种传感器实现两车相互位置感知指导教师点评作品不足：仅在两处对小车进行了位置同步，没有实现车辆间位置实时同步，对车辆位置的控制依赖于步进电机转弯控制方法只适用于低速情况，速度稍高，车辆很容易飞出场地理论分析较少，较多依靠实验和经验进行控制方法设计指导教师点评--训练过程回顾整队训练时间为12个月：2010.9-2011.8参赛人员为经过选拔、基础较好的大三本科生。训练阶段一（2010.9-2011.1）：基本功训练该阶段主要训练控制类题所涉及的模块，根据学生兴趣、特点设