循迹、避障、寻光小车实验报告

1简易智能小车摘要：本系统基于自动控制原理，以MSP430为控制核心，用红外传感器、光敏三极管、霍尔传感器、接近开关之间相互配合，实现了小车的智能化，小车完成了自动寻迹、避障、寻光入库、计时、铁片检测、行程测量的功能。本系统采用液晶LCD12864显示数据，良好的人机交流界面，显示小车行程的时间、铁片中心线离起始线的距离和铁片的个数。整个系统控制灵活，反应灵敏。关键词：MSP430传感器LCD12864目录2一、方案论证与比较.............................................................................................31、题目任务要求及相关指标的分析...................................................................32、方案的比较与选择...........................................................................................3（1）控制单元的选择....................................................................................3（2）直流电机驱动电路的选择....................................................................3（3）轨迹探测模块选择................................................................................3（4）金属片的探测........................................................................................3（5）路程测量方案的选择............................................................................4（6）避障方案的选择....................................................................................4（7）小车寻光方案的选择............................................................................4（8）电源的选择............................................................................................4（9）刹车机构功能方案比较........................................................................5二、系统总体设计方案及实现方框图........................................................................51、系统总体设计方案...........................................................................................52、系统实现框图...................................................................................................5三、理论分析与计算.................................................................................................51、铁片中心线距离的测量...................................................................................52、小车行程时间的测量.......................................................................................5四、主要功能电路设计.............................................................................................61、小车循迹模块...................................................................................................62、小车检测铁片模块...........................................................................................63、小车测距模块...................................................................................................64、小车避障模块...................................................................................................65、小车寻光模块...................................................................................................66、直流电机驱动模块...........................................................................................7五、系统软件的设计...................................................................................................8六、测试量数据与分析...............................................................................................81、测量数据...........................................................................................................82、数据分析...........................................................................................................8参考文献.......................................................................................................................83一、方案论证与比较1.题目任务要求及相关指标的分析题目要求小车按照规定的跑道行驶，同时检测在跑道下的铁片，在检测到最后一块铁片时小车会有连续的声光显示；后又可以准确的避开障碍，而且不与障碍物接触；最后，在光源的引导下，进入车库。智能小车有显示功能，可以显示检测到铁片的数量，金属片距起点的距离，行驶的总时间。整个行驶过程中的总时间不大于90秒，小车在行驶90秒后会自动停车。2.方案的比较与选择（1）控制单元的选择方案一：利用单片机与FPGA配合使用。基于FPGAI/O口数量多以及运算速度快的特点，对各种传感器得到的信号进行处理，将处理结果交予单片机，从而由单片机控制小车的行驶。方案二：利用TI的单片机MSP430，该芯片集成了模拟电路、数字电路、微处理器，具有AD采样、比较器、产生PWM控制信号，掉电可以继续复位工作等功能。此外，MSP430有众多的I/O口，可以很好的实现对小车的控制。由于FPGA太大，不宜装在小车上，并且FPGA不好供电。题目对小车的实时性要求不是很高，所以我们所需要的控制单元不必要具备很高的运算速度，故两种方案都可以很好的实现题目的要求。出于对成本和功耗的考虑，我们采用方案二。（2）直流电机驱动电路的选择方案一：采用H型桥式驱动电路。直流电机驱动使用最广泛的是H型桥式驱动电路，这种电机可以很方便的实现直流电机的四象限运行，分别对应正转、正转制动、反转、反转制动。但是使用时需要注意直通短路，这给电路带来了不稳定因素。方案二：利用驱动专用芯片L298。L298是集成的桥式驱动电路，最大驱动电流可达到4A。该芯片使用时外围电路简单，控制方法十分方便。而且其驱动效果良好。经过比较，一块L298可以驱动两个电机，大大简化了驱动电路，所以我们采用方案二。（3）轨迹探测模块选择方案一：采用红外对管检测。一般自然光线中红外线频段能量较弱，而且红外线波长较长，近距离衰减小，这样在一定程度上能避免外界光源干扰，可以更为可靠的探测近距离的黑线。方案二：采用光敏电阻检测。光敏电阻对光强敏感，当光强时其电阻较小。黑线和白纸对光的反射能力不同，所以可以利用这一性质，判断黑线的位置。在车下面，光强较弱，会在一定程度上影响光敏电阻的功能，并且还有钨丝灯对光敏电阻的影响，不同的地方光强不一样。另外，光敏电阻对光强有一定的反应时间，实时性不如红外对管，难以达到小车循迹的要求，所以我们选择方案一。（4）金属片的探测方案一：采用分立的霍尔元件。霍尔元件在接近金属时，由于其电磁效应，会产生脉冲信号。然而，它产生的脉冲信号不是十分稳定，不便于信号的处理。方案二：采用工业用的集成金属检测元件——接近开关。当其接近金属片4时可以产生很稳定的脉冲信号。当检测到金属的时候输出为低电平，没有检测到金属的时候为高电平。变化非常灵敏，接近开关完全能满足要求，最后我们采用方案二。（5）路程测量方案的选择方案一：采用红外发射—接收对管。在车轮涂有黑白两种颜色，红外发射—接收对管对准不同的颜色时会得到高低不同的脉冲电平，进而得到车轮所转圈数。电动车在行驶过程中车轮所转的圈数，再乘以车轮的周长便可得到小车行驶的路程。方案二：采用霍尔传感器。霍尔传感器由霍尔开关、磁铁组成。其工作原理是将霍尔开关和磁铁分别安装在车架、车轮的适当位置。辆行驶时，在磁铁的作用下，霍尔开关产生开关信号，累计开关信号的总数，再乘上车轮的周长，便可计算出车辆行驶的距离。方案三：采用接近开关。在车轮上安装铁片。当其接近金属片时可以产生很稳定的脉冲信号。当检测到金属的时候输出为低电平，没有检测到金属的时候为高电平。累计脉冲信号的总数，再乘上车轮的周长，便可计算出车辆行驶的距离。考虑到安装传感器的部位在车轮处，此处较弱的光强会影响对管的工作，使得方案一在测量时会受到较大的影响。由于接近开关过大，不好装在车轮上，固方案三不可取。而霍尔传感器受到的影响这较小，故方案二可以实现较精确的测量。所以我们选择方案二。（6）避障方案的选择方案一：采用超声波探测。超声波频率高、波长短、定向性好、能量集中，适合于距离测量，且不易受光线干扰。利用超声探头，可以确定前方是否有障碍物以及障碍物和小车的距离，将数据送与430处理，可以确定小车避障的具体路线，但其电路比较复杂。方