DZ032簡易智能電動車系統(tǒng)設(shè)計,dz032,簡易,智能,電動車,系統(tǒng),設(shè)計 1目錄目錄 ................................................................................................................................................2簡易智能電動車設(shè)計要求 ............................................................................................................3一、任務(wù) .................................................................................................................................3二、要求 .................................................................................................................................3三、評分標(biāo)準(zhǔn) .........................................................................................................................4四、說明 .................................................................................................................................4簡易智能電動車設(shè)計論文 ............................................................................................................5摘要 ................................................................................................................................................5Abstract...........................................................................................................................................51 方案設(shè)計與論證 ........................................................................................................................61.1 小車本體 ..........................................................................................................................61.2 主控單元 ..........................................................................................................................61.3 信息感知單元 ..................................................................................................................71.4 驅(qū)動單元 ..........................................................................................................................81.5 人機(jī)接口單元 ..................................................................................................................81.6 策略的選擇 .......................................................................................................................82 理論設(shè)計 ..................................................................................................................................102.1 小車本體設(shè)計 ................................................................................................................102.2 小車主控系統(tǒng)設(shè)計 ........................................................................................................112.3 信息感知單元的設(shè)計 ....................................................................................................132.4 電機(jī)驅(qū)動單元 ................................................................................................................193 特色與創(chuàng)新 ..............................................................................................................................203.1 串行掃描實(shí)現(xiàn)的人機(jī)接口 ............................................................................................203.2 避障單元的設(shè)計 ............................................................................................................203.3 尋光雷達(dá)及小車位姿控制 ............................................................................................204 調(diào)試過程及測試數(shù)據(jù)分析 ......................................................................................................214.1 調(diào)試儀器儀表 ................................................................................................................214.2 調(diào)試數(shù)據(jù)及分析 ............................................................................................................21參考文獻(xiàn) ......................................................................................................................................232簡易智能電動車設(shè)計要求一、任務(wù)設(shè)計并制作一個簡易智能電動車，其行駛路線示意圖如下：二、要求1、基本要求（1）電動車從起跑線出發(fā)（車體不得超過起跑線） ，沿引導(dǎo)線到達(dá) B 點(diǎn)。在“直道區(qū)”鋪設(shè)的白紙下沿引導(dǎo)線埋有 1~3 塊寬度為 15cm、長度不等的薄鐵片。電動車檢測到薄鐵片時需立即發(fā)出聲光指示信息，并實(shí)時存儲、顯示在“直道區(qū)”檢測到的薄鐵片數(shù)目。（2）電動車到達(dá) B 點(diǎn)以后進(jìn)入“彎道區(qū)” ，沿圓弧引導(dǎo)線到達(dá) C 點(diǎn)（也可脫離圓弧引導(dǎo)線到達(dá) C 點(diǎn)） 。C 點(diǎn)下埋有邊長為 15cm 的正方形薄鐵片，要求電動車到達(dá) C點(diǎn)檢測到薄鐵片后在 C 點(diǎn)處停車 5 秒，停車期間發(fā)出斷續(xù)的聲光信息。（3）電動車在光源的引導(dǎo)下，通過障礙區(qū)進(jìn)入停車區(qū)并到達(dá)車庫。電動車必須在兩個障礙物之間通過且不得與其接觸。（4）電動車完成上述任務(wù)后應(yīng)立即停車，但全程行駛時間不能大于 90 秒，行駛時間障礙物1障礙物21m 1m 2mR=0.8mCB5cm起跑線 1.2m2.3m0.4m5cm5cm2cm5cm5cm2cm停車區(qū)0.4m12cm光源1.45m0.4m0.3m直道區(qū)彎道區(qū)2mO50cm障 礙 區(qū)引導(dǎo)線車庫0.2m0.4m15cm12.5cm12.5cm5cm3達(dá)到 90 秒時必須立即自動停車。2、發(fā)揮部分（1）電動車在“ 直道區(qū)” 行駛過程中，存儲并顯示每個薄鐵片（中心線）至起跑線間的距離。（2）電動車進(jìn)入停車區(qū)域后，能進(jìn)一步準(zhǔn)確駛?cè)胲噹熘?，要求電動車的車身完全進(jìn)入車庫。（3）停車后，能準(zhǔn)確顯示電動車全程行駛時間。（4）其它。三、評分標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng) 目 滿分設(shè)計與總結(jié)報告：方案比較、設(shè)計與論證，理論分析與計算，電路圖及有關(guān)設(shè)計文件，測試方法與儀器，測試數(shù)據(jù)及測試結(jié)果分析50基本要求實(shí)際完成情況 50完成第（1）項(xiàng) 15完成第（2）項(xiàng) 17完成第（3）項(xiàng) 8發(fā)揮部分其它 10四、說明1、跑道上面鋪設(shè)白紙，薄鐵片置于紙下，鐵片厚度為 0.5～1.0mm。2、跑道邊線寬度 5cm，引導(dǎo)線寬度 2cm，可以涂墨或粘黑色膠帶。示意圖中的虛線和尺寸標(biāo)注線不要繪制在白紙上。3、障礙物 1、2 可由包有白紙的磚組成，其長、寬、高約為 50cm 12cm 6cm，兩個?障礙物分別放置在障礙區(qū)兩側(cè)的任意位置。4、電動車允許用玩具車改裝，但不能由人工遙控，其外圍尺寸（含車體上附加裝置）的限制為：長度≤35cm ，寬度≤15cm。5、光源采用 200W 白熾燈，白熾燈泡底部距地面 20cm，其位置如圖所示。6、要求在電動車頂部明顯標(biāo)出電動車的中心點(diǎn)位置，即橫向與縱向兩條中心線的交點(diǎn)。4簡易智能電動車設(shè)計論文摘要本設(shè)計基于計算機(jī)控制技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、智能控制技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)及機(jī)器人學(xué)研制了一個能自動尋線、識別并測量鐵片、避障、自主規(guī)劃路徑的智能電動小車。論文分析了小車本體、主控系統(tǒng)、信息感知單元、驅(qū)動單元等模塊的理論論證、設(shè)計與調(diào)試過程，并結(jié)合實(shí)際調(diào)試過程的分析，詳細(xì)闡述了小車整個行駛過程中的運(yùn)動參數(shù)的規(guī)劃與實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計在特色部分論文分析了以 Mega8 芯片為主基于概率分析的避障單元的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)，串行掃描方式實(shí)現(xiàn)的人機(jī)接口，尋光雷達(dá)，小車位姿控制等內(nèi)容。本設(shè)計的理論設(shè)計方案、調(diào)試方法、測試數(shù)據(jù)分析方法及設(shè)計中的特色與創(chuàng)新點(diǎn)等對自動運(yùn)輸機(jī)器人、家用清潔機(jī)器人、滅火機(jī)器人等自主及半自主機(jī)器人的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)有一定的參考意義。關(guān)鍵詞：兩輪小車 光電尋線 PWM 調(diào)速 尋光雷達(dá) 路徑規(guī)劃 自適應(yīng) 位姿控制AbstractBased on the computer control theory, MPU technology, sensing technology, intelligent control theory, mechatronics and Robotics, we have designed a little intelligent electro-drive car which can trace black lines automatically, identify iron and then measure its size. This little car also have the ability of obstacle avoidance, route planning, distance measuring etc .In our thesis, we give the details of the theoretic formulating, designing, debugging of our car’s main body, it’s main control system, it’s information perceiving unit, driving unit and it’s motion strategy. With the analysis of our debugging process, we give the planning of the car’s motion parameters which must be considered during the car’s whole task.In Part 3, we show our innovative points: Probability analysis based obstacle avoidance unit, human-machine interface based on serial scanning method, light-seeking radar, and self-adaptive position control.Finally, we think our work could have a profound influence on the design and implementation of fully-autonomy or semi-autonomy robot such as autonomic transport robot, fire-fighting robot, home clearing robot, etc. Keywords: 2-wheel vehicle, PWM, light seeking radar, route planning, self-adaptive51 方案設(shè)計與論證根據(jù)題目的設(shè)計要求，小車要能自動尋線、檢測金屬物、避障、尋光、測距離以及在不同的區(qū)域控制自己的速度與行駛角度。我們把設(shè)計分為五個相對獨(dú)立的部分，這樣降低了設(shè)計的復(fù)雜度，使得整體條理更為清晰。這五個部分是：小車本體、主控單元、信息感知單元、驅(qū)動單元。1.1 小車本體小車行走機(jī)構(gòu)的方案分析與選擇： 方案一 履帶式行走機(jī)構(gòu)：運(yùn)行平穩(wěn)、可靠，走直線效果很好；但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、移動速度較慢，轉(zhuǎn)彎過程的控制性能較差。方案二 腿式行走機(jī)構(gòu)：可以走出多種復(fù)雜的路線，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)動中的平衡性和穩(wěn)定性差、移動速度較慢。方案三 兩輪式行走機(jī)構(gòu)：結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)動平穩(wěn)、移動速度快、轉(zhuǎn)彎性能好，且易于控制，適用于小功率的行走驅(qū)動。方案四 四輪式行走機(jī)構(gòu)：結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)動平穩(wěn)、移動速度快、易于控制，但原地轉(zhuǎn)彎性能不夠好。通過對比賽中小車要完成的任務(wù)的研究以及對四種方案的對比，我們最終選擇了兩輪式行走機(jī)構(gòu)。車體框架，基于設(shè)計要，我們以對稱結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)設(shè)計。1.2 主控單元1.2.1 硬件方案近年來，單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)發(fā)展迅速，為智能裝置的開發(fā)設(shè)計帶來了很大的便利。但68HC 與 51 系列等傳統(tǒng)的基于累加器結(jié)構(gòu)的單片機(jī)，需要大量的程序代碼，以實(shí)現(xiàn)累加器之間的數(shù)據(jù)傳送，給匯編的程序開發(fā)增加了困難，也使高級語言開發(fā)中的編譯效率難以提高。AVR 單片機(jī)采用 RISC 結(jié)構(gòu)，具有 1MIPS/MHz 的高速運(yùn)行處理能力；同時采用低功率，非揮發(fā)的 CMOSE 工藝制造，內(nèi)部分別集成 Flash, EEPROM 和 SRAM 三種不同性能和用途的存儲器。特別地，除了可以通過 SPI 口和一般的編程器對 AVR 單片機(jī)的Flash 程序存儲器和 EEPROM 數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行編程外，還具有在線編程的特點(diǎn)，這給調(diào)試和使用帶來了極大的方便。在 AVR 家族中，ATmega16 芯片內(nèi)部集成了較大容量的存儲器和豐富強(qiáng)大的硬件接口電路，具備 AVR 高檔單片機(jī) Mega 系列的全部優(yōu)點(diǎn)，其價格于低檔單片機(jī)相當(dāng)，具有很高的性價比，較 AVR 的 AT90 系列相比，其 6 通道的 A/D 轉(zhuǎn)換是 AT90 系列所不具備的。同時，Mega 系列的高可靠性完全保證了在小車系統(tǒng)中無需光電隔離的直接輸出方式，故在小車的主控系統(tǒng)選用 ATmega16 單片機(jī)。1.2.2 軟件單元匯編語言作為傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)的編程語言，具有執(zhí)行效率高的優(yōu)點(diǎn)，但其本身是低6級語言，編程效率較低，可移植性和可讀性差，維護(hù)極不方便。而 C 語言以其結(jié)構(gòu)化，容易維護(hù)，容易移植的優(yōu)勢滿足開發(fā)的需要。AVR 的 RISC 結(jié)構(gòu)與 ICC AVR 開發(fā)平臺保證了較高的編譯效率，且有易于上手的特點(diǎn)，使我們能順利的用 C 語言開發(fā) AVR 系統(tǒng)。1.3 信息感知單元1.3.1 黑白區(qū)域檢測單元要識別黑白區(qū)域可采用，光敏電阻、光敏二極管等對可見光敏感的器件，也可選用紅外器件結(jié)合比較器輸出高低電壓的處理單元。但這兩個方案都有受環(huán)境光影響較大的缺陷。在本設(shè)計中我們確定了基于 A/D 轉(zhuǎn)換的反射式紅外線感知單元，以檢測黑線和跑道邊線的位置。1.3.2 鐵片檢測單元方案一：利用鐵片的導(dǎo)磁作用即可檢測位于磁塊與霍爾式傳感器之間的鐵片?；魻柺絺鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)簡單，頻率響應(yīng)寬，選用開關(guān)輸出方式集成霍爾式器件可直接輸出高低電平。 方案二： 電感式金屬接近傳感器。當(dāng)外界的金屬性導(dǎo)電物體到達(dá)感應(yīng)區(qū)時，金屬物體內(nèi)產(chǎn)生渦流效應(yīng)，導(dǎo)致 LC 震蕩電路震蕩減弱，振幅變小，這一震蕩的變化，被后置電路放大處理并轉(zhuǎn)換為一確定的輸出信號達(dá)到檢測的目的。根據(jù)需要，同時考慮題目的設(shè)計時間與開發(fā)工作量，我們采用成品的電感式金屬接近傳感器。1.3.3 尋光檢測傳感器引導(dǎo)光源的方向的檢測有如下方案：方案一：在小車上固定的有指向的光敏檢測單元，利用其輸出信號的變化與小車的轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系來確定小車的方向。方案二：在小車上安裝掃射角度大于 300 度的指向的光敏檢測單元，利用其輸出信號隨掃射角的變化關(guān)系，及尋光單元與小車之間的位置關(guān)系即可確定小車位姿與光源之間的相對關(guān)系。上述方案有快速性好，動態(tài)過程平穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn)，被選用。1.3.4 光強(qiáng)檢測光強(qiáng)檢測為了使小車可靠停于車庫，設(shè)計中增設(shè)了用 A/D 轉(zhuǎn)換檢測光敏電阻輸出信號的光強(qiáng)檢測單元。1.3.5 障礙檢測檢測障礙物，必須充分收集周圍環(huán)境信息，對其分析，最后確定障礙物的位置信息。常用的檢測手段有主動式和被動式。前者主動發(fā)射信號，再對的反射回的信號進(jìn)行分析處理。被動式檢測直接分析接受到的外部環(huán)境信號，要求系統(tǒng)自身信號處理能力較高。由于后者對檢測對象的針對性不強(qiáng)，我們選用主動式的檢測方式。7常用的檢測信號有超聲波、激光、紅外線。從抗干擾性、檢測精度、價格、使用性能等方面綜合考慮，我們選用了紅外線發(fā)射二極管和一體化接收頭配對檢測的方案。由于采用調(diào)制光技術(shù)及機(jī)遇統(tǒng)計分析的處理方式，所以在抗干擾性和穩(wěn)定性方面有較高的技術(shù)指標(biāo)。1.3.6 小車行駛速度、距離及鐵片長度檢測利用對行走過程的脈沖進(jìn)行計數(shù)即可測量小車速度、行駛距離，再配合鐵片檢測信號即可測量鐵片長度。所以這里只需討論對行走距離的檢測方案。方案一：用測速發(fā)電機(jī)檢測電機(jī)的轉(zhuǎn)動角度，該方案對玩具電機(jī)這樣的小驅(qū)動功率不適用。方案二：用增量式光電編碼盤檢測電機(jī)的轉(zhuǎn)動角度，利用安裝位置與輸出信號之間的對應(yīng)關(guān)系檢測電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。我們利用鼠標(biāo)光電編碼盤和光電對管改裝成了轉(zhuǎn)速檢測單元。1.4 驅(qū)動單元1.4.1 電機(jī)的選擇，驅(qū)動電路，電池的選擇小車采用雙電機(jī)分離驅(qū)動方式。永磁體直流電動機(jī)體積小，效率高，出力大，起動轉(zhuǎn)矩大，過載能力強(qiáng)，動態(tài)特性好，控制方便。電機(jī)型選擇時在體積，功率和轉(zhuǎn)速基本條件滿足的前提下主要還考慮伺服性能；綜上幾點(diǎn)要求我們選用了 151 型微型直流電機(jī)。小車尋線過程中要求被控電機(jī)能夠調(diào)速和正反轉(zhuǎn)控制，一般可以采用繼電器和H橋式驅(qū)動電路。本系統(tǒng)驅(qū)動單元選用的是電機(jī)驅(qū)動專用H橋驅(qū)動芯片L298。選用國產(chǎn)鎳氫電池，每節(jié) 1.2V 容量為 600mAh,5 節(jié)串接而成，額定電壓 6V，完全能夠滿足系統(tǒng)的需要。1.4.2 調(diào)速及正反轉(zhuǎn)控制方案直流調(diào)速可以選用電壓調(diào)速， 脈頻調(diào)速(PFM)，脈寬調(diào)速(PWM). 電壓調(diào)速一般調(diào)試比較復(fù)雜，功率損失大，故不用此方案。脈頻調(diào)速(PFM)一般用于大電機(jī)。而脈寬調(diào)速(PWM)簡單可靠。 PWM 輸出脈沖信號經(jīng)雙 H 橋功率驅(qū)動電路 L298 后接至左右輪電機(jī)，控制小車運(yùn)動。由于要達(dá)到比較高的控制要求，我們采用比例控制的閉環(huán)反饋電機(jī)調(diào)速。1.5 人機(jī)接口單元在人機(jī)接口單元我們選用了基于帶鎖存的移位寄存器的串行掃描方式的人機(jī)接口電路方案，較好地解決了口線占用，電路復(fù)雜度，使用功耗等問題。1.6 策略的選擇題目對小車的任務(wù)要求雖然比較簡單，但還是有多種策略可以選擇。不同的策略將8導(dǎo)致不同的控制特性。根據(jù)題目的示意圖及要求，我們可以將小車的運(yùn)動分成 4 個階段，每個階段都可以選定不同的策略。第一階段：從起跑點(diǎn)到 B 點(diǎn)，用尋線行走控制的方案，行進(jìn)速度為 米/秒，以便于對鐵片長度的準(zhǔn)確測量；第二階段：從 B 點(diǎn)到 C 點(diǎn)，用尋線行走控制的方案。這樣，既能保證小車可靠到達(dá)C 點(diǎn)，又能使小車到達(dá) C 點(diǎn)后的方向能大致指向引導(dǎo)光源；第三階段：自由避障，采用 控制方式。第四階段：進(jìn)入車庫，采用 控制方式。策略一：行程如圖 1.1。電動車出發(fā)后，在直道區(qū)沿引導(dǎo)線前進(jìn)，邊尋線，邊檢測金屬塊。在彎道區(qū)，沿引導(dǎo)線到達(dá) C 點(diǎn)后，檢測金屬塊，發(fā)出聲光信號，并停留五秒鐘。調(diào)整前進(jìn)方向，使之沿圓弧直徑前進(jìn)到 D,逆時針轉(zhuǎn) 90 度，沿平行 AB 邊前行到無障區(qū)的 E 點(diǎn)，調(diào)整方向進(jìn)入車庫。前進(jìn)到 D, 順時針轉(zhuǎn) 90 度 行程 CD=0.64m前進(jìn)到 E, 順時針轉(zhuǎn) 90 度 行程 DE=2.10m前進(jìn)到 F, 逆時針轉(zhuǎn) 90 度 行程 EF=0.15m前進(jìn)到 D, 順時針轉(zhuǎn) 90 度 行程 CD=0.50m圖 1.1 策略一示意圖 圖 2 策略二示意圖策略二：如圖 1.2 ，小車在直道區(qū)及 C 點(diǎn)狀況與策略一同。停留五秒鐘后，小車調(diào)整前進(jìn)方向，使之沿圓弧直徑前進(jìn)到 D1 心處。在圓心處搜索光源，然后調(diào)整車前進(jìn)方向，沿圓心與光源直線方向前進(jìn)，直達(dá)車庫。途中若遇障礙物，則首先避開障礙物，然后再搜索光源，從新確定前進(jìn)方向，直到達(dá)到車庫。前進(jìn)到 , 順時針轉(zhuǎn) ， 行程 =0.87 m1D?101D前進(jìn)到 , 順時針轉(zhuǎn) ，行程 =2.55 mFF前進(jìn)到 G, 停下，行程 =0.2mG1策略比較：采用策略一時，通道寬，安全性好，因此在方案中采用。而策略二的通道窄，危險，如車體方位精確，可選用，一般不用此策略。92 理論設(shè)計2.1 小車本體設(shè)計2.1.1 二輪式行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計采用兩個具有兩個自由度的傳統(tǒng)型車輪作為主動輪，并且采用雙電機(jī)分別通過減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動左右輪，為保持車體平衡，在車的前后各有一個支撐輪。這樣布置小車可以實(shí)現(xiàn)零半徑旋轉(zhuǎn)、前后兩個方向都可以運(yùn)動、具有良好的啟動和制動性能、使小車具有高度的靈活性。根據(jù)行駛路線以及場地的特點(diǎn)，兩輪小車必須要解決如下的幾個問題：1．啟動、制動和轉(zhuǎn)動速度盡量快 。2．能以很小的半徑進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。3．良好的一致性，即：當(dāng)小車的控制系統(tǒng)對車體左右輪發(fā)出相同的指令時，左右輪的轉(zhuǎn)速應(yīng)相同。二輪式行走機(jī)構(gòu)包括：主動輪（驅(qū)動輪） 、支撐輪、減速器、車體框架、電動機(jī)等。2.2.2 兩輪行走機(jī)構(gòu)的動力學(xué)分析兩輪車在轉(zhuǎn)向時的運(yùn)動如圖所示。設(shè)左右輪的速度分別為： ，則小車的運(yùn)動RLV、速度為： （1）2RLV??圖 2.1 兩輪車在轉(zhuǎn)向時的運(yùn)動如圖小車的回轉(zhuǎn)角速度為：（2）BVRL???其中，B 為小車的輪距。小車的運(yùn)動速度在 X 、Y 坐標(biāo)上的分量分別為：10（3）?sinVx?（4）coy由物理關(guān)系有：yxVdttwdt??,,?對（2） 、 （3） 、 （4）式取積分得：（5）??twd0?（6）?tatVXsin（7）?tY0co其中 為小車的初試位置， 為小車的初始方位角。0YX、 0a由上面的分析可知，控制小車左右兩驅(qū)動輪的速度，可使兩輪的中心跟蹤任何給定的軌跡。著也就是說明小車具有良好的轉(zhuǎn)彎性能。主動輪采用的軟質(zhì)橡膠輪，使輪與紙面的摩擦增大，防止的小車的打滑，以避免速度與距離測量的誤差。減速裝置我們選用的是閉式直齒圓柱齒輪減速器。其好處在于：齒輪傳動精度較高、傳動效率高、噪音小、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高，以及受外界干擾小等。2.2.3 驅(qū)動電機(jī)的選用：小車選用的 151 型微型直流電機(jī)（性能參數(shù)待定）2.2 小車主控系統(tǒng)設(shè)計小車控制系統(tǒng)的功能框圖如圖 2.2。LED， 蜂 鳴 器 ， 數(shù) 碼 管 屏 控 制 器檢 測 信 號 傳 感 器 驅(qū) 動 電 路 電 動 機(jī) 行 駛 距 離 及 往 返 時 間 顯 示 圖 2. 小 車 控 制 系 統(tǒng) 的 功 能 框 圖 小車控制系統(tǒng)的電路原理框圖如圖 2.3。11光 電 編 碼 盤 LM39 LED顯 示 Mega16L 光 電 尋 線 （ 反 射 式 紅 外 傳 感 器 ） 避 障 檢 測 （ Mega8系 統(tǒng) ） 金 屬 探 測 （ 傳 感 器 ） Ll298 行 走 電 機(jī) 左 右 6B59,74HC59 光 敏 電 阻 （ 傳 感 器 ） 尋 光 電 機(jī) 尋 光 驅(qū) 動 單 元 尋 光 雷 達(dá) 圖 2.3 小 車 控 制 系 統(tǒng) 的 電 路 原 理 框 圖 小車控制系統(tǒng)的電路原理圖如圖 2.4。圖 2.3 小車控制系統(tǒng)的電路原理圖2.2.1 顯示及按鍵單元采用了鍵盤掃描和數(shù)碼管顯示單元作為人機(jī)接口。硬件電路框圖如圖 3-1 硬件電路圖如圖 2.4。 AVR 單 片 機(jī) 6B59 74HC59 數(shù)碼管 段 選 位 選 鍵 盤 圖 2.4 人 機(jī) 接 口 單 元 框 圖 12人機(jī)接口單元主要由數(shù)碼管顯示單元、鍵盤掃描單元和聲音提示單元組成。該電路串行顯示的數(shù)據(jù)由單片機(jī)的串行口輸出，經(jīng)串并轉(zhuǎn)換電路 74HC595 將顯示數(shù)據(jù)的段碼動態(tài)地送到各數(shù)碼管，各管的位選信號由 Mega16 經(jīng) 6B595 送到各個數(shù)碼管，實(shí)現(xiàn)串行動態(tài)顯示。其具體電路如圖 2.5。圖 2.5 人機(jī)接口電路圖2.2.2 聲光報警單元在小車行進(jìn)過程中，檢測到鐵片后需要送出聲光信號。這里選用了直接由直流電源驅(qū)動的蜂鳴器做聲音輸出，發(fā)光二極管做光信號輸出。圖 2.6 聲光報警電路圖2.3 信息感知單元的設(shè)計2.3.1 黑白區(qū)域檢測及尋跡單元在尋線時，我們只需要用三只反射式紅外傳感器就可以實(shí)現(xiàn)小車沿曲線行走，如圖2.7 所示。當(dāng)機(jī)器人偏離白線時，根據(jù)在白線上光電管的分布情況來調(diào)整機(jī)器人的行進(jìn)姿態(tài)。我們一排裝了 3 個光電管，上面是接收管下面是發(fā)射管，虛線表示黑線的兩邊沿，可見機(jī)器人正常行走時中間對管始終在白線上。圖 2.8 是一個光電管的模擬光路圖，它是反射式光電管，在距地面 2—3cm 的高度檢測效果最佳。在電路設(shè)計中直接將光電管的輸出信號送至 Mega16 的 A/D 輸入端。13圖 2.7 尋 線 光 電 管 排 布 接 收 管 發(fā) 射 管 圖 2.8 模 塊 光 路 圖 距 地 面 2—3cm 由于每個光電管的物理特性不一致，所以需要為每個光電管設(shè)置一個閥值電平，采樣時就要對每個光電管分別進(jìn)行采樣。首先，可以對黑色區(qū)域進(jìn)行采樣，然后采集白色區(qū)域的電平值。對于每一個光電管，可以取它們采集到的深色電平值和淺色電平值的平均值，作為該光電管的閥值電平。最后，每個光電管都得到了一個相應(yīng)的閥值電平。這些閥值電平通過 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，將這些數(shù)字量保存到 SRAM 或 EEPROM 中就完成了采樣過程。在機(jī)器人尋線的實(shí)際過程中，將實(shí)時采集到的電平值經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量，與已經(jīng)存入在 SRAM 或 EEPROM 中的閥值進(jìn)行比較，按照比較結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的處理。這樣就可以實(shí)現(xiàn)一個自適應(yīng)的處理。軟件流程圖如圖 2.9。 初 始 化 設(shè) 備 黑 色 色 值 采 樣 白 色 色 值 采 樣 閥 值 計 算 并 存 入 EPROM 啟 動 小 車 讀 取 閥 值 到 數(shù) 組 A/D轉(zhuǎn) 換 完 成 中 斷 記 錄 下 時 刻 接 收 的 色 值 與 閥 值 比 較 標(biāo) 志 位 置 1 標(biāo) 志 位 置 0 姿 態(tài) 調(diào) 整 并 結(jié) 合 位 置 反 饋對 小 車 進(jìn) 行 控 制 小 于 閥 值 大 于 閥 值 圖 2.9 尋 跡 軟 件 流 程 圖 2.3.2 障礙檢測及避障控制單元2.3.2.1 反射式紅外線障礙檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計1．組成該單元由發(fā)射部分、接收部分、單片機(jī)部分，報警部分四部分組成。發(fā)射部分：由 Mega8 內(nèi)部計數(shù)器產(chǎn)生的 38KHZ 載波信號。接收部分：采用紅外化一體接收頭 NB1838。它的中心頻率為 37.9KHZ，抑制自然光的干擾。光電檢測和前置放大器都集成在其中，最主要是它能解調(diào)出與它中心頻率相符的信號。它的輸出腳在沒接收到載波信號是輸出為高，當(dāng)一旦接收到與其中心頻率相符的信號時，輸出就為低。其工作原理如圖 2.10 所示。14ABL 陷 波電 路 帶 通 濾 波 器 整 形電 路 Outpt GND fo VS 圖 2.10 紅 外 一 體 化 接 收 頭 結(jié) 構(gòu) 圖 單片機(jī)部分：由時鐘振蕩器和 Mega8 嵌入式單片機(jī)組成，經(jīng)過編程，單片機(jī)實(shí)現(xiàn)自動計數(shù)、計算時間 t，并判斷是否有障礙物。報警部分：由發(fā)光管組成，主要功能是提示在規(guī)定的距離內(nèi)是否有障礙物。2．工作原理此系統(tǒng)的工作原理電路圖如 2.11 所示。其原理是：連續(xù)發(fā)出 10 組頻率為 1KHZ、占空比為 25%，載波頻率為 38KHZ 的信號。當(dāng)發(fā)射管發(fā)出占空比為 25%的高電平的調(diào)制信號時，紅外一體化接收頭經(jīng)過解調(diào)，輸出的也應(yīng)該是頻率為 1KHZ 占空比為 25%的低電平。但實(shí)際上紅外一體化接收頭內(nèi)部電路要造成一部分信號延時，在發(fā)射頭與接收頭相隔很近的時候其輸出的應(yīng)該為 400ms 左右的低電平，而且這個低電平隨著距離的增加會有所降低，甚至消失。本系統(tǒng)的避障機(jī)理就是發(fā)出 10 組此信號（見圖 2.12） ，紅外一體接收頭再將解調(diào)后輸出的 10 組信號的低電平時間用單片機(jī)的定時計數(shù)器存儲下來，求得其平均值（也就是所謂的概率事件，當(dāng)然因?yàn)楦蓴_和各方面的原因，即使在同一位置，接收到的低電平的值也會不一樣，甚至因?yàn)橥饨绲膹?qiáng)烈紅外光，有可能收到的信號會多于所發(fā)出的，不過這個應(yīng)該算小概率事件，可以用軟件進(jìn)行排除、更正）后與事先給定的閥值進(jìn)行比較，小于此閥值認(rèn)為無障礙物；如果大于此閥值，就認(rèn)為有障礙物。 PD5 PD0 1 PD4（ 使 能 端 口 ） Mega8 PD6 2803 5V 紅 外 一 體 化 接 收 頭 （ 1） 紅 外 一 體 化 接 收 頭 （ 2） 紅 外 一 體 化 接 收 頭 （ 3） 圖 2.1 紅 外 測 距 系 統(tǒng) 硬 件 電 路 圖 發(fā) 射 的 紅 外 線 … … 完 全 接 收 的 紅 外 線 不 完 全 接 收 的 紅 外 線 250us 40us 圖 2.1 紅 外 信 號 收 發(fā) 原 理 圖 152.3.2.2 反射式紅外線障礙檢測系統(tǒng)的軟件設(shè)計反射式紅外線障礙檢測系統(tǒng)的軟件流程圖如圖 2.13。 初 始 化 設(shè) 置 定 時 器 和 時 間 常 數(shù) 啟 動 傳 感 器 啟 動 定 時 器 定 時 計 數(shù) 低 電 平 的 時 間 的 時 間 Y 停 止 計 時 計 算 時間 N 計 算 平 均 值 有 無 障 礙 物 策 略 Y 選 擇 地 址 N 圖 2.13 反 射 式 紅 外 線 障 礙 檢 測 軟 件 流 程 圖 判 斷 是 否 為十 組 信 號 Y N 本系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要有幾個重點(diǎn)，發(fā) 1KHZ 信號端口（PD5 ） ，地址選擇端口（PD0 和 PD1） ，以及捕獲中斷端口（ PD6） 。軟件的主要工作原理是由 PD5 對 NE555 輸出占空比為 25%的高電平，頻率為 1KHZ 的信號，再由 PD4 對數(shù)據(jù)選擇器（SN74153 ）和譯碼器（74LS139）進(jìn)行選通，PD0 和 PD1 作為地址選擇端口，選擇譯碼器的Q0、Q1、Q2 端和數(shù)據(jù)選擇器的 IC0、IC1、IC2 端，當(dāng)判斷有障礙物時，譯碼器的 Q3 被選中，并且發(fā)光二極管點(diǎn)亮。2.3.3 光傳感器單元用于尋光的光傳感器的光路示意圖如圖 2.14 所示。 +Vc +Vout RL 光 敏 電 阻 小 孔 c 指 示 光 源 圖 2.14 光 傳 感 器 的 光 路 示 意 圖 其尋光原理電路框圖如下。 Vc 尋 光 電 動 機(jī) A/D Mega8 I/O L298 M 圖 2.15 尋 光 電 路 原 理 框 圖 16尋光軟件基本流程圖如 2.16。 開 始 探 頭 旋 轉(zhuǎn) 尋 光 綜 合 計 算 小 車 姿 態(tài) 信 息 小 車 姿 態(tài) 調(diào) 整 尋 到 了 ？ 結(jié) 束 Y 圖 2.16 尋 光 軟 件 流 程 圖 到 終 點(diǎn) ？ Y N N 2.3.4 小車行駛速度、距離檢測通常用編碼器檢測電機(jī)的速度。編碼器又稱“碼盤” ，是直接把位移變換為代碼的數(shù)字式傳感器。編碼器有增量式和絕對式兩種，按其結(jié)構(gòu)劃分，常用的有光電碼盤和電磁式碼盤。我們采用的是光電碼盤。圖 2.17 為增量式光電碼盤，它是一個旋轉(zhuǎn)的脈沖發(fā)生器，根據(jù)脈沖數(shù)目或頻率，可測出工作軸轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速。原理是在一圓盤上刻制節(jié)距和尺寸相等的透光小孔。圓盤與被測軸相連，當(dāng)被測軸轉(zhuǎn)動時，圓盤跟著一起轉(zhuǎn)動，在圓盤的兩側(cè)，裝有發(fā)光元件和感光元件。根據(jù)光線時斷時續(xù)的變化（當(dāng)光線透過小孔時感光元件就感受信號，反之，當(dāng)光線被圓盤遮斷時，信號即被截止）來檢測旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。脈沖的頻率與圓盤的小孔數(shù) N 及轉(zhuǎn)速 n 有關(guān)，即為：??HznNfc60??（8） 其中，N 是固定的，故輸出脈沖頻率 fc 與轉(zhuǎn)速 n 成正比。為了判別方向，可以安裝兩對發(fā)光器和受光器。均對準(zhǔn)透光孔，嚴(yán)格地相距半個透光孔寬度，這樣安裝使得碼盤旋轉(zhuǎn)時這兩只受光器測得的信號 V1 和 V2 在相位上總是差90 度（見圖 2.17 ） 。若圓盤順時針轉(zhuǎn)動 V1 超前 V2，逆時針轉(zhuǎn)動則 V2 超前 V1。該相位上的差別通過鑒相電路就能區(qū)別出旋轉(zhuǎn)方向。V1 傳感器 V2 傳感器傳感器參考點(diǎn)0 1V1V21 0 0 1 10 01 1 1 1 00 1 1 0 0 1 10 0 1 1 0 0 1V1V2向上計數(shù)向下計數(shù)圖 2.17 增量碼盤的相位輸出17測速傳感器完成了電機(jī)轉(zhuǎn)速向脈沖序列的轉(zhuǎn)換，把測速傳感器輸出的脈沖接到計數(shù)單元進(jìn)行計數(shù)，則將電機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。當(dāng)采樣周期確定之后，計數(shù)單元向單片機(jī)輸出的數(shù)字量大小就反映了電機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢。本系統(tǒng)采用單片機(jī)的硬件定時機(jī)計數(shù)器，工作穩(wěn)定。2.3.5 鐵片檢測鐵片的檢測用的是一體化電感式接近傳感器。電感式接近覺傳感器的工作原理是外界的金屬性物體對傳感器的高頻—振蕩器產(chǎn)生非接觸式感應(yīng)作用。震蕩器即是由纏繞在鐵氧體磁芯上的線圈構(gòu)成的 LC 震蕩電路。震蕩器通過傳感器的感應(yīng)面，在其前方產(chǎn)生一個高頻交變的電磁場。當(dāng)外界的金屬性導(dǎo)電物體接近這一磁場，并到達(dá)感應(yīng)區(qū)時，在金屬物體內(nèi)產(chǎn)生渦流效應(yīng)，從而導(dǎo)致 LC 震蕩電路震蕩減弱，振幅變小，即稱之為阻尼現(xiàn)象。這一震蕩的變化，即被開關(guān)的后置電路放大處理并轉(zhuǎn)換為一確定的輸出信號，觸發(fā)開關(guān)并驅(qū)動控制器件，從而達(dá)到非接觸式目標(biāo)檢測之目的。我們所選用的電感式鐵片傳感器的指標(biāo)為：工作電壓：5-30v； 檢測距離：4mm： 工作方式：常開；安裝尺寸；圓形 直徑 12mm鐵片位置及其長度的測量方法示意圖如圖 2.17。而鐵片的位置參數(shù) L 的計算公式為：（9）2)()(121SrSL????? 起 跑 線 鐵 片 r S2 L S1 r為 傳 感 器 作 用 半 徑圖 2.18 測 量 方 法 示 意 圖 小車距離及鐵片位置、長度的測量軟件流程為圖 2.19。18開 始 記 錄 行 駛 距 離 S1 檢 測 到 信 號 ？ Y 圖 2.19 鐵 片 位 置 測 定 軟 件 流 程 圖檢 測 信 號 停 止 ？ Y N N 保 存 S1 聲 光 信 息 顯 示 保 存 距 離 S2 計 算 鐵 片 距 離 保 存 數(shù) 據(jù) 結(jié) 束 2.4 電機(jī)驅(qū)動單元整個電機(jī)控制電路由上圖所示的閉合環(huán)路構(gòu)成，PWM 輸出脈沖信號經(jīng)雙 H 橋功率驅(qū)動電路 L298 后接至左右輪電機(jī)，控制小車運(yùn)動。在軟件的速度控制單元中我們用了簡單的閉環(huán)比例控制算法。L298 是雙 H 橋高電壓大電流集成電路。由圖 2.20 可見，每個 H 橋的下側(cè)橋臂晶體管發(fā)射極連在一起，其輸出腳（SENSEA 和 SENSEB）用來連接電流檢測電阻。Vss 接邏輯控制的電源。Vs 為電機(jī)驅(qū)動電源。IN1-IN4 輸入引腳為標(biāo)準(zhǔn) TTL 邏輯電平信號，用來控制 H 橋的開與關(guān)即實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，ENA、ENB 引腳則為使能控制端，用來輸入PWM 信號實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。圖 2.20 L298 原理框圖193 特色與創(chuàng)新本設(shè)計在基于 Mega8 芯片并采用概率分析的避障單元的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)、串行掃描方式實(shí)現(xiàn)的人機(jī)接口、尋光雷達(dá)及小車位姿控制等方面具有一定的特色與創(chuàng)新。3.1 串行掃描實(shí)現(xiàn)的人機(jī)接口串行工作方式使該功能模塊的引線少，便于長線安裝，有利于實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。同時，該接口電路擴(kuò)展方便，能以較高的性價比實(shí)現(xiàn)漢字顯示、LCD 驅(qū)動等功能。與傳統(tǒng)的動態(tài)顯示方式和靜態(tài)顯示方式相比，該電路具有結(jié)構(gòu)簡潔、功能性強(qiáng)、成本低、編程簡單的特點(diǎn)，通過試運(yùn)行，證明該電路設(shè)計是非常成功的。3.2 避障單元的設(shè)計在避障單元的設(shè)計中，判斷有無障礙物時使用的是求平均值，即求概率事件的值的方式。因?yàn)橛型饨绲母蓴_和接收電路的延時，即使你發(fā)射出完全相同的十組信號，接收時也有所不同，基本上沒有兩組信號是完全相同，而且還有可能收到多于十組的信號（雖然這個是小概率事件） ，這時只能用軟件進(jìn)行排除和更正。先將所有低電平的時間計數(shù)下來，放入數(shù)據(jù)寄存器中。如果某些值太小或者太大就認(rèn)為是無效值，再將有效的幾組值求其平均值，再與閥值進(jìn)行比較。運(yùn)行試驗(yàn)也證明，本設(shè)計中采用的 Mega8 芯片基于概率分析的避障單元實(shí)現(xiàn)方式，取得很好的避障效果。3.3 尋光雷達(dá)及小車位姿控制由于從 C 點(diǎn)到車庫一段，小車的運(yùn)行失去了引導(dǎo)線的作用，所以，設(shè)計中采用了360 精位繞線電位器作為小車運(yùn)行角度參數(shù)反饋器件，該器件的運(yùn)行方式近似與雷達(dá)，我們給它取名為尋光雷達(dá)。將該尋光雷達(dá)檢測得到的標(biāo)志光信息送單片機(jī)，一方面控制小車下步運(yùn)行姿態(tài)，另外也送出控制“雷達(dá)”跟蹤光源的電機(jī)運(yùn)行。這種方式較好地解決了小車脫離引導(dǎo)線之后的運(yùn)行控制的問題。通過實(shí)驗(yàn)也得到同樣的結(jié)論。204 調(diào)試過程及測試數(shù)據(jù)分析4.1 調(diào)試儀器儀表設(shè)計及測試中所用的儀器及工具主要有：測頻率：HC-F1000Ｌ微型數(shù)字頻率計，用于記錄車輪光電采樣頻率，進(jìn)而計算行車距離。測時間：DM-1 型電子秒表，用于測量有關(guān)時間。測距離：313 型鋼卷尺，用于測量行車距離和停車距離。仿真：E200Ｌ型仿真器，用于調(diào)試和修改軟硬件。編程器：ICCAVR。電源：WYJ30-1A/3A 型穩(wěn)壓電源，干電池。用于研發(fā)期各路供電。常用儀表：MF-47 型模擬萬用表、VC98 型數(shù)字萬用表，用于電壓、電流以及其它電子元器件的測量，數(shù)字萬用表、TDS210 存儲式示波器、 AVR Studio。其它：PC 機(jī)，用于調(diào)試軟件及整理文檔， 4.2 調(diào)試數(shù)據(jù)及分析4.2.1 尋線表 4.1 光電管輸出電壓調(diào)試數(shù)據(jù)表左 中 右第 1 次 1.61V 1.71V 1.45V黑色第 2 次 1.65V 1.74V 1.48V第 1 次 4.23V 4.35V 4.19V白色第 2 次 4.21V 4.31V 4.15V4.2.2 脈沖1．編碼盤光電管輸出電壓表 4.2 光電管輸出電壓數(shù)據(jù)表 （Vcc=5V，發(fā)射管電流 10mA）??KR27??KR472第 1 次 第 2 次 第 1 次 第 2 次有阻擋0.91V 0.89V 1.65V 1.75V第 1 次 第 2 次 第 1 次 第 2 次無阻擋4.51V 4.50V 4.55V 4.60V經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測得 R2=27K 時，光電管的輸出電壓范圍較大，所以可以采用。2．波形21v t vmin R2=7k v max 圖 4.1 單 路 未 整 形 光 電 對 管 輸 出 波 形 v 通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，輸出波形幅值較小，所以需要外接整形電路。3．脈沖數(shù)與行進(jìn)距離的校正整形后 A、B 路同步輸出波形對比測試波形示意圖如下： V 圖 4.2 整 形 后 A、 B路 同 步 輸 出 波 形 對 比 圖 有實(shí)驗(yàn)測得 A、B 兩路光電對管輸出信號具有較為準(zhǔn)確的相位差，由此得出結(jié)論，可以可以采用判別編碼盤來測量轉(zhuǎn)動方向。4.2.3 避障一體化紅外接收頭輸出波形如下。 4.7V 0.3V 20ms 0.5ms 圖 4.3 一 體 化 紅 外 接 收 頭 輸 出 波 形 4.2.4 整體聯(lián)調(diào)在直道區(qū)和彎道區(qū)，兩方案是一樣的，區(qū)別在障礙區(qū)到車庫的過程和策略。因此測量分兩部分來測量。下表為直道區(qū)和彎道區(qū)小車的相關(guān)運(yùn)動參數(shù)測量。 分別為直道區(qū)中第一塊、321,L第二塊、第三塊金屬片到出發(fā)點(diǎn)的距離。22表 4.3 小車的相關(guān)運(yùn)動參數(shù)測量數(shù)據(jù)表金屬塊距出發(fā)線的距離A 到 C 的時間 B 到 C 的時間在 C 停留時間 L1 L2 L3實(shí)際值 ———— ———— ———— 0.50m 1.20m 1.70m測量值 6s 5s 6s 0.51m 1.22 1.73m下表為方案一和方案二小車從障礙區(qū)到車庫運(yùn)動參數(shù)測量。每個參數(shù)測量了兩次。表 4.4 入庫時間偏差第 1 次 第 2 次方案一42s 39s方案二 35s 未進(jìn)入