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1、作 品 匯 報(bào) 智 能 循 跡 小 車設(shè) 計(jì) 制 作 者 ： 破 壞 者 隊(duì) 電 子 科 學(xué) 與 工 程 學(xué) 院 張 鑫 錢 雨 皎 盧 陽方 案 設(shè) 計(jì) 時(shí) 間 ： 2 0 1 4 年 3 月 2 0 1 4 年 4 月 設(shè) 計(jì) 背 景 人 們 在 不 斷 探 討 、 改 造 、 認(rèn) 識 自 然 的 過 程 中 ， 制造 能 替 代 人 勞 動 的 機(jī) 器 一 直 是 人 類 的 夢 想 。 他 可 以 按照 預(yù) 先 設(shè) 定 的 模 式 在 一 個(gè) 特 定 的 環(huán) 境 里 自 動 的 運(yùn) 作 ，無 需 人 為 管 理 ， 便 可 以 完 成 預(yù) 期 所 要 達(dá) 到 的 或 是 更 高的 目

2、標(biāo) 。 智 能 車 就 是 其 中 的 一 個(gè) 體 現(xiàn) 。 智 能 小 車 集 環(huán)境 感 知 、 規(guī) 劃 決 策 ， 自 動 行 駛 等 功 能 于 一 體 的 綜 合 系統(tǒng) ， 是 典 型 的 高 新 技 術(shù) 綜 合 體 。 本 次 設(shè) 計(jì) 的 智 能 車 ， 采 用 ST89C52單 片 機(jī) 作 為 小 車的 核 心 ； 利 用 紅 外 傳 感 器 進(jìn) 行 尋 跡 ， 用 雙 L298N作 為 電機(jī) 控 制 。 n 我 們 采 用 單 片 機(jī) STC8 9 C5 2 作 為 主 控 制 核 心 ， STC8 9 C5 2 的 對 當(dāng) 前 的 傳感 器 進(jìn) 行 查 詢 ， 根 據(jù) 傳 感 器

3、 傳 來 的 信 息 ， 對 當(dāng) 前 的 環(huán) 境 作 出 判 斷 ， 最后 對 電 機(jī) 作 出 相 應(yīng) 的 動 作 。 單 片 機(jī) 通 過 紅 外 傳 感 器 檢 測 場 地 白 線 ， 從而 控 制 電 機(jī) 驅(qū) 動 模 塊 ， 改 變 電 機(jī) 轉(zhuǎn) 速 ， 達(dá) 到 改 變 方 向 的 目 的 。 系 統(tǒng) 框圖 如 下 ： 小 車 的 總 體 設(shè) 計(jì) 地 面 白 線 傳 感 器 ST8 9 C5 2 電 機(jī) 驅(qū)動 模 塊 左 電 機(jī)右 電 機(jī) 一 、 小 車 車 體方 案 一 ： 采 用 三 輪 式 車 身 ， 前 輪為 萬 向 輪 ， 后 輪 為 兩 個(gè) 電 機(jī)單 獨(dú) 控 制 的 驅(qū) 動 輪

4、。 但 此 方案 使 得 車 身 較 小 ， 元 器 件 安裝 的 較 緊 密 ， 在 維 護(hù) 時(shí) 較 困難 ， 而 且 當(dāng) 驅(qū) 動 輪 運(yùn) 動 偏 差帶 來 轉(zhuǎn) 向 時(shí) ， 萬 向 輪 作 徑 向運(yùn) 動 ， 阻 力 小 容 易 偏 向 ， 轉(zhuǎn)彎 時(shí) 容 易 側(cè) 翻 。 所 以 我 們 放棄 了 此 方 案 。 方 案 二 ： 采 用 四 輪 式 車 身 。 和 3 號 車 相 比 ， 4 號 車 4 個(gè) 都 是 主動 輪 ， 偏 向 阻 力 一 樣 ， 且 重 心 變 化 導(dǎo) 致 力 矩 減 小 ， 就這 點(diǎn) 看 ， 4 號 比 3 號 容 易 偏 向 。 但 因 其 為 四 驅(qū) ， 其 偏

5、 差更 為 離 散 ， 較 難 偏 向 ， 走 直 線 容 易 。 且 此 方 案 小 車 體積 較 大 ， 有 充 裕 空 間 安 放 元 器 件 ， 也 為 后 續(xù) 添 加 其 他功 能 做 好 準(zhǔn) 備 。 但 小 車 轉(zhuǎn) 向 較 為 笨 重 。 由 于 小 車 安 裝元 器 件 不 是 很 多 ， 所 以 我 們 選 擇 此 方 案 。 一 、 小 車 車 體 四 輪 小 車 ， 四 個(gè) 直 流 電 機(jī) 。 通 過 控 制 一 個(gè) 電 機(jī) 向 前 轉(zhuǎn) ， 另 一 個(gè) 電 機(jī)向 后 轉(zhuǎn) 。 即 差 分 驅(qū) 動 從 而 達(dá) 到 轉(zhuǎn) 彎 的 目 的 。 二 、 小 車 核 心 單 片 機(jī) AT

6、8 9 C5 2 單 片 機(jī) 是 一 種 低 電 壓 、 高 性 能 的 CMOS 8 位 單片 機(jī) ， 擁 有 8 Kb存 儲 空 間 ， 適 合 與 許 多 較 為 復(fù) 雜 的 控 制 應(yīng)用 。 三 、 傳 感 器 電 路 設(shè) 計(jì)方 案 1 ： 用 光 敏 電 阻 組 成 光 敏 探 測 器 。 光 敏 電 阻 的 阻 值 可 以 跟 隨 周 圍 環(huán) 境 光 線 的 變 化 而 變 化 。當(dāng) 光 線 照 射 到 白 線 上 面 時(shí) ， 光 線 發(fā) 射 強(qiáng) 烈 ， 光 線 照 射 到 黑 線上 面 時(shí) ， 光 線 發(fā) 射 較 弱 。 因 此 光 敏 電 阻 在 白 線 和 黑 線 上 方 時(shí)

7、 ，阻 值 會 發(fā) 生 明 顯 的 變 化 。 將 阻 值 的 變 化 值 經(jīng) 過 比 較 器 就 可 以輸 出 高 低 電 平 。 但 是 這 種 方 案 受 光 照 影 響 很 大 ， 不 能 夠 穩(wěn) 定的 工 作 。 因 此 我 們 考 慮 其 他 更 加 穩(wěn) 定 的 方 案 。方 案 2 ： 采 用 簡 易 光 電 傳 感 器 結(jié) 合 外 圍 電 路 探 測 ， 但 實(shí) 際 效 果 并 不 理 想 ， 對 行 駛 過 程中 的 穩(wěn) 定 性 要 求 很 高 ， 且 誤 測 幾 率 較 大 、 易 受 光 線 環(huán) 境 和 路面 介 質(zhì) 影 響 。 在 使 用 過 程 極 易 出 現(xiàn) 問 題

8、 ， 而 且 容 易 因 為 該 部件 造 成 整 個(gè) 系 統(tǒng) 的 不 穩(wěn) 定 。 故 最 終 未 采 用 該 方 案 。 方 案 3 ： 用 紅 外 發(fā) 射 管 和 接 收 管 制 作 的 光 電 對 管 尋 跡 傳 感 器 。紅 外 發(fā) 射 管 發(fā) 出 紅 外 線 ， 當(dāng) 發(fā) 出 的 紅 外 線 照 射 到 白 色 的 平 面后 反 射 ， 若 紅 外 接 收 管 能 接 收 到 反 射 回 的 光 線 則 檢 測 出 白 線繼 而 輸 出 低 電 平 ， 若 接 收 不 到 發(fā) 射 管 發(fā) 出 的 光 線 則 檢 測 出 黑線 繼 而 輸 出 高 電 平 。 這 樣 制 作 組 裝 的

9、尋 跡 傳 感 器 基 本 能 夠 滿足 要 求 ， 所 以 我 們 選 擇 了 這 個(gè) 方 案 。在 此 基 礎(chǔ) 上 ， 我 們 討 論 了 以 下 方 案 ： 方 案 一 ： 采 用 兩 只 紅 外 對 管 ， 分 別 置 于 小 車 車 身 前 軌 道 的 兩側(cè) ， 根 據(jù) 兩 只 光 電 開 關(guān) 接 受 到 白 線 與 黑 線 的 情 況 來 控 制 小 車 轉(zhuǎn)向 來 調(diào) 整 車 向 ， 測 試 表 明 ， 只 要 合 理 安 裝 好 兩 只 光 電 開 關(guān) 的 位置 就 可 以 很 好 的 實(shí) 現(xiàn) 循 跡 的 功 能 。 方 案 二 ： 采 用 三 只 紅 外 對 管 ， 一 只 置

10、 于 軌 道 中 間 ， 兩 只 置 于軌 道 外 側(cè) ， 當(dāng) 小 車 脫 離 軌 道 時(shí) ， 即 當(dāng) 置 于 中 間 的 一 只 光 電 開 關(guān)脫 離 軌 道 時(shí) ， 等 待 外 面 任 一 只 檢 測 到 黑 線 后 ， 做 出 相 應(yīng) 的 轉(zhuǎn) 向調(diào) 整 ， 直 到 中 間 的 光 電 開 關(guān) 重 新 檢 測 到 黑 線 （ 即 回 到 軌 道 ） 再 恢 復(fù) 正 向 行 駛 。 現(xiàn) 場 實(shí) 測 表 明 ， 小 車 在 尋 跡 過 程 中 有 一 定 的 左右 搖 擺 不 定 ， 雖 然 可 以 正 確 的 循 跡 但 其 成 本 與 穩(wěn) 定 性 都 次 與 第一 種 方 案 。 三 、

11、黑 線 檢 測 電 路 設(shè) 計(jì) 探 測 路 面 黑 線 的 基 本 原 理 ： 光 線 照 射 到 路 面 并 反 射 ， 由 于 黑 線 和 白 紙對 光 的 反 射 系 數(shù) 不 同 ， 可 以 根 據(jù) 接 收 到 的 反 射 光 強(qiáng) 弱 來 判 斷 是 否 是 黑線 。 利 用 這 個(gè) 原 理 ， 可 以 控 制 小 車 行 走 的 路 跡 。 方 案 一 ： 采 用 繼 電 器 對 電 動 機(jī) 的 開 或 關(guān) 進(jìn) 行 控 制 ,通 過 開 關(guān) 的 切 換 對 小 車 的 速 度進(jìn) 行 調(diào) 整 .此 方 案 的 優(yōu) 點(diǎn) 是 電 路 較 為 簡 單 ,缺 點(diǎn) 是 繼 電 器 的 響 應(yīng) 時(shí)

12、間 慢 ,易 損壞 ,壽 命 較 短 ,可 靠 性 不 高 。方 案 二 ： 采 用 功 率 三 極 管 作 為 功 率 放 大 器 的 輸 出 控 制 直 流 電 機(jī) 。 線 性 型 驅(qū) 動 的 電路 結(jié) 構(gòu) 和 原 理 簡 單 ， 加 速 能 力 強(qiáng) ， 采 用 由 達(dá) 林 頓 管 組 成 的 H型 橋 式 電 路 。 用單 片 機(jī) 控 制 達(dá) 林 頓 管 使 之 工 作 在 占 空 比 可 調(diào) 的 開 關(guān) 狀 態(tài) 下 ， 精 確 調(diào) 整 電 動機(jī) 轉(zhuǎn) 速 。 這 種 電 路 由 于 工 作 在 管 子 的 飽 和 截 止 模 式 下 ， 效 率 非 常 高 ， H型 橋式 電 路 保 證

13、 了 簡 單 的 實(shí) 現(xiàn) 轉(zhuǎn) 速 和 方 向 的 控 制 ， 電 子 管 的 開 關(guān) 速 度 很 快 ， 穩(wěn)定 性 也 極 強(qiáng) ， 是 一 種 廣 泛 采 用 的 PWM 調(diào) 速 技 術(shù) 。 我 選 用 了 L298N。 這 種 調(diào) 速 方 式 有 調(diào) 速 特 性 優(yōu) 良 、 調(diào) 整 平 滑 、 調(diào) 速 范 圍 廣 、 過 載 能 力大 ， 能 承 受 頻 繁 的 負(fù) 載 沖 擊 ， 還 可 以 實(shí) 現(xiàn) 頻 繁 的 無 級 快 速 啟 動 、 制 動 和 反轉(zhuǎn) 等 優(yōu) 點(diǎn) 。 因 此 決 定 采 用 使 用 功 率 三 極 管 作 為 功 率 放 大 器 的 輸 出 控 制 直 流 電 機(jī) 。

14、 四 、 電 機(jī) 驅(qū) 動 電 路 用 PWM調(diào) 節(jié) 電 機(jī) 速 度 采 用 哪 種 電 機(jī)方 案 一 ： 采 用 步 進(jìn) 電 機(jī) ， 其 顯 著 的 特 點(diǎn) 就 是 具 有 快 速 啟 動 和 停 止 的能 力 。 轉(zhuǎn) 換 靈 敏 度 較 高 ， 但 是 步 進(jìn) 電 機(jī) 價(jià) 格 比 較 昂 貴 ， 且對 整 個(gè) 控 制 系 統(tǒng) 要 求 比 較 高 。方 案 二 ： 采 用 普 通 的 直 流 電 機(jī) ， 其 具 有 優(yōu) 良 的 調(diào) 速 特 性 ， 調(diào) 速 平 滑， 方 便 。 調(diào) 整 范 圍 廣 ， 過 載 能 力 強(qiáng) ， 能 承 受 頻 繁 的 沖 擊 負(fù)載 ， 可 實(shí) 現(xiàn) 頻 繁 的 無

15、極 快 速 啟 動 ， 制 動 和 反 轉(zhuǎn) ， 且 普 通 直流 電 機(jī) 價(jià) 格 適 宜 ， 更 易 于 購 買 ， 電 路 相 對 簡 單 ， 配 合LM2 9 8 N驅(qū) 動 芯 片 組 合 ， 只 要 施 加 合 適 的 脈 沖 序 列 ， 電 機(jī)可 以 按 照 人 們 的 預(yù) 定 速 度 或 方 向 連 續(xù) 的 轉(zhuǎn) 動 ， 便 于 控 速 。因 此 ， 采 用 直 流 電 機(jī) 作 為 動 力 源 。 五 、 電 源 方 案 我 們 用 的 直 流 電 機(jī) 工 作 電 壓 在 3-9V ， 四 個(gè) 電 機(jī) 靠 差 速轉(zhuǎn) 彎 ， 轉(zhuǎn) 向 時(shí) 輪 子 與 地 摩 擦 等 因 素 ， 使 的 電

16、 流 比 較 大 ， 實(shí) 測在 行 走 直 線 時(shí) 四 個(gè) 電 機(jī) 需 要 600-800MA 的 電 流 ， 如 果 轉(zhuǎn) 向時(shí) 需 要 提 供 太 約 1-1.5A 的 電 流 。方 案 一 ： 采 用 1 節(jié) 4 .2 V 可 充 電 式 鋰 電 池 給 直 流 電 機(jī) 供 電 ， 經(jīng)過 電 壓 變 換 后 給 支 流 電 機(jī) 供 電 ， 給 單 片 機(jī) 系 統(tǒng) 和 其 他 芯 片 供電 。 但 由 于 電 壓 不 太 夠 ， 價(jià) 格 昂 貴 ， 因 此 ， 我 們 放 棄 了 。方 案 二 ： 采 用 4 節(jié) 低 內(nèi) 阻 可 以 提 供 較 大 電 流 的 充 電 電 池 供電 ， 電

17、壓 達(dá) 到 6 v， 經(jīng) 穩(wěn) 壓 后 給 支 流 電 機(jī) 供 電 ， 給 單 片 機(jī) 系統(tǒng) 和 其 他 芯 片 供 電 。 此 方 案 雖 然 在 調(diào) 試 中 消 耗 較 大 ， 但 最為 符 合 實(shí) 際 情 況 ， 所 以 我 們 選 擇 此 方 案 。 一 般 不 建 議 采 用 普 能 的 AA5 號 電 池 ， 這 些 電 池 提 供 不了 很 大 的 電 流 （ 當(dāng) 然 好 的 電 池 除 外 ） 所 以 ， 我 選 擇 了 方 案二 來 實(shí) 現(xiàn) 供 電 。 六 、 避 障 方 案方 案 一 ：采 用 超 聲 波 避 障 ， 超 聲 波 受 環(huán) 境 影 響 較 大 ， 電 路 復(fù) 雜

18、 ， 而 且 地 面 對 超 聲 波 的 反射 ， 會 影 響 系 統(tǒng) 對 障 礙 物 的 判 斷 。方 案 二 ：采 用 紅 外 線 避 障 ， 利 用 單 片 機(jī) 來 產(chǎn) 生 38KHz信 號 對 紅 外 線 發(fā) 射 管 進(jìn) 行 調(diào) 制 發(fā) 射 ，發(fā) 射 出 去 的 紅 外 線 遇 到 避 障 物 的 時(shí) 候 反 射 回 來 ， 紅 外 線 接 收 管 對 反 射 回 來 信 號進(jìn) 行 解 調(diào) ， 輸 出 TTL電 平 。 外 界 對 紅 外 信 號 的 干 擾 比 較 小 ， 且 易 于 實(shí) 現(xiàn) ， 價(jià) 格 也比 較 便 宜 ， 故 采 用 方 案 二 。 紅 外 線 發(fā) 射 接 受 電

19、 路 原 理 圖 如 圖 所 示 。 紅 外 線 發(fā) 射 接 受 電 路 原 理 圖 考 慮 到 在 測 障 過 程 中 小 車 車 速 及 反 應(yīng) 調(diào) 向 速 度 的 限 制 ， 小 車 應(yīng) 在 距 障 礙 物 一定 范 圍 內(nèi) 做 出 反 應(yīng) ， 這 樣 在 順 利 繞 過 障 礙 物 后 ， 可 尋 找 到 最 佳 的 位 置 和 方 向 。 否則 ， 如 果 范 圍 太 大 ， 則 可 能 產(chǎn) 生 對 障 礙 物 的 判 斷 失 誤 ； 范 圍 過 小 又 很 容 易 造 成 車身 撞 上 障 礙 物 或 雖 繞 過 障 礙 物 卻 無 法 實(shí) 現(xiàn) 理 想 定 向 。 根 據(jù) 上 述

20、要 求 ， 提 出 以 下 方案 。 我 們 想 到 采 用 激 光 傳 感 器 探 測 障 礙 物 。 該 傳 感 器 能 非 常 準(zhǔn) 確 地 測 出 障 礙 物 的存 在 ， 但 價(jià) 格 高 ， 處 理 復(fù) 雜 ， 不 符 合 該 設(shè) 計(jì) 的 要 求 。 在 本 設(shè) 計(jì) 中 ， 要 求 電 動 小 車 沿 著 路 面 的 黑 色 軌 道 行 駛 。 其 探 測 路 面 黑 線 的 基本 原 理 ： 光 線 照 射 到 路 面 并 反 射 ， 由 于 黑 線 和 白 紙 對 光 的 反 射 系 數(shù) 不 同 ， 可 以 根據(jù) 接 收 到 的 反 射 光 強(qiáng) 弱 來 判 斷 是 否 是 黑 線

21、。 利 用 這 個(gè) 原 理 ， 可 以 控 制 電 動 小 車 行走 的 路 跡 。 此 次 設(shè) 計(jì) 我 們 采 用 光 電 傳 感 器 探 測 障 礙 物 。 光 電 傳 感 器 安 裝 于 小 車 前端 ， 在 規(guī) 定 的 檢 測 距 離 內(nèi) ， 當(dāng) 探 測 到 障 礙 物 時(shí) ， 光 電 傳 感 器 給 出 信 號 至 單 片 機(jī) ，單 片 機(jī) 檢 測 到 該 信 號 后 ， 調(diào) 整 小 車 的 方 向 ， 以 控 制 小 車 準(zhǔn) 確 地 繞 過 障 礙 物 ， 而 且避 免 因 小 車 自 然 轉(zhuǎn) 彎 而 導(dǎo) 致 的 盲 目 方 向 控 制 ， 能 避 免 電 路 的 復(fù) 雜 性 。

22、在 系 統(tǒng) 中 要 進(jìn) 行 動 態(tài) 顯 示 遇 障 次 數(shù) 。 采 用 LCD1 6 0 2 液 晶 顯 示 器 。 LCD具 有 功 耗 低 ， 抗 干 擾 能 力 強(qiáng) 的 特 點(diǎn) 。 不 僅 可 以 顯 示 數(shù) 字 、 字 符 ， 而 且 可 以 顯 示 漢 字 和 圖 形。 六 、 隧 道 測 距 方 案 由 于 紅 外 檢 測 具 有 反 應(yīng) 速 度 快 、 定 位 精 度 高 ， 可 靠 性 強(qiáng) 以 及 可 見光 傳 感 器 所 不 能 比 擬 的 優(yōu) 點(diǎn) ， 故 采 用 紅 外 光 電 碼 盤 測 速 方 案 。 具 體 電路 如 圖 所 示 ：紅 外 測 距 儀 由 測 距 輪

23、， 遮 光 盤 ， 紅 外 光 電 耦 合 器 及 凹 槽 型 支 架 組 成 的 。 測 距 輪 安 裝 在 車輪 上 ， 這 樣 能 使 記 數(shù) 值 準(zhǔn) 確 一 些 。 為 實(shí) 現(xiàn) 可 逆 記 數(shù) 功 能 ， 我 們 在 測 距 儀 中 并 列 放 置 了 兩 個(gè) 槽 型 光 電 耦 合 器 ， 遮 光 盤 先 后通 過 凹 槽 可 產(chǎn) 生 兩 個(gè) 脈 沖 信 號 。 根 據(jù) 兩 個(gè) 脈 沖 信 號 發(fā) 生 的 先 后 順 序 與 兩 個(gè) 光 電 耦 合 器 的 位置 關(guān) 系 ， 即 可 計(jì) 算 出 玩 具 車 的 行 駛 方 向 （ 前 進(jìn) 或 后 退 ） 。 遮 光 盤 及 槽 型 光

24、 電 耦 合 器 均 安 裝 在 不 透 光 的 盒 子 里 ， 以 避 免 外 界 光 線 的 干 擾 ， 使 電 路 不 能 正 常 工 作 。 測 距 原 理 ： 將 光 柵 安 裝 在 電 機(jī) 軸 上 ， 當(dāng) 電 機(jī) 轉(zhuǎn) 動 時(shí) ， 光 柵 也 隨 之 轉(zhuǎn) 動 ， 同 時(shí) 安 裝 在 光柵 一 側(cè) 的 紅 外 發(fā) 光 二 極 管 點(diǎn) 亮 ， 在 光 柵 的 另 一 側(cè) 設(shè) 有 紅 外 三 極 管 ， 用 于 接 收 紅 外 發(fā) 光 二 極管 發(fā) 出 的 紅 外 線 信 號 。 由 于 光 柵 隨 電 機(jī) 高 速 轉(zhuǎn) 動 ， 則 紅 外 線 三 極 管 接 收 到 的 就 是 一 系 列

25、 脈沖 信 號 。 將 該 信 號 傳 輸 到 80C51單 片 機(jī) 的 內(nèi) 部 計(jì) 數(shù) 器 計(jì) 數(shù) ， 根 據(jù) 預(yù) 先 實(shí) 測 的 數(shù) 據(jù) 換 算 關(guān) 系即 可 計(jì) 算 出 電 動 機(jī) 車 的 行 車 距 離 。 前 景 展 望 ： 本 次 設(shè) 計(jì) 我 們 只 運(yùn) 用 了 單片 機(jī) 的 一 個(gè) 功 能 ， 如 果 再 加 上 其 他 的 傳 感 器 ，可 以 讓 小 車 實(shí) 現(xiàn) 更 多 的 功 能 ， 如 壁 障 、 報(bào) 警 、暗 處 行 駛 、 聲 音 控 制 、 環(huán) 境 數(shù) 據(jù) 測 量 與 傳 輸?shù)?。 可 廣 泛 應(yīng) 用 于 軍 事 偵 察 、 勘 探 、 礦 產(chǎn) 開采 等 不 便 于 人 員 實(shí) 地 堪 察 的 環(huán) 境 。 稍 加 改 造 ，可 應(yīng) 用 于 軍 事 反 恐 、 警 察 維 和 等 領(lǐng) 域 ， 從 而達(dá) 到 最 大 限 度 的 避 免 人 員 傷 亡 ， 保 存 戰(zhàn) 斗 實(shí)力 的 目 的 。 因 此 ， 具 有 重 要 的 軍 事 和 經(jīng) 濟(jì) 意義 。 報(bào) 告 完 畢 謝 謝 ！請 專 家 批 評 指 導(dǎo)