循跡避障小車答辯

1、作品匯報智能循跡小車智能循跡小車設計制作者：破壞者隊 電子科學與工程學院 張鑫 錢雨皎 盧陽方案設計時間： 2014年3月2014年4月設計背景設計背景 人們在不斷探討、改造、認識自然的過程中，制造能替代人勞動的機器一直是人類的夢想。他可以按照預先設定的模式在一個特定的環(huán)境里自動的運作，無需人為管理，便可以完成預期所要達到的或是更高的目標。智能車就是其中的一個體現(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)，是典型的高新技術綜合體。 本次設計的智能車，采用ST89C52單片機作為小車的核心；利用紅外傳感器進行尋跡，用雙L298N作為電機控制。n 我們采用單片機STC89C52

2、 作為主控制核心，STC89C52的對當前的傳感器進行查詢，根據(jù)傳感器傳來的信息，對當前的環(huán)境作出判斷，最后對電機作出相應的動作。單片機通過紅外傳感器檢測場地白線，從而控制電機驅動模塊，改變電機轉速，達到改變方向的目的。系統(tǒng)框圖如下：小車的總體設計一、小車車體方案一： 采用三輪式車身，前輪為萬向輪，后輪為兩個電機單獨控制的驅動輪。但此方案使得車身較小，元器件安裝的較緊密，在維護時較困難，而且當驅動輪運動偏差帶來轉向時，萬向輪作徑向運動，阻力小容易偏向，轉彎時容易側翻。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個都是主動輪，偏向阻力一樣，且重心變化導致力矩減小，就這點

3、看，4號比3號容易偏向。但因其為四驅，其偏差更為離散，較難偏向，走直線容易。且此方案小車體積較大，有充?？臻g安放元器件，也為后續(xù)添加其他功能做好準備。但小車轉向較為笨重。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，四個直流電機。通過控制一個電機向前轉，另一個電機向后轉。即差分驅動從而達到轉彎的目的。 二、小車核心單片機 AT89C52單片機是一種低電壓、高性能的CMOS 8位單片機，擁有8Kb存儲空間，適合與許多較為復雜的控制應用。三、傳感器電路設計方案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。當光線照射到白線上面時，光線發(fā)射強

4、烈，光線照射到黑線上面時，光線發(fā)射較弱。因此光敏電阻在白線和黑線上方時，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 結合外圍電路探測，但實際效果并不理想，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)境和路面介質影響。在使用過程極易出現(xiàn)問題，而且容易因為該部件造成整個系統(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

5、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。這樣制作組裝的尋跡傳感器基本能夠滿足要求，所以我們選擇了這個方案。在此基礎上，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，根據(jù)兩只光電開關接受到白線與黑線的情況來控制小車轉向來調整車向，測試表明，只要合理安裝好兩只光電開關的位置就可以很好的實現(xiàn)循跡的功能。 方案二：采用三只紅外對管，一只置于軌道中間，兩只置于軌道外側，當小車脫離軌道時，即當置于中間的一只光電開關脫離軌道時，等待外面任一只檢測到黑線后，做出相應的轉向調整，直到中間的光電開關重新檢測到黑線（即回到軌道）再恢復正向行駛。現(xiàn)場實測表

6、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、黑線檢測電路設計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)接收到的反射光強弱來判斷是否是黑線。利用這個原理，可以控制小車行走的路跡。方案一： 采用繼電器對電動機的開或關進行控制,通過開關的切換對小車的速度進行調整.此方案的優(yōu)點是電路較為簡單,缺點是繼電器的響應時間慢,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。線性型驅動的電路結構和原理簡單，加速能力強，采用由達林頓管組成的H型橋式電路。用單片機控制達林頓管使

7、之工作在占空比可調的開關狀態(tài)下，精確調整電動機轉速。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型橋式電路保證了簡單的實現(xiàn)轉速和方向的控制，電子管的開關速度很快，穩(wěn)定性也極強，是一種廣泛采用的 PWM 調速技術。我選用了L298N。這種調速方式有調速特性優(yōu)良、調整平滑、調速范圍廣、過載能力大，能承受頻繁的負載沖擊，還可以實現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉等優(yōu)點。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。四、電機驅動電路用PWM調節(jié)電機速度采用哪種電機方案一： 采用步進電機，其顯著的特點就是具有快速啟動和停止的能力。轉換靈敏度較高，但是步進電機價格比較昂貴，且對整個控

8、制系統(tǒng)要求比較高。方案二： 采用普通的直流電機，其具有優(yōu)良的調速特性，調速平滑，方便。調整范圍廣，過載能力強，能承受頻繁的沖擊負載，可實現(xiàn)頻繁的無極快速啟動，制動和反轉，且普通直流電機價格適宜，更易于購買，電路相對簡單，配合LM298N驅動芯片組合，只要施加合適的脈沖序列，電機可以按照人們的預定速度或方向連續(xù)的轉動，便于控速。因此，采用直流電機作為動力源。五、電源方案 我們用的直流電機工作電壓在3-9V ，四個電機靠差速轉彎，轉向時輪子與地摩擦等因素，使的電流比較大，實測在行走直線時四個電機需要 600-800MA 的電流，如果轉向時需要提供太約 1-1.5A 的電流。方案一：采用1 節(jié)4.2

9、V 可充電式鋰電池給直流電機供電，經(jīng)過電壓變換后給支流電機供電，給單片機系統(tǒng)和其他芯片供電。但由于電壓不太夠，價格昂貴，因此，我們放棄了。方案二： 采用4 節(jié)低內阻可以提供較大電流的充電電池供電，電壓達到6v，經(jīng)穩(wěn)壓后給支流電機供電，給單片機系統(tǒng)和其他芯片供電。此方案雖然在調試中消耗較大，但最為符合實際情況，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（當然好的電池除外）所以，我選擇了方案二來實現(xiàn)供電。六、避障方案方案一：方案一：采用超聲波避障，超聲波受環(huán)境影響較大，電路復雜，而且地面對超聲波的反采用超聲波避障，超聲波受環(huán)境影響較大，電路復雜，而且地面

10、對超聲波的反射，會影響系統(tǒng)對障礙物的判斷。射，會影響系統(tǒng)對障礙物的判斷。方案二：方案二：采用紅外線避障，利用單片機來產生采用紅外線避障，利用單片機來產生38KHz信號對紅外線發(fā)射管進行調制發(fā)射，信號對紅外線發(fā)射管進行調制發(fā)射，發(fā)射出去的紅外線遇到避障物的時候反射回來，紅外線接收管對反射回來信號發(fā)射出去的紅外線遇到避障物的時候反射回來，紅外線接收管對反射回來信號進行解調，輸出進行解調，輸出TTL電平。外界對紅外信號的干擾比較小，且易于實現(xiàn)，價格也電平。外界對紅外信號的干擾比較小，且易于實現(xiàn)，價格也比較便宜，故采用方案二。紅外線發(fā)射接受電路原理圖如圖所示。比較便宜，故采用方案二。紅外線發(fā)射接受電路

11、原理圖如圖所示。 紅外線發(fā)射接受電路原理圖紅外線發(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調向速度的限制，小車應在距障礙物一定范圍內做出反應，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現(xiàn)理想定向。根據(jù)上述要求，提出以下方案。 我們想到采用激光傳感器探測障礙物。該傳感器能非常準確地測出障礙物的存在，但價格高，處理復雜，不符合該設計的要求。 在本設計中，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

12、據(jù)接收到的反射光強弱來判斷是否是黑線。利用這個原理，可以控制電動小車行走的路跡。此次設計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，當探測到障礙物時，光電傳感器給出信號至單片機，單片機檢測到該信號后，調整小車的方向，以控制小車準確地繞過障礙物，而且避免因小車自然轉彎而導致的盲目方向控制，能避免電路的復雜性。 在系統(tǒng)中要進行動態(tài)顯示遇障次數(shù)。采用LCD1602液晶顯示器。LCD具有功耗低，抗干擾能力強的特點。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速度快、定位精度高，可靠性強以及可見光傳感器所不能比擬的優(yōu)點，故采用紅外

13、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，遮光盤，紅外光電耦合器及凹槽型支架組成的。測距輪安裝在車紅外測距儀由測距輪，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)值準確一些。輪上，這樣能使記數(shù)值準確一些。 為實現(xiàn)可逆記數(shù)功能，我們在測距儀中并列放置了兩個槽型光電耦合器，遮光盤先后為實現(xiàn)可逆記數(shù)功能，我們在測距儀中并列放置了兩個槽型光電耦合器，遮光盤先后通過凹槽可產生兩個脈沖信號。根據(jù)兩個脈沖信號發(fā)生的先后順序與兩個光電耦合器的位通過凹槽可產生兩個脈沖信號。根據(jù)兩個脈沖信號發(fā)生的先后順序與兩個光電耦合器的位置關系，即可計算出玩具車的行駛方向（前進或后退

14、）。遮光盤及槽型光電耦合器均安裝置關系，即可計算出玩具車的行駛方向（前進或后退）。遮光盤及槽型光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。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：將光柵安裝在電機軸上，當電機轉動時，光柵也隨之轉動，同時安裝在光測距原理：將光柵安裝在電機軸上，當電機轉動時，光柵也隨之轉動，同時安裝在光柵一側的紅外發(fā)光二極管點亮，在光柵的另一側設有紅外三極管，用于接收紅外發(fā)光二極柵一側的紅外發(fā)光二極管點亮，在光柵的另一側設有紅外三極管，用于接收紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外線信號。由于光柵隨電機高速轉動，則紅外線三極管接收到的就是一系列脈管發(fā)出的紅外線信號。由于光柵隨電機高速轉動，則紅外線三極管接收到的就是一系列脈沖信號。將該信號傳輸?shù)經(jīng)_信號。將該信號傳輸?shù)?0C51單片機的內部計數(shù)器計數(shù)，根據(jù)預先實測的數(shù)據(jù)換算關系單片機的內部計數(shù)器計數(shù)，根據(jù)預先