循跡避障小車答辯

1、作品匯報(bào)智能循跡小車智能循跡小車設(shè)計(jì)制作者：破壞者隊(duì) 電子科學(xué)與工程學(xué)院 張?chǎng)?錢雨皎 盧陽方案設(shè)計(jì)時(shí)間： 2014年3月2014年4月設(shè)計(jì)背景設(shè)計(jì)背景 人們?cè)诓粩嗵接?、改造、認(rèn)識(shí)自然的過程中，制造能替代人勞動(dòng)的機(jī)器一直是人類的夢(mèng)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(dòng)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(dòng)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)STC89C52

2、 作為主控制核心，STC89C52的對(duì)當(dāng)前的傳感器進(jìn)行查詢，根據(jù)傳感器傳來的信息，對(duì)當(dāng)前的環(huán)境作出判斷，最后對(duì)電機(jī)作出相應(yīng)的動(dòng)作。單片機(jī)通過紅外傳感器檢測(cè)場(chǎng)地白線，從而控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)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)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(dòng)輪。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(dòng)輪運(yùn)動(dòng)偏差帶來轉(zhuǎn)向時(shí)，萬向輪作徑向運(yùn)動(dòng)，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(hào)車相比，4號(hào)車4個(gè)都是主動(dòng)輪，偏向阻力一樣，且重心變化導(dǎo)致力矩減小，就這點(diǎn)

3、看，4號(hào)比3號(hào)容易偏向。但因其為四驅(qū)，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(dòng)從而達(dá)到轉(zhuǎn)彎的目的。 二、小車核心單片機(jī) AT89C52單片機(jī)是一種低電壓、高性能的CMOS 8位單片機(jī)，擁有8Kb存儲(chǔ)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(cè)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)

4、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)，阻值會(huì)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(jiǎn)易光電傳感器 結(jié)合外圍電路探測(cè)，但實(shí)際效果并不理想，對(duì)行駛過程中的穩(wěn)定性要求很高，且誤測(cè)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，而且容易因?yàn)樵摬考斐烧麄€(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(duì)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(cè)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(cè)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(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(duì)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(cè)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(duì)管，一只置于軌道中間，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(cè)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(cè)到黑線（即回到軌道）再恢復(fù)正向行駛?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)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(cè)電路設(shè)計(jì)探測(cè)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(duì)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(duì)電動(dòng)機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制,通過開關(guān)的切換對(duì)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(jiǎn)單,缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時(shí)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(dòng)的電路結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)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

7、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(dòng)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型橋式電路保證了簡(jiǎn)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(jí)快速啟動(dòng)、制動(dòng)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)。四、電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(duì)整個(gè)控

8、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)頻繁的無極快速啟動(dòng)，制動(dòng)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(duì)簡(jiǎn)單，配合LM298N驅(qū)動(dòng)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(dòng)，便于控速。因此，采用直流電機(jī)作為動(dòng)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，使的電流比較大，實(shí)測(cè)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

9、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，電壓達(dá)到6v，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(hào)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：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，而且地面對(duì)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(fù)雜，而且地面

10、對(duì)超聲波的反射，會(huì)影響系統(tǒng)對(duì)障礙物的判斷。射，會(huì)影響系統(tǒng)對(duì)障礙物的判斷。方案二：方案二：采用紅外線避障，利用單片機(jī)來產(chǎn)生采用紅外線避障，利用單片機(jī)來產(chǎn)生38KHz信號(hào)對(duì)紅外線發(fā)射管進(jìn)行調(diào)制發(fā)射，信號(hào)對(duì)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(duì)反射回來信號(hào)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(duì)反射回來信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，輸出進(jìn)行解調(diào)，輸出TTL電平。外界對(duì)紅外信號(hào)的干擾比較小，且易于實(shí)現(xiàn)，價(jià)格也電平。外界對(duì)紅外信號(hào)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(cè)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(duì)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)上述要求，提出以下方案。 我們想到采用激光傳感器探測(cè)障礙物。該傳感器能非常準(zhǔn)確地測(cè)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(dòng)小車沿著路面的黑色軌道行駛。其探測(cè)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(duì)光的反射系數(shù)不同，可以根

12、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，可以控制電動(dòng)小車行走的路跡。此次設(shè)計(jì)我們采用光電傳感器探測(cè)障礙物。光電傳感器安裝于小車前端，在規(guī)定的檢測(cè)距離內(nèi)，當(dāng)探測(cè)到障礙物時(shí)，光電傳感器給出信號(hào)至單片機(jī)，單片機(jī)檢測(cè)到該信號(hào)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。 在系統(tǒng)中要進(jìn)行動(dòng)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(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(cè)距方案 由于紅外檢測(cè)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

13、光電碼盤測(cè)速方案。具體電路如圖所示：紅外測(cè)距儀由測(cè)距輪，遮光盤，紅外光電耦合器及凹槽型支架組成的。測(cè)距輪安裝在車紅外測(cè)距儀由測(cè)距輪，遮光盤，紅外光電耦合器及凹槽型支架組成的。測(cè)距輪安裝在車輪上，這樣能使記數(shù)值準(zhǔn)確一些。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?cè)跍y(cè)距儀中并列放置了兩個(gè)槽型光電耦合器，遮光盤先后為實(shí)現(xiàn)可逆記數(shù)功能，我們?cè)跍y(cè)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(hào)。根據(jù)兩個(gè)脈沖信號(hào)發(fā)生的先后順序與兩個(gè)光電耦合器的位通過凹槽可產(chǎn)生兩個(gè)脈沖信號(hào)。根據(jù)兩個(gè)脈沖信號(hào)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

14、）。遮光盤及槽型光電耦合器均安裝置關(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(cè)距原理：將光柵安裝在電機(jī)軸上，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光柵也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)安裝在光測(cè)距原理：將光柵安裝在電機(jī)軸上，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光柵也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，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(hào)。由于光柵隨電機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)，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(hào)。由于光柵隨電機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)，則紅外線三極管接收到的就是一系列脈沖信號(hào)。將該信號(hào)傳輸?shù)經(jīng)_信號(hào)。將該信號(hào)傳輸?shù)?0C51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(cè)的數(shù)據(jù)換算關(guān)系單片機(jī)的內(nèi)部計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，根據(jù)預(yù)先