循跡、避障、尋光小車實驗報告

簡易智能小車摘要：本系統(tǒng)基于自動控制原理，以MSP430為控制核心，用紅外傳感器、光敏三極管、霍爾傳感器、接近開關之間相互配合，實現(xiàn)了小車的智能化，小車完成了自動尋跡、避障、尋光入庫、計時、鐵片檢測、行程測量的功能。本系統(tǒng)采用液晶LCD12864顯示數(shù)據(jù)，良好的人機交流界面，顯示小車行程的時間、鐵片中心線離起始線的距離和鐵片的個數(shù)。整個系統(tǒng)控制靈活，反響靈敏。關鍵詞：MSP430傳感器LCD12864目錄一、方案論證與比擬31、題目任務要求及相關指標的分析32、方案的比擬與選擇3〔1〕控制單元的選擇3〔2〕直流電機驅動電路的選擇3〔3〕軌跡探測模塊選擇3〔4〕金屬片的探測3〔5〕路程測量方案的選擇4〔6〕避障方案的選擇4〔7〕小車尋光方案的選擇4〔8〕電源的選擇4〔9〕剎車機構功能方案比擬5二、系統(tǒng)總體設計方案及實現(xiàn)方框圖51、系統(tǒng)總體設計方案52、系統(tǒng)實現(xiàn)框圖5三、理論分析與計算51、鐵片中心線距離的測量52、小車行程時間的測量5四、主要功能電路設計61、小車循跡模塊62、小車檢測鐵片模塊63、小車測距模塊64、小車避障模塊65、小車尋光模塊66、直流電機驅動模塊7五、系統(tǒng)軟件的設計8六、測試量數(shù)據(jù)與分析81、測量數(shù)據(jù)82、數(shù)據(jù)分析8參考文獻8方案論證與比擬1.題目任務要求及相關指標的分析題目要求小車按照規(guī)定的跑道行駛，同時檢測在跑道下的鐵片，在檢測到最后一塊鐵片時小車會有連續(xù)的聲光顯示；后又可以準確的避開障礙，而且不與障礙物接觸；最后，在光源的引導下，進入車庫。智能小車有顯示功能，可以顯示檢測到鐵片的數(shù)量，金屬片距起點的距離，行駛的總時間。整個行駛過程中的總時間不大于90秒，小車在行駛90秒后會自動停車。2.方案的比擬與選擇〔1〕控制單元的選擇方案一：利用單片機與FPGA配合使用。基于FPGAI/O口數(shù)量多以及運算速度快的特點，對各種傳感器得到的信號進展處理，將處理結果交予單片機，從而由單片機控制小車的行駛。 方案二：利用TI的單片機MSP430，該芯片集成了模擬電路、數(shù)字電路、微處理器，具有AD采樣、比擬器、產生PWM控制信號，掉電可以繼續(xù)復位工作等功能。此外，MSP430有眾多的I/O口，可以很好的實現(xiàn)對小車的控制。由于FPGA太大，不宜裝在小車上，并且FPGA不好供電。題目對小車的實時性要求不是很高，所以我們所需要的控制單元不必要具備很高的運算速度，故兩種方案都可以很好的實現(xiàn)題目的要求。出于對本錢和功耗的考慮，我們采用方案二。〔2〕直流電機驅動電路的選擇方案一：采用H型橋式驅動電路。直流電機驅動使用最廣泛的是H型橋式驅動電路，這種電機可以很方便的實現(xiàn)直流電機的四象限運行，分別對應正轉、正轉制動、反轉、反轉制動。但是使用時需要注意直通短路，這給電路帶來了不穩(wěn)定因素。方案二：利用驅動專用芯片L298。L298是集成的橋式驅動電路，最大驅動電流可到達4A。該芯片使用時外圍電路簡單，控制方法十分方便。而且其驅動效果良好。經(jīng)過比擬，一塊L298可以驅動兩個電機，大大簡化了驅動電路，所以我們采用方案二?！?〕軌跡探測模塊選擇方案一：采用紅外對管檢測。一般自然光線中紅外線頻段能量較弱，而且紅外線波長較長，近距離衰減小，這樣在一定程度上能防止外界光源干擾，可以更為可靠的探測近距離的黑線。 方案二：采用光敏電阻檢測。光敏電阻對光強敏感，當光強時其電阻較小。黑線和白紙對光的反射能力不同，所以可以利用這一性質，判斷黑線的位置。在車下面，光強較弱，會在一定程度上影響光敏電阻的功能，并且還有鎢絲燈對光敏電阻的影響，不同的地方光強不一樣。另外，光敏電阻對光強有一定的反響時間，實時性不如紅外對管，難以到達小車循跡的要求，所以我們選擇方案一?！?〕金屬片的探測 方案一：采用分立的霍爾元件?；魻栐诮咏饘贂r，由于其電磁效應，會產生脈沖信號。然而，它產生的脈沖信號不是十分穩(wěn)定，不便于信號的處理。 方案二：采用工業(yè)用的集成金屬檢測元件——接近開關。當其接近金屬片時可以產生很穩(wěn)定的脈沖信號。 當檢測到金屬的時候輸出為低電平，沒有檢測到金屬的時候為高電平。變化非常靈敏，接近開關完全能滿足要求，最后我們采用方案二?！?〕路程測量方案的選擇 方案一：采用紅外發(fā)射—接收對管。在車輪涂有黑白兩種顏色，紅外發(fā)射—接收對管對準不同的顏色時會得到上下不同的脈沖電平，進而得到車輪所轉圈數(shù)。電動車在行駛過程中車輪所轉的圈數(shù)，再乘以車輪的周長便可得到小車行駛的路程。方案二：采用霍爾傳感器。霍爾傳感器由霍爾開關、磁鐵組成。其工作原理是將霍爾開關和磁鐵分別安裝在車架、車輪的適當位置。輛行駛時，在磁鐵的作用下，霍爾開關產生開關信號，累計開關信號的總數(shù)，再乘上車輪的周長，便可計算出車輛行駛的距離。方案三：采用接近開關。在車輪上安裝鐵片。當其接近金屬片時可以產生很穩(wěn)定的脈沖信號。當檢測到金屬的時候輸出為低電平，沒有檢測到金屬的時候為高電平。累計脈沖信號的總數(shù)，再乘上車輪的周長，便可計算出車輛行駛的距離?？紤]到安裝傳感器的部位在車輪處，此處較弱的光強會影響對管的工作，使得方案一在測量時會受到較大的影響。由于接近開關過大，不好裝在車輪上，固方案三不可取。而霍爾傳感器受到的影響這較小，故方案二可以實現(xiàn)較準確的測量。所以我們選擇方案二。〔6〕避障方案的選擇 方案一：采用超聲波探測。超聲波頻率高、波長短、定向性好、能量集中，適合于距離測量，且不易受光線干擾。利用超聲探頭，可以確定前方是否有障礙物以及障礙物和小車的距離，將數(shù)據(jù)送與430處理，可以確定小車避障的具體路線，但其電路比擬復雜。 方案二：采用反射式紅外探測。其測量的距離為15~20cm，完全可以滿足要求。方案二電路簡單，程序也簡單，所以我們采用方案二?！?〕小車尋光方案的選擇方案一：采用被動式紅外探測器。被動式紅外探測器部有接收紅外光的光敏三極管，可以接收障礙物等其他物體發(fā)射的紅外光。這種檢測方法利用日光燈發(fā)熱產生的較強的紅外光來檢測光源，在能檢測到和不能檢測到光源的臨界點，光敏三極管的射極輸出電壓有一個較大的躍變，便于后級處理。 方案二：采用光敏三極管。光敏三極管的阻值可以隨著光強的變化而變化。因此，可以將其與一定值電阻串聯(lián)分壓，利用430帶有的AD轉換功能，通過比擬光敏三極管上電壓大小，比擬出哪邊的光強較強。方案三：采用光敏電阻，其方法和光敏三極管一樣。 被動式紅外探測器在變化的光源下輸出的是一個躍變，故只有兩種狀態(tài)，不適合小車的尋光。然而，光敏三極管可以連續(xù)的變化，可以比擬三個及三個以上方向的光強大小，更適宜小車的尋光。于是我們選擇方案二。〔8〕電源的選擇 方案一：采用單電源供電。此方案供電方式簡單，電路很容易實現(xiàn)。但是直流電機需要很大的電流驅動，會造成電源電壓的不穩(wěn)定，且會產生毛刺，嚴重時可能會使430掉電。 方案二：采用雙電源供電。給直流電機單獨用一個電源供電。這樣可以有效的防止直流電機對其他電路的干擾。 綜上述：我們采用方案二?！?〕剎車機構功能方案比擬方案一、自然減速式。當系統(tǒng)發(fā)出停頓信號時停頓給驅動電機供電，小車在無動力狀態(tài)因阻力而自然變?yōu)殪o止。由于慣性，小車全速行駛時需1.8秒后才能停頓，因車輪滑行造成的誤差較大。無法實現(xiàn)準確制動的目標。方案二、反轉式。當小車需要停車時給驅動電機以反轉信號，利用輪胎與跑道的摩擦力抵消慣性效應。由于車速是漸減的，反向驅動信號長度也要漸減，否則小車可能反向行駛。使用此方案后全速剎車反響時間減少為0.5s。經(jīng)過反復測試和討論，我們采用方案二。二、系統(tǒng)總體設計方案及實現(xiàn)方框圖1、系統(tǒng)總體設計方案本系統(tǒng)以MSP430為控制核心，對各個傳感器所得到的數(shù)據(jù)進展處理。用紅外對管檢測黑線和白紙，接近開關檢測鐵片，紅外避障，光敏三極管檢測光源的方向，霍爾元件測量小車的行駛距離；再由MSP430控制小車的行駛方向、聲光警報、LCD顯示。當小車完成所有運動之后顯示小車行程的時間、鐵片中心線離起始線的距離和鐵片的個數(shù)。2、系統(tǒng)實現(xiàn)框圖圖〔1〕系統(tǒng)總框圖三、理論分析與計算1、鐵片中心線距離的測量 我們在車輪上裝了八個磁片，小車的行程即為小車輪子所轉過的長度，通過霍爾傳感器可以記得小車所轉過的圈數(shù)N，再測得小車輪子周長L。當接近開關進入鐵片的時候，測量出鐵片一端距離起始線的距離*=L*N1/8，當接近開關出鐵片的時候，測量出鐵片另一端距離起始線的距離Y=L*N2/8。所以得到鐵片中心線到起始線的距離為S=(*+Y)/2。兩次測量鐵片測量的方法都是一樣的。2、小車行程時間的測量在主程序之前加一個延時，小車調整好之后才開場起步，當電機啟動的時候開啟計時器，當尋光停頓的時候關閉計時器，MSP430再將行程的時間送到液晶顯示出來，這樣得到的時間比擬準確。四、主要功能電路設計小車循跡模塊我們采用紅外對管是ST188為了提高可以提高紅外二極管的發(fā)射功率，它與電源之間應串聯(lián)一個小電阻。晶體三極管導通時集電結和發(fā)射結之間有一定的直流電阻，為了使三極管導通時，輸出的電壓盡量的小，應選擇盡量大的集電極電阻。輸出的電壓再經(jīng)過LM311比擬器，當紅外對管檢測到黑線時，黑線將圖〔2〕st188電路圖紅外線的大局部吸收，紅外二極管不導通，光敏三極管處于截止狀態(tài)，輸出口輸出一個較高電壓。當紅外對管檢測到白紙時，光敏三極管將導通，輸出口將輸出一個較低的電壓。小車檢測鐵片模塊接近開關屬于集成金屬檢測元件。它的外部引出了藍、黑、棕三個顏色的線。其外部電路如圖〔3〕所示。當檢測到金屬時，輸出端輸出低電平。將輸出接到430的外部中斷口,當檢測到鐵片時將產生中斷，從而可實現(xiàn)對鐵片的探測和計數(shù)。圖〔3〕接近開關電路圖小車測距模塊本系統(tǒng)采用霍爾傳感器測距，在車輪和車軸上分別安裝八個磁鐵和一片霍爾片，八個磁片對稱放置，通過計量輸出脈沖數(shù)來測量行程。如圖〔4〕所示，由于霍爾開關的霍爾效應當其接近磁片時輸出低電平，在其沒有檢測到金屬時輸出高電平。由于小車的錢輪是導向輪，轉彎的時候會檢測不到，所以我們在安裝霍爾傳感器時將其裝在后輪。圖〔4〕霍爾傳感器電路圖小車避障模塊我們采用的是用紅外檢測障礙物避障，在車頭的最右邊和車的右側面分別裝一個紅外裝置1和紅外裝置2〔如圖〔2〕〕，遇到障礙物時有電平變化。由于小車轉彎不夠靈活，當車前面的紅外檢測到有障礙物的時候，小車后退一段距離，再向左前進，然后向右轉一角度，擺正車身，使小車向左移動一個車身，移動的距離不能太大，不能太小，太大會碰到障礙物2，并且不能觸發(fā)右邊的紅外進展中斷，太小的話，消耗的時間太多。當小車避過第一個障礙物，側面的紅外會檢測到有障礙物，于是就開啟尋光。由于鎢絲燈發(fā)出的光線中含有紅外光，對紅外模塊1影響太大了，所以我們采用了集成紅外模塊取代紅外模塊1，而鎢絲燈對紅外模塊2沒有多大的影響，所以紅外模塊2用分立元件。小車尋光模塊利用MSP430部自帶的十二位的AD，轉換光敏三極管上的分壓，經(jīng)過比擬即可判斷該方向上光強的大小。由于部AD參考電壓為2.5V，所以利用兩個一樣的電阻串聯(lián)分壓得到2.5V，再用光敏三極管和一定值電阻分壓。光敏三極管阻值較大，所以用作產生2.5V基準的電阻應當較小。如圖〔6〕所示，三極管2和3所分得得電壓進展比擬，三極管1和4所分得得電壓進展比擬，從而來調整角度。小車主要是靠2和3進展控制方向，當車身角度過大的時候靠1和4控制方向。當2和3的數(shù)值都到達最大的時候就停頓運動，從而準確入庫。圖〔6〕圖〔5〕直流電機驅動模塊利用MSP430的I/O口產生PWM控制信號，由于430的輸出電流有限，不能驅動直流電機，所以需要對PWM控制信號進展功率放大。采用電機驅動專用芯片L298。430的四個控制口與L298四個輸入口相連，L298的四個輸出口分別控制小車的前輪電機和后輪電機，從而控制前進、后退、左轉、右轉、停頓。圖〔7〕五、系統(tǒng)軟件的設計圖〔8〕程序流程圖六、測試量數(shù)據(jù)與分析1、測量數(shù)據(jù)測量序號12