多功能智能小車(chē)的設(shè)計(jì).ppt

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1、多功能智能小車(chē)的設(shè)計(jì),學(xué)生：崔文浩 學(xué)號(hào)：0805064150 指導(dǎo)老師：張權(quán),總體設(shè)計(jì)及要求,根據(jù)題目要求，本設(shè)計(jì)各部分采用模塊化設(shè)計(jì)，以?xún)呻妱?dòng)機(jī)為主驅(qū)動(dòng)，通過(guò)傳感器采集各類(lèi)信息，送入單片機(jī)處理數(shù)據(jù)后完成相應(yīng)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)小車(chē)的多功能自動(dòng)控制。模塊設(shè)計(jì)可分為尋跡模塊、避障模塊、尋光模塊、距離檢測(cè)模塊、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)及PWM調(diào)制模塊。前輪PWM驅(qū)動(dòng)電路主要用于轉(zhuǎn)向控制；后輪PWM驅(qū)動(dòng)電路主要用于方向和速度控制；尋跡探測(cè)模塊利用三個(gè)光感元件，對(duì)黑色軌道進(jìn)行尋跡；避障模塊利用紅外傳感器進(jìn)行探測(cè)；光源探測(cè)模塊利用三個(gè)光敏電阻制成，用于尋光并確定光源角度，以期獲得較為精確的轉(zhuǎn)向值。,尋跡模塊方

2、案分析與比較,方案一、使用簡(jiǎn)易光電傳感器結(jié)合外圍電路探測(cè)。 由于所采用光電傳感器實(shí)際效果并不理想，對(duì)行駛過(guò)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(guò)程極易出現(xiàn)問(wèn)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。 方案二、利用兩只光電開(kāi)關(guān)。 分別置于軌道的兩側(cè)，根據(jù)其接受到白線的先后來(lái)控制小車(chē)轉(zhuǎn)向來(lái)調(diào)整車(chē)向，但是如果兩只光電開(kāi)關(guān)之間的距離很小，則約束了速度,如果著重于小車(chē)速度的提升，則隨著車(chē)速的提升，則勢(shì)必要求兩只光電開(kāi)關(guān)之間的距離加大，從而使得小車(chē)的行駛路線脫離軌道幅度較大，小車(chē)將無(wú)法快速完成準(zhǔn)確的導(dǎo)向從而有可能導(dǎo)致尋跡失敗。 方案三、用三只光電開(kāi)

3、關(guān)。 一只置于軌道中間，兩只置于軌道外側(cè)，當(dāng)小車(chē)脫離軌道時(shí)，即當(dāng)置于中間的一只光電開(kāi)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(kāi)關(guān)重新檢測(cè)到黑線（即回到軌道）再恢復(fù)正向行駛。雖然小車(chē)在尋跡過(guò)程中可能會(huì)有一定的左右搖擺（因?yàn)樾≤?chē)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了光電開(kāi)光之間的距離到達(dá)不了精確計(jì)算值1厘米），但只要控制好行駛速度就可保證車(chē)身基本上接近于沿靠軌道行駛11。,避障模塊方案分析與比較,考慮到在測(cè)障過(guò)程中小車(chē)車(chē)速及反應(yīng)調(diào)向速度的限制，小車(chē)應(yīng)在距障礙物40CM的范圍內(nèi)做出反應(yīng)，這樣可以保證小車(chē)能夠順利繞過(guò)障礙物。否則，如果范圍太大，則可能產(chǎn)生障礙物的判斷失誤；范圍過(guò)小又很容易

4、造成車(chē)身撞上障礙物或雖繞過(guò)障礙物卻無(wú)法實(shí)現(xiàn)理想的定向方案。 方案一、采用一只紅外傳感器置于小車(chē)中央。 一只紅外傳感器小車(chē)中央安裝簡(jiǎn)易，也可以檢測(cè)到障礙物的存在，但難以確定小車(chē)在水平方向上是否會(huì)與障礙物相撞，也不易讓小車(chē)做出精確的轉(zhuǎn)向反應(yīng)。 方案二、采用二只紅外傳感器分置于小車(chē)兩邊。 二只紅外傳感器分別置于小車(chē)的前端兩側(cè)，方向與小車(chē)前進(jìn)方向平行，對(duì)小車(chē)與障礙物相對(duì)距離和方位能作出較為準(zhǔn)確的判別和及時(shí)反應(yīng)。但此方案過(guò)于依賴(lài)硬件、成本較高、缺乏創(chuàng)造性，而且置于小車(chē)左方的紅外傳感器用到的幾率很小，所以最終未采用。 方案三、采用一只紅外傳感器置于小車(chē)右側(cè)并與小車(chē)前進(jìn)方向呈一固定角度。 基于對(duì)行車(chē)地圖中光

5、源及障礙物尺寸、位置的分析，我們采用了通過(guò)尋找光源來(lái)對(duì)行車(chē)方向進(jìn)行控制，在向光源行駛的過(guò)程中檢測(cè)障礙物并做出相應(yīng)的反應(yīng)，這樣不僅只使用一只紅外傳感器就實(shí)現(xiàn)了避障，而且避免因小車(chē)自然轉(zhuǎn)彎而導(dǎo)致的盲目方向控制，同時(shí)為后面以最簡(jiǎn)單最直接的路線和在最短的時(shí)間內(nèi)完成行駛路程創(chuàng)造了機(jī)會(huì)12。 智能小車(chē)應(yīng)以準(zhǔn)確、智能見(jiàn)優(yōu)，我們采用方案三。,尋光模塊方案分析與比較,方案一、采用多只方向性較強(qiáng)的光敏二極管作為光源定位器。 若干定位器在水平面上按不同角度展開(kāi)，在尋找光源時(shí)根據(jù)每個(gè)定位器接收到的光線強(qiáng)弱（有無(wú)）得出行車(chē)方位。該方案若采用方向性較強(qiáng)的光敏二極管作為光源定位器，要么是需要很多的器件，要么是難以檢測(cè)到光源

6、的方向。 方案二、采用一個(gè)光源定位器。 用深色不透光材料與光敏電阻制成的光源定位器有較理想的定向測(cè)試效果，2.5米之外就可以確定光源的方向。當(dāng)小車(chē)?yán)@過(guò)障礙物之后，通過(guò)不停地旋轉(zhuǎn)使定位器獲得最大光線照射以確定光源方向，這種方案有一定的可行性，但尋找光源的過(guò)程必定帶來(lái)不必要的大量時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)，且尋找過(guò)程盲目性太大，不利于控制，又增加了一個(gè)電機(jī)，增大的電源方案選擇或安裝的難度。 方案三、利用多只光源定位器。 在方案二所得數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合光敏電阻的敏感性，只用三到五只光敏電阻就可以達(dá)到目的，但因其對(duì)光非常敏感，所以必需為每只光敏電阻加上黑色隔離板。雖然制作有一定難度，但其能見(jiàn)長(zhǎng)度和相對(duì)簡(jiǎn)明的控制措施顯示

7、了很大的優(yōu)越性。 綜合考慮以上方案，方案三更具準(zhǔn)確性和獨(dú)創(chuàng)性，我們采用方案三。,距離檢測(cè)模塊方案分析與比較,方案一、通過(guò)測(cè)試得出小車(chē)平均速度v，在行駛過(guò)程中將行駛時(shí)間與其乘積tv作為駛過(guò)的距離。但該方案受電池電量、路面介質(zhì)等因素的影響，在大多數(shù)情況下均暴露出誤差較大的缺點(diǎn)，故不予采用。 方案二、在后輪內(nèi)側(cè)勻距貼上m個(gè)磁鋼，車(chē)廂內(nèi)裝上霍爾開(kāi)關(guān)。對(duì)輪子轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量，由于低速下輪子與地面接觸良好，設(shè)輪周長(zhǎng)為c，可以用霍爾開(kāi)關(guān)輸出脈沖數(shù)n乘以c/m得出行駛距離。只要磁鋼在后輪上的位置足夠精確，霍爾開(kāi)關(guān)固定牢靠，就可以獲得較好的測(cè)試效果。但車(chē)子顛簸時(shí)，穩(wěn)定性較差。 方案三、在齒輪箱中安裝透射式光電開(kāi)關(guān)，

8、測(cè)出變速齒輪的每秒轉(zhuǎn)速，用變速比和車(chē)輪周長(zhǎng)計(jì)算出線速度，積分求行駛距離。但在齒輪箱中使用光電開(kāi)關(guān)，要求有足夠的安裝位置，不能影響傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械動(dòng)作。其優(yōu)點(diǎn)是工作穩(wěn)定。 綜合以上方案優(yōu)劣和小車(chē)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，我們采用方案二。,電源與穩(wěn)壓模塊方案分析與比較,方案一、采用交流電經(jīng)直流穩(wěn)壓處理后供電。 采用交流電提供直流穩(wěn)壓電源，電流驅(qū)動(dòng)能力及電壓穩(wěn)定性最好，且負(fù)載對(duì)電源影響也最小。但由于需要電線對(duì)小車(chē)供電，極大影響了智能小車(chē)行動(dòng)的靈活性及地形的適應(yīng)能力。而且避障小車(chē)極易把拖在地上的電線識(shí)別為障礙物，人為增加了不必要的障礙，故放棄了這一方案。 方案二、采用蓄電池供電 。 蓄電池具有較強(qiáng)的電流驅(qū)動(dòng)能力和較

9、好的電壓穩(wěn)定性能，且成本低廉?？刹捎眯铍姵亟?jīng)7812芯片穩(wěn)壓后給電機(jī)供電，再經(jīng)過(guò)降壓接7805芯片給單片機(jī)及其他邏輯單元供電。但蓄電池體積相對(duì)龐大，且重量過(guò)大，造成電機(jī)負(fù)載過(guò)大，故最終放棄了這一方案。 方案三、采用干電池組進(jìn)行供電。 小車(chē)使用4節(jié)充電電池供電，4節(jié)串聯(lián)為4.85V，可以滿(mǎn)足各個(gè)芯片的供電要求，為了能適用于用普通電池供電，在電源部分采用LM2940來(lái)穩(wěn)定電壓，配合去耦電容濾去電源的雜波。這樣解決了因普通電池的電壓1.5V，新的通常有1.6V，4節(jié)串聯(lián)將達(dá)6.4V，引起的電壓的不穩(wěn)定，內(nèi)阻隨著使用逐漸增大引起系統(tǒng)中芯片損壞等問(wèn)題。為了避免電機(jī)啟動(dòng)及制動(dòng)時(shí)的短暫電壓干擾不會(huì)影響到

10、邏輯單元和單片機(jī)的工作，采用電機(jī)單獨(dú)供電。 綜合以上考慮，我們采用方案三。,電機(jī)驅(qū)動(dòng)及PWM調(diào)速模塊方案分析與比較,方案一、使用分立元件搭建電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。 使用分立元件搭建電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路造價(jià)低廉，在大規(guī)模生產(chǎn)中使用廣泛。但分立元件H橋電路工作性能不夠穩(wěn)定，較易出現(xiàn)硬件上的故障，故放棄了這一方案。 方案二、使用MC33886芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)。 MC33886是一個(gè)具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動(dòng)芯片，輸出電壓最高可達(dá)50V，可以直接通過(guò)電源來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓；直接用單片機(jī)的I/O口提供信號(hào)，而且?guī)в惺鼓芏耍奖鉖WM調(diào)速，電路簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，使用方便。MC33886芯片可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)2個(gè)直流電動(dòng)機(jī)或步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等感

11、性負(fù)載，正好符合小車(chē)兩個(gè)二相電機(jī)的驅(qū)動(dòng)要求。 綜合以上考慮，采用MC33886芯片驅(qū)動(dòng)小車(chē)電機(jī)。,MC33886驅(qū)動(dòng)電機(jī)原理,元件安裝,數(shù)據(jù)采集原理,A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)A/D轉(zhuǎn)換器將電位器輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后送入單片機(jī)進(jìn)行處理。 逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換原理逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器由比較器C、D/A轉(zhuǎn)換器、寄存器、時(shí)鐘脈沖源和控制邏輯5個(gè)部分構(gòu)成。 A/D轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器件的轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度是決定ADC器件的重要參數(shù)，其中轉(zhuǎn)換精度一般用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來(lái)描述。,路徑識(shí)別電路設(shè)計(jì),RPR220接收到反射信號(hào)，根據(jù)接收光強(qiáng)的不同輸出不同的電壓值。將輸出的電壓與比較器的閥值電壓進(jìn)行

12、比較，當(dāng)高于閥值電壓時(shí)，LM293輸出低電平，反之，輸出高電平。將LM293的輸出端接到單片機(jī)的IO口上來(lái)檢測(cè)是否脫離軌道，并作出相應(yīng)的轉(zhuǎn)向調(diào)整。,路徑識(shí)別電路,車(chē)速檢測(cè)電路,障礙物檢測(cè)電路,電源電路,電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路,鍵盤(pán)及顯示子程序設(shè)計(jì),在鍵盤(pán)程序部分，用鍵盤(pán)來(lái)控制小車(chē)的工作狀態(tài)，在顯示程序部分通過(guò)從速度采集端口采集來(lái)的二進(jìn)制數(shù)字轉(zhuǎn)化為可以顯示的ASCII碼值，來(lái)實(shí)時(shí)顯示速度和小車(chē)的轉(zhuǎn)向指示。,電機(jī)控制子程序,障礙物檢測(cè)子程序,尋跡子程序,硬件看門(mén)狗電路,MCU監(jiān)控電路，即看門(mén)狗電路，時(shí)刻監(jiān)視著單片機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)單片機(jī)進(jìn)入死尋環(huán)或死機(jī)后，復(fù)位單片機(jī)，使系統(tǒng)重啟，從而保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。它實(shí)際

13、上是一個(gè)定時(shí)器，這個(gè)定時(shí)器只要上電就開(kāi)始運(yùn)行，當(dāng)外界給它一個(gè)跳變的脈沖時(shí)，定時(shí)器就清零。如果外界超過(guò)一定時(shí)間沒(méi)有跳變脈沖輸入，則該定時(shí)器一直運(yùn)行到溢出，這時(shí)就會(huì)輸出復(fù)位信號(hào)。在實(shí)際的系統(tǒng)中，單片機(jī)的一個(gè)引腳接到看門(mén)狗電路的輸入端，并每隔一段時(shí)間改變?cè)撘_的輸出電平，使看門(mén)狗定時(shí)器清零，這叫做運(yùn)行喂狗指令。當(dāng)單片機(jī)進(jìn)入死尋環(huán)或死機(jī)而無(wú)法再持續(xù)執(zhí)行喂狗指令時(shí)，看門(mén)狗就復(fù)位單片機(jī)。,基本復(fù)位電路,結(jié)論及展望,在學(xué)習(xí)智能控制原理，單片機(jī)及傳感器等相關(guān)知識(shí)的基礎(chǔ)上，本課題對(duì)以單片機(jī)作為中心控制器的智能車(chē)控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，從硬件和軟件兩方面對(duì)智能小車(chē)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。針對(duì)小車(chē)在行駛過(guò)程中的不同要求，采用模塊化設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)智能小車(chē)，從而實(shí)現(xiàn)了智能小車(chē)實(shí)時(shí)顯示速度和里程，實(shí)現(xiàn)規(guī)定區(qū)域內(nèi)自動(dòng)尋跡、避讓障物等功能。 在對(duì)智能小車(chē)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，我了解到我國(guó)的機(jī)器人教育還處于初級(jí)階段，而智能小車(chē)的研究為機(jī)器人控制理論的學(xué)習(xí)奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)，因此，本課題具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。 誠(chéng)然，智能小車(chē)的“智能”是有限的，由于傳感器受到自身性能的影響，傳感器獲得的信息非常有限，隨著傳感器種類(lèi)的增多，一個(gè)強(qiáng)大的智能系統(tǒng)應(yīng)該是一個(gè)多傳感器系統(tǒng)，也是信息感知的新的研究方向。,,謝 謝！,