走迷宮小車設(shè)計報告

1、走迷宮小車設(shè)計報告術(shù)日新月異，時代前進的步伐越邁越寬，應(yīng)用自動化設(shè)備,計算機處理,現(xiàn)代化通訊,數(shù)字化信息,現(xiàn)代化顯示設(shè)備等高新技術(shù)而建立的現(xiàn)代化智能,監(jiān)控等系統(tǒng)已經(jīng)得到充分的發(fā)展與應(yīng)用,智能機器人也就應(yīng)運而生。同時，在建設(shè)以人為本的和諧社會的過程中，智能服務(wù)機器人能夠完成考古發(fā)掘，海底揭密，宇宙探索等危險作業(yè)，以保證人身安全。國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要一文指出：智能服務(wù)機器人是在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下為人類提供必要服務(wù)的多種高技術(shù)集成的智能化裝備。以服務(wù)機器人和危險作業(yè)機器人應(yīng)用需求為重點，研究設(shè)計方法、制造工藝、智能控制和應(yīng)用系統(tǒng)集成等共性基礎(chǔ)技術(shù)。重點研究低成本的自組織網(wǎng)絡(luò)，個性化的智能機器人

2、和人機交互系統(tǒng)、高柔性免受攻擊的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和先進的信息安全ST公司的ARM7芯片STR710FZT6具有豐富的資源，內(nèi)嵌256+16KB的FLASH和64KB的SRAM。APB橋它有2個分立的橋：APB1是針對快速外設(shè)，例如I2C、 UART、USB、CAN、SPI、HDLC；APB2是針對慢速外設(shè)，例如EIC、 XTI、GPIOs、ADC12、Timer、RTC、Watchdog。特色：APB橋控制著外設(shè)時鐘開啟和控制所有外設(shè)的復(fù)位。EIC的特色：多個中斷通道的硬件操作，中斷優(yōu)先級、自動向量化；32個可屏蔽中斷，映射在ARM的中斷查詢引腳IRQ；每一個IRQ中斷都有16個可編程優(yōu)先級別；支持硬

3、件中斷嵌套(15級)；2個可屏蔽中斷，映射到ARM的快速中斷查詢引腳FIQ，既無優(yōu)先級也不會自動向量化，等等。我們的系統(tǒng)主要分為控制小車模塊、超聲波模塊、無線通信模塊。前兩模塊主要是用到控制IO口和定時器，后一模塊主要用到SPI總線和串口。所以我們的系統(tǒng)沒有外擴存儲器，也沒有USB等，對這塊ARM的利用率不高，但我們看重的是這塊芯片的性價比以及強大的可擴展性，因此選擇這塊ARM芯片是滿足我們要求的。2  功能概述及方案設(shè)計2.1功能概我們設(shè)計的“走迷宮的小車”這一套系統(tǒng)主要是讓小車自主的從迷宮的入口走到出口，并把行走的軌跡傳輸給電腦，繪制出走出迷宮的路線。在這一過程中，小車通過前、左

4、、右三個超聲波模塊實現(xiàn)對周圍障礙物的實時測距來實現(xiàn)避障功能；在小車的行走過程中，也會實時地把小車的移動距離、速度等信息通過無線傳輸反饋給電腦；在轉(zhuǎn)彎的時候就會把轉(zhuǎn)彎的角度、移動距離等信息反饋給電腦，讓電腦根據(jù)所接受到的信息繪制小車的行走路線。另外，無線傳輸這一模塊還具有自動組網(wǎng)的功能，在多臺小車之間也可以通信，這樣，多臺小車同時探測這一迷宮能大大的提高效率。若一下圖為迷宮，則完成效果圖如下：   2.2 具體方案設(shè)計2.2.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計     我們將系統(tǒng)分為小車控制模塊、超聲波模塊、無線通信這三個大模塊。其中小車控制模塊包括

5、小車以及輪胎上的紅外對管模塊；無線通信又包括小車這一端和與電腦相連的一端。 圖1.系統(tǒng)框2.2.2小車控制模塊設(shè)計2.2.2.1  小車車體的設(shè)計 我們是購買玩具電動車。購買的玩具電動車具有組裝完整的車架車輪、電機及其驅(qū)動電路。玩具電動車具有如下特點：首先，玩具電動車電機都是現(xiàn)成的，在上面架一塊板子就可以放下電路板，各種傳感器的安裝也較方便。其次，所購買的電動車是由兩電機控制的，一個負(fù)責(zé)左邊兩輪子，另一個負(fù)責(zé)右邊兩輪子。這樣可以進行原地90-180度轉(zhuǎn)彎。2.2.2.2  小車控制器模塊      控制器模塊采用的

6、是ST公司的一片ARM芯STR710FZT6，該芯片大大滿足我們的需要，片上資源很多，擴展性很好。2.2.2.3  電源模塊      采用12V蓄電池為直流電機供電，將12V電壓降壓、穩(wěn)壓到5V，為外圍芯片供電，再降壓穩(wěn)壓到3.3V給ARM芯片供電。蓄電池具有較強的電流驅(qū)動能力以及穩(wěn)定的電壓輸出性能，所以我們采用鋰電池供電。2.2.2.4  穩(wěn)壓模塊     我們利用lm7805這塊芯片將12V的鋰電池降壓到5V，再利用lm117這塊芯片將5V降壓到3.3V。2.2.2.5 

7、; 電機驅(qū)動模塊     采用專用芯片L298N作為電機驅(qū)動芯片。L298N是一個具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動芯片，它相應(yīng)頻率高，一片L298N可以分別控制兩個直流電機，而且還帶有控制使能端。用該芯片作為電機驅(qū)動，操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。2.2.2.6  小車控制模塊設(shè)計     小車的控制是由專用芯片L298N來完成的，我們用六個IO口來控制小車的運動，其中兩個IO口是產(chǎn)生PWM波，控制電機的速度；另外四個IO口又分成兩組，分別控制兩個電機的正反轉(zhuǎn)，來實現(xiàn)小車的變速前進、轉(zhuǎn)彎等動作。2.2.2.7&

8、#160; 車速檢測模塊設(shè)計     對于小車的車速檢測及距離確定的一般原理是這樣的：小車的行駛過程是一個連續(xù)的時間過程，它的時間、路程、速度都是連續(xù)的。我們用t表示時間，S表示路程，表示瞬時速度，那么它們的數(shù)學(xué)定義為： ， ，小車的平均速度為： 。將上面的式子離散化，假設(shè)在一個很短的時間t內(nèi)小車行駛了S的路程，則小車的即時速度 。直接得到小車的速度的傳感器很難實現(xiàn)，但是小車行駛的距離是容易測量的，因為車輪在行駛的過程中一直在旋轉(zhuǎn)。假設(shè)車輪的周長為L，在時間t內(nèi)轉(zhuǎn)動了N圈，則小車行駛的距離為：S=N·L。在實際過程中，我們需要把車輪的轉(zhuǎn)動信息轉(zhuǎn)

9、換成電信號，就是使用速度傳感器得到脈沖信號。如果小車轉(zhuǎn)動一周得到一個信號，則很顯然的，距離測量的最大誤差就是車輪的周長。因此，我們有必要在車輪轉(zhuǎn)動一周的過程中得到盡可能多的計數(shù)脈沖。假設(shè)在車輪轉(zhuǎn)動一周的過程中均勻地得到m個脈沖信號，那么距離測量的最大誤差就變?yōu)長/m，如果在時間t內(nèi)得到的計數(shù)脈沖為N個，那么小車行駛的距離為： 。因此，在小車的速度和距離的檢測過程中最需要知道的就是車輪旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的脈沖個數(shù)。速度傳感器有多種，我們采用的是反射式光電傳感器。原理如下： 由發(fā)射管TX發(fā)射的紅外線經(jīng)被檢測物表面反射，反射光被接收管RX接收，接收管將接收的紅外線信號轉(zhuǎn)換成電信號。被檢測物表面的光

10、滑程度和表面顏色影響反射光的強弱，反射面越不光滑，顏色越暗，則反射光越弱。在這里，我們就是要利用它對顏色敏感的特點，當(dāng)檢測物表面為黑色時，反射光很弱，接收端檢測到的光線可以忽略，使接收端呈現(xiàn)一種狀態(tài)，例如開關(guān)管截止；當(dāng)被檢測物表面為白色時，反射光強烈，發(fā)射端發(fā)射的紅外線被接收端全部接收，使接收端呈現(xiàn)另一種相反的狀態(tài)，例如開關(guān)管開通。這兩種相反的狀態(tài)表現(xiàn)在電路中，就是高低電平組成的脈沖信號。在我們的系統(tǒng)中，我們在每個輪子外表面涂上了黑白相間的條紋，每個反射式光電傳感器由一個IO口來得到脈沖信號。通過前面敘述的原理，我們就可以算出小車的速度和行走的距離。當(dāng)然這個速度和距離存在著誤差，這個誤差在我們

11、的系統(tǒng)中是允許的。2.2.3  超聲波模塊設(shè)計     超聲波模塊是用來測距并且避障用的，我們沒有選用現(xiàn)有的超聲波模塊，而是自己根據(jù)超聲波的原理，利用超聲波探頭和一些外圍電路而搭建起超聲波模塊。超聲波測距的原理如下：               首先超聲波傳感器向空氣中發(fā)射聲脈沖, 聲波遇到被測物體反射回來, 若可以測出第一個回波達到的時間與發(fā)射脈沖間的時間差t,利用 ,即可算得傳感器與反射點間的距離s ,

12、 測量距離 ,若s>>h 時,則d s。系統(tǒng)中有三個超聲波模塊，其中每個都有接收探頭與發(fā)射探頭，這三個模塊分別位于小車的前、左、右處，來進行測距以達到避障的效果。     對于放射探頭，我們選用的是發(fā)射頻率為40KHz的一種，該類型現(xiàn)在應(yīng)用較普遍，電路也比較簡單，只需給發(fā)射端40KHz的脈沖，發(fā)射探頭即不斷的往外發(fā)送超聲波。    對于接收探頭，因為接收的超聲波信號很微弱而且考慮到干擾的因素，接收端有放大電路與濾波電路。當(dāng)接收到超聲波時，IO口即為高電平。若此IO支持外部中斷，則可在MCU中引發(fā)中斷。在我們的系統(tǒng)

13、中，三個超聲波模塊接收端都有外部中斷功能的IO口來確定是否檢測到超聲波。因此通過計算測的距離障礙物的距離然后就可以判斷是否轉(zhuǎn)彎。2.2.4  無線通信模塊設(shè)計     無線通信模塊的作用非常重要，它為小車的行走指明了方向，也拓展了小車的其他功能。當(dāng)小車行走時，每隔一定時間將數(shù)據(jù)譬如速度、行走距離、轉(zhuǎn)彎角度等信息傳送給PC機，當(dāng)下次小車行走到原地時，小車該如何走呢？假如還是照以前的路線走這樣小車的行走則成為了死循環(huán)，而這時如果PC機通過以前記錄的信息發(fā)送一條指令給小車，則小車就可以選擇另外一條路進行探測了。我們的無線模塊是仿Zigbee的，但又不

14、同于它。有了此無線通信模塊，我們的小車系統(tǒng)就可以不是一輛小車而是多輛小車共同探測迷宮了。原理如下：2.2.4.1  硬件選型硬件方面我們的射頻芯片采用Chipcon公司的CC1100芯片，用于數(shù)據(jù)的無線收發(fā)，工作頻率為433MHz，它有64字節(jié)RX和TX數(shù)據(jù)FIFO；SPI用于MCU與射頻芯片CC1100之間的通信；直流電源及電源保護電路是必不可少的部分；RS232串口及電平轉(zhuǎn)換提供主芯片與PC機的接口；阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)和天線用于433MHz信號的放大和收CC1100的主要特性：電壓范圍-0.3V-3.6V、頻率波段：300-348MHz、400-464MHz和800-928MHz、高靈

15、敏度（1.2kbps下-110dBm，1數(shù)據(jù)包誤差率）、可編程控制的數(shù)據(jù)傳輸率，較低的電流消耗（RX中15.6mA，2.4kbps，433MHz）、單獨的64字節(jié)RX和TX數(shù)據(jù)FIFO、高效的SPI接口、對同步詞匯偵測的芯片支持，地址檢查，自動CRC處理、OOK和ASK整型支持、2-FSK，GFSK和MSK支持、支持傳輸前自動清理信道訪問（CCA），即載波偵聽系統(tǒng)、支持每個數(shù)據(jù)包連接質(zhì)量指示。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖：匹配電路介紹：阻抗匹配的意義在于，使信號源傳送到負(fù)載的功率最大。這就要求信號源阻抗必須等于負(fù)載的共軛阻抗，即：Rs+jXs=RL-jXL匹配效果如圖 3?圖 3?5匹配電路效果圖常用的阻抗

16、匹配電路有：1.L型匹配；2.型匹配；3.T型匹配；4.多L型匹配。L型匹配電路是阻抗匹配電路的基礎(chǔ)。L型匹配電路圖如圖 3?6圖 3?6典型L型匹配電路其中匹配電路參數(shù)值計算如下圖 3?7L型匹配電路計算若RS>RL ：因為有： =>  同理有，當(dāng)RS<RL時：  若B>0，則表示元件為電容： 。若B<0，則表示元件為電感： 。若X>0，則表示元件為電感： 。若X<0，則表示元件為電容： 。CC1100芯片的輸出阻抗為Zin=116-j*41，天線阻抗為50歐。本射頻電路的匹配電路中使用了四級L型匹配電路。各元

17、器件功能及參數(shù)值描述如表格 3?1 表格 3?1匹配電路元件參數(shù) 元件名稱 433MHz值，封裝及材質(zhì) 功能 C51 100nF±10%，0603，X7R 數(shù)字部分的片內(nèi)電壓調(diào)節(jié)器的100nF退耦電容 C81 33P/X7R，0603 晶體負(fù)載電容 C101 39P/NPO，0603 晶體負(fù)載電容 C121/C131 3.9P/NPO，0603 RF平衡轉(zhuǎn)換器/匹配電容 C122 6.8P/NPO，0603 RF濾波/匹配電容 C123 5.6P/NPO，0603 RF濾波/匹配電容 C124 220P/NPO，0603 RF平衡轉(zhuǎn)換器DC模塊電容 C125 1nF/NPO

18、，0603 RF LC濾波DC模塊電容（只在在天線中有DC通路時需要） L121/L131/L123 27nH RF平衡轉(zhuǎn)換器/匹配電感（便宜的多層類型） L122 22nH RF LC濾波/匹配電感（便宜的多層類型） R171 56k±1%，0603 內(nèi)部偏電流參考的56千歐電阻 XTAL 26.000MHz 晶振，武漢佳泰公司   2.2.4.2  通信協(xié)議介紹本系統(tǒng)采用“星型”組網(wǎng)方式，與PC機相連的通信/控制模塊（即主控板+射頻板）稱為主節(jié)點，與小車相連的通信/控制模塊稱為子節(jié)點。PC機控制主節(jié)點以完成組網(wǎng)及與各子節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸。主節(jié)點可與所有子

19、節(jié)點相互通信，子節(jié)點只能同主節(jié)點進行通信、子節(jié)點之間不能相互通信。主節(jié)點與子節(jié)點的工作示意圖如下：圖 3?2工作示意圖工作大致流程描述：1. 主節(jié)點/子節(jié)點啟動過程：  1）主節(jié)點無線模塊上電后，立即向PC機發(fā)送“上電完成報告”；  2）PC機向主節(jié)點回復(fù)“上電回復(fù)報告”，指定節(jié)點類型為主節(jié)點。  3）子節(jié)點上電后，直接將自身指定為子節(jié)點；2. 主節(jié)點與各子節(jié)點間組網(wǎng)過程：  1）指定結(jié)束以后主節(jié)點開始啟動組網(wǎng)過程，等待PC機向其發(fā)送“組網(wǎng)結(jié)束命令”；  2）主節(jié)點收到“組網(wǎng)結(jié)束命令”后，發(fā)送停止組網(wǎng)命令給各子節(jié)點（注意：協(xié)議中將系統(tǒng)設(shè)計為一主

20、帶多子，現(xiàn)在只實現(xiàn)一主帶一子），子節(jié)點無線模塊收到主節(jié)點無線模塊停止組網(wǎng)的控制命令后，進入數(shù)據(jù)通信狀態(tài)，即可以開始發(fā)送數(shù)據(jù)。     主節(jié)點無線模塊停止組網(wǎng)完成后，向PC 機發(fā)送“網(wǎng)絡(luò)空閑報告”，指示PC機網(wǎng)絡(luò)空閑，可以進行數(shù)據(jù)通信。3. PC機與各子節(jié)點間數(shù)據(jù)通信過程：  1）PC機通過串口將數(shù)據(jù)或控制命令交給主節(jié)點；  2）主節(jié)點無線模塊將數(shù)據(jù)或控制命令通過無線方式傳給子節(jié)點無線模塊；4. 各子節(jié)點與PC機間數(shù)據(jù)通信過程：  1）子節(jié)點將自身運動信息或異常情況整理成數(shù)據(jù)報文；2）子節(jié)點無線模塊將數(shù)據(jù)通過無線方式傳給主節(jié)點

21、無線模塊；3）主節(jié)點通過串口將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)交給PC機；5. 在3、4數(shù)據(jù)通信過程中，PC機可向主節(jié)點無線模塊發(fā)送檢測、重啟、復(fù)位等控制命令，主節(jié)點無線模塊收到這些命令后，分別對各子節(jié)點進行相應(yīng)處理。層設(shè)計示意圖如下：各層幀格式示意圖如下：1.物理層幀格式物理層在上層數(shù)據(jù)前端加入Frame Length，在后端加入CRC兩部分。由芯片硬件提供CRC校驗功能。2.MAC層幀格式MAC層在上層數(shù)據(jù)前端加入Dst Address，Src Address ，F(xiàn)rame Type，SequenceNO四部分。MAC層產(chǎn)生ACK幀，DATA部分長度為0，用于完成該層保證可靠傳輸?shù)娜蝿?wù)。3.應(yīng)用層幀格式應(yīng)用層數(shù)據(jù)為

22、各種串口傳送的數(shù)據(jù)和各種控制命令。應(yīng)用層實現(xiàn)以下功能1串口數(shù)據(jù)的解析和組裝2組網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的維護應(yīng)用層報文格式如下：2.2.4.3  利用ARM芯片上的資源 CC1100是通過SPI總線與ARM通信的，ARM上提供了這一資源。另外，無線通信模塊需要大量的定時器，定時器的數(shù)量與通信質(zhì)量密切相關(guān)，但是我由于資源的有限，而且我們對精度的要求不是很高，所以我們采用了一個定時器來模擬出多個定時器的方法，這樣無線通信丟包率很小。3  系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1硬件設(shè)計概述   本系統(tǒng)硬件不是很復(fù)雜，大多都是外圍電路，沒有較復(fù)雜的集成芯片。硬件方面也分為以下幾個模塊

23、：電機驅(qū)動模塊、測速與距離的確定模塊、超聲波模塊、無線通信模塊以及電源模塊。3.2 電機驅(qū)動模塊設(shè)計電機的驅(qū)動是由集成芯片L298來實現(xiàn)的，由六個IO口經(jīng)四個與門再由L298輸出四路信號來控制兩電機。電路圖如下： 其中IO口P1.2與P1.7是定時器1和3的輸出端，用來產(chǎn)生PWM波；P2.2、P2.3、P2.4、P2.5是普通IO口，用來控制電機運動的方向。3.3 測速模塊設(shè)計測速模塊主要是由st168和輪胎的黑白間條組成。st168的外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖： 這塊電路圖如下： 我們的系統(tǒng)共有四個這樣的模塊，每個輪子上一個。只需一個IO口來記錄來沖數(shù)目。這四個IO口分別是P2

24、.14、P2.15、P2.0、P2.1。3.4 超聲波模塊設(shè)計     超聲波模塊分為發(fā)射端與接受端，電路是參考網(wǎng)上提供的電路，接收最大距離是滿足我們的系統(tǒng)的，效果還可以，若進一步修改此電路，則效果會更理想。發(fā)射端電路如下： 接收端電路如下： 接受端的IO口是具有外部中斷功能的，當(dāng)接收到信號，MCU就會觸發(fā)中斷，這時記錄時間間隔然后就可以計算出距離障礙物的距離了。我們在小車的前、左、右都安裝了發(fā)射與接收探頭，讓小車全方位避障。另外，可能由于障礙物特殊的形狀，可能會造成混疊的現(xiàn)象，即一發(fā)射端發(fā)射的超聲波被另外一個接受端接受，造成測距失敗

25、。這一問題還有待按照實際情況來解決，比如讓發(fā)射與接收探頭成一定的角度等方法。3.5 無線通信模塊無線通信模塊主要由射頻芯片CC1100構(gòu)成，而我們采用的是它的典型電路，電路圖如下：   它與ARM的通信是通過SPI總線來實現(xiàn)的，它的接口主要有SI、SCLK、SO、GDO0、GDO2、CSn。其中SI、SCLK、SO即為利用SPI總線通信的幾個接口，另外GDO0的作用是當(dāng)接受到報文的時候由低置為高，GDO2的作用是當(dāng)開始發(fā)送一個報文時由低置為高，這兩個接口給MCU提示報文的接受與發(fā)送是否完成。CSn用來作片選3.6 電源模塊硬件設(shè)電源模塊主要是經(jīng)過兩次降壓，分別供給ARM芯片

26、的外圍芯片和ARM芯片，這兩塊電路如下4  系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1 下位機控制模塊4.1.1 模塊描述下位機控制模塊是本系統(tǒng)的一個重要組成部分，它包括系統(tǒng)配置模塊，主控模塊，無線通信模塊，小車控制模塊以及超聲波模塊。各模塊功能如下：系統(tǒng)配置模塊提供整個系統(tǒng)（主要為ARM芯片）的初始化及中斷配置功能；主控模塊封裝了main 函數(shù)，提供下位機程序運行的大環(huán)境；無線通信通信模塊提供下位機與PC 機以及通信模塊的通信途徑；無線通信模塊通過控制通信模塊以提供本系統(tǒng)所需的無線連接功能；小車控制模塊控制小車的運動，并檢測其速度及行走距離。我們的軟件部分總體框圖如下： 程序結(jié)構(gòu)圖如下：4.1.

27、2 系統(tǒng)資源使用情況þ       RAM 的使用 n        定義部分參數(shù)變量，程序運行時的必要堆?？臻gþ       單片機內(nèi)部Flash 的使用n        存放程序。þ       中斷源的使用  n  

28、;      定時器0中斷 用于通信協(xié)議的構(gòu)造n        定時器1中斷 產(chǎn)生一路PWM脈沖n        定時器2中斷 產(chǎn)生40KHz的脈沖以及輪詢四個紅外對管n        定時器3中斷 產(chǎn)生一路PWM脈沖n        外部中斷  &

29、#160; 接收超聲波，然后測距þ       SPI總線n        與射頻模塊CC1100通信þ       串口n        與電腦通信（擴展） 4.1.3 主控模塊設(shè)計     該模塊提供了系統(tǒng)的主循環(huán)控制功能，包含系統(tǒng)的main主循環(huán)和中斷處理部分。系統(tǒng)在一個主循環(huán)中不斷運行，查詢各個標(biāo)志位，以實現(xiàn)各種功能，同時，中斷處理中也會執(zhí)行某些緊急操作，并置位某些標(biāo)志位以指示系統(tǒng)進行某些操作。4.1.4小車控制模塊    小車的控制模塊主要分為直線運動與轉(zhuǎn)彎運動。小車在直線運動時每個一定時間間隔就發(fā)送報文給PC機。當(dāng)小車發(fā)現(xiàn)距離障礙物的距離達到一數(shù)值時，它將轉(zhuǎn)彎