多功能智能小車的設(shè)計

多功能智能小車的設(shè)計第一頁，共二十五頁，2022年，8月28日總體設(shè)計及要求

根據(jù)題目要求，本設(shè)計各部分采用模塊化設(shè)計，以兩電動機為主驅(qū)動，通過傳感器采集各類信息，送入單片機處理數(shù)據(jù)后完成相應(yīng)動作，實現(xiàn)小車的多功能自動控制。模塊設(shè)計可分為尋跡模塊、避障模塊、尋光模塊、距離檢測模塊、電源模塊、電機驅(qū)動及PWM調(diào)制模塊。前輪PWM驅(qū)動電路主要用于轉(zhuǎn)向控制；后輪PWM驅(qū)動電路主要用于方向和速度控制；尋跡探測模塊利用三個光感元件，對黑色軌道進行尋跡；避障模塊利用紅外傳感器進行探測；光源探測模塊利用三個光敏電阻制成，用于尋光并確定光源角度，以期獲得較為精確的轉(zhuǎn)向值。第二頁，共二十五頁，2022年，8月28日尋跡模塊方案分析與比較方案一、使用簡易光電傳感器結(jié)合外圍電路探測。由于所采用光電傳感器實際效果并不理想，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(zhì)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。方案二、利用兩只光電開關(guān)。分別置于軌道的兩側(cè)，根據(jù)其接受到白線的先后來控制小車轉(zhuǎn)向來調(diào)整車向，但是如果兩只光電開關(guān)之間的距離很小，則約束了速度,如果著重于小車速度的提升，則隨著車速的提升，則勢必要求兩只光電開關(guān)之間的距離加大，從而使得小車的行駛路線脫離軌道幅度較大，小車將無法快速完成準確的導(dǎo)向從而有可能導(dǎo)致尋跡失敗。方案三、用三只光電開關(guān)。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，即當(dāng)置于中間的一只光電開關(guān)脫離軌道時，等待外面任一只檢測到黑線后，做出相應(yīng)的轉(zhuǎn)向調(diào)整，直到中間的光電開關(guān)重新檢測到黑線（即回到軌道）再恢復(fù)正向行駛。雖然小車在尋跡過程中可能會有一定的左右搖擺（因為小車的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了光電開光之間的距離到達不了精確計算值1厘米），但只要控制好行駛速度就可保證車身基本上接近于沿靠軌道行駛[11]。第三頁，共二十五頁，2022年，8月28日避障模塊方案分析與比較考慮到在測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40CM的范圍內(nèi)做出反應(yīng)，這樣可以保證小車能夠順利繞過障礙物。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)理想的定向方案。方案一、采用一只紅外傳感器置于小車中央。一只紅外傳感器小車中央安裝簡易，也可以檢測到障礙物的存在，但難以確定小車在水平方向上是否會與障礙物相撞，也不易讓小車做出精確的轉(zhuǎn)向反應(yīng)。方案二、采用二只紅外傳感器分置于小車兩邊。二只紅外傳感器分別置于小車的前端兩側(cè)，方向與小車前進方向平行，對小車與障礙物相對距離和方位能作出較為準確的判別和及時反應(yīng)。但此方案過于依賴硬件、成本較高、缺乏創(chuàng)造性，而且置于小車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右側(cè)并與小車前進方向呈一固定角度?；趯π熊嚨貓D中光源及障礙物尺寸、位置的分析，我們采用了通過尋找光源來對行車方向進行控制，在向光源行駛的過程中檢測障礙物并做出相應(yīng)的反應(yīng)，這樣不僅只使用一只紅外傳感器就實現(xiàn)了避障，而且避免因小車自然轉(zhuǎn)彎而導(dǎo)致的盲目方向控制，同時為后面以最簡單最直接的路線和在最短的時間內(nèi)完成行駛路程創(chuàng)造了機會[12]。智能小車應(yīng)以準確、智能見優(yōu)，我們采用方案三。第四頁，共二十五頁，2022年，8月28日尋光模塊方案分析與比較方案一、采用多只方向性較強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，在尋找光源時根據(jù)每個定位器接收到的光線強弱（有無）得出行車方位。該方案若采用方向性較強的光敏二極管作為光源定位器，要么是需要很多的器件，要么是難以檢測到光源的方向。方案二、采用一個光源定位器。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試效果，2.5米之外就可以確定光源的方向。當(dāng)小車繞過障礙物之后，通過不停地旋轉(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，但尋找光源的過程必定帶來不必要的大量時間開銷，且尋找過程盲目性太大，不利于控制，又增加了一個電機，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到目的，但因其對光非常敏感，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，但其能見長度和相對簡明的控制措施顯示了很大的優(yōu)越性。綜合考慮以上方案，方案三更具準確性和獨創(chuàng)性，我們采用方案三。第五頁，共二十五頁，2022年，8月28日距離檢測模塊方案分析與比較方案一、通過測試得出小車平均速度v，在行駛過程中將行駛時間與其乘積t?v作為駛過的距離。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，故不予采用。方案二、在后輪內(nèi)側(cè)勻距貼上m個磁鋼，車廂內(nèi)裝上霍爾開關(guān)。對輪子轉(zhuǎn)速進行測量，由于低速下輪子與地面接觸良好，設(shè)輪周長為c，可以用霍爾開關(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，霍爾開關(guān)固定牢靠，就可以獲得較好的測試效果。但車子顛簸時，穩(wěn)定性較差。方案三、在齒輪箱中安裝透射式光電開關(guān)，測出變速齒輪的每秒轉(zhuǎn)速，用變速比和車輪周長計算出線速度，積分求行駛距離。但在齒輪箱中使用光電開關(guān)，要求有足夠的安裝位置，不能影響傳動機構(gòu)的機械動作。其優(yōu)點是工作穩(wěn)定。綜合以上方案優(yōu)劣和小車的結(jié)構(gòu)特點，我們采用方案二。第六頁，共二十五頁，2022年，8月28日電源與穩(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)動能力及電壓穩(wěn)定性最好，且負載對電源影響也最小。但由于需要電線對小車供電，極大影響了智能小車行動的靈活性及地形的適應(yīng)能力。而且避障小車極易把拖在地上的電線識別為障礙物，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。

蓄電池具有較強的電流驅(qū)動能力和較好的電壓穩(wěn)定性能，且成本低廉?？刹捎眯铍姵亟?jīng)7812芯片穩(wěn)壓后給電機供電，再經(jīng)過降壓接7805芯片給單片機及其他邏輯單元供電。但蓄電池體積相對龐大，且重量過大，造成電機負載過大，故最終放棄了這一方案。

方案三、采用干電池組進行供電。

小車使用4節(jié)充電電池供電，4節(jié)串聯(lián)為4.8–5V，可以滿足各個芯片的供電要求，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)中芯片損壞等問題。為了避免電機啟動及制動時的短暫電壓干擾不會影響到邏輯單元和單片機的工作，采用電機單獨供電。綜合以上考慮，我們采用方案三。第七頁，共二十五頁，2022年，8月28日電機驅(qū)動及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驅(qū)動電路。使用分立元件搭建電機驅(qū)動電路造價低廉，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)動電機。MC33886是一個具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動芯片，輸出電壓最高可達50V，可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；直接用單片機的I/O口提供信號，而且?guī)в惺鼓芏?，方便PWM調(diào)速，電路簡單，性能穩(wěn)定，使用方便。MC33886芯片可以用來驅(qū)動2個直流電動機或步進電動機等感性負載，正好符合小車兩個二相電機的驅(qū)動要求。

綜合以上考慮，采用MC33886芯片驅(qū)動小車電機。第八頁，共二十五頁，2022年，8月28日MC33886驅(qū)動電機原理MC33886電機驅(qū)動電機供電電源+5V直流邏輯電平保護電路保護電路左電機右電機第九頁，共二十五頁，2022年，8月28日元件安裝前后尋跡光電開關(guān)測障紅外傳感器轉(zhuǎn)向燈車體中心光敏電阻蜂鳴器跳絢霓虹燈第十頁，共二十五頁，2022年，8月28日數(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，然后送入單片機進行處理。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、時鐘脈沖源和控制邏輯5個部分構(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)換誤差來描述。第十一頁，共二十五頁，2022年，8月28日路徑識別電路設(shè)計RPR220接收到反射信號，根據(jù)接收光強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行比較，當(dāng)高于閥值電壓時，LM293輸出低電平，反之，輸出高電平。將LM293的輸出端接到單片機的IO口上來檢測是否脫離軌道，并作出相應(yīng)的轉(zhuǎn)向調(diào)整。第十二頁，共二十五頁，2022年，8月28日路徑識別電路第十三頁，共二十五頁，2022年，8月28日車速檢測電路第十四頁，共二十五頁，2022年，8月28日障礙物檢測電路第十五頁，共二十五頁，2022年，8月28日電源電路第十六頁，共二十五頁，2022年，8月28日電機驅(qū)動電路第十七頁，共二十五頁，2022年，8月28日鍵盤及顯示子程序設(shè)計

在鍵盤程序部分，用鍵盤來控制小車的工作狀態(tài)，在顯示程序部分通過從速度采集端口采集來的二進制數(shù)字轉(zhuǎn)化為可以顯示的ASCII碼值，來實時顯示速度和小車的轉(zhuǎn)向指示。NN鍵盤掃描按鍵測試延時消抖判斷鍵值延時消抖有鍵按下？有鍵按下是否釋放返回NYY第十八頁，共二十五頁，2022年，8月28日電機控制子程序

Y控制開始計算速度，依據(jù)給定值和PID參數(shù)計算電機驅(qū)動PWM值解析命令收到命令？有脈沖？計算出？根據(jù)PWM參數(shù)計算出電機驅(qū)動所需參數(shù)NNYNY輸出控制值第十九頁，共二十五頁，2022年，8月28日障礙物檢測子程序

依據(jù)障礙物情況，從動作函數(shù)中選擇動作傳感器端口反饋值A(chǔ)/D轉(zhuǎn)換為所需值值為多少？記錄小車動作時間有障礙物溢出中斷中斷返回第二十頁，共二十五頁，2022年，8月28日尋跡子程序

循跡檢測開始PINA&0X38=0X00PINA&0X38=0X08PINA&0X38=0X30PINA&0X38=0X20PINA&0X38=0X28PINA&0X38=0X30PINA&0X38=0X38出界，后退探測熄滅全部LED轉(zhuǎn)右點亮右邊LED前進兩個LED點亮轉(zhuǎn)左點亮左邊LED直行點亮兩個LED前進點亮兩個LED十字線或終點轉(zhuǎn)左探測YYYYYYYNNNNNN返回第二十一頁，共二十五頁，2022年，8月28日硬件看門狗電路

MCU監(jiān)控電路，即看門狗電路，時刻監(jiān)視著單片機的運行狀態(tài)，當(dāng)單片機進入死尋環(huán)或死機后，復(fù)位單片機，使系統(tǒng)重啟，從而保證系統(tǒng)的正常運行。它實際上是一個定時器，這個定時器只要上電就開始運行，當(dāng)外界給它一個跳變的脈沖時，定時器就清零。如果外界超過一定時間沒有跳變脈沖輸入，則該定時器一直運行到溢出，這時就會輸出復(fù)位信號。在實際的系統(tǒng)中，單片機的一個引腳接到看門狗電路的輸入端，并每隔一段時間改變該引腳的輸出電平，使看門狗定時器清零，這叫做運行喂狗指令。當(dāng)單片機進入死尋環(huán)或死機而無法再持續(xù)執(zhí)行喂狗指令時，看門狗就復(fù)位單片機。第二十二頁，共二十五頁，2022年，8月28日基本復(fù)位電路第二十三頁，共二十五頁，2022年，8月28日結(jié)論及展望

在學(xué)習(xí)智能控制原理，單片機及傳感器等相關(guān)知識的基礎(chǔ)上，本課題對以單片機作為中心控制器的智能車控制系統(tǒng)進行了研究，從硬件和軟件兩方面對智能小車進行了設(shè)計。針對小車在行駛過程中的不同要求，采用模塊化設(shè)計方案設(shè)計智能小車，從而實現(xiàn)了智能小車