智能小車設(shè)計(jì)課件

本科組C題--智能小車設(shè)計(jì)長安大學(xué)代表隊(duì)2011年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽

交流報(bào)告弘毅明德篤學(xué)創(chuàng)新2011-11-27長安大學(xué)Chang'anUniversity本科組C題--智能小車設(shè)計(jì)2011年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽

主要報(bào)告內(nèi)容一、題目要求及設(shè)計(jì)思路簡介二、智能小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)三、系統(tǒng)關(guān)鍵問題分析及解決方案四、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及測試五、指導(dǎo)教師點(diǎn)評2011年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽交流報(bào)告主要報(bào)告內(nèi)容一、題目要求及設(shè)計(jì)思路簡介2011年全主要報(bào)告內(nèi)容一、題目要求及設(shè)計(jì)思路簡介二、智能小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)三、系統(tǒng)關(guān)鍵問題分析及解決方案四、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及測試五、指導(dǎo)教師點(diǎn)評2011年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽交流報(bào)告主要報(bào)告內(nèi)容一、題目要求及設(shè)計(jì)思路簡介2011年全1.1題目要求簡介

題目要求兩輛小車在如右圖所示的賽道上實(shí)現(xiàn)如下功能：1.基本要求（1）甲車和乙車分別從起點(diǎn)標(biāo)志線開始，在行車道各正常行駛一圈。（2）甲、乙兩車按圖所示位置同時(shí)起動(dòng)，乙車通過超車標(biāo)志線后在超車區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)超車功能，并先于甲車到達(dá)終點(diǎn)標(biāo)志線，即第一圈實(shí)現(xiàn)乙車超過甲車。（3）甲、乙兩車在完成(2)時(shí)的行駛時(shí)間要盡可能的短。1.1題目要求簡介題目要求兩輛小車在如右圖所示的賽1.1題目要求簡介

2.發(fā)揮部分（1）在完成基本要求(2)后,甲、乙兩車?yán)^續(xù)行駛第二圈，要求甲車通過超車標(biāo)志線后要實(shí)現(xiàn)超車功能，并先于乙車到達(dá)終點(diǎn)標(biāo)志線，即第二圈完成甲車超過乙車，實(shí)現(xiàn)了交替領(lǐng)跑。甲、乙兩車在第二圈行駛的時(shí)間要盡可能的短。（2）甲、乙兩車?yán)^續(xù)行駛第三圈和第四圈，并交替領(lǐng)跑；兩車行駛的時(shí)間要盡可能的短。（3）在完成上述功能后，重新設(shè)定甲車起始位置（在離起點(diǎn)標(biāo)志線前進(jìn)方向40cm范圍內(nèi)任意），實(shí)現(xiàn)甲、乙兩車四圈交替領(lǐng)跑功能，行駛時(shí)間要盡可能的短。1.1題目要求簡介2.發(fā)揮部分1.2設(shè)計(jì)思路介紹智能小車功能需求精準(zhǔn)尋跡快速行進(jìn)位置同步自主超車解決方案紅外傳感器+步進(jìn)電機(jī)+ARM控制板+無線收發(fā)完成功能需求所需的模塊光電檢測模塊無線通訊模塊電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊供電系統(tǒng)模塊主處理模塊1.2設(shè)計(jì)思路介紹精準(zhǔn)尋跡快速行進(jìn)位置同步自主超車完成功能主要報(bào)告內(nèi)容一、題目要求及設(shè)計(jì)思路簡介二、智能小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)三、系統(tǒng)關(guān)鍵問題分析及解決方案四、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及測試五、指導(dǎo)教師點(diǎn)評2011年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽交流報(bào)告主要報(bào)告內(nèi)容一、題目要求及設(shè)計(jì)思路簡介2011年全1、主處理板選型2.1

智能小車硬件設(shè)計(jì)

方案一:采用AT89S52單片機(jī)作為主控芯片。其特點(diǎn)是功耗較低，集成度較高，兼容性較好，但CPU處理速度及片上資源有限，不適合復(fù)雜實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的應(yīng)用。由于在小車運(yùn)行過程中，涉及大量數(shù)據(jù)處理，需要完成傳感器檢測、電機(jī)控制、定時(shí)計(jì)數(shù)等功能。因此此系統(tǒng)需要有良好的運(yùn)算性能，對兩個(gè)小車的速度控制要求較高，而此普通單片機(jī)運(yùn)算速度較慢，不能滿足需求。1、主處理板選型2.1智能小車硬件設(shè)計(jì)2.1

智能小車硬件設(shè)計(jì)

方案二：采用嵌入式系統(tǒng)采用LM3S615的ARM芯片作為控制核心。LM3S615是基于ARM?Cortex-M3的控制器，它將高性能的32位計(jì)算引入嵌入式微控制器應(yīng)用中。其特點(diǎn)是運(yùn)算速度快，外圍器件簡單，功耗低，片上資源豐富，能滿足小車的速度控制以及無線通信設(shè)備的需求，是目前性價(jià)比較高的控制類芯片?；谝陨戏治?，我們選擇方案二。2.1智能小車硬件設(shè)計(jì)方案二：采用嵌入式系統(tǒng)2.1

智能小車硬件設(shè)計(jì)2、電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊的選擇方案

方案一：選擇普通直流電機(jī)。直流電機(jī)可以通過減速齒輪增大扭力，提高帶負(fù)載能力。直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是：價(jià)格便宜，驅(qū)動(dòng)控制容易，但不能做到精確控制是其一大弱點(diǎn)。2.1智能小車硬件設(shè)計(jì)2、電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊的選擇方案方案2.1

智能小車硬件設(shè)計(jì)

方案二：選擇步進(jìn)電機(jī)。

步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)是：可以精確控制電機(jī)選擇步數(shù)和角度，能良好的達(dá)到題目要求的精確度。

考慮到題目性能要求，我們選擇了步進(jìn)電機(jī)，同時(shí)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片BA6845FS。BA6845FS包含兩個(gè)獨(dú)立的H橋電路。直接給芯片上電，即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。此芯片集成度高，電路簡單，控制方便可靠，體積小，效率高。2.1智能小車硬件設(shè)計(jì)方案二：選擇步進(jìn)電機(jī)。2.1

智能小車硬件設(shè)計(jì)3、位置同步方案

方案一：采用超聲波傳感器測距方案超聲波傳感器采用IO觸發(fā)測距，模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40khz的方波，自動(dòng)檢測是否有信號返回。有價(jià)格便宜、使用簡單的優(yōu)點(diǎn)。但是不能準(zhǔn)確測得小車超車及姿態(tài)調(diào)整時(shí)的距離，因此采用此種方案穩(wěn)定性不高2.1智能小車硬件設(shè)計(jì)3、位置同步方案方案一：采用超2.1

智能小車硬件設(shè)計(jì)

方案二：采用無線通信方案采用無線通信的方式可以在小車啟動(dòng)時(shí)、超車時(shí)很好的實(shí)現(xiàn)位置信號的同步，效果穩(wěn)定。相比于電路復(fù)雜，成本高，實(shí)時(shí)性不好，控制復(fù)雜的Zigbee無線收發(fā)模塊，我們采用無線收發(fā)模塊UP-96。該模塊采用了9600bit/s的波特率，直接可以連接到本設(shè)計(jì)的處理器輸出口，無需在無線模塊上編制程序，易于控制，傳輸速率高，可編程控制輸出功率，操作簡單。

基于以上的分析，采用方案二。2.1智能小車硬件設(shè)計(jì)方案二：采用無線通信方案2.1

智能小車硬件設(shè)計(jì)4、循跡模塊的選擇

方案一：采用光敏電阻組成光敏探測器。

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)，光線反射很強(qiáng)烈，光線照射到黑線上面時(shí)，光線反射較弱?；诠獾姆瓷湓硪虼斯饷綦娮柙诎拙€和黑線上方時(shí)，阻值會發(fā)生明顯的變化。將阻值的變化值經(jīng)比較器就可以輸出TTL高低電平信號。但是這種方案受光照影響很大，不能夠穩(wěn)定的工作。2.1智能小車硬件設(shè)計(jì)4、循跡模塊的選擇方案一：采2.1

智能小車硬件設(shè)計(jì)

方案二：采用反射式紅外傳感器。

利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn)，在小車行駛過程中紅外發(fā)射管不斷發(fā)出紅外射線。當(dāng)發(fā)出的紅外射線照射到白色的平面后經(jīng)反射，則檢測出白線繼而輸出低電平；當(dāng)發(fā)出的紅外射線照射到黑色的平面后被吸收，則收不到發(fā)射管發(fā)出的紅外線，則檢測出黑線繼而輸出高電平。微控制器就是通過接收到的高低電平為依據(jù)來確定小車相對于黑線的位置。只要選擇數(shù)量和探測距離合適的紅外傳感器，就可以精確控制小車?；谝陨系姆治觯捎梅桨付?。2.1智能小車硬件設(shè)計(jì)方案二：采用反射式紅外傳感器。

本設(shè)計(jì)中添加了鳴笛功能，由比較器和喇叭組成。當(dāng)甲乙兩車啟動(dòng)時(shí)、超車時(shí)以及到達(dá)終點(diǎn)時(shí)都會以鳴笛作為標(biāo)志。2.1

智能小車硬件設(shè)計(jì)5、鳴笛電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)中添加了鳴笛功能，由比較器和喇叭組成。當(dāng)甲乙2.2智能小車軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用嵌入式的ARM芯片LM3S615作為控制核心。使用兩個(gè)32位定時(shí)計(jì)數(shù)器的中斷來對步進(jìn)電機(jī)的時(shí)序進(jìn)行控制，這樣可以充分利用CPU的資源，精確而簡單的控制小車的速度。小車在行進(jìn)過程中不斷檢測紅外傳感器，判斷小車是否偏離跑道外側(cè)的黑線，可以通過調(diào)整定時(shí)器的計(jì)數(shù)值來調(diào)整兩輪的速度，進(jìn)而對小車的位置及方向進(jìn)行矯正。對定時(shí)器的進(jìn)一步控制可以準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)小車的轉(zhuǎn)彎及超車。兩車之間通過無線通信模塊進(jìn)行位置同步。軟件流程圖如下：2.2智能小車軟件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)采用嵌入式的ARM芯2.2

智能小車軟件設(shè)計(jì)甲車軟件流程圖2.2智能小車軟件設(shè)計(jì)甲車軟件流程圖2.1

智能小車軟件設(shè)計(jì)乙車軟件流程圖2.1智能小車軟件設(shè)計(jì)乙車軟件流程圖主要報(bào)告內(nèi)容一、題目要求及設(shè)計(jì)思路簡介二、智能小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)三、系統(tǒng)關(guān)鍵問題分析及解決方案四、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及測試五、指導(dǎo)教師點(diǎn)評2011年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽交流報(bào)告主要報(bào)告內(nèi)容一、題目要求及設(shè)計(jì)思路簡介2011年全3.1小車行駛路徑規(guī)劃小車行駛路徑規(guī)劃如圖所示：小車通過檢測外邊緣線來循跡，通過檢測拐彎標(biāo)志線進(jìn)行弧度拐彎（轉(zhuǎn)彎過程中不檢測邊緣線，而是通過計(jì)算步數(shù)來控制）。3.1小車行駛路徑規(guī)劃小車行駛路徑規(guī)劃如圖所示

根據(jù)題目要求，黑色線有實(shí)橫線（轉(zhuǎn)彎及超車標(biāo)志線）、實(shí)豎線（邊緣標(biāo)志線）和虛豎線（超車控制線），小車通過檢測不同種類的線來確定方位和行為。

為了正確檢測識別各類標(biāo)線，需要合理設(shè)置傳感器布置方式及傳感器數(shù)量，本系統(tǒng)以右邊緣線作為檢測基準(zhǔn)線，邊緣線寬度為2cm，所以在小車車身右側(cè)2cm處布置3個(gè)紅外傳感器（按從左往右順序依次命名為：IA，IB，IC），傳感器間距為0.9cm，用以檢測邊緣線。小車車身前部中軸線位置放置1個(gè)紅外傳感器（命名為：ID）用以檢測轉(zhuǎn)彎及超車標(biāo)志線。由于小車在行進(jìn)過程中兩個(gè)電機(jī)會分別出現(xiàn)失步、越步及受到其他干擾，小車需要不斷調(diào)整自身姿態(tài)以確保按照正確的方式前進(jìn)，各傳感器輸出真值表及其對應(yīng)控制方式如下：3.2路徑檢測與循跡控制方法分析 根據(jù)題目要求，黑色線有實(shí)橫線（轉(zhuǎn)彎及超車標(biāo)志線）、3.2路徑檢測與循跡控制方法分析3.2路徑檢測與循跡控制方法分析3.3姿態(tài)修正及轉(zhuǎn)彎、超車控制

通過對小車行駛軌跡分析，小車在行進(jìn)過程中主要有以下四種控制模式。

直線控制：結(jié)合題目要求及車體穩(wěn)定性需求，將左右輪速度設(shè)為同一最大值。根據(jù)傳感器返回的信號判斷，若車體發(fā)生偏移，則調(diào)用姿態(tài)修正函數(shù)進(jìn)行微調(diào)。

姿態(tài)修正：若檢測到左偏，右側(cè)電機(jī)減速，否則左側(cè)電機(jī)減速。

轉(zhuǎn)彎控制：當(dāng)檢測到轉(zhuǎn)彎標(biāo)志線時(shí)，左輪速度減慢，右輪速度保持不變。當(dāng)轉(zhuǎn)過一定角度后，直行并循環(huán)檢測邊線。

超車控制：當(dāng)前車檢測到超車標(biāo)志線后，轉(zhuǎn)彎并減速，等待超車完成信號，并在接受到超車完成信號后加速。當(dāng)后車檢測到超車標(biāo)志線后，從超車區(qū)域進(jìn)行超車，完成后發(fā)送超車完成信號。3.3姿態(tài)修正及轉(zhuǎn)彎、超車控制 3.4行進(jìn)間兩車位置同步本系統(tǒng)中啟動(dòng)和每次超車結(jié)束時(shí)都會有一次位置同步，位置同步是通過無線通信發(fā)送指令實(shí)現(xiàn)的。

第一次同步：啟動(dòng)時(shí)，甲車在前，乙車在后。乙車在起跑以前會給甲車一個(gè)啟動(dòng)指令，保證兩車同時(shí)啟動(dòng)。

第二次同步：在超車結(jié)束時(shí)，前車會給后車發(fā)送一個(gè)加速指令，使兩車?yán)^續(xù)前進(jìn)。

通過以上兩次位置同步及步進(jìn)電機(jī)對行進(jìn)距離的準(zhǔn)確控制實(shí)現(xiàn)了兩車距離保持和自主超車。方法簡單且減少了車間通訊次數(shù)。3.4行進(jìn)間兩車位置同步本系統(tǒng)中啟動(dòng)和每次超主要報(bào)告內(nèi)容一、題目要求及設(shè)計(jì)思路簡介二、智能小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)三、系統(tǒng)關(guān)鍵問題分析及解決方案四、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及測試五、指導(dǎo)教師點(diǎn)評2011年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽交流報(bào)告主要報(bào)告內(nèi)容一、題目要求及設(shè)計(jì)思路簡介2011年全4.1系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)我們完成的智能小車4.1系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)我們完成的智能小車4.1系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)--演示4.1系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)--演示4.2系統(tǒng)測試1、測試方案

將兩個(gè)小車按照要求放在起點(diǎn)標(biāo)志線處，先分別測出兩個(gè)小車各正常行駛一圈的時(shí)間，然后再測試兩個(gè)同時(shí)起動(dòng)的小車進(jìn)行交替超車一圈、兩圈、三圈、四圈的時(shí)間。測試條件小車在由2塊細(xì)木工板（長244cm，寬122cm）拼接而成的賽道上行駛,進(jìn)行多次測試。4.2系統(tǒng)測試1、測試方案4.2系統(tǒng)測試2、測試結(jié)果（1）甲和乙單獨(dú)行駛一圈數(shù)據(jù)4.2系統(tǒng)測試2、測試結(jié)果4.2系統(tǒng)測試（2）第一圈乙超甲數(shù)據(jù)4.2系統(tǒng)測試（2）第一圈乙超甲數(shù)據(jù)（3）第二圈甲超乙數(shù)據(jù)4.2系統(tǒng)測試（3）第二圈甲超乙數(shù)據(jù)4.2系統(tǒng)測試（4）第三圈乙超甲數(shù)據(jù)4.2系統(tǒng)測試（4）第三圈乙超甲數(shù)據(jù)4.2系統(tǒng)測試（5）第四圈甲超乙數(shù)據(jù)4.2系統(tǒng)測試（5）第四圈甲超乙數(shù)據(jù)4.2系統(tǒng)測試4.2系統(tǒng)測試3、測試結(jié)果分析

根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)，由此可以得出以下結(jié)論：（1）甲乙兩車在行駛中速度設(shè)置恰當(dāng)，既不會出現(xiàn)因?yàn)檐囁偬剐≤囃C(jī)，又不會出現(xiàn)車速太快沖出跑道的現(xiàn)象。（2）甲乙兩車在行駛中不發(fā)生碰撞并準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)超車功能。（3）甲乙兩車行駛時(shí)間是比較理想的，同時(shí)本設(shè)計(jì)中添加了鳴笛功能，當(dāng)甲乙兩車啟動(dòng)時(shí)，超車時(shí)以及到達(dá)終點(diǎn)時(shí)都以鳴笛作為標(biāo)志。

綜上所述，本系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。4.2系統(tǒng)測試3、測試結(jié)果分析根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)，由此可以得主要報(bào)告內(nèi)容一、題目要求及設(shè)計(jì)思路簡介二、智能小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)三、系統(tǒng)關(guān)鍵問題分析及解決方案四、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及測試五、指導(dǎo)教師點(diǎn)評2011年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽交流報(bào)告主要報(bào)告內(nèi)容一、題目要求及設(shè)計(jì)思路簡介2011年全指導(dǎo)教師點(diǎn)評

由于沒有參與比賽過程，在這里只能通過訓(xùn)練過程中對學(xué)生的觀察了解和賽后分析對本作品進(jìn)行點(diǎn)評，并把我們的訓(xùn)練經(jīng)歷及經(jīng)驗(yàn)與大家分享！指導(dǎo)教師點(diǎn)評由于沒有參與比賽過程，在這里只能通過訓(xùn)練指導(dǎo)教師點(diǎn)評作品優(yōu)點(diǎn)：選用ARM平臺，處理速度快，ARM芯片片上資源多，開發(fā)簡單方便采用步進(jìn)電機(jī)，控制比較精準(zhǔn)整車體積小，重心低，行進(jìn)姿態(tài)穩(wěn)定，操控靈活、可靠用簡單的控制方法完成系統(tǒng)的功能需求--外邊緣循跡，線路簡單規(guī)整--只用一種傳感器實(shí)現(xiàn)兩車相互位置感知指導(dǎo)教師點(diǎn)評作品優(yōu)點(diǎn)：選用ARM平臺，處理速度快，ARM芯片指導(dǎo)教師點(diǎn)評作品不足：僅在兩處對小車進(jìn)行了位置同步，沒有實(shí)現(xiàn)車輛間位置實(shí)時(shí)同步，對車輛位置的控制依賴于步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)彎控制方法只適用于低速情況，速度稍高，車輛很容易飛出場地理論分析較少，較多依靠實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行控制方法設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師點(diǎn)評作品不足：僅在兩處對小車進(jìn)行了位置同步，沒有實(shí)現(xiàn)指導(dǎo)教師點(diǎn)評--訓(xùn)練過程回顧整隊(duì)訓(xùn)練時(shí)間為12個(gè)月：2010.9-2011.8參賽人員為經(jīng)過選拔、基礎(chǔ)較好的大三本科生。訓(xùn)練階段一（2010.9-2011.1）：基本功訓(xùn)練該階段主要訓(xùn)練控制類題所涉及的模塊，根據(jù)學(xué)生興趣、特點(diǎn)設(shè)計(jì)訓(xùn)練題目，主要培養(yǎng)學(xué)生電路、軟件的基本功。軟件方面：強(qiáng)調(diào)編程風(fēng)格，養(yǎng)成良好的編程習(xí)慣，熟悉嵌入式ARM編程方法及調(diào)試方法硬件方面：訓(xùn)練學(xué)生扎實(shí)的電路制作能力，規(guī)范學(xué)生在電路制作中的流程、方法，盡量做到常見模塊熟練制作，且能用指導(dǎo)教師點(diǎn)評--訓(xùn)