簡易智能小車設計報告

2003年全國大學生電子設計競賽設計報告E簡易智能電動車作者：吳作智趙青董全超（山東大學控制科學與工程學院郵編250061）賽前輔導老師：姚福安萬鵬摘要本設計以89C51為核心，采用雙CPU分別進行電動車的前輪轉向控制和后輪脈沖寬度調(diào)速控制，根據(jù)題目要求，前進過程中安放在車身不同位置的檢測器件對小車的周圍環(huán)境進行檢測，包括地面埋設物（鐵片）、前方障礙物和光源，完成小車在直道區(qū)、彎道區(qū)、障礙區(qū)和停車區(qū)的各項任務，并采用LCD實現(xiàn)埋設物個數(shù)、行車時間等的顯示。其中，步進電機的轉向控制是本系統(tǒng)設計的重點和難點。一、方案論證1、設計要求本系統(tǒng)要求電動車按照給出的行使路線，在直道區(qū)能夠正確的檢測出埋設鐵片的個數(shù)；通過彎道區(qū)后能夠到達指定的地點并停車要求的時間；在障礙區(qū)能夠準確的躲避障礙物；然后在光源的引導下駛入車庫。2、各部分方案論述（1）調(diào)速模塊方案一：采用電阻網(wǎng)絡或數(shù)字電位器調(diào)整電動機的分壓來調(diào)速。但電阻網(wǎng)絡只能實現(xiàn)有級調(diào)速，而且數(shù)字電阻的元器件價格比較昂貴。尤其是所使用的電動機電阻很小，但電流很大，分壓不僅會降低效率，實現(xiàn)也很困難。方案二：采用繼電器對電動機的開或關進行控制，通過開關的切換對小車的速度進行調(diào)節(jié)。此方案電路較簡單，但繼電器的響應時間有限，機械結構易損壞，壽命不長，可靠性也不太好。方案三：采用脈沖寬度調(diào)制電路。用單片機控制信號的高低電平時間完成調(diào)速，用對兩個信號的不同控制完成電機的轉向和起停的控制。這種電路由于工作在管子的飽和截止狀態(tài)下，效率非常高，經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，此方法調(diào)速簡單可行，方便可靠。基于上述理論分析，擬選擇方案三。（2）轉向裝置選擇方案一：雙電機控制。采用兩個直流電機控制小車后輪，直行時兩輪轉速相等，需要向左轉時，增加右輪轉速，降低左輪轉速；需要向右轉時，增加左輪轉速，降低右輪轉速。但此種方法必須精確控制兩車輪轉速直行時相等，否則將會出現(xiàn)小搖擺及抖動，達不到平滑運動的效果。方案二：步進電機控制前輪。步進電機將電脈沖信號轉換成相應的角位移的特種電機，步進電機的顯著特點是快速啟動能力，測到障礙物時能夠快速轉向；另外步進電機的精度高，每步可以小至0.72度，不會失步，在負荷不超過動態(tài)轉矩值時，可以瞬間啟動和停止。逆轉時能夠精確返回原始位置。外加機械機構可以把角度變成直線位移。經(jīng)過比較分析，采用步進電機控制轉向。（3）外部傳感器選擇校正車行方向即尋跡傳感器：采用紅外線光電反射傳感器，由于車底盤較低，采用近距離（1――6mm）有效的光電傳感器。使CPU根據(jù)光電信息精確調(diào)整小車的行車方向，使小車運行時達到最小的橫向抖動。CPU根據(jù)信號發(fā)出前輪左轉，右轉和保持方向的指令，實現(xiàn)自動校正行車方向的目的。檢測兩個障礙物傳感器：有兩種方案可供選擇。方案一：采用超聲波測距。超聲波傳感器測距時有足夠的精度，可以達到1cm的近距離，對遠距離也有較快的響應信號。但是，本題目的要求是繞過障礙物，這就要求小車在較遠距離時即做出繞障的反應，因此沒有必要采用精確近距的超聲波傳感器。方案二：采用反射式紅外線光電開關。本設計采用的光電開關有效距離為1——13cm（對白色障礙物），小車前方只要有障礙，即輸出一個開關量，向CPU申請中斷，CPU響應中斷即控制電機做出轉向反應。所以擬采用此方案。測車行程傳感器：為使小車可以測量并顯示小車中心至起點的距離，測小車的圈數(shù)換算即可得到。方案一是采用投射式光電傳感器如光電碼盤，但對輪子的機械加工較難精確實現(xiàn)。方案二是采用開關式光電傳感器，在車輪上安裝一個小磁鐵即可實現(xiàn)測圈數(shù)，進而得到距離值，為此采用此方案。二、系統(tǒng)設計與硬件電路總體設計小車前后兩部分框圖如下：CPU(1)CPU(1)前方障礙物檢測前輪轉向控制尋跡控制光源引導控制圖圖Ⅱ－1前輪CPU模塊CPU(2)CPU(2)顯示檢測鐵片后輪轉速控制圖Ⅱ－2后輪CPU模塊計時并顯示計時并顯示各模塊設計（1）電機轉速控制本系統(tǒng)利用8050、8550等三極管的組合，構成基于PWM原理的驅動電路。如圖所示，P0.1為正反轉控制端，P1.3為起?？刂贫?，原理如下：①P1.3為低電平若P0.1為高電平，與低電平或非以后變?yōu)榈?，則Q55基極為低，由Q51構成的反向器使Q51集電極為高。于是，Q52、Q53、Q54導通，Q55、Q56、Q57截止。其中Q52為激勵極，Q53、Q54為功放極。電流流向為：電池正極→Q53→電機“+”端→電機“-”端→Q54→地，電機正轉。圖Ⅱ－3直流調(diào)速驅動電路若P0.1為低電平，與低電平或非以后變?yōu)楦?，則右邊三個管即Q55、Q56、Q57導通，左邊三個管截止，電機反轉。②P1.3為高電平P1.3與低電平或非以后變?yōu)榈停筈51和Q55均截止，電機停轉。該電路原理簡單、容易控制、帶負載能力強，我們采用PWM控制，通過軟件控制脈沖寬度的大小，設置高低電平的保持時間，來完成電機轉速大小的改變，這樣使得工作簡單方便，而且準確可靠。（2）電機轉向控制這個設計中電機的轉向主要有兩個作用，一是在直道區(qū)和彎道區(qū)根據(jù)地面黑線使小車按照指定的路線行使，不偏離跑道，并到達要求的位置；二是在障礙區(qū)控制小車前輪轉向使其準確地躲避障礙物，并在光源的引導下進入車庫。控制原理圖如下圖Ⅱ－4：具體電機我們使用了35BYJ46型號的步進電機來完成此部分內(nèi)容。這是一種四相五線制的電機，驅動器采用51單片機的口P1.0――P1.3，依次觸發(fā)三極管導通，構成四相四拍步進電機。步進電機的工作電流為96mA,由于電機啟動電流較大，所以采用額定電流為1500mA的三極管8050驅動電機。本程序采用循環(huán)設計法，將控制模型放在內(nèi)存單元中，按順序驅動四相四拍電機。電機接口示意圖如下圖Ⅱ－5：圖Ⅱ－5其勵磁順序如表Ⅱ－1；技術指標如表Ⅱ－2；表Ⅱ－1表Ⅱ－2按照以上資料，在程序中利用P1口的前四個腳依次對兩對相的正負進行控制可使電機步進轉動，當信號順序相反時電機反方向步進。每步進一步轉動的角度為7.5o/85.25，在行進過程中根據(jù)檢測的信號對距離、速度等數(shù)據(jù)進行計算，得電機需要轉動的角度。（3）檢測地面埋設物（鐵片）采用金屬接近開關LM18—3008NA，工作電壓6——36V,有效檢測距離8mm，這種專用傳感器，使用發(fā)便，對金屬的檢測較可靠。本設計安裝此傳感器在車的底部，當有接近金屬時，輸出低電平，送給單片機記下金屬片個數(shù)，并顯示出來。=2\*GB3②路面黑線檢測采用紅外反射式二極管和LM324N四運算放大器構成信號發(fā)射接收電路，運算放大器對信號比較后產(chǎn)生輸出信號，電路圖如圖Ⅱ－6：圖Ⅱ－6=3\*GB3③前方障礙物采用專用紅外光電開關G18—3A10NA，工作電壓10——30V，有效檢測距離10cm，當前方有障礙物時傳感器內(nèi)部開關閉合，輸出端為低電平，此信號對單片機P3.2產(chǎn)生中斷0，控制轉向左或右。電路圖如圖Ⅱ－7圖Ⅱ－7④光源使用光敏電阻檢測前方20cm高白熾燈發(fā)出的光，引導小車前進。此部分研究如下：如圖Ⅱ－8所示，200W的白熾燈距離光敏電阻2m時，測得阻值大約為Rmax=10kΩ,而不在光源照射范圍內(nèi)的阻值在50K左右，經(jīng)過計算，取R1為5.1K，為了方便可調(diào)，我們使用了一個50K的電位器。為了使管子能夠飽和導通，集電極的電阻盡量取得大些。圖Ⅱ－8三、軟件設計控制程序的主要任務是：判別旋轉方向；（2）按順序傳送控制信號；（3）尋地面黑線；（4）檢測障礙物；（5）檢測光源。各部分程序流程如下：前進中前進中右側障礙標志有否？左側障礙標志有否？無有左轉步進一步右轉步進一步有以上程序全部用匯編語言來編寫，調(diào)試時，經(jīng)過語法查錯和邏輯查錯，與硬件聯(lián)合調(diào)試，先單獨調(diào)試好每一個模塊，然后再連接成一個完整的系統(tǒng)。經(jīng)過最后的調(diào)試，總程序可以順利執(zhí)行。四、測試測試所用儀器設備：PC機數(shù)字式萬用表：Fluke175示波器：InstekGOS-620萬利單片機仿真器模擬跑道：直道長7m,彎道半徑0.8m卷尺：精度0.001m秒表：精度0.01s鐵片：三塊，厚度0.5mm，大小分別為15×15cm2，15×18cm2,15×14cm2障礙物：用白紙包裹的紙盒兩個，長、寬、高為25cm×10cm×10cm測試內(nèi)容（1）速度測試數(shù)據(jù)如表Ⅳ－1所示：表Ⅳ－1跑道長度：7m次數(shù)123實測速度(m/s)0.190.180.20(2)尋線控制測試情況如表Ⅳ－2：表Ⅳ－2路面類型識別情況白紙指示燈不亮黑線指示燈亮，且小車偏離黑線哪個方向，這個方向的指示燈熄滅燈光下的木桌指示燈不亮，當小車高度達到一定時，桌面開始有光線反射，指示燈亮貼有2cm寬黑色膠帶的白紙在黑線的引導下行駛，指示燈基本保持常量由上述結果可知，小車的黑線牽引行駛基本可靠。（3）鐵片檢測下表Ⅳ－3是檢測路面埋設物（鐵片）的實驗情況：表Ⅳ－3鐵片個數(shù)第一片第二片第三片第四片顯示計數(shù)1235在鐵片上行駛情況正常正常正常正常由上我們發(fā)現(xiàn)，由于我們使用的安裝在車盤底部中心的接近開關測試距離太小，不到1cm，再加上鐵片不平整以及路面平整度等的原因，小車在鐵片上行駛時，有可能發(fā)生誤檢（多檢），這時顯示的數(shù)目會很快加一并不能保持，這種情況是可以理解的，而且我們相信，只要路面足夠平整，鐵片檢測這一環(huán)節(jié)是沒有問題的。（4）障礙物檢測下圖是測試時所用場地及小車所走路線示意圖。障礙物障礙物障礙物此項是小車功能的一個難點，由于存在諸多因素，如探測距離的偏差、電源供電不穩(wěn)等，很難使小車及時發(fā)現(xiàn)前方障礙并順利躲避，根據(jù)此圖，我們計算并調(diào)整了小車轉向的度數(shù)，結合小車前進的速度，發(fā)現(xiàn)障礙物時，小車倒車并繼續(xù)檢測，直到繞過障礙。我們發(fā)現(xiàn)，如果使小車一進入障礙區(qū)就駛向兩個障礙物之間的區(qū)域，如圖中虛線所示，可保證前輪CPU較小的工作量，使小車少走彎路，減少出現(xiàn)錯誤的可能?？偟膩碚f，此部分由于控制因素太多，加上時間非常緊張，我們的小車行駛實際情況距離預想狀態(tài)還有一定的差距。（5）光源檢測小車前方光源采用200W的白熾燈，按照題目要求距地面高度20cm,實驗示意圖如下：光源光源我們在小車的上面正前方安裝了黑色內(nèi)里的圓筒，光敏電阻在里面感受正前方向的光線，由此使小車按照光源的位置來調(diào)整方向，實驗證明基本是可行的，但是，由于題目中光源在車庫的旁邊而不在車庫內(nèi)部，小車只能向光源的方向前進，無法準確的進入車庫，這是我們目前尚未解決的問題。誤差分析及改善措施小車轉向控制采用模糊控制的思想，由于尋線，測障，測光有不同的精度要求，所以按照尋線，測障，檢測光源將小車轉動的角位移分為很小一步，一小步，稍大一步，這通過在多次試驗中確定小車前輪的步進電機的步數(shù)而得到。雖然步數(shù)是確定的，但轉向屬于模糊控制，所以必定造成小車的橫向抖動誤差較大?；谀：刂频乃惴ǎ覀儗⑿≤囘\行的路線分為三部分尋線時步數(shù)較少，不至于偏離路線太大；有障礙物時，步數(shù)較大，有利于小車迅速繞障；進入光源照射區(qū)時，步數(shù)中等，直到最后到達終點。這種方法可以減小誤差。經(jīng)過多次實驗，證實模糊控制可以較好的完成任務。測試過程中，一個不可忽略的問題就是小車的不穩(wěn)定性，這與我們的器件太多，連接復雜有一定的關系，而且我們的電源使用兩套（＋5V和＋12V），在接通時，我們測量兩個CPU的電壓，為4.85V，這可能也是由于器件較多，電源容量不夠所致，進而會影響電路的工作。在電源方面，我們一開始采用的是單一電源供電，這樣供電比較簡單，但由于電動機啟動瞬間電流很大，而且PWM驅動的電動機波動較大，會造成電壓不穩(wěn)、有毛刺等干擾；因此我們考慮將電動機的驅動電源與單片機及其周邊電路電源完全隔離，利用光電耦合器傳輸信號，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。五、結論我們采用雙CPU分別進行電動車的脈沖寬度調(diào)速控制和步進電機的轉向控制，用安放在車身不同位置的檢測器件檢測地面埋設物（鐵片）和前方障礙物，用光敏電阻檢測光源，并用LCD實現(xiàn)埋設