智能小車C語言程序控制 課件 第一章 初始智能小車

智能小車C語言程序控制第一章：初識(shí)智能小車1.1PARTONE智能小車簡(jiǎn)介隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，智能機(jī)器人已被廣泛應(yīng)用于人類社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，如生產(chǎn)制造、物流倉(cāng)儲(chǔ)、軌道交通、工程機(jī)械、醫(yī)療手術(shù)等。

智能小車，也稱輪式機(jī)器人，是一種以汽車電子為基礎(chǔ)，涵蓋智能控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等多學(xué)科知識(shí)的科技產(chǎn)品。它一般由信息采集、循跡識(shí)別及避障等模塊組成。從生產(chǎn)制造業(yè)的無人搬運(yùn)車，到特種行業(yè)的災(zāi)難救援、拆彈機(jī)器人，再到軍事領(lǐng)域的防御和偵察機(jī)器人，以及航天領(lǐng)域的星球表面探測(cè)器，處處可見智能小車的身影。尤其是在危險(xiǎn)和未知的環(huán)境下，智能小車的優(yōu)勢(shì)更為明顯。基于Arduino平臺(tái)的智能小車如圖所示。1.1智能小車簡(jiǎn)介1.2PARTTWO智能小車的基本結(jié)構(gòu)前言行業(yè)PPT模板/hangye/智能小車能夠按照預(yù)先設(shè)定的模式自動(dòng)運(yùn)行，不需要人為管理，可應(yīng)用于科學(xué)勘探、無人駕駛等領(lǐng)域。智能小車能夠?qū)崟r(shí)顯示時(shí)間、速度、里程，具有自動(dòng)循跡、尋光、避障功能，可實(shí)現(xiàn)控制行駛速度、準(zhǔn)確定位停車、遠(yuǎn)程傳輸圖像等功能。一般來說，智能小車可以分為傳感器部分、控制器部分、執(zhí)行器部分和其他部分。1.2.1傳感器部分1．金屬傳感器通常選用電感式金屬接近開關(guān)傳感器，用于檢測(cè)金屬物質(zhì)的存在。當(dāng)靠近金屬物質(zhì)時(shí)，開關(guān)打開；當(dāng)遠(yuǎn)離金屬物質(zhì)時(shí)，開關(guān)關(guān)閉。在智能小車行進(jìn)的過程中，可在賽道的固定位置放置鐵片，利用智能小車的金屬傳感器來實(shí)現(xiàn)對(duì)賽道特定位置的檢測(cè)。金屬傳感器實(shí)物圖如圖所示。1.2.1傳感器部分2．霍爾傳感器霍爾傳感器是一種磁敏傳感器，利用霍爾效應(yīng)來檢測(cè)磁感應(yīng)信號(hào)并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后傳輸給控制器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)智能小車行駛速度的監(jiān)測(cè)。具體操作方法是在智能小車電機(jī)的旋轉(zhuǎn)部位安裝一個(gè)導(dǎo)磁性能好的磁鋼，電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一圈，磁鋼便接觸一次霍爾傳感器，即發(fā)送一個(gè)磁感應(yīng)信號(hào)，霍爾傳感器電路以此進(jìn)行計(jì)數(shù)操作，通過一定的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后得到小車的行駛速度或行駛里程?；魻杺鞲衅鲗?shí)物圖如圖所示。1.2.1傳感器部分3．紅外傳感器紅外傳感器是紅外發(fā)射和紅外接收一體式傳感器，根據(jù)不同顏色對(duì)紅外線反射程度不同（黑色反射紅外線較少，白色反射紅外線較多），傳輸不同的信號(hào)給控制器，從而控制智能小車電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，實(shí)現(xiàn)循跡功能。具體操作方法是將兩個(gè)紅外傳感器安裝在貼近地面的智能小車底盤前側(cè)，若賽道鋪設(shè)的是白底黑線，則正常行駛時(shí)，發(fā)射管發(fā)射的紅外線被黑線吸收，導(dǎo)致接收管無法接收到紅外線，傳感器傳輸?shù)碗娖浇o控制器；偏離軌道時(shí)，發(fā)射管發(fā)射的紅外線被白色地面反射，接收管正常接收紅外線，傳感器傳輸高電平給控制器，以此來控制智能小車正常循跡行駛。紅外傳感器實(shí)物圖如圖所示。1.2.1傳感器部分4．超聲波避障傳感器這種傳感器利用超聲波測(cè)距的非接觸式測(cè)量方法，根據(jù)超聲波在物體表面會(huì)顯著反射成回波的特性，來測(cè)量智能小車與障礙物之間的距離，從而實(shí)現(xiàn)智能小車的避障功能。超聲波避障傳感器實(shí)物圖如圖所示。1.2.1傳感器部分5．火焰?zhèn)鞲衅鞲鶕?jù)紅外線對(duì)火焰的敏感性，利用特殊手段制成的紅外線接收管可作為智能小車的火焰?zhèn)鞲衅?。火焰?zhèn)鞲衅骰诓煌幕鹧媪炼认蚩刂破鱾鬏敻?低電平信號(hào)，控制器據(jù)此判斷是否發(fā)現(xiàn)火源，再根據(jù)具體情況進(jìn)行滅火操作?；鹧?zhèn)鞲衅飨喈?dāng)于智能小車的眼睛，可發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)情況并進(jìn)行處理?；鹧?zhèn)鞲衅鲗?shí)物圖如圖所示。1.2.2

控制器部分本項(xiàng)目中控制器選用了Arduino單片機(jī)平臺(tái)，其開發(fā)簡(jiǎn)單，便捷靈活，操作簡(jiǎn)便，能跨平臺(tái)使用，軟硬件開源可擴(kuò)展，非常適合初學(xué)者和業(yè)余愛好者們使用。智能小車通過各類傳感器來采集相關(guān)信息，將信息傳送到控制器Arduino單片機(jī)處理相關(guān)數(shù)據(jù)，然后發(fā)送相關(guān)指令控制執(zhí)行器進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作。接下來我們來介紹一下Arduino的相關(guān)內(nèi)容：1.2.2

控制器部分（1）認(rèn)識(shí)ArduinoArduino意為“強(qiáng)壯的朋友”，是一種便捷靈活、易于上手的開放源碼的電子原型平臺(tái)，最初是專為沒有編程基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)師、工藝美術(shù)人員、業(yè)余愛好者和對(duì)開發(fā)互動(dòng)裝置或互動(dòng)式開發(fā)環(huán)境感興趣的人而設(shè)計(jì)的。設(shè)計(jì)者的初衷是完成一個(gè)廉價(jià)好用的微控制器開發(fā)板，普通人也能利用Arduino開發(fā)板做出實(shí)用有趣的東西。隨著Arduino的廣泛應(yīng)用，世界上的各大生產(chǎn)商也在生產(chǎn)和銷售與Arduino兼容的電路板和擴(kuò)展板。所以，Arduino是一個(gè)完全開源的兼有軟件和硬件兩方面的電子開發(fā)平臺(tái)，具有互助和奉獻(xiàn)的開源精神以及團(tuán)隊(duì)力量。1.2.2

控制器部分（2）Arduino特點(diǎn)1）開放源代碼的電路圖設(shè)計(jì)，程序開發(fā)接口可免費(fèi)下載，也可依需求自己修改。2）可以采用USB接口供電，也可以外部供電，雙向選擇。3）Arduino支持ISP在線燒寫，可以將新的“Bootloader”固件燒入ATmega168或ATmega328芯片。有了Bootloader之后，可以通過USB更新程序。4）可依據(jù)官方提供的Eagel格式PCB和SCH電路圖，簡(jiǎn)化Arduino模組，完成獨(dú)立運(yùn)作的微處理控制板。也可簡(jiǎn)單地與傳感器，各式各樣的電子元件連接（紅外線、超音波、熱敏電阻、光敏電阻、伺服舵機(jī)等）。5）支持多種互動(dòng)程序，如：Flash、Max/Msp、VVVV、C、Processing…….等。6）應(yīng)用方面，利用Arduino可突破以往只能使用鼠標(biāo)、鍵盤，CCD等輸入裝置的互動(dòng)內(nèi)容，可以更簡(jiǎn)單地達(dá)成單人或多人游戲互動(dòng)。1.2.2

控制器部分（3）Arduino的開發(fā)過程Arduino是一個(gè)基于微控制器的開發(fā)板，通過與計(jì)算機(jī)相連來實(shí)現(xiàn)各種功能。Arduino的開發(fā)過程是：根據(jù)功能設(shè)置設(shè)計(jì)電路并進(jìn)行連接；根據(jù)用戶需求完成程序設(shè)計(jì)；將編譯好的程序下載到硬件開發(fā)板上進(jìn)行功能驗(yàn)證；不斷調(diào)試以達(dá)到預(yù)期效果。1.2.2

控制器部分（4）Arduino的硬件組成Arduino有各種各樣的開發(fā)板，最為常用的就是ArduinoUNO。ArduinoUNO的處理器核心是ATmega328，同時(shí)具有14路數(shù)字輸入/輸出口（如圖所示的數(shù)字口0~13，其中6路可作為脈沖寬度調(diào)制PWM輸出），6路模擬輸入（如圖所示的模擬口0~5），ArduinoUNO開發(fā)板的詳細(xì)功能介紹如圖所示。1.2.2

控制器部分（4）Arduino的硬件組成除了最重要的I/O口外，ArduinoUNO還有一個(gè)16MHz的晶體振蕩器，一個(gè)USB口，一個(gè)電源插座，一個(gè)ICSPheader和一個(gè)復(fù)位按鈕。UNO可以通過兩種方式供電方式，一種通過USB供電，另一種是通過外接6~12V的DC電源。除此之外，還有4個(gè)LED燈和復(fù)位按鍵。其中，ON是電源指示燈，通電就會(huì)亮了，L是接在數(shù)字口13上的一個(gè)LED燈，而TX、RX是串口通訊指示燈，比如在下載程序的過程中，這兩個(gè)燈就會(huì)不停閃爍。處

理

器工作電壓輸入電壓數(shù)字輸入/輸出接口模擬輸入接口串口ATmega3285V6～20V14個(gè)6個(gè)1個(gè)I/O引腳直流電流3.3V引腳直流電流程序存儲(chǔ)器SRAMEEPROM工作時(shí)鐘40mA50mA32KB2KB1KB16MHz表2-1-1ArduinoUNO開發(fā)板的基本構(gòu)成1.2.3

執(zhí)行器部分1.驅(qū)動(dòng)模塊采用H橋電路驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)，作為智能小車的動(dòng)力源，通過控制器發(fā)出的控制指令來指揮電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。直流電機(jī)實(shí)物圖如圖所示。2.舵機(jī)轉(zhuǎn)向模塊通過設(shè)置一定占空比的方波來控制舵機(jī)轉(zhuǎn)過的角度，舵機(jī)具有力矩大、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)常被用在智能小車轉(zhuǎn)向裝置中。舵機(jī)轉(zhuǎn)向模塊實(shí)物圖如圖所示。1.2.4

其他部分1.三輪運(yùn)動(dòng)模塊該模塊由兩個(gè)橡膠輪胎和一個(gè)萬向輪組成。三輪運(yùn)動(dòng)模塊如圖1所示，橡膠輪胎實(shí)物圖如圖2所示，萬向輪實(shí)物圖如圖3所示。圖1三輪運(yùn)動(dòng)模塊圖2橡膠輪胎圖3萬向輪1.2.4

其他部分2.藍(lán)牙模塊在智能小車上安裝藍(lán)牙模塊，通過藍(lán)牙模塊與智能手機(jī)相連，進(jìn)行信息傳輸與處理控制。藍(lán)牙模塊實(shí)物圖如圖所示。3.電源模塊設(shè)置獨(dú)立的電源模塊為智能小車供電。4.小車底盤在小車底盤上為上述硬件預(yù)留合適的安裝位置，將以上硬件有序地安裝在小車底盤上。小車底盤實(shí)物圖如圖所示。1.3PARTTHREE智能小車的工作原理1.3.1電機(jī)驅(qū)動(dòng)與調(diào)速原理電機(jī)

電機(jī)是將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的一種設(shè)備，主要用作機(jī)械設(shè)備的動(dòng)力源，在電路中用“M”來表示。電機(jī)實(shí)物圖如圖所示。2.舵機(jī)轉(zhuǎn)向模塊

如圖所示，一個(gè)典型的H橋電路由四個(gè)三極管和一個(gè)電機(jī)組成。要實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，需要使電路中對(duì)角線上的兩個(gè)三極管導(dǎo)通，根據(jù)不同三極管對(duì)的導(dǎo)通情況，電流可以從左至右或者從右至左流過電機(jī)，從而控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。當(dāng)Q2和Q3導(dǎo)通時(shí)，電流就從電源正極經(jīng)Q3從右至左流過電機(jī)，再經(jīng)Q2到達(dá)電源負(fù)極，該流向的電流將驅(qū)動(dòng)電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。1.3.1電機(jī)驅(qū)動(dòng)與調(diào)速原理3.PWM調(diào)速原理脈沖寬度調(diào)制，簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制，是指通過控制輸出的脈沖寬度來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制。PWM有頻率、占空比、周期三個(gè)參數(shù)。（1）頻率是指每秒鐘信號(hào)在高、低電平之間切換的次數(shù)。（2）周期是指一個(gè)完整的PWM信號(hào)持續(xù)的時(shí)間。（3）占空比是指在PWM的輸出信號(hào)中，高電平所占有的時(shí)間與該信號(hào)周期的比值。在PWM方法中，電源以一定頻率的方波脈沖向電機(jī)提供電能，通過給方波脈沖設(shè)置不同的占空比來改變電機(jī)兩端的電壓大小，進(jìn)而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此，直流電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速的智能控制，由PWM控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。1.3.2循跡原理餐廳服務(wù)機(jī)器人、倉(cāng)庫(kù)搬運(yùn)機(jī)器人等是沿著預(yù)設(shè)的線路行進(jìn)的，即能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)循跡。餐廳服務(wù)機(jī)器人如圖1所示，倉(cāng)庫(kù)搬運(yùn)機(jī)器人如圖2所示。圖1餐廳服務(wù)機(jī)器人圖2倉(cāng)庫(kù)搬運(yùn)機(jī)器人1.3.2循跡原理智能小車也能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循跡。例如，可以利用白色KT板作為底板鋪設(shè)賽道，在板上貼上黑線來標(biāo)示智能小車的行進(jìn)路線，使智能小車沿著黑線完成直行、轉(zhuǎn)彎、交叉行進(jìn)等動(dòng)作。要使智能小車能夠自動(dòng)沿著黑線走，那么首先要知道黑線的具體位置，這就需要用到傳感器，此時(shí)的傳感器相當(dāng)于智能小車的“眼睛”，用來識(shí)別黑線。在智能小車行駛過程中，為了讓智能小車沿著預(yù)設(shè)的路線行走，需要不斷調(diào)整智能小車的行進(jìn)方向?？梢岳貌煌伾珜?duì)紅外線的反射能力不同，傳輸不同的信號(hào)給控制器，從而控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，改變小車的行進(jìn)方向。1.3.2循跡原理紅外傳感器是發(fā)射管與接收管一體式傳感器。在智能小車前方底盤貼近地面的兩側(cè)安裝兩個(gè)紅外傳感器。智能小車沿著黑線正常行駛時(shí)，兩個(gè)紅外傳感器檢測(cè)到白色地面，發(fā)射管發(fā)出的紅外線經(jīng)白色地面反射后被接收管接收，傳感器電路產(chǎn)生高電平傳輸給控制器；當(dāng)智能小車偏離軌道時(shí)，紅外線被黑線吸收，接收管接收不到紅外線，傳感器電路產(chǎn)生低電平并反饋給控制器。這樣，控制器就能根據(jù)收到的信號(hào)，控制智能小車沿著正確的路線行駛。紅外傳感器模塊實(shí)物圖如圖所示。1.3.3避障原理1.超聲避障超聲波是一種振動(dòng)頻率高于20000Hz的聲波，其方向性好、穿透能力強(qiáng)，且頻率高、波長(zhǎng)短，能夠定向傳播，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而經(jīng)常被用于測(cè)量距離?；诔暡ㄌ匦匝兄频膫鞲衅鞣Q為超聲波傳感器，它在工業(yè)、國(guó)防、生物醫(yī)學(xué)等方面得到了廣泛應(yīng)用，如圖所示。在智能小車行駛過程中，可以通過超聲波傳感器來檢測(cè)智能小車前方是否有障礙物，以及智能小車與障礙物之間的距離，根據(jù)檢測(cè)情況向控制器發(fā)送相應(yīng)的電信號(hào)，從而達(dá)到控制智能小車避障的目的。1.3.3避障原理2.紅外避障紅外避障也采用紅外傳感器，它由一個(gè)發(fā)射管（白色）和一個(gè)接收管（黑色）組成，其工作過程是發(fā)射管發(fā)射紅外線，根據(jù)接收管接收紅外線的情況（接收到紅外線時(shí)輸出高電平，未接收到紅外線時(shí)輸出低電平），判斷障礙物的情況。本任務(wù)中，在小車前側(cè)兩端各配備一個(gè)紅外傳感器，當(dāng)左側(cè)的紅外傳感器檢測(cè)到障礙物時(shí)，指示燈亮，小車向右轉(zhuǎn)；同理，右側(cè)有障礙物時(shí)，小車向左轉(zhuǎn)。該傳感器的探測(cè)距離可以通過電位器調(diào)節(jié)，具有干擾小、便于裝配、使用方便等特點(diǎn)。1.3.3避障原理2.紅外避障智能小車的基本硬件結(jié)構(gòu)如圖