智能小車(chē)畢業(yè)論文(1)--2015-05-28-2

本科 畢業(yè) 論文（設(shè)計(jì)） （ 自然 科學(xué)） 題 目 ： 智能玩具小車(chē)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 院（系、部） ： 機(jī)電工程學(xué)院 學(xué) 生 姓 名： 吳 博 強(qiáng) 指 導(dǎo) 教 師： 王 楓 職 稱(chēng) 講 師 2015 年 05 月 24 日 河北科技師范學(xué)院教務(wù)處制 業(yè)： 電子信息工程 學(xué)號(hào)： 0414110117 河北科技師范學(xué)院 本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 智能玩具小車(chē)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 院（系、部） 名 稱(chēng) ： 機(jī)電工程學(xué)院 專(zhuān) 業(yè) 名 稱(chēng)： 電子信息工程 學(xué) 生 姓 名： 吳 博 強(qiáng) 學(xué) 生 學(xué) 號(hào)： 0414110117 指 導(dǎo) 教 師： 王 楓 2015 年 05 月 24 日 河北科技師范學(xué)院教務(wù)處制 學(xué) 術(shù) 聲 明 本人呈交的學(xué)位論文，是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果，所有數(shù)據(jù)、圖片資料真實(shí)可靠。盡我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本學(xué)位論文的研究成果不包含他人享有著作權(quán)的內(nèi)容。對(duì)本論文所涉及的研究工作做出貢獻(xiàn)的其他個(gè)人和集體，均已在文中以明確的方式標(biāo)明。本學(xué)位論文的知識(shí)產(chǎn)權(quán)歸屬于 河北科技師范學(xué)院 。 本人簽名： 日期： 指導(dǎo)教師 簽名： 日期： 摘 要 I 摘 要 機(jī)器人的研究是一項(xiàng)具有良好前景的科研項(xiàng)目，而智能小車(chē)的研究可以說(shuō)是機(jī)器人研究的一個(gè)小入門(mén)。智能小車(chē)雖然功能不如機(jī)器人的強(qiáng)大，但是其所具備的功能 一方面是機(jī)器人的基本功能或基礎(chǔ)原理，另一方面又有很大的發(fā)展空間。通過(guò)對(duì)智能小車(chē)的深入研究，也能為機(jī)器人的發(fā)展助一臂之力。 本次設(shè)計(jì)的智能小車(chē)主要是基于 52 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng) 循跡 、避障和無(wú)線操控功能，這三個(gè)功能是一個(gè)智能小車(chē)應(yīng)具備的基本功能。對(duì)每個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)分別依靠 聲波傳感器和 線模塊實(shí)現(xiàn)。這些模塊收到的信號(hào)，由單片機(jī)進(jìn)行處理后，控制驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)小車(chē)的控制。本次設(shè)計(jì) 制作 出的小車(chē)能夠很好地完成這些功能，達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。且可通過(guò)無(wú)線操控在小車(chē)的行進(jìn)過(guò)程中進(jìn)行不同工作模式的切換，這使小車(chē)的 行動(dòng)更加靈活。更能在遇到突發(fā)狀況時(shí)，能夠繼續(xù)正常工作或避免損壞，增強(qiáng)了小車(chē)的可靠性。 關(guān)鍵詞： 智能小車(chē)； 單片機(jī)； 感器；超聲波傳感器； he of is a of be to be of of we of is 2s to is a To of on to to to of of is to in in of to in of to or to It of 目 錄 錄 摘 要 . I . I 目 錄 . 緒論 . 1 究背景及意義 . 1 究目的和設(shè)計(jì)構(gòu)思 . 1 2 系統(tǒng)工作原理 . 2 3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) . 2 電模塊設(shè)計(jì)與介紹 . 2 紹與應(yīng)用方案 . 2 805 芯片介紹與應(yīng)用方案 . 5 動(dòng)模塊介紹 . 6 動(dòng)循跡傳感器介紹 . 8 障傳感器介紹和選擇 . 10 線模塊介紹和選擇 . 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) . 12 動(dòng)循跡程序設(shè)計(jì) . 12 動(dòng)避障程序設(shè)計(jì) . 15 線操控程序設(shè)計(jì) . 17 5 小車(chē)調(diào)試與制作 . 21 結(jié)論 . 23 參考文獻(xiàn) . 24 致謝 . 24 附錄 . 24 河北科技師范學(xué)院 2015 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 1 緒論 究背景及意義 隨著科技的發(fā)展， 尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，使得智能化 開(kāi)始與各種產(chǎn)品進(jìn)行融合，衍生出功能更加強(qiáng)大的新一代產(chǎn)品。其中無(wú)人駕駛成為了一項(xiàng)重要研究方向。目前， 開(kāi)始著手研究智能汽車(chē) 他公司也有相關(guān)方面的研究計(jì)劃 。在軍事領(lǐng)域，無(wú)人機(jī)也一直是一項(xiàng)具有重要戰(zhàn)略意義的研究項(xiàng)目。 無(wú)論是智能汽車(chē)，還是無(wú)人機(jī)都是移動(dòng)機(jī)器人中的一 種 1。 而 智能小車(chē)則是移動(dòng)機(jī)器人研究的基礎(chǔ) ，所以智能小車(chē)的研究 可以推動(dòng)智能汽車(chē)和無(wú)人機(jī)的發(fā)展。而且智能小車(chē) 一直被各大高校 重視，其中飛思卡爾智能小車(chē)競(jìng)賽是智能小車(chē)研究中的一項(xiàng)重要賽事，且對(duì)智能小車(chē)技術(shù)的進(jìn)步做出了巨大貢獻(xiàn)。 之所以說(shuō)智能小車(chē) 是移動(dòng)機(jī)器人中的基礎(chǔ)，是因?yàn)橹悄苄≤?chē)所能實(shí)現(xiàn)的功能是一個(gè)移動(dòng)機(jī)器人都能完成也都應(yīng)該具備的功 能 2。 可以說(shuō)機(jī)器人的強(qiáng)大功能都是在小車(chē)功能的基礎(chǔ)上，進(jìn)行更深入研究后實(shí)現(xiàn)的。而為機(jī)器人開(kāi)發(fā)一個(gè)新的功能，也可以在小車(chē)上進(jìn)行一定的測(cè)試，并且成本要比直接在機(jī)器人上開(kāi)發(fā) 的低。 因此，目前繼續(xù)深入研究智能小車(chē)，對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人乃至所有機(jī)器人研究工作有著重要意義。除此之外，智能小車(chē)也是一名電子專(zhuān)業(yè)大學(xué)生 有能力 掌握的電子技術(shù)。其難度適中，設(shè)計(jì)思路靈活， 很適合用來(lái)測(cè)試大學(xué)生的電子技術(shù)。 通過(guò)制作智能小車(chē)有助于鞏固電子技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)， 加強(qiáng)實(shí)踐能力。 究目的和設(shè)計(jì)構(gòu)思 此次設(shè)計(jì)的小車(chē)將要完成自動(dòng)循跡、自動(dòng)避障、無(wú)線操控功能，并能夠在小車(chē)行進(jìn)過(guò)程中進(jìn)行功能的切換，即能通過(guò)遙控器實(shí)現(xiàn)小車(chē)的工作模式。 這些功能使小車(chē)能完成更復(fù)雜的工作，具有更大的容錯(cuò)率。比如在自動(dòng)循跡時(shí)，如果因車(chē)速過(guò)快，導(dǎo)致小車(chē)離開(kāi)軌跡且不能自動(dòng)重回軌跡時(shí)?？梢允蛊淝袚Q到無(wú)線操控模式 ，通過(guò)人為操控使其重回軌道后，再切換為自動(dòng)循跡模式繼續(xù)循跡工作。再如當(dāng)小車(chē)在自動(dòng)避障過(guò)程中，如果突然在無(wú)效距離內(nèi)出現(xiàn)障礙，也可同樣利用無(wú)線操控其避開(kāi)障礙 后，再繼續(xù)進(jìn)行自動(dòng)避障 。這種人為操控方 式加智能操控方式，在智能汽車(chē)和無(wú)人機(jī)上 也采用如此方式 ， 因此制作出的小車(chē)可以在一定的程度上模擬他們 在 工作 時(shí)如何處理問(wèn)題 3。 如汽車(chē)遇到信號(hào)燈 時(shí)，需要一個(gè)交通網(wǎng)絡(luò)或車(chē)主來(lái)控制車(chē)輛的行駛。 設(shè)計(jì)的核心便是利用不同功能的感測(cè)器和無(wú)線收發(fā)模塊，來(lái)提供信號(hào)或命令給單片河北科技師范學(xué)院 2015 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 機(jī)，由單片機(jī)處理后控制小車(chē)的移動(dòng) 或感測(cè)器的工 作 。通過(guò)利用不同的感測(cè)器可以使小車(chē)具備不同的功能，也可以使小車(chē)的功能更強(qiáng)、精度更高。不同的無(wú)線模塊也可以使小車(chē)接收信號(hào)范圍更遠(yuǎn)、通道更多。 本次 設(shè)計(jì)中使用的 感器、超聲波傳感器和 線模塊，性能上滿足設(shè)計(jì)要求。 且小車(chē)還留有一定的擴(kuò)展空間，能添加新的或更換更好的感測(cè)器，提升小車(chē)的性能。 2 系統(tǒng)工作原理 本設(shè)計(jì)使用 52 單片機(jī)作為核心處理器，通過(guò)外接循跡傳感器、障礙感測(cè)器、無(wú)線收發(fā)模塊，來(lái)給單片機(jī)提供信號(hào) 。單片機(jī)接收到信號(hào)后，按照其內(nèi)部程序進(jìn)行信號(hào)識(shí)別并處理各種信號(hào)。之后控制電機(jī)所接電壓的有無(wú)、大小和正負(fù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)方向的控制，從而控制小車(chē)的移動(dòng)。 通過(guò)編程使單片機(jī) 知道應(yīng)如何處理各傳感器傳輸?shù)男盘?hào)，以及何時(shí)處理。對(duì)無(wú)線操控功能，使用兩片單片機(jī)和兩個(gè)無(wú)線收發(fā)模塊。一片單片機(jī)和一個(gè) 模塊組裝成遙控器，進(jìn)行操控指令的發(fā)送。另一片單片機(jī)與無(wú)線模塊安裝在小車(chē)上，進(jìn)行操控指令的接收，和對(duì)小車(chē)的控制。循跡傳感器與障礙感測(cè)器，顧名思義是進(jìn)行軌跡檢測(cè)與障礙檢測(cè)。分別 服務(wù) 于自動(dòng)循跡 功能和自動(dòng)避障功能。單片機(jī)識(shí)別其傳送的信號(hào)，來(lái)控制小車(chē)實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)功能。 3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 電 模塊 設(shè)計(jì) 與介紹 首先，電源的選擇有蓄電池和一般干電池。設(shè)計(jì)中用到的各種感測(cè)器、無(wú)線模塊與單片機(jī)，均要求有 4 5V 的輸入電 壓 4。所以?xún)煞N電源 提供的電壓，雖然大于 電壓要求 ，但可以通過(guò)變壓后，得到符合電壓范圍的伏值 。 因此都可以使用。 由于制作的無(wú)線操控時(shí)，需要再制作一個(gè)遙控器，因此需要兩個(gè)電源。而在購(gòu)買(mǎi)小車(chē)底板時(shí)，附帶一個(gè) 4 節(jié)5 號(hào)電池盒，且已擁有一個(gè) 12V 蓄電池。 考慮到小車(chē)上不僅要給單片機(jī)供電，還需給各感測(cè)器、無(wú)線模塊以及直流電機(jī)供電 ,因此在小車(chē)上用蓄電池供電，遙控器用 4 節(jié)干電池供電。 紹與應(yīng)用方案 選好供電電源后，還需要考慮的就是變壓的問(wèn)題 。 蓄電池的額定輸出電壓最大為12V，所以使用 片進(jìn)行變壓。 提供降壓穩(wěn)壓功能，可河北科技師范學(xué)院 2015 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 驅(qū)動(dòng) 3A 的負(fù)載，有優(yōu)異的線性和負(fù)載調(diào)整能力。其輸出電流可以為連續(xù)型或非連續(xù)型，這取決于選取的電感的直流通流量 。 升級(jí)版，加大了待機(jī)電流，增加了自我保護(hù)電路 5。 設(shè)計(jì)中分別使用了一片 此選擇的原因有兩個(gè)，第一、兩種芯片的使用原理和方法相同，皆是通過(guò)連接為反饋電路 ，達(dá)到降壓穩(wěn)壓效果。而且 所使用的外接元件也相同且容易購(gòu)買(mǎi)。因此使用任意一種芯片，沒(méi)有太大的區(qū)別。第二、在使用之前，已有一片 購(gòu)買(mǎi)另一片時(shí)，價(jià)格低導(dǎo)致不能單獨(dú)購(gòu)買(mǎi)，所以只好購(gòu)買(mǎi)做好的使用 降壓穩(wěn)壓模塊。 使用的反饋電路原理相同，均是采用一個(gè)極性輸入電容 個(gè)肖特基二極管，一個(gè)電感，一個(gè)極性輸出電容 成如下電路： 圖 1 反饋電路圖 圖中的 以使用不同的參數(shù)， 但要根據(jù)情況進(jìn)行選擇。本次設(shè)計(jì)中，要自己進(jìn)行外接反饋電路。 設(shè)計(jì)中 ，輸入電壓電壓源為 4 節(jié) 5 號(hào)干電池，最大 6V 直流 電壓 。 輸出電壓要求為 5V。 所以 用 100F， 用 470F， 用100H， 用 1余元件參數(shù)與上圖一致。并增加了一只六角開(kāi)關(guān)和 險(xiǎn)絲 6。 河北科技師范學(xué)院 2015 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 （ a） 正面 （ b） 背面 圖 2 路 經(jīng)測(cè)試，該電路可實(shí)現(xiàn) 1 到 圍內(nèi)的電壓輸出。調(diào)節(jié)后穩(wěn)定在 5V 輸出。另一模塊如下圖 ： 河北科技師范學(xué)院 2015 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 圖 3 壓模塊 該模塊供電電源為蓄電池， 使用時(shí) 輸出電壓調(diào)節(jié)到 此電壓不能直接給單片機(jī)和感測(cè)器供電，但可以給 動(dòng)模塊供電。給單片機(jī)供電還需經(jīng)下述的 7805 芯片穩(wěn)壓。這就同時(shí)解決了單片機(jī)與 動(dòng)模塊的供電問(wèn)題， 7805 芯片穩(wěn)壓后的電壓還能給 邏輯電平供電 7。 805 芯片介紹與應(yīng)用方案 7805 內(nèi)部電路具有過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)功能。能夠?qū)崿F(xiàn) 1A 以上的輸出電流，具有良好的溫度系數(shù)， 輸出電壓誤差精度分為 3%和 5%。 使用時(shí)連接電路如下： 圖 4 7805 電路圖 河北科技師范學(xué)院 2015 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 實(shí)際連接時(shí)，還應(yīng)該在兩片 7805 的 102，104 等。這是此次設(shè)計(jì)的一個(gè)失誤。不過(guò)由于輸入電壓低 只有 以經(jīng)實(shí)際測(cè)試后發(fā)現(xiàn)也可以使用，不會(huì)對(duì)小車(chē)產(chǎn)生影響。 接 壓模塊的輸出電壓，該電壓值不能低于 6V，不能高于 36V。輸出端將自動(dòng)穩(wěn)壓到 5V 左右，實(shí)際檢測(cè)其輸出電壓為 足單片機(jī)與各模塊的供電要求。兩片 7805 中，一片單獨(dú)給單片機(jī)供電 ，一片給各模塊供電。這樣做是因?yàn)閱纹瑱C(jī)對(duì)電壓的穩(wěn)定性要求高，而所接模塊較多 8。如果只用一片 7805，會(huì)使 7805 的負(fù)載過(guò)重，熱量升高。 進(jìn)而導(dǎo)致穩(wěn)壓性能變壞，甚至造成 7805 芯片的損壞。 下圖為實(shí)際焊接電路，該圖拍攝時(shí)還未添加電源開(kāi)關(guān)。添加的開(kāi)關(guān)位于兩片 7805中間，沒(méi)有拍攝是因?yàn)橐呀?jīng)固定在小車(chē)上，不便于拍攝。電路板左上方左起第一 根 排針為左方 7805 的輸出 端 ，單獨(dú)為單片機(jī)供電。第四 根 排針為電壓輸入端 ，第五和第六根排針為 。下方左起前四根排針為 ，后八根排針為右方 7805 的輸出端，為各個(gè)感測(cè)器供電。剩余排針未接通，沒(méi)有使用意義。 圖 5 7805 穩(wěn)壓電路板 以上便完成了電源供電設(shè)計(jì)。實(shí)際測(cè)試證明得到的電壓穩(wěn)定，能滿足單片機(jī)及其余元器件的電壓要求。 動(dòng) 模塊介紹 小車(chē)車(chē)體的設(shè)計(jì)要求使用左右兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，外加一個(gè)后萬(wàn)向輪，形成三點(diǎn)結(jié)構(gòu)，以穩(wěn)定小車(chē)的行駛。 電機(jī)有直流電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)兩種選擇。步進(jìn)電機(jī)是通過(guò)對(duì)各相繞組按合適的時(shí)序通電，控制電機(jī)步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)?？梢岳脝纹瑱C(jī)的定時(shí)功能，或外接定時(shí)設(shè)備，對(duì)供電時(shí)序經(jīng)行控制，從而達(dá)到控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。如此方法，能精確地控制小車(chē)的速度，以及轉(zhuǎn)彎時(shí)的角度。但是步進(jìn)電機(jī)比直流電機(jī)的價(jià)格昂貴，且編程難度大。此次設(shè)計(jì)中，對(duì)小車(chē)的行駛速度與轉(zhuǎn)彎角度沒(méi)有高精度要求，所以采用 直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。 河北科技師范學(xué)院 2015 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 使用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，需要利用減速齒輪按一定的減速比減速后，才可以作為小車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。否則，會(huì)因小車(chē)的速度過(guò)快，導(dǎo)致單片機(jī)來(lái)不及處理接收到的信號(hào)，失 去對(duì)小車(chē)的控制。另外小車(chē)的運(yùn)動(dòng)方向，需要利用電機(jī)的不同轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此須利用 動(dòng)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。 動(dòng)模塊是依靠 片來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。 片內(nèi)部核心是一個(gè)雙 H 橋，如下圖所示： 圖 6 H 橋電路原理圖 當(dāng) 通時(shí)，電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng) 通時(shí)，電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。在 兩個(gè)如此的 H 橋，分別控制兩個(gè)電機(jī)。其中每一個(gè) H 橋的 基極相連接， 基極相連。發(fā)射極正極與驅(qū)動(dòng)電壓相連，負(fù)極與 連。 除須連接一個(gè) 驅(qū)動(dòng)電壓外，還須連接一個(gè)邏輯電壓。單片機(jī)就是負(fù)責(zé)控制各基極的電平，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的控制。 有兩個(gè)使能端，分別控制 H 橋的開(kāi)啟。利用 制電機(jī)轉(zhuǎn)速，就是利用 序脈沖控制使能端開(kāi)啟的時(shí)間，達(dá)到控制電機(jī)導(dǎo)通的時(shí)間，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 使用時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，因此還需要使用散熱片進(jìn)行散熱。 將電機(jī)連接在驅(qū)動(dòng)模塊上后，便可以按照前述進(jìn)行對(duì)電機(jī)的控制。實(shí)際測(cè)試表明該模塊能及時(shí)地進(jìn)行 H 橋?qū)ǚ较虻那袚Q，對(duì)兩個(gè)使能端的 沖控制能明顯地控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。下圖為所購(gòu)買(mǎi)的 動(dòng)模塊： 河北科技師范學(xué)院 2015 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 圖 7 動(dòng)模塊 控制方式如下表所示： 表 1 驅(qū)動(dòng)控制表 電機(jī)狀態(tài) 0 X X 停止 1 0 0 制動(dòng) 1 1 0 前進(jìn) 1 0 1 后退 1 1 1 制動(dòng) 動(dòng)循跡傳感器介紹 自動(dòng)循跡功能的實(shí)現(xiàn)時(shí)依靠 電傳感器 來(lái)實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)要求是小車(chē)能自行識(shí)別一個(gè)環(huán)形黑色軌跡并沿著軌跡移動(dòng)，且能在循跡過(guò)程中進(jìn)行無(wú)線操控，切換小車(chē)的運(yùn)行模式。關(guān)于無(wú)線操控部分，將在無(wú)線操控功能設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行說(shuō)明，現(xiàn)在先說(shuō)明自動(dòng)循跡功能的設(shè)計(jì)方案。 本人購(gòu)買(mǎi)的用于循跡功能的感測(cè)器為一路循跡傳感器，如下圖所示： 河北科技師范學(xué)院 2015 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 圖 8 循跡傳感器 其三根引腳分別是 傳感器檢測(cè)到黑色軌跡時(shí)， 輸出低電平，其余顏色軌跡， 輸出高電平。如果傳感器因高度無(wú)法進(jìn)行檢測(cè)時(shí)， 該模塊核心是利用 現(xiàn)對(duì)軌跡的檢測(cè)。 作原理是通過(guò)紅外發(fā)射二極管發(fā)射紅外線，當(dāng)紅外線遇到黑色軌跡時(shí)，由于黑色會(huì)吸收所有光線。導(dǎo)致紅外線沒(méi)有返射足夠的強(qiáng)度給光敏三極管，光敏三極管便處于關(guān)閉狀態(tài)，于是輸出 為 低電平 5。而當(dāng)軌跡遠(yuǎn)離傳感器時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致紅外線無(wú)法反射回來(lái)，使傳感器輸出低電平。下圖為該模塊的電路原理圖： 圖 9 循跡模塊電路圖 該模塊缺點(diǎn)是不能調(diào)節(jié)檢測(cè)距離，其固定檢測(cè)距離為 1右。設(shè)計(jì)一共使用 4個(gè)該循跡模塊，分為前后兩排，一排兩個(gè)對(duì)稱(chēng)安裝。前排靠?jī)?nèi)，后排靠外。這是使前排確定軌跡的最大寬度 測(cè)量為 5 并提前 檢測(cè)到小車(chē)是否駛出軌跡。后排是預(yù)防因小車(chē)速度過(guò)快，導(dǎo)致前排來(lái)不及檢測(cè)小車(chē)駛出軌跡。是一種增加循跡可靠性的方案。 河北科技師范學(xué)院 2015 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 障 傳感器介紹 和選擇 對(duì)于自動(dòng)避障功能設(shè)計(jì)，有紅外避障方案和超聲波避障方案兩種選擇。對(duì)于紅外避障方案，購(gòu)買(mǎi)到的 外避障模塊，具有易編程、易調(diào)節(jié)檢測(cè)距離的特性。但是考慮到，紅外線在實(shí)際中容易受到環(huán)境光線強(qiáng)度的影響，且大多數(shù)障礙物表面不光滑，會(huì)產(chǎn)生漫反射現(xiàn)象。這些都將影響檢測(cè)的穩(wěn)定性和可靠性。最重要的是，該模塊不是利用編程來(lái)控制避障距離，而是通過(guò)調(diào)節(jié)電位器來(lái)控制檢測(cè)距離。而其檢測(cè)距離就是避障距離。這也就意味著不能通過(guò)該模塊，來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)距離，影響了小車(chē)功能的擴(kuò)展性。所以最終采用超聲波避障方案。 超聲波避障方案與紅外避障方案相比較，其優(yōu)點(diǎn)是能進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)障礙物到小車(chē)的距離，可將避障功能擴(kuò)展成測(cè)距功能和避障功能于一體，以滿足 更多工作需求。但是考慮到負(fù)載過(guò)多，不能再外接 1602 或數(shù)碼管顯示所測(cè)距離，所以小車(chē)檢測(cè)到的距離數(shù)據(jù)沒(méi)有顯示。測(cè)距功能只能為避障服務(wù)，不能滿足其余工作需求。超聲波的反射也比紅外線穩(wěn)定，能增強(qiáng)自動(dòng)避障的穩(wěn)定性。而其缺點(diǎn)則是不能應(yīng)對(duì)在 2突然出現(xiàn)的障礙，容易受到溫度的影響，導(dǎo)致檢測(cè)的距離不如紅外線的精確。障礙物受測(cè)面要盡量平整，否則會(huì)影響測(cè)距效果。下圖分別是所購(gòu)買(mǎi)的紅外模塊和超聲波模塊。 圖 11 紅外避障模塊 河北科技師范學(xué)院 2015 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 （ a） 正面 （ b） 背面 圖 12 超聲波避障模塊 超聲波避障模塊上有一個(gè)發(fā)射口和一個(gè)接收口，其檢測(cè)原理是通過(guò)按一定的時(shí)間間隔發(fā)送一個(gè)超聲波，當(dāng)超聲波遇到障礙物時(shí)，便會(huì)反射回來(lái)，由接收口接收返回的超聲波。這時(shí)接收端的輸出就會(huì)由高電平變?yōu)榈碗娖?。而從發(fā)送超聲波開(kāi)始，到檢測(cè)到接收端變?yōu)榈碗娖降倪@段時(shí)間，就是超聲波從小車(chē)開(kāi)始，移動(dòng)到障礙物的并返回到小車(chē)的往返時(shí)間。也就是一次測(cè)距的時(shí)間。進(jìn)過(guò)如下公式計(jì)算，就可得到小車(chē)到障礙物的距 離 9。 2 高 電 平 時(shí) 間 聲 速距 離（ 1） 公式中的聲速，通常使用聲音在空氣中的傳播速度 340m s 來(lái)計(jì)算。實(shí)際上在超聲波往返于小車(chē)和障礙物間時(shí)，小車(chē)處于移動(dòng)狀態(tài)的。所以為了避免因小車(chē)的移動(dòng)造成的誤差，要控制小車(chē)保持低速行駛，使聲波的速度遠(yuǎn)大于車(chē)速，就可以忽略小車(chē)移動(dòng)的影響。而且低速行駛也能在前方障礙物，沒(méi)有被檢測(cè)到時(shí)，減低碰撞時(shí)的沖擊力，避免小車(chē)的損壞。 線模塊 介紹 和選擇 無(wú)線功能是本次設(shè)計(jì)的核心功能，其余的功能都需要利用無(wú)線來(lái)進(jìn)行切換。無(wú)線操控功能在設(shè)計(jì)時(shí)，也有兩種方案。一種是使用網(wǎng)上已調(diào)制好的遙控設(shè)備，另一種是使用塊 。 已做好的遙控設(shè)備，使用簡(jiǎn)單。但不可以對(duì)其按鍵進(jìn)行編程，也就是說(shuō)起按鍵功能固定，導(dǎo)致無(wú)線功能擴(kuò)展受限。而且此種方式接收端只能接收，發(fā)送端只能發(fā)送，兩者不能相互通信。所以決定采用 塊設(shè)計(jì)無(wú)線功能。 塊具有功耗低、抗干擾性高的特點(diǎn)。且發(fā)送時(shí)會(huì)自動(dòng)添加 驗(yàn)碼 與字頭，接收時(shí)會(huì)自動(dòng)去掉。發(fā)送時(shí)，先將數(shù)據(jù)送人收發(fā)隊(duì)列，再高速發(fā)送。如此可河北科技師范學(xué)院 2015 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 以節(jié)能、降低系統(tǒng)費(fèi)用、增加抗干擾 性 10。 在使用 ，還購(gòu)買(mǎi)了一塊轉(zhuǎn)接模塊。該轉(zhuǎn)接模塊提供一個(gè)降壓穩(wěn)壓功能，將 5V 降壓到 右，再給 電。對(duì)于無(wú)線模塊程序的設(shè)計(jì)，主要是調(diào)用模塊配送的收發(fā)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求，而不是設(shè)計(jì)全部程序。有關(guān)該模塊的配置程序與收發(fā)程序，購(gòu)買(mǎi)模塊時(shí)會(huì)由商家提供，網(wǎng)上也有不少現(xiàn)成程序，可以直接調(diào)用。在各程序代碼中也有詳細(xì)的注釋說(shuō)明，因此不在論文中提及，相關(guān)內(nèi)容可見(jiàn)附錄中的小車(chē)整體代碼。而在本文中重點(diǎn)說(shuō)明設(shè)計(jì)的思路，和調(diào)用程序段的目的。下面是 轉(zhuǎn)接模塊的實(shí)物圖。 圖 14 塊 圖 15 無(wú)線轉(zhuǎn)接模塊 4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 動(dòng)循跡程序設(shè)計(jì) 程序設(shè)計(jì)流程圖如下： 河北科技師范學(xué)院 2015 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 開(kāi) 始有 無(wú) 模 式 切 換左 右 傳 感 器 是 否 同 時(shí) 輸 出0 感 器 是 否 輸 出 0右 傳 感 器 是 否 輸 出 0小 車(chē) 直 行退 出 循 跡 模式保 持 當(dāng) 前 狀態(tài)小 車(chē) 左 轉(zhuǎn)小 車(chē) 右 轉(zhuǎn)0 循跡程序流程圖 循跡模式啟動(dòng)后 ,小車(chē)便會(huì)一直沿著軌跡行進(jìn)，直到無(wú)線操控切換小車(chē)工作模式。對(duì)于特殊的十字交叉軌跡，小車(chē)將保持直行。如果軌跡上出現(xiàn)障礙，則可以切換小車(chē)為無(wú)線操控模式，避開(kāi)障礙并回到軌跡后，再切換為循跡模式繼續(xù)工作。 小車(chē)自動(dòng)循跡功能的實(shí)現(xiàn)如上面的流程圖所示。當(dāng)左邊的傳感器輸出低電平時(shí)，表明小車(chē)的 左方過(guò)界，即小車(chē)如繼續(xù)行駛將駛離軌跡。而要避免此情況發(fā)生，此時(shí)需要進(jìn)行左轉(zhuǎn)。左轉(zhuǎn)時(shí)，控制左輪減速行駛，右輪速度不變， 便可完成左轉(zhuǎn)?？刂谱筝啘p速是通過(guò)對(duì)左輪的 H 橋，進(jìn)行 沖控制實(shí)現(xiàn)。同理當(dāng)右傳感器輸出 低電平時(shí)，實(shí)現(xiàn)小車(chē)的右轉(zhuǎn)。對(duì)于十字交叉軌跡，會(huì)使小車(chē)的左右傳感器 同時(shí) 輸出低電平 ，此時(shí)保持小車(chē)行駛路線就可以通過(guò)該軌跡。 下面是自動(dòng)循跡的循跡部分代碼。 ; ; i=0; 00); 小車(chē)進(jìn)入避障模式后，用第一個(gè) 句是檢測(cè)是否可以在當(dāng)前位置開(kāi)啟自動(dòng)避障功能，不能則退出自動(dòng)避障模 式 。之后的 環(huán)是 制 ，并在其中進(jìn)行檢測(cè)前方高低落差 檢測(cè)與障礙檢測(cè)。其中 量?jī)?chǔ)存測(cè)量的距離，單位是厘米，當(dāng)其不大于 12時(shí)。表明小車(chē)到障礙的距離小于 12時(shí)進(jìn)行右轉(zhuǎn) 90度處理。之后的延遲 100由于超聲波的發(fā)送不能是連續(xù)的，需要一定的時(shí)間間隔。本模塊的推薦是每 60送一個(gè) 10s 以上的超聲波，所以延遲 100待 新方向的測(cè)距。而右轉(zhuǎn) 90 度后小車(chē)會(huì)進(jìn)入制動(dòng)狀態(tài)，如此在等待新一輪測(cè)距時(shí)，也不會(huì)因小車(chē)移動(dòng)，使其與障礙的距離不足2 超聲波最小有效距離 而導(dǎo)致無(wú)法自動(dòng)避障。 超 聲波的發(fā)送與距離的測(cè)量，使用了單片機(jī)的定時(shí)器 0 和定時(shí)器 1 進(jìn)行時(shí)序控制。其中定時(shí)器 0 工作模式為方式 1，用于測(cè)量超聲波的往返時(shí)間。定時(shí)器 1 工作模式也為方式 1，用于定時(shí) 60送超聲波。 下面是超聲波測(cè)距程序說(shuō)明： ; 河北科技師范學(xué)院 2015 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 2); ; ; ; 56+; 3; 其中的 超聲波發(fā)送端，通過(guò)給其高電平進(jìn)行發(fā)送。代碼中發(fā)送一個(gè) 12s 的超聲波。發(fā)送完成后開(kāi)始計(jì)時(shí)，通過(guò)檢測(cè) 超聲波接收端，當(dāng)超聲波發(fā)送完成后會(huì)自動(dòng)置為高電平 來(lái)判斷超聲波是否返回。返回后 會(huì)變?yōu)榈碗娖?，此時(shí)停止計(jì)時(shí)，得到的就是超聲波的往返時(shí)間。 將該時(shí)間除以 53 就能得到小車(chē)與障礙的距離。這里運(yùn)用了公式 （ 1） ，計(jì)算過(guò)程如下： 2 * 2 * ( )() 3 4 0 /S S v m s距 離 距 離往 返 時(shí) 間 聲 速 （ 2） 其中時(shí)間單位為 s，長(zhǎng)度單位為 m，速度單位為 m/s。經(jīng)過(guò) 公式 2 的換算后得到時(shí)間t(s)=s(m)，即 s(t(s)/53。所以 s)除以 53 后便得到距離 (定時(shí)器 0 計(jì)時(shí)后清零，并當(dāng)計(jì)時(shí)溢出后，進(jìn)入定時(shí)中斷將 置為低電平。這是防止距離過(guò)遠(yuǎn)，導(dǎo)致 一直處于 高電平狀態(tài)，影響后續(xù)的測(cè)量效果 。 線操控程序設(shè)計(jì) 程序設(shè)計(jì)流程圖： 河北科技師范學(xué)院 2015 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 開(kāi) 始有 無(wú) 模 式 切 換 新 的 小 車(chē) 命 令保 持 當(dāng) 前 狀態(tài)退 出 無(wú) 線 操 控模 式執(zhí) 行 新 命 令6 無(wú)線接收流程圖 開(kāi) 始有 無(wú) 按 鍵 按 下發(fā) 送 命 令7 發(fā)送程序流程圖 設(shè)計(jì)中發(fā)送端采取自動(dòng)重發(fā)機(jī)制，當(dāng)接收端沒(méi)有按時(shí)傳回應(yīng)答信號(hào)時(shí)，發(fā)送端便會(huì)重發(fā)之前的命令。發(fā)送端還外接一個(gè) 44 鍵盤(pán)，鍵盤(pán)掃描程序來(lái)自單片機(jī) 100 例。當(dāng)有按鍵按下，掃描出是第幾個(gè)按鍵，然后發(fā)送對(duì)應(yīng)的命 令 14。每次發(fā)送前，將會(huì)清空收發(fā)隊(duì)列，以免有以前未發(fā)送命令 還存在隊(duì)列中，干擾當(dāng)前命令的發(fā)送。 接收函數(shù)在每一個(gè)功能函數(shù)中都要調(diào)用，以此來(lái)切換工作模式。特別地在左轉(zhuǎn)函數(shù)河北科技師范學(xué)院 2015 屆