簡易智能小車設(shè)計(jì)報(bào)告16頁

1、簡易智能電動(dòng)車技術(shù)創(chuàng)新論文摘要：本設(shè)計(jì)以89C51為核心，采用雙CPU分別進(jìn)行電動(dòng)車的前輪轉(zhuǎn)向控制和后輪脈沖寬度調(diào)速控制，根據(jù)題目要求，前進(jìn)過程中安放在車身不同位置的檢測器件對(duì)小車的周圍環(huán)境進(jìn)行檢測，包括地面埋設(shè)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(xiàng)任務(wù)，并采用LCD實(shí)現(xiàn)埋設(shè)物個(gè)數(shù)、行車時(shí)間等的顯示。其中，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向控制是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。關(guān)鍵詞：電動(dòng)車，智能，89C52一、 方案論證 1、設(shè)計(jì)要求 本系統(tǒng)要求電動(dòng)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(shè)鐵片的個(gè)數(shù)；通過彎道區(qū)后能夠到達(dá)指定的地點(diǎn)并停車要求的時(shí)間；在障礙區(qū)能夠準(zhǔn)確的躲避障

2、礙物；然后在光源的引導(dǎo)下駛?cè)胲噹臁?、 各部分方案論述（1）調(diào)速模塊采用脈沖寬度調(diào)制電路。用單片機(jī)控制信號(hào)的高低電平時(shí)間完成調(diào)速，用對(duì)兩個(gè)信號(hào)的不同控制完成電機(jī)的轉(zhuǎn)向和起停的控制。這種電路由于工作在管子的飽和截止?fàn)顟B(tài)下，效率非常高，經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，此方法調(diào)速簡單可行，方便可靠。（2）轉(zhuǎn)向裝置選擇步進(jìn)電機(jī)控制前輪。步進(jìn)電機(jī)將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移的特種電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)的顯著特點(diǎn)是快速啟動(dòng)能力，測到障礙物時(shí)能夠快速轉(zhuǎn)向；另外步進(jìn)電機(jī)的精度高，每步可以小至0.72度，不會(huì)失步，在負(fù)荷不超過動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩值時(shí)，可以瞬間啟動(dòng)和停止。逆轉(zhuǎn)時(shí)能夠精確返回原始位置。外加機(jī)械機(jī)構(gòu)可以把角度變成直線位移。（3）外部傳感

3、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（16mm）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(yùn)行時(shí)達(dá)到最小的橫向抖動(dòng)。CPU根據(jù)信號(hào)發(fā)出前輪左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)和保持方向的指令，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)校正行車方向的目的。 檢測兩個(gè)障礙物傳感器：采用反射式紅外線光電開關(guān)。本設(shè)計(jì)采用的光電開關(guān)有效距離為113cm（對(duì)白色障礙物），小車前方只要有障礙，即輸出一個(gè)開關(guān)量，向CPU申請(qǐng)中斷，CPU響應(yīng)中斷即控制電機(jī)做出轉(zhuǎn)向反應(yīng)。 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(diǎn)的距離，測小車的圈數(shù)換算即可得到。采用開關(guān)式光電傳感器，在車輪上安裝一個(gè)小

4、磁鐵即可實(shí)現(xiàn)測圈數(shù)，進(jìn)而得到距離值，為此采用此方案。 二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與硬件電路1、總體設(shè)計(jì)小車前后兩部分框圖如下：C P U (1)前方障礙物檢測前輪轉(zhuǎn)向控制尋跡控制光源引導(dǎo)控制 圖1 前輪CPU模塊C P U (2)顯 示檢測鐵片后輪轉(zhuǎn)速控制圖2 后輪CPU模塊計(jì)時(shí)并顯示2、 各模塊設(shè)計(jì)（1）電機(jī)轉(zhuǎn)速控制 本系統(tǒng)利用8050、8550等三極管的組合，構(gòu)成基于PWM原理的驅(qū)動(dòng)電路。如圖所示，P0.1為正反轉(zhuǎn)控制端，P1.3為起停控制端，原理如下：P1.3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(gòu)成的反向器使Q51集電極為高。于是，Q52、Q53、Q54導(dǎo)通，

5、Q55、Q56、Q57截止。其中Q52為激勵(lì)極，Q53、Q54為功放極。電流流向?yàn)椋弘姵卣龢OQ53電機(jī)“+”端電機(jī)“-”端Q54地，電機(jī)正轉(zhuǎn)。 圖3 直流調(diào)速驅(qū)動(dòng)電路若P0.1為低電平，與低電平或非以后變?yōu)楦撸瑒t右邊三個(gè)管即Q55、Q56、Q57導(dǎo)通，左邊三個(gè)管截止，電機(jī)反轉(zhuǎn)。P1.3為高電平P1.3與低電平或非以后變?yōu)榈?，使Q51和Q55均截止，電機(jī)停轉(zhuǎn)。該電路原理簡單、容易控制、帶負(fù)載能力強(qiáng)，我們采用PWM控制，通過軟件控制脈沖寬度的大小，設(shè)置高低電平的保持時(shí)間，來完成電機(jī)轉(zhuǎn)速大小的改變，這樣使得工作簡單方便，而且準(zhǔn)確可靠。（2）電機(jī)轉(zhuǎn)向控制這個(gè)設(shè)計(jì)中電機(jī)的轉(zhuǎn)向主要有兩個(gè)作用，一是在直道區(qū)

6、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(dá)要求的位置；二是在障礙區(qū)控制小車前輪轉(zhuǎn)向使其準(zhǔn)確地躲避障礙物，并在光源的引導(dǎo)下進(jìn)入車庫?？刂圃韴D如下圖4： 具體電機(jī)我們使用了35BYJ46型號(hào)的步進(jìn)電機(jī)來完成此部分內(nèi)容。這是一種四相五線制的電機(jī)，驅(qū)動(dòng)器采用51單片機(jī)的口P1.0P1.3，依次觸發(fā)三極管導(dǎo)通，構(gòu)成四相四拍步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的工作電流為96mA,由于電機(jī)啟動(dòng)電流較大，所以采用額定電流為1500mA的三極管8050驅(qū)動(dòng)電機(jī)。本程序采用循環(huán)設(shè)計(jì)法，將控制模型放在內(nèi)存單元中，按順序驅(qū)動(dòng)四相四拍電機(jī)。電機(jī)接口示意圖如下圖5： 圖5其勵(lì)磁順序如表1；技術(shù)指標(biāo)如表2； 表1

7、表2 按照以上資料，在程序中利用P1口的前四個(gè)腳依次對(duì)兩對(duì)相的正負(fù)進(jìn)行控制可使電機(jī)步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)信號(hào)順序相反時(shí)電機(jī)反方向步進(jìn)。每步進(jìn)一步轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為7.5/85.25，在行進(jìn)過程中根據(jù)檢測的信號(hào)對(duì)距離、速度等數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得電機(jī)需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。（3）檢測1、地面埋設(shè)物（鐵片）采用金屬接近開關(guān)LM183008NA，工作電壓636V,有效檢測距離8mm，這種專用傳感器，使用發(fā)便，對(duì)金屬的檢測較可靠。本設(shè)計(jì)安裝此傳感器在車的底部，當(dāng)有接近金屬時(shí)，輸出低電平，送給單片機(jī)記下金屬片個(gè)數(shù)，并顯示出來。2、路面黑線檢測采用紅外反射式二極管和LM324N四運(yùn)算放大器構(gòu)成信號(hào)發(fā)射接收電路，運(yùn)算放大器對(duì)信號(hào)比較后產(chǎn)

8、生輸出信號(hào)，電路圖如圖6： 圖6 3、前方障礙物采用專用紅外光電開關(guān)G183A10NA，工作電壓1030V，有效檢測距離10cm，當(dāng)前方有障礙物時(shí)傳感器內(nèi)部開關(guān)閉合，輸出端為低電平，此信號(hào)對(duì)單片機(jī)P3.2產(chǎn)生中斷0，控制轉(zhuǎn)向左或右。電路圖如圖7 ： 圖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(dǎo)小車前進(jìn)。此部分研究如下：如圖8所示，200W的白熾燈距離光敏電阻2m時(shí)，測得阻值大約為Rmax=10k,而不在光源照射范圍內(nèi)的阻值在50K左右，經(jīng)過計(jì)算，取R1為5.1K，為了方便可調(diào)，我們使用了一個(gè)50K的電位器。為了使管子能夠飽和導(dǎo)通，集電極的電阻盡量取得大些。 三、軟件設(shè)計(jì)控制程

9、序的主要任務(wù)是：（1） 判別旋轉(zhuǎn)方向；（2）按順序傳送控制信號(hào)；（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(jìn)中右側(cè)障礙標(biāo)志有否？左側(cè)障礙標(biāo)志有否？無有左轉(zhuǎn)步進(jìn)一步右轉(zhuǎn)步進(jìn)一步有以上程序全部用匯編語言來編寫，調(diào)試時(shí)，經(jīng)過語法查錯(cuò)和邏輯查錯(cuò)，與硬件聯(lián)合調(diào)試，先單獨(dú)調(diào)試好每一個(gè)模塊，然后再連接成一個(gè)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1、測試所用儀器設(shè)備： PC機(jī)數(shù)字式萬用表：Fluke 175示波器：Instek GOS-620 萬利單片機(jī)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0.5

10、mm，大小分別為1515cm，1518 cm,1514 cm障礙物：用白紙包裹的紙盒兩個(gè)，長、寬、高為25cm10cm10cm2、 測試內(nèi)容（1）速度測試數(shù)據(jù)如表1所示： 表1 跑道長度：7m次數(shù)123實(shí)測速度(m/s)0.190.180.20（2）尋線控制測試情況如表2： 表2路面類型識(shí)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(gè)方向，這個(gè)方向的指示燈熄滅燈光下的木桌指示燈不亮，當(dāng)小車高度達(dá)到一定時(shí)，桌面開始有光線反射，指示燈亮貼有2cm寬黑色膠帶的白紙?jiān)诤诰€的引導(dǎo)下行駛，指示燈基本保持常量由上述結(jié)果可知，小車的黑線牽引行駛基本可靠。（3） 鐵片檢測下表3是檢測路面埋設(shè)物（鐵片）的實(shí)

11、驗(yàn)情況： 表3鐵片個(gè)數(shù)第一片第二片第三片第四片顯示計(jì)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(guān)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(shí)，有可能發(fā)生誤檢（多檢），這時(shí)顯示的數(shù)目會(huì)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(shí)所用場地及小車所走路線示意圖。 障礙物障礙物 此項(xiàng)是小車功能的一個(gè)難點(diǎn)，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(shí)發(fā)現(xiàn)前方障礙并順利躲避，根據(jù)此圖，我們計(jì)算并調(diào)整了小

12、車轉(zhuǎn)向的度數(shù)，結(jié)合小車前進(jìn)的速度，發(fā)現(xiàn)障礙物時(shí)，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(jìn)入障礙區(qū)就駛向兩個(gè)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(cuò)誤的可能?？偟膩碚f，此部分由于控制因素太多，加上時(shí)間非常緊張，我們的小車行駛實(shí)際情況距離預(yù)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(shí)驗(yàn)示意圖如下：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(shí)驗(yàn)證明基本是可行的，但是，由于題目中光源在車庫的旁邊而

13、不在車庫內(nèi)部，小車只能向光源的方向前進(jìn)，無法準(zhǔn)確的進(jìn)入車庫，這是我們目前尚未解決的問題。五、誤差分析及改善措施小車轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動(dòng)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(yàn)中確定小車前輪的步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)而得到。雖然步數(shù)是確定的，但轉(zhuǎn)向?qū)儆谀：刂?，所以必定造成小車的橫向抖動(dòng)誤差較大?；谀：刂频乃惴ǎ覀儗⑿≤囘\(yùn)行的路線分為三部分尋線時(shí)步數(shù)較少，不至于偏離路線太大；有障礙物時(shí)，步數(shù)較大，有利于小車迅速繞障；進(jìn)入光源照射區(qū)時(shí)，步數(shù)中等，直到最后到達(dá)終點(diǎn)。這種方法可以減小誤差。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，證實(shí)

14、模糊控制可以較好的完成任務(wù)。測試過程中，一個(gè)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(fù)雜有一定的關(guān)系，而且我們的電源使用兩套（5V和12V），在接通時(shí)，我們測量兩個(gè)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(jìn)而會(huì)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(dòng)機(jī)啟動(dòng)瞬間電流很大，而且PWM驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)波動(dòng)較大，會(huì)造成電壓不穩(wěn)、有毛刺等干擾；因此我們考慮將電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源與單片機(jī)及其周邊電路電源完全隔離，利用光電耦合器傳輸信號(hào)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。六、結(jié)論我們采用雙CPU分別進(jìn)行電動(dòng)車的脈沖寬度調(diào)速控制和步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向控制，用安放在車身不同位置的檢測器件檢測地面埋設(shè)物（鐵片）和前方障礙物，用光敏電阻檢測光源，并用LCD實(shí)現(xiàn)埋設(shè)物個(gè)數(shù)、指定行程等的顯示。但是由于小車前輪與橫桿之間有一定的間隙，所以小車在行駛過程中車輪難免會(huì)有一定的晃動(dòng)，但是，我們在程序中進(jìn)行實(shí)時(shí)的黑線檢測，使小車一離開黑線前輪便小幅轉(zhuǎn)向，這樣便使小車始終不離開黑線。在測障方面我們采用了兩個(gè)放在車兩側(cè)的傳感器，可以使小車檢測的前方障礙物，從而倒車并繼續(xù)檢測，直到繞過障