Arduino循跡小車性能及研究--研究性課題論文及成果報告

1、.循跡小車性能及研究研究性課題論文及成果報告研究人員：何乙涵，康旭東，彭力源，張譯文，韓晨旭，齊立雯，郭子樂研究時間：2017年1月21日及2017年2月10日研究對象：循跡小車咸陽彩虹中學高一（11）班*;第一章引言智能車輛是集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、多等級輔助駕駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)，是智能交通系統(tǒng)的一個重要組成部分。它在軍事、民用、太空開發(fā)等領域有著廣泛的應用前景。隨著電子工業(yè)的發(fā)展，智能技術廣泛運用于各種領域，運用于智能家居中的產(chǎn)品更是越來越受到人們的青睞。本系統(tǒng)在硬件設計方面，以Arduino單片機為控制核心，以超聲波傳感器檢測前方障礙物，從而自動避障。在軟件方面，利用C語言進行編程，

2、通過軟件編程來控制小車運轉(zhuǎn)。根據(jù)家庭各種房間家具的布局不同而使用不同的路徑，從而使得家居中常用到的智能清掃小車智能化，人性化。該小車能自動避障，有一定的實用價值。第15頁隨著科技進步，現(xiàn)代工業(yè)技術發(fā)展越來越體現(xiàn)出機電一體化的特征。無論是在金屬加工、汽車技術、工業(yè)生產(chǎn)等等方面，機器設備表現(xiàn)了所謂智能化、集成化、小型化、高精度化的發(fā)展趨勢。 1.1 選題背景隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，關于汽車的研究也就越來越受人關注。全國電子大賽和省內(nèi)電子大賽幾乎每次都有智能小車這方面的題目，全國各高校也都很重視該題目的研究。可見其研究意義很大。本設計就是在這樣的背景下提出的，指導教師已經(jīng)有充分的準備。本題目是結合科

3、研項目而確定的設計類課題。設計的智能電動小車應該能夠?qū)崿F(xiàn)適應能力，能自動避障，可以智能規(guī)劃路徑。智能化作為現(xiàn)代社會的新產(chǎn)物，是以后的發(fā)展方向，他可以按照預先設定的模式在一個特定的環(huán)境里自動的運作，無需人為管理，便可以完成預期所要達到的或是更高的目標。同遙控小車不同，遙控小車需要人為控制轉(zhuǎn)向、啟停和進退，比較先進的遙控車還能控制器速度。常見的模型小車，都屬于這類遙控車；智能小車，則可以通過計算機編程來實現(xiàn)其對行駛方向、啟停以及速度的控制，無需人工干預。操作員可以通過修改智能小車的計算機程序來改變它的行駛方向。因此，智能小車具有再編程的特性，是機器人的一種。中國自1978年把“智能模擬”作為國家科

4、學技術發(fā)展規(guī)劃的主要研究課題，開始著力研究智能化。從概念的引進到實驗室研究的實現(xiàn)，再到現(xiàn)在高端領域（航天航空、軍事、勘探等）的應用，這一過程為智能化的全面發(fā)展奠定基石。智能化全面的發(fā)展是實現(xiàn)其對資源的合理充分利用，以盡可能少的投入得到最大的收益，大大提高工業(yè)生產(chǎn)的效率，實現(xiàn)現(xiàn)有工業(yè)生產(chǎn)水平從自動化向智能化升級，實現(xiàn)當今智能化發(fā)展由高端向大眾普及。從先前的模擬電路設計，到數(shù)字電路設計，再到現(xiàn)在的集成芯片的應用，各種能實現(xiàn)同樣功能的元件越來越小為智能化產(chǎn)物的生成奠定了良好的物質(zhì)基礎。智能小車，是一個集環(huán)境感知、規(guī)劃決策，自動行駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)，它集中地運用了計算機、傳感、信息、通信、導航、

5、人工智能及自動控制等技術，是典型的高新技術綜合體。1.2 智能小車研究背景智能車輛研究也是智能交通系統(tǒng)ITS的關鍵技術。目前，國內(nèi)的許多高校和科研院所都在進行ITS關鍵技術、設備的研究。隨著ITS研究的興起，我國已形成一支ITS技術研究開發(fā)的技術專業(yè)隊伍。并且各交通、汽車企業(yè)越來越加大了對ITS及智能車輛技術研發(fā)的投入，整個社會的關注程度在不斷提高。交通部已將ITS研究列入“十五”科技發(fā)展計劃和2010年長期規(guī)劃。相信經(jīng)過相關領域的共同努力，我國ITS及智能車輛的技術水平一定會得到很大提高?？梢灶A計，我國飛速發(fā)展的經(jīng)濟實力將為智能車輛的研究提供一個更加廣闊的前景。我們要結合我國國情，在某一方面

6、或某些方面，對智能車進行深入細致的研究，為它今后的發(fā)展及實際應用打下堅實的基礎。第二章 智能小車總體結構2.1 方案綜述本課題設計主要是制作一款能進行智能判斷并能做出正確反應的小車。小車具有以下幾個功能：自動避障功能。作品既可以對高端智能化進行剖析，也可以作為高級智能玩具發(fā)展對象，同時可成為大學生學習嵌入式控制系統(tǒng)的應用實例。本設計以兩直流電動機為主驅(qū)動，通過各類傳感器件來采集各類信息，送入主控單元Arduino單片機處理數(shù)據(jù)后完成相應動作，以達到自身控制。電機驅(qū)動電路采用H橋驅(qū)動模塊，驅(qū)動2個直流電機；測距、避障采用超聲波傳感器完成，最后由控制單元處理數(shù)據(jù)后通過編程有序合理的將各模塊信號整合

7、在一起并完成相應動作，實現(xiàn)了智能控制，相當于簡易機器人。根據(jù)設計的作品要達到的效果，本系統(tǒng)以Arduino單片機為核心控制器，主要由電源模塊、電機驅(qū)動模塊、測距、避障模塊構成。系統(tǒng)的結構框圖如下圖1所示。Arduino單片機驅(qū)動電路直流電動機輪子電源2.2 主控單元方案比較與選擇按照題目要求，控制器主要用于控制電機，通過相關傳感器對路面的軌跡信息進行處理，并將處理信號傳輸給控制器，然后控制器做出相應的處理，實現(xiàn)小車的自動循跡和自動避障。 方案一：可以采用ARM為系統(tǒng)的控制器，優(yōu)點是該系統(tǒng)功能強大，片上外設集成度搞密度高，提高了穩(wěn)定性，系統(tǒng)的處理速度也很高，適合作為大規(guī)模實時系統(tǒng)的控制核心。方案

8、二：采用Arduino單片機作為系統(tǒng)控制的方案。Arduino單片機算術運算功能強，軟件編程靈活、自由度大，功耗低、體積小、技術成熟，成本也比ARM低?？紤]到性價比問題，本設計選擇 用Arduino單片機做控制器。2.4 “小車”的必要的信息 電機參數(shù)： L298N 額定電壓 9V 車輪直徑 65mm 碼盤齒數(shù) 60  個 碼盤等效直徑 42 mm 輪距 約 59.5mm 外形尺寸 約 75x 75 x 75 mm 重量 約 240g （不含電池） 第三章 智能小車的觸覺、眼睛3.1 智能小車內(nèi)部檢測原理智能小車驅(qū)動檢測電路：實現(xiàn)電機

9、驅(qū)動、碼盤采樣、電機電流檢測功能，兩側獨立設計，方便檢修。 3.1.1 輪速、車距檢測小車采用紅外光電耦合器檢測輪子轉(zhuǎn)的圈數(shù)，即可算得小車行車距離；同理，單位時間內(nèi)的計數(shù)值，即可求得輪子轉(zhuǎn)速。本車有兩只輪子，分別由兩只直流電動機驅(qū)動。由于紅外檢測具有反應速度快、定位精度高，可靠性強以及可見光傳感器所不能比擬的優(yōu)點，故采用紅外光電碼盤測速方案。紅外光電耦合器見圖3.1，為直射式光電傳感器。紅外光避障傳感器由測距輪，遮光盤，紅外避障傳感器、及凹槽型支架組成的。利用開模的優(yōu)勢，在車輪上的遮光盤設計了 60個齒，可以用直射式光電采樣器方便的得到脈沖信號，比反射式采樣更加可靠。 測距輪安裝在車輪上，這樣

10、能使記數(shù)值準確一些（見圖3.2）。遮光盤有一缺口，盤下方的凹形物為槽型光電耦合器，其兩端高出部分的里面分別裝有紅外發(fā)射管和紅外接收管。遮光盤在凹槽中轉(zhuǎn)動時，缺口進入凹槽時，紅外線可以通過，缺口離開凹槽紅外線被阻擋。由此可見，測距輪每轉(zhuǎn)一周，紅外光接收管均能接收到一個脈沖信號經(jīng)過整形器后送入計數(shù)器或直接送入單片機中。單片機通過計數(shù)值，即可求得小車的大概行駛距離，根據(jù)單位時間內(nèi)的計數(shù)值，也可求得轉(zhuǎn)速。單片機通過分別對兩個輪子的轉(zhuǎn)速值，進行比較，即可判斷出左、右輪的轉(zhuǎn)速快慢程度。背面正面遮光盤為實現(xiàn)可逆記數(shù)功能，我們在測距儀中并列放置了兩個槽型光電耦合器，遮光盤先后通過凹槽可產(chǎn)生兩個脈沖信號。根據(jù)兩

11、個脈沖信號發(fā)生的先后順序與兩個光電耦合器的位置關系，即可計算出玩具車的行駛方向（前進或后退）。遮光盤及槽型光電耦合器均安裝在不透光的盒子里，以避免外界光線的干擾，使電路不能正常工作。 實際電路板測距原理：將遮光碼盤安裝在電機軸上，當電機轉(zhuǎn)動時，遮光碼盤也隨之轉(zhuǎn)動，同時安裝在碼盤一側的紅外發(fā)光二極管點亮，在碼盤的另一側設有紅外三極管，用于接收紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外線信號。由于光柵隨電機高速轉(zhuǎn)動，則紅外線三極管接收到的就是一系列脈沖信號。將該信號傳輸?shù)絾纹瑱C的內(nèi)部計數(shù)器計數(shù)，根據(jù)預先實測的數(shù)據(jù)換算關系即可計算出電動機車的行車距離。 智能小車的腳3.1、輪系結構詳述 3.1.1動力選擇 選用成熟的

12、減速機構和標準的 130直流電機（見上面圖示） 3.1.2 驅(qū)動方式 FIRA小車一般設計為差分驅(qū)動，前后對稱的形式，即不分前后，以增加對抗時的靈活性，因為不用“轉(zhuǎn)身”了。 這樣就要求車輪中置，如下圖： 這種驅(qū)動方式，需要前后 2個支點，這樣就形成了 4點共面問題，如場地稍有不平，就會導致一個驅(qū)動輪懸空，小車打轉(zhuǎn)。 用 4個支點來保證小車的平穩(wěn)（見上面小車的底部視圖）。 3.1.3 車輪安裝 由于減速箱的輸出軸是塑料的，強度有限，且有一定晃動間隙，不利于車輪上的碼盤采樣，必須設計另一個輪軸支點，以增加車輪的穩(wěn)定性。另外，還增加了一個側蓋（見上面?zhèn)壬w圖），為輪軸提供了一個支點，由于結構允許，還設

13、計了滾珠槽（注意側蓋中的圓環(huán)和輪轂中的圓環(huán)），以改善轉(zhuǎn)動性能。 側蓋固定于上、下基架上，等于給上、下基架增加了 4個固定點，使小車更加堅固。 3.1.4 電池選擇和安裝 本智能小車選擇 7#鎳氫充電電池，而不選流行的鋰充電電池，是由于鋰電池規(guī)格特殊，很難有標準尺寸，會給使用者帶來麻煩，7# 電池短期內(nèi)還沒有淘汰的跡象，所以還是作此選擇。 沒有像玩具和模型那樣，提供做好的電池組，是因為在使用中發(fā)現(xiàn)，通常不是電池組內(nèi)所有電池都同時失效，這樣會給用戶帶來不必要的損失，所以還是用電池盒。 電池安裝位置設計在小車底部，降低了重心，使小車更加平穩(wěn)。 3.1.5 輪系主要構成 基架：作為小車的主結構，實現(xiàn)電

14、機固定、電池盒放置、線路板安裝等基礎功能。 減速電機：提供小車動力，選用標準設計的減速箱和 130 電機，以保證良好的性價比。 減速機 車輪：為了提供足夠的速度，設計了小車結構中允許的最大直徑車輪，外徑 65mm（按目前所選用的減速電機，最快速度約 65cm/s），同時設計了采樣碼盤，便于實現(xiàn)速度反饋和行走距離檢測。車輪采用橡膠輪胎，并刻有防滑槽，以降低打滑的可能。輪胎寬度 7.5mm，設計成平面以增加摩擦力。 車輪電池盒蓋：用于固定電池盒，同時提供小車的 4個支點，以維持小車平衡。 第四章 智能小車的大腦這是學習單片機應用的平臺，而單片機的種類眾多，除了流行的 8位機：51、AVR、PIC系

15、列，還有日漸被接受的 16位機 MSP430系列，以及最近升勢很猛的 ARM CortexM系列，這些單片機各有優(yōu)勢，無法說誰好誰壞，完全取決于學習者的需求和喜好，此外還有越來越接近 MCU的DSP，所以我將這個權力交還給用戶。 而且我認為：所謂單片機應用學習，最核心的就是能自己消化一個 MCU，根據(jù)控制需求自己分配 MCU 的資源，編寫相應的程序，使之能按自己的想法工作。這才是掌握單片機應用的關鍵！ 4.1 Arduino單片機簡介  Arduino單片機，是一塊基于開放源代碼的USB接口Simple i/o接口板（包括12通道數(shù)字GPIO，4通道PWM輸出，6

16、-8通道10bit ADC輸入通道），并且具有使用類似Java,C語言的IDE集成開發(fā)環(huán)境。 讓您可以快速使用Arduino語言與Flash或Processing等軟件，作出互動作品。 Arduino單片機Arduino可以使用開發(fā)完成的電子元件例如Switch或sensors或其他控制器、LED、步進馬達或其他輸出裝置。Arduino也可以獨立運作成為一個可以跟軟件溝通的接口，例如說：flash、processing、Max/MSP、VVVV 或其他互動軟件。Arduino開發(fā)IDE接口基于開放源代碼原，可以讓您免費下載使用開發(fā)出更多令人驚艷的互動作品。 Arduino單片機特色:1、開放源

17、代碼的電路圖設計，程序開發(fā)接口免費下載，也可依需求自己修改。 2、使用低價格的微處理控制器(ATMEGA8或ATmega128)?？梢圆捎肬SB接口供電，不需外接電源。也可以使用外部9VDC輸入 3、Arduino支持ISP在線燒，可以將新的“bootloader”固件燒入ATmega8或ATmega128芯片。有了bootloader之后，可以通過串口或者USB to Rs232線更新固件。 4、可依據(jù)官方提供的Eagle格式PCB和SCH電路圖，簡化Arduino模組，完成獨立運作的微處理控制。可簡單地與傳感器，各式各樣的電子元件連接(EX：紅外線,超音波,熱敏電阻,光敏電阻,伺服馬達,等

18、) 5、支持多種互動程序，如：Flash、Max/Msp、VVVV、PD、C、Processing等 6、應用方面，利用Arduino，突破以往只能使用鼠標，鍵盤，CCD等輸入的裝置的互動內(nèi)容，可以更簡單地達成單人或多人游戲互動。4.2 Arduino單片機引腳簡介Arduino的優(yōu)勢在于對數(shù)字信號的識別和處理，但我們所生活的真實世界并不是數(shù)字（digital）化的，簡單到只要用0和1就能夠表示所有的現(xiàn)象。例如溫度這一我們已經(jīng)司空見慣的概念，它只能在一個范圍之內(nèi)連續(xù)變化，而不可能發(fā)生像從0到1這樣的瞬時跳變，類似這樣的物理量被人們稱為是模擬（analog）的。Arduino是無法理解這些模擬量的，它們必須在經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后變成數(shù)字量后，才能被Arduino進一步處理。Arduino所采用的ATmega8微處理器一其有6個模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC，Analog to Digita