智能小車控制方案設(shè)計(jì)及論證

1、    智能小車控制方案設(shè)計(jì)及論證    周艷麗 張窩羊摘 要：伴隨著科技的發(fā)展，人們對控制技術(shù)提出了更高的要求，小車控制便是其中之一。在這種情況下，本文以智能小車為研究對象，首先分析了課題研究的背景，然后確定了系統(tǒng)的整體框架，在此基礎(chǔ)之上，分別從遙控控制模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、避障尋跡模塊、速度顯示模塊、轉(zhuǎn)速測量模塊及電源模塊確定了控制系統(tǒng)的方案并進(jìn)行了論證。最終確定了整體方案及各模塊方案，為硬件及軟件設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：控制方案;模塊設(shè)計(jì);智能小車1 引言現(xiàn)在各大高校相繼開設(shè)智能機(jī)器人的專業(yè)課程，培養(yǎng)了大批智能領(lǐng)域的人才，將來的技術(shù)會越來越成熟，研發(fā)

2、的機(jī)器人具備生物機(jī)電系統(tǒng)，所以也將會越來越智能化，更具有實(shí)用性和趣味性，為了方便使用，機(jī)器人會越來越輕盈和小巧，能無限接近人類的思想，但是無論如何發(fā)展，人類只會統(tǒng)治機(jī)器人，不會被機(jī)器人操控人類，這是我們?nèi)祟惖牡拙€和原則，不可侵犯，期待未來的機(jī)器人能實(shí)實(shí)在在得提高社會生產(chǎn)力，為人類創(chuàng)造更高的價(jià)值，并且會極大改變?nèi)藗兊纳罘绞?，是人類的好朋友? 方案設(shè)計(jì)與論證在本次方案中，智能小車的控制系統(tǒng)的中央數(shù)據(jù)處理采用at89c52單片，整個系統(tǒng)可以分為兩個部分，即信號發(fā)射器部分以及智能小車本身。其總體設(shè)計(jì)框圖包括兩個部分，如圖2.1所示：2.1 遙控控制模塊設(shè)計(jì)與論證在目前，普遍使用的遙控裝置能夠劃分為

3、兩個類型，即使用紅外信號以及使用無線信號。方案一：智能小車的遙控系統(tǒng)采用紅外線裝置。這種遙控裝置只需要通過編碼器將指令調(diào)解為二進(jìn)制代碼。然后通過紅外線發(fā)射，最后由紅外接收器接收和解碼，接著輸入單片機(jī)中，經(jīng)過解碼后得到相關(guān)指令。最后，小車控制系統(tǒng)依據(jù)具體的指令實(shí)施相應(yīng)的動作。方案二：智能小車的遙控系統(tǒng)采用無線裝置。這種裝置采用一定頻率的電波傳輸信號，進(jìn)而控制各種設(shè)施。在接收到遙控信號，它們就可以在遠(yuǎn)處操控這些設(shè)備的運(yùn)行了。上述的兩種思路都可以作為本設(shè)計(jì)的遙控器，雖然無線遙控控制的距離更遠(yuǎn)也更加精確，但是本小車只需要在數(shù)米范圍內(nèi)被控制就可以了，所以我選擇的是方案一的紅外遙控。2.2 電機(jī)驅(qū)動模塊設(shè)

4、計(jì)與論證在當(dāng)今，小車的動力來源通常使用電機(jī)，主要分為兩類，即直流電機(jī)以及交流電機(jī)。方案一：智能小車的動力來源采用直流電機(jī)。對于直流電機(jī)而言，其本質(zhì)是一種把直流電能變?yōu)闄C(jī)械動能的設(shè)備，輸出扭矩大、體積小等特點(diǎn)，因此在小電子商品中廣泛采用直流電機(jī)。通過軟件編程，單片機(jī)輸出具有不同占空比的pwm（脈寬調(diào)制信號），控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，控制小車的運(yùn)行速度。方案二：選擇步進(jìn)電機(jī)作為本車動力傳動裝置。步進(jìn)電機(jī)將從輸入端輸入的電脈沖信號轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子的角位移，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的精確定位。電機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于脈沖信號的頻率，旋轉(zhuǎn)次數(shù)取決于脈沖的數(shù)量。本設(shè)計(jì)我選用的是直流電機(jī)，跟步進(jìn)電機(jī)對比，直流電機(jī)則有快速反應(yīng)、更大的啟動轉(zhuǎn)矩

5、、更優(yōu)秀的額定轉(zhuǎn)矩性能，出故障后能快速和簡單的維修，所需費(fèi)用少很多。2.3 避障循跡模塊設(shè)計(jì)與論證經(jīng)過篩選，為了避障功能的實(shí)現(xiàn)我得出了以下兩種方案：方案一：選擇紅外反射光電傳感器、電壓比較器以及使用集成電路板，檢查小車行進(jìn)方向是否遭遇了阻礙物，其中集成電路板由專業(yè)的電阻器等構(gòu)成。一般而言，大多數(shù)智能小車在左側(cè)以及右側(cè)各安裝一個檢測器，進(jìn)而可以很好的發(fā)現(xiàn)小車行進(jìn)方向是否遇到了阻礙物。通常情況下，小車的阻礙物檢測流程為：紅外線發(fā)射裝置向前方發(fā)射紅外信號，假如小車前方有阻礙物，那么該阻礙物將反射紅外線，進(jìn)而使得光敏感應(yīng)器接受到紅外光，感應(yīng)器開始工作輸出對應(yīng)的信號，中央處理系統(tǒng)單片機(jī)將接受到該信號，做

6、出相應(yīng)的指令，調(diào)用躲避障礙的程序，通過控制系統(tǒng)控制小車的行進(jìn)方向，最后成功避開阻礙物。方案二：采用超聲波裝置檢測小車行進(jìn)方向是否有障礙物。具體的工作過程如下：小車在運(yùn)動的時候超聲波裝置實(shí)時發(fā)射超聲波，如果在行進(jìn)方向預(yù)見阻礙物，那么超聲波將被阻礙物反射回去，小車相應(yīng)的傳感器將接受到相應(yīng)的信號，這是傳感器將開始工作，向單片機(jī)發(fā)出相應(yīng)的電信號，單片機(jī)在接受并處理信號后，向控制系統(tǒng)發(fā)出質(zhì)量，車子就會做出相應(yīng)的反應(yīng)，假如接收到的是高電平說明車子遇到障礙物了，這時調(diào)用相應(yīng)的程序就可以實(shí)現(xiàn)避障操作了。根據(jù)實(shí)際情況對比，本次設(shè)計(jì)采用方案一。2.4 速度顯示模塊設(shè)計(jì)與論證依據(jù)要求，本次設(shè)計(jì)的小車應(yīng)當(dāng)能夠顯示具體

7、的行駛速度。本文選取了兩種方案作為對比分析。方案一：顯示電路由共陽極數(shù)碼管和可編程的鍵盤接口芯片構(gòu)成，把單片機(jī)的i/o口和接口芯片連起來，這樣就可以精準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)實(shí)時速度顯示。方案二：把lcd和單片機(jī)直接連起來構(gòu)成顯示電路。lcd液晶顯示屏可以實(shí)現(xiàn)字符和數(shù)字的顯示，它由數(shù)個5x7或者5x11點(diǎn)陣字符位構(gòu)成。一個字符占用一個點(diǎn)陣字符位。通過實(shí)際顯示效果比對，并且筆者現(xiàn)有一塊液晶lcd1602顯示屏，為了不浪費(fèi)材料和金錢，采用lcd屏來顯示實(shí)時速度。2.5 轉(zhuǎn)速測量模塊設(shè)計(jì)與論證方案一：選擇霍爾開關(guān)型傳感器測量小車車輪轉(zhuǎn)速。具體流程是：把一塊具有磁性的鋼片安裝在非磁性材料的轉(zhuǎn)子上，霍爾開關(guān)傳感器感知接

8、收面和鋼片的磁極對應(yīng)，磁體隨著轉(zhuǎn)子運(yùn)動，當(dāng)然上述2個面相對時，此時霍爾傳感器產(chǎn)生一個脈沖信號并且輸出，轉(zhuǎn)速就是脈沖的時間間隔來決定的。方案二：使用直射式光電檢測器檢測小車車輪的轉(zhuǎn)速。詳細(xì)的過程為：智能小車的驅(qū)動軸上設(shè)置一個具有透光槽的圓狀葉片，安裝應(yīng)當(dāng)牢固，葉片和驅(qū)動軸一起轉(zhuǎn)動，在驅(qū)動軸附近設(shè)置光電感應(yīng)裝置。當(dāng)驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動的時候，葉片會連續(xù)切割紅外線傳遞路徑，葉片的透光槽切割刀紅外線傳遞路徑的時候，并沒有阻擋紅外線的傳播，檢測裝置工作，紅外線接受管開始運(yùn)行，產(chǎn)生電流變化。在透光槽被遮擋的時候，紅外線的傳遞路徑被阻擋，紅外接受管沒有運(yùn)行，電流未產(chǎn)生變化，由于驅(qū)動軸的不斷轉(zhuǎn)動，該裝置將產(chǎn)生連續(xù)的脈沖

9、電信號。通過檢測脈沖信號，葉片轉(zhuǎn)過的孔數(shù)可以由脈沖的個數(shù)得出，然后就可以計(jì)算出車子的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速，繼而可以得出小車的轉(zhuǎn)速了。雖然以上方案都可以用來實(shí)現(xiàn)小車的測速，但是小車的沉淪比較小，在車輪上安裝數(shù)量眾多的瓷片不切實(shí)際，因?yàn)樘^于密集，相互之間的影響也會很大，所以本小車選擇直射式光電檢測器來實(shí)現(xiàn)測速功能。2.6 電源模塊設(shè)計(jì)與論證小車要想運(yùn)行肯定不能少了動力系統(tǒng)，所以必須要有電源來供電，小車能不能平穩(wěn)的運(yùn)行跟電源性能的質(zhì)量密不可分，本設(shè)計(jì)的電源分為兩大部分，分別是單片機(jī)控制電源模塊和電機(jī)驅(qū)動模塊，電源的設(shè)計(jì)方案有很多，為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定供電，有以下2種方案供選擇。方案一：使用12v鉛酸蓄電池作為電機(jī)的

10、驅(qū)動電源，經(jīng)過穩(wěn)流降壓后得到5v的穩(wěn)定電源，作為單片機(jī)以及其它電路系統(tǒng)的電源。蓄電池的優(yōu)勢為續(xù)航持久，輸出電壓比較穩(wěn)定，然而缺點(diǎn)也很明顯，質(zhì)量過重、體積過大均會增加智能小車的負(fù)擔(dān)，如果采用此方案會大大增加車子的質(zhì)量而影響整個車子的運(yùn)行，因此不適合本設(shè)計(jì)的使用，所以我們并沒有使用蓄電池來供電。方案二：采用2節(jié)3.7v鋰電池共計(jì)7.4v給直流電機(jī)供電，電池的連接方式是串聯(lián)，經(jīng)過lm7805芯片穩(wěn)壓后，得到穩(wěn)定的5v給單片機(jī)和外圍邏輯電路供電，所用到的鋰電池質(zhì)量和體積小，而且電量也足夠小車運(yùn)行，電量用完還可以再次充電，既環(huán)保且經(jīng)濟(jì)，最終我們選擇了該方案作為小車的驅(qū)動電源。參考文獻(xiàn)：1張靖武，周靈彬，方曙光.單片機(jī)原理及應(yīng)用m.第2版，電子工業(yè)出版社，2011：17-32.2李群芳.單片機(jī)原理接口與應(yīng)用m.北京清華大學(xué)出版社，2005：12-30.3