自動識別路徑小車

1、自動識別路徑的智能小設計報告來源:kaoshi365 作者：kaoshi365 日期:2009年11月12日 訪問次數：625 次論文關鍵字：智能小車 電機驅動 L298自動循跡傳感器算法論文摘要：本系統(tǒng)采用存儲空間較大的AT89S52作為主控制芯片，電動車電機驅動采用L298N芯片，結合DS10C4光電開關控制電動小汽車的自動尋路，快慢速行駛和轉向，三者 的結合使小車更加智能化，自動化。整個系統(tǒng)在設計中注意低功耗處理和力求高性價比等細節(jié)，電路結構簡單，可靠性能高，無論在結構和技術上都具有較好的科學性。本設計主要特點：1 .高效的L298電機驅動電路，提高電源利用率。2 .利用軟件實現 PW硼

2、速的方法。代替了專用集成芯片電路、通用數字組合電路、分立元器件組成電路、單片機系統(tǒng)控制電路、CPL晾統(tǒng)等。一、模塊方案比較與論證：1 .車體設計方案一：購買玩具電動車。購買的玩具電動車具有組裝完整的車架車輪。由于裝配緊湊，使得各種所需電路的安裝十分方便，看起來也比較美觀。但玩具電動車一般都價格昂貴。方案二：自己制作電動車。一般的說來，自己制作的車體比較粗糙，對于白色基板上的道路面行駛，車身重量以及平衡都要有精確的測量，而且也要控制好小車行駛的路線和轉彎的力矩及角度，這些都比較難良好地實現。依靠電機與相關齒輪一起驅動，能適應題目中小車準確前進、后退、轉彎的要求，基于以上分析，我們選擇了方案二2

3、.電機模塊方案1:采用步進電機作為該系統(tǒng)的驅動電機。由于其轉過的角度可以精確的定位，可 以實現小車前進路程和位置的精確定位。雖然采用步進電機有諸多優(yōu)點，步進電機的輸出力矩較低，隨轉速的升高而下降，且在較高轉速時會急劇下降，其轉速較低，不適用于小車等有一定速度要求的系統(tǒng)。經綜合比較考慮，我們放棄了此方案。方案2 :直流電機：直流電機的控制方法比較簡單，只需給電機的兩根控制線加上適當 的電壓即可使電機轉動起來，電壓越高則電機轉速越高。對于直流電機的速度調節(jié)，可以采用改變電壓的方法，也可采用PW蜩速方法。PW蜩速就是使加在直流電機兩端的電壓為方波形式，通過改變方波的占空比實現對電機轉速的調節(jié)?；谝?/p>

4、上分析，我們選擇了方案二，使用直流電機作為電動車的驅動電機。1 / 103 .電機驅動模塊方案1 :采用SM6135岫機遙控驅動模塊。SM6135W是專為遙控車設計的大規(guī)模集成電 路。能實現前進、后退、向右、向左、加速五個功能，但是其采用的是編碼輸入控制，而不 是電平控制，這樣在程序中實現比較麻煩，而且該電機模塊價格比較高。方案2:采用電機驅動芯片 L298N。L298N為單塊集成電路，高電壓，高電流，四通道 驅動，可直接的對電機進行控制，無須隔離電路。通過單片機的I/O輸入改變芯片控制端的 電平，即可以對電機進行正反轉，停止的操作，非常方便，亦能滿足直流減速電機的大電流 要求。調試時在依照上

5、表，用程序輸入對應白碼值，能夠實現對應的動作。表1是其使能、輸入引腳和輸出引腳的邏輯關系。表1 L298N的引腳和輸出引腳的邏輯關系EN A (B)N1 (IN3)IN2 (IN4)電機運行情況HHL正轉H-H反轉H司 IN2 (IN4)同 IN2 (IN4)快速停止LXX停止基于以上分析，我們選擇了方案二，用L298N來做為電機的驅動芯片。4 .尋跡傳感器模塊方案1:采用發(fā)光二極管+光敏電阻，該方案缺點：易受到外界光源的干擾，有時甚至檢測不到黑線，主要是因為可見光的反射效果跟地表的平坦程度、地表材料的反射情況均對檢測效果產生直接影響?？朔巳秉c的方法：采用超高亮度的發(fā)光二極管能降低一定的干擾

6、， 但這又會增加檢測系統(tǒng)的功耗。方案2:脈沖調制的反射式紅外發(fā)射接收器。由于采用帶有交流分量的調制信號，則可大幅度減少外界的干擾； 此外紅外發(fā)射接收管的工作電流取決于平均電流，如果采用占空比小的調制信號，在平均電流不變的情況下，瞬時電流很大(50100mA (ST-188允許的最大輸入電流為50mA ,則大大提高了信噪比。此種測試方案反應速度大約在5us。方案3:采用CCD專感器，此種方法雖然能對路面信息進行準確完備的反應，但它存在 信息處理滿，實時性差等缺點，因此若采用CCD專感器，無疑會加重單片機的處理負擔，不利于實現更好的控制策略。根據以上分析我們采用方案 25 .控制器模塊2 / 10

7、方案1:采用凌陽的SPCE061AJ、板作為主控制芯片，而且可以采用凌陽的小車模組，可以 很快的完成其基本功能，當是用該小板存在在一定的局限性，較難擴張功能，而且各個模塊的拼湊，沒有比集成在一塊板的穩(wěn)定性高。方案2:采用AT89S52作為主控制芯片，該芯片有足夠的存儲空間，可以方便的在線ISP下載程序，能夠滿足該系統(tǒng)軟件的需要，該芯片提供了兩個計數器中斷，對于本作品系統(tǒng)已經足夠，采用該芯片可以比較靈活的選擇各個模塊控制芯片，能夠準確的計算出時間，有很好的實時性?；谝陨戏治?，我們選擇了方案 2二，采用AT89S52作為電動車的主控制芯片。6 .電源模塊在本系統(tǒng)中，需要用到白電源有單片機的5V,

8、 L298N芯片的電源5V和電機的電源715V。所以需要對電源的提供必須正確和穩(wěn)定可靠。方案1:用9V的鋅電源給前、后輪電機供電，然后使用7805穩(wěn)壓管來把高電壓穩(wěn)成 5V 分別給單片機和電機驅動芯片供電。這種接法比較簡單，但小車的電路功耗過大會導致后輪電機動力不足。方案2:采用雙電源。為了確保單片機控制部分和后輪電機驅動的部分的電壓不會互相 影響，要把單片機的供電和驅動電路分開來，即：用6節(jié)干電池7.2V來驅動電機芯片，然后用7805穩(wěn)壓管來穩(wěn)成5V供給單片機，后輪電機的電源用3V供電，這樣有助于消除電機干擾，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性?；谝陨戏治觯覀冞x擇了方案二。7 .最終方案二、系統(tǒng)總體設計：

9、1 .系統(tǒng)工作原理及功能簡介：本系統(tǒng)利用單片機 AT89S52單片機作為本系統(tǒng)的主控模 塊，該單片機可以將從傳感器的輸出信號得到外界的信息，然后在程序中控制單片機對電動車上的直流電機的輸出，從而實現電動車的前進以及轉彎等循跡行駛。2 .系統(tǒng)框架圖3 .理論分析與計算3 / 104 .系統(tǒng)主要模塊設計：(1)電源：為確保小車在行駛過程中各部件均能正常工作且相互之間不受影響，我們可使用了兩個電源為兩個主要模塊提供電壓。分別是由轉彎電機、 單片機和光電傳感器組成的總電路電源模塊以及后輪驅動電源模塊。(2)轉彎與路徑出錯識別：小車在行駛過程中會遇到以下兩種路況： 當小車由直道高速進入彎道時，轉角方向和

10、車速應根據彎道的曲率迅速做出相應的改變，原則是彎道曲率越大則方向變化角度越大。 當小車遇到十字交叉路段或是脫離軌跡等特殊情況時，智能車應當保持與上次正常情況一致的方向行駛。(3)光電傳感器：光電傳感分布格局：路徑識別方案：電開關脫離軌道時， 等待外面任意一只檢測到黑線后，做出相應的轉向調整，直到中間的光電開關重新檢測到黑線(即回到軌道)再恢復正向行駛。現場實測表明，雖然小車在尋跡過程中有一定的左右搖擺。但只要控制好行駛速度就可保證車身基本上接近于沿靠軌道行駛。四、系統(tǒng)硬件電路設計(1)系統(tǒng)整體電路圖如下：(2)光電傳感器電路(3)電源電路五、軟件代碼設計1.軟件算法設計：(1)傳感器數據處理及

11、尋跡程序總體流程：主程序主要起到一個導向和決策功能。其設計思路根據小車所處位置的不同，確定小車的任務。在黑線軌道上走直線時， 對傳感器的信號進行及時的判斷，左邊信號為零時控制電4 / 10機左轉，右邊為零時控制電機右轉。在彎道時，為了不沖出軌道，是左輪一直打偏，直到檢測到右邊信號為零時控制電機右轉，當右信號為1時，繼續(xù)使左輪一直偏。(2)具體流程分析：智能小車采用4個光學傳感器置于小車前部，以此判斷如何控制舵機轉向.程序不停判斷03傳感器的值，當SENSOR1=1 SENSOR0=時，小車為圖(I)情況，此時 應控制舵機向右轉，調用TurnRight() 函數；當SENSOR0=1 SENSO

12、R1=0f，小車為圖(II) 情況，此時應控制舵機向右轉，調用TurnLeft()函數.(I) (II)但由于傳感器比較靈敏，經實際測試，白色區(qū)域中可能存在雜色，傳感器有可能掃描到白 色區(qū)域中的黑色(如下圖)，為了避免判斷錯誤，再沒檢測到需要轉右或者轉左后 ，進行延時， 接著再次判斷此時傳感器情況 ，如果仍然為SENSOR1=K SENSOR0=0者SENSOR0=# SENSOR1=0)U可能判斷在黑色跑道上，接著調用轉右(轉左)函數.不過，仍然有一定幾率判 斷失誤，當延時后，傳感器剛好經過另一個雜色的情況，解決方法有待完善.當前后傳感器都為 1(黑)時(如下圖(III),則認為小車在黑色跑

13、道上，不需要進行轉向調RecoverBalance()函數，恢復平衡位置.當前后傳感器都為 0(白)時(如下圖(IV),則認為傳感器將離開跑道范圍 ，為了另小 車繼續(xù)延黑色跑道行走，程序中的pre_dir變量保存最近一次轉向方向(1為右，0為左)， 此時憑此變量來維持小車的轉向 .2 .主程序流程圖：3 .具體代碼分析：/宏定義電機、舵機的輸入端# define ELE_MACHINER1_IN1 P0_0/ 舵機輸入端口 1# define ELE_MACHINER1_IN2 P0_1 舵機輸入端口 2# define ELE_MACHINER1_EN P2_7/ 舵機使能端# /宏定義光電

14、傳感器元件0至3#define SENSOR_INPUT P2/光電傳感器總端口 (逆時針排序)5 / 10#define SENSOR0 P3_0/前傳感器0#define SENSOR1 P3_1/右傳感器1#define SENSOR2 P3_2/左傳感器2#define SENSOR3 P3_3/后傳感器3/*平衡函數*/void RecoverBalance()(ELE_MACHINER1_IN1 = 0;/ 控制舵機平衡ELE_MACHINER1_IN2 = 0;/*轉左函數*/void TurnLeft()(char i = 50;while(i-)(ELE_MACHINER1_

15、IN1 = 1;/ 控制舵機左轉ELE_MACHINER1_IN2 = 0;/*轉左函數*/void TurnRight()6 / 10char i = 50;while(i-)(ELE_MACHINER1_IN1 = 0;/ 控制舵機右轉ELE_MACHINER1_IN2 = 1;/*主函數*/void main(void)(uchar pre_dir=0;/保存先前轉向1為右,0為左system_initial();/系統(tǒng)開機初始化ELE_MACHINER1_IN1=0; / 舵機輸入端口 1ELE_MACHINER1_IN2=0; / 舵機輸入端口 2ELE_MACHINER1_EN=1

16、;/ 舵機使能端while(1)/* 循環(huán)判斷*/(*/*如果右傳感器為1 (黑)，且左傳感器為0 (白)，則可能需要向右轉if(SENSOR1 = 1 && SENSOR2 = 0)(delay(2); /*延時，再次判斷，防止賽道雜色*/if(SENSOR1 = 1 && SENSOR2 = 0)7 / 10TurnRight();/* 調用右轉函數 */pre_dir = 1;/* 將 pre_dir 置 1 (右)*/)*/*如果左傳感器為1 (黑)，且右傳感器為0 (白)，則可能需要向左轉else if(SENSOR2 = 1 && S

17、ENSOR1 = 0)(delay(2); /*延時，再次判斷，防止賽道雜色*/if(SENSOR2 = 1 && SENSOR1 = 0)(TurnLeft();/* 調用左轉函數 */pre_dir = 0;/* 將 pre_dir 置 0 (左)*/)/*如果前傳感器為1 (黑)，且后傳感器為1 (黑)，則小車在黑線路徑上, 不需要轉向*/else if(SENSOR0 = 1 && SENSOR3 = 1)(RecoverBalance();)/*如果前傳感器為0(白)，則可知前面彎度比較大或者小車已出黑線，則 根據先前轉向轉向*/else if(SEN

18、SOR0 = 0)8 / 10(if(pre_dir) /*定義變量pre_dir保存最近一次轉向方向*/(TurnRight();)else(TurnLeft();)六、系統(tǒng)功能測試測試設備：自制跑道、比賽方提供跑道、秒表、過程分析：基本功能，擴展功能及其他功能自制跑道測試：自制跑道完成時間車體總重出界次數電池電壓出現問題完成與否試驗一26.3S425g14.1在緊急彎上容易出界Y1式驗二27.1S455g24在緊急彎上容易出界Y試驗三27.9S485g23.8在緊急彎上容易出界Y試驗四26.5S450g23.7在緊急彎上容易出界Y試驗五未完成400g43.7出界后識別錯誤N自制跑道上的成功率為 80%測試表明在電量偏小，載重中等時成功率最好比賽使用跑道測試自制跑道完成時1可車體總重出界次數電池電壓出現問題完成與否9 / 10試驗一26.3S450g23.9在360度彎