arm智能小車設(shè)計(jì)方案

1、Arm智能小車設(shè)計(jì)說明書摘 要隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，關(guān)于汽車的研究也就越來越受人們的關(guān)注，而汽車的智能化已成為科技發(fā)展的新方向。本設(shè)計(jì)就是在這樣的背景下提出來的。此次設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易智能小車是基于arm11控制及傳感器技術(shù)的，實(shí)現(xiàn)的功能是小汽車可自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)(比如一個(gè)小球)，利用電兩個(gè)電機(jī)的差動(dòng)調(diào)節(jié), 控制電動(dòng)小汽車的自動(dòng)避障、尋光及自動(dòng)停車。通過攝像頭采集視野范圍圖像并對(duì)圖像處理進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別，并由arm系統(tǒng)來控制智能車的行駛狀態(tài)。.Arm智能小車設(shè)計(jì)說明書11.1智能小車的意義和作用 自第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人誕生以來,機(jī)器人的發(fā)展已經(jīng)遍及機(jī)械,電子,冶金,交通,宇航,國(guó)防等領(lǐng)域.近年來機(jī)器人的智能水平

2、不斷提高,并且迅速地改變著人們的生活方式.人們?cè)诓粩嗵接?改造,認(rèn)識(shí)自然的過程中,由此發(fā)展起來的智能小車引起了眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注和極大的興趣。智能小車，也就是輪式機(jī)器人，最適合在那些人類無法工作的環(huán)境中工作，該技術(shù)可以應(yīng)用于無人駕駛機(jī)動(dòng)車，無人生產(chǎn)線，倉(cāng)庫(kù)，服務(wù)機(jī)器人，航空航天等領(lǐng)域。作為20世紀(jì)自動(dòng)化領(lǐng)域的重大成就，機(jī)器人已經(jīng)和人類社會(huì)的生產(chǎn)、生活密不可分。因此為了使智能小車工作在最佳狀態(tài)，進(jìn)一步研究及完善其速度和方向的控制是非常有必要的。智能小車要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)尋跡功能和避障功能就必須要感知導(dǎo)引線和障礙物,感知導(dǎo)引線相當(dāng)給機(jī)器人一個(gè)視覺功能.避障控制系統(tǒng)是基于自動(dòng)導(dǎo)引小車(avgauto-gui

3、de vehicle)系統(tǒng),基于它的智能小車實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別路線,判斷并自動(dòng)避開障礙,選擇正確的行進(jìn)路線.使用傳感器感知路線和障礙并作出判斷和相應(yīng)的執(zhí)行動(dòng)作.該智能小車可以作為機(jī)器人的典型代表.它可以分為三大組成部分:傳感器檢測(cè)部分,執(zhí)行部分,cpu.機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障功能,還可以擴(kuò)展循跡等功能,感知導(dǎo)引線和障礙物.可以實(shí)現(xiàn)小車自動(dòng)識(shí)別路線,選擇正確的行進(jìn)路線,并檢測(cè)到障礙物自動(dòng)躲避.考慮使用價(jià)廉物美的紅外反射式傳感器來充當(dāng).智能小車的執(zhí)行部分,是由直流電機(jī)來充當(dāng)?shù)?主要控制小車的行進(jìn)方向和速度.單片機(jī)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)一般有兩種方案:第一,勿需占用單片機(jī)資源,直接選擇有pwm功能的單片機(jī),這樣可以實(shí)

4、現(xiàn)精確調(diào)速;第二,可以由軟件模擬pwm輸出調(diào)制,需要占用單片機(jī)資源,難以精確調(diào)速,但單片機(jī)型號(hào)的選擇余地較大.考慮到實(shí)際情況, cpu使用AT89c52單片機(jī),配合軟件編程實(shí)現(xiàn). 1.2智能小車的現(xiàn)狀現(xiàn)智能小車發(fā)展很快,從智能玩具到其它各行業(yè)都有實(shí)質(zhì)成果.其基本可實(shí)現(xiàn)循跡,避障,檢測(cè)貼片,尋光入庫(kù),避崖等基本功能,現(xiàn)在大學(xué)電子設(shè)計(jì)大賽智能小車又在向聲控系統(tǒng)發(fā)展.比較出名的飛思卡爾智能小車更是走在前列。2方案設(shè)計(jì)與論證根據(jù)題目的要求，確定如下方案：首先設(shè)計(jì)出小車的基本模形以及傳動(dòng)方案，并在車上加裝攝像頭，并將采集圖像數(shù)據(jù)傳送至arm系統(tǒng)進(jìn)行處理，然后由arm根據(jù)所檢測(cè)的各種數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車的智能

5、控制。這種方案能實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，控制靈活、可靠，精度高，可滿足對(duì)系統(tǒng)的各項(xiàng)要求。2.1 模塊方案比較及論證 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，我們的目標(biāo)識(shí)別小車主要由六個(gè)模塊構(gòu)成：車體框架、電源及穩(wěn)壓模塊、主控模塊、探測(cè)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊組成。2.2 車體設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)車體框架時(shí)，我們有兩套起始方案，自己設(shè)計(jì)畫出小車的模型和直接購(gòu)買玩具電動(dòng)車改裝。 方案一：用現(xiàn)有的小車改裝 電動(dòng)小車價(jià)格低廉，有完整的驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)和控制單元，其中傳動(dòng)裝置是我們所需的。但玩具電動(dòng)車采用普通直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，帶負(fù)載能力差，調(diào)速方面對(duì)程序要求較高。同時(shí)，玩具電動(dòng)車轉(zhuǎn)向依靠前輪電機(jī)帶動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向完成，精度低，又由于本次畢業(yè)設(shè)計(jì)只是

6、理上研究，和鞏固已學(xué)過的 相關(guān)知識(shí)，如果購(gòu)買小車會(huì)自帶程序和一些圖及參數(shù)，容易產(chǎn)生惰性。所以購(gòu)買小車做實(shí)物的價(jià)值不大，因些我們放棄這一方案。方案二：自己設(shè)計(jì)制作車架 自己設(shè)計(jì)小車底盤，用兩個(gè)直流減速電機(jī)作為主動(dòng)輪，利用兩電機(jī)的轉(zhuǎn)速差完成直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、左后轉(zhuǎn)、右后轉(zhuǎn)、倒車等動(dòng)作。減速電機(jī)扭矩大，轉(zhuǎn)速較慢，易于控制和調(diào)速。而且自己制作小車框架，可以根據(jù)電路板及傳感器安裝需求設(shè)計(jì)空間，使得車體美觀緊湊。通過pro/e設(shè)計(jì)相關(guān)的的小車模型，以便更直觀的看到小車的運(yùn)動(dòng)原理和傳動(dòng)方案，所以綜上我們選擇方案二。如圖2-2所示。圖2-2 小車模型設(shè)計(jì)2.3 電源及穩(wěn)壓模塊 方案一：采用交流電經(jīng)直流穩(wěn)壓處理

7、后供電 采用交流電提供直流穩(wěn)壓電源，電流驅(qū)動(dòng)能力及電壓穩(wěn)定性最好，且負(fù)載對(duì)電源影響也最小。由于需要電線對(duì)小車供電，極大影響了壁障小車行動(dòng)的靈活性及地形的適應(yīng)能力。而且壁障小車極易把拖在地上的電線識(shí)別為障礙物，人為增加了不必要的障礙。故我們放棄了這一方案。 方案二：采用蓄電池供電 蓄電池具有較強(qiáng)的電流驅(qū)動(dòng)能力和較好的電壓穩(wěn)定性能，且成本低廉?？刹捎眯铍姵亟?jīng)7812芯片穩(wěn)壓后給電機(jī)供電，再經(jīng)過降壓接7805芯片給單片機(jī)及其他邏輯單元供電。但蓄電池體積相對(duì)龐大，且重量過大，造成電機(jī)負(fù)載過大，不適合我們采用的小車車架（玩具電動(dòng)車車架）。故我們放棄了這一方案。 方案三：采用干電池組進(jìn)行供電 采用四節(jié)干電

8、池降壓至5V后給單片機(jī)及其他邏輯單元供電，另取六節(jié)干電池為電機(jī)及光電開關(guān)供電。這樣電機(jī)啟動(dòng)及制動(dòng)時(shí)的短暫電壓干擾不會(huì)影響到邏輯單元和單片機(jī)的工作。干電池用電池盒封裝，體積和重量較小，同時(shí)玩具車底座可以安裝四節(jié)干電池，正好可為單片機(jī)及其他邏輯單元供電。在穩(wěn)壓方面，起始時(shí)考慮使用7805芯片對(duì)6V的電池電壓進(jìn)行降壓穩(wěn)壓。但考慮到這樣使得7805芯片消耗大量能量，降低電池壽命；同時(shí)，由于at89c52、光電開關(guān)、小車電機(jī)對(duì)于供電電壓要求并不苛刻，故我們將6V電池電壓接一個(gè)二極管降壓后直接給單片機(jī)及其他邏輯單元供電。而電機(jī)和光電開關(guān)的電源不做穩(wěn)壓處理。這樣只需在小車遙控上加兩個(gè)調(diào)速按鈕，根據(jù)電池電量選

9、擇合適功率即可，甚至于可直接在軟件里設(shè)置自動(dòng)換擋。綜合考慮，我們采用方案三。 圖2-3 電源模塊設(shè)計(jì)2.4 主控模塊 飛凌OK6410開發(fā)板采用“核心板+底板”結(jié)構(gòu)，板對(duì)板之間選用高質(zhì)量進(jìn)口連接器，堅(jiān)固耐用，鍍金工藝可保證其常年運(yùn)行不氧化。為保證用戶自行設(shè)計(jì)的產(chǎn)品品質(zhì)，采用6410核心板的用戶可以免費(fèi)得到四組底板插座。核心板尺寸僅5CM*6CM（業(yè)內(nèi)最小?。瞿_多達(dá)320個(gè)；帶有CVBS輸出（內(nèi)部有16Mbit獨(dú)立視頻緩存）。軟件支持Linux、 WinCE、Android、uC/OS-II（獨(dú)家提供）等主流操作系統(tǒng)。該產(chǎn)品在-20到80范圍的高低溫運(yùn)行測(cè)試中運(yùn)行良好，并通過脈沖群以及浪涌

10、干擾測(cè)試。2.5探測(cè)模塊 利用小車安裝位置較高的攝像頭，通過linux系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)調(diào)用攝像頭并采集圖像數(shù)據(jù)。由arm對(duì)采集的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，判斷目標(biāo)的位置，控制小車向目標(biāo)移動(dòng)。2.6 電機(jī)選擇及驅(qū)動(dòng)模塊本系統(tǒng)為智能小車，對(duì)于智能小車來說，其驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇就顯得十分重要。由于本實(shí)驗(yàn)要實(shí)現(xiàn)對(duì)路徑控制定位和速度測(cè)量不是要求太高，精度也不是太高，所以我們綜合考慮了一下兩種方案。方案1：采用步進(jìn)電機(jī)作為該系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。由于其轉(zhuǎn)過的角度可以精確的定位，可以實(shí)現(xiàn)小車前進(jìn)路程和位置的精確定位。雖然采用步進(jìn)電機(jī)有諸多優(yōu)點(diǎn)，步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩較低，隨轉(zhuǎn)速的升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降，其轉(zhuǎn)速較低，

11、不適用于小車等有一定速度要求的系統(tǒng)，經(jīng)綜合比較考慮，我們放棄了此方案。方案2：采用直流電機(jī)。直流減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大，體積小，重量輕，裝配簡(jiǎn)單，使用方便。遙控車馬達(dá)/小直流電機(jī)電機(jī) RF-500TB-ZD供電電壓 ：直流DC3-9V，轉(zhuǎn)速2400r/m是自制玩具車等模型理想選擇。能夠較好的滿足系統(tǒng)的要求，因此我們選擇了此方案。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊方案一：使用分立原件搭建電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 使用分立原件搭建電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路造價(jià)低廉，在大規(guī)模生產(chǎn)中使用廣泛。但分立原件H橋電路工作性能不夠穩(wěn)定，較易出現(xiàn)硬件上的故障，故我們放棄了這一方案。 方案二：使用L298N芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī) L298N是一個(gè)具有高電壓大電流的

12、全橋驅(qū)動(dòng)芯片，它相應(yīng)頻率高，一片L298N可以分別控制兩個(gè)直流電機(jī)，而且還帶有控制使能端。用該芯片作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。輸出電壓最高可達(dá)50V，可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機(jī)的IO口提供信號(hào)，而且?guī)в惺鼓芏?，方便PWM調(diào)速，電路簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，使用比較方便。L298N芯片可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)二相電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)四相電機(jī)，正好符合我們小車兩個(gè)二電機(jī)的驅(qū)動(dòng)要求。 綜合考慮，我們采用L298N芯片驅(qū)動(dòng)小車電機(jī)。 控制示意圖如圖2-6所示。保護(hù)電路L298驅(qū)動(dòng)芯片+9直流供電電源電機(jī)電機(jī)+5V直流供電電源保護(hù)電路單片機(jī)指令總線 圖2-6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)框圖2.7 直流調(diào)速

13、設(shè)計(jì)、基于晶閘管作為主電路的調(diào)速系統(tǒng)晶閘管的調(diào)速系統(tǒng)是采用分離元件設(shè)計(jì)的調(diào)速系統(tǒng)占用的空間大，控制角難于調(diào)整，且模擬器件的固有缺陷如：溫漂、零漂電壓等，導(dǎo)致電機(jī)的調(diào)速無法達(dá)到滿意的結(jié)果。晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難，性能較差，自動(dòng)化控制程度差，調(diào)速過程較為復(fù)雜，不利于工業(yè)生產(chǎn)和小功率電路中采用。另一問題是當(dāng)晶閘管導(dǎo)通角很小時(shí)，系統(tǒng)的功率因素很低，并產(chǎn)生較大的諧波電流，從而引起電網(wǎng)電壓波動(dòng)殃及同電網(wǎng)中的用電設(shè)備，造成“電力公害”。 、基于PWM為主控電路的調(diào)速系統(tǒng) 與傳統(tǒng)的直流調(diào)速技術(shù)相比較，PWM(脈寬調(diào)制技術(shù))直流調(diào)速系統(tǒng)具有較大的優(yōu)越性：主電路線路簡(jiǎn)單，需

14、要的功率元件少；開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗和發(fā)熱都較??；低速性能好，穩(wěn)速精度高，因而調(diào)速范圍寬；系統(tǒng)頻帶寬，快速響應(yīng)性能好，動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)；主電路元件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，裝置效率高。PWM信號(hào)的產(chǎn)生通常有兩種方法:一種是軟件的方法；另一種是硬件的方法?；贜E555，SG3525等一系列的脈寬調(diào)速系統(tǒng)：此種方式采用NE555作為控制電路的核心，用于產(chǎn)生控制信號(hào)。NE555產(chǎn)生的信號(hào)要通過功率放大才能驅(qū)動(dòng)后級(jí)電路8。NE555、SG3525構(gòu)成的控制電路較為復(fù)雜，且智能化、自動(dòng)化水平較低，在工業(yè)生產(chǎn)中不利于推廣和應(yīng)用?；趩纹瑱C(jī)類由軟件來實(shí)現(xiàn)PWM：在PWM調(diào)速系統(tǒng)中占

15、空比D是一個(gè)重要參數(shù)在電源電壓不變的情況下，電樞端電壓的平均值取決于占空比D的大小，改變D的值可以改變電樞端電壓的平均值從而達(dá)到調(diào)速的目的。改變占空比D的值有三種方法：A、定寬調(diào)頻法：保持不變，只改變t，這樣使周期(或頻率)也隨之改變。B、調(diào)寬調(diào)頻法：保持t不變，只改變，這樣使周期(或頻率)也隨之改變。C、定頻調(diào)寬法：保持周期T(或頻率)不變，同時(shí)改變和t前兩種方法在調(diào)速時(shí)改變了控制脈沖的周期(或頻率)，當(dāng)控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時(shí)，將會(huì)引起振蕩，因此常采用定頻調(diào)寬法來改變占空比從而改變直流電動(dòng)機(jī)電樞兩端電壓。利用單片機(jī)的定時(shí)計(jì)數(shù)器外加軟件延時(shí)等方式來實(shí)現(xiàn)脈寬的自由調(diào)整，此種方式可簡(jiǎn)

16、化硬件電路，操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)?？傊?，PWM既經(jīng)濟(jì)、節(jié)約空間、抗噪性能強(qiáng)，是一種值得廣大工程師在許多設(shè)計(jì)應(yīng)用中使用的有效技術(shù)。且用軟件實(shí)現(xiàn)非常容易。2.7.1小車差速運(yùn)動(dòng)模型的建立本設(shè)計(jì)中，采用的四輪結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用兩輪差速驅(qū)動(dòng)方式，后兩個(gè)為從動(dòng)輪，只起到支撐平衡作用，在建模中可以忽略。假定左右兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪與地面之間沒有滑動(dòng)，也沒有側(cè)移，只是做純粹的滾動(dòng)，則機(jī)器人滿足鋼體運(yùn)動(dòng)規(guī)律14。圖2-7所示XW,YW,O為世界坐標(biāo)系，X,Y,O為移動(dòng)坐標(biāo)系，PX為機(jī)器人前進(jìn)方向。圖2-7 小坐標(biāo)系移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)主要處理控制參數(shù)和系統(tǒng)在狀態(tài)空間的運(yùn)動(dòng)兩者之間的關(guān)系，它包括正運(yùn)動(dòng)學(xué)和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)兩個(gè)方面。正運(yùn)動(dòng)學(xué)

17、解決如何根據(jù)移動(dòng)機(jī)器人的速度來計(jì)算它的位姿或運(yùn)動(dòng)軌跡，當(dāng)機(jī)器人的位姿（x，y，）時(shí)，差動(dòng)輪式機(jī)器人的正運(yùn)動(dòng)學(xué)就是利用這連個(gè)差動(dòng)輪的速度（，）來計(jì)算其位姿，通用公式計(jì)算如下 (2-1) (2-2) (2-3)其中， 和分別為左右輪的驅(qū)動(dòng)速度，是兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪之間的距離，為移動(dòng)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)輪半徑；移動(dòng)機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解決如何控制輪子的速度以達(dá)到移動(dòng)機(jī)器人所需的運(yùn)動(dòng)軌跡或位姿，即在已知位姿（x，y，）時(shí)，如果根據(jù)以上公式，求出兩輪差動(dòng)速度（，）。由于差動(dòng)輪式驅(qū)動(dòng)屬于非完整性約束問題，故移動(dòng)機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)只有在特殊條件下求解，其解往往不唯一，根據(jù)系統(tǒng)的需求，本文對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析按兩種情況分別進(jìn)行。直

18、線運(yùn)動(dòng)當(dāng)差動(dòng)輪式移動(dòng)機(jī)器人左右兩輪的速度大小相等且方向相同時(shí)，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡為直線，所圖2-8所示。圖2-8 直線運(yùn)動(dòng)原理圖設(shè)t=0時(shí)，機(jī)器人移動(dòng)坐標(biāo)系X0，Y0，P0與世界坐標(biāo)系XW,YW,O重合，經(jīng)過時(shí)間后機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到新的移動(dòng)坐標(biāo)系Xt，Yt，Pt，當(dāng)機(jī)器人左右兩輪的速度大小相等且方向相同(即=)時(shí)由公式(2-3)有：將其代入公式（2-1）（2-2）得：x(t)= ×t (2-4)y(t)=0 (2-5)由和(2-4) (2-5)式可知：機(jī)器人左右兩輪的速度大小相等而方向相同時(shí)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡為直線。、圓弧運(yùn)動(dòng) 當(dāng)差動(dòng)輪式機(jī)器人左右兩輪的運(yùn)動(dòng)方向相同速度大小保持不變且差速度固定

19、不變時(shí)，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡為圓弧。設(shè)t=0時(shí)，機(jī)器人移動(dòng)坐標(biāo)系X0，Y0，P0與世界坐標(biāo)系XW,YW,O重合，經(jīng)過時(shí)間后機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到新的移動(dòng)坐標(biāo)系Xt，Yt，Pt，如圖：2-9圓弧運(yùn)動(dòng)原理圖當(dāng)機(jī)器人左右兩輪的速度差恒定，且方向保持不變時(shí)，由公式(2-3)有： (2-6)將和代入公式(6-1) 有： (2-7)求定積分得： (2-8)將和代入公式(2-2) 有： (2-9)由公式（2-9）有： (2-10)由公式（2-10）有： (2-11) (2-12)由上可知，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡為一圓弧，將上式轉(zhuǎn)化為圓的標(biāo)準(zhǔn)方程：由式（2-11）、（2-12）可知，當(dāng)機(jī)器人左右兩輪的運(yùn)動(dòng)方向相同、速度大小保持不變且速度固定不變時(shí)，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡為圓弧。圓心在世界坐標(biāo)系YW的軸上。其圓心坐標(biāo)為：(0,), 圓弧半徑為：當(dāng)機(jī)器人右輪速度大于左輪速度時(shí)，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡在世界坐標(biāo)系的一、二象限；當(dāng)機(jī)器人右輪速度