超車智能小車報告

1、2011年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽智能小車（C題）【本科組】2013年7月26日10 / 14文檔可自由編輯打印摘 要 本系統(tǒng)采用2片STM單片機(jī)STM32作為核心處理芯片設(shè)計了兩輛履帶車。通過紅外線傳感器識別不同的黑線標(biāo)記，實(shí)現(xiàn)小車在軌道內(nèi)正常行駛，超聲波傳感器用于保持兩小車在超車前的距離，并保證正常行駛時，兩車不相撞。用NRF2401進(jìn)行兩小車通信；電動車采用直流減速電機(jī)履帶車，性能穩(wěn)定，控制精度高。采用模糊控制算法建立小車轉(zhuǎn)向模糊控制表，小車行進(jìn)中查詢模糊表來完成賽道行駛?cè)蝿?wù)。并添加了蜂鳴器及閃光二極管的聲光提示。關(guān)鍵字：STM32 紅外線傳感器 超聲波傳感器 NRF2401 模糊控制 A

2、bstract The system uses 2 STM microcontroller STM32 as the core processing chip design two car. Through the black mark infrared sensors to identify different, car driving normally in orbit, the ultrasonic sensor is used to keep two car in the overtaking distance, with the NRF2401 two car communicati

3、on; electric vehicles use DC motor speed tracked vehicle, stable performance, high control precision. Fuzzy control algorithm to build the car steering fuzzy control table, moving car in fuzzy query table to complete the track running tasks. Adding voice broadcast module, voice broadcast and recordi

4、ng.Keywords: STM32 infrared sensors ultrasonic sensors NRF2401目 錄1系統(tǒng)方案11.1 主控制器的論證與選擇1 1.2 路徑檢測模塊的論證與選擇1 1.3 電機(jī)的論證與選擇2 1.4 驅(qū)動模塊的論證與選擇2 1.5 測距通信模塊的論證與選擇2 1.6 顯示模塊的論證與選擇22 系統(tǒng)理論分析與計算2 2.1 模糊控制器的分析2 2.2通信定點(diǎn)的分析3 2.3 超車距離的計算33電路域程序設(shè)計4 3.1電路的設(shè)計4 3.1.1系統(tǒng)總體框圖4 3.1.2 路徑檢測子程序框圖與電路原理圖4 3.1.3 L298驅(qū)動子程序框圖與電路原理圖5

5、3.1.4 電源系統(tǒng)63.2程序的設(shè)計6 3.2.1程序功能描述及設(shè)計思路6 3.2.2程序流程圖64 測試方案與測試結(jié)果8 4.1測試方案8 4.2測試條件與測試儀器9 4.3測試結(jié)果及分析94.3.1測試結(jié)果（數(shù)據(jù)）94.3.2測試分析與結(jié)論95 設(shè)計總結(jié)106 參考文獻(xiàn)10附錄1：元器件清單11 智能小車（C題）【本科組】1系統(tǒng)方案 本系統(tǒng)主要由主控制器模塊、路徑檢測模塊、測距模塊、驅(qū)動模塊、聲光提示模塊、電源模塊組成，根據(jù)題目要求，系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)功能是甲乙兩車在已給出的跑道上各自正常行駛和交替超車領(lǐng)跑。整個跑道可分為直道、彎道、超車道三類區(qū)域。三類區(qū)域存在各自的特性，對小車行駛的難易考察

6、點(diǎn)就不同，關(guān)鍵在于小車針對不同類型跑道時檢測方法、傳感器的選取應(yīng)用和小車間的通信、協(xié)調(diào)。甲乙兩車在完成第一、二圈交替領(lǐng)跑后，第三、四圈的行駛則主要依靠小車系統(tǒng)的穩(wěn)定性保證實(shí)現(xiàn)。下面分別論證這幾個模塊的選擇。1.1 主控制器的論證與選擇傳統(tǒng)51單片機(jī)具有簡單，價格便宜等諸多特點(diǎn)。但其運(yùn)算能力較低，處理速度慢，功能相對單一，難實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的任務(wù)要求。STM32多達(dá)100個I/O端口,所有I/O口一塊映像到16個外部中斷；幾乎所有的端口均可容忍5V信號，適用于小車平臺。所以采用STM32作為2個小車的控制器。1.2 路徑檢測模塊的論證與選擇方案一：采用CCD傳感器，此種方法雖然能對路面信息進(jìn)行準(zhǔn)確完備

7、的反應(yīng)，但它存在信息處理滿，實(shí)時性差等缺點(diǎn)，因此若采用CCD傳感器，無疑會加重單片機(jī)的處理負(fù)擔(dān)，不利于實(shí)現(xiàn)更好的控制策略。方案二：光敏電阻。光敏電阻結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，但對于本系統(tǒng)的路徑檢測來說，其精度不夠高，不靈敏，無法迅速識別黑膠帶與木質(zhì)地板。方案三：光電開關(guān)。光電開關(guān)的精度和靈敏度都高于光敏電阻，通過LM393比較電路容易得到數(shù)字量。 綜合考慮選用4路光電傳感器作為路徑檢測模塊，該電路能實(shí)現(xiàn)小車在任何位置不駛出賽道。1.3 電機(jī)的論證與選擇 方案一：直流伺服電機(jī)。普通直流伺服電機(jī)控制簡單，利用雙極性PWM即可實(shí)現(xiàn)調(diào)速和正、反轉(zhuǎn)。但該類電機(jī)制動能力較差，需要閉環(huán)控制速度，安裝調(diào)試復(fù)雜。方案

8、二：步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)控制時序相對復(fù)雜，但步進(jìn)距離很小，保持力矩大，制動能力強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)電動車位移細(xì)分。但步進(jìn)電機(jī)速度只在一定范圍內(nèi)可調(diào)，且一般步進(jìn)電機(jī)在不旋轉(zhuǎn)時仍有若干相通電，功耗太大。方案三：直流減速電機(jī)。直流減速電機(jī)可靠耐用，控制簡單，承受過載能力高，功率可達(dá)95KW以上。能耗低，性能優(yōu)越，減速機(jī)效率高達(dá)95%以上。具有動力性能強(qiáng)、底盤穩(wěn)定性高、可原地轉(zhuǎn)圈、轉(zhuǎn)彎靈活等特點(diǎn)。是一款非常優(yōu)秀的嵌入式控制平臺。綜合考慮采用方案三。1.4 驅(qū)動模塊的論證與選擇 采用集成式全橋驅(qū)動芯片L298N。集成驅(qū)動芯片L298N內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動電路，可以方便的驅(qū)動兩個直流電機(jī)，輸出電流可高達(dá)2.5A，

9、可容易驅(qū)動電感性負(fù)載。驅(qū)動的電路結(jié)構(gòu)和原理簡單，加速能力強(qiáng)，采用由達(dá)林頓管組成的 H型橋式電路，用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)下，精確調(diào)整電動機(jī)轉(zhuǎn)速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高，H型橋式電路保證了簡單的實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制，電子管的開關(guān)速度很快，穩(wěn)定性也極強(qiáng)，是一種廣泛采用的PWM調(diào)速技術(shù)。L298N有過電流保護(hù)功能，當(dāng)出現(xiàn)電機(jī)卡死時，可以保護(hù)電路和電機(jī)。 所以選擇L298來驅(qū)動2個直流減速電機(jī)。1.5 測距避障模塊的論證與選擇 方案一：紅外測距。紅外傳感器可在無反光板和反射率低的情況下測量較遠(yuǎn)的距離。但相對測量范圍較短，且易受光線強(qiáng)弱的影響，不利于

10、本系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 方案二：超聲波測距。超聲波傳感器由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量。 綜合考慮采用方案二。1.6 顯示模塊的論證與選擇方案一：LED數(shù)碼管。雖然LED數(shù)碼管使用普遍，控制簡單，功耗低，但顯示位數(shù)少，并且占有I/O資源，無法滿足任務(wù)要求。方案二：LCD12864液晶顯示。LCD是目前較為廣泛的顯示方法，不僅顯示內(nèi)容多，而且控制方便，顯示清晰。特別適用于較大數(shù)據(jù)顯示和人機(jī)界面操作的場合。綜合考慮采用12864漢字圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊，它可以顯示漢字和圖形。2系統(tǒng)理論分析與計算2.1 模糊控制器的分析目標(biāo)路徑信息的獲取是基于光電開

11、關(guān)和超聲波傳感器來進(jìn)行的，通過光電開關(guān)和超聲波傳感器的狀態(tài)來對道路的主要信息進(jìn)行分析和提取。在分析智能小車運(yùn)動規(guī)律的基礎(chǔ)上，分別對小車的轉(zhuǎn)向和速度采用自適應(yīng)模糊控制算法，按照路徑跟蹤要求建立模糊控制規(guī)則并求出模糊控制表，根據(jù)已提取的道路信息查詢模糊控制表來對智能小車的轉(zhuǎn)向和速度進(jìn)行調(diào)整，使系統(tǒng)具有自適應(yīng)學(xué)習(xí)能力。智能小車模糊控制器的主要任務(wù)是當(dāng)紅外傳感器和超聲波傳感器探測到標(biāo)志物，模糊控制器根據(jù)探測到的信息,確定智能小車的位置、距離、方位,然后控制智能小車按預(yù)定的路徑和方位行走，接近于人類的判斷和反應(yīng)。模糊控制器的輸入為4個從左至右的光電傳感器的狀態(tài)，和超聲波傳感器的狀態(tài)，定義輸入變量集合為X

12、1，X2，X3，X4，X5；狀態(tài)變量集合為0,1，其中0表示有，1表示無；輸出響應(yīng)集合為左拐，直走，右拐，停2s。以上輸入變量均由紅外傳感器的狀態(tài)數(shù)據(jù)所確定,經(jīng)過模糊控制器的模糊化處理和模糊推理后,輸出動作行為結(jié)果,該動作行為結(jié)果的執(zhí)行是由子控制系統(tǒng)(電機(jī)控制器)執(zhí)行,最終的執(zhí)行者為電機(jī)。 圖1 模糊控制器結(jié)構(gòu)圖根據(jù)路徑的實(shí)際情況建立模糊規(guī)則如下：（包含時間順序）1、X1=0，X2=0，X3=0，X4=0，X5=0：直走2、X1=1，X2=0，X3=0，X4=0：X5=0：右拐3、X1=0，X2=0，X3=0，X4=1：X5=0: 左拐4、X1=0，X2=1，X3=1，X4=0：X5=0: 轉(zhuǎn)

13、彎標(biāo)志，左轉(zhuǎn)5、X1=0，X2=0，X3=0，X4=1：X5=0: 左轉(zhuǎn)，并沿黑線直走6、X1=0，X2=0，X3=0，X4=0：X5=1: 兩車間距小于20cm，停車2s 以上采用模糊控制方法,設(shè)計了一個簡單的模糊控制器,完成距離信息的模糊化和避障動作行為決策。小車在運(yùn)動的過程中,不斷地檢測右方、左方、前方的障礙物距離,根據(jù)所檢測到的數(shù)據(jù),利用模糊控制器計算出小車前進(jìn)的轉(zhuǎn)向角,并按照該角度前進(jìn)。2.2 通信定點(diǎn)分析 根據(jù)題目要求，該系統(tǒng)中甲乙兩車之間通信主要體現(xiàn)在三個方面： （1）出發(fā)時兩車約定同時出發(fā)。兩車在起點(diǎn)區(qū)域上電后，通過無線模塊相互完成應(yīng)答，約定同時出發(fā)。 （2）行駛?cè)^程中，防止

14、兩車碰撞。在車頭各自安裝1個超聲波傳感器，通過實(shí)測設(shè)定安全行駛間距。當(dāng)檢測到間距小于安全行駛間距，則產(chǎn)生危險信號，使后面的小車停下等待。當(dāng)兩車間距大于安全行駛，后車啟動。 （3）兩車在四圈行駛中，在超車區(qū)交替超車領(lǐng)跑。兩車在進(jìn)入超車區(qū)后通過無線模塊相互完成應(yīng)答，更新當(dāng)前行駛狀態(tài)。第一圈行駛中，甲車先進(jìn)入超車前，在向前行駛一段距離后停下等待，向乙車發(fā)送“可以進(jìn)行超車”信息。當(dāng)乙車完成超車后，繼續(xù)行駛并向甲車發(fā)送“超車完成，可以行進(jìn)”信息。第二圈中，乙車和甲車身份互換。第三、四圈類似進(jìn)行交替。2.3 超車距離的計算 車長25cm,寬18cm，在經(jīng)過超車標(biāo)志后，甲車?？?，乙車避過甲車超車，由于賽道寬

15、度有限，甲車轉(zhuǎn)彎過后不能停靠的太前，否則甲車無法正常超車。斜邊為車寬18cm，小車與水平30°角轉(zhuǎn)彎，則直角邊9cm，根據(jù)勾股定理，計算出甲車轉(zhuǎn)彎后至少再行駛cm，才能使乙車順利通過，為使系統(tǒng)穩(wěn)定，將超車距離定為10cm。3電路與程序設(shè)計3.1電路的設(shè)計3.1.1系統(tǒng)總體框圖系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。 圖2 系統(tǒng)總體框圖系統(tǒng)算法包括：車輛運(yùn)行、轉(zhuǎn)彎控制、超車控制、調(diào)試與設(shè)置3.1.2 路徑檢測子系統(tǒng)框圖與電路原理圖 采用四路ST188光電開關(guān)，原理圖如圖2，安裝示意圖如圖3。 圖3 光電開關(guān)原理 圖4 小車傳感器分布示意圖 注：紅外線傳感器 ：超聲波傳感器3.1.3 驅(qū)動子系統(tǒng)框圖與電

16、路原理圖1、L298驅(qū)動子系統(tǒng)框圖 圖5 驅(qū)動子系統(tǒng)框圖2、L298驅(qū)動子系統(tǒng)電路 圖6 驅(qū)動子系統(tǒng)電路3.1.4電源系統(tǒng)電源由穩(wěn)壓部分、濾波部分組成。L7805三端穩(wěn)壓將電池的7.8V降壓為5V，為整個系統(tǒng)提供工作電壓。由于電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)會導(dǎo)致電源出現(xiàn)5%的紋波抖動，故將電機(jī)電源和單片機(jī)、傳感器的供電分開，確保電路的正常穩(wěn)定工作。這部分電路比較簡單，都采用三端穩(wěn)壓管實(shí)現(xiàn)，故不作詳述。3.2程序的設(shè)計3.2.1程序功能描述與設(shè)計思路程序設(shè)計思路 圖7 跑道區(qū)域圖 為使小車能在準(zhǔn)確地在賽道指定地點(diǎn)完成相應(yīng)功能，軟件設(shè)計前按賽道特點(diǎn)將程序劃分為六個狀態(tài)。以STATE為使能標(biāo)志，在主程序中輪流檢測各個功能

17、模塊的使能標(biāo)志，通過使能標(biāo)志的轉(zhuǎn)換以達(dá)到輪流調(diào)用六個功能模塊的目的。當(dāng)?shù)阶詈笠粋€功能模塊操作完成后，復(fù)位使能標(biāo)志，程序回到起始位置，如此循環(huán)，周而復(fù)始。當(dāng)未到達(dá)超車區(qū)域時，甲乙兩車根據(jù)紅外傳感器收集路面信息，完成相應(yīng)行進(jìn)動作。同時，定時器分時調(diào)度超聲波測距功能與無線接收功能，以此進(jìn)行兩車信息交換。當(dāng)?shù)竭_(dá)超車區(qū)域時，甲車完成停車動作并通過無線模塊告知乙車，乙車便完成超車動作。3.2.2程序流程圖1、主程序流程圖 2、模塊1流程圖 3、模塊2,3,4流程圖 4、 模塊5超車流程圖 5、模塊5被超車部分4測試方案與測試結(jié)果4.1測試方案1、硬件測試主要用數(shù)字萬用表來測試分立元件的電阻、壓降、漏電流、

18、截止/導(dǎo)通狀態(tài)等參數(shù)；測量模塊板是否可行，電源是否穩(wěn)定。 2、軟件仿真測試本程序較大且復(fù)雜，因此采用C語言編寫，通過keil4軟件的不斷修改，采用自下而上的調(diào)試方法，先調(diào)試功能電路，再調(diào)試整個系統(tǒng)。在調(diào)試的過程中與硬件的調(diào)試相結(jié)合，提高了調(diào)試的效率。 3、硬件軟件聯(lián)調(diào)用米尺和軟件調(diào)速來不斷調(diào)整小車最佳路徑與速度，在保持系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，使全程行駛時間最短。4.2 測試條件與儀器測試條件：檢查多次，仿真電路和硬件電路與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊，供電電源穩(wěn)定。測試儀器：秒表，米尺，數(shù)字示波器，數(shù)字萬用表，直流穩(wěn)壓電源。4.3 測試結(jié)果及分析4.3.1測試結(jié)果(數(shù)據(jù))測試

19、圈數(shù)第一次所用時間s第二次所用時間s第三次所用時間s1（甲車基礎(chǔ)部分）28.428.028.12（乙車基礎(chǔ)部分）27.828.128.33（起點(diǎn)甲超車部分）44.044.544.14（起點(diǎn)乙超車部分）45.545.645.35（任意起點(diǎn)甲超車部分）44.945.645.86（任意起點(diǎn)乙超車部分）45.845.545.74.3.2測試分析與結(jié)論根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)，兩小車行駛時間大致相同，由此可以得出以下結(jié)論： 1、甲乙兩輛小車能夠完成3 個主要的測試內(nèi)容。從測試表記錄的數(shù)據(jù)來看，2 種情況下的運(yùn)動總時間并沒有什么明顯差別，說明該系統(tǒng)能夠很好適應(yīng)這兩種行駛。 2、以甲車行駛時間為參考，可以看出每圈的

20、時間無明顯差別，說明該系統(tǒng)每圈行駛中并無較大運(yùn)動誤差的積累，穩(wěn)定性良好。整圈時間中時間主要消耗在超車區(qū)，超車區(qū)除了路程較長外，運(yùn)動情況也較為復(fù)雜，是該題目的主要的考察點(diǎn)。 3、從此次測試可以看出，兩輛履帶小車行駛已具備良好的穩(wěn)定性，但從總時間來看，速度仍然不足。綜上所述，本設(shè)計達(dá)到設(shè)計要求。5 設(shè)計總結(jié)全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽給我們提供了一個培養(yǎng)創(chuàng)新、協(xié)作和鉆研精神的平臺，是大學(xué)生展現(xiàn)自己、積累經(jīng)驗的舞臺。激情創(chuàng)造，精彩無限！ 參加過電子設(shè)計競賽的人，都從中體會到了奮斗的快樂、團(tuán)隊力量的偉大和來自壓力的動力。電子設(shè)計競賽是一塊“試金石”，更是一個“練金場”。要想取得成功，需要有豐富的知識積累、靈

21、活的頭腦、堅強(qiáng)的意志、塌實(shí)肯干和永不放棄的精神。以下我在本次競賽中的體會和感想：一、態(tài)度 性格決定命運(yùn)，氣度影響格局，態(tài)度決定高度，細(xì)節(jié)決定成敗。對于電子競賽，我們應(yīng)該有正確的認(rèn)識，我們要以學(xué)知識為目的，拿獎為動力。只有我們有豐富的知識和經(jīng)驗的積累，才能在賽場上贏得勝利。培訓(xùn)到競賽是一個漫長的過程，期間心態(tài)很重要，會遇到很多問題，比如：做訓(xùn)練時不懂的知識，硬件、軟件調(diào)不出來，隊員之間的矛盾，外界壓力等，都需要我們?nèi)タ朔?。其中，最重要的是處理好隊員之間的矛盾和心態(tài)；不懂的知識可以去學(xué)習(xí)；硬件、軟件調(diào)不出來，只要有耐心，認(rèn)真分析就能找出原因； 阻礙我們發(fā)展的往往是自己心情，心胸開闊，善于接受意見和容忍別人的錯誤，才