智能小車(chē)尋跡論文

1、緒論在當(dāng)前的這個(gè)環(huán)境，隨著不斷進(jìn)步的生產(chǎn)技術(shù)，各個(gè)企業(yè)對(duì)自動(dòng)化技術(shù)的要求也是越來(lái)越高。智能車(chē)輛或者與智能車(chē)輛相關(guān)的產(chǎn)品已經(jīng)開(kāi)始成為各種自動(dòng)化系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，這其中主要包括了物流、運(yùn)輸?shù)认到y(tǒng)。所以，智能車(chē)輛被越來(lái)越多的人們所關(guān)注，同時(shí)，也有越來(lái)越多的國(guó)家開(kāi)始對(duì)智能車(chē)輛的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)進(jìn)行積極的研究。智能小車(chē)是一個(gè)典型的高科技綜合系統(tǒng)。智能小車(chē)包含了多種高新科技的系統(tǒng)，而這些系統(tǒng)又運(yùn)用了更多的高新技術(shù)，其中包括了對(duì)環(huán)境的探測(cè)、傳感，對(duì)運(yùn)行路線的決策、計(jì)算，以及信息通訊和自動(dòng)控制行駛等多種功能。簡(jiǎn)單的來(lái)講，智能小車(chē)就是將雙腿變成了的多個(gè)輪子的移動(dòng)機(jī)器人。所以，智能小車(chē)在機(jī)械和電路的設(shè)計(jì)方面，都要比其他智

2、能機(jī)器人的運(yùn)行也更穩(wěn)定，也更加簡(jiǎn)單。另外，由于智能小車(chē)的優(yōu)點(diǎn)就在于控制簡(jiǎn)便，運(yùn)行穩(wěn)定，所以對(duì)智能小車(chē)的行駛的速度與方向之間的配合就有比較嚴(yán)格的要求。首先，小車(chē)可以通過(guò)傳感器來(lái)獲取當(dāng)前道路狀況，然后將傳感器獲取到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)教幚砥?，處理器再結(jié)合小車(chē)當(dāng)前的行駛狀態(tài)，迅速地進(jìn)行計(jì)算，對(duì)小車(chē)的行駛的方向和行車(chē)的速度進(jìn)行快速的調(diào)整改變，進(jìn)而對(duì)目標(biāo)道路進(jìn)行迅速準(zhǔn)確的跟蹤。1. 開(kāi)發(fā)概述1.1 研究現(xiàn)狀移動(dòng)機(jī)器人出現(xiàn)于20世紀(jì)06年代，當(dāng)時(shí)斯坦福研究院(SRI)的Nils Nilssen和charles Rosen等人，在1966年至1972年中研制出了取名shakey的自主式移動(dòng)機(jī)器人，目的是將人工智能技

3、術(shù)應(yīng)用在復(fù)雜環(huán)境下，完成機(jī)器人系統(tǒng)的自主推理、規(guī)劃和控制1。從此，移動(dòng)機(jī)器人作為機(jī)器人學(xué)中的一個(gè)重要分支,從無(wú)到有，數(shù)量開(kāi)始不斷的增多。在目前的環(huán)境下，由于企業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)在不斷進(jìn)步，對(duì)自動(dòng)化技術(shù)的要求也在一直的加深，在未來(lái)工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，智能小車(chē)系統(tǒng)將會(huì)扮演重要的角色，智能小車(chē)將會(huì)在人們的視野中出現(xiàn)地越來(lái)越頻繁。1.2 選題意義隨著科技的不斷發(fā)展，人們也越發(fā)的開(kāi)始關(guān)注一些研發(fā)人工智能產(chǎn)品的情況。智能小車(chē)可以在各種條件惡劣的情況下代替人們進(jìn)行一些復(fù)雜的任務(wù)，例如排雷防爆，礦區(qū)檢測(cè)，狹窄的地方進(jìn)行貨物搬運(yùn)等。正是由于這種智能小車(chē)設(shè)備有非常多的運(yùn)用前景，所以對(duì)智能小車(chē)的進(jìn)行尋跡避障的研究設(shè)計(jì)就

4、是目前首要的目標(biāo)，因?yàn)樾≤?chē)需要正確的在規(guī)定的路線中行進(jìn)并執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)。1.3 研究任務(wù)本設(shè)計(jì)是一種以STC15芯片為控制核心的自動(dòng)尋跡小車(chē)系統(tǒng)。L298驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)單片機(jī)產(chǎn)生的PWM波來(lái)控制小車(chē)速度。利用LDC1000傳感器對(duì)路面鐵絲軌道進(jìn)行分析檢測(cè),并將路面檢測(cè)到的信號(hào)實(shí)時(shí)反饋給單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)采集到的信號(hào)予以分析判斷,及時(shí)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)以調(diào)整小車(chē)轉(zhuǎn)向,從而使小車(chē)能夠沿著鐵絲軌跡自動(dòng)行駛4。本設(shè)計(jì)還附帶了按鍵功能，可以對(duì)LDC1000閾值及小車(chē)的啟停等功能進(jìn)行設(shè)置。1.4 基本要求設(shè)計(jì)并制作一個(gè)可以自動(dòng)循跡的小車(chē)。循跡傳感器自選，在規(guī)定的平面跑道自動(dòng)按順時(shí)針?lè)较蜓E前進(jìn)。跑道的標(biāo)示為一根0.

5、9cm左右的細(xì)鐵絲，用透明膠帶將其粘貼在跑道上。跑道尺寸見(jiàn)圖1，跑完一圈不得超過(guò)10分鐘，小車(chē)運(yùn)行時(shí)必須保持鐵絲在車(chē)身垂直投影下，實(shí)時(shí)顯示小車(chē)運(yùn)行時(shí)間和距離。圖1鐵絲軌道圖1.5本文工作及內(nèi)容安排第一章介紹了小車(chē)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀，闡明了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的目的和意義，概述了本文的主要工作。第二章主要簡(jiǎn)單介紹了各個(gè)模塊的論證方法，對(duì)系統(tǒng)有個(gè)整體框架。第三章介紹了電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、LDC1000傳感器模塊和電源模塊的硬件部分。第四章介紹了軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序控制，LDC1000傳感器程序控制，PID算法，行駛距離的計(jì)算。同時(shí)闡述了在主函數(shù)與中斷中，將各個(gè)模塊整合的方法。第五章介紹了此設(shè)計(jì)的最終測(cè)試的方法與測(cè)試

6、的結(jié)果。2. 模塊方案論證2.1 概述本設(shè)計(jì)基于閉環(huán)測(cè)量、控制的原理，通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控小車(chē)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，然后將檢測(cè)信號(hào)傳輸?shù)教幚砥?。同時(shí)，處理器對(duì)檢測(cè)的信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，并產(chǎn)生合適的脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號(hào)，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)是通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路接收到的PWM信號(hào)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制的。最后實(shí)現(xiàn)小車(chē)的前進(jìn)后退、左右拐彎、自動(dòng)探尋道路并定位，同時(shí)必要信息等功能。2.2 模塊的論證根據(jù)題目設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)是小車(chē)通過(guò)金屬絲軌道進(jìn)行自動(dòng)循跡的系統(tǒng)，其中系統(tǒng)整體包括小車(chē)的設(shè)計(jì)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，傳感器模塊，運(yùn)行距離處理模塊，微處理器模塊，按鍵模塊，顯示模塊和電源模塊。小車(chē)的比較與選擇根據(jù)設(shè)計(jì)要求，小車(chē)需要通過(guò)多個(gè)彎道，對(duì)車(chē)輛的

7、平衡性，穩(wěn)定性有較高的要求，采用兩輪驅(qū)動(dòng)的小車(chē)，轉(zhuǎn)彎角度可以很好的控制，但是驅(qū)動(dòng)力弱，平穩(wěn)性差。采用四輪驅(qū)動(dòng)的小車(chē)，驅(qū)動(dòng)力強(qiáng)，平穩(wěn)性好，能在復(fù)雜的路況上有很好的表現(xiàn)。雖然兩輪驅(qū)動(dòng)的小車(chē)更加利于在彎道的控制，但是不適用于所有的路況，所以我們將小車(chē)設(shè)計(jì)為四輪驅(qū)動(dòng)。電動(dòng)機(jī)的比較與選擇作為小車(chē)的主要?jiǎng)恿ρb置，電動(dòng)機(jī)的選擇主要有無(wú)刷直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)兩種。步進(jìn)電機(jī)是以步階方式分段移動(dòng)，直流電機(jī)和無(wú)刷直流電機(jī)通常采用連續(xù)移動(dòng)的控制方式5。所以步進(jìn)電機(jī)對(duì)速度和移動(dòng)距離的控制更加精確，但是移動(dòng)速度相對(duì)緩慢，而無(wú)刷直流電機(jī)的速度快，但是控制困難?？紤]到小車(chē)對(duì)于速度的要求大于控制的要求，所以我們選擇無(wú)刷直流電機(jī)，

8、在控制方面通過(guò)將程序的控制算法做得更加完善來(lái)彌補(bǔ)無(wú)刷直流電機(jī)控制的不足。2.2.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的比較與選擇電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路主要是通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)來(lái)控制小車(chē)的前進(jìn)和后退，以及小車(chē)左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，所以電機(jī)驅(qū)動(dòng)也是智能小車(chē)的模塊中重要的組成之一。而對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的選擇有兩種方案。方案一：采用由H橋（分立的三極管元件組成）構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)。此種方案對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的方向和速度的控制利用PWM波調(diào)速的電路實(shí)現(xiàn)。可是采用的H橋是由分立的元件組成的電機(jī)邏輯驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電路的穩(wěn)定性容易變差，并且價(jià)格也不便宜。方案二：采用雙橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)的芯片L298。L298是一款由雙橋結(jié)構(gòu)的直流、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，并且集成度較高。同時(shí)，L2

9、98芯片還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)直流電機(jī)進(jìn)行同時(shí)驅(qū)動(dòng)和控制。通過(guò)比較兩種方案，L298電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路相對(duì)于由分立元件三極管組成的H橋的驅(qū)動(dòng)，具有使用元件少,可靠性不僅高，而且控制和操作可以更加模塊化,并且L298芯片的價(jià)格低。所以，作為循跡小車(chē)的驅(qū)動(dòng)芯片，L298芯片更加適合。傳感器的比較與選擇低成本的OHMIC開(kāi)關(guān)傳感器在灰塵等惡劣環(huán)境下不可靠，F(xiàn)SR壓力傳感器分辨率有限、不適合遙感、成本稍高，高端一些的超成波傳感器不適合短距離傳感，電容式傳感器靈敏度高可針對(duì)被選擇物的選擇性不高，HALL傳感器存在精度問(wèn)題、需要磁體和校準(zhǔn)，光學(xué)傳感器在惡劣環(huán)境下不可靠，這些傳感器都或多或少存在這樣和那樣的缺點(diǎn)7。而由

10、德州儀器生產(chǎn)的LDC1000性能優(yōu)越，無(wú)論低成本PCB線跡，或者是普通的金屬塊，甚至是人體的傳感，LDC1000可以迅速檢測(cè)并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)教幚砥黠@示出精確的結(jié)果。所以我們選擇LDC1000作為循跡小車(chē)的金屬傳感器。2.2.5處理器芯片的比較與選擇關(guān)于處理器則有多種選擇方案。首先，采用傳統(tǒng)的C51單片機(jī)。C51單片機(jī)通用靈活，價(jià)格低廉，使用方便，但此C51的芯片是比較老的芯片，對(duì)于大量的數(shù)據(jù)處理能力較弱。第二，采用更加高級(jí)的STM32芯片。STM32芯片集成了絕大部分工控領(lǐng)域所需要的功能模塊，官方也提供了大量的庫(kù)函數(shù)，工作速度快，處理數(shù)據(jù)能力強(qiáng)。最后，采用STC15單片機(jī)芯片。STC15單片機(jī)計(jì)

11、算性能強(qiáng)勁，可以簡(jiǎn)單靈便的對(duì)軟件進(jìn)行編程，可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種邏輯控制功能，而且可以實(shí)現(xiàn)最多6路PWM輸出，自帶晶振，更加利于控制小車(chē)的驅(qū)動(dòng)。更加重要的是，STC15單片機(jī)加密性強(qiáng)，超強(qiáng)的抗干擾能力，可以試用于各種惡劣的環(huán)境，并且功耗更低。綜合考慮，由于使用STM32芯片會(huì)造成資源浪費(fèi)，所以我們選擇更加適合小車(chē)控制的STC15單片機(jī)作為小車(chē)的處理器芯片。2.3 小車(chē)功能實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)與分析如何設(shè)計(jì)小車(chē)的運(yùn)動(dòng)方式是非常重要的。因?yàn)樾≤?chē)的運(yùn)動(dòng)方式就決定了小車(chē)對(duì)鐵絲軌道的探測(cè)，前進(jìn)的控制，以及顯示小車(chē)行駛距離和時(shí)間等基本要求。整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)基于單片機(jī)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。首先，小車(chē)需要沿著設(shè)定好的路線前進(jìn)，而

12、且是鐵絲構(gòu)成的道路，所以小車(chē)就必須可以識(shí)別到目標(biāo)道路，這就需要傳感器可以不斷的進(jìn)行探測(cè)。同時(shí)，小車(chē)還應(yīng)該具有可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是否偏離軌道，并可以糾正小車(chē)前進(jìn)方向的功能，這部分功能就需要把傳感器接收到的信號(hào)實(shí)時(shí)發(fā)送給處理器，處理器經(jīng)過(guò)計(jì)算后發(fā)出指令控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)，智能控制小車(chē)的前進(jìn)后退左右運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)精確巡線行走。我們最終確定的系統(tǒng)框圖如圖2所示。圖2系統(tǒng)框圖3. 硬件部分設(shè)計(jì)3.1電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊直流電動(dòng)機(jī)實(shí)質(zhì)上的工作原理是一臺(tái)裝有換向裝置的交流電動(dòng)機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)中轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的原因是由于帶電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受到了電磁力的作用，并且形成了電磁轉(zhuǎn)矩，從而推動(dòng)轉(zhuǎn)子，使得電動(dòng)機(jī)得以運(yùn)行。直流電動(dòng)機(jī)有如下兩個(gè)個(gè)特點(diǎn)：

13、1、外加電壓是通過(guò)電刷和換向器再加到線圈，而不是直接加到線圈。2、電磁轉(zhuǎn)矩的方向不變。這一現(xiàn)象是因?yàn)殡姌袑?dǎo)體中的電流是隨著其所處磁極極性的改變方向。電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片選用L298作為驅(qū)動(dòng)芯片。工作穩(wěn)定電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)由單片機(jī)提供，信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦隔離后，傳至PWM控制芯片L298N，通過(guò)L298N的輸出腳與兩個(gè)電機(jī)相連。小車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路圖如附錄1所示，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊PCB硬件圖如附錄2所示。3.2 LDC1000傳感器模塊LDC1000芯片是采用四線制SPI的連接方式，而單片機(jī)芯片對(duì)LDC1000芯片的連接、控制以及讀取數(shù)據(jù)是通過(guò)SPI連接（SDI、SDO、SCLK、CSB）實(shí)現(xiàn)的。在SPI通信的過(guò)程中

14、，LDC1000扮演下位機(jī)的角色。而像Q表那樣測(cè)試線圈的電感量并不同于LDC1000芯片的電感檢測(cè)。LDC1000芯片是可以檢測(cè)與相連的測(cè)試線圈和外部的金屬物體之間的空間位置關(guān)系，所以LDC1000在各種環(huán)境條件下都可以很好的檢測(cè)到外部金屬，因?yàn)長(zhǎng)DC1000可以很容易就可以實(shí)現(xiàn)非接觸式的電感檢測(cè)，只需要外接一個(gè)自制線圈或者PCB線圈就可以了。LDC1000原理圖如附錄3所示。3.3 電源模塊電源是小車(chē)系統(tǒng)的動(dòng)力組成，電源主要是給單片機(jī)芯片和外圍電路提供5V電壓，同時(shí)為小車(chē)的電動(dòng)機(jī)提供12V電壓。要想小車(chē)的控制和行駛穩(wěn)定，電源的設(shè)計(jì)就需要考慮到可以達(dá)到直流穩(wěn)壓3.3V、5V和±12V

15、，并且電路紋波要小，盡量排除電源對(duì)芯片控制的干擾。電源原理圖如附錄4所示，電源PCB硬件圖如附錄5所示。4. 軟件部分設(shè)計(jì)4.1 大體思路 C語(yǔ)言簡(jiǎn)介單片機(jī)的程序編程，應(yīng)用系統(tǒng)可以使用C語(yǔ)言，也可用匯編語(yǔ)言。因?yàn)樗亲顬榻咏鼨C(jī)器語(yǔ)言，所以直接，簡(jiǎn)潔，緊湊和高執(zhí)行效率的單片機(jī)匯編語(yǔ)言程序的操作效率高。但不同的單片機(jī)匯編語(yǔ)言有差異，在一個(gè)單一的單片機(jī)應(yīng)用開(kāi)發(fā)不能直接應(yīng)用到其他單片機(jī)上，很不容易移植，程序的可讀性相當(dāng)差。此外，但較大規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)，應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)的工作量是非常大的。C語(yǔ)言編寫(xiě)的，與此相反，良好的便攜性，并非常接近自然語(yǔ)言，可以用少量語(yǔ)言完成相同的功能，入門(mén)易，編程效率高，程序的可讀性高

16、。也可以將匯編語(yǔ)言嵌入C語(yǔ)言程序中，以滿足有特殊要求的性能或操作。因此，在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)，C語(yǔ)言逐漸成為主要的編程語(yǔ)言。單片機(jī)簡(jiǎn)介單片機(jī)作為一種集成的電路芯片，使用的是超大規(guī)模的集成電路技術(shù)。單片機(jī)不僅包括了有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器cpu、只讀存儲(chǔ)器rom、隨機(jī)存儲(chǔ)器ram、多種I/O接口、計(jì)時(shí)器/定時(shí)器以及中斷系統(tǒng)等功能，有一些單片機(jī)還包括了脈寬調(diào)制電路、顯示驅(qū)動(dòng)電路、A/D轉(zhuǎn)換器、模擬多路轉(zhuǎn)換器等功能。把這些電路集成到一塊硅片上就構(gòu)成了一個(gè)小但是完全的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。單片機(jī)在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，發(fā)展迅速。基于單片機(jī)在循跡小車(chē)系統(tǒng)中的應(yīng)用介紹單片機(jī)的全稱是單芯片微型計(jì)算機(jī)，它

17、的芯片上集成了包括CPU，RAM，ROM，各種I/O接口和定時(shí)計(jì)數(shù)器的硬件。單片機(jī)就其組成而言，就是一個(gè)計(jì)算機(jī)，它擁有的指令可以運(yùn)用于許多控制技術(shù)，同時(shí)還具有多種硬件的支持。因?yàn)樗哂卸鄠€(gè)優(yōu)良的特性，所以自問(wèn)世以來(lái)它就被人們廣泛應(yīng)用。目前，單片機(jī)廣泛應(yīng)用于鼠標(biāo)、機(jī)械鍵盤(pán)等電腦外設(shè)，手環(huán)、跑鞋等智能穿戴設(shè)備以及各種家用電器中。基于單片機(jī)的循跡小車(chē)系統(tǒng)不僅結(jié)構(gòu)模塊化，同時(shí)制作起來(lái)也非常方便。通過(guò)金屬傳感器探測(cè)到小車(chē)與軌道的相對(duì)位置，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)芯片，芯片實(shí)時(shí)分析并計(jì)算小車(chē)行駛的方向，并且校正小車(chē)輪胎運(yùn)行的速度，達(dá)到小車(chē)智能循跡的功能。另外，現(xiàn)在的人越來(lái)越離不開(kāi)智能化的機(jī)器和設(shè)備，如：不管是人

18、類對(duì)太空的探索，替代單調(diào)簡(jiǎn)單的重復(fù)性工作，還是在各種惡劣的環(huán)境中進(jìn)行操作等都可以借助于智能化的可運(yùn)動(dòng)行走的設(shè)備。因此，智能小車(chē)作為最常用最普遍的的行走智能設(shè)備，未來(lái)必定會(huì)在工業(yè)和生活得到越來(lái)越多的使用，這樣不僅高效，而且可靠。本文在分析目前市面上已經(jīng)出現(xiàn)的智能小車(chē)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)之上，充分的將單片機(jī)硬件與軟件結(jié)合，以及將金屬探測(cè)系統(tǒng)的自身特點(diǎn)、功能特性和設(shè)計(jì)的要求相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了利用金屬軌道這一載體來(lái)導(dǎo)引小車(chē)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)我們也充分借鑒了目前優(yōu)秀的算法，形成一套準(zhǔn)確度高，具有優(yōu)良特性的自動(dòng)循跡小車(chē)系統(tǒng)。4.1.4軟件部分總述小車(chē)進(jìn)入軌道并開(kāi)始工作后，金屬探測(cè)器就開(kāi)始不停地掃描，同時(shí)，將掃描的數(shù)據(jù)結(jié)果發(fā)送到

19、處理器，而處理器一旦檢測(cè)到傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)有變化，就計(jì)算并執(zhí)行子程序，把相應(yīng)的處理信號(hào)和PWM波傳輸?shù)诫姍C(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)再來(lái)控制電動(dòng)機(jī)來(lái)改變小車(chē)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)小車(chē)啟動(dòng)后就開(kāi)始計(jì)時(shí)和計(jì)算行駛距離并顯示。為了方便編寫(xiě)和調(diào)試，我們采用了模塊化的編程方法，整個(gè)程序分為若干子程序，最終可以實(shí)現(xiàn)以下目的；（1）通過(guò)按鍵控制啟停以及相關(guān)參數(shù)設(shè)置；（2）搜尋鐵絲并計(jì)時(shí)、測(cè)量距離然后實(shí)時(shí)顯示；（3）實(shí)時(shí)糾偏并調(diào)整行駛方向；主程序流程圖如圖3所示：開(kāi)始初始化參數(shù)設(shè)置前進(jìn)、計(jì)時(shí)距離計(jì)算與顯示小車(chē)是否偏移軌道Y判斷偏移方向并矯正電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向N繼續(xù)運(yùn)行圖3主程序流程圖4.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)通過(guò)脈沖寬度調(diào)制

20、(PWM)來(lái)實(shí)現(xiàn)小車(chē)的轉(zhuǎn)向。脈沖寬度調(diào)制在功率變換與控制等很多領(lǐng)域里都有廣泛的應(yīng)用，其利用的是通過(guò)處理器輸出的數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的技術(shù)。脈沖寬度調(diào)制是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過(guò)使用較高分辨率的計(jì)數(shù)器，方波的占空比被調(diào)制成用來(lái)對(duì)一個(gè)具體的模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。把電流源或電壓用重復(fù)脈沖序列（通(ON)或斷(OFF)）加到模擬負(fù)載上去的。而通過(guò)改變單片機(jī)程序中的I/O口輸出PWM波的占空比可以調(diào)整轉(zhuǎn)速。占空比是在一個(gè)周期中，高電平脈沖與總脈沖的百分比。在一個(gè)周期中，占空比越大，就說(shuō)明高電平的比例越高，而最大電壓與占空比的乘積就是輸出在電機(jī)兩端的電壓。所以，占空比越大，輸出到

21、電機(jī)兩端的電壓也就越大，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度也就越快。電機(jī)驅(qū)動(dòng)軟件程序詳見(jiàn)附錄6。4.3 LDC1000傳感器模塊LDC1000是利用電磁感應(yīng)的原理進(jìn)行電感的檢測(cè)的。若在一個(gè)線圈中加上一個(gè)交變電流，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)在線圈周?chē)?。如果這個(gè)時(shí)候有金屬物體進(jìn)入到這個(gè)磁場(chǎng)之中，就會(huì)在金屬物體表面產(chǎn)生一個(gè)電流方向與線圈電流的方向相反的渦流(感應(yīng)電流)。由于兩種電流的方向相反，所以渦流產(chǎn)生的感應(yīng)電磁場(chǎng)就會(huì)與線圈的電磁場(chǎng)方向相反。渦流不僅與金屬體磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率以及金屬導(dǎo)體表面到線圈的距離等參數(shù)有關(guān)，而且線圈的幾何形狀、幾何尺寸同樣會(huì)影響到渦流的大小。LDC1000的技術(shù)主要有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：1、擁有極高的分辨率

22、，在位置傳感應(yīng)用中可達(dá)到微米級(jí)的分辨率。同時(shí)可以通過(guò)16位共振阻抗和24位電感值。2、設(shè)備使用壽命長(zhǎng)，可靠性高。擁有非接觸傳感技術(shù)，可免于收受到塵土和油污等不導(dǎo)電的污染物的影響。3、在某些PCB版無(wú)法放置的地方，允許傳感器與電子設(shè)備分開(kāi)安放，具有更高的靈活性。4、采用成本更低的傳感器和傳導(dǎo)目標(biāo)，不需要磁體。6、系統(tǒng)的功耗在標(biāo)準(zhǔn)工作時(shí)不足8.5mW，待機(jī)模式下的功耗更低。5、可以以壓縮后的導(dǎo)電油墨或者金屬薄片為目標(biāo)，為創(chuàng)造性的創(chuàng)新系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)無(wú)限的可能。4.3.1 LDC1000參數(shù)的計(jì)算LDC1000的電感檢測(cè)的原理是利用了電磁感應(yīng)的技術(shù)。如果在一個(gè)PCB線圈中加上一個(gè)交變電流，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交

23、變磁場(chǎng)在線圈周?chē)?。如果這時(shí)有一個(gè)金屬物體進(jìn)入到這個(gè)電磁場(chǎng)中，就會(huì)在金屬物體表面產(chǎn)生一個(gè)電流方向與線圈電流的方向相反的渦流。同時(shí)，線圈的電磁場(chǎng)方向與渦流產(chǎn)生的感應(yīng)電磁場(chǎng)相反。Linf傳感線圈的電感M(d)互感fSENSOR傳感器振蕩頻率Y=Proximity Data/215,Proximity Data從寄存器0x21和0x22讀取LDC1000的兩個(gè)重要參數(shù)就是阻抗RP和電感L，與被探測(cè)金屬的距離有關(guān)。同時(shí)，在應(yīng)用中Rp的范圍不同的，所以需要配置合適的Rp范圍。這是由于不同的測(cè)試距離和測(cè)試對(duì)象均會(huì)產(chǎn)生不同的損耗。LDC1000中可用于配置的有兩個(gè)寄存器，它們分別為Rp_Min和Rp_Max。

24、在應(yīng)用中Rp值的合理配置非常重要，如果設(shè)置的Rp范圍過(guò)小，那么Rp就會(huì)被鉗位。如果設(shè)置的Rp范圍過(guò)大，真實(shí)的Rp無(wú)法完全利用，在LDC1000的內(nèi)部，就會(huì)浪費(fèi)大量的ADC的資源。4.3.2確定Rp_Max值增大LDC1000的外部線圈與金屬物體之間的距離，這樣使渦流的損耗最小。測(cè)試此時(shí)線圈的等效并聯(lián)諧振阻抗Rp，LC諧振組件與LDC1000斷開(kāi)測(cè)試Rp。這里需要使用阻抗分析儀。在用戶手冊(cè)的table 7中找最接近Rp值乘以2的值。注意，Rp_Max寄存器雖然有8bit，但是table 7中只有32個(gè)值，所以只能使用0x00到0x1F的范圍。例如用阻抗分析儀測(cè)試出Rp是18k，那么18k*2=3

25、6k，而table 7中與這個(gè)值最接近的是38.785k。4.3.2確定Rp_Min值減小LDC1000的外部線圈與金屬物體之間的距離，這樣使渦流的損耗最大。測(cè)試此時(shí)線圈的等效并聯(lián)諧振阻抗Rp，LC諧振組件與LDC1000斷開(kāi)測(cè)試Rp。這里需要使用阻抗分析儀。在用戶手冊(cè)的table 9中找最接近Rp值除以2的值。注意，Rp_Min寄存器雖然有8bit，但是table 9中只有32個(gè)值，所以只能使用0x20到0x2F的范圍。上述方法中，金屬物體與LC的距離是應(yīng)用場(chǎng)景中的最大和最小的距離。所以說(shuō)這個(gè)最大和最小距離需要等設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成之后才可以決定。LDC1000傳感器軟件程序詳見(jiàn)附錄7。4.4 PID算法PID一般分為增量式PID和位置式PID。在小車(chē)?yán)镆话阌迷隽渴?，因?yàn)槲恢檬絇ID對(duì)小車(chē)來(lái)說(shuō)有非常大而且沒(méi)有必要的計(jì)算量，這是由于位置式PID的輸出是跟過(guò)去的所有狀態(tài)有關(guān)。所以處理器進(jìn)行計(jì)算時(shí)，要對(duì)每一次的控制誤差進(jìn)行累加，這會(huì)嚴(yán)重增大處理器的計(jì)算負(fù)擔(dān)。而且小車(chē)的PID控制器的輸出而是一個(gè)增減多少的量，而不是絕對(duì)數(shù)值。所以通過(guò)增量PID算法控制的PWM波，是計(jì)算PWM需要比上一個(gè)狀態(tài)增加多少或者減小多少，而不是輸出PWM的實(shí)際值，這樣將會(huì)減輕處理器的負(fù)擔(dān)，同時(shí)對(duì)PWM的控制也會(huì)更