G甲智能救援車

1、G甲 智能救援車青島理工大學(xué) 李西峰 孫強(qiáng) 王魁專家點(diǎn)評:該設(shè)計以凌陽公司SPCE061A單片機(jī)為控制核心，較好地實(shí)現(xiàn)了智能車的智能控制過程，包括智能避障、路面尋線、金屬檢測、金屬拾起及放下、聲光報警、分段行進(jìn)時間顯示等功能。在智能避障中，采用紅外傳感器完成避障工作并實(shí)現(xiàn)在障礙物迷宮里自由行走。使用光電傳感器實(shí)現(xiàn)在弧形軌跡上尋跡前進(jìn)。金屬探測中，使用金屬接近傳感器檢測鐵片，并用繼電器拾起鐵片，再斷電時放下鐵片。該設(shè)計通過PWM控制直流電動機(jī)來為小車提供動力，以實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)，轉(zhuǎn)彎，倒車等動作。在測試中，該設(shè)計的作品順利通過規(guī)定的各項基本測試以及發(fā)揮部分要求的測試內(nèi)容。各項測試指標(biāo)均達(dá)優(yōu)秀指標(biāo)。

2、青島理工大學(xué) 張?zhí)扉_教授 2008/9/24摘 要：本設(shè)計中的智能救援車以凌陽公司SPCE061A單片機(jī)為控制核心，實(shí)現(xiàn)智能車的智能控制，包括智能避障、路面尋線、金屬檢測、金屬拾起及放下、聲光報警、分段行進(jìn)時間顯示等功能。在智能避障中，采用紅外傳感器完成避障工作并實(shí)現(xiàn)在障礙物迷宮里自由行走。使用光電傳感器實(shí)現(xiàn)在弧形軌跡上尋跡前進(jìn)。金屬探測中，使用金屬接近傳感器檢測鐵片，并用繼電器拾起鐵片，在斷電時放下鐵片。在聲光報警方面，采用了凌陽的語音功能進(jìn)行不同情況的語音報警并采用發(fā)光二極管不間斷的發(fā)光報警，同時采用1602液晶顯示時間，通過PWM控制直流電動機(jī)來為小車提供動力，以實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)，轉(zhuǎn)彎，倒

3、車等動作。 關(guān)鍵詞 ：金屬探測；紅外避障；路線尋跡；語音報警Abstract：This intelligent car based on the microcontrollers of SPCED061A of SUNPLUS can accomplish the following functions: avoiding intelligently obstacles, tracking line, detecting metal, picking up and dropping down metal plates, voice alarming and displaying the tim

4、e of tracking. In this system, the infrared sensor is used to avoid obstacles to complete the walk in the construction and photoelectric sensor is used in the Black curved track to detect the black line on the white ground. In mental detecting, the metal contact sensors is used to find the location

5、of iron tablets and by use of the relay it can pick up the iron tablets and dropped it. In terms of voice alarm, it adopts Sunplus powerful voice and light-emitting diode uninterru- pted LED alarm. The system's executive body- Motors is DC motor which controlled by PWM signal.keywords：Rail-detec

6、tion, infrared obstacle avoidance; line track finding; Voice Alarm一、系統(tǒng)方案選擇與論證1.1 系統(tǒng)總體方案與論證由題目分析可得：本設(shè)計需要一個由控制器模塊、尋線前進(jìn)模塊、紅外避障模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、金屬檢測模塊、語音播報模塊、鐵片處理模塊、電源模塊等幾部分組成的系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)題目要求。它們的關(guān)系請見附件一（圖1）。為實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的功能，下面分別對幾種不同的設(shè)計方案進(jìn)行了具體的分析論證。方案一：使用超聲波進(jìn)行避障。把超聲波模塊裝在舵機(jī)上，通過舵機(jī)的轉(zhuǎn)向，來進(jìn)行多個方向的避障，在行進(jìn)過程中，舵機(jī)不斷進(jìn)行多個方向的旋轉(zhuǎn)，對前方障礙物進(jìn)行檢

7、測，相應(yīng)調(diào)整小車的位置和檢測是否有通路，若有通路，通過舵機(jī)精確拐彎90度，調(diào)整舵機(jī)方向至小車正前方，從超聲波模塊傳回來的信號小于某一設(shè)定值，進(jìn)行相應(yīng)方向轉(zhuǎn)彎，重復(fù)前邊的行進(jìn)過程，直到從超聲波模塊傳回來的信號幾乎為零，說明出了B口。停車5秒鐘，小車向前稍微前進(jìn)，尋找黑線入口，在弧形引導(dǎo)軌跡上前進(jìn)，通過光電傳感器傳回的信息，判斷小車是否偏離軌跡，再作出必要的處理，在軌跡上行走中，打開金屬傳感器，當(dāng)金屬傳感器檢測到金屬時，停車3秒，并進(jìn)行報警，然后對繼電器操作，拾起鐵片，繼續(xù)尋跡前進(jìn)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)前面沒黑線時，放下鐵片，并聲光報警，即救援結(jié)束。顯示各段所走時間。方案二：在小車左、前、右各安裝一個紅外傳感器

8、，對紅外傳感器傳送的信號進(jìn)行檢測分析，通過對該變化的電信號進(jìn)行必要的操作，使小車保持在路的中心線前進(jìn)。并打開前面的紅外傳感器，時時檢測，防止小車碰到前邊的墻壁。行進(jìn)過程中控制器接收到某側(cè)紅外傳感器連續(xù)傳回來的信號變化很大，說明小車前方的此側(cè)有可以拐彎的通路，通過單片機(jī)控制電動機(jī)向此方向拐彎大約90度，若前方紅外傳感器傳回來的信號小于某一設(shè)定值，繼續(xù)進(jìn)行本方向拐彎。并對此進(jìn)行計數(shù)。反復(fù)進(jìn)行上述動作。若計數(shù)值等于2，說明小車完成第二個彎。小車?yán)^續(xù)避障前進(jìn)，控制器接收到右側(cè)紅外傳感器連續(xù)傳回來的信號變化很大，進(jìn)行右拐，保持前進(jìn)，若兩側(cè)紅外傳感器傳回值同時減小，說明出B門。停5秒，顯示時間，并聲光報警

9、。尋跡過程：安裝在小車下方光電傳感器尋找黑線入口，光電傳感器傳回信息，判斷小車是否偏離軌跡，作出相應(yīng)的處理，軌跡上行走時，打開金屬檢測傳感器，當(dāng)金屬檢測傳感器檢測有金屬，進(jìn)行短距離倒車，對繼電器操作，拾起鐵片，并聲光報警，停車3秒。尋跡前進(jìn)，直到光電傳感器檢測到全是白，放下鐵片，并聲光報警、顯示救援結(jié)束，顯示時間。兩個方案比較，方案一對舵機(jī)操作頻率較大，而舵機(jī)有一定的滯后性。故放棄了此種方案。而方案二，用普遍應(yīng)用的傳感器實(shí)現(xiàn)，故選擇了方案二。1.2 各模塊方案選擇與論證1.2.1控制器模塊（單片機(jī)的選擇）單片機(jī)控制模塊在本系統(tǒng)中處于核心地位，其工作包括采集傳感器的信號，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，控制執(zhí)行機(jī)

10、構(gòu)的運(yùn)行等。對單片機(jī)控制模塊的基本要求是具有較高的速度、資源配置滿足要求。方案一：采用傳統(tǒng)的8位89C51單片機(jī)作為運(yùn)動物體的控制核心。經(jīng)典51單片機(jī)具有價格低廉，使用簡單等特點(diǎn)，但其運(yùn)算速度低，功能單一，RAM、ROM空間小、不穩(wěn)定等特點(diǎn)。本題目要求有較大的RAM，由于小車的顛簸需要比較穩(wěn)定的系統(tǒng)，若采用89C51需要做RAM、ROM來擴(kuò)展其內(nèi)存空間，其硬件工作量必然大大增加。方案二：采用16位單片機(jī)SPCE061A作為小車運(yùn)動的控制中心。SPCE061A具有豐富的硬件資源：RAM，ROM空間大、指令周期短、運(yùn)算速度快、低功耗、低電壓、可編程音頻處理，單片機(jī)SPCE061A的晶振頻率為32.

11、768KHz，最高運(yùn)算速度可達(dá)49MHz；有32K的FLASH，3.3V供電，兩個16位可編程定時/計數(shù)器，可以自動設(shè)置預(yù)設(shè)處置，具有運(yùn)行/ 睡眠方式，并且芯片自帶看門狗維護(hù)功能。程序具有易于編寫和調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)題目要求，系統(tǒng)穩(wěn)定性以及資源利用等方面考慮。我們選擇了方案二。1.2.2尋線前進(jìn)模塊光電檢測模塊用以實(shí)現(xiàn)小車沿著場地上標(biāo)出的黑色路線運(yùn)動。題目中路徑和周圍場地黑白對比明顯，可用傳感器來感知前進(jìn)軌跡。方案一：可見光發(fā)光二極管與光敏二極管組成得發(fā)射接收電路。這種方案的缺點(diǎn)在于其他環(huán)境光源會對光敏二極管工作產(chǎn)生很大干擾，環(huán)境要求比較高。外界環(huán)境條件改變，很可能造成誤判和漏判，因此沒有采用這

12、個方案。方案二：采用光電傳感器。當(dāng)光照射到下方的場地會發(fā)生反射，由于黑色膠皮和白色膠皮的反射系數(shù)不同，光電傳感器可根據(jù)接收到的反射光強(qiáng)弱判斷是否偏離黑線。可使用四個集成反射式光電傳感器控制，尋線電路圖見附件一（圖2）。綜合考慮，選擇了抗干擾能力強(qiáng)且易于實(shí)現(xiàn)的光電傳感器，即確定方案二。1.2.3障礙物檢測躲避模塊方案一：采用超聲波避障，超聲波受環(huán)境影響較大，電路復(fù)雜，而且墻壁對超聲波的反射，會影響系統(tǒng)對障礙物的判斷。方案二：采用紅外傳感器避障（包括發(fā)射管和接收管），紅外線發(fā)射管發(fā)射信號，發(fā)射出的紅外線遇到障礙物反射，紅外線接受管對反射回的信號處理，并輸出與距離有一定比例的電壓信號，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換得

13、到相應(yīng)數(shù)字信號，單片機(jī)進(jìn)行處理，完成避障功能。外界對紅外信號的干擾較小，易于實(shí)現(xiàn)，故采用方案二。1.2.4 電機(jī)驅(qū)動模塊小車電機(jī)驅(qū)動模塊是本系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用于控制小車的運(yùn)行。電機(jī)驅(qū)動方式及運(yùn)行的選擇方案一：采用舵機(jī)和直流電機(jī)分別控制小車轉(zhuǎn)向和驅(qū)動。舵機(jī)控制兩個輪的轉(zhuǎn)向，沒法控制小車的前進(jìn)，若想保證既能轉(zhuǎn)彎又能前進(jìn)，需要更大的功率，對電源要求高。另外，舵機(jī)轉(zhuǎn)向方式平緩且靈活，但是轉(zhuǎn)向弧度較大不能實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向。方案二：小車采用雙電機(jī)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動和轉(zhuǎn)向，動力強(qiáng)勁。利用電機(jī)差速原理控制小車轉(zhuǎn)向，極易實(shí)現(xiàn)原地任意角度的轉(zhuǎn)向。本題使用61板上的四個接口A4、A5、A6、A7來實(shí)現(xiàn)對小車上電機(jī)的控制。首先在小

14、車的后方安裝一萬向輪，兩側(cè)為雙動力電機(jī)。61板的四個控制A4、A5、A6、A7分別接左電機(jī)A接口、左電機(jī)B接口、右電機(jī)A接口、右電機(jī)B接口。具體原理見附件三（表1）。通過附件三（表1）可知，只要通過軟件控制端口就能完成對電機(jī)的操作，實(shí)現(xiàn)容易，并且誤差較小?；谏鲜龇治觯捎昧朔桨付?。1.2.5 金屬檢測模塊采用普通金屬接近開關(guān)LJ18A3-8，此開關(guān)在接近金屬適當(dāng)距離時，輸出電平發(fā)生變化，此信號傳給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)電平信號的高低，判斷是否檢測到金屬，從而作出相應(yīng)的操作。1.2.6 1602液晶顯示模塊方案一：采用LED數(shù)碼管顯示。LED可以用移位寄存器74HC164或者專用芯片驅(qū)動，調(diào)試方便

15、，且串行顯示只占用很少得I/O口。缺點(diǎn)是只能顯示一些簡單的字符，顯示得信息十分有限。方案二：采用液晶顯示。1602液晶顯示器具有功率低、發(fā)熱小、畫面穩(wěn)定不閃爍、屏幕調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點(diǎn)，其界面友好，內(nèi)容量大，符合要求。鑒于本系統(tǒng)顯示信息量大且復(fù)雜，LED數(shù)碼管不足以滿足系統(tǒng)設(shè)計要求，故本系統(tǒng)選擇方案二。1.2.7 語音播放模塊方案一：采用單片機(jī)產(chǎn)生不同頻率信號，得到不同聲調(diào)的報警信號，以完成報警功能，此方案能完成聲音提示功能，但可讀性差。方案二：采用凌陽61板自身攜帶的語音模塊，在報警，播報時間，完成任務(wù)等動作作出的同時調(diào)用不同的語音程序模塊進(jìn)行語音播報，這些工作都是直接在軟件中完成的，61單片機(jī)具

16、有豐富的語音資源庫，只需要錄制所要的語音放在FLASH存儲器里進(jìn)行調(diào)用，或者直接調(diào)用其音樂函數(shù)庫里的聲音就能完成任務(wù)。通過比較論證，選擇更直觀的語音報警，故選擇了方案二。1.2.8 拾起放下鐵片模塊對一般的繼電器進(jìn)行改裝，使其通入一定電流，通電線圈產(chǎn)生磁場，產(chǎn)生一定的磁力，拾起鐵片。通過單片機(jī)停止對繼電器通電，磁場消失，鐵片自動落下。此法簡單可靠，因此選擇本方法。1.2.9 電源模塊方案一：采用普通電池，選用7節(jié)電池給直流電機(jī)供電，經(jīng)7805穩(wěn)壓管對單片機(jī)、光電傳感器、金屬接觸傳感器等供電，但對直流電機(jī)影響很大，電機(jī)轉(zhuǎn)速變化大，對任務(wù)的完成極為不利。方案二：采用8節(jié)可充電式鎳氫電池組共9.6V

17、給直流電機(jī)供電，經(jīng)7805電壓轉(zhuǎn)換為單片機(jī)、光電傳感器、金屬接觸傳感器等額定電壓為5V器件供電。單片機(jī)和傳感器工作正常，直流電機(jī)轉(zhuǎn)速變化不大且平穩(wěn)行進(jìn)，且電池體積較小，重量較輕，能夠滿足系統(tǒng)要求。上述論證可知，電池組可保持系統(tǒng)穩(wěn)定，選取方案二。1.3系統(tǒng)各模塊的最終方案經(jīng)過論證，得到各個模塊的最終應(yīng)用方案，方案如下：(1) 控制器模塊：采用凌陽61單片機(jī)SPCE061A作為小車運(yùn)動的控制核心；(2) 尋線前進(jìn)模塊：采用RPR220型光電傳感器來進(jìn)行尋線；(3) 障礙物檢測躲避模塊：選用了GP2D12紅外傳感器進(jìn)行避障；(4) 小車電機(jī)驅(qū)動模塊：采用了普通電機(jī)，采用差速控制，PWM脈寬調(diào)速；(5

18、) 金屬檢測模塊：采用普通的金屬接近開關(guān)LJ18A3-8;(6) 液晶顯示模塊選用1602進(jìn)行顯示，方便操作，顯示信息量大；(7) 語音播報模塊：直接采用凌陽61板自帶的語音播報模塊進(jìn)行語音報警；(8) 拾起放下鐵片模塊：我們用普通繼電器進(jìn)行了改裝；(9) 電源模塊：采用9.6V穩(wěn)壓電池組供電，經(jīng)穩(wěn)壓管對單片機(jī)間接供電和對電機(jī)直接供電。二、硬件系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)2.1 整體系統(tǒng)構(gòu)成整體系統(tǒng)由凌陽SPCE061A實(shí)驗板、RPR220型光電傳感器、GP2D12紅外傳感器、普通電機(jī)、金屬接近開關(guān)LJ18A3-8、普通繼電器、電池組等元器件構(gòu)成，具體框圖可見附件一（圖3）。2.2雙電機(jī)差速控制模塊PWM

19、調(diào)速實(shí)現(xiàn)利用SPCE061A的I/O口資源，軟件模擬產(chǎn)生4096Hz的PWM波，通過調(diào)節(jié)PWM的占空比來實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)整。對應(yīng)的電機(jī)電壓波形見附件一（圖4）。 此時加在電機(jī)兩端的平均電壓為：U=Th/(Th+Tl)VCC通過調(diào)整PWM波的占空比，改變Th和Tl的比值，從而改變了加在電機(jī)兩端的平均電壓U的大小，最終實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)速。直行和轉(zhuǎn)向的控制過程本系統(tǒng)采用雙電機(jī)差速控制原理，給雙電機(jī)輸入不同得方向和脈寬值時，來實(shí)現(xiàn)電動車的直行和定向旋轉(zhuǎn)控制。當(dāng)同時在雙電機(jī)輸入同向且等脈寬的PWM信號時，實(shí)現(xiàn)電動車的前進(jìn)和后退；當(dāng)同時在雙電機(jī)上輸入反向且等脈寬的PWM信號時，實(shí)現(xiàn)電動車的原地旋轉(zhuǎn)。當(dāng)同時

20、在雙電機(jī)上輸入同向且不等脈寬的PWM信號時，實(shí)現(xiàn)電動車的轉(zhuǎn)向。同理，還能實(shí)現(xiàn)左前轉(zhuǎn)，右后轉(zhuǎn)，左后轉(zhuǎn)等各種動作。2.3尋線模塊使用4個光電傳感器，成一字型排列在小車下方，根據(jù)返回來的信號，進(jìn)行相應(yīng)的處理，電路圖見附件一（圖5）。當(dāng)發(fā)光二極管接收不到信號時截止，輸入信號從同向輸入端輸入比較器后，得到的是高電平，當(dāng)發(fā)光二極管接收到信號時導(dǎo)通，輸入信號從同向輸入端輸入比較器后，得到的是低電平，通過高低電平的變化就可以判斷小車是否沿著黑色膠質(zhì)前進(jìn)，發(fā)現(xiàn)偏離及時調(diào)整。2.4 避障模塊使用紅外發(fā)射接收模塊GP2D12，其輸出為模擬量，直接利用61板集成的A/D轉(zhuǎn)換功能，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，得到相應(yīng)參數(shù)，根據(jù)參數(shù)

21、進(jìn)行相應(yīng)處理，進(jìn)行避障前進(jìn)。避障原理見附件一（圖6）。2.5 金屬檢測模塊LJ18A3-8電感式接近開關(guān)通電產(chǎn)生磁場，金屬目標(biāo)接近這一磁場，達(dá)到感應(yīng)距離，在金屬內(nèi)產(chǎn)生渦流，導(dǎo)致振蕩衰減，至停振。振蕩器振蕩及停振的變化被后級放大電路處理并轉(zhuǎn)換成開關(guān)信號，根據(jù)信號判斷是否檢測到金屬鐵片。2.6 電源模塊電源主要對三部分供電：供電電路圖見附件一（圖7）（1） 61板及額定電壓為5V的傳感器供電；（2） 直接對電機(jī)驅(qū)動供電；（3） 直接對金屬接近傳感器供電。三、軟件系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)采用自上而下的調(diào)試方法，即對單獨(dú)調(diào)試好每一個模塊進(jìn)行調(diào)用，然后連接成一個完整的系統(tǒng)調(diào)試。本系統(tǒng)可分為以下幾個模塊：（1） 障礙物中小車運(yùn)行程序；（2） 小車尋跡處理鐵片程序；（3） 建筑物道路前進(jìn)程序；（4） 黑線尋跡子程序詳細(xì)見附件二中各流程圖（圖1013）。四 系統(tǒng)測試、調(diào)整1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能測試系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)在障礙物行進(jìn)，黑線尋線前進(jìn)，鐵片拾起放下，行進(jìn)時間顯示，聲光報警。其中，對各部分行進(jìn)時間、鐵片拾起成功率、拐彎成功率、直線前進(jìn)成功率進(jìn)行獨(dú)立測試，對其他功能放在整車測試中進(jìn)行。具體數(shù)據(jù)見附件三（表2、表3）。2 整車測試整車測試過程中，不斷進(jìn)行調(diào)試和改裝。尤其在建筑