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文檔簡介
1、摘要 簡易智能電動車實現(xiàn)了路面標(biāo)識跟蹤、金屬探測、曲線行駛、躲避障礙物、尋找光源以及安全進(jìn)入車庫等功能,并且能夠在行駛過程中用語音、指示燈等方式提示電動車的行駛狀態(tài)。采用左右獨(dú)立的傳動模式行駛,通過光電、紅外和接近開關(guān)等傳感器,由單片機(jī)系統(tǒng)來決策智能車的行駛狀態(tài)。采用 PWM 技術(shù)實現(xiàn)了電動機(jī)的多級調(diào)速;采用硬件自學(xué)習(xí)電路提高對不同黑白程度路面的適應(yīng)能力。獨(dú)特的雷達(dá)掃描式光電探測裝置保證了光源探測的靈活性,提高了控制決策的有效性。不同路段的軟件模塊對各個傳感器賦以不同的權(quán)值,提高了各個路段行駛策略的針對性。通過均值采樣算法降低了噪聲信號的干擾,通過模糊控制算法實現(xiàn)了智能避障和光源跟蹤。采用原子
2、模塊循環(huán)法實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析、處理和控制輸出。關(guān)鍵詞 :電動車 智能 PWM 硬件自學(xué)習(xí) 雷達(dá)掃描式光電探測原子模塊循環(huán)法一、方案選擇與論證 1 、運(yùn)動方式的 選擇 通常的運(yùn)動方法有輪式和履帶驅(qū)動式兩種,其選擇依賴于路面狀況、機(jī)械復(fù)雜性和控制復(fù)雜性。方案一:采用四輪 常見的汽車結(jié)構(gòu)模式特點(diǎn)是一個馬達(dá)作為動力,通過變速箱驅(qū)動后輪;另一個馬達(dá)轉(zhuǎn)動導(dǎo)向輪來決定行駛方向。優(yōu)點(diǎn)是在直道行駛速度較快、 方向和速度相互獨(dú)立。 缺點(diǎn)為轉(zhuǎn)彎半徑大、驅(qū)動輪易打滑、導(dǎo)向輪方向不易精確控制。方案二:采用履帶式結(jié)構(gòu)特點(diǎn):兩個電機(jī)分別驅(qū)動兩條履帶。優(yōu)點(diǎn)是可以在原地轉(zhuǎn)動;在不平的路面上性能穩(wěn)定,牽引力大。缺點(diǎn)為速度慢、速度
3、和方向不能單獨(dú)控制摩擦力很大;能量損耗大,機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜。綜合考慮,我們將輪式和履帶式的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起,采用兩個大腳車的模型(見附圖三)拼接而成,達(dá)到了較好的機(jī)動性和可控性。2 、電機(jī)驅(qū)動調(diào)速方案論證 電機(jī)驅(qū)動調(diào)速方案的控制目標(biāo)是實現(xiàn)電動機(jī)的正、反轉(zhuǎn)及調(diào)速方案一:電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)整分壓采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器分壓調(diào)整電動機(jī)的電壓。但電動機(jī)工作電流很大;分壓不僅會降低效率,而且實現(xiàn)很困難。方案二:采用繼電器開關(guān)控制采用繼電器控制電動機(jī)的開或關(guān),通過開關(guān)的切換調(diào)整車速。優(yōu)點(diǎn)是電路簡單,缺點(diǎn)是響應(yīng)時間慢、控制精度低、機(jī)械結(jié)構(gòu)易損壞、壽命較短、可靠性低。方案三: H 型 PWM 電路采用電子開關(guān)組
4、成 H 型 PWM 電路。 H 型電路保證了簡單的實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制;用單片機(jī)控制電子開關(guān)工作的占空比,精確調(diào)整電動機(jī)轉(zhuǎn)速。最終選擇方案三。3 、路面探測方案論證 探測路面黑線的原理:光線照射到路面并反射,由于黑線和白線的反射系數(shù)不同,可根據(jù)接收到的反射光的強(qiáng)弱來判斷傳感器和黑線相對位置。方案一:采用可見光發(fā)光二極管和光敏二極管采用普通可見光發(fā)光管和光敏管組成的發(fā)射接收電路。其缺點(diǎn)在于易受到環(huán)境光源的影響。即便提高發(fā)光管亮度也難以抵抗外界光的干擾。方案二:采用反射式紅外發(fā)射接收器采用反射式紅外發(fā)射接收器。直接用直流電壓對發(fā)射管進(jìn)行供電,其優(yōu)點(diǎn)是實現(xiàn)簡單,對環(huán)境光源的抗干擾能力強(qiáng),在要求不高時
5、可以使用。方案三:采用脈沖調(diào)制的紅外發(fā)射接收器在方案二的基礎(chǔ)上采用脈沖調(diào)制發(fā)射。由于環(huán)境光干擾主要是直流分量,因此如果采用帶有特定交流分量的調(diào)制信號,則可在接收端采用相應(yīng)的手段來大幅度減少外界干擾。缺點(diǎn)是實現(xiàn)復(fù)雜成本高。根據(jù)本題目中對探測地面的要求,由于傳感器可以在車體的下部,發(fā)射、接收距地面都很近,外界光對其的干擾都很小。在基本不影響效果的前提下,為了簡便起見,我們選用了方案二。4 、障礙物探測模塊 方案一:超聲波探測采用超聲波器件。超聲波波瓣較寬,一個發(fā)生器就可以監(jiān)視較寬的范圍。其優(yōu)點(diǎn)為抗干擾能力強(qiáng),不受物體表面顏色的影響。缺點(diǎn)為實現(xiàn)電路復(fù)雜,且用通常的測量方法在較近距離上有盲區(qū)。方案二:
6、光電式探測采用光電式發(fā)射、檢測模塊。由于單個發(fā)射器的照射范圍不能太小,因此不使用激光管。用波瓣較寬的脈沖調(diào)制型紅外發(fā)射管和接收器。其優(yōu)點(diǎn)是電路實現(xiàn)簡單,抗干擾性較強(qiáng)。由于題目中已知障礙物外表為白色,有利于紅外線的反射。同時從電路實現(xiàn)的難易程度上考慮,我們最終選擇了方案二。5 、尋光定向模塊 題目條件是在終點(diǎn)線后放置 200W 白熾燈用以指向,因此采用普通光敏三極管進(jìn)行檢測。方案一:車轉(zhuǎn)式安裝采用固定方向安裝方式。將兩個光敏三極管固定在車頭的左右兩邊指向前方,當(dāng)車頭對準(zhǔn)光源時,兩傳感器輸出平衡;當(dāng)車的方向不準(zhǔn)時,通過兩傳感器輸出的差別控制車原地轉(zhuǎn)向來尋找光源。方案二:模擬雷達(dá)掃描用裝在車底盤上的
7、步進(jìn)電機(jī)帶動圓盤左右掃描,裝在圓盤上的光敏傳感器通過掃描 ,可以準(zhǔn)確定位光源。方案一實現(xiàn)簡單,其缺點(diǎn)為尋找光源較麻煩,需要驅(qū)動整輛智能車轉(zhuǎn)動,功耗多且浪費(fèi)時間;方案二實現(xiàn)較為復(fù)雜,但是其定位準(zhǔn)確,僅轉(zhuǎn)動圓盤而不用轉(zhuǎn)動智能車,節(jié)省了電源和時間??紤]到題目的指標(biāo)要求及系統(tǒng)性能要求,我們采用了方案二。6 、車輪檢速及路程計算模塊 方案一:磁感應(yīng)式采用霍爾元器件(霍爾元器件應(yīng)用霍爾效應(yīng),輸出量與磁場的大小有關(guān))并在車輪上安裝磁片,利用位置固定的開關(guān)型霍爾元器件來檢測車輪的轉(zhuǎn)動,通過單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)進(jìn)行車速測量。方案二:光反射式采用反射式紅外器件。在車輪輪輻面板上均勻畫出黑底白線或白底黑線,通過正對線
8、條的反射式紅外器件,產(chǎn)生脈沖。通過對脈沖的計數(shù)測速。方案三:光對射式采用對射式紅外傳感器。在輪輻面板上均勻刻出孔,在輪子兩側(cè)固定相對的紅外發(fā)射、接收器件。在過孔處接收器可以接收到信號。從而輪子轉(zhuǎn)動時可以產(chǎn)生連續(xù)脈沖信號,通過對脈沖的計數(shù)進(jìn)行車速測量。以結(jié)構(gòu)簡單和輸出精確作為選擇標(biāo)準(zhǔn),我們認(rèn)為使用方案一的工作量最小。方案二、三雖然可以達(dá)到較高的精度(磁片不可能放置太密),但安裝較麻煩。由于題目中對路程的記錄沒有較高的精度要求,因此選擇了方案一。7 、供電電源選擇 方案一:單電源供電優(yōu)點(diǎn)是供電電路簡單;缺點(diǎn)是由于電機(jī)的特性,電壓波動較大,嚴(yán)重時可能造成單片機(jī)系統(tǒng)掉電。方案二:雙電源供電將電機(jī)驅(qū)動電
9、源其它電路電源分離,利用光電耦合器傳輸信號。優(yōu)點(diǎn)是減少耦合,提高系統(tǒng)穩(wěn)定性;缺點(diǎn)為電路較復(fù)雜,電池占空間較大。由于車耗電量較大,用 3 節(jié)鋰電池(每節(jié) 3V )或 6 節(jié) 5 號堿性電池串聯(lián)供電,可以滿足電量要求,為了節(jié)省有限的空間,選用單電源供電。又考慮到鋰電成本較高,且車體需要電池來配平重心,最終選用 6 節(jié)堿性電池裝到車體后部。電流分為兩路,一路通過 7805 穩(wěn)壓后向控制系統(tǒng)和傳感器供電,另一路加到電機(jī)驅(qū)動電路,并在電機(jī)端口兩端加上了 0.1uf 去耦電容。8 、方案論證總結(jié) 綜上所述,本設(shè)計方案如圖 1 所示。圖 1 智能車系統(tǒng)模塊劃分圖二、硬件的設(shè)計與實現(xiàn) 1 、電動機(jī) PWM 驅(qū)
10、動模塊的電路設(shè)計與實現(xiàn) 具體電路如圖 2 所示。本電路采用的是基于 PWM 原理的 H 型驅(qū)動電路。采用 H 橋電路可以增加驅(qū)動能力,同時保證了完整的電流回路。圖 2 H 型驅(qū)動模塊的設(shè)計當(dāng) 為高電平, 為低電平時, 、 管導(dǎo)通, 、 管截止,電動機(jī)正轉(zhuǎn)。當(dāng) 為低電平, 為高電平時, 、 管截止, 、 管導(dǎo)通,電動機(jī)反轉(zhuǎn)。電機(jī)工作狀態(tài)切換時線圈會產(chǎn)生反向電流,通過四個保護(hù)二極管 D1 、 D2 、 D3 、 D4 接入回路,防止電子開關(guān)被反向擊穿。采用 PWM 方法調(diào)整馬達(dá)的速度,首先應(yīng)確定合理的脈沖頻率。脈沖寬度一定時,頻率對電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性有較大影響,脈沖頻率高馬達(dá)運(yùn)行的連續(xù)性好,但帶負(fù)載
11、能力差;脈沖頻率低則反之。經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn),脈沖頻率在 50Hz 以上,電機(jī)轉(zhuǎn)動平穩(wěn),但智能車行駛時,由于摩擦力使電機(jī)轉(zhuǎn)速降低,甚至停轉(zhuǎn)。當(dāng)脈沖頻率在 10Hz 以下時,電機(jī)轉(zhuǎn)動有明顯的跳動現(xiàn)象,經(jīng)反復(fù)試驗,本車在脈沖頻率為 15 20Hz 時控制效果最佳。為方便測量及控制,在實際中我們采用了 20Hz 的脈沖。脈寬調(diào)速實質(zhì)上是調(diào)節(jié)加在電機(jī)兩端的平均功率,其表達(dá)式為:式中 P 為電機(jī)兩端的平均功率; 為電機(jī)全速運(yùn)轉(zhuǎn)的功率; K 為脈寬。當(dāng) K=1 時,相當(dāng)于加入直流電壓,這時電機(jī)全速運(yùn)轉(zhuǎn), ;當(dāng) K=0 時,相當(dāng)于電機(jī)兩端不加電壓,電機(jī)靠慣性運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)穩(wěn)定開動后,有(f 為摩擦力 )則 所以, 由
12、上式可知智能車的速度與脈寬成正比。由上述分析, 、 這對控制電壓采用了 20Hz 的周期信號控制,通過對其占空比的調(diào)整,對車速進(jìn)行調(diào)節(jié)。同時,可以通過 、 的切換來控制電動機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。在實際調(diào)試中,我們發(fā)現(xiàn)由于橋式電路中四個三極管的參數(shù)不一致,使控制難度加大,因此我們用專用的電機(jī)驅(qū)動管 L298 構(gòu)成。圖 3 L 298 內(nèi)部電路使用一片 L298 便可完成對兩路電機(jī)的控制。圖 4 用 L298 實現(xiàn)雙路電機(jī)驅(qū)動驅(qū)動信號由單片機(jī)的 P1.1P1.4 口輸出,同時使用一片 74HC08 驅(qū)動 LED 完成行駛狀態(tài)指示。2 、 路面黑線探測模塊的設(shè)計與實現(xiàn) 為了檢測路面黑線,在車底的前部安裝了
13、三組反射式紅外傳感器。其中左右兩旁各有一組傳感器,由三個傳感器組成“品”字形排列,中軸線上為一個傳感器。因為若采用中部的一組傳感器的接法,有可能出現(xiàn)當(dāng)駛出拐角時將無法探測到轉(zhuǎn)彎方向。若有兩旁的傳感器,則可以提前探測到哪一邊有軌跡,方便程序的判斷。采用傳感器組的目的是防止地面上個別點(diǎn)引起的誤差。組內(nèi)的傳感器采用并聯(lián)形式連接,等效為一個傳感器輸出。取組內(nèi)電壓輸出高的值為輸出值。這樣可以防止黑色軌跡線上出現(xiàn)的淺色點(diǎn)而產(chǎn)生的錯誤判斷,但無法避免白色地面上的深色點(diǎn)造成的誤判。因此在軟件控制中進(jìn)行計數(shù),只有連續(xù)檢測到若干次信號后才認(rèn)為是遇見了黑線。同時,采用探測器組的形式,可以在其中一個傳感器失靈的情況下
14、繼續(xù)工作。中間的一個傳感器在尋光源階段開啟,用于檢測最后的黑線標(biāo)志。在實驗場地上測試時發(fā)現(xiàn)中路傳感器的功能完全可由左右兩路傳感器結(jié)合軟件來實現(xiàn),故采用此法來實現(xiàn)。每個尋跡傳感器由三個 ST178 反射式紅外光電傳感器組成,內(nèi)部由高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管組成,具體電路如圖 5 。探測到黑色時輸出為高,輸出電壓隨探測物體表面顏色深度的減小而降低。其外形尺寸為 6.5mm * 5mm ,因此采用“品”字形排列時,橫寬為 13mm 左右。為了防止光束照射范圍超出軌跡線,將三個探測器的接收管集中在中部。圖中兩個電阻分別用于調(diào)整發(fā)射管的功率和接收管的靈敏度。為了防止環(huán)境光的影響,將其安
15、裝在靠近地面約 10mm 高度的位置上并蒙上用曝光膠卷制成的遮光片以減小影響。在此條件下測得對白色地面的輸出值約為 0.8V ,對黑色地面的輸出值約為 4.1V ,保證差值為 2V 以上。測得值由 4051 選擇, ADC0820 進(jìn)行 A/D 采集。3 、障礙物探測模塊 采用 TX05D 反射式紅外反射開關(guān)進(jìn)行探測。 TX05D 紅外反射開關(guān)實際上是一種一體化的紅外線發(fā)射、接收模塊。其工作電壓為 512V ,檢測距離 0 120cm 可調(diào),發(fā)射的是 38KHz 調(diào)制紅外線,可有效避免干擾。題目給定障礙物的高度為 6cm ,則傳感器的固定高度應(yīng)低于 6cm 。我們用曝光膠片作為濾光片,以減小非
16、紅外部分光對光敏管的影響。用三個傳感器模塊進(jìn)行探測,分別對應(yīng)正前方、左前方、右前方。圖 6 探障模塊位置圖由于車體為 24cm 14cm ,則車體以中心點(diǎn)為圓心轉(zhuǎn)動時車體中心距邊緣最大距離為 14cm 。由于探測頭在車的邊緣,因此,將探測的范圍定為 10cm ,為此需要調(diào)整發(fā)射強(qiáng)度和調(diào)節(jié)接收靈敏度。4 、尋光定向模塊 借鑒雷達(dá)掃描定位的方法。在距地面 20cm 處設(shè)置掃描尋光平臺,采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動扇形掃描。為了壓窄掃描波瓣的波束寬度。我們在傳感器上加上了長約 100mm 直徑約為 10mm 的導(dǎo)光管,使其波束寬度約為 3 度,提高了方位分辨力。抑制了其他高度上的光源影響,使本車不僅在室內(nèi)抑制了
17、頂燈壁燈的干擾,并可在室外抑制更為強(qiáng)烈的陽光影響。步進(jìn)電機(jī)采用四相四拍接法,步距角為 1.40625 使用 ULN2803 作為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動 。5 、車輪檢速及路程計算模塊 采用霍爾 開關(guān)電路 30211 。其輸入為磁感應(yīng)強(qiáng)度,輸出為數(shù)字電壓信號,開關(guān)速度快,無瞬間抖動。電路實現(xiàn)如圖 8 :智能車的車輪直徑 , 。我們在固定在輪軸上且與輪軸平行的圓盤上等 R 的位置上間隔 45 固定 8 個磁鋼。智能車行駛時圓盤與輪子同軸轉(zhuǎn)動。則行駛距離的測量精度為 。霍爾片產(chǎn)生的脈沖送入單片機(jī)的 INT1 口進(jìn)行計數(shù),由單片機(jī)完成脈沖數(shù)到距離的轉(zhuǎn)換,并由 求得速度。6 、金屬探測模塊 我們使用電感型接近開
18、關(guān)探測金屬片。其工作原理為:利用外界的金屬性物體對傳感器的高頻震蕩產(chǎn)生的阻尼效應(yīng)從而識別金屬物體的存在。震蕩器即是由纏繞在鐵氧體磁芯上的線圈構(gòu)成的 LC 震蕩電路。震蕩器通過傳感器的感應(yīng)面,在其前方產(chǎn)生一個高頻交變的電磁場。當(dāng)外界的金屬性導(dǎo)電物體接近這一磁場,并到達(dá)感應(yīng)區(qū)時,在金屬物體內(nèi)產(chǎn)生渦流效應(yīng),從而導(dǎo)致 LC 震蕩電路震蕩減弱,振幅變小,即稱之為阻尼現(xiàn)象。這一震蕩的變化,即被開關(guān)的后置電路放大處理并轉(zhuǎn)換為一確定的輸出信號,觸發(fā)開關(guān)并驅(qū)動控制器件,從而做非接觸式目標(biāo)檢測。其特點(diǎn)為:沒有磨損,使用壽命長;不會產(chǎn)生誤動作;無接觸,因而可免于保養(yǎng);輸出為開關(guān)量,方便 MCU 處理。為了防止路面不
19、平及車體晃動對探測的影響,我們使用了有效距離為 15mm 的接近開關(guān)作為探測器。使用時,我們將其固定在智能車的正前端,將探測面固定在與地面距離 10mm 左右的位置。將它的信號輸出端接到 INT0 口,通過中斷方式進(jìn)行探測。7 、語音模塊 為了達(dá)到節(jié)省空間及省電的目的,我們采用了 ISD1420 芯片。 ISD1420 是單片,高質(zhì)量,短周期的錄放音電路。由于錄制的信息存放在內(nèi)部不揮發(fā)單元中,斷電后可以長久保存,這將大大簡便電路設(shè)計,并可以減少電力的損耗。由于語音和音頻信號不經(jīng)過轉(zhuǎn)換直接以原來的狀態(tài)存儲到內(nèi)部存儲器,可以實現(xiàn)高質(zhì)量的語音復(fù)制。ISD1420 的輸入取樣速率為 6.4K/s ,最
20、小錄放音周期為 125ms ,共可有 160 段。 ISD1420 共有 8 條地址線,即選址范圍為 0000000010011111 。當(dāng)片內(nèi)有多段音頻時,通過地址線選定起始地址,當(dāng)放音至結(jié)束標(biāo)志時,放音結(jié)束。MCU 的地址線經(jīng)過鎖存器提供 ISD1420 數(shù)據(jù)地址,地址鎖存后,向 PLAYE 口送入由高到低的電平跳變,即可開始放音。我們預(yù)先將每一段語音的地址編成地址表,在使用時,只需從表中查處相應(yīng)的地址碼,賦值后再發(fā)出放音指令即可。語音系統(tǒng)實現(xiàn)的電路圖如圖 11 所示圖 11 ISD1420 應(yīng)用電路 8 、地形自動匹配模塊 由于地面紙張不是很平坦,路面的突起或凹陷會造成紅外線的匯聚或發(fā)散
21、,從而會影響測量的值。即便在同色的路面上,測量值也會因此產(chǎn)生一些波動。當(dāng)比較門限為定值時,有可能在波峰處有誤動,而在波谷處即便有黑色信號也可能無法測出,引起漏報。為了解決這個問題,可以使用“自學(xué)習(xí)”方式來設(shè)定門限,即求出多個采樣點(diǎn)的平均值,再加減一個值,作為最終的比較門限。這樣比較門限可以隨地面信號的波動而波動,從而減少誤報或漏報。常用的解決方式有兩種:“軟件自學(xué)習(xí)”和“硬件自學(xué)習(xí)”由于軟件采樣率高,如果用軟件自學(xué)習(xí)的方式,軟件的工作量很大,較難實現(xiàn)。故本設(shè)計采用硬件自學(xué)習(xí)的方式:利用 RC 網(wǎng)絡(luò)做成一個 LPF 等效于數(shù)字濾波中多個點(diǎn)求平均值,然后再加上一個值來構(gòu)成浮動門限。具體電路如下:由
22、 取 R2為1M的滑動電阻器實測中, R2分壓提供的門限值為 2V 左右,則從抽頭到地的阻值 ,時常數(shù) 約為 軟件的采樣率為 5ms ,故此 RC 網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)于求 4 點(diǎn)的平均值,再加上 2V 左右電壓值,產(chǎn)生了當(dāng)前的門限,實現(xiàn)了自動地形匹配功能。硬件自學(xué)習(xí)地形匹配模塊功能驗證地面條件白色灰色黑色門限值1.37V2.07V2.35V測試說明硬件自學(xué)習(xí)方式可以提高智能車行駛時對路況的適應(yīng)性。9 、硬件設(shè)計總結(jié) 在一般的設(shè)計方法的基礎(chǔ)上借鑒了雷達(dá)掃描原理對光源定向,同時通過硬件浮動門限實現(xiàn)了多傳感器地形匹配,利用左中右三個避障傳感器確定障礙位置,采用金屬傳感器識別鐵片,利用三個電機(jī)完成了所有的機(jī)械控
23、制,并加入一些其他功能模塊。四、軟件設(shè)計 1 、 整體設(shè)計 軟件設(shè)計采用原子模塊循環(huán)法,原子模塊循環(huán)法的原理簡述為:整個程序體即為最小循環(huán)體,不斷進(jìn)行循環(huán)執(zhí)行,直至任務(wù)結(jié)束。程序體分為采集模塊、處理模塊、判斷模塊、存儲模塊、輸出模塊。采集模塊通過模擬開關(guān)采回傳感器的輸出值。處理模塊對采集模塊采回的值進(jìn)行處理。對于開關(guān)量可以直接使用,對于模擬量通過 A/D 采回的值,通過程序處理將其轉(zhuǎn)換為開關(guān)量。判斷模塊是程序流程的核心,通過不同的策略對數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列運(yùn)算,判斷出當(dāng)前智能車的狀態(tài)及下一步的運(yùn)動方案,產(chǎn)生運(yùn)動的指令。圖 13 原子模塊循環(huán)法原理存儲模塊可將處理過的采集值及判斷模塊發(fā)出的指令按次序進(jìn)
24、行記錄,方便歷史數(shù)據(jù)回調(diào)。輸出模塊作用是將判斷模塊產(chǎn)生的指令送入各種執(zhí)行模塊。系統(tǒng)的流程圖如圖 13 所示在每一個采樣周期內(nèi)( 5ms )程序?qū)戳鞒踢\(yùn)行一遍,直到判斷模塊發(fā)出結(jié)束指令,程序結(jié)束。這種程序具有很強(qiáng)的通用性。對于題目中不同的區(qū)段要求,只需改變判斷模塊中的策略。傳感器的個數(shù)改變時可相應(yīng)改變判斷模塊的輸入的數(shù)據(jù)即可,且這種方法使程序可靠,策略執(zhí)行效率較高。2 、策略分析 對于有多個環(huán)境變量的策略設(shè)計,需要使用模糊算法。我們利用 MATlAB6.1 實現(xiàn)了有三個環(huán)境變量的智能車模糊控制的算法仿真。圖 14假定輸入量分別是障礙物 1 的距離、障礙物 2 的距離、光源的光強(qiáng)參數(shù),輸出量分別
25、是角度的改變量、速度的改變量。算法模型如圖 14 所示:每個輸入、輸出量分為 3 個等級,且用三角函數(shù)劃分有效域。輸入量中的距離 1 ,距離 2 分別劃分為 near (近)、 Middle (一般)、 far (遠(yuǎn)),光源強(qiáng)度劃分為 thin (弱)、 common (中)、 strong (強(qiáng))三個區(qū)域。圖 15控制的輸出量包括智能車角度改變量三個等級分別是 left (左偏)、 middle (保持) ,right (右偏),速度改變量也包括三個級別分別是 :low (減速)、 middle (速度不變)、 fast (加速)。圖 16模糊規(guī)則定義原則圖 17距離 1 和距離 2 和智能
26、車角度的仿真 3D 圖形圖 18智能車距離、光強(qiáng)和智能車速度的 3D 仿真圖形圖 19以上仿真給出了小車右優(yōu)先避障行的行駛過程。由于 89s52 的運(yùn)算功能有限,當(dāng)直接進(jìn)行模糊推理時,還需運(yùn)行浮點(diǎn)和乘除運(yùn)算,這樣就不能實現(xiàn)智能車控制的實時性。當(dāng)采用查表法實現(xiàn)控制時,可以根據(jù)實時的輸入端口查表得到當(dāng)前的輸出量,為了減少存儲空間,提高查找速度有必要降低區(qū)分度。對于本題目來說,在不同的分段區(qū)域中,可以將決策條件優(yōu)化為單個的環(huán)境變量。鑒于 原子模塊循環(huán)法的實時性和靈活性,無需在程序中進(jìn)行復(fù)雜的模糊推理。具體策略實現(xiàn)如下:尋跡行駛:由于采用了左右兩個傳感器,因此沿直線運(yùn)行時兩側(cè)傳感器測得值都為白。當(dāng)拐彎
27、或偏離軌跡時,會有一側(cè)傳感器測值為黑,即向同一側(cè)調(diào)整,使黑線始終在兩個傳感器之間,從而達(dá)到尋跡行駛目的。當(dāng)小車到達(dá) C 點(diǎn)時,智能車車頭指向前方。避障行駛:當(dāng)智能車到達(dá) C 點(diǎn)時,車頭指向前方。在障礙區(qū)和 C 點(diǎn)還有一段區(qū)域,在這段區(qū)域先讓智能車向右行駛,約到達(dá)障礙區(qū)邊界時調(diào)整車頭指向,并開始執(zhí)行避障策略,具體實現(xiàn)方法:沒有遇到障礙物,一直向前走,當(dāng)遇到障礙物時,智能車依次執(zhí)行向左轉(zhuǎn),后退,右轉(zhuǎn),前進(jìn)(具體示意見組圖 20-23 ,這樣相當(dāng)于智能車向右平移了一段距離,用軟件控制這段距離,使之稍大于車寬,以防智能車與障礙碰撞,如果遇到右邊界則執(zhí)行反相策略,即向右平移(圖 24 表示)。出障礙區(qū),
28、關(guān)閉避障策略。圖 20 圖 21圖 22 圖 23 圖 24圖 25進(jìn)入障礙區(qū)執(zhí)行避障策略,具體實現(xiàn)流程見圖 2尋光源:示意圖如圖 25 。 充分利用旋轉(zhuǎn)式光電探測模塊的優(yōu)點(diǎn)。采用分級鎖定目標(biāo)的方式逼近目標(biāo)。具體實現(xiàn)方法,初始時掃描扇區(qū)為 180 ,分為三個區(qū)域(左、中、右),每個區(qū)域各 60 。策略為光源在左區(qū)域車左轉(zhuǎn),在右區(qū)域車右轉(zhuǎn),在中區(qū)車前進(jìn)。下次掃描時將掃描扇區(qū)定為 120 , 再次執(zhí)行上述策略。理論上,可逼近至偏差角小于 1.40625 (步距角)。這樣即可在短時間內(nèi)精確定位光源。圖 26圖 27入庫:在尋到光源的情況下, 智能車 會不斷向光源方向調(diào)整,同時依靠探地傳感器避免車輛壓
29、線,最后安全入庫入庫,其策略如圖 26 (粗細(xì)線分別表示車進(jìn)入障礙區(qū)不同初始位置和運(yùn)動軌跡)。左右傳感器用來防止撞到車庫側(cè)壁,左邊探到車向右拐,右邊探到向左拐。實測進(jìn)入車庫前兩傳感器同時探到黑線的幾率很小,不予考慮; 智能車 行至底線時,兩傳感器將幾乎同時發(fā)現(xiàn)黑線,故我們設(shè)定兩傳感器發(fā)現(xiàn)黑線的間隔不超過 20ms, 即認(rèn)為到達(dá)底線,再令 車 倒退 10ms 正好停在車庫中。并加入距離限制:停車區(qū)共 1 米 ,由于進(jìn)入停車區(qū)時一般不會正對車庫,有一定偏角,此時開始計路程,軟件規(guī)定距離大于 1.2 米 時立即停車,防止傳感器失靈時整車沖出車庫。3 、 時間、距離統(tǒng)計及車速檢測程序 如前文所述,當(dāng)車
30、輪轉(zhuǎn)動時,安裝在圓盤上的磁鋼依次通過霍爾開關(guān),每通過一次就產(chǎn)生一個脈沖。通過對脈沖的計數(shù)即可以得到總的路程。金屬傳感器信號到來時紀(jì)錄當(dāng)時距離,即為金屬片到起點(diǎn)的距離。計數(shù)器從車體啟動時開始計時,判斷模塊發(fā)出結(jié)束指令后計時停止,由此可得到行駛的時間。由路程和時間即可得到平均速度。當(dāng)車達(dá)到終點(diǎn)后,通過 LED 和語音輸出時間、路程和平均速度。五、系統(tǒng)調(diào)試、測試及結(jié)果分析 1 、系統(tǒng)調(diào)試 ( 1 )偶然發(fā)現(xiàn)尋跡失靈現(xiàn)象:在尋跡走階段若在探地傳感器發(fā)出調(diào)整信號時正好金屬傳感器發(fā)出中斷信號, MCU 在處理中斷時車偏離軌跡,則尋跡行駛有失靈。解決方案:對探測到金屬片后的操作不放在中斷程序中執(zhí)行,而是改設(shè)
31、一全局布爾變量,在外部程序中進(jìn)行后續(xù)操作。成功解決此問題。( 2 )偶然不能正常啟動現(xiàn)象:鍵盤使用中斷方式,和霍爾探測器共用一中斷口。設(shè)計為行駛時接收中斷信號為霍爾傳感器的信號;停車時檢測到的為鍵盤的中斷。但發(fā)現(xiàn)有時啟動時鍵盤失靈。檢查發(fā)現(xiàn),當(dāng)停車時若霍爾傳感器正好檢測到一磁鋼片,則中斷口被拉低,按鍵失靈。解決方案:按鍵改為查詢方式,避免中斷復(fù)用,問題解決。( 3 )金屬片中心與起點(diǎn)距離不準(zhǔn)現(xiàn)象: 題目要求的是中心距,應(yīng)該將前后沿與起點(diǎn)距離分別測出后,再取二者平均值,這才是中心與起點(diǎn)的距離。但車上金屬傳感器信號接到 INT0 口,通過中斷方式進(jìn)行探測時,只能測鐵片前沿,故測出距離總比真值小半個
32、鐵片長。解決方案:中斷加查詢,中斷函數(shù)獲取鐵片前沿的距離,查詢中斷口電平由低到高跳變時獲取鐵片后沿的距離,再求平均。問題解決。2 、系統(tǒng)測試及結(jié)果分析 ( 1 )測試條件室內(nèi)測試,室溫 25 題目給定標(biāo)準(zhǔn)場地( 2 )測試儀器勝利儀器 DT890 數(shù)字式萬用表秒表卷尺 長度 3.5 米( 3 )測試結(jié)果及分析a 、基本要求一:到達(dá) B 點(diǎn),顯示鐵片數(shù)目并有聲光提示。表一次數(shù)是否到達(dá) B鐵片數(shù)目顯示鐵片數(shù)目有無聲光提示1是22有2是22有3是11有4是33有b 、基本要求二:到達(dá) C 點(diǎn),停車 5s 并有聲光提示。表二次數(shù)是否到達(dá) C有無停車延時(時間)有無聲光提示1是有 ( 5s )有2是有 ( 5s )有3是有 ( 5s )有4是有 ( 5s )有c 、基本要求三:從障礙物間通過,進(jìn)入停車區(qū)并進(jìn)入車庫。表三次數(shù)是否進(jìn)入停車區(qū)是否進(jìn)入車庫是否從障礙物間通過與障礙物碰撞次數(shù)1是是是02是是是13是是是04是是是0d 、基本要求四:入庫后停車,行駛
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