智能避障小車系統(tǒng)

1、智 能 避 障 小 車系 統(tǒng) 設 計 學科： 新技術專題 班級： - 姓名： - - - 學號： 17號 指導教師： - 電 氣 信 息 工 程 學 院一、系統(tǒng)設計概述通過飛思卡爾智能車競賽的學習和啟發(fā)，本設計實現(xiàn)一款具有自動避障運行功能的智能小車，通過光電開關和超聲波測距模塊配合識別前方是否有障礙物，如果遇到障礙物則通過舵機改變行駛方向。直流電機驅動模塊采用PID閉環(huán)控制，可以達到速度穩(wěn)定、快速、準確的控制，使智能小車能夠及時制動和恒速運行。本設計報告針對傳感器信號處理設計、電路設計、控制算法等方面進行重點闡述。二、總體系統(tǒng)構想框圖MC9S12XS128（主控芯片）超聲波模塊測速模塊電池7.

2、2V穩(wěn)壓模塊撥碼開關無線LED蜂鳴器人機接口傳感器部分電源部分電機驅動舵機執(zhí)行機構電機5V光電開關本設計中智能避障小車的體系結構如上圖。根據(jù)功能不同，避障小車的系統(tǒng)結構大致包括傳感器、控制、執(zhí)行機構、人機接口和電源五大部分。1.傳感器部分負責感知外部世界的環(huán)境信息和車模自身的狀態(tài)信息，為小車完成路況判斷和實現(xiàn)小車的運動控制提供所需的信息。傳感器部分包括光電開關、超聲波測距模塊和編碼器測速模塊三個子模塊。2.控制部分分析傳感器數(shù)據(jù)，提取路況信息，運行控制算法，向執(zhí)行機構發(fā)出動作信號，控制賽車朝無障礙方向行駛?？刂撇糠种黧w是16位單片機MC9S12XS128。3.執(zhí)行機構負責執(zhí)行動作信號，實現(xiàn)車的

3、前進、變速和轉向。執(zhí)行機構包括電機和舵機以及電機驅動模塊。4.人機接口實現(xiàn)模式和參數(shù)選擇、狀態(tài)指示、實時監(jiān)控以及數(shù)據(jù)存儲等人機交互功能，包括撥碼開關、LED、蜂鳴器、無線等模塊。5.電源部分負責向各部分提供合適的電源，包括電池和穩(wěn)壓模塊三、核心傳感器模塊1、超聲波測距模塊超聲波模塊采用目前比較常用的URM37超聲波傳感器默認是232接口，可以調(diào)為TTL接口,URM05大功率超聲波傳感器測試距離能到10米，算是目前來說測試距離比較遠的一款。功能應用：超聲波測距模塊通過超聲波發(fā)收的時間差計算得前方障礙物的距離，作為車體前方主要測距模塊判斷前方路況。（超聲波實物參考圖） 2、光電傳感器光電開關是傳感

4、器的一種，它把發(fā)射端和接收端之間光的強光電開關弱變化轉化為電流的變化以達到探測的目的。它所使用的冷光源有紅外光、紅色光、綠色光和藍色光等，可非接觸，無損傷地迅速和控制各種固體、液體、透明體、黑體、柔軟體和煙霧等物質的狀態(tài)和動作。具有體積小、功能多、壽命長、精度高、響應速度快、檢測距離遠以及抗光、電、磁干擾能力強的優(yōu)點。功能應用：由于光電開關相比沒有超聲波測距遠，作為兩側輔助測距模塊，增大對障礙物探測的范圍。3、編碼器測速模塊光電編碼器實現(xiàn)測速，光電編碼器可以分為增量式光電編碼器和絕對式光電編碼器。增量式光電編碼器可以輸出正比于轉速的脈沖，記錄單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)就可以間接測取實時速度。（編碼器實

5、物參考圖）功能應用：本設計采用歐姆龍E6A2-CWZ3光電編碼器作為速度傳感器，安裝在車尾與傳動齒輪嚙合，使用與電機相同齒數(shù)的齒輪，相當于直接測得電機的轉速。四、主控芯片控制模塊主體是單片機MC9S12XS128最小系統(tǒng)，主要包括時鐘、旁路電容、電源接口、燒錄和調(diào)試接口、I/O接口等。（單片機最小系統(tǒng)參考圖）MC9S12DG128 微控制單元作為MC9S12 系列的16位單片機，由標準片上外圍設備組成，包括16位中央處理器、128KB的Flash 存儲器、8KB的RAM、2KB的EEPROM、兩個異步串行通信接口、兩個串行外圍接口、一組8通道的輸入捕捉或輸出捕捉的增強型捕捉定時器、兩組8 通道

6、10 路模數(shù)轉換器、一組8通道脈寬調(diào)制模塊、一個字節(jié)數(shù)據(jù)鏈路控制器、29路獨立的數(shù)字I/O接口、20路帶中斷和喚醒功能的數(shù)字I/O 接口、5個增強型CAN總線接口。同時，單片機內(nèi)的鎖相環(huán)電路可使能耗和性能適應具體操作的需要。五、執(zhí)行機構執(zhí)行機構主要包括電機驅動、電機和舵機。舵機直接由單片機輸出的PWM信號控制；電機驅動使用H全橋電路，見下圖：（H全橋電路原理圖）六、電源模塊智能避障小車各不同部分需要不同電壓的電源，因此需要對每一部分做單獨的穩(wěn)壓處理。電磁車的電源部分設計如下圖所示：（電源分配圖）六、系統(tǒng)控制流程及PID算法設計跟蹤控制程序包括舵機控制和電機控制兩部分，主要使用增量式PID控制。

7、（避障小車控制框圖）1.舵機控制舵機控制就是小車的方向控制，以小車車體為參考系，控制前輪轉向，始終朝無障礙物的方向行駛，即期望方向。光電開關及超聲波感器獲取前方路況信息，以前方障礙物的距離作為偏差用于增量式PID計算，得出控制舵機的PWM波占空比；舵機驅動前輪，控制賽車運動，使小車用適當?shù)慕嵌燃皶r變向。根據(jù)增量式PID算法公式： 公式(3-1)設計舵機控制程序核心語句如下：Pdu = PKp *( Pe - Pe1 ) + PKi * Pe + PKd * ( Pe - 2 * Pe1 + Pe2 ) ;Pu = Pu + Pdu ;其中Pe、Pe1、Pe2是行駛方向偏差，Pu是舵機對應的PWM通道占空比寄存器值，Pdu是Pu的增量。2.電機控制電機控制就是小車的速度控制，其期望速度來源于速度規(guī)劃環(huán)節(jié)。expspeed = Vmax SPKp * fabs( Pe ) ;其中Vmax為設定的電機最大速度，它減去位置偏差Pe的倍數(shù)作為期望速度。也就是說，偏差越小，期望速度越大；偏差越大，期望速度越小。速度傳感器獲取電機實際速度；期望速度與實際速度的偏差用于增量式PID計算，得出控制電機的PWM波占空比；電機驅動將PWM信號功率放大，驅動電機，控制小車車速度等于期望速度。根據(jù)以上公式設計電機控制程序核心語句如下：Vdu = VKp *(