智能小車作品報(bào)告

基于光電導(dǎo)航的智能移動(dòng)測(cè)量小車南京理工大學(xué)南理工一隊(duì)指導(dǎo)教師：孫亞星張志強(qiáng)決賽編號(hào)：04-01-024引言本作品采用雙CPU〔STC89C52單片機(jī)〕為控制與檢測(cè)核心，系統(tǒng)穩(wěn)定、運(yùn)行可靠；采用12路灰度傳感器為尋跡核心，檢測(cè)及時(shí)、定位準(zhǔn)確；采用四輪減速直流電機(jī)作為機(jī)械動(dòng)力核心，動(dòng)力強(qiáng)勁、穩(wěn)定性高；采用紅外漫反射光電開(kāi)關(guān)和自制簡(jiǎn)易反光擋板作為小車啟停裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性強(qiáng)；采用光電傳感器、光電編碼器及柵格碼盤組合作為測(cè)量核心，統(tǒng)計(jì)鉛筆數(shù)目和測(cè)量隧道長(zhǎng)度并通過(guò)程序設(shè)計(jì)排除相互間的影響，并通過(guò)1602液晶顯示最終結(jié)果，簡(jiǎn)易直觀，本錢低廉。機(jī)械結(jié)構(gòu)上，將電池組安裝在適宜位置以降低作品重心，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性；自制安裝構(gòu)架以固定傳感器，使其在行駛過(guò)程中不出現(xiàn)擺動(dòng)，以提高測(cè)量的準(zhǔn)確性。圖1光電測(cè)量小車1總體設(shè)計(jì)1.1方案選擇1.1.1控制核心CPU的選擇適用于智能小車的處理器有很多，如：ARM單片機(jī)、51單片機(jī)、飛思卡爾等多種，鑒于51單片機(jī)開(kāi)發(fā)資料豐富、容易上手，及對(duì)相關(guān)知識(shí)有一定程度的掌握，但未涉及其他更“高級(jí)”的控制核心，因此在檢測(cè)與控制核心上選擇了51單片機(jī)。圖251單片機(jī)最小系統(tǒng)1.1.2循跡傳感器的選擇在尋跡上，最先考慮了智能小車常用的反射式紅外光電傳感器和其他一些光電傳感器，但其工作與原理無(wú)外乎發(fā)光-反射-接收-處理，由于紅外光電傳感器受外界光線的影響較大，因此選擇了可靠性更高的灰度傳感器。該灰度傳感器由發(fā)出白光的發(fā)光管、光敏元件以及電壓比擬器所組成，具有數(shù)字量輸出，并對(duì)色差較大的物體具有不同的輸出，如此次比賽的綠白色，在標(biāo)定上下電平輸出后即可對(duì)其有不同的輸出，且測(cè)量結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確可靠。1.1.3測(cè)量傳感器的選擇測(cè)量方面，鉛筆和隧道都對(duì)光有遮擋，有遮擋即有反射，有反射即可以被傳感器接收，為了使整個(gè)電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且模塊化，優(yōu)先考慮集成了數(shù)字信號(hào)輸出電路的紅外光電開(kāi)關(guān)，這樣做的目的是無(wú)需額外的電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，簡(jiǎn)單可靠。統(tǒng)計(jì)隧道長(zhǎng)度，柵格碼盤和碼盤編碼器是首選，碼盤編碼器就是一個(gè)結(jié)構(gòu)有所改變而原理不變的紅外光電開(kāi)關(guān)。1.1.4機(jī)械動(dòng)力的選擇小車的機(jī)械驅(qū)動(dòng)局部使用了四輪驅(qū)動(dòng)，并采用了減速直流電機(jī)，較之其他如步進(jìn)電機(jī)，伺服電機(jī)，減速直流電機(jī)控制更簡(jiǎn)單，價(jià)格更廉價(jià)。為了有足夠的動(dòng)力輸出，在原先7.2V電池組的根底上換成了9.6V大容量電池組。1602液晶，看似簡(jiǎn)陋，但顯示測(cè)量結(jié)果卻綽綽有余。1.2組成結(jié)構(gòu)小車按其功能可以分為導(dǎo)航尋跡局部和測(cè)量顯示局部。其中導(dǎo)航尋跡局部主要分為驅(qū)動(dòng)局部和檢測(cè)控制局部。驅(qū)動(dòng)局部由直流電機(jī)、控制芯片等等構(gòu)成；檢測(cè)控制局部那么由灰度傳感器，單片機(jī)構(gòu)成。相應(yīng)的流程圖如下：圖3控制流程圖測(cè)量顯示局部可分為測(cè)量和顯示兩局部，其中測(cè)量又可分為鉛筆數(shù)目統(tǒng)計(jì)、隧道長(zhǎng)度測(cè)量?jī)删植?，使用的傳感器為E18-D80NK紅外光電開(kāi)關(guān)和碼盤編碼器。測(cè)量結(jié)果由L1602液晶顯示。上述兩大局部分別由兩塊單片機(jī)控制，但兩者又是相互聯(lián)系的，主要聯(lián)系在于小車的啟停局部與小車的測(cè)量顯示局部，目的是防止小車在隧道中停車以及小車停止后外界擾動(dòng)對(duì)其測(cè)量的影響。2技術(shù)路線及可行性分析2.1尋跡的實(shí)現(xiàn)小車采用一塊8路灰度傳感器〔如圖3〕作為尋跡核心，將傳感器安裝在車身前部，每一路傳感器均有一個(gè)發(fā)光二極管和光敏三極管組成，賽道反射白光的能力與其顏色有關(guān)，通過(guò)調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)的電位器可以使白線上方的傳感器的輸出信號(hào)為低電平而使綠色賽道上方的傳感器的輸出信號(hào)為高電平，從而區(qū)分出了小車應(yīng)該前進(jìn)的方向。傳感器如此布局適合低速和S型彎道，對(duì)于高速以及直角轉(zhuǎn)彎，小車會(huì)因?yàn)閼T性沖出賽道使灰度傳感器偏離白色導(dǎo)航線而無(wú)法正常尋跡。圖4八路灰度傳感器前視圖為此，首先考慮在小車前輪兩側(cè)各安裝兩個(gè)灰度傳感器，當(dāng)小車前部沖出賽道時(shí)，車輪兩側(cè)的傳感器依然可以照到白色導(dǎo)航膠帶，從而小車可以根據(jù)這些傳感器采集的信號(hào)控制其轉(zhuǎn)彎。這種方式還可以簡(jiǎn)化成將8路灰度傳感器適當(dāng)前移，使得小車在行駛過(guò)程中可以提前預(yù)判，當(dāng)遇到轉(zhuǎn)彎時(shí)可以提前減速轉(zhuǎn)彎，從而防止其沖出賽道。對(duì)于小車的啟動(dòng)和停止，使用E18-F10NK和反光擋板，為了不干擾統(tǒng)計(jì)鉛筆數(shù)目的傳感器，將控制小車啟停的傳感器安裝在車身底部，這樣簡(jiǎn)易的反光板〔如圖5〕也可以做的較矮，防止影響。圖5車用放光擋板2.2測(cè)量的實(shí)現(xiàn)測(cè)量采用漫反射紅外光電開(kāi)關(guān)〔如圖5〕，為上下電平輸出。測(cè)量鉛筆數(shù)目的傳感器安裝在小車中部左右兩側(cè)，為了解決小車進(jìn)入隧道誤將隧道側(cè)壁當(dāng)成鉛筆進(jìn)行計(jì)數(shù)，在小車前部和后部各安裝一個(gè)同型號(hào)的光電開(kāi)關(guān)，通過(guò)這兩個(gè)傳感器可以判斷小車是否進(jìn)入隧道，從而設(shè)定在小車未進(jìn)入隧道之前，統(tǒng)計(jì)鉛筆數(shù)目的傳感器可以計(jì)數(shù)而測(cè)量隧道長(zhǎng)度的傳感器不工作，反之，假設(shè)小車進(jìn)入隧道，那么統(tǒng)計(jì)鉛筆數(shù)目的傳感器不計(jì)數(shù)而測(cè)量隧道長(zhǎng)度的傳感器工作。圖6光電傳感器示意圖傳感器如此布局，易受小車行駛時(shí)的穩(wěn)定性影響，尤其是小車沿著白色導(dǎo)航膠帶出現(xiàn)嚴(yán)重的左右擺動(dòng)時(shí)，測(cè)量隧道長(zhǎng)度的理論值會(huì)偏大，而統(tǒng)計(jì)鉛筆數(shù)目時(shí)假設(shè)鉛筆靠的很近就有可能將已經(jīng)計(jì)入數(shù)目的鉛筆重復(fù)計(jì)數(shù)，從而使測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)極大的誤差。在傳感器安裝不變的情況下，只有提高小車行駛的穩(wěn)定性才能防止這種情況的出現(xiàn)。3主要功能模塊設(shè)計(jì)3.1尋跡導(dǎo)航模塊的設(shè)計(jì)將灰度傳感器安裝在小車前部10厘米處，小車在賽道上的不同姿態(tài)將會(huì)返回一組不同的信號(hào)值，通過(guò)這組信號(hào)值就可以判斷小車的狀態(tài)，是該左轉(zhuǎn)還是右轉(zhuǎn)，是小轉(zhuǎn)還是大轉(zhuǎn)……單片機(jī)接收到這組信號(hào)，通過(guò)控制雙L298N驅(qū)動(dòng)模塊，控制直流電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止，采用PWM波進(jìn)行調(diào)速，可分為10檔，其中10檔最快。在直道上時(shí)，可以使用最高檔，而轉(zhuǎn)彎幅度較小時(shí)那么使相應(yīng)一側(cè)的速度減小，假設(shè)遇到直角轉(zhuǎn)彎，可以讓小車差速拐彎。在判斷左右直角轉(zhuǎn)彎時(shí)，采用“狀態(tài)記憶”法，所謂狀態(tài)記憶，就是小車前方灰度傳感器離開(kāi)白色導(dǎo)航膠帶前一刻返回的信號(hào)值，由于慣性，雖然使用了預(yù)判，但小車的前部任然會(huì)沖過(guò)直角轉(zhuǎn)彎處的橫向?qū)Ш侥z帶，“狀態(tài)記憶”法的目的就是在小車沖過(guò)導(dǎo)航膠帶后傳感器無(wú)法看到導(dǎo)航膠帶的情況下，使小車通過(guò)原地轉(zhuǎn)彎回到白色膠帶上。圖7賽道示意圖3.2統(tǒng)計(jì)鉛筆數(shù)目模塊漫反射式紅外光電開(kāi)關(guān)為數(shù)字信號(hào)輸出，在統(tǒng)計(jì)鉛筆數(shù)目過(guò)程中，輸出低電平時(shí)表示受到鉛筆遮擋，這里不能籠統(tǒng)地在輸出低電平時(shí)將鉛筆數(shù)目加1，因?yàn)殡m然低電平的持續(xù)時(shí)間很短，但相比于單片機(jī)的處理速度，這段時(shí)間還是相當(dāng)長(zhǎng)的，這種情況可能會(huì)導(dǎo)致最終的結(jié)果偏大。因此采用統(tǒng)計(jì)跳變沿的方法來(lái)計(jì)數(shù)，不難理解每一支鉛筆均可采集到兩個(gè)跳變沿，其中一個(gè)上升沿一個(gè)下降沿，為了編程方便，并不需要區(qū)分是上升沿還是下降沿，統(tǒng)一稱為跳變沿，一支鉛筆兩個(gè)跳變沿，在輸出結(jié)果上，只需將跳變沿的總數(shù)除以2即為鉛筆數(shù)目。統(tǒng)計(jì)跳變沿的方法還會(huì)在統(tǒng)計(jì)隧道個(gè)數(shù)以及測(cè)量隧道長(zhǎng)度時(shí)統(tǒng)計(jì)碼盤柵格數(shù)目時(shí)用到，原理和此處相同，因此下面不再贅述。3.3測(cè)量隧道長(zhǎng)度模塊因?yàn)橐蠼y(tǒng)計(jì)每段隧道的長(zhǎng)度并且分別顯示測(cè)量結(jié)果，因此需要統(tǒng)計(jì)隧道個(gè)數(shù)。兩個(gè)安裝在小車前部和后部且方向朝上的紅外光電傳感器將負(fù)責(zé)判斷小車是否進(jìn)入隧道以及是否駛出隧道。當(dāng)前方傳感器進(jìn)入隧道，安裝在小車底盤上的光電編碼器正常工作，依然使用統(tǒng)計(jì)跳變沿的方法統(tǒng)計(jì)轉(zhuǎn)過(guò)的柵格格數(shù)〔碼盤上柵格的數(shù)目將直接影響測(cè)量精度〕，通過(guò)一個(gè)固定的比例可以計(jì)算出隧道長(zhǎng)度；而當(dāng)該傳感器出隧道時(shí)，對(duì)應(yīng)的統(tǒng)計(jì)柵格格數(shù)的程序?qū)⒉槐粓?zhí)行。最終的結(jié)果通過(guò)相應(yīng)的格式顯示在液晶屏上方便讀取。3.4啟?？刂颇K本著簡(jiǎn)單實(shí)用的原那么，控制啟停使用E18-F10NK對(duì)射管以及相應(yīng)的反光板。開(kāi)始時(shí)，將小車的總開(kāi)關(guān)翻開(kāi)〔對(duì)射管處不能有遮擋〕，此時(shí)小車無(wú)法前進(jìn)，所有傳感器停止工作，將反光板靠近安裝于車身底層的對(duì)射管，對(duì)射管接收到信號(hào)后，小車立即啟動(dòng)；當(dāng)小車行駛一圈后回到出發(fā)點(diǎn)，再次遇到反光擋板，接收到信號(hào)后，小車立即停止且所有傳感器停止工作，測(cè)量結(jié)果無(wú)法變動(dòng)，此時(shí)可以讀取測(cè)量的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。圖8整體程序框圖4測(cè)試結(jié)果對(duì)傳感器的位置進(jìn)行微調(diào)、對(duì)驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行改良，小車跑完標(biāo)準(zhǔn)賽道的時(shí)間從一開(kāi)始的45秒左右穩(wěn)步提升到28秒左右；在使用跳變沿統(tǒng)計(jì)鉛筆數(shù)目后，當(dāng)鉛筆距白色導(dǎo)航膠帶為25-30厘米左右時(shí)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果準(zhǔn)確無(wú)誤；進(jìn)過(guò)對(duì)碼盤精確度的調(diào)整，測(cè)量隧道長(zhǎng)度的精確度由原來(lái)的厘米級(jí)提升到毫米級(jí)，但因?yàn)橘惖涝O(shè)置不直或小車行駛時(shí)出現(xiàn)輕微擺動(dòng)容易造成最終的測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)偏差，經(jīng)過(guò)計(jì)算，在自家隧道下誤差為2.25%左右，所以在反復(fù)驗(yàn)證后在程序中進(jìn)行軟件校正。5特色與創(chuàng)新點(diǎn)1、器件模塊化，電路連接簡(jiǎn)潔，實(shí)用可靠。小車一共可分為尋跡模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、51單片機(jī)控制模塊及測(cè)量模塊等。2、性價(jià)比高，部件自制，控制核心簡(jiǎn)單易用。在制作與調(diào)試過(guò)程中，我們始終堅(jiān)持用最常見(jiàn)、最廉價(jià)的材料，充分發(fā)揮材料的性能。我們采用了常見(jiàn)的51單片機(jī)作為控制核心，并利用了學(xué)校的激光切割機(jī)進(jìn)行了小車部件，如傳感器支架和車身等的加工。 3、通過(guò)程序的設(shè)計(jì)使得單片機(jī)軟件具有“記憶功能”。當(dāng)小車在沖出跑道時(shí)與之前的狀況作比擬，進(jìn)行判斷和執(zhí)行，可以有效地進(jìn)行尋跡。4、利用現(xiàn)成的車用平安警示反光板制成反光擋板，利用其對(duì)一定傾角范圍內(nèi)的入射光都會(huì)按入射光路反射的特點(diǎn)，并利用延時(shí)，增加了小車的啟停功能，本錢低且可靠易用。.6感想體會(huì)智能小車的涉及面很廣泛，包括控制、傳感器的使用、模塊的優(yōu)化、驅(qū)動(dòng)程序的編寫及優(yōu)化等。小車的設(shè)計(jì)和制作就是一個(gè)舊問(wèn)題不斷解決、新問(wèn)題不斷出現(xiàn)的過(guò)程，這一過(guò)程循環(huán)往復(fù)，最終的結(jié)果就是小車的性能不斷提升，測(cè)量的準(zhǔn)確性可靠性不斷提高。這也是一個(gè)由量變到質(zhì)變的過(guò)程，只有量的積累才能換來(lái)質(zhì)的飛躍。這就要求我們這個(gè)團(tuán)隊(duì)相互合作，取長(zhǎng)補(bǔ)短。小車的設(shè)計(jì)制作時(shí)間漫長(zhǎng)，對(duì)我們的耐心是一個(gè)很大的考驗(yàn)；與此同時(shí)，面對(duì)很多未知的問(wèn)題，我們必須設(shè)法去解決，同時(shí)老師為我們提供了方向，學(xué)校也為我們提供了許多資料，但是方案需要自己想，正因如此，