电动小车最终方案版(共28页)

一、任务 设计并制作一个简易智能电动车，其行驶路线示意图如下： 二、要求 1、基本要求 （1）电动车从起跑线出发（车体不得超过起跑线），沿引导线到达B点。在“直道区”铺设的白纸下沿引导线埋有13块宽度为15cm、长度不等的薄铁片。电动车检测到薄铁片时需立即发出声光指示信息，并实时存储、显示在“直道区”检测到的薄铁片数目。 （2）电动车到达B点以后进入“弯道区”，沿圆弧引导线到达C点（也可脱离圆弧引导线到达C点）。C点下埋有边长为15cm的正方形薄铁片，要求电动车到达C点检测到薄铁片后在C点处停车5秒，停车期间发出断续的声光信息。 （3）电动车在光源的引导下，通过障碍区进入停车区并到达车库。电动车必须在两个障碍物之间通过且不得与其接触。 （4）电动车完成上述任务后应立即停车，但全程行驶时间不能大于90秒，行驶时间达到90秒时必须立即自动停车。 2、发挥部分 （1）电动车在“直道区”行驶过程中，存储并显示每个薄铁片（中心线）至起跑线间的距离。 （2）电动车进入停车区域后，能进一步准确驶入车库中，要求电动车的车身完全进入车库。 （3）停车后，能准确显示电动车全程行驶时间。 （4）其它。 三、评分标准 项 目 满分 基本要求 设计与总结报告：方案比较、设计与论证，理论分析与计算，电路图及有关设计文件，测试方法与仪器，测试数据及测试结果分析 50 实际完成情况 50 发挥部分 完成第（1）项 15 完成第（2）项 17 完成第（3）项 8 其它 10 四、说明 1、跑道上面铺设白纸，薄铁片置于纸下，铁片厚度为0.51.0mm。 2、跑道边线宽度5cm，引导线宽度2cm，可以涂墨或粘黑色胶带。示意图中的虚线和尺寸标注线不要绘制在白纸上。 3、障碍物1、2可由包有白纸的砖组成，其长、宽、高约为50cm 12cm 6cm，两个障碍物分别放置在障碍区两侧的任意位置。 4、电动车允许用玩具车改装，但不能由人工遥控，其外围尺寸（含车体上附加装置）的限制为：长度35cm，宽度15cm。 5、光源采用200W白炽灯，白炽灯泡底部距地面20cm，其位置如图所示。 6、要求在电动车顶部明显标出电动车的中心点位置，即横向与纵向两条中心线的交点。 一、方案选择与论证 1 、运动方式的 选择 通常的运动方法有轮式和履带驱动式两种，其选择依赖于路面状况、机械复杂性和控制复杂性。 方案一：采用四轮 常见的汽车结构模式 特点是一个马达作为动力，通过变速箱驱动后轮；另一个马达转动导向轮来决定行驶方向。优点是在直道行驶速度较快、 方向和速度相互独立。 缺点为转弯半径大、驱动轮易打滑、导向轮方向不易精确控制。 方案二：采用履带式结构 特点：两个电机分别驱动两条履带。优点是可以在原地转动；在不平的路面上性能稳定，牵引力大。缺点为速度慢、速度和方向不能单独控制摩擦力很大；能量损耗大，机械结构复杂。 我们选择方案一2 、电机驱动调速方案论证 电机驱动调速方案的控制目标是实现电动机的正、反转及调速 方案一：电阻网络或数字电位器调整分压 采用电阻网络或数字电位器分压调整电动机的电压。但电动机工作电流很大；分压不仅会降低效率，而且实现很困难。 方案二：采用继电器开关控制 采用继电器控制电动机的开或关，通过开关的切换调整车速。优点是电路简单，缺点是响应时间慢、控制精度低、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性低。 方案三： H 型 PWM 电路 采用电子开关组成 H 型 PWM 电路。 H 型电路保证了简单的实现转速和方向的控制；用单片机控制电子开关工作的占空比，精确调整电动机转速。最终选择方案三。 3 、路面探测方案论证 探测路面黑线的原理：光线照射到路面并反射，由于黑线和白线的反射系数不同，可根据接收到的反射光的强弱来判断传感器和黑线相对位置。 方案一：采用可见光发光二极管和光敏二极管 采用普通可见光发光管和光敏管组成的发射接收电路。其缺点在于易受到环境光源的影响。即便提高发光管亮度也难以抵抗外界光的干扰。 方案二：采用反射式红外发射接收器 采用反射式红外发射接收器。直接用直流电压对发射管进行供电，其优点是实现简单，对环境光源的抗干扰能力强，在要求不高时可以使用。 方案三：采用脉冲调制的红外发射接收器 在方案二的基础上采用脉冲调制发射。由于环境光干扰主要是直流分量，因此如果采用带有特定交流分量的调制信号，则可在接收端采用相应的手段来大幅度减少外界干扰。缺点是实现复杂成本高。 根据本题目中对探测地面的要求，由于传感器可以在车体的下部，发射、接收距地面都很近，外界光对其的干扰都很小。在基本不影响效果的前提下，为了简便起见，我们选用了方案二。 4 、障碍物探测模块 方案一：超声波探测 采用超声波器件。超声波波瓣较宽，一个发生器就可以监视较宽的范围。其优点为抗干扰能力强，不受物体表面颜色的影响。缺点为实现电路复杂，且用通常的测量方法在较近距离上有盲区。 方案二：光电式探测 采用光电式发射、检测模块。由于单个发射器的照射范围不能太小，因此不使用激光管。用波瓣较宽的脉冲调制型红外发射管和接收器。其优点是电路实现简单，抗干扰性较强。 由于题目中已知障碍物外表为白色，有利于红外线的反射。同时从电路实现的难易程度上考虑，我们最终选择了方案一。 5 、寻光定向模块 题目条件是在终点线后放置 200W 白炽灯用以指向，因此采用普通光敏三极管进行检测。 方案一：车转式安装 采用固定方向安装方式。将两个光敏三极管固定在车头的左右两边指向前方，当车头对准光源时，两传感器输出平衡；当车的方向不准时，通过两传感器输出的差别控制车原地转向来寻找光源。 方案二：模拟雷达扫描 用装在车底盘上的步进电机带动圆盘左右扫描，装在圆盘上的光敏传感器通过扫描 ，可以准确定位光源。 我们采用了方案一。 6 、车轮检速及路程计算模块 方案一：磁感应式 采用霍尔元器件（霍尔元器件应用霍尔效应，输出量与磁场的大小有关）并在车轮上安装磁片，利用位置固定的开关型霍尔元器件来检测车轮的转动，通过单位时间内的脉冲数进行车速测量。 方案二：光反射式 采用反射式红外器件。在车轮轮辐面板上均匀画出黑底白线或白底黑线，通过正对线条的反射式红外器件，产生脉冲。通过对脉冲的计数测速。 方案三：光对射式 采用对射式红外传感器。在轮辐面板上均匀刻出孔，在轮子两侧固定相对的红外发射、接收器件。在过孔处接收器可以接收到信号。从而轮子转动时可以产生连续脉冲信号，通过对脉冲的计数进行车速测量。 选择了方二。 7 、供电电源选择 空8 、方案论证总结 综上所述，本设计方案如图 1 所示。二、硬件的设计与实现 1 、电动机 PWM 驱动模块的电路设计与实现 具体电路如图 2 所示。本电路采用的是基于 PWM 原理的 H 型驱动电路。采用 H 桥电路可以增加驱动能力，同时保证了完整的电流回路。 图 2 H 型驱动模块的设计 当 为高电平， 为低电平时， 、 管导通， 、 管截止，电动机正转。当 为低电平， 为高电平时， 、 管截止， 、 管导通，电动机反转。电机工作状态切换时线圈会产生反向电流，通过四个保护二极管 D1 、 D2 、 D3 、 D4 接入回路，防止电子开关被反向击穿。 采用 PWM 方法调整马达的速度，首先应确定合理的脉冲频率。脉冲宽度一定时，频率对电机运行的平稳性有较大影响，脉冲频率高马达运行的连续性好，但带负载能力差；脉冲频率低则反之。经试验发现，脉冲频率在 50Hz 以上，电机转动平稳，但智能车行驶时，由于摩擦力使电机转速降低，甚至停转。当脉冲频率在 10Hz 以下时，电机转动有明显的跳动现象，经反复试验，本车在脉冲频率为 15 20Hz 时控制效果最佳。为方便测量及控制，在实际中我们采用了 20Hz 的脉冲。 脉宽调速实质上是调节加在电机两端的平均功率，其表达式为： 式中 P 为电机两端的平均功率； 为电机全速运转的功率； K 为脉宽。 当 K=1 时，相当于加入直流电压，这时电机全速运转， ；当 K=0 时，相当于电机两端不加电压，电机靠惯性运转。 当电机稳定开动后，有 (f 为摩擦力 ) 则 所以， 由上式可知智能车的速度与脉宽成正比。 由上述分析， 、 这对控制电压采用了 20Hz 的周期信号控制，通过对其占空比的调整，对车速进行调节。同时，可以通过 、 的切换来控制电动机的正转与反转。 在实际调试中，我们发现由于桥式电路中四个三极管的参数不一致，使控制难度加大，因此我们用专用的电机驱动管 L298 构成。 图 3 L 298 内部电路 使用一片 L298 便可完成对两路电机的控制。 图 4 用 L298 实现双路电机驱动 驱动信号由单片机的 P1.1P1.4 口输出，同时使用一片 74HC08 驱动 LED 完成行驶状态指示。 在工业控制系统中，单片机总要对控制对象实现操作，因此，在这样的系统中，总要有后向通道。后向通道是计算机实现控制运算处理后，对控制对象的输出通道接口。根据单片机的输出和控制对象实现控制信号的要求，后向通道具有以下特点：（1） 小信号输出、大功率控制。根据目前单片机输出功率的限制，不能输出控制对象所要求的功率信号。（2） 是一个输出通道。输出伺服驱动系统控制信号，而伺服驱动系统中的状态反馈信号通常是作为检测信号输入前向通道。（3） 接近控制对象，环境恶劣。控制对象多为大功率伺服驱动机构，电磁、机械干扰较为严重。但后向通道是一个输出通道，而且输出电平较高，不易受到直接损害。但这些干扰易从系统的前向通道窜入。单片机在完成控制处理后，总是以数字信号通过I/O口或数据总线送给控制对象。这些数字信号形态主要有开关量、二进制数字量和频率量，可直接用于开关量、数字量系统及频率调制系统，但对于一些模拟量控制系统，则应通过数模转换成模拟量控制信号。 根据单片机输出信号形态及控制对象要求，后向通道应解决：（1） 功率驱动。将单片机输出信号进行功率放大，以满足伺服驱动的功率要求。（2） 干扰防治。主要防治伺服驱动系统通过信号通道电源以及空间电磁场对计算机系统的干扰。通常采用信号隔离电源隔离和对功率开关实现过零切换等方法进行干扰防治。（3） 数/模转换。对于二进制输出的数字量采用D/A变换器；对于频率量输出则可以采用本设计调速采用PWM调速5：为顺利实现电动小汽车的左转和右转，本设计采用了可逆PWM变换器。可逆PWM变换器主电路的结构式有H型、T型等类型。我们在设计中采用了常用的双极式H型变换器，它是由4个三极电力晶体管和4个续流二极管组成的桥式电路。图3.4为双极式H型可逆PWM变换器的电路原理图。4个电力晶体管的基极驱动电压分为两组。VT1和VT4同时导通和关断，其驱动电路中Ub1=Ub4；VT2和VT3同时动作，其驱动电压Ub2=Ub3= -Ub1。双极式PWM变换器的优点如下：（1）电流一定连续；（2）可使电动机在四象限中运行；（3）电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；（4）低速时，每个晶体管的驱动脉冲仍较宽，有利于保证晶体管可靠导通；（5）低速平稳性好，调速范围可达20000左右。1、脉宽调制原理：脉宽调制器本身是一个由运算放大器和几个输入信号组成的电压比较器。运算放图3.4 双极式H型可逆PWM变换器电路原理图大器工作在开换状态，稍微有一点输入信号就可使其输出电压达到饱和值，当输入电压极性改变时，输出电压就在正、负饱和值之间变化，这样就完成了把连续电压变成脉冲电压的转换作用。加在运算放大器反相输入端上的有三个输入信号。一个输入信号是锯齿波调制信号，另一个是控制电压，其极性大小可随时改变，与锯齿波调制信号相减，从而在运算放大器的输出端得到周期不变、脉宽可变的调制输出电压。只要改变控制电压的极性,也就改变了PWM变换器输出平均电压的极性,因而改变了电动机的转向.改变控制电压的大小,则调节了输出脉冲电压的宽度,从而调节电动机的转速.只要锯齿波的线性度足够好,输出脉冲的宽度是和控制电压的大小成正比的. 2 、 路面黑线探测模块的设计与实现 为了检测路面黑线，在车底的前部安装了三组反射式红外传感器。其中左右两旁各有一组传感器，由三个传感器组成“品”字形排列，中轴线上为一个传感器。因为若采用中部的一组传感器的接法，有可能出现当驶出拐角时将无法探测到转弯方向。若有两旁的传感器，则可以提前探测到哪一边有轨迹，方便程序的判断。采用传感器组的目的是防止地面上个别点引起的误差。组内的传感器采用并联形式连接，等效为一个传感器输出。取组内电压输出高的值为输出值。这样可以防止黑色轨迹线上出现的浅色点而产生的错误判断，但无法避免白色地面上的深色点造成的误判。因此在软件控制中进行计数，只有连续检测到若干次信号后才认为是遇见了黑线。同时，采用探测器组的形式，可以在其中一个传感器失灵的情况下继续工作。中间的一个传感器在寻光源阶段开启，用于检测最后的黑线标志。 在实验场地上测试时发现中路传感器的功能完全可由左右两路传感器结合软件来实现，故采用此法来实现。 每个寻迹传感器由三个 ST178 反射式红外光电传感器组成，内部由高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成，具体电路如图 5 。参考图：探测到黑色时输出为高，输出电压随探测物体表面颜色深度的减小而降低。其外形尺寸为 6.5mm * 5mm ，因此采用“品”字形排列时，横宽为 13mm 左右。为了防止光束照射范围超出轨迹线，将三个探测器的接收管集中在中部。图中两个电阻分别用于调整发射管的功率和接收管的灵敏度。为了防止环境光的影响，将其安装在靠近地面约 10mm 高度的位置上并蒙上用曝光胶卷制成的遮光片以减小影响。在此条件下测得对白色地面的输出值约为 0.8V ，对黑色地面的输出值约为 4.1V ，保证差值为 2V 以上。测得值由 4051 选择， ADC0820 进行 A/D 采集。 3 、障碍物探测模块 （1）传感器的比较3识别障碍的首要问题是传感器的选择，下面对几种传感器的优缺点进行说明（见表3.1）。探测障碍的最简单的方法是使用超声波传感器，它是利用向目标发射超声波脉冲，计算其往返时间来判定距离的。该方法被广泛应用于移动机器人的研究上。其优点是价格便宜，易于使用，且在10m以内能给出精确的测量。不过在ITS系统中除了上文提出的场景限制外，还有以下问题。首先因其只能在10m以内有效使用，所以并不适合ITS系统。另外超声波传感器的工作原理基于声，即使可以使之测达100m远，但其更新频率为2Hz，而且还有可能在传输中受到它信号的干扰，所以在CW/ICC系统中使用是不实际的。表3.1 传感器性能比较传感器类型优 点缺 点超声波视觉激光雷达MMW雷达价格合理，夜间不受影响。易于多目标测量和分类，分辨率好。价格相合理，夜间不受影响不受灯光、天气影响。测量范围小，对天气变化敏感。不能直接测量距离，算法复杂，处理速度慢。对水、灰尘、灯光敏感。价格贵视觉传感器在CW系统中使用得非常广泛。其优点是尺寸小，价格合理，在一定的宽度和视觉域内可以测量定多个目标，并且可以利用测量的图像根据外形和大小对目标进行分类。但是算法复杂，处理速度慢。雷达传感器在军事和航空领域已经使用了几十年。主要优点是可以鲁棒地探测到障碍而不受天气或灯光条件限制。近十年来随着尺寸及价格的降低，在汽车行业开始被使用。但是仍存在性价比的问题。（2）超声波障碍检测4超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，其频率超过20KHz，分横向振荡和纵向振荡两种，超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。它有折射和反射现象，且在传播过程中有衰减。利用超声波的特性，可做成各种超声波传感器，结合不同的电路，可以制成超声波仪器及装置，在通讯、医疗及家电中获得广泛应用。作为超声波传感器的材料，主要为压电晶体。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，故它分为发送器和接收器。超声波传感器有透射型、反射型两种类型，常用于防盗报警器、接近开关、测距及材料探伤、测厚等。本设计采用T/R-40-12小型超声波传感器作为探测前方障碍物体的检测元件，其中心频率为40Hz，由80C51发出的40KHz脉冲信号驱动超声波传感器发送器发出40KHz的脉冲超声波，如电动车前方遇到有障碍物时，此超声波信号被障碍物反射回来，由接收器接收，经LM318两级放大，再经带有锁相环的音频解码芯片LM567解码，当LM567的输入信号大于25mV时，输出端由高电平变为低电平，送80C51单片机处理。超声波检测如图3.3超声波检测电路所示。图 3.3 超声波检测电路。题目给定障碍物的高度为 6cm ，则传感器的固定高度应低于 6cm 用三个传感器模块进行探测，分别对应正前方、左前方、右前方。 图 6 探障模块位置图 由于车体为 24cm 14cm ，则车体以中心点为圆心转动时车体中心距边缘最大距离为 14cm 。由于探测头在车的边缘，因此，将探测的范围定为 10cm ，为此需要调整发射强度和调节接收灵敏度。 4、传感器监测电路金属采用霍尔 开关电路 44E。其输入为磁感应强度，输出为数字电压信号，开关速度快，无瞬间抖动。电路实现如图 85 、寻光定向模块 （1）光电传感器外光效应器件外光效应器件为光敏传感器中比简单的敏感元件。当有一定量的光线作用时，外光电效应器件短路，使 为高电平输出，平时为低电平。外光效应器件为小车顺利通过障碍物，进入停车区时对车库光源的监测。我准备了两个光传感器对车库光源进行校准。当光传感器距光线源 时，同时途中没有障碍物阻挡光线的传播，光接受器为高电平。所以我利用两个光传感器对车库定位。如图11摆放传感器，当光源出现时，小车就能针对光源作适当的调整。当两个接收器都为高电平时小车的正前方为车库的位置。光线跟踪，采用光敏三极管接收灯泡发出的光线，当感受到光线照射时，其c-e间的阻值下降，检测电路输出高电平，经LM393电压比较器和74LS14施密特触发器整形后送单片机控制。本系统共设计两个光电三极管，分别放置在电动车车头的左、右两个方向，用来控制电动车的行走方向，当左侧光电管受到光照时，单片机控制转向电机向左转；当右侧光电管受到光照时，单片机控制转向电机向右转；当左、右两侧光电管都受到光照时，单片机控制直行。见图2.1 电动车的方向检测电路(a)。图2.1 电动车的方向检测电路(a)6、 显示电路设计本设计中用两片4位八段数码管gem4561ae作显示器,并具有双重功能,在小车不行驶时其中一片显示年月,另一片显示时.分. 当小车行驶时,分别显示时间和行驶距离原理图如图1. 本设计中采用新型芯片EM78P458作为显示驱动器,它的管脚如图3.5 EM78P458管脚介绍所示,用单片机的并行口控制,一个数码显示电路用4个口线,用专用驱动芯片控制可以减少对CPU的利用时间,单片机将有更多的时间去完成其他功能.图3.5 EM78P458的管脚该芯片共有20个管脚，管脚 LED1LED2LED3LED4分别接10k电阻和三极管后与4位八段数码管5461中的a1a2a3a4四个数位选择端相连，这四个数位选择端用来产生LED选通信号。管脚abcdefgdp分别接680欧电阻后与四位八段数码管5461中的abcdefgdp相连，分别控制各段码和小数点。管脚d0d1d2d3接单片机并行口，通过对单片机对芯片进行控制。管脚vss串上10k电阻后与vcc管脚相接后再接+5v电源，管脚gnd接地。该芯片所驱动的显示电路如图3.6 EM78P458集成显示电路所示显示驱动器支持动态显示，其显示功能如表4.2真值表所示，0000-1001显示从0-9数字，1010是未进位时是小数点清位，1011是进位后加小数点，1100-1111是八段共阴数码管的位选。图3.6 EM78P458集成显示电路表4.2真值表D3D2D1D0显示000000001100102001130100401015011060111710008100191010清小数点1011加小数点1100a1选通1101a2选通1110a3选通1111a4选通7 、语音模块 为了达到节省空间及省电的目的，我们采用了 ISD1420 芯片。 ISD1420 是单片，高质量，短周期的录放音电路。由于录制的信息存放在内部不挥发单元中，断电后可以长久保存，这将大大简便电路设计，并可以减少电力的损耗。由于语音和音频信号不经过转换直接以原来的状态存储到内部存储器，可以实现高质量的语音复制。 ISD1420 的输入取样速率为 6.4K/s ，最小录放音周期为 125ms ，共可有 160 段。 ISD1420 共有 8 条地址线，即选址范围为 。当片内有多段音频时，通过地址线选定起始地址，当放音至结束标志时，放音结束。 MCU 的地址线经过锁存器提供 ISD1420 数据地址，地址锁存后，向 PLAYE 口送入由高到低的电平跳变，即可开始放音。我们预先将每一段语音的地址编成地址表，在使用时，只需从表中查处相应的地址码，赋值后再发出放音指令即可。语音系统实现的电路图如图 11 所示 图 11 ISD1420 应用电路 八行车距离检测由于红外检测具有反应速度快、定位精度高，可靠性强以及可见光传感器所不能比拟的优点，故采用红外光电码盘测速方案。具体电路同图2.5 行车距离检测电路所示：图2.5 行车距离检测电路红外测距仪由测距轮，遮光盘，红外光电耦合器及凹槽型支架组成的。测长轮的周长为记数的单位，最好取有效值为单一的数值（如本设计中采用0.1米），精度根据电动车控制的需要确定。测距轮安装在车轮上，这样能使记数值准确一些。遮光盘有一缺口，盘下方的凹形物为槽型光电耦合器，其两端高出部分的里面分别装有红外发射管和红外接收管。遮光盘在凹槽中转动时，缺口进入凹槽时，红外线可以通过，缺口离开凹槽红外线被阻挡。由此可见，测距轮每转一周，红外光接收管均能接收到一个脉冲信号经过整形器后送入计数器或直接送入单片机中。为实现可逆记数功能，我们在测距仪中并列放置了两个槽型光电耦合器，遮光盘先后通过凹槽可产生两个脉冲信号。根据两个脉冲信号发生的先后顺序与两个光电耦合器的位置关系，即可计算出玩具车的行驶方向（前进或后退）。遮光盘及槽型光电耦合器均安装在不透光的盒子里，以避免外界光线的干扰，使电路不能正常工作。测距原理：将光栅安装在电机轴上，当电机转动时，光栅也随之转动，同时安装在光栅一侧的红外发光二极管点亮，在光栅的另一侧设有红外三极管，用于接收红外发光二极管发出的红外线信号。由于光栅随电机高速转动，则红外线三极管接收到的就是一系列脉冲信号。将该信号传输到80C51单片机的内部计数器计数，根据预先实测的数据换算关系即可计算出电动机车的行车距离。图4.1 流程图2.2.2.2外围传感器 在该作品中，传感器是必不可少的信号接收和发射装置，它们负责采集所有外部环境的各种信息，基本上小车的每一个动作都和传感器有着密切的关系。 图1.9是各传感器布局图：图1.9 电动车传感器布局图小汽车的各部分功能都与相对应的传感器有着密切的联系，单片机的所有控制信号都依据各传感器采集到的信号来判断。