循迹避障小车答辩

作 品 汇 报 智 能 循 迹 小 车设 计 制 作 者 ： 破 坏 者 队 电 子 科 学 与 工 程 学 院 张 鑫 钱 雨 皎 卢 阳方 案 设 计 时 间 ： 2 0 1 4 年 3 月 2 0 1 4 年 4 月 设 计 背 景 人 们 在 不 断 探 讨 、 改 造 、 认 识 自 然 的 过 程 中 ， 制造 能 替 代 人 劳 动 的 机 器 一 直 是 人 类 的 梦 想 。 他 可 以 按照 预 先 设 定 的 模 式 在 一 个 特 定 的 环 境 里 自 动 的 运 作 ，无 需 人 为 管 理 ， 便 可 以 完 成 预 期 所 要 达 到 的 或 是 更 高的 目 标 。 智 能 车 就 是 其 中 的 一 个 体 现 。 智 能 小 车 集 环境 感 知 、 规 划 决 策 ， 自 动 行 驶 等 功 能 于 一 体 的 综 合 系统 ， 是 典 型 的 高 新 技 术 综 合 体 。 本 次 设 计 的 智 能 车 ， 采 用 ST89C52单 片 机 作 为 小 车的 核 心 ； 利 用 红 外 传 感 器 进 行 寻 迹 ， 用 双 L298N作 为 电机 控 制 。 n 我 们 采 用 单 片 机 STC8 9 C5 2 作 为 主 控 制 核 心 ， STC8 9 C5 2 的 对 当 前 的 传感 器 进 行 查 询 ， 根 据 传 感 器 传 来 的 信 息 ， 对 当 前 的 环 境 作 出 判 断 ， 最后 对 电 机 作 出 相 应 的 动 作 。 单 片 机 通 过 红 外 传 感 器 检 测 场 地 白 线 ， 从而 控 制 电 机 驱 动 模 块 ， 改 变 电 机 转 速 ， 达 到 改 变 方 向 的 目 的 。 系 统 框图 如 下 ： 小 车 的 总 体 设 计 地 面 白 线 传 感 器 ST8 9 C5 2 电 机 驱动 模 块 左 电 机右 电 机 一 、 小 车 车 体方 案 一 ： 采 用 三 轮 式 车 身 ， 前 轮为 万 向 轮 ， 后 轮 为 两 个 电 机单 独 控 制 的 驱 动 轮 。 但 此 方案 使 得 车 身 较 小 ， 元 器 件 安装 的 较 紧 密 ， 在 维 护 时 较 困难 ， 而 且 当 驱 动 轮 运 动 偏 差带 来 转 向 时 ， 万 向 轮 作 径 向运 动 ， 阻 力 小 容 易 偏 向 ， 转弯 时 容 易 侧 翻 。 所 以 我 们 放弃 了 此 方 案 。 方 案 二 ： 采 用 四 轮 式 车 身 。 和 3 号 车 相 比 ， 4 号 车 4 个 都 是 主动 轮 ， 偏 向 阻 力 一 样 ， 且 重 心 变 化 导 致 力 矩 减 小 ， 就这 点 看 ， 4 号 比 3 号 容 易 偏 向 。 但 因 其 为 四 驱 ， 其 偏 差更 为 离 散 ， 较 难 偏 向 ， 走 直 线 容 易 。 且 此 方 案 小 车 体积 较 大 ， 有 充 裕 空 间 安 放 元 器 件 ， 也 为 后 续 添 加 其 他功 能 做 好 准 备 。 但 小 车 转 向 较 为 笨 重 。 由 于 小 车 安 装元 器 件 不 是 很 多 ， 所 以 我 们 选 择 此 方 案 。 一 、 小 车 车 体 四 轮 小 车 ， 四 个 直 流 电 机 。 通 过 控 制 一 个 电 机 向 前 转 ， 另 一 个 电 机向 后 转 。 即 差 分 驱 动 从 而 达 到 转 弯 的 目 的 。 二 、 小 车 核 心 单 片 机 AT8 9 C5 2 单 片 机 是 一 种 低 电 压 、 高 性 能 的 CMOS 8 位 单片 机 ， 拥 有 8 Kb存 储 空 间 ， 适 合 与 许 多 较 为 复 杂 的 控 制 应用 。 三 、 传 感 器 电 路 设 计方 案 1 ： 用 光 敏 电 阻 组 成 光 敏 探 测 器 。 光 敏 电 阻 的 阻 值 可 以 跟 随 周 围 环 境 光 线 的 变 化 而 变 化 。当 光 线 照 射 到 白 线 上 面 时 ， 光 线 发 射 强 烈 ， 光 线 照 射 到 黑 线上 面 时 ， 光 线 发 射 较 弱 。 因 此 光 敏 电 阻 在 白 线 和 黑 线 上 方 时 ，阻 值 会 发 生 明 显 的 变 化 。 将 阻 值 的 变 化 值 经 过 比 较 器 就 可 以输 出 高 低 电 平 。 但 是 这 种 方 案 受 光 照 影 响 很 大 ， 不 能 够 稳 定的 工 作 。 因 此 我 们 考 虑 其 他 更 加 稳 定 的 方 案 。方 案 2 ： 采 用 简 易 光 电 传 感 器 结 合 外 围 电 路 探 测 ， 但 实 际 效 果 并 不 理 想 ， 对 行 驶 过 程中 的 稳 定 性 要 求 很 高 ， 且 误 测 几 率 较 大 、 易 受 光 线 环 境 和 路面 介 质 影 响 。 在 使 用 过 程 极 易 出 现 问 题 ， 而 且 容 易 因 为 该 部件 造 成 整 个 系 统 的 不 稳 定 。 故 最 终 未 采 用 该 方 案 。 方 案 3 ： 用 红 外 发 射 管 和 接 收 管 制 作 的 光 电 对 管 寻 迹 传 感 器 。红 外 发 射 管 发 出 红 外 线 ， 当 发 出 的 红 外 线 照 射 到 白 色 的 平 面后 反 射 ， 若 红 外 接 收 管 能 接 收 到 反 射 回 的 光 线 则 检 测 出 白 线继 而 输 出 低 电 平 ， 若 接 收 不 到 发 射 管 发 出 的 光 线 则 检 测 出 黑线 继 而 输 出 高 电 平 。 这 样 制 作 组 装 的 寻 迹 传 感 器 基 本 能 够 满足 要 求 ， 所 以 我 们 选 择 了 这 个 方 案 。在 此 基 础 上 ， 我 们 讨 论 了 以 下 方 案 ： 方 案 一 ： 采 用 两 只 红 外 对 管 ， 分 别 置 于 小 车 车 身 前 轨 道 的 两侧 ， 根 据 两 只 光 电 开 关 接 受 到 白 线 与 黑 线 的 情 况 来 控 制 小 车 转向 来 调 整 车 向 ， 测 试 表 明 ， 只 要 合 理 安 装 好 两 只 光 电 开 关 的 位置 就 可 以 很 好 的 实 现 循 迹 的 功 能 。 方 案 二 ： 采 用 三 只 红 外 对 管 ， 一 只 置 于 轨 道 中 间 ， 两 只 置 于轨 道 外 侧 ， 当 小 车 脱 离 轨 道 时 ， 即 当 置 于 中 间 的 一 只 光 电 开 关脱 离 轨 道 时 ， 等 待 外 面 任 一 只 检 测 到 黑 线 后 ， 做 出 相 应 的 转 向调 整 ， 直 到 中 间 的 光 电 开 关 重 新 检 测 到 黑 线 （ 即 回 到 轨 道 ） 再 恢 复 正 向 行 驶 。 现 场 实 测 表 明 ， 小 车 在 寻 迹 过 程 中 有 一 定 的 左右 摇 摆 不 定 ， 虽 然 可 以 正 确 的 循 迹 但 其 成 本 与 稳 定 性 都 次 与 第一 种 方 案 。 三 、 黑 线 检 测 电 路 设 计 探 测 路 面 黑 线 的 基 本 原 理 ： 光 线 照 射 到 路 面 并 反 射 ， 由 于 黑 线 和 白 纸对 光 的 反 射 系 数 不 同 ， 可 以 根 据 接 收 到 的 反 射 光 强 弱 来 判 断 是 否 是 黑线 。 利 用 这 个 原 理 ， 可 以 控 制 小 车 行 走 的 路 迹 。 方 案 一 ： 采 用 继 电 器 对 电 动 机 的 开 或 关 进 行 控 制 ,通 过 开 关 的 切 换 对 小 车 的 速 度进 行 调 整 .此 方 案 的 优 点 是 电 路 较 为 简 单 ,缺 点 是 继 电 器 的 响 应 时 间 慢 ,易 损坏 ,寿 命 较 短 ,可 靠 性 不 高 。方 案 二 ： 采 用 功 率 三 极 管 作 为 功 率 放 大 器 的 输 出 控 制 直 流 电 机 。 线 性 型 驱 动 的 电路 结 构 和 原 理 简 单 ， 加 速 能 力 强 ， 采 用 由 达 林 顿 管 组 成 的 H型 桥 式 电 路 。 用单 片 机 控 制 达 林 顿 管 使 之 工 作 在 占 空 比 可 调 的 开 关 状 态 下 ， 精 确 调 整 电 动机 转 速 。 这 种 电 路 由 于 工 作 在 管 子 的 饱 和 截 止 模 式 下 ， 效 率 非 常 高 ， H型 桥式 电 路 保 证 了 简 单 的 实 现 转 速 和 方 向 的 控 制 ， 电 子 管 的 开 关 速 度 很 快 ， 稳定 性 也 极 强 ， 是 一 种 广 泛 采 用 的 PWM 调 速 技 术 。 我 选 用 了 L298N。 这 种 调 速 方 式 有 调 速 特 性 优 良 、 调 整 平 滑 、 调 速 范 围 广 、 过 载 能 力大 ， 能 承 受 频 繁 的 负 载 冲 击 ， 还 可 以 实 现 频 繁 的 无 级 快 速 启 动 、 制 动 和 反转 等 优 点 。 因 此 决 定 采 用 使 用 功 率 三 极 管 作 为 功 率 放 大 器 的 输 出 控 制 直 流 电 机 。 四 、 电 机 驱 动 电 路 用 PWM调 节 电 机 速 度 采 用 哪 种 电 机方 案 一 ： 采 用 步 进 电 机 ， 其 显 著 的 特 点 就 是 具 有 快 速 启 动 和 停 止 的能 力 。 转 换 灵 敏 度 较 高 ， 但 是 步 进 电 机 价 格 比 较 昂 贵 ， 且对 整 个 控 制 系 统 要 求 比 较 高 。方 案 二 ： 采 用 普 通 的 直 流 电 机 ， 其 具 有 优 良 的 调 速 特 性 ， 调 速 平 滑， 方 便 。 调 整 范 围 广 ， 过 载 能 力 强 ， 能 承 受 频 繁 的 冲 击 负载 ， 可 实 现 频 繁 的 无 极 快 速 启 动 ， 制 动 和 反 转 ， 且 普 通 直流 电 机 价 格 适 宜 ， 更 易 于 购 买 ， 电 路 相 对 简 单 ， 配 合LM2 9 8 N驱 动 芯 片 组 合 ， 只 要 施 加 合 适 的 脉 冲 序 列 ， 电 机可 以 按 照 人 们 的 预 定 速 度 或 方 向 连 续 的 转 动 ， 便 于 控 速 。因 此 ， 采 用 直 流 电 机 作 为 动 力 源 。 五 、 电 源 方 案 我 们 用 的 直 流 电 机 工 作 电 压 在 3-9V ， 四 个 电 机 靠 差 速转 弯 ， 转 向 时 轮 子 与 地 摩 擦 等 因 素 ， 使 的 电 流 比 较 大 ， 实 测在 行 走 直 线 时 四 个 电 机 需 要 600-800MA 的 电 流 ， 如 果 转 向时 需 要 提 供 太 约 1-1.5A 的 电 流 。方 案 一 ： 采 用 1 节 4 .2 V 可 充 电 式 锂 电 池 给 直 流 电 机 供 电 ， 经过 电 压 变 换 后 给 支 流 电 机 供 电 ， 给 单 片 机 系 统 和 其 他 芯 片 供电 。 但 由 于 电 压 不 太 够 ， 价 格 昂 贵 ， 因 此 ， 我 们 放 弃 了 。方 案 二 ： 采 用 4 节 低 内 阻 可 以 提 供 较 大 电 流 的 充 电 电 池 供电 ， 电 压 达 到 6 v， 经 稳 压 后 给 支 流 电 机 供 电 ， 给 单 片 机 系统 和 其 他 芯 片 供 电 。 此 方 案 虽 然 在 调 试 中 消 耗 较 大 ， 但 最为 符 合 实 际 情 况 ， 所 以 我 们 选 择 此 方 案 。 一 般 不 建 议 采 用 普 能 的 AA5 号 电 池 ， 这 些 电 池 提 供 不了 很 大 的 电 流 （ 当 然 好 的 电 池 除 外 ） 所 以 ， 我 选 择 了 方 案二 来 实 现 供 电 。 六 、 避 障 方 案方 案 一 ：采 用 超 声 波 避 障 ， 超 声 波 受 环 境 影 响 较 大 ， 电 路 复 杂 ， 而 且 地 面 对 超 声 波 的 反射 ， 会 影 响 系 统 对 障 碍 物 的 判 断 。方 案 二 ：采 用 红 外 线 避 障 ， 利 用 单 片 机 来 产 生 38KHz信 号 对 红 外 线 发 射 管 进 行 调 制 发 射 ，发 射 出 去 的 红 外 线 遇 到 避 障 物 的 时 候 反 射 回 来 ， 红 外 线 接 收 管 对 反 射 回 来 信 号进 行 解 调 ， 输 出 TTL电 平 。 外 界 对 红 外 信 号 的 干 扰 比 较 小 ， 且 易 于 实 现 ， 价 格 也比 较 便 宜 ， 故 采 用 方 案 二 。 红 外 线 发 射 接 受 电 路 原 理 图 如 图 所 示 。 红 外 线 发 射 接 受 电 路 原 理 图 考 虑 到 在 测 障 过 程 中 小 车 车 速 及 反 应 调 向 速 度 的 限 制 ， 小 车 应 在 距 障 碍 物 一定 范 围 内 做 出 反 应 ， 这 样 在 顺 利 绕 过 障 碍 物 后 ， 可 寻 找 到 最 佳 的 位 置 和 方 向 。 否则 ， 如 果 范 围 太 大 ， 则 可 能 产 生 对 障 碍 物 的 判 断 失 误 ； 范 围 过 小 又 很 容 易 造 成 车身 撞 上 障 碍 物 或 虽 绕 过 障 碍 物 却 无 法 实 现 理 想 定 向 。 根 据 上 述 要 求 ， 提 出 以 下 方案 。 我 们 想 到 采 用 激 光 传 感 器 探 测 障 碍 物 。 该 传 感 器 能 非 常 准 确 地 测 出 障 碍 物 的存 在 ， 但 价 格 高 ， 处 理 复 杂 ， 不 符 合 该 设 计 的 要 求 。 在 本 设 计 中 ， 要 求 电 动 小 车 沿 着 路 面 的 黑 色 轨 道 行 驶 。 其 探 测 路 面 黑 线 的 基本 原 理 ： 光 线 照 射 到 路 面 并 反 射 ， 由 于 黑 线 和 白 纸 对 光 的 反 射 系 数 不 同 ， 可 以 根据 接 收 到 的 反 射 光 强 弱 来 判 断 是 否 是 黑 线 。 利 用 这 个 原 理 ， 可 以 控 制 电 动 小 车 行走 的 路 迹 。 此 次 设 计 我 们 采 用 光 电 传 感 器 探 测 障 碍 物 。 光 电 传 感 器 安 装 于 小 车 前端 ， 在 规 定 的 检 测 距 离 内 ， 当 探 测 到 障 碍 物 时 ， 光 电 传 感 器 给 出 信 号 至 单 片 机 ，单 片 机 检 测 到 该 信 号 后 ， 调 整 小 车 的 方 向 ， 以 控 制 小 车 准 确 地 绕 过 障 碍 物 ， 而 且避 免 因 小 车 自 然 转 弯 而 导 致 的 盲 目 方 向 控 制 ， 能 避 免 电 路 的 复 杂 性 。 在 系 统 中 要 进 行 动 态 显 示 遇 障 次 数 。 采 用 LCD1 6 0 2 液 晶 显 示 器 。 LCD具 有 功 耗 低 ， 抗 干 扰 能 力 强 的 特 点 。 不 仅 可 以 显 示 数 字 、 字 符 ， 而 且 可 以 显 示 汉 字 和 图 形。 六 、 隧 道 测 距 方 案 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 如 图 所 示 ：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 距 轮 安 装 在 车轮 上 ， 这 样 能 使 记 数 值 准 确 一 些 。 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 。 前 景 展 望 ： 本 次 设 计 我 们 只 运 用 了 单片 机 的 一 个 功 能 ， 如 果 再 加 上 其 他 的 传 感 器 ，可 以 让 小 车 实 现 更 多 的 功 能 ， 如 壁 障 、 报 警 、暗 处 行 驶 、 声 音 控 制 、 环 境 数 据 测 量 与 传 输等 。 可 广 泛 应 用 于 军 事 侦 察 、 勘 探 、 矿 产 开采 等 不 便 于 人 员 实 地 堪 察 的 环 境 。 稍 加 改 造 ，可 应 用 于 军 事 反 恐 、 警 察 维 和 等 领 域 ， 从 而达 到 最 大 限 度 的 避 免 人 员 伤 亡 ， 保 存 战 斗 实力 的 目 的 。 因 此 ， 具 有 重 要 的 军 事 和 经 济 意义 。 报 告 完 毕 谢 谢 ！请 专 家 批 评 指 导