自动避障小车

如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!摘要设计并制作了一辆可远距离遥控的小车。车体以TI公司Stellaris Cortex-M3系列单片机LM3S615为控制核心，配合步进电机系统、红外传感器、zigbee无线通信模块，实现小车行走、自动避障、远距离通信控制等功能。遥控器部分采用TI公司MSP430G系列MSP430G2452单片机，配合电容触摸板和zigbee无线通信模块，实现了对小车的远距离全方位控制。实际测试表明，遥控小车的有效控制距离超过500米，触控板控制精确，小车行走流畅、避障迅速可靠。关键词：Cortex-M3; Stellaris;MSP430;Zigbee1. 设计功能思想:要设计的是一个可以远距离遥控，灵活快速运动的遥控小车。同时为了防止小车在遥控运动时意外撞到障碍物后发生损坏，所以给小车增加自动避障功能。小车在无障碍物时按遥控指令行进，遇到障碍物时，优先执行避障程序。主要涉及内容包括：（1） 对小车运动电机的控制（2） 对红外传感器的信息读取及检测距离控制（3） 控制器控制台的选取及其驱动软件设计（4） 无线通信协议，命令收发的软件设计2. 系统方案 （1） 系统设计框图：图1为系统设计框图。1 / 91如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!MSP430G2452处理器触摸板（控制小车任意转向及运动）触摸信号控制命令传输ZM2410P0无线模块ZM2410P0无线模块LM3S615微处理器小车传感器控制器部分小车部分障碍信息控制命令无线信号传输图1 系统设计框图（2） 其中使用的关键算法：（a）控制器部分，待机状态下，且设置了8.3秒自启动的算法。并且通过软件模拟UART，实现了命令的准确发送。（b）小车部分， 5个红外传感器，由M3内部硬件集成的PWM控制，由5个GPIO单独读取障碍信息3. 硬件清单系统硬件：控制器、小车（带有步进电机和红外传感器）、无线模块。（1） 控制器部分：图2 电容触摸板2 / 92如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!图2为电容触摸板，型号为430BOST SENSE1。电容触摸板是一种无损耗按键，操作界面美观，作为遥控器的控制台。图3 MSP-EXP430G2 LaunchPad图3为TI公司MSP430G2系列开发板，所用单片机位MSP430G2452。G2板作为遥控器的处理器，实现对触摸信号的处理和无线通信。图4 小车图4为小车部分。使用周立功公司的电脑鼠为车体，小车使用TI公司Stellaris Cortex-M3系列单片机LM3S615为控制核心。结合高性能的无线模块，改装成远距离遥控的小车。图5 无线模块图5为 Zigbee无线通信模块，型号：ZM2410P0。4. 系统软件设计（1） 软件流程图：图6所示为软件流程图。3 / 93如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!开始初始化触摸板及UART定时器定时8.3s，进入低功耗待机，等待触摸定时时间8.3s?UART发送命令YN触摸中断唤醒，并关闭8.3s定时器开始初始化电机、红外传感器及其UART等待控制命令和障碍信息遇到障碍？控制小车准确运动继续完成运动NY2）小车1）控制器图6 软件流程图（2） 软件设计概述：（a） 电容触摸板信号的读取。采用捕获中断方式来识别触摸信号，并且设计了判别误动作的消抖算法，使控制更可靠。（b） 按键中断扫描。通过软件设计，对每个按键的中断状态快速扫描，提高了触摸板信号的识别速度。（c） 遥控器通信部分。在MSP430G2452上用定时器虚拟了UART通信协议，设置了同步波特率，实现了与Zigbee无线模块的串口通信，完成了命令的的发送环节。4 / 94如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!（d） Zigbee模块部分。对ZM2410P0模块波特率的设定和收发状态的初始化，完成可靠准确地无线传输环节。（e） 步进电机控制部分。使用LM3S615内部两个32位定时器，实现对步进电机的“半步驱动”控制，步进角度为3.75度。（f） 调制红外探测器。使用LM3S615的两个硬件PWM模块来完成对5个调制红外探测器的驱动。通过改变PWM的频率，可实现对不同距离障碍物的检测。（g） 小车通信部分。利用LM3S615内部UART模块实现了与Zigbee无线模块硬件的串行通信。5. 系统创新（1） 实现了远距离遥控小车，快速灵活运动，并自动避障。（2） 充分利用MSP430G2板载资源，实现了方便快捷的人机交互。（3） 将两块ZM2410P0模块来进行MSP430G2452和LM3S615两块处理器之间的无线通讯，通讯控制距离达到500米。6. 评测与结论实际测试：（效果见作品视频）（1） 检测小车对无线控制的响应：经实测，小车可做到快速的响应控制器信号和障碍信号。烧写入M3测试程序后，小车可在障碍物之间快速流畅穿梭，无碰撞发生。（2） 待机8.3s自启动检测：实测可看到，控制器待机状态下每8.3s自启动一次，经多次测试，准确无误。（3） 小车8个方向转向测试：5 / 95如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!6 / 96如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!左转45 右转45左转90 右转90左转135 右转135实测可见，小车在接受控制器的命令后，可准确地完成八个方向控制命令。（上下两幅分别为8.3s自启动和后转180动态过程）（4） 小车前方5个红外传感器检测障碍，并作出相应避障运动测试：表1为程序预设的避障指令和实测的避障运动对照表。表1 避障指令测试表测试传感器预设避障指令实测结果右方小车左转90度符合右前方小车左转135度符合左方小车右转90度符合左前方小车右转135度符合前方小车先后退，然后后转符合经实测，小车可以做到自动准确避障，动作灵活快速可靠。（5） 整体运动测试：经测试，小车接收到“前进”命令后，快速加速启动并前进控制的距离。当前方遇到障碍时，会立刻终止当前控制器命令，并后退然后后转180度。7 / 97如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!在运动中，当其他方位遇到障碍时，小车也会立刻调整运行状态！然后等待控制器命令。（6） 遥控距离测试：测试Zigbee模块通信距离的方法如下：两个人间隔500米，一人手持遥控器，另一人站在小车周围。两人使用手机报告遥控操作和小车实际动作。结果表明，小车准确完成了所有待测动作，证明遥控距离可达500米以上。受无障碍场地条件限制，极限通信距离未作测试。（7） 控制触摸板灵敏度测试：当手指触碰到正确的电容触摸区域后，触摸板相应小灯迅速亮起，小车同时立刻做出相应的动作反应，控制台灵敏、美观。7. 总结小车使用了TI公司的两种主要单片机Stellaris Cortex-M3和MSP430单片机为控制核心，结合业界先进的Zigbee无线通信技术，实现了精确的远距离遥控控制。本小车目前主要功能为学习Cortex-M3和MSP430单片机构架，掌握Zigbee无线通信的基本功能原理。如果能再结合摄像头，则小车可实现小型“探测机器人”的实用功能。最后，非常感谢TI公司和周立功公司对我们学校创新实验室硬件上的赞助和技术上的支持！8 / 98如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载! （注：可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!） 9 / 99