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1、 1 机器人小车机器人小车集锦集锦 论文论文 1 1 电动小车的循迹电动小车的循迹 在 2001、2003 年连续两届全国大学生电子设计竞赛中,均出现了简易智能小车这种集光、 机、 电于一体的题目。 本文具体介绍一下小车如何正确地进行循迹并给出必要的源代码。 1.1. 小车控制及驱动单元的选择小车控制及驱动单元的选择 此部分是整个小车的大脑,是整个小车运行的核心部 件,起着控制小车所有运行状态的作用。通常选用单片机作为小车的核心控制单元,本文以 台湾凌阳公司的 SPCE061A 单片机为例予以介绍。SPCE061 是一款拥有 2K RAM、32KFlash、 32 个 I/O 口,并集成了 A
2、D/DA 功能强大的 16 位微处理器,它还拥有丰富的语音处理功能, 为小车的功能扩展提供了相当大的空间。 只要按照该单片机的要求对其编制程序就可以实现 很多不同的功能。 小车驱动电机一般利用现成的玩具小车上的配套直流电机。考虑到小车必须能够前 进、倒退、停止,并能灵活转向,在左右两轮各装一个电机分别进行驱动。当左轮电机转速 高于右轮电机转速时小车向右转,反之则向左转。为了能控制车轮的转速,可以采取 PWM 调速法,即由单片机的 IOB8、IOB9 输出一系列频率固定的方波,再通过功率放大来驱动电 机, 在单片机中编程改变输出方波的占空比就可以改变加到电机上的平均电压, 从而可以改 变电机的转
3、速。 左右轮两个电机转速的配合就可以实现小车的前进、 倒退、 转弯等功能。 2.2. 小车循迹的原理小车循迹的原理 这里的循迹是指小车在白色地板上循黑线行走,通常采取的方法 是红外探测法。 红外探测法, 即利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点, 在小 车行驶过程中不断地向地面发射红外光, 当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射, 反射光 被装在小车上的接收管接收; 如果遇到黑线则红外光被吸收, 小车上的接收管接收不到红外 光。 单片机就是否收到反射回来的红外光为依据来确定黑线的位置和小车的行走路线。 红外 探测器探测距离有限,一般最大不应超过 15cm。对于发射和接收红外线的红
4、外探头,可以 自己制作或直接采用集成式红外探头。 (1)自制红外探头电路如图 1 所示,红外光的发送 接收选用型号为 ST168 的对管。 当小车在白色地面行驶时, 装在车下的红外发射管发射红外 线信号,经白色反射后,被接收管接收,一旦接收管接收到信号,那么图中光敏三极管将导 通,比较器输出为低电平;当小车行驶到黑色引导线时,红外线信号被黑色吸收后,光敏三 极管截止,比较器输出高电平,从而实现了通过红外线检测信号的功能。将检测到的信号送 到单片机 I/O 口, 当 I/O 口检测到的信号为高电平时, 表明红外光被地上的黑色引导线吸收 了,表明小车处在黑色的引导线上;同理,当 I/O 口检测到的
5、信号为低电平时,表明小车行 驶在白色地面上。此种方法简单,价格便宜,灵敏度可调,但是容易受到周围环境的影响, 特别是在图 1 较强的日光灯下,对检测到的信号有一定的影响。 2 (2)集成式红外探头可以采用型号为 E3FDS10C4 集成断续式光电开关探测器,它具有简 单、可靠的工作性能,只要调节探头上的一个旋钮就可以控制探头的灵敏度。该探头输出端 只有三根线(电源线、地线、信号线),只要将信号线接在单片机的 I/O 口,然后不停地对 该 I/O 口进行扫描检测,当其为高电平时则检测到白纸,当为低电平时则检测到黑线。此种 探头还能有效地防止普通光源(如日光灯等)的干扰。其缺点则是体积比较大,占用
6、了小车 有限的空间。 3.3.红外探头的安装红外探头的安装 在小车具体的循迹行走过程中, 为了能精确测定 黑线位置并确定小车行走的方向, 需要同时在底盘装设 4 个红外探测头, 进行两级方向纠正 控制,提高其循迹的可靠性。这 4 个红外探头的具体位置如图 2 所示。图中循迹传感器共安 装 4 个,全部在一条直线上。其中 InfraredMR 与 InfraredML 为第一级方向控制传感器, InfraredSR 与 InfraredSL 为第二级方向控制传感器。小车行走时,始终保持黑线(如图 2 中所示的行走轨迹黑线) 在 InfraredMR 和 InfraredML 这两个第一级传感器之
7、间, 当小车偏 离黑线时, 第一级探测器一旦探测到有黑线, 单片机就会按照预先编定的程序发送指令给小 车的控 制系统,控制系统再对小车路径予以纠正。若小车回到了轨道上,即 4 个探测器都 只检测到白纸,则小车会继续行走;若小车由于惯性过大依旧偏离轨道,越出了第一级两个 探测器的探测范围, 这时第二级动作, 再次对小车的运动进行纠正, 使之回到正确轨道上去。 可以看出,第二级方向探测器实际是第一级的后备保护,从而提高了小车循迹的可靠性。 4.4.软件控制软件控制 其程序控制框图如图 3。小车进入循迹模式后,即开始不停地扫描与探测器连接的单 片机 I/O 口,一旦检测到某个 I/O 口有信号,即进
8、入判断处理程序(switch),先确定 4 个 探测器中的哪一个探测到了黑线, 如果 InfraredML(左面第一级传感器)或者 InfraredSL(左 面第二级传感器)探测到黑线,即小车左半部分压到黑线,车身向右偏出,此时应使小车向 左转; 如果是 InfraredMR(右面第一级传感 器)或 InfraredSR(右面第二级传感器)探测到了 黑线,即车身右半部压住黑线,小车向左偏出了轨迹,则应使小车向右转。在经过了方向调 整后,小车再继续向前行走,并继续探测黑线重复上述动作。 3 由于第二级方向控制为第一级的后备, 则两个等级间的转向力度必须相互配合。 第二级通常 是在超出第一级的控制
9、范围的情况下发生作用, 它也是最后一层保护, 所以它必须要保证小 车回到正确轨迹上来,则通常使第二级转向力度大于第一级,即 level2level1(level1、 level2 为小车转向力度,其大小通过改变单片机输出的占空比的大小来改变),具体数值在 实地实验中得到。 专家点评: 根据本文所讲述的方法, 我们可以较容易地做出按照一定轨迹行走的智能 电动小车。但是按照该方法行走的小车如果是走直线,有可能会是蛇形前进。为了使小车能 够按轨迹行走的更流畅,可以在软件编程时运用一些简单的算法。例如,在对小车进行纠偏 时,适当提前停止纠偏,而不要等到小车完全不偏时再停止,以防止小车的过冲。 华中科技
10、大学电工电子科技创新基地 张立 杨立 论文 2 杨济民 马仁富 朱智林教授点评: 系统以 AT89S52 单片机为控制核心,加以直流电机、舵机、光电传感器、火焰传感 器和电源电路以及其他电路构成,设计报告完整,元器件选择比较恰当,制作的小车能完成 题 目的所有要求,语音报警比较有特色,功能齐全。但行进路线固定。 消防智能电动车设计与制作消防智能电动车设计与制作 山东大学山东大学 梅高青梅高青 孙庆轩孙庆轩 台宏达台宏达 4 目录 摘要:. 6 关键词: . 6 Abstract: 6 Keywords: . 6 1系统设计 . 7 1.1 设计要求 . 7 1.1.1 设计任务 7 1.1.2
11、 设计要求 7 1. 2 模块方案比较与论证 8 1.2.1 车体设计 9 1.2.2 控制器模块 10 1.2.3 电源模块 11 1.2.4 寻迹传感器模块 11 1.2.5 火焰传感器模块 . 12 1.2.6 避障模块 . 12 1.2.7 测速计程模块 13 1.2.8 电机模块 13 1.2.9 电机驱动模块 13 1.2.10 车载语音模块和控制台语音模块 14 1.2.11 无线收发模块 14 1.2.12 显示台显示模块 14 1.2.13 车载显示模块 14 1.3 最终方案 . 15 1.4 系统整体方案设计 . 16 2硬件实现及单元电路设计 . 21 2.1 微控制器
12、模块的设计 . 21 2.2 光电对管电路的设计 . 21 2.3 寻迹光电对管的安装 . 23 2.4 火焰传感器及其调理电路的设计 . 24 2.5 火焰传感器的安装 . 24 2.6 电机驱动电路的设计 . 25 2.7 灭火风扇驱动电路 . 26 2.8 灭火风扇的安装 . 26 2.9 测速计程模块的安装 . 27 2.10 语音识别电路的设计 . 28 2.11 无线收发模块的实现 . 28 3软件实现 . 29 3.1 主程序流程图 . 29 3.2 灭火子程序流程图 . 31 3.3 传感器数据处理及寻迹程序流程 . 33 4系统功能测试 . 34 4.1 测试仪器及设备 .
13、34 4.2 功能测试 . 34 5 4.2.1 基本功能测试 35 4.2.2 发挥功能及其他功能测试 38 5.结论 39 6.结束语 39 7.参考文献 39 6 摘要:摘要:本智能车是以铝合金为车架,AT89S52 单片机为控制核心,加以直流电机、舵 机、光电传感器、火焰传感器和电源电路以及其他电路构成。系统由 89S52 通过 IO 口控制 小车的前进后退以及转向。舵机带动灭火风扇左右转向摆动进行灭火。寻迹由 RPR220 型光 电对管完成,远红外火焰传感器进行火焰扫描。同时本系统用凌阳单片机进行语音的播报, 以提示当前状态。本系统同时通过 DF 无线数据收发模块进行无线数据传输,将
14、该车当前的 状态远程传送给显示台。显示台由 OCMJ4X8C 液晶屏和 2 个按键进行实时状态显示和启动 控制。 关键词:关键词:AT89S52 直流电机 舵机 光电传感器 火焰传感器 消防智能电动车 DF 无线收发 Abstract:Abstract: The smart car is aluminum alloy for the chassis, AT89S52 MCU as its core, including motor and servo, plus photoelectric sensors, as well as other flame sensor and power cir
15、cuit. MCU controls the car turning back forward or running on the white line. RPR220 reflective photo sensor seeks the trace. Far infrared flame sensor tracks the flame. In addition, the SCM system with Sunplus for voice broadcast can remind current status. The system transmits information through D
16、F module. The cars status will be transmitted to the Remote Console. OCMJ4X8C LCD display and 2 keys for start control. Keywords:Keywords: AT89S52 Motor Servo Photo sensor Flame sensor Electrical fire engines DF wireless transmission 7 1 1系统设计系统设计 1.11.1 设计要求设计要求 1.1.11.1.1 设计任务设计任务 设计制作一个消防智能小车模型,能
17、到制定区域进行抢险灭火工作。以蜡烛模拟火源, 随机分布在场地中,场地如图 1 所示: 图 1 场地示意图 1.1.21.1.2 设计要求设计要求 1)基本要求 (1)智能小车从安全区域启动,自动寻找到火源并显示。 (2)除安全区外,场地随机出现 2 个火源,要求智能小车能够发现其中一个火焰并将 其完全扑灭。 (3)能够发现并扑灭第二个火焰。 (4)扑灭二个火焰的总时间不超过 5 分钟。 (5)能够自动计算和显示扑灭的火源数。 8 2)发挥部分 (1)抢险完毕后智能小车能够返回到安全区域(原位) 。 (2)能够自动计算和显示路程。 (3)能够用不同声音对不同的状态进行报警。 (4)其他 3)说明
18、 (1)小车尺寸小于 30cm30cm,所用电源电压小于等于 24V。 (2)控制电机类型不限,其安装位置及安装方式自定。 (3)灭火方式不限,但不允许碰倒蜡烛。 (4)小车不能完全离开场地。 (5)允许一次重启动机会。 (6)蜡烛高度:1520 厘米。蜡烛置于方框的中间位置。 (7)障碍物尺寸 15cm15cm15cm,且位置固定。 (8)试验场地可采用黑胶皮,网格线可采用宽度为 2.53.0cm 的白色单面胶纸,测试 时可自带。 1. 21. 2 模块方案比较与论证模块方案比较与论证 根据题目要求,本系统主要由控制器模块、电源模块、寻迹传感器模块、火焰传感器、 直流电机及其驱动模块、灭火风
19、扇及其驱动模块、舵机模块、语音模块、车载显示模块、无 线收发模块以及液晶显示模块等模块构成。本系统的方框图如图 2 所示: 9 图 2 系统方框图 为较好的实现各模块的功能,我们分别设计了几种方案并分别进行了论证。 1.2.11.2.1 车体设计车体设计 方案 1:购买玩具电动车。购买的玩具电动车具有组装完整的车架车轮、电机及其驱动 电路。但是一般的说来,玩具电动车具有如下缺点:首先,这种玩具电动车由于装配紧凑, 使得各种所需传感器的安装十分不方便。其次,这种电动车一般都是前轮转向后轮驱动,不 能适应该题目的方格地图,不能方便迅速的实现原地保持坐标转 90 度甚至 180 度的弯角。 再次,
20、玩具电动车的电机多为玩具直流电机, 力矩小,空载转速快, 负载性能差,不易调速。 而且这种电动车一般都价格不扉。因此我们放弃了此方案。 方案 2:自己制作电动车。经过反复考虑论证,我们制定了左右两轮分别驱动,前后万 向轮转向的方案。 即左右轮分别用两个转速和力矩基本完全相同的直流电机进行驱动, 前后 装两个万向轮。 这样, 当两个直流电机转向相反同时转速相同时就可以实现电动车的原地旋 转,由此可以轻松的实现小车坐标不变的 90 度和 180 度的转弯。 在安装时我们并不把两个万向轮装在一个平面上。 当小车前进时, 左右两驱动轮与前万 电源模块 控 制 器 模 块 寻迹传感 器模块 火焰传感器
21、模块 电机驱动前 进转向模块 灭火风扇及 其驱动模块 语音模块 无线发射模块 无线接收模块 语音模块 显示台显示模块 避障模块 车载显示模块 测速计程模块 10 向轮形成了三点结构。 这种结构使得小车在前进时比较平稳, 可以避免出现前后两轮过低而 使左右两驱动轮驱动力不够的情况。为了防止小车重心的偏移,后万向轮起支撑作用。 对于车架材料的选择, 我们经过比较选择了铝合金。 用铝合金做的车架比塑料车架更加 牢固,比铁制小车更轻便,美观。 综上考虑,我们选择了方案 2。实物图如图 3 所示: 图 3 车体底盘实物图 1.2.21.2.2 控制器模块控制器模块 方案 1:采用可编程逻辑期间 CPLD
22、 作为控制器。CPLD 可以实现各种复杂的逻辑功 能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、IO 资源丰富、易于进行功能扩展。采用并行的 输入输出方式,提高了系统的处理速度,适合作为大规模控制系统的控制核心。但本系统不 需要复杂的逻辑功能, 对数据的处理速度的要求也不是非常高。 且从使用及经济的角度考虑 我们放弃了此方案。 方案 2:采用凌阳公司的 16 位单片机,它是 16 位控制器,具有体积小、驱动能力高、 集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点。处理速度高, 尤其适用于语音处理和识别等领域。 但是当凌阳单片机应用语音处理和辨识时, 由于其占用 的 CPU 资源较多
23、而使得凌阳单片机同时处理其它任务的速度和能力降低。 本系统主要是进行寻迹和火焰传感器的检测以及电机的控制, 兼有语音的播报。 如果单 纯的使用凌阳单片机, 在语音播报的同时小车的控制容易出现不稳定的情况。 从系统的稳定 性和编程的简洁性考虑,我们放弃了单纯使用凌阳单片机而考虑其它的方案。 方案 3: 采用 Atmel 公司的 AT89S52 单片机作为主控制器而用凌阳单片机作为辅助控制 器。AT89S52 是一个低功耗,高性能的 51 内核的 CMOS 8 位单片机,片内含 8k 空间的可 反复擦些 1000 次的 Flash 只读存储器,具有 256 bytes 的随机存取数据存储器(RAM
24、) ,32 个 IO 口,2 个 16 位可编程定时计数器。且该系列的 51 单片机可以不用烧写器而直接用串 口或并口就可以向单片机中下载程序。 我们自己制作 51 最小系统板,体积很小,下载程序方便,放在车上不会占用太多的空 间。 为了同时方便使用语音的播报和识别,我们选择了凌阳公司的 SPCE061A 精简开发板 11 61B 板。61B 板上配有喇叭插座、麦克风等。用户只需使用在线调试器,不用再外接任何 器件即可以完成语音录放等功能。该精简系统板体积小,功能齐全,资源丰富。能够满足系 统的要求。 从方便使用的角度考虑,我们选择了方案 3。 1.2.31.2.3 电源模块电源模块 由于本系
25、统需要电池供电,我们考虑了如下集中方案为系统供电。 方案 1: 采用 12V 蓄电池为系统供电。 蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压 输出性能。但是蓄电池的体积过于庞大,在小型电动车上使用极为不方便。因此我们放弃了 此方案。 方案 2:采用 3 节 4.2V 可充电式锂电池串联共 12.6V 给直流电机供电,经过 7805 的电 压变换后为单片机, 传感器和舵机供电。 经过实验验证, 当电池为直流电机供电时, 单片机、 传感器的工作电压不够,性能不稳定。因此我们放弃了此方案。 方案 3:采用 3 节 4.2V 可充电式锂电池为直流电机供电,用 2 节锂电池经过 7805 的电 压变换为
26、单片机和传感器供电。再用 2 节锂电池经另一套 7805 电压变换电路为舵机供电。 采用此种供电方式后,单片机和传感器工作稳定,舵机直流电机工作互不影响,且电池的体 积较小,能够满足系统的要求。 综上考虑,我们选择了方案 3。 1.2.41.2.4 寻迹传感器模块寻迹传感器模块 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
27、此我们考虑其他更加稳定的方案。 方案 2: 用红外发射管和接收管自己制作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。 这样自己 制作组装的寻迹传感器基本能够满足要求,但是工作不够稳定,且容易受外界光线的影响, 因此我们放弃了这个方案。 方案 3:用 RPR220 型光电对管。RPR220 是一种一体化反射型光电探测器,其发射器 是一个砷化镓红外发光二极管,而接收器是一个高灵敏度,硅平面光电三极管。 RPR220 采用 DIP4 封装,其
28、具有如下特点: (1) 塑料透镜可以提高灵敏度。 (2) 内置可见光过滤器能减小离散光的影响。 (3) 体积小,结构紧凑。 当发光二极管发出的光反射回来时, 三极管导通输出低电平。 此光电对管调理电路简单, 工作性能稳定。 因此我们选择了方案 3。 12 1.2.5 1.2.5 火焰传感器模块火焰传感器模块 火焰检测有温度传感器、烟雾传感器、红外传感器、紫外传感器以及 CCD 图像传感器。 我们综合论证了这几种传感器,制定了如下几种方案。 方案 1:用温度传感器如热电偶,热电偶在工业应用上十分广泛。但是热电偶感应的范 围太广, 而且由于火焰只是周围温度稍高且范围较窄。 试验验证用热电偶检测火焰
29、精度不高, 因此我们放弃了此方案。 方案 2:用烟雾传感器。烟雾传感器广泛应用与火警检测。但是由于此题目的火源是用 蜡烛模拟的, 没有太大的烟雾, 因此用烟雾传感器作为此小型电动车的火焰传感器也不够实 用,因此我们放弃了此方案。 方案 3:用紫外传感器检测火焰。紫外火焰传感器主要应用于火灾消防系统,尤其是一 些易燃易爆场所,用来监测火焰的产生。紫外线火焰传感器的灵敏度高,相应速度快,抗干 扰能力强,对明火特别敏感,能对火灾立即作出反应。但是紫外传感器检测的范围太大,不 适用于本系统。 方案 4:用 CCD 图像传感器。用 CCD 图像传感器可以检测各种被检测量,适用于各种 量的检测。但是用 C
30、CD 图像传感器需要处理的信号量太大,且体积较大,不使用与本系统。 方案 5:用远红外传感器。经试验验证,远红外火焰传感器检测距离远,线性度好,检 测准确,且体积较小。很适用于本题目的要求。 因此我们选择了方案 5。 在火焰传感器模块的设计中,我们在车体的前头的两侧离地大约 1520cm(相当于火 焰高度)处安装远红外火焰传感器,且每一侧装有两个。由于火焰传感器的检测距离很远, 为了避免错误检测远处火焰的情况的出现,我们把每一侧的较低的传感器用黑色塑料纸包 住。经实验验证,这样处理过的火焰传感器只能检测到一个方格距离的火焰,而对远距离的 火焰没有反应。 我们把用黑塑料包住的传感器称为“近视”传
31、感器,把没有处理过的称为“远视”传感 器。 “近视”传感器和“远视”传感器配合交替使用,可以更好的完成计划任务。 1.2.6 1.2.6 避障模块避障模块 方案 1:用超声波传感器进行避障。超声波传感器的原理是:超声波由压电陶瓷超声波 传感器发出后,遇到障碍物便反射回来,再被超声波传感器接收。然后将这信号放大后送入 单片机。超声波传感器在避障的设计中被广泛应用。但是超声波传感器需要 40KHz 的方波 信号来工作,因为超声波传感器对工作频率要求较高,偏差在 1内,所以用模拟电路来做 方波发生器比较难以实现。而用单片机来作方波发生器未免有些浪费资源。 因此我们考虑其他的方案。 方案 2:用红外光
32、电开关进行避障。光电开关的工作原理是根据投光器发出的光束,被 物体阻断或部分反射, 受光器最终据此作出判断反应, 是利用被检测物体对红外光束的遮光 或反射,由同步回路选通而检测物体的有无,其物体不限于金属,对所有能反射光线的物体 均能检测。 光电开关 E3F-DS10C4 操作简单, 使用方便。 当有光线反射回来时, 输出低电平。 当没有光线反射回来时,输出高电平。 考虑到本系统只需要检测简单障碍物,没有十分复杂的环境。为了使用方便,便于操作 和调试,我们最终选择了方案 2。 13 1.2.71.2.7 测速计程模块测速计程模块 方案 1:用霍耳传感器进行测速。当载流导体或半导体出于与电流相垂
33、直的磁场中时, 在其两端将产生电位差。这一现象称为霍耳效应。霍耳式传感器利用的就是霍耳效应。 如果在车轮的内侧装上一条细磁铁, 把霍耳传感器同样装在车轮的内侧, 测量火焰传感 器的输出就可以知道车轮转过的圈数。 霍耳传感器是非接触式测量,而且对灰尘、湿度、振动等环境条件不敏感。特性也不随 时间而变化。 虽然霍耳传感器具有众多优点。 但是由于我们的电动车较小, 比较细小的磁铁不易寻找。 因此我们尝试着寻找其它的方案。 方案 2:用 RPR220 型光电对管进行测速。在车轮的内侧贴上一个光电码盘,用光电对 管对码盘进行检测。 光电对管照射到黑色和白色的边界时输出信号会有跳变。 将跳变的输出 信号送
34、给单片机进行检测就可以得到轮子的转速。 由于我们电动车的寻迹都是用的 RPR220 型光电对管, 所以用该型号光电对管进行测速 时可以使用同样的调理电路。从使用的方便和灵活性考虑,我们选择了方案 2。 1.2.81.2.8 电机模块电机模块 本系统为智能电动车,对于电动车来说,其驱动轮的驱动电机的选择就显得十分重要。 由于本题要实现对路径的准确定位和精确测量,我们综合考虑了一下两种方案。 方案 1:采用步进电机作为该系统的驱动电机。由于其转过的角度可以精确的定位,可 以实现小车前进路程和位置的精确定位。 虽然采用步进电机有诸多优点, 步进电机的输出力 矩较低,随转速的升高而下降,且在较高转速时
35、会急剧下降,其转速较低,不适用于小车等 有一定速度要求的系统。经综合比较考虑,我们放弃了此方案。 方案 2:采用直流减速电机。直流减速电机转动力矩大,体积小,重量轻,装配简单, 使用方便。由于其内部由高速电动机提供原始动力,带动变速(减速)齿轮组,可以产生大 扭力。 我们所选用的直流电机减速比为 1:74,减速后电机的转速为 100r/min。我们的车轮直 径为 6cm,因此我们的小车的最大速度可以达到 V=2r v=2*3.14*0.03*100/60=0.314m/s 能够较好的满足系统的要求,因此我们选择了此方案。 1.2.91.2.9 电机驱动模块电机驱动模块 方案 1:采用专用芯片
36、L298N 作为电机驱动芯片。L298N 是一个具有高电压大电流的 全桥驱动芯片,它相应频率高,一片 L298N 可以分别控制两个直流电机,而且还带有控制 使能端。用该芯片作为电机驱动,操作方便,稳定性好,性能优良。 方案 2:对于直流电机用分立元件构成驱动电路。由分立元件构成电机驱动电路,结构 简单,价格低廉,在实际应用中应用广泛。但是这种电路工作性能不够稳定。 因此我们选用了方案 1。 14 1.2.101.2.10 车载语音模块和控制台语音模块车载语音模块和控制台语音模块 方案 1:选择专门的语音存储芯片 ISD1420,通过单片机进行录放音的控制。用这种方 法虽然比较简介方便, 但是在
37、地址模式所占 IO 口较多,在操作模式下进行随机播放又需快进, 较适合于顺序播放。且存储空间较小,只能存储总计 20s 的语音,无法进行语音识别。为了 能更好的使用语音播放和语音辨识,我们放弃了此方案。 方案 2:选择 DSP 进行语音识别,DSP 具有很强的信息处理能力,能够进行语音的存 储录放和语音的辨识,但是考虑到系统的成本和使用的灵活和方便,我们放弃了此方案。 方案 3:使用凌阳精简板开发板 61B 板,该精简开发板体积小,使用方便,且具有凌阳 系列的很强的语音处理功能, 且具有语音播报和辨识的模块。 凌阳 61 单片机是 16 位单片机, 具有 DSP 功能,有很强的信息处理能力,最
38、高时钟频率可达 49MHz,具有运算速度高等优 势。这些都为语音处理和辨识准备了很好的条件。 因此我们选用了方案 3。 1.2.111.2.11 无线收发模块无线收发模块 无线数据传输被广泛应用在车辆监控、遥控、遥测、小型无线网络、无线数据通信、机 器人控制、数字音频、数字图像的传输等领域中。 方案 1:用 DF 无线数据收发模块。DF 无线发射模块通讯方式为调频 AM,工作频率为 315MHz,为 ISM 频段,发射频率0 2? 通讯:开计数 通讯 通讯 灭火动作 通讯 转弯 结束待机 停 60 无线接收,液晶显示控制,继电器控制: 参考文献参考文献 1. 李正军。计算机控制系统。北京:机械
39、工业出版社,2005 2. Ramon Pallas-Areny,John G. Webster(美) 。传感器和信号调节,第 2 版。张伦译。 北京:清华大学出版社,2003 3. 船仓一朗,土屋 尧等(日) 。机器人控制电子学。宗光华,杨 洋,唐伯雁译。北 京:科学出版社,2004 4. 童诗白,华成英。模拟电子技术基础。北京:高等教育出版社,2003 5. 阎石。数字电子技术基础。北京:高等教育出版社,1983 6. 高峰编。单片微型计算机原理与接口技术。北京:科学出版社,2003 7. 21IC 中国电子网。 8.万方数据资源统一服务系统。 中 初始化 主函数 定时器溢出 时间计数 无
40、线接收 开始 发现火源 1、2 到达火源 1、2 扑灭火源 1、2 安全返回 路程 相应 显示 操作 点亮和关闭 回家指示灯 61 论文 4 简易智能电动车简易智能电动车 摘要摘要: 本简易智能电动车采用简单的人工智能技术, 以单片机为核心, 根据位置反馈传感器、 红外对射、反射传感器、光电传感器以及金属探测传感器所探测到的信号,可以自动寻迹, 变速行驶, 前轮转动控制, 正向逆向行驶, 记忆状态, 车辆弯道寻迹运行, 绕过障碍物行驶, 准确进入车库并停车, 实时探测金属薄片存储相关信息并发出声光信号, 以及测量全程时间、 全程路程等功能。采用液晶显示板实时显示金属薄片相关信息以及全程时间和全
41、程路程等, 大幅度降低了功耗。整机使用双电源分别给电机部分、传感器和芯片部分供电。 1 1 方案比较、设计与论证方案比较、设计与论证 1.11.1 控制电机选择的比较与论证控制电机选择的比较与论证 方案一方案一 利用步进电机的准确定长步进性能方便的实现调速和方向的偏转,且能准确的测量 速度、路程以及时间,简化编程和硬件连接的工作量。但是步进电机在与机械配合的小车改 装上难度极大,非短时间所能完成。该方案实现较困难。 方案二方案二 用玩具小车上自带的双直流电机分别负责小汽车的驱动和转向的功能,依据外围红 外反射传感器所采集到的信息可以补足直流电机定位不准的缺点, 同时红外反射传感器的使 用还能实
42、现比较准确的寻迹行驶, 用较好的控制算法及特色硬件来提高小车的整体性能, 可 具有很高的性能/价格比。 经比较验证,显然方案一的机械结构也短时间内难以满足题目的要求,而方案二本身是 与小车相兼容的,性能也比较好,采用方案二。 1.21.2 整机控制的比较与论证整机控制的比较与论证 方案一方案一 单片机地址使用两片 GAL16V8 译码控制双电机,通过读入红外对射传感器信号清看 门狗 MAX813L,达到控制寻迹逻辑的目的。这样能节省单片机的口资源,而且能充分利用单 片机外 64K 地址。 但是,经测试 GAL16V8 消耗电能太大,每片工作电流大约 40mA,对简单 的电池供电的系统来说十分不
43、利。 方案二方案二 用简单的或门电路构成译码电路,控制双电机和红外对射传感器。单片机用位控技 术完成其他控制功能。 虽然这样占用了单片机很多的资源, 但是对于能源要求很高的本系统 来说,这在很大程度上保证了系统的正常工作,而且能大幅度节省能源。 经验证比较,方案一存在消耗电能过大的缺点,而且对于本系统来说,能源问题是十分 关键的,但方案二完全避免了这个问题,采用方案二。 62 1.31.3 显示存储信息和全程时间部分的比较与论证显示存储信息和全程时间部分的比较与论证 方案一方案一 用普通的数码管来实现显示功能。这种方法简单易行,并且适合于硬件操作,但是 数码管消耗电流特别大, 对电源的容量要求
44、很高, 而且不能显示汉字因而难以适应电池供电 系统的节能运行要求。 方案二方案二 使用液晶显示板来完成显示的功能。液晶显示板的操作需要一定的难度和技巧,而 且很容易损坏,所以其硬件需要谨慎使用,但是它解决了数码管存在的各种问题,如消耗电 能特别小、能显示多行汉字等。 经验证比较, 方案二不但能节省电能, 而且能实现普通数码管无法实现的汉字显示功能。 采用方案二。 1.41.4 探测及绕开障碍物的比较与论证探测及绕开障碍物的比较与论证 方案一方案一 探测障碍物使用超声波传感器。经实验,使用超声波传感器探测信号时十分容易受 到外界环境的影响,使单片机控制系统接收到许多错误的信息。 方案二方案二探测
45、障碍物改用红外反射传感器。 红外反射传感器受外界的影响小, 对大型物体具有 比较好的探测效果,同时返回信息也要及时、可靠一些。但是对于小型障碍物它就暴露出发 射光源过于分散的缺陷,使测量信号不准确。 方案三:方案三:使用光敏传感器,直接根据诱导光源的信号进行判断。这需要光敏传感器能及时反 馈可靠的信息, 而光敏传感器拥有很高的灵敏度, 为了抗干扰还可以把光敏传感器预先进行 特殊处理, 使其只有在光源正射时才能测到信号, 这样就使了光敏传感器的返回信号更加可 靠,单片机一旦接到的光敏传感器返回的信息,便能作出正确的判断。倘若测不到信号,说 明光敏传感器被障碍物挡住,正前方不能通行,单片机控制电动
46、车绕道障碍物行驶。 63 2 2 理论分析与计算理论分析与计算 2.12.1 系统结构的简单布局图系统结构的简单布局图 外围传感器外围传感器 部分部分 液晶显示部液晶显示部 分分 双直流电机双直流电机 部分部分 外部环境外部环境 单片机控制系单片机控制系 统统 转换转换 后的后的 信息信息 原始信息原始信息 控控 制制 电电 机机 信信 号号 控制液晶信号控制液晶信号 图 1.1 系统各部分关系图 如图 1.1 所示,整个系统完成从外部环境(车道)获取信息,并把所获取的信息转换成 单片机最小系统能够识别的有效信号, 然后单片机控制系统对双直流电机和显示部分进行控 制,再转化为简易智能电动车的具
47、体行为,整个过程运用了简单的人工智能技术。 64 图 1.2 最小系统原理图 2.22.2 系统的硬件设计系统的硬件设计 65 2.2.12.2.1 功能流程图功能流程图 按按 寻寻 迹迹 线线 行行 驶驶 根根 据据 道道 路路 形形 状状 脉脉 宽宽 调调 速速 接接 收收 红红 外外 信信 号号 绕绕 开开 障障 碍碍 物物 准准 确确 测测 量量 车车 速速 和和 路路 程程 接接 收收 位位 置置 反反 馈馈 并并 处处 理理 单片机控制信号单片机控制信号 寻迹传感寻迹传感 器信息器信息 启动定位启动定位 传感器信传感器信 息息 超声波传超声波传 感器信息感器信息 电机反馈电机反馈
48、信息信息 前前 轮轮 定定 位位 锁锁 死死 拨拨 码码 开开 关关 选选 择择 行行 驶驶 方方 式式 正正 向向 反反 向向 行行 驶驶 液液 晶晶 显显 示示 速速 度度 路路 程程 和和 时时 间间 准准 确确 停停 车车 接接 收收 金金 属属 探探 测测 器器 信信 号号 调调 整整 红外探测红外探测 障碍物信障碍物信 息息 图 1.3 系统功能图 2.2.22.2.2 原理分析和说明原理分析和说明 2.2.2.12.2.2.1 单片机控制部分 (1 1)按寻迹线行驶按寻迹线行驶 根据不同位置红外反射传感器采集到的信号,单片机控制小车前轮的转向,以达到寻 迹的目的。寻迹行驶过程中使
49、用增量控制方案,由于小汽车本身的机械结构并不十分稳定, 所以为了防止小汽车在拐弯的过程中偏离轨道的程度太大, 本系统采用一定步进的增量调节 速度方式。 小车左右方向转动分别有两档, 因此小汽车能在有限长度内处理好大弯道和小弯 道两种情况。 此外, 由于小车前轮附近的位置反馈传感器能及时把前轮的转动幅度和方向反 馈给单片机, 单片机便能依据这些信号在寻迹线附近对小车的位置进行对应的调整。 再加上 小汽车的前轮具有定位锁死的功能, 这样, 在寻迹用的红外反射传感器和位置反馈传感器探 测的信号和单片机控制的有机结合之下, 小车按照寻迹线行走的稳定性和可靠性得到了很大 的保障。其中传感器探测到的具体信号和单片机控制的对应状态关系如下: 66 自动寻迹信号、自动寻迹信号、 位置反馈信号位置反馈信号 前轮左转两档控前轮左转两档控 制制 方向锁死方向锁死 前轮右转两档控前轮右转两档控 制制 左边传感器接收左边传感器接收 到信息到信息 右边传感器接右边传感器接 收到信息收到信息 中中 间间 传传 感感 器器 接接 收收 信信 息息 图 1.4 自动寻迹状态图 (2).正逆向行驶
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