尋跡小車智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作 1 尋跡小車智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案 1 緒 論 進(jìn)入 二十一 世紀(jì)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)器人技術(shù)較以往已經(jīng)有了突飛猛進(jìn)的提高，智能循跡小車即帶有視覺(jué)和觸覺(jué)的小車就是其中的典型代表。 能循跡小車概述 智能循跡小車又被稱為 稱 二十世紀(jì)五十年代研發(fā)出來(lái)的新型智能搬運(yùn)機(jī)器人。智能循跡小車是指裝備如電磁，光學(xué)或其他自動(dòng)導(dǎo)引裝置，可以沿設(shè)定的引導(dǎo)路徑行駛，安全的運(yùn)輸車。工業(yè)應(yīng)用中采用充電蓄電池為主要的動(dòng)力來(lái)源，可通過(guò)電腦程序來(lái)控制其選擇運(yùn) 動(dòng)軌跡以及其它動(dòng)作，也可把電磁軌道黏貼在地板上來(lái)確定其行進(jìn)路線， 無(wú)人搬運(yùn)車 通過(guò)電磁軌道所帶來(lái)的訊息進(jìn)行移動(dòng)與動(dòng)作，無(wú)需駕駛員操作， 將貨物或物料自動(dòng)從起始點(diǎn)運(yùn)送到目的地。 另一個(gè)特點(diǎn)是高度自動(dòng)化和高智能化，可以根據(jù)倉(cāng)儲(chǔ)貨位要求、生產(chǎn)工藝流程等改變而靈活改變行駛路徑，而且改變運(yùn)行路徑的費(fèi)用與傳統(tǒng)的輸送帶和傳送線相比非常低廉。 車一般配有裝卸機(jī)構(gòu)，可與其它物流設(shè)備自 動(dòng)接口，實(shí)現(xiàn)貨物裝卸與搬運(yùn)的全自動(dòng)化過(guò)程。此外， 車 依靠蓄電池提供動(dòng)力， 還有清潔生產(chǎn)、 運(yùn)行過(guò)程中無(wú)噪音、無(wú)污染 的特點(diǎn)， 可用在工作環(huán)境清潔的地方。 跡小車的發(fā)展歷程回顧 隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，人們希望創(chuàng)造出一種來(lái)代替人來(lái)做一些非常危險(xiǎn)，或者要求精度很高等其他事情的工具，于是就誕生了機(jī)器人這門(mén)學(xué)科。世界上誕生第一臺(tái)機(jī)器人誕生于 1959 年，至今已有 50 多年的歷史，機(jī)器人技術(shù)也取得了飛速的發(fā)展和進(jìn)步，現(xiàn)已發(fā)展成一門(mén)包含：機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、信號(hào)處理，傳感器等多學(xué)科 為一體的性尖端技術(shù)。循跡小車共歷了三代技術(shù)創(chuàng)新變革： 第一代循跡小車是可編程的示教再現(xiàn)型，不裝載任何傳感器，只是采用簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)控制，通過(guò)編程來(lái)設(shè)置循跡小車的路徑與運(yùn)動(dòng)參數(shù)，在工作過(guò)程中，不能根據(jù)環(huán)境的變化而改變自身的運(yùn)動(dòng)軌跡。 支持離線編程的第二代循跡小車具有一定感知和適應(yīng)環(huán)境的能力，這類循跡小車裝有簡(jiǎn)單的傳感器，可以感覺(jué)到自身的的運(yùn)動(dòng)位置，速度等其他物理量，電路是一個(gè)閉環(huán)尋跡小車智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作 2 反饋的控制系統(tǒng)，能適應(yīng)一定的外部環(huán)境變化。 第三代循跡小車是智能的，目前在研究和發(fā)展階段，以多種外部傳感器構(gòu)成感官系統(tǒng)，通過(guò)采集外部的 環(huán)境信息，精確地描述外部環(huán)境的變化。智能循跡小車，能獨(dú)立完成任務(wù)，有其自身的知識(shí)基礎(chǔ)，多信息處理系統(tǒng)，在結(jié)構(gòu)化或半結(jié)構(gòu)化的工作環(huán)境中，根據(jù)環(huán)境變化作出決策，有一定的適應(yīng)能力，自我學(xué)習(xí)能力和自我組織的能力。為了讓循跡小車能獨(dú)立工作，一方面應(yīng)具有較高的智慧和更廣泛的應(yīng)用，研究各種新機(jī)傳感器，另一方面，也掌握多個(gè)多類傳感器信息融合的技術(shù)，這樣循跡小車可以更準(zhǔn)確，更全面的獲得所處環(huán)境的信息 1。 能循跡分類 發(fā)明至今已經(jīng)有 50 多年的歷史，隨著應(yīng)用領(lǐng)域范圍的不斷擴(kuò)大，其種類和形式也變得更加多樣 化。一般根據(jù)行駛的導(dǎo)航方式將 智能循跡小車 分為以下幾種類型： (1)電磁感應(yīng)式 電磁感應(yīng)式引導(dǎo)一般在地面上，沿預(yù)定路徑埋電線，當(dāng)高頻電流通過(guò)導(dǎo)線，電線周圍產(chǎn)生電磁場(chǎng)流動(dòng)， 車上安裝兩個(gè)對(duì)稱的電磁感應(yīng)傳感器，他們收到的電磁信號(hào)差異可以反映的 離程度路徑的程度。 動(dòng)化控制系統(tǒng)，基于這種偏差值，以控制車輛的轉(zhuǎn)向，連續(xù)的動(dòng)態(tài)的閉環(huán)控制設(shè)置能夠保證 設(shè)定路徑的穩(wěn)定自動(dòng)跟蹤。在目前商業(yè)用途的 ，特別是大型和中型小車，絕大多數(shù)都采用電磁感應(yīng)導(dǎo)航。 (2)激光式 安裝有可旋轉(zhuǎn)的激光掃描器的 安裝在墻壁或有高反射激光定位標(biāo)志的支柱上或者路徑上運(yùn)行， 靠激光掃描器發(fā)射激光束，然后接收由四周定位標(biāo)志反射回的激光束，車載計(jì)算機(jī)，計(jì)算出當(dāng)前車輛的位置和運(yùn)動(dòng)方向，通過(guò)內(nèi)置的數(shù)字地圖和校準(zhǔn)位置相比，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)處理。目前，這種 型的應(yīng)用比較廣泛。基于同樣的原理，如果激光掃描儀被紅外線發(fā)射器，或超聲波發(fā)射取代，激光制導(dǎo)的 車可以轉(zhuǎn)變?yōu)榧t外引導(dǎo)和超聲引導(dǎo)的 (3)視覺(jué)式 視覺(jué)引導(dǎo)式 的迅速發(fā)展和比較成熟的 種 備 像機(jī)，傳感器和車載電腦，在車載計(jì)算機(jī)中設(shè) 置有 機(jī)得到的圖像與圖像數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比較，以確定當(dāng)前位置和車輛周圍的尋跡小車智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作 3 圖像信息并對(duì)駕駛下一步作出決定。這種 車并不需要設(shè)置任何的人工物理路徑，所以在理論上具有靈活性，在計(jì)算機(jī)圖像采集，存儲(chǔ)和處理技術(shù)飛速發(fā)展的今天，這種類型的 用性越來(lái)越強(qiáng)。此外，還有鐵磁陀螺慣性引導(dǎo)式 學(xué)引導(dǎo)式 。 能循跡小車的應(yīng)用 智能循跡小車發(fā)展歷史及主要應(yīng)用場(chǎng)所 如下 ： (1)倉(cāng)儲(chǔ)業(yè) 1954 年，來(lái)自美國(guó)南卡羅來(lái)納州的 司成為第一批把 實(shí)現(xiàn)出入庫(kù)貨物的自動(dòng)處理。至今世界上有超過(guò) 2100個(gè)廠家把大約 2 萬(wàn)臺(tái)大型或小型的 車應(yīng)用到自己的倉(cāng)庫(kù)中。中國(guó)的海爾集團(tuán)在2000 年把 9 臺(tái) 車投產(chǎn)到了自己的倉(cāng)庫(kù)區(qū)，形成一個(gè)靈活的 動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)處理系統(tǒng)，輕松地完成了每天至少 33500 的儲(chǔ)存和裝卸貨物的任務(wù)。 (2)制造業(yè) 在制造業(yè)的的生產(chǎn)線中 車大顯身手，快速，精確，靈活的完成材料的運(yùn)送任務(wù)。由多臺(tái) 車組成的物流運(yùn)輸處理系統(tǒng)，較人工搬運(yùn)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)更靈活 ，運(yùn)輸路線可以根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程及時(shí)調(diào)整，使一條生產(chǎn)線，生產(chǎn)十幾個(gè)產(chǎn)品，大大提高了生產(chǎn)的靈活性，企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。在 1974 年瑞典的沃爾沃卡爾馬的汽車組裝廠，提高了運(yùn)輸系統(tǒng)的靈活性，使用以 車為載運(yùn)工具的裝配線，采用該裝配線后，減少了 20%裝配時(shí)間、減少了 39%組裝錯(cuò)誤，減少了 57%投資資金回收時(shí)間以及減少了 5%的員工費(fèi)用。目前，在世界主要的汽車生產(chǎn)廠家，如通用、豐田、克萊斯勒、大眾 車已被廣泛應(yīng)用。 (3)郵局、圖書(shū)館、港口碼頭和機(jī)場(chǎng) 在郵局，圖書(shū)館，碼頭和機(jī)場(chǎng)候機(jī)樓等人口密集的公眾場(chǎng)所，存在著大量的 物品的運(yùn)送工作，充滿不定性和動(dòng)態(tài)性強(qiáng)的特點(diǎn)，搬運(yùn)過(guò)程往往也很單一。 著可并行工作 、 自動(dòng)化 、 智能化和處理靈活的特點(diǎn)，可以很好的滿足這些場(chǎng)合的運(yùn)輸要求。 1983年瑞典的 大斯得哥爾摩郵局 ， 1988 年日本東京的多摩郵局 ， 1990 年中國(guó)上海的 郵政相繼 開(kāi)始使用 車來(lái)完成郵品的搬運(yùn)工作。在荷蘭的鹿特丹港口， 50 輛被稱為 “院子里的拖拉機(jī) ”的 車每天都在把集裝箱 從船邊運(yùn)送到幾百米以外的倉(cāng)庫(kù)中。 (4)煙草、醫(yī)藥、化工、食品 尋跡小車智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作 4 對(duì)于處理一些需要在清潔、安全、無(wú)排放污染等其他特殊環(huán)境要求的產(chǎn)品生產(chǎn)如煙草、制藥、食 品、化工等產(chǎn)品時(shí)應(yīng)考慮 車的應(yīng)用。在全國(guó)許多卷煙企業(yè)，如青島頤中集團(tuán)、玉溪紅塔集團(tuán)、紅河卷煙廠、淮陰卷煙廠， 應(yīng)用激光引導(dǎo)式 成托盤(pán)貨物的搬運(yùn)工作。 能循跡小車研究中的關(guān)鍵技術(shù) 現(xiàn)在全世界越來(lái)越多的國(guó)家都在做著研究智能化、多樣化的自動(dòng)汽車導(dǎo)航的工作。自動(dòng)汽車導(dǎo)航是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，它不僅應(yīng)具有正常的運(yùn)動(dòng)功能的成分，而且還應(yīng)具有任務(wù)分析，路徑規(guī)劃，信息感知，自主決策等類似人類的智能行為。 人類可以利用自己的聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)、味覺(jué)、觸覺(jué)等功能獲取事物的信息，人類的大腦再根據(jù)已經(jīng)掌握的知識(shí)對(duì)這些信 息進(jìn)行綜合分析，從而全面了解認(rèn)知事物。這樣一個(gè)認(rèn)識(shí)事物、分析事物和處理信息的過(guò)程稱之為信息融合過(guò)程。多傳感器信息融合的基本原理就是模仿人類大腦的這個(gè)過(guò)程，得到一個(gè)對(duì)復(fù)雜對(duì)象的一致性解釋或結(jié)論。多傳感器信息融合是協(xié)調(diào)多個(gè)分布在不同地點(diǎn)，相同或不同種類的傳感器所提供的局部不完整觀測(cè)量信息加以綜合，協(xié)調(diào)使用，消除可能存在的冗余和矛盾，并加以互補(bǔ)，以減少不確定性，得到對(duì)物體或環(huán)境的一致性描述的過(guò)程 4。 多傳感器信息融合具有許多性能上的優(yōu)點(diǎn)： (1)增加了系統(tǒng)的生存能力； (2)減少了信息的模糊性； (3)擴(kuò)展了采集數(shù) 據(jù)覆蓋范圍； (4)增加了可信度； (5)改善了探測(cè)性能；(6)提高了空間的分辨力； (7)改善了系統(tǒng)的可靠性 (8)信息的低成本性 5。 本文主要由五章組成，第 1 章為緒論，主要講述循跡小車的發(fā)展歷程及在目前所應(yīng)用領(lǐng)域中的作用。第 2 章 為 總體規(guī)劃智能循跡小車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包含主系統(tǒng)流程圖。第3 章是系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，其中包含單片機(jī)電路的設(shè)計(jì)、 線模塊、 塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等。第 4 章為系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，主要介紹的是軟件實(shí)現(xiàn)過(guò)程的框圖。第 5 章是制作安裝與調(diào)試，最終保證了系統(tǒng)的正常運(yùn)行。 尋跡小車智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作 5 2 總體設(shè)計(jì)方案 體設(shè)計(jì)方案 主單片機(jī)電路直 流 電 機(jī)循 跡 模 塊無(wú) 線 遙 控 器電 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 模 塊圖 2統(tǒng)總體框圖 智能循跡小車主要包括了無(wú)線遙控器、線性 跡模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，小車車模等。通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)或者線性 測(cè)道路黑線處理得到數(shù)據(jù)，從而通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制電機(jī)的狀態(tài)和舵機(jī)的轉(zhuǎn)向，最終實(shí)現(xiàn)小車可以無(wú)線遙控器控制，或者自動(dòng)識(shí)別路線，完成循跡行車。 線遙控器的設(shè)計(jì)方案 單片機(jī)電路無(wú) 線 發(fā) 送 模 塊電 源 模 塊搖 桿 模 塊L C D 顯 示 模 塊圖 2線遙控器 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 無(wú)線遙控器主要有 機(jī)鋰電池充、供電模塊， 示模塊， 準(zhǔn)電壓模塊和搖桿模塊等。 尋跡小車智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作 6 主要工作原理是通過(guò) 片機(jī)控制 集 搖桿的 X,Y 軸電位值，并將電位值通過(guò) 線模塊發(fā)送給小車，從而控制小車轉(zhuǎn)向和加、減速等。 跡小車的設(shè)計(jì)方案 單片機(jī)電路無(wú) 線 接 收模 塊超 聲 波 避障 模 塊紅 外 測(cè) 速模 塊電 源 模 塊直 流 電 機(jī)電 機(jī) 驅(qū) 動(dòng)循 跡 傳 感器L C D 顯 示 模 塊防 撞 模 塊圖 2能循跡小車 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 智能循跡小車主要包括了 片機(jī)主控電路模塊， 性 線接收模塊，超聲波 障模塊，紅外 速模塊， 示模塊 和 管構(gòu)成的 H 橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等。 主要工作原理是 通過(guò) 性 跡模塊采集的黑線路經(jīng)或 線接收模塊接收遙控器的數(shù)據(jù)，然后由 生 控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊改變電機(jī)的工作狀態(tài)，最后實(shí)現(xiàn)小車循跡。 統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟 1. 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，確定控制方案。 2. 利用 計(jì)合理的硬件原理圖。 3. 畫(huà)出程序流程圖， 使用 C 語(yǔ)言 進(jìn)行編程。 4. 將各元件焊接在 上，并將程序燒錄到單片機(jī)內(nèi)。 尋跡小車智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作 7 5. 進(jìn)行調(diào)試以實(shí)現(xiàn)控制功能。 定整體控制系統(tǒng)方案 1. 主控使用 40 引腳的 片機(jī)芯片，因?yàn)槠鋬?nèi)部集成 10 位 路 ，可以節(jié)省外圍設(shè)備。 2. 整個(gè)系統(tǒng)由 3V、 5V 三種直流電供電。其中 源是由直接提供的可充電電池供電， 5V、 通過(guò) 池來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 3. 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊由 2 片 2 片 成了一個(gè) 可以通過(guò) 控制電機(jī)的啟停和正反轉(zhuǎn)。 4. 路徑識(shí)別采用 性 過(guò)對(duì)賽道黑白的識(shí)別來(lái)控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向。 5. 無(wú)線模塊采用 傳輸數(shù)據(jù)，從而可以通過(guò)遙控器控制小車。 6. 避障模塊主要是通過(guò)超聲波 距，提前控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向，避開(kāi)障礙物。 7. 速度檢測(cè)模塊由紅外對(duì)管 測(cè)后輪胎轉(zhuǎn)速，然后數(shù)據(jù)處理為速度并實(shí)時(shí)顯示在現(xiàn)實(shí)。 8. 顯示模塊采用 過(guò) 5 個(gè)普通 與單片機(jī)通信， 84點(diǎn)陣，可以顯示 4 行漢字，能充分滿足需求。 尋跡小車智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作 8 3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 圖 3統(tǒng)總 體 原理圖 片機(jī)電路 片機(jī)最小系統(tǒng) 片機(jī)的簡(jiǎn)介 D/列單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘 /機(jī)器周期 (1T)的單片機(jī)，是高速 /低功耗 /超強(qiáng)抗干擾的新一代 8051 單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051，3 45 63 45 6123401350712105河南工程學(xué)院電氣 1 班 132113519 但速度快 8。內(nèi)部集成 用復(fù)位電路， 2 路 8 路高速 10 位 A/250K/S，即 25 萬(wàn)次 /秒 )，針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。 片機(jī)的主要特點(diǎn) 1. 增強(qiáng)型 8051 1T，單時(shí)鐘 /機(jī)器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051； 2. 通用 I/O 口（ 36/40/44 個(gè)），復(fù)位后為：準(zhǔn)雙向口 /弱上拉（普通 8051 傳統(tǒng) I/O 口）可設(shè)置成四種模式：準(zhǔn)雙向口 /弱上拉，強(qiáng)推挽 /強(qiáng)上拉，僅為輸入 /高阻，開(kāi)漏每個(gè) I/O 口驅(qū)動(dòng)能力均可達(dá)到 20整個(gè)芯片最大不要超過(guò) 120 3. 內(nèi)部集成 用復(fù)位電路（外部晶體 12M 以下時(shí)，復(fù)位腳可直接 1K 電阻到地）； 4. 時(shí)鐘源：外部高精度晶體 /時(shí)鐘，內(nèi)部 R/C 振蕩器 (溫漂為 5% 到 10%以內(nèi) )用戶在下載用戶程序時(shí)，可選擇是使用內(nèi)部 R/C 振蕩器還是外部晶體 /時(shí)鐘 常溫下內(nèi)部 R/C 振蕩器頻率為： 片機(jī)為： 1117片機(jī)為： 812. 共 4 個(gè) 16 位定時(shí)器 兩個(gè)與傳統(tǒng) 8051 兼容的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器， 16 位定時(shí)器 有定時(shí)器 2，但有獨(dú)立波特率發(fā)生器做串行通訊的波特率發(fā)生器 ,再加上 2 路 塊可再實(shí)現(xiàn) 2 個(gè) 16 位定時(shí)器； 6. 3 個(gè)時(shí)鐘輸出口，可由 溢出在 0 輸出時(shí)鐘，可由 溢出 1輸出時(shí)鐘，獨(dú)立波特率發(fā)生器可以在 輸出時(shí)鐘； 7. 外部中斷 I/O 口 7 路 ,傳統(tǒng)的下降沿中斷或低電平觸發(fā)中 斷 ,并新增支持上升沿中斷的 式， 式 可 由 外 部 中 斷 喚 醒 ， 0/可通過(guò)寄存器設(shè)置到 可通過(guò)寄存器設(shè)置到 8. 2 路） / 編程計(jì)數(shù)器陣列 ,2 路） 可用來(lái)當(dāng) 2 路 D/A 使用 可用來(lái)再實(shí)現(xiàn) 2 個(gè)定時(shí)器 可用來(lái)再實(shí)現(xiàn) 2 個(gè)外部中斷 (上升沿中斷 /下降沿中斷均可分別或同時(shí)支持 )； 9. A/D 轉(zhuǎn)換 , 10 位精度 8 路，轉(zhuǎn)換速度可達(dá) 250K/S(每秒鐘 25 萬(wàn)次 )； 尋跡小車智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作 10 10. 通用全雙工異步串行口 (由于 列是高速的 8051，可再用定時(shí)器或 件實(shí)現(xiàn)多串口； 11. 列有雙串口，后綴有 志的才有雙串口， 通過(guò)寄存器設(shè)置到 通過(guò)寄存器設(shè)置到 徑檢測(cè)模塊 性 外測(cè)速性 跡模塊 路徑檢測(cè)模塊是智能車系統(tǒng)信號(hào)的輸入模塊主要檢測(cè)的賽道對(duì)道路偏離量，這些信息是小車沿賽道運(yùn)行的信息基礎(chǔ)獲得 更多、更遠(yuǎn)、更精確的塞到信息是提高車模運(yùn)行速度的關(guān)鍵。所以，路徑檢測(cè)的好壞直接關(guān)系到最終性能的優(yōu)劣。對(duì)于小車路徑信息的采集的方式如下所示： 方案一：紅外傳感器的檢測(cè)方式，優(yōu)點(diǎn)：電路設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單、檢測(cè)速度信息快、調(diào)試簡(jiǎn)單、成本低。缺點(diǎn)：道路參數(shù)檢測(cè)精度低、道路參數(shù)檢測(cè)種類少、傳感器的個(gè)數(shù)較多、檢測(cè)距離前瞻較短、耗電量較大。 方案二：線陣 測(cè)方法，優(yōu)點(diǎn)：檢測(cè)前瞻距離大、檢測(cè)范圍寬、檢測(cè)道路參數(shù)較多。缺點(diǎn)：電路設(shè)計(jì)復(fù)雜、軟件計(jì)算量大、監(jiān)測(cè)信息更新速度快。 綜上所述每個(gè)方案都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，綜合考慮線陣 測(cè)方法比較好，它能夠使檢測(cè)到的道路信息更加的精確，有利于小車的速度提高。 性 介 性 感器陣列由一個(gè) 128 1 的光電二極管陣列，相關(guān)的電荷放大尋跡小車智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作 11 器電路，和一個(gè)內(nèi)部的像素?cái)?shù)據(jù)保持功能，它提供同時(shí)集成起始和停止時(shí)間所有像素。 該陣列是由 128 個(gè)像素，其中每一個(gè)具有光敏面積 3,方微米。 像素之間的間隔是 8 微米。 操作簡(jiǎn)化內(nèi)部控制邏輯，需要只有一個(gè)串行輸入端 (信號(hào)和時(shí)鐘。 主要特點(diǎn)： 1. 1281 個(gè)傳感器單元組織； 2. 每英寸 400 點(diǎn)（ 感器間距； 3. 高線性度和均勻度； 4. 寬動(dòng)態(tài)范圍： 4000： 1（ 72 分貝）； 5. 輸出參考地； 6. 低圖像延遲： 型值； 7. 操作為 8 8. 單 3V 到 5V 供應(yīng)； 9. 軌到軌輸出擺幅（ 10. 沒(méi)有外部負(fù)載電阻。 性 主要工作原理 核心是 128 個(gè)光電二極管組成的感光陣列，陣列后面有一排積分電容，光電二極管在光能量沖擊下產(chǎn)生光電流，構(gòu)成有源積分電路，那么積分電容就是用來(lái)存儲(chǔ)光能轉(zhuǎn)化后的電荷。積分電容存儲(chǔ)的電荷越多，說(shuō)明前方對(duì)應(yīng)的那個(gè)感光二極管采集的光強(qiáng)越大。反映在像素點(diǎn)上就是，像素灰 度低。光強(qiáng)接近飽和，像素點(diǎn)灰度趨近于全白，則呈白電平。 模擬輸出 (電壓由公式 (3出： 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 (3為白色狀態(tài)下的模擬輸出電壓； 黑暗條件下的模擬輸出電壓； 器件的響應(yīng)性，對(duì)于給定的光的的波長(zhǎng)在 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ； 在 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 的時(shí)間輻照； 積分時(shí)間，以秒為單位。 境光影響問(wèn)題 尋跡小車智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作 12 試驗(yàn)表明 性 輸出信號(hào)和環(huán)境光線密切相關(guān)，在自然光條件比晚上燈光下 腳輸出電壓值高出很多，正對(duì)著光線比背著光線輸出電壓高，白熾燈光下比日光燈下輸出電壓高。因此，同一參數(shù)（曝光時(shí)間、鏡頭光圈）難以適應(yīng)各種環(huán)境，在光線較弱環(huán)境下的參數(shù)在強(qiáng)光下會(huì)出現(xiàn)輸出飽和，在較強(qiáng)光線下調(diào)節(jié)好的參數(shù)在弱光下輸出電壓過(guò)低，甚至處于截止?fàn)顟B(tài)。在智能車應(yīng)用中，白天自然光環(huán)境和晚上燈光環(huán)境、正對(duì)光和背光、不同的比賽場(chǎng)地之間都不能采用相同的曝光參數(shù)。與輸出電壓密切相關(guān)的參數(shù)是曝光量，曝光量取決于 塊所采用的鏡頭光圈大小和程序所控制的曝光時(shí) 間。智能車為適應(yīng)各種運(yùn)行環(huán)境，必須實(shí)時(shí)感知環(huán)境，并根據(jù)環(huán)境閉環(huán)調(diào)節(jié)曝光量，使得在不同環(huán)境中曝光量都處于一個(gè)合理的范圍，這樣才能保證在不同環(huán)境中 出電壓在合理范圍，以利于算法提取黑線信息。鏡頭相關(guān)參數(shù)一旦選定在智能車運(yùn)行難以改變，曝光時(shí)間比較容易通過(guò)程序控制，因此比較容易實(shí)現(xiàn)的調(diào)整曝光量方法是通過(guò)軟件調(diào)整曝光時(shí)間。 線模塊 線數(shù)據(jù)傳輸模塊 線 介 司最近生產(chǎn)的一款無(wú)線通信通信芯片，采用 制，內(nèi)部集成 己的 議。可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或是 1 對(duì) 6 的無(wú)線通信。無(wú)線通信速度可以達(dá)到 2M( 司提供通信模塊的 件，可以直接加工生產(chǎn)。嵌入式工程師或是單片機(jī)愛(ài)好者只需要為單片機(jī)系統(tǒng)預(yù)留 5 個(gè)1 個(gè)中斷輸入引腳，就可以很容易實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信的功能，非常適合用來(lái)為 13 系統(tǒng)構(gòu)建無(wú)線通信功能。 主要特點(diǎn)： 1. 球開(kāi)放 段，最大 0射功率，免許可證使用； 低工作電壓：正常工作電壓 2. 高速率： 最高 2樣使得信號(hào)空中停留時(shí)間極短，減小了無(wú)線碰撞的可能 (軟件設(shè)置 1者 2空中傳輸速率 )； 3. 多頻點(diǎn)： 125 頻點(diǎn)，可以應(yīng)用于多點(diǎn)通信以及跳頻的實(shí)現(xiàn)； 4. 超小型： 線內(nèi)置，體積小巧，規(guī)格： 15括天線）；低功耗：快速的傳輸速率也降低了收發(fā)功耗； 5. 很低的應(yīng)用成本： 成了 用的是 口，可以與單片機(jī)的 口直接相連。沒(méi)有 口的單片機(jī)可以利用單片機(jī)的 I/O 口進(jìn)行模擬，內(nèi)部有 于數(shù)據(jù)緩存，因此 以與各種高低速微處理器接口，便于使用低成本單片機(jī)。 線 工作原理 塊的原理圖如圖 3示： 圖 3塊的原理圖 從單片機(jī)控制的角度來(lái)看，我們只需要它的的六個(gè)控制和數(shù)據(jù)信號(hào)，分別為 尋跡小車智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作 14 片的片選線， 低電平芯片工作 ; 片控制的時(shí)鐘線（ 鐘） ; 片控制數(shù)據(jù)線（ ; 片控制數(shù)據(jù)線（ ; 斷信號(hào)。無(wú)線通信過(guò)程中 要是通過(guò) 行通信 ; 片的模式控制線。在 低的情況下， 同 存器共同決定 狀態(tài)（掉電、發(fā)射、接收、待機(jī) 、待機(jī) ）。 發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí)，首先將 置為發(fā)射模式：接著把接收節(jié)點(diǎn)地址 照時(shí)序由 寫(xiě)入 存區(qū)， 須在 發(fā)射時(shí)寫(xiě)入一次即可，然后 為高電平并保持至少 10s，延遲 130s 后發(fā)射數(shù)據(jù) ;若自動(dòng)應(yīng)答開(kāi)啟，那么 發(fā)射數(shù)據(jù)后立即進(jìn)入接收模式，接收應(yīng)答信號(hào)（自動(dòng)應(yīng)答接收地址應(yīng)該與接收節(jié)點(diǎn)地址 致）。如果收到應(yīng)答，則認(rèn)為此次通信成功， 高，同時(shí) 若未收到應(yīng)答，則自動(dòng)重新發(fā)射該數(shù)據(jù) (自動(dòng)重發(fā)已開(kāi)啟 )，若重發(fā)次數(shù) (到上限， 高， 數(shù)據(jù)保留以便在次重發(fā) ; 高時(shí)，使 低，產(chǎn)生中斷，通知 后發(fā)射成功時(shí) ,若 低則 入空閑模式 1;若發(fā)送堆棧中有數(shù)據(jù)且 高，則進(jìn)入下一次發(fā)射 ;若發(fā)送堆棧中無(wú)數(shù)據(jù)且 高，則進(jìn)入空閑模式 2。 接收數(shù)據(jù)時(shí) ,首先將 置為接收模式，接著延遲 130 s 進(jìn)入接收狀態(tài)等待數(shù)據(jù)的到來(lái)。當(dāng)接收方檢測(cè)到有效的地址和 ，就將數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)在 ，同時(shí)中斷標(biāo)志位 高， 低，產(chǎn)生中斷，通知 取數(shù)據(jù)。若此時(shí)自動(dòng)應(yīng)答開(kāi)啟，接收方則同時(shí)進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)回傳應(yīng)答信號(hào) 。最后接收成功時(shí)，若 低，則 入空閑模式 1。 尋跡小車智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作 15 障模塊 聲波 障模塊 原理圖 聲波 介 模塊性能穩(wěn)定，測(cè)度距離精確，模塊高精度，盲區(qū)小。 產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域：機(jī)器人避障、物體測(cè)距、液位檢測(cè)、公共安防、停車場(chǎng)檢測(cè) 。 主要技術(shù)參數(shù)： 1. 使用電壓： 2. 靜態(tài)電流：小于 2 3. 電平輸出：高 5V； 4. 電平輸出：低 0V； 5. 感應(yīng)角度：不大于 15 度； 6. 探測(cè)距離： 2 7. 高精度：可達(dá) 聲波的主要工 作原理 超聲波傳感器的工作原理是陶瓷的壓電效應(yīng)。超聲波傳感器在測(cè)量過(guò)程中，聲波信號(hào)由傳感器發(fā)出，經(jīng)液體或固體物體表面反射后折回由同一傳感器接收，可以測(cè)量聲波的整個(gè)運(yùn)行時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)物位的測(cè)量。 超聲測(cè)距大致有以下方法：一種是取輸出脈沖的平均值電壓，該電壓 (其幅值基本固定 )與距離成正比，測(cè)量電壓即可測(cè)得距離；另一種是測(cè)量輸出脈沖的寬度，即發(fā)射尋跡小車智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作 16 超聲波與接收超聲波的時(shí)間間隔 t，如圖 3示，故被測(cè)距離為 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 。本系統(tǒng)測(cè)量采用第二種方案。由于超聲波的聲速與溫度有關(guān)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲 速基本不變。如果測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ３暡y(cè)距適用于高精度的中長(zhǎng)距離測(cè)量。因?yàn)槌暡ㄔ跇?biāo)準(zhǔn)空氣中的傳播速度為 秒，由單片機(jī)負(fù)責(zé)計(jì)時(shí)，單片機(jī)使用 振，所以此系統(tǒng)的測(cè)量精度理論上可以達(dá)到毫米級(jí)。 圖 3聲波測(cè)距原理 假定 S 為被測(cè)物體到測(cè)距儀之間的距離，測(cè)得的時(shí)間為 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ，超聲波傳播速度為 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 表示，則有關(guān)系式 (3 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 (3在精度要求較高的情況下，需要考慮溫度對(duì)超聲波傳播速度的影響，按 公 式 (3超聲波傳播速度加以修正，以減小誤差。溫度與聲速的關(guān)系參照表 3 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 (3式中： T 為實(shí)際溫度單位為 ； V 為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度單位為 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 。 表 3度與聲速參照表 溫度與聲速參照表 溫度 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 20 10 20 30 聲速 錯(cuò)誤 !未找 313 319 322 331 337 344 350 超聲波發(fā)射 超聲波接收 時(shí)間 T 障礙物 尋跡小車智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作 17 到引用源。 示模塊 示模塊原理圖 方案一：采用數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管具有接線簡(jiǎn)單、成本低廉、配置簡(jiǎn)單靈活、編程容易、對(duì)外界環(huán)境要求較低、易于維護(hù)等特點(diǎn)。 電壓和電流的顯示可以用數(shù)碼管，但數(shù)碼管 顯示的信息量有限 ，只能顯示簡(jiǎn)單的數(shù)字，其電路復(fù)雜，占用 的系統(tǒng) I/O 資源較多，顯示信息少，不宜顯示大量信息。 方案二：考慮到本系統(tǒng)中顯示的內(nèi)容以及系統(tǒng)的實(shí)用性，采用液晶顯示 (液晶顯示具有功耗低、體積小、質(zhì) 量輕、無(wú)輻射危害、平面直角顯示以及影響穩(wěn)定不閃爍、畫(huà)面效果好、分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。點(diǎn)陣式 僅可以顯示字符、數(shù)字，還可以顯示各種圖形、曲線及漢字，并且可以實(shí)現(xiàn)屏幕上下左右滾動(dòng)、動(dòng)畫(huà)、閃爍、文本特征顯示等功能。 因?yàn)?晶顯示模塊可以顯示出數(shù)字、字母、漢字等，一面了然、外觀比較好看。而且液晶顯示功耗低、體積小、質(zhì)量輕、無(wú)輻射危害，與單片機(jī)連接較簡(jiǎn)單。故經(jīng)過(guò)比較選擇方案二 晶顯示簡(jiǎn)介 尋跡小車智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作 18 圖 3晶顯示器原理圖 液晶顯示模塊引 腳說(shuō)明如表 3示： 表 3晶顯示模塊的管腳 引腳序號(hào) 引腳名稱 功能 引腳序號(hào) 引腳名稱 功能 1 行數(shù)據(jù)線 5 位 2 行時(shí)鐘線 6 源正 3 D/C 模式選擇 7 光燈 4 片使能 8 源地 晶顯示特點(diǎn)： 1. 性價(jià)比高，可以顯示 15 個(gè)漢字、 30 個(gè)字符，價(jià)格相對(duì)便宜； 2. 接口簡(jiǎn)單，僅四根 I/O 線即可驅(qū)動(dòng)； 3. 速度快，是 20 倍，是 40 倍； 4. 作電壓 常顯示時(shí)工作電流 200下，具有掉電模式，適合電池供電的便攜式移動(dòng)設(shè)備。 晶的主要工作原理 (1)口時(shí)序?qū)憯?shù)據(jù) /命令 通信協(xié)議是一個(gè)沒(méi)有 有 議： 尋跡小車智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作 19 圖 3行總線協(xié)議 個(gè)字節(jié) (2)初始化 接通電源后，內(nèi)部寄存器和 內(nèi)容是不確定的，這需要一個(gè) 電平脈沖復(fù)位一下。 圖 3位時(shí)序 (3)顯示英文字符 英文字符占用 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 個(gè)點(diǎn)陣，通過(guò)建立一個(gè) 數(shù)組 6來(lái)尋址。 (4)顯示漢字 顯示漢字可以采用兩種點(diǎn)陣方式，一種是 12*12 點(diǎn)陣，一種是 16*16 點(diǎn)陣。 機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 51 H 橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖 方案一：采用直流電機(jī)，配合 動(dòng)芯片組合。優(yōu)點(diǎn)在于硬件電路的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)尋跡小車智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作 20 單。當(dāng)外加額定直流電壓時(shí)，轉(zhuǎn)速幾乎相等。這類電機(jī)用于錄音機(jī)、錄相機(jī)、唱機(jī)或激光唱機(jī)等固定轉(zhuǎn)速的機(jī)器或設(shè)備中。也用于變速范圍很寬的驅(qū)動(dòng)裝置。容易受到外部因素干擾，影響穩(wěn)定的 轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩輸出。電路如圖 3 圖 3流電機(jī) +合電路原理 方案二：采用步進(jìn)電機(jī)，配合 動(dòng)芯片組合。步進(jìn)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)精確的轉(zhuǎn)腳輸出，只要施加合適的脈沖序列，電機(jī)可以按照人們的預(yù)定的速度或方向進(jìn)行連續(xù)的轉(zhuǎn)動(dòng)，便于 控速，但是 軟件程序的 編寫(xiě)較直流 電機(jī)稍顯復(fù) 雜。但是芯片路比較復(fù) 雜。如圖3 尋跡小車智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作 21 圖 3 進(jìn)電機(jī) +理圖 方案 三：采用直流電機(jī)配合 由雙極性管組成的 路。用單片機(jī)控制晶 體管使之工作在占空比可調(diào)的開(kāi)關(guān) 狀態(tài)，精確調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高； H 橋電路保證了可以簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制；電子開(kāi)關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性也很高，是一種廣泛采用的調(diào)速技術(shù)，其電路原理簡(jiǎn)圖如圖 3示。 圖 3機(jī)驅(qū)動(dòng)原理簡(jiǎn)圖 尋跡小車智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作 22 綜合 3 種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，鑒于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)體積較小，自身重量較輕，對(duì)電機(jī)功率輸出要求不高，決定選擇方案 3。 所謂的 H 橋電路就是控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)的。如圖 3是一種簡(jiǎn)單的 H 橋電路，它由2 個(gè) 型場(chǎng)效應(yīng)管 2 個(gè) 型場(chǎng)效應(yīng)管 成，所以它叫 H 橋。 橋臂上的 4 個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管相當(dāng)于四個(gè)開(kāi)關(guān)， P 型管在柵極為低電平時(shí)導(dǎo)通，高電平時(shí)關(guān)閉； N 型管在柵極為高電平時(shí)導(dǎo)通，低電平時(shí)關(guān)閉。場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制型元件，柵極通過(guò)的電流幾乎為“零”。 正因?yàn)檫@個(gè)特點(diǎn)，在連接好圖 3路后， 高電平（ U= U=0）時(shí)， 閉， 通，電機(jī)左端低電平，右端高電平，所以電流正向流動(dòng)。設(shè)為電機(jī)正轉(zhuǎn)。 低電平、 高電平時(shí)， 閉，通， 電機(jī)左端高電平，右端低電平，所以電流反向流動(dòng)。設(shè)為電機(jī)反轉(zhuǎn)。同時(shí)如果改變 占空比，就可以改變電機(jī)兩段的電壓，從而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 外測(cè)速電路 外 速原理圖 反射式光電