1、智能小车寻迹与避障方案总体方案：整个电路系统分为寻迹检测、避障检测、控制、驱动四个模块。首先利用检测模块对路面信号进行检测，经过比较器处理之后，送给软件控制模块进行实时控制，输出相应的信号给驱动芯片驱动电机转动，从而控制整个小车的运动。检测模块：在该模块中包括有速度信息检测和位置信息检测两个子模块，分别检测小车当前的位置信息和速度信息，并将检测到的信息传给 MCU，其核心是传感器。控制模块：控制模块包括信息处理和控制，其核心是MCU，MCU 接收到检测来的信号，对信号进行处理后作出判断，并发出控制命令。驱动模块：该模块包括了驱动电机，当接收到 MCU 的命令后便执行相应的操作，同时检测模块又检
2、测到电机的状态信息，反馈给 MCU 。从而整个系统构成一个闭环系统，在运行过程中，系统自动调节而达到正确行驶的目的。 智能小车寻迹与避障系统框图一方案论证与选择1.1 小车方案方案一：三轮智能小车。三轮智能小车的结构简单，易于操作，前轮的方向由舵机控制。但该方案的缺点也十分明显，在小车在行驶过程中的稳定性不足，并且行驶速度过慢。方案二：四轮智能小车。四轮智能小车相对于三轮智能小车在结构上更为复杂，但其稳定性得到明显加强。两个电机分别控制小车的两个后轮，驱动小车前进。同时四轮小车在转弯的控制性上更好。综合以上信息，在本次试验中，四轮驱动小车的性能更为优越，也更符合设计的目的和要求。所以此次智能小
3、车方案选择四轮小车作为小车模型。1.2 电源管理模块方案一：三端固定输出电压式稳压电源 L7805：运用其器件内部电路来实现过压保护、过流保护、过热保护，这使它的性能很稳定。能够实现 1A 以上的输出电流器件具有良好的温度系数。L7805 有多种电压输出值 5V24V，因此它的应用范围很广泛，可以运用本地调节来消除噪声影响，解决了与单点调节相关的分散问题，输出电压误差精度分为3%和5% 。而且它的价格低廉。方案二：L M1117 是 一 个 低 压 差 电 压 调 节 器 系 列 。LM1117 有 可 调 电 压 的 版 本 ， 通 过 2 个 外 部 电 阻 可 实 现1.25 13.8V
4、 输 出 电 压 范 围 。 另 外 还 有 5 个 固 定 电 压 输 出（ 1.8V、 2.5V、 2.85V、 3.3V 和 5V） 的 型 号 。 但 LM1117-5芯 片 的 功 耗 较 大 ， 散 热 困 难 ， 需 加 散 热 片 进 行 处 理 。综 合 以 上 比 较 ， LM1117-5 的 散 热 不 易 处 理 ， 而 且 对 小车 的 其 他 模 块 也 会 造 成 一 定 的 影 响 ， 不 利 于 整 体 控 制 。 所 以小 车 的 电 源 管 理 模 块 采 用 L7805 电 路 。1.3 CUP 选型方案一：STC89C51 单片机是把那些作为控制应用所
5、必需的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。它们都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依旧是 CPU 加上外围芯片的传统结构模式。但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。由上可见,STC89C51 单片机的硬件结构具有功能部件种类全，功能强等特点。方案二：MC9S12DG128芯片。基于16位HCS12 系列单片机MC9S12DG128的主要特点是高度的功能集成，易于扩展，低电压检测复位功能，低电压低功耗等。但它的控制结构复杂，较难掌握，一般为专业性强的比赛专用。本设计对单片机的处理速度等的要求不高，而且利用单片机可以轻松地完成控制、显示、数据接收以及处理等功能，因
6、此在能够达到要求的前提下本设计采用 STC89C51 单片机作为系统的控制核心。1.4 电机功率驱动方案一：MC33886是一款用于电机驱动的高效单片集成芯片，能够向负载电机提供高达5.0A的连续的直流感应电流，最高可以处理10kHz频率的PWM调制脉冲 5。值得一提的是，MC3386发热问题比较突出，特别是其正反转较为频繁的时候。方案二：L298N 芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的IO口提供信号；而且电路简单，使用方便。综合以上比较，MC33886 的功能虽然非常强大但其缺点也很明显。它的功耗过大，散
7、热困难，在不利于小车的弯道行驶的同时也会对其他模块造成一定的影响。反观L298N芯片，电路结构简单功能齐全，更易于小车控制。所以电机功率驱动选择方案二。1.5 电机调速方案一:串电阻调速系统。旋转变流系统由交流发电机拖动直流电动机实现变流，由发电机给需要调速的直流电动机供电，调节发电机的励磁电流即可改变其输出电压，从而调节电动机的转速。改变励磁电流的方向则输出电压的极性和电动机的转向都随着改变，所以 G-M 系统的可逆运行是很容易实现的。该系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机，还要一台励磁发电机，设备多、体积大、费用高、效率低、维护不方便等缺点。且技术落后，因此搁置
8、不用。方案二：静止可控整流器。简称 V-M 系统。 V-M 系统是当今直流调速系统的主要形式。它可以是单相、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型，可实现平滑调速。V-M 系统的缺点是晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。它的另一个缺点是运行条件要求高，维护运行麻烦。最后，当系统处于低速运行时，系统的功率因数很低，并产生较大的谐波电流危害附近的用电设备。方案三：脉宽调速系统。采用晶闸管的直流斩波器基本原理与整流电路不同的是，在这里晶闸管不受相位控制，而是工作在开关状态。当晶闸管被触发导通时，电源电压加到电动机上，当晶闸管关断时，直流电源与电动机断开，电动机经二极
9、管续流，两端电压接近于零。脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation） ，简称 PWM。脉冲周期不变，只改变晶闸管的导通时间，即通过改变脉冲宽度来进行直流调速。由于 PWM 调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得脉动很小的直流电流，电枢电流容易连续，系统的低速运行平稳，调速范围较宽，可达 1：10000 左右。同样由于开关频率高，若与快速响应的电机相配合，系统可以获得很宽的频带，因此快速响应性能好，动态抗干扰能力强。所以根据以上综合比较，采用方案三，使用 H 型单极型可逆 PWM变换器进行调速。1.6 寻迹方案1.6.1 寻迹传感器选择方案一：使用CCD 传感
10、器来采集路面信息。使用CCD 传感器，可以获取大量的图像信息，可以全面完整的掌握路径信息，可以进行较远距离的预测和识别图像复杂的路面，而且抗干扰能力强。但是对于本项目来说，使用CCD传感器的不足之处非常明显。首先使用CCD传感器需要有大量图像处理的工作，需要进行大量数据的存储和计算。因为是以实现小车视觉为目的，实现起来工作量较大，相当繁琐。 方案二：使用光电传感器来采集路面信息。使用红外传感器最大的优点就是结构简明，实现方便，成本低廉，免去了繁复的图像处理工作，反应灵敏，响应时间低，便于近距离路面情况的检测。考虑到本次设计的要求和可行性，方案一由于要使用到摄像头来实现对路面信息的采集和处理，费
11、用昂贵并且操作繁琐。反观方案二，更加利于实现，已基本符合本次设计思想。所以传感器采用光电对管来检测路面信息。1.6.2 寻迹传感器布局方案一：一字形布局 反射式光电传感器在小车前方一字形简单排布。在一字形中传感器的间隔有均匀布局和非均匀布局两种方式，均匀布局不利于弯道信息的准确采集，通常采取的是非均匀布局。考虑到弧度信息采集的连贯性，非均匀布局的理论依据是等角度分布原则，即先确定一合适的定点，从顶点依次等角度画射线，射线与传感器水平线相交的位置即为传感器的位置。这种方案信息检测相对连贯，准确，使控制程序算法简单，小车运行连贯，稳定。方案二：M形布局 。传感器呈M形排布。这种方案的优点在于拓宽了
12、边沿传感器的检测范围，更适合于小车快速行进中的弯道检测，但相对一字形布局来说，M形布局不利于信息检测的稳定，易于产生振荡，不利于小车行驶的稳定。由于本次寻迹实验要求比较简单，考虑到方案的可行性并且保持小车运行稳定，故此次采用方案一来进行传感器的布局。1.7 避障方案方案一: 超声波障碍检测。超 声 波 传 感 器 是 利 用 超 声 波的 特 性 研 制 而 成 的 传 感 器 。 超 声 波 是 一 种 振 动 频 率 高 于 声 波的 机 械 波 ， 由 换 能 晶 片 在 电 压 的 激 励 下 发 生 振 动 产 生 的 ， 它具 有 频 率 高 、 波 长 短 、 绕 射 现 象 小
13、 ， 特 别 是 方 向 性 好 、 能 够成 为 射 线 而 定 向 传 播 等 特 点 。方案二：视觉障碍检测。视 觉 传 感 器 具 有 从 一 整 幅 图 像捕 获 光 线 的 数 以 千 计 的 像 素 。 在 捕 获 图 像 之 后 ， 视 觉 传 感 器将 其 与 内 存 中 存 储 的 基 准 图 像 进 行 比 较 ， 以 做 出 分 析 。 视 觉传 感 器 的 优 点 是 易 于 多 目 标 测 量 和 分 类 ， 分 辨 率 好 。 但 它 不能 直 接 测 量 距 离 ， 算 法 复 杂 ， 处 理 速 度 慢 。由于超声波传感器价格合理，功能齐全。而视觉传感器价格昂
14、贵，且算法复杂，不易于控制。故本设计采用 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，由89C51 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。二硬件电路设计及实现2.1 电源管理模块电源作为智能车的“心脏” ，是小车的重要组成部分。小车使用的电源提供的电压为 7.2V，据资料可以知道，电动机可以工作在 7.2V，但单片机、传感器必须工作在 5V 电压下。故必须利用稳压芯片进行稳压。利用 7805 稳压芯片稳压，使单片机和传感器都能在 5V 电压下正常工作。电压分配图如下：、2.2 电机驱动模块从单片机输出的信号功率很弱，即使在没有其它
15、外在负载时也无法带动电机，所以在实际电路中我们加入了电机驱动芯片提高输入电机信号的功率，从而能够根据需要控制电机转动。根据驱动功率大小以及连接电路的简化要求选择 L298N。一块 L298N 芯片能够驱动两个电机转动，它的使能端可以外接高低电平，也可以利用单片机进行软件控制，极大地满足各种复杂电路需要。另外，L298N 的驱动功率较大，能够根据输入电压的大小输出不同的电压和功率，解决了负载能力不够这个问题。L298N 可接受标准 TTL 逻辑电平信号 VSS，V SS可接45 7 V 电压。 4 脚 VS接电源电压，V S电压范围 VIH为 2 546 V。输出电流可达 25 A，可驱动电感性
16、负载。1脚和 15 脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。 L298 可驱动 2 个电动机，OUT1，OUT2 和OUT3， OUT4 之间可分别接电动机。5，7，10，12 脚接输入控制电平，控制电机的正反转。电机驱动 L298N2.3 电机调速模块电动机PWM驱动电路小车控制的主电路采用由达林顿管组成的H型电路。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, 精确调整电动机转速。在这种电路中, 管子始终工作在饱和与截止模式下, 转换速度快, 效率高。H型电路可以实现转速和方向的控制, 是一种广泛采用的PWM调速技术。对速度的调节主要根据对导引线的偏差以及前
17、轮的转角进行，碰到弯道时，传感器检测到智能车的偏差增大，一方面通过控制舵机调节智能车的前轮转角，另一方面，通过减少加在直流驱动电机PWM波的占空比，使智能车减速，当智能车前轮转角调到合适位置，偏差减少时,PWM波的占空比增加，智能车加速。在弯道上偏差为零时，由于曲率不断变化，很快会有新的偏差产生，在直道上偏差为零时，能够保偏差为零的状态，控制系统对偏差为零的时间计数，计数到给定值时，速度提高一级，然后再重新计数，通过对智能车速度的控制，使智能车既能快速行驶又不冲出跑道。智能车的PWM调速系统是采用定频调宽法即保持脉冲周期t（或频率）不变，改变功率输出管导通和关断时间的比例从而改变直流电动机电枢
18、两端的电压。电动机 PWM 驱动电路2.4 CPU 控制模块89C51 是 一 种 带 4K 字 节 闪 烁 可 编 程 可 擦 除 只 读 存 储器 （ FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory） 的 低 电 压 ， 高 性 能 CMOS8 位 微 处 理 器 。 本次 设 计 采 用 的 STC89C51 的 特 点 如 下 ： 8 位 CPU； 片 内 振荡 器 和 时 钟 电 路 ； 32 根 I/O 线 ； 外 部 存 贮 器 寻 址 范 围 ROM、 RAM64K； 2 个 16 位 的 定 时 器 /计 数 器
19、； 5 个 中 断 源 ， 两 个中 断 优 先 级 ； 全 双 工 串 行 口 ； 布 尔 处 理 器 ；2.5 路径检测模块路径检测模块是智能车系统的关键模块之一，路径检测模块的主要功能是准确，快速，超前地采集路面信息，把它转变成电信号，传送到单片机中处理。基本工作原理是：小车在路面上行驶时，装在车下的红外发射管发射红外线，如果红外线碰到白色区域，经反射后，红外线被红外接收二极管接收，接收管导通，输出为低电平；如果红外线碰到黑色寻迹线被吸收，红外二极管接收不到红外线而截止，输出高电平，从而实现了通过红外线检测信号的功能。2.6 超声波测距模块本次选择的避障方式为超声波测距模式。此超声波测距
20、模块的工作原理：接收回路为谐振回路，将收到的微弱回波信号检出，送信号放大电路放大，收到产生脉冲输出送单片机中断端，单片机收到中断信号后停止计时，计算出距离值，保存等待读出或直接经UART 送出。接收过程中，单片机定时控制放大电路的增益，逐渐提高，以适应距离越远越弱的回波信号。工作原理图框图中，单片机为核心控制部分，根据设定的工作方式，产生40kHz 方波，经过驱动电路驱动超声波发生器发出一簇信号。单片机此时开始计时。硬件电路模块的系统框图如下：三系统的软件设计控制电路主要由一片STC89C51单片机组成。STC89C51主要实现对路面黑线的检测, 以纠正小车的行走方向; 负责车速检测、障碍物检
21、测、电动机驱动、数据显示等功能。主程序流程图如下：( 1) 直道检测。在小车的中部平行装有两个色标传感器, 采用查询检测的方法对黑线进行检测。STC89C51在检测到黑线信后, 通过STC89C51 的P1.5 和P1.6 口得知是哪一个传感器检测到黑线, 以此作为调整小车方向的基准。在程序方面, 我们采用了差补控制算法。在校正服务程序中通过检测P1.5 和P1.6 口的状态,运用差补算法, 精确调节左右前轮的方向, 达到使小车稳定沿黑线行走的目的。为了保证程序的准确性,服务程序中设置了2 重黑线检测, 有效的防止了小车冲出跑道。( 2) 转弯检测。为了防止小车冲出跑道以及按照黑线转弯, 需要在进入弯道之前降低速度。因此我们采用了高效的H型PWM电路调节转速。在进入转弯之前, 我们通过提前减速程序使小车降低速度。( 3) 障碍检测。首先通过超声波对障碍物进行距离检测，将检测到得路面信息经放大电路和比较电路处理传递给单片机。再由单片机中的控制算法进行分析，将指令传递给电动机来控制小车。智能小车即是以此为基准, 绕过障碍物。
