[航空航天]第31、32节课山地轨道运输机障碍物检测项目开发介绍.ppt

山地橘园钢丝绳牵引货运机 障碍物检测与控制装置,-单片机应用程序设计,1. 设计目的 -Why 2. 设计内容 -What 3. 硬件组成 4. 软件设计 5. 试验及结果 6. 开发经验、教训和体会 7. 下一步工作,内容,How,基本思路,学前,学后,有序,设计背景 中国柑橘立地条件多为山地和丘陵，山区果园劳动力呈现越来越紧缺的现象。钢丝绳牵引货运机能大大节省劳动力 存在问题 但是山地地形复杂，缺少人员去监控设备，存在货运车撞到人造成人员受伤、撞到物品造成物品和小车的损坏等安全隐患。,1 设计目的,江西省赣州市安远县试验站,项目要求： 1. 轨道小车行进中报警：小车运动过程中通过语音“车辆正在行驶，请注意！”进行报警，让小车运行的途中的行人躲避小车，保证人员的安全及系统的正常运行。 要求：能够自动检测到小车的运动，在小车运动后，触发语音报警。小车回到远点后停止语音报警，小车在轨道中途停止时停止语音报警。,2 设计内容(1),项目要求： 2. 轨道小车行进中障碍物的检测与控制：小车运动过程中，能够自动检测行进方向前方一定范围内的人和其他障碍物，当检测到障碍物后能够迅速停止小车。 要求：运动前方障碍物的检测最短距离为1.5米；从检测到障碍物到小车停止间的制动距离不超过0.5米；小车停止后不自动启动，但通过上述要求1中的报警装置发出与“车辆正在行驶，请注意！”相区别的警报；能够手动重新启动小车向前、后运行。,2 设计内容(2),视频播放,项目执行过程,2010.10.3 - 2010.10.4 确定总体实现方案 2010.10.4 - 2010.10.6 所需元器件等材料购买 2010.10.6 - 2010.10.10 装置雏形设计与实现 2010.10.11 - 2010.10.28 装置的完善与包装设计、调试,没有安装装置前小车,超声波探头,主控制器,喇叭,遥控,安装了障碍物检测控制装置后小车,无线接收装置,山顶电机控制端,天线,有线控制器,交流接触器,单相交流电机,钢丝绳,3 硬件组成,装置整体硬件框图,检测控制装置硬件实物,输出控制部分,输入检测部分,单片机选型,选用 STC 系列单片机 STC12C5A60S2 (DIP-40)主控制器 STC12C5202AD (SOP-16)超声波检测/行车检测 开发者熟悉，且有一定的开发经验； 综合性能较好，资源相对丰富； 价格便宜，引脚封装多样可供选择；,3.1 系统总体电路设计,3.2 超声波障碍物检测模块,超声波距离检测原理 超声波是指频率高于20kHz的机械波。为了以超声波作为检测手段，必须产生超生波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换声音，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。,超声波测距是一种非接触式测距方式，在使用中不受光线、电磁波、等因素影响，信息处理简单、成本低、速度快，在自身特性谐振点40kHz附近可获得较高的灵敏度。 超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF（time of flight）。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离。,超声波距离检测原理,超声波距离检测原理,超声波传感器用一段时间发射一串超声波束，只有待发送结束后才能启动接收，设发送波束的时间为D，则在D时间内从物体反射回的信号就无法捕捉；另外，超声波传感器有一定的惯性，发送结束后还留有一定的余振，这种余振经换能器同样产生电压信号，扰乱了系统捕捉返回信号的工作。因此，在余振未消失以前，还不能启动系统进行回波接收，以上两个原因造成了超声传感器具有测量一定的测量范围。因此超声波最近可以测量2cm，最远可以测量4m。超声波探头选择N1076与N1081。,发射头,接收头,Trig触发信号输入,Out开关信号输出,Gnd,Vcc,Echo回响信号输出,超声波检测模块选型,保留10ms到 下一个触发信号,回响脉冲信号持续115us-18.5ms 当没有检测到物体，持续36ms,工作原理,T,Trig触发信号输入,Out开关信号输出,Gnd,Vcc,Echo回响信号输出,使用本模块，占用单片机的两个IO口，一个IO口做为触发端。一个IO口做为回波PWM信号捕捉引脚。写程序时，先在TRIG引脚端发一个大约10US的高电平触发模块，同时模块内部将发出8个40kHz周期电平并检测回波，并在内部程序处理变换成一个PWM的信号从Echo引脚输出，一旦检测到有回波信号则输出回响信号, 使用时，只需读出PWM信号高电平的时间（T）。回响信号是一个脉冲的宽度成正比的距离对象。可通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计算得到距离。 公式: uS/58=厘米。,工作原理,红外发射接收原理 对不同的反射界面而言，由于白色表面对红外的反射能力远远大于黑色表面。通过试验，喷白色油漆部分界面反射能力强，接收端接收到反射信号；喷黑色油漆部分界面反射能力弱，接收端接收不到反射信号。所以一旦车轮转动，模块的输出端便有高低交替的电平，再经过单片机处理就可以实现行车检测。,行车检测电路图,3.3 行车检测模块,PT2262无线发射模块,在无线控制采用的是PT2262和PT2272发射接收模块，主要是编码芯片 PT2262 发出的编码信号（由地址码、数据码、同步码组成一个完整的码字），解码芯片PT2272 接收到信号后，其地址码经过两次比较核对后确认接收。,3.4 无线遥控发射/接收模块(1),PT2272无线接收模块,PT2262/2272 芯片的地址编码设定和修改：一般采用8 位地址码和4 位数据码。此时，编码电路PT2262 和解码电路PT2272 的第18 脚为地址设定脚，有三种状态可供选择：悬空、接正电源和接地。,3.4 无线遥控发射/接收模块(2),继电器接法2模拟遥控按键控制,继电器实际上是用低电压、小电流去控制高电压、大电流的一种“自动开关”。在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用 继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。,3.5 继电器控制报警喇叭等和电源设计,为什么不用IO口直接驱动，而用继电器？ 答：单个IO口最大20mA，所有IO口最大不超过40mA,3.5 继电器控制报警喇叭等和电源设计,继电器接法1语音/报警开关控制,AMS1117,电源电路,6.2V蓄电池,AMS1117输入与输出电压关系,（1）防止连接主控盒子的遥控被按下时将蓄电池电压瞬间大幅度拉低导致单片机复位； （2）去除电源纹波,(最大输出电流500mA),4 软件设计,超声波程序流程图 主控程序流程图 行车检测流程图,N,Y,Y,Y,Y,Y,Y,N,N,N,围内,定时1S内计算电平变化次数,开始,初始化,输出低电平,输出高电平,是否计数达4个以上,N,5 试验及结果,经多次重复实验，得出：在规定1.5m的探测制动范围内，检测与控制装置能够在检测到前方障碍物后安全地制动，制动后最短距离是0.91m，基本达到了制动后距离1m的要求（成功率达94%），装置安全可靠。,在进行软硬件设计的时候，要多考虑一些，方便以后进行升级扩展，多留出一些接口，软件设计的易读性、可移植性是非常重要的，可以免去很多不必要的重复性劳动。 要充分了解各类传感器的特点，对不能满足需求的器件，可以想方法改善它，这方法可以是软件滤波等或者是硬件改动等。例如通过两次检查去避免超声波探头误检测到一些不可预见的干扰物体。,6 开发经验、教训和体会(1),装置设计好了之后只是一台裸机，一堆电路板和器件，如何把它们包装起来，为它们选择合适的盒子；如何想办法把装置安装到车子上面去，都是非常实际的问题。 经验： 多问老师和师兄师姐们的意见，他们往往有着方面的相关经验，能让我们少走很多弯路，看看别人做过的东西用了什么材料，多跑几趟电子城，那里有各种各样的材料。比如防水的盒子，航空接头，屏蔽线等等，这些都是做出一套稳定可靠的装置所必不可少的材料。,6 开发经验、教训和体会(2),在进行联机调试时，遇到连接主控的遥控发射时会由于发射功率过大而导致供电系统电压瞬间被大幅度拉低到情况，还有可能是高频干扰。 解决办法： 1.在电源和地之间并联更大的电容，并把它放在尽量靠近单片机的地方，这样能够大大减少出现上面问题的概率。 2.制作PCB时要大面积的敷地，这也是减少干扰的有效方法，高速开关器件要尽量远离单片机。 3.遥控发射器做屏蔽，用屏蔽线传输和通讯。 4.使用高速光耦隔离器件进行隔离。,6 开发经验、教训和体会(3),1. 改进方案 （A）更换不防水的收发分体的超声波探头为一体化探头； （B）提高抗无线遥控发射高频信号所产生干扰的能力，包括因为发射功率过大将电池电压大幅度拉低导致单片机复位等问题， 具体做法：更换稳压芯片AMS1117为具有更大输出电流的MC34063(输出电流可达1.5A) ；使用高速光耦隔离器件进行隔离。,7 下一步工作(1),2. 项目的后续任务：轨道小车行进方位检测：小车运动过程中，能够获知目前小车在轨道中所处的方位，并且在电机安装处以较简单的方式进行显示。 要求：检测误差0.1米以内，小车停止时能够在距离最近的方位点处给出指示信息。,7 下一步工作(2),新版一体化探头超声波模块,使用到的软件,1.制作PCB图：Protel, DXP, Altium designer。 Altium designer: Altium designer 6.x系列（Altium designer 6.9）； Altium designer 09。 2. 单片