第二章系统总体设计方案.doc

第二章 系统总体设计方案2.1 电脑鼠中各学科的关系电脑鼠实际上就是一个电动小车，由一个或多个微控制器来控制、通过传感器和其他各器件的配合，具备一定的智能。电脑鼠是一个多学科的综合产物,主要包括电源，传感器，步进电机，控制核心电路，机身5个部分，传感器就是电脑鼠的眼睛，用来获取个方面的信息，送到LPC2138（电脑鼠的大脑）中处理，然后驱动步进电机，由步进电机（电脑鼠的脚）执行相应的动作，包括加，减速，转弯，停止。图 2.1 电脑鼠中多学科之间关系的框图2.2 系统设计方案的讨论本设计中,系统可划分几个基本模块化,对于各个模块的实现,分别有以下几种不同的设计方案:2.2.1电机选择方案方案一:选择直流电机。直流电机的优点:效率高、速度快、耗电小;缺点:控制困难、程序设计困难、电路结构复杂。直流电机的控制电路与控制程序相对来说要复杂，而且若要达到很高的控制精度，对硬件电路和软件程序的要求的非常高，这一点对电脑鼠比赛时老鼠行走要精确、灵活的特点是不符的；但同时要看到，在电脑鼠比赛中，最终的成绩裁定是通过搜索和冲刺的时间来确定的，因此，速度对电脑鼠最终的成绩影响很大，直流电机速度快，效率高的优点在这里可以得到很好的发挥。控制方面的困难只是相对于步进电机来说的，因为直流电机是最早出现的电动机，也是能实现调速最早的电动机，所以在直流电机调速领域里积累的经验也是最丰富的,这给我们对直流电机的控制提供了方便。方案二:选择步进电机。步进电动机是纯粹的数字控制电动机，它将电脉冲信号转变为角位移，即给一个脉冲，步进电机就转一个角度，因此非常合适单片机控制，在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，电机则转过一个步距角，同时步进电机只有周期性的无累积误差，精度高。步进电机优点:控制容易、程序简短、电路设计较容易，控制精度高。这在电脑鼠走迷宫中的应用是非常有用而且方便的，因为迷宫的大小和迷宫每一格的大小都是已知的，当老鼠轮子大小确定的时候，每来一个脉冲，老鼠行走的距离也是一定的，那么我们就可以控制脉冲的个数来确定和检测老鼠是否走过了一单元，而不需要另外再加一个测距装置，在硬件复杂度上得到简化。因此，步进电机是一个比较好的选择。表 Error! No text of specified style in document.1 步进电机与直流电机的比较步进电机直流电机优点控制容易程序简短电路设计容易效率高速度快耗电小缺点效率低速度慢耗电大控制困难程序设计困难电路结构复杂设计时注意事项利用CPU作脉冲控制加减速齿轮利用闭环回路控制2.2.2 电机驱动方案方案一:使用ULN2003功率放大器件驱动电机.通过使用不同的放大电路和不同参数的器件，可以达到不同的放大的要求，放大后能够得到较大的功率。ULN2003 是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅NPN 达林顿管组成。方案二:使用L298N芯片驱动电机.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I/O口提供信号.而且电路简单，使用比较方便。方案三：采用与步进电机相匹配的成品驱动装置.使用改方法实现步进驱动,其优点是工作可靠,节省制作和调试的时间,但成本很高. 2.2.3 传感器选择方案传感器机器人的感觉主要通过传感器来实现。随着智能控制技术的飞速发展，机器人用传感器的不断研制，通常机器人所用的传感器有:内部传感器:加速度传感器、速度传感器、位置传感器、姿态传感器；外界传感器:远距离传感器、非接触传感器、接触传感器。传感器是电脑鼠的眼睛，是一个智能机电系统将外部环境的信息转化成为处理器能识别的信息的重要部件，因此，传感器在电脑鼠的整体电路设计中占有相当重要的地位，它的主要目的有两个，一是检测到底哪个方向有墙，二是检测电脑鼠与墙的距离，以作为避障和加减速的判断。方案一:超声波测距方案。超声波是一种频率为20 KHz以上的声波，具有直线传播的能力，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强，其指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制。为此，利用超声波的这些性质就可制成超声波传感器。超声波传感器具有信息处理简单快速、价格低，硬件实现简单等特点，在移动机器人中得到了广泛的应用。超声波距离传感是由发射器和接收器构成的，绝大多数的超声波距离传感器的发射器和接收器都是利用压电效应研制而成的。其中，发射器是利用给压电晶体片加一个外加电场时，晶片将产生应变(压电效应)这一原理研制的;接收器的原理是，当给一个晶片加一个外力使其变形时，在晶片的两面会产生与应变量相当的电荷(正压电效应)，若应变的方向相反则产生电荷的极性反向。将超声波发射后，根据经被测物体的反射回来的回波延迟时间，计算被测物体的距离。由于超声波在空气中的传播速度，与空气的温度和湿度有关，温度越高，传播速度越快，温度每升高10，传播速度增加0.6m/s，在比较精确的测量中，必须把温度的变化和其它因素考虑进去。在要求不高的情况下，可以通过下面的公式计算: D=V*T/2其中: D-超声波传感器和被测物间的距离;V-空气中超声波的传播速度;T-声音往返传感器和被测物一次所需的时间。 超声波传感器主要优点如下: 价格低廉。对于应用机器人来讲，价格是最重要的因素之一，超声波传感器被广泛使用的主要原因是因为它的低价格，在价格方面，它与激光扫描测距传感器以及其他测距传感器相比，具有很大的优势。 易于维护。在实际使用中，维护是一个非常重要的问题，极强的超声波比较容易得到，超声波的波长很短，很容易做成细束的形状，并且超声波传感器易于与机器人的其它子系统接口。高测量精度。超声波传感器具有很高的测量精度，其测量精度一般可达到1%。并且测量范围可以达到0. 15m-l0m左右。 采用超声波传感器来实现小车的导航、避障和目标跟踪。超声波测距的几点问题: 存在测量“盲区”。 入射角对测距有较大的影响。 超声波换能器发出的超声波波束不是一条直线，而是具有一定的指向性开角的波束，所以超声波入射角对测量结果的影响很大，当入射波和障碍物之间的角度太大时就有产生幻影的可能。要想取得比较准确的测量数据，超声波传感器的入射波要和被测物体的表面要尽可能垂直，反射面要相对光滑一些。由于超声波传感器具有一定的局限性，表现在探测波束角过大，方向性差，往往只能获得目标的距离信息，不能提供目标的边界信息。在实际应用中，往往采用其他传感器来补偿，或采用多传感器融合技术。方案二: CCD摄像头方案。视觉信息是通过视觉传感器转换成电信号，在经过采样和幅值化后形成一幅数字图像。电荷藕合器件CCD(Charge Coupled Devices)是一种光电探测器件，与其它以电流或电压为信号的光电器件不同的是，CCD以电荷包的形式存储和传送信息。由于它具有灵敏度高、光谱响应宽、动态范围大等优点，己成为现代光电子学和测试技术中最活跃的传感器，被广泛应用于各种光电系统。 CCD是由若干个光敏元素以一定顺序排列而成的一条光敏线或一个光敏面，并同辅助电路组合成大规模集成电路。使用CCD摄像头进行图像采集和识别，测量范围广,在资金上耗费较多，而且还牵涉到图像采集，图像识别等领域，实现较为复杂.方案三:红外线测距方案。利用红外线测距的反射式光电传感器的光源有多种，有来自于红外发光二极管，普通发光二极管，以及激光二极管，前两种光源容易受到外界光源的干扰，而激光二极管发出的光的频率较集中，在近距离要实现精确测,传感器只接收很小个频率范围内的信号，不容易被干扰。表 2.2 各种传感器的比较传感器基本感测装置性能价格红外线发光元件/感光元件在近距离要实现精确测量稍复杂低超声波超声波发射/接收元件近距离可以精确测量，发射接收电路稍复杂中等摄像头CCD(电荷耦合装置)测量范围广，但处理复杂较高2.2.4 人机界面方案方案一:采用LED数码管显示.虽然LED只能显示数字和有限简单的字符,但其功耗低,控制简单,基本能达到本课题的设计要求,显示电脑鼠运行时的各项参数。方案二:采用LCD液晶显示.LCD可以显示所有字符及自定义字符,并能同时显示多组数据、汉字、字符清晰。由于自身具有控制器，不但可以减轻主控制器的负担,而且可以实现菜单驱动的显示效果，实现编辑模块全屏幕的功能，达到友好的人机界面.用LCD显示,能解决LED驱动只能显示数字等几个简单数字的缺点,性能好,效果多,控制方便,显示方式多。2.3 系统最终设计方案迷宫电脑鼠的控制系统设计主要包括三个方面：控制电路设计；传感器选择以及安放位置设计；程序设计。从总的方面来考虑，传感器的使用数量应该尽量少以减少单片机的信号处理量，但是又必须能使电脑鼠行驶自如。控制电路要根据选用的电机和传感器来设计，主要考虑稳定性，抗干扰性。最终设计方案为:选用4相6线的步进电机，JY043W红外线传感器和ARM LPC2138作为控制芯片。2.3.1 系统的功能模块和设计方案电脑鼠是一个具备自主判断、决策能力的小型机电整合系统，具备一般自动移动机器人的特性，在本文中将电脑鼠要实现的功能划分为如图 所示三个功能模块：感知功能、执行功能、自主决策功能。图 2.2 电脑鼠的功能模块由此功能图，则整个系统可以初步分为以下主要部分：电源模块，控制模块，执行机构模块，传感器模块，机身模块，我们可以形象地认为，电源模块是电脑鼠的“动力源泉”，控制模块是电脑鼠的“大脑”，传感器模块是电脑鼠的“眼睛”，机身模块是电脑鼠的“躯干”，执行机构是电脑鼠的“脚”，几个模块之间要相互配合才能使这只老鼠正常工作并最终“逃离”迷宫，这几个模块之间若要相互配合，需要一些信号线和控制线将其相互正确的连接起来。这些信号线和控制线就是电脑鼠的“神经系统”。把各个模块合理整合起来就得到了系统整体方案。其中，控制模块是整个系统的核心，机身模块是支撑整个系统的骨架，外部存储器是控制模块进行读写外部资料的“记事本”，传感器模块是整个系统智能化的一个重要部分，人机交换模