智能小车寻迹论文

1 绪论 在当前的这个环境 随着不断进步的生产技术 各个企业对自动化技术的要求也是 越来越高 智能车辆或者与智能车辆相关的产品已经开始成为各种自动化系统的关键设 备 这其中主要包括了物流 运输等系统 所以 智能车辆被越来越多的人们所关注 同时 也有越来越多的国家开始对智能车辆的开发和设计进行积极的研究 智能小车是一个典型的高科技综合系统 智能小车包含了多种高新科技的系统 而 这些系统又运用了更多的高新技术 其中包括了对环境的探测 传感 对运行路线的决 策 计算 以及信息通讯和自动控制行驶等多种功能 简单的来讲 智能小车就是将双 腿变成了的多个轮子的移动机器人 所以 智能小车在机械和电路的设计方面 都要比 其他智能机器人的运行也更稳定 也更加简单 另外 由于智能小车的优点就在于控制 简便 运行稳定 所以对智能小车的行驶的速度与方向之间的配合就有比较严格的要求 首先 小车可以通过传感器来获取当前道路状况 然后将传感器获取到的数据传输到处 理器 处理器再结合小车当前的行驶状态 迅速地进行计算 对小车的行驶的方向和行 车的速度进行快速的调整改变 进而对目标道路进行迅速准确的跟踪 1 开发概述 1 1 研究现状 移动机器人出现于 20 世纪 06 年代 当时斯坦福研究院 SRI 的 Nils Nilssen 和 charles Rosen 等人 在 1966 年至 1972 年中研制出了取名 shakey 的自主式移动机器人 目的是将人工智能技术应用在复杂环境下 完成机器人系统的自主推理 规划和控制 1 从此 移动机器人作为机器人学中的一个重要分支 从无到有 数量开始不断的增多 在目前的环境下 由于企业的生产技术在不断进步 对自动化技术的要求也在一直 的加深 在未来工业生产和日常生活中 智能小车系统将会扮演重要的角色 智能小车 将会在人们的视野中出现地越来越频繁 1 2 选题意义 随着科技的不断发展 人们也越发的开始关注一些研发人工智能产品的情况 智能 小车可以在各种条件恶劣的情况下代替人们进行一些复杂的任务 例如排雷防爆 矿区 检测 狭窄的地方进行货物搬运等 正是由于这种智能小车设备有非常多的运用前景 2 所以对智能小车的进行寻迹避障的研究设计就是目前首要的目标 因为小车需要正确的 在规定的路线中行进并执行相应的任务 1 3 研究任务 本设计是一种以 STC15 芯片为控制核心的自动寻迹小车系统 L298 驱动电路通过单 片机产生的 PWM 波来控制小车速度 利用 LDC1000 传感器对路面铁丝轨道进行分析检测 并将路面检测到的信号实时反馈给单片机 单片机对采集到的信号予以分析判断 及时控 制驱动电机以调整小车转向 从而使小车能够沿着铁丝轨迹自动行驶 4 本设计还附带了 按键功能 可以对 LDC1000 阈值及小车的启停等功能进行设置 1 4 基本要求 设计并制作一个可以自动循迹的小车 循迹传感器自选 在规定的平面跑道自动按 顺时针方向循迹前进 跑道的标示为一根 0 9cm 左右的细铁丝 用透明胶带将其粘贴在 跑道上 跑道尺寸见图 1 跑完一圈不得超过 10 分钟 小车运行时必须保持铁丝在车身 垂直投影下 实时显示小车运行时间和距离 2m 1 2m 0 4m0 6m 0 6m 一角硬币 图 1 铁丝轨道图 3 1 5 本文工作及内容安排 第一章介绍了小车系统研究现状 阐明了系统实现的目的和意义 概述了本文的主 要工作 第二章主要简单介绍了各个模块的论证方法 对系统有个整体框架 第三章介绍了电机驱动模块 LDC1000 传感器模块和电源模块的硬件部分 第四章介绍了软件系统设计 电机驱动程序控制 LDC1000 传感器程序控制 PID 算 法 行驶距离的计算 同时阐述了在主函数与中断中 将各个模块整合的方法 第五章介绍了此设计的最终测试的方法与测试的结果 2 模块方案论证 2 1 概述 本设计基于闭环测量 控制的原理 通过传感器实时监控小车的运动状态 然后将 检测信号传输到处理器 同时 处理器对检测的信号进行计算 并产生合适的脉冲宽度 调制 PWM 信号 直流电机的转动是通过驱动电路接收到的 PWM 信号进而实现控制的 最后实现小车的前进后退 左右拐弯 自动探寻道路并定位 同时必要信息等功能 2 2 模块的论证 根据题目设计要求 本设计是小车通过金属丝轨道进行自动循迹的系统 其中系统 整体包括小车的设计 电机驱动模块 传感器模块 运行距离处理模块 微处理器模块 按键模块 显示模块和电源模块 2 2 1 小车的比较与选择 根据设计要求 小车需要通过多个弯道 对车辆的平衡性 稳定性有较高的要求 采用两轮驱动的小车 转弯角度可以很好的控制 但是驱动力弱 平稳性差 采用四轮 驱动的小车 驱动力强 平稳性好 能在复杂的路况上有很好的表现 虽然两轮驱动的 小车更加利于在弯道的控制 但是不适用于所有的路况 所以我们将小车设计为四轮驱 动 4 2 2 2 电动机的比较与选择 作为小车的主要动力装置 电动机的选择主要有无刷直流电机和步进电机两种 步进电机是以步阶方式分段移动 直流电机和无刷直流电机通常采用连续移动的控 制方式 5 所以步进电机对速度和移动距离的控制更加精确 但是移动速度相对缓慢 而无刷直流电机的速度快 但是控制困难 考虑到小车对于速度的要求大于控制的要求 所以我们选择无刷直流电机 在控制方面通过将程序的控制算法做得更加完善来弥补无 刷直流电机控制的不足 2 2 3 电机驱动芯片的比较与选择 电机驱动电路主要是通过控制电动机的正转和反转来控制小车的前进和后退 以及 小车左转和右转 所以电机驱动也是智能小车的模块中重要的组成之一 而对于电机驱 动的选择有两种方案 方案一 采用由 H 桥 分立的三极管元件组成 构成的驱动 此种方案对直流电动 机的方向和速度的控制利用 PWM 波调速的电路实现 可是采用的 H 桥是由分立的元件组 成的电机逻辑驱动 驱动电路的稳定性容易变差 并且价格也不便宜 方案二 采用双桥电机驱动的芯片 L298 L298 是一款由双桥结构的直流 步进 电机驱动器 并且集成度较高 同时 L298 芯片还可以实现对两个直流电机进行同时驱 动和控制 通过比较两种方案 L298 电机驱动电路相对于由分立元件三极管组成的 H 桥的驱动 具有使用元件少 可靠性不仅高 而且控制和操作可以更加模块化 并且 L298 芯片的价格 低 所以 作为循迹小车的驱动芯片 L298 芯片更加适合 2 2 4 传感器的比较与选择 低成本的 OHMIC 开关传感器在灰尘等恶劣环境下不可靠 FSR 压力传感器分辨率有限 不适合遥感 成本稍高 高端一些的超成波传感器不适合短距离传感 电容式传感器灵 敏度高可针对被选择物的选择性不高 HALL 传感器存在精度问题 需要磁体和校准 光 学传感器在恶劣环境下不可靠 这些传感器都或多或少存在这样和那样的缺点 7 而由德 州仪器生产的 LDC1000 性能优越 无论低成本 PCB 线迹 或者是普通的金属块 甚至是 人体的传感 LDC1000 可以迅速检测并将数据传输到处理器显示出精确的结果 所以我们 选择 LDC1000 作为循迹小车的金属传感器 5 2 2 5 处理器芯片的比较与选择 关于处理器则有多种选择方案 首先 采用传统的 C51 单片机 C51 单片机通用灵活 价格低廉 使用方便 但此 C51 的芯片是比较老的芯片 对于大量的数据处理能力较弱 第二 采用更加高级的 STM32 芯片 STM32 芯片集成了绝大部分工控领域所需要的功能模 块 官方也提供了大量的库函数 工作速度快 处理数据能力强 最后 采用 STC15 单 片机芯片 STC15 单片机计算性能强劲 可以简单灵便的对软件进行编程 可用软件编程 实现各种逻辑控制功能 而且可以实现最多 6 路 PWM 输出 自带晶振 更加利于控制小 车的驱动 更加重要的是 STC15 单片机加密性强 超强的抗干扰能力 可以试用于各种 恶劣的环境 并且功耗更低 综合考虑 由于使用 STM32 芯片会造成资源浪费 所以我们选择更加适合小车控制 的 STC15 单片机作为小车的处理器芯片 2 3 小车功能实现的设计与分析 如何设计小车的运动方式是非常重要的 因为小车的运动方式就决定了小车对铁丝 轨道的探测 前进的控制 以及显示小车行驶距离和时间等基本要求 整个系统是一个基于单片机的闭环控制系统 首先 小车需要沿着设定好的路线前 进 而且是铁丝构成的道路 所以小车就必须可以识别到目标道路 这就需要传感器可 以不断的进行探测 同时 小车还应该具有可以实时监测是否偏离轨道 并可以纠正小 车前进方向的功能 这部分功能就需要把传感器接收到的信号实时发送给处理器 处理 器经过计算后发出指令控制电机驱动 智能控制小车的前进后退左右运动 进而实现精 确巡线行走 6 我们最终确定的系统框图如图 2 所示 图 2 系统框图 3 硬件部分设计 3 1 电机驱动模块 直流电动机实质上的工作原理是一台装有换向装置的交流电动机 直流电动机中转 子转动的原因是由于带电导体在磁场中受到了电磁力的作用 并且形成了电磁转矩 从 而推动转子 使得电动机得以运行 直流电动机有如下两个个特点 1 外加电压是通过电刷和换向器再加到线圈 而不是直接加到线圈 2 电磁转矩的方向不变 这一现象是因为电枢导体中的电流是随着其所处磁极极性 的改变方向 电机的驱动芯片选用 L298 作为驱动芯片 工作稳定电机驱动信号由单片机提供 信 号经过光耦隔离后 传至 PWM 控制芯片 L298N 通过 L298N 的输出脚与两个电机相连 小车电机驱动模块电路图如附录 1 所示 电机驱动模块 PCB 硬件图如附录 2 所示 7 3 2 LDC1000 传感器模块 LDC1000 芯片是采用四线制 SPI 的连接方式 而单片机芯片对 LDC1000 芯片的连接 控制以及读取数据是通过 SPI 连接 SDI SDO SCLK CSB 实现的 在 SPI 通信的过程 中 LDC1000 扮演下位机的角色 而像 Q 表那样测试线圈的电感量并不同于 LDC1000 芯片 的电感检测 LDC1000 芯片是可以检测与相连的测试线圈和外部的金属物体之间的空间位 置关系 所以 LDC1000 在各种环境条件下都可以很好的检测到外部金属 因为 LDC1000 可以很容易就可以实现非接触式的电感检测 只需要外接一个自制线圈或者 PCB 线圈就 可以了 LDC1000 原理图如附录 3 所示 3 3 电源模块 电源是小车系统的动力组成 电源主要是给单片机芯片和外围电路提供 5V 电压 同 时为小车的电动机提供 12V 电压 要想小车的控制和行驶稳定 电源的设计就需要考虑 到可以达到直流稳压 3 3V 5V 和 12V 并且电路纹波要小 尽量排除电源对芯片控制 的干扰 电源原理图如附录 4 所示 电源 PCB 硬件图如附录 5 所示 4 软件部分设计 4 1 大体思路 4 1 1 C 语言简介 单片机的程序编程 应用系统可以使用 C 语言 也可用汇编语言 因为他是最为接 近机器语言 所以直接 简洁 紧凑和高执行效率的单片机汇编语言程序的操作效率高 但不同的单片机汇编语言有差异 在一个单一的单片机应用开发不能直接应用到其他单 片机上 很不容易移植 程序的可读性相当差 此外 但较大规模的应用系统 应用软 件开发的工作量是非常大的 C 语言编写的 与此相反 良好的便携性 并非常接近自然 语言 可以用少量语言完成相同的功能 入门易 编程效率高 程序的可读性高 也可 以将汇编语言嵌入 C 语言程序中 以满足有特殊要求的性能或操作 因此 在嵌入式系 统中的应用程序开发 C 语言逐渐成为主要的编程语言 8 4 1 2 单片机简介 单片机作为一种集成的电路芯片 使用的是超大规模的集成电路技术 单片机不仅 包括了有数据处理能力的中央处理器 cpu 只读存储器 rom 随机存储器 ram 多种 I O 接口 计时器 定时器以及中断系统等功能 有一些单片机还包括了脉宽调制电路 显示 驱动电路 A D 转换器 模拟多路转换器等功能 把这些电路集成到一块硅片上就构成了 一个小但是完全的微型计算机系统 单片机在工业控制领域应用广泛 发展迅速 4 1 3 基于单片机在循迹小车系统中的应用介绍 单片机的全称是单芯片微型计算机 它的芯片上集成了包括 CPU RAM ROM 各种 I O 接口和定时计数器的硬件 单片机就其组成而言 就是一个计算机 它拥有的指令可 以运用于许多控制技术 同时还具有多种硬件的支持 因为它具有多个优良的特性 所 以自问世以来它就被人们广泛应用 目前 单片机广泛应用于鼠标 机械键盘等电脑外 设 手环 跑鞋等智能穿戴设备以及各种家用电器中 基于单片机的循迹小车系统不仅结构模块化 同时制作起来也非常方便 通过金属 传感器探测到小车与轨道的相对位置 将数据传输到单片机芯片 芯片实时分析并计算 小车行驶的方向 并且校正小车轮胎运行的速度 达到小车智能循迹的功能 另外 现在的人越来越离不开智能化的机器和设备 如 不管是人类对太空的探索 替代单调简单的重复性工作 还是在各种恶劣的环境中进行操作等都可以借助于智能化 的可运动行走的设备 因此 智能小车作为最常用最普遍的的行走智能设备 未来必定 会在工业和生活得到越来越多的使用 这样不仅高效 而且可靠 本文在分析目前市面上已经出现的智能小车的设计基础之上 充分的将单片机硬件 与软件结合 以及将金属探测系统的自身特点 功能特性和设计的要求相结合 实现了 利用金属轨道这一载体来导引小车运动 同时我们也充分借鉴了目前优秀的算法 形成 一套准确度高 具有优良特性的自动循迹小车系统 4 1 4 软件部分总述 小车进入轨道并开始工作后 金属探测器就开始不停地扫描 同时 将扫描的数据 结果发送到处理器 而处理器一旦检测到传输过来的数据有变化 就计算并执行子程序 把相应的处理信号和 PWM 波传输到电机驱动 电机驱动再来控制电动机来改变小车当前 9 的运行状态 同时小车启动后就开始计时和计算行驶距离并显示 为了方便编写和调试 我们采用了模块化的编程方法 整个程序分为若干子程序 最终可以实现以下目的 1 通过按键控制启停以及相关参数设置 2 搜寻铁丝并计时 测量距离然后实时显示 3 实时纠偏并调整行驶方向 主程序流程图如图 3 所示 开始 初始化 参数设置 前进 计时 距离计算与显示 小车是否偏 移轨道 Y判断偏移方向 并矫正电机转 动方向 N 继续运行 图 3 主程序流程图 10 4 2 电机驱动程序控制 电机驱动通过脉冲宽度调制 PWM 来实现小车的转向 脉冲宽度调制在功率变换与控 制等很多领域里都有广泛的应用 其利用的是通过处理器输出的数字信号对模拟电路进 行控制的技术 脉冲宽度调制是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法 通过使用较 高分辨率的计数器 方波的占空比被调制成用来对一个具体的模拟信号的电平进行编码 把电流源或电压用重复脉冲序列 通 ON 或断 OFF 加到模拟负载上去的 而通过改变单片机程序中的 I O 口输出 PWM 波的占空比可以调整转速 占空比是在 一个周期中 高电平脉冲与总脉冲的百分比 在一个周期中 占空比越大 就说明高电 平的比例越高 而最大电压与占空比的乘积就是输出在电机两端的电压 所以 占空比 越大 输出到电机两端的电压也就越大 电动机转动的速度也就越快 电机驱动软件程序详见附录 6 4 3 LDC1000 传感器模块 LDC1000 是利用电磁感应的原理进行电感的检测的 若在一个线圈中加上一个交变电 流 就会产生一个交变磁场在线圈周围 如果这个时候有金属物体进入到这个磁场之中 就会在金属物体表面产生一个电流方向与线圈电流的方向相反的涡流 感应电流 由于 两种电流的方向相反 所以涡流产生的感应电磁场就会与线圈的电磁场方向相反 涡流 不仅与金属体磁导率 电导率以及金属导体表面到线圈的距离等参数有关 而且线圈的 几何形状 几何尺寸同样会影响到涡流的大小 LDC1000 的技术主要有以下几个优势 1 拥有极高的分辨率 在位置传感应用中可达到微米级的分辨率 同时可以通过 16 位共振阻抗和 24 位电感值 2 设备使用寿命长 可靠性高 拥有非接触传感技术 可免于收受到尘土和油污等 不导电的污染物的影响 3 在某些 PCB 版无法放置的地方 允许传感器与电子设备分开安放 具有更高的灵 活性 4 采用成本更低的传感器和传导目标 不需要磁体 6 系统的功耗在标准工作时不足 8 5mW 待机模式下的功耗更低 11 5 可以以压缩后的导电油墨或者金属薄片为目标 为创造性的创新系统设计带来无 限的可能 4 3 1 LDC1000 参数的计算 LDC1000 的电感检测的原理是利用了电磁感应的技术 如果在一个 PCB 线圈中加上一 个交变电流 就会产生一个交变磁场在线圈周围 如果这时有一个金属物体进入到这个 电磁场中 就会在金属物体表面产生一个电流方向与线圈电流的方向相反的涡流 同时 线圈的电磁场方向与涡流产生的感应电磁场相反 1 PP p PP RMAXRMIN R RMINYRMAXY inf2 1 2 SENSOR L dLM d fC Linf 传感线圈的电感 M d 互感 fSENSOR 传感器振荡频率 Y Proximity Data 215 Proximity Data 从寄存器 0 x21 和 0 x22 读取 LDC1000 的两个重要参数就是阻抗 RP 和电感 L 与被探测金属的距离有关 同时 在应用中 Rp 的范围不同的 所以需要配置合适的 Rp 范围 这是由于不同的 测试距离和测试对象均会产生不同的损耗 LDC1000 中可用于配置的有两个寄存器 它们 分别为 Rp Min 和 Rp Max 在应用中 Rp 值的合理配置非常重要 如果设置的 Rp 范围过小 那么 Rp 就会被钳位 如果设置的 Rp 范围过大 真实的 Rp 无法完全利用 在 LDC1000 的 内部 就会浪费大量的 ADC 的资源 4 3 2 确定 Rp Max 值 增大 LDC1000 的外部线圈与金属物体之间的距离 这样使涡流的损耗最小 12 测试此时线圈的等效并联谐振阻抗 Rp LC 谐振组件与 LDC1000 断开测试 Rp 这里需 要使用阻抗分析仪 在用户手册的 table 7 中找最接近 Rp 值乘以 2 的值 注意 Rp Max 寄存器虽然有 8bit 但是 table 7 中只有 32 个值 所以只能使用 0 x00 到 0 x1F 的范围 例如用阻抗分析仪测试出 Rp 是 18k 那么 18k 2 36k 而 table 7 中与这个值最接近的 是 38 785k 4 3 2 确定 Rp Min 值 减小 LDC1000 的外部线圈与金属物体之间的距离 这样使涡流的损耗最大 测试此时线圈的等效并联谐振阻抗 Rp LC 谐振组件与 LDC1000 断开测试 Rp 这里需 要使用阻抗分析仪 在用户手册的 table 9 中找最接近 Rp 值除以 2 的值 注意 Rp Min 寄存器虽然有 8bit 但是 table 9 中只有 32 个值 所以只能使用 0 x20 到 0 x2F 的范围 上述方法中 金属物体与 LC 的距离是应用场景中的最大和最小的距离 所以说这个 最大和最小距离需要等设备的结构设计完成之后才可以决定 LDC1000 传感器软件程序详见附录 7 4 4 PID 算法 PID 一般分为增量式 PID 和位置式 PID 在小车里一般用增量式 因为位置式 PID 对 小车来说有非常大而且没有必要的计算量 这是由于位置式 PID 的输出是跟过去的所有 状态有关 所以处理器进行计算时 要对每一次的控制误差进行累加 这会严重增大处 理器的计算负担 而且小车的 PID 控制器的输出而是一个增减多少的量 而不是绝对数 值 所以通过增量 PID 算法控制的 PWM 波 是计算 PWM 需要比上一个状态增加多少或者 减小多少 而不是输出 PWM 的实际值 这样将会减轻处理器的负担 同时对 PWM