【毕业学位论文】（Word原稿）基于光电传感器的自动循迹小车设计-计算机技术电子信息工程

江 西 理 工 大 学 本 科 毕 业 设 计（论文） 题 目： 基于光电传感器的自动循迹小车设计 学 院： 信息工程学院 专 业： 电子信息工程 班 级： 电信 072 学 号： 36 学 生： 指导教师： 职称： 副高 摘 要 制作自动寻迹小车所涉及的专业知识包括控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等诸多学科。 为了使小车能够快速稳定的行驶，设计制作了小车控制系统。 在整个小车控制系统中，如何准确地识别路径及实时地对智能车的速度和方向进行控制是整个控制系统的关键。 由于此小车能够自动寻迹 ,加速 ,减速 本智能车控制系统设计以 过两排光电传感器检测小车的位置和运动方向来获取轨道信息，根据轨道信息判断出相应的轨道类型，并 分配不同的速度给硬件电路加以控制，完成了在变负荷条件下对速度的快 速稳定调节。红外对射传感器用于检测智能车的速度，以脉宽调制控制方式（ 制电机和舵机以达到控制智能车的行驶速度和偏转方向。 软件是在 环境下用 C 语言编写的，用 制算法调节驱动电机的转速和舵机的方向，完成对模型车运动速度和运动方向的闭环控制。智能车能够准确迅速地识别特定的轨道，并沿着引导线以较高的速度稳定行驶。 整个智能车系统涉及车模机械结构的改装、传感器电路设计及控制算法等多个方面。经过多次反复的测试，最终确定了现有的智能车模型和各项控制参数。 关键词： 电传感器；智能车 so on to of we In of to of ar is to So it is as as a s of to to in to in s (by s is .0 s s ID to of by so on 目 录 第一章 绪论 . 1 言 . 1 文设计方案概述 . 1 体设计 . 1 感器设计方案 . 2 制算法设计方案 . 4 第二章 机械结构设计 . 5 轮倾角的调整 . 5 轮传动机构调整 . 5 轮差速机构调整 . 6 外传感器的固定 . 6 车重心的调整 . 6 轮啮合间隙的调整 . 7 第三章 硬件电路的设计 . 8 统硬件概述 . 8 源模块的设计 . 9 电电路 . 10 电电路 . 11 机驱动模块 . 12 块介绍 . 12 用说明 . 13 压电流测试结果 . 14 机控制模块 . 15 径识别模块 . 16 片机模块的设计 . 18 件电路部分总结 . 18 第四章 软件系统设计 . 20 能车控制算法监测平台 . 20 程序流程图 . 20 统的模块化结构 . 21 钟初始化 . 21 口初始化 . 22 始化 . 23 断处理流程 . 25 车控制算法 . 25 机控制 . 26 度控制 . 27 道的处理 . 29 道策略分析 . 29 第五章 开发与调试 . 31 件开发环境介绍 . 31 能车整体调试 . 34 机调试 . 34 机调试 . 34 静态调试 . 34 第六章 结论 . 36 能车的主要技术参数说明 . 36 结 . 36 足与展望 . 36 参考文献 . 37 致 谢 . 38 附 录 1 . 39 附 录 2 . 47 附 录 3 . 60 江西理工大学 2011届本科生 毕业设计 1 第一章 绪论 言 思路及技术方案是一个工程项目的灵魂。因此，在设计和制作伊始对思路与方案的选择要非常的仔细 ,谨慎。作为一个快速的随动控制系统。结合智能车设计的实际情况以及前人对自动控制系统的设计经验。得出 简单、稳定、快速、智能 八字方针作为智能车方案设计的指导原则。 智能车是一个快速的随动控制系统，其控制系统分为两个大的子控制系统，分别为：方向控制系统与速度控制系统。方向控制的作用就好比是驾驶员和他所控制的方向盘；速度控制系统的作用就好比是驾驶员和他脚下的油门与刹车。方向控制系统能使智能车沿着导引黑线行驶而不至偏移。速度控制能使智能车在直道上加速行驶而在入弯时刹车减速以尽量提高行驶速度和避免因入弯速度过快而造成的冲出 跑道 。 本次制作的智能车是以光电传感器捕 获路径信息的。经过数月的设计与调试，终于完成了这个作品。在设计与制作的过程中以稳定为前提进行软硬件优化设计与参数调整。经过分析认为在路径检测信息非常完备的条件下进行速度优化会对小车的性能有很大提高。由于小车在弯道与直道以及不同曲率半径的弧道的通过速度是不同的。经过研究对于小车的速度控制我们采取的闭环的速度优化控制，利用路径监测信息来给出不同路况下的速度设定值，使小车速度有了很大改善。 本文第二章主要介绍系统的机械结构设计，第三章介绍智能车的硬件电路设计，第四章介绍系统软件的设计，第五章介绍完成智能车设计所需 开发调试工具及调试过程，第六章对此次设计做出总结，并给出智能车的相关参数。 文设计方案概述 体设 计 信 息采 集数据处理输出命令信 息 处 理执 行 模 块电 机 操 作舵 机 操 作图 1系统框架图 江西理工大学 2011届本科生 毕业设计 2 如 上 图 1智能小车系统主要分为以下三大块： （ 1） 信息采集模块：在该模块主要是对智能车的所处位置进行采集，并将采集到的信息传送给 核心是光电传感器。 （ 2） 信息处理模块：信息处理模块包括信息处理和控制模块，其核心 信号进行处理后作出判断，并发出控制信号。 （ 3） 执行模块：该模块包括了驱动电机和舵机，当接收到 命令后便执行相应的操作，同时信息采集模块又采集到电机和舵机的状态信息，反馈给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智能车快速稳定行使的目的。 感器设计方案 方案一：采用 感器来采集路面信息 使用 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 感器也有其不足之处。首先使用 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。但红外传感器的缺点是，它所获取的信息是不完全的，只能对路面情况作简单的黑白判别，检测范围有限，而且容易受到诸多扰动的影响，抗干扰能力较差，背景光源，器件之间的差异，传感器高度位置的差异等都将对其产生干扰。 方案三：采用电感与电容谐振 来采集路面信息 使用电感与电容谐振的优点是原理简单（通过电感产生的感应电动势与电感线圈所处位置的关系），价格便宜，体积相对较小，频率响应快。缺点是电磁干扰严重，电感线圈感应的信号很小需要相应的放大电路将信号放大，故传感器电路较复杂。 在本次设计的 跑道 只有黑白两种颜色，小车只要能区分黑白两色就可以 采集到准确的路面信息。经过综合考虑，在本项目中采用红外光电传感器作为信息采集元件。 光电检测方案： 对于智能车寻迹 来说，路径检测的成败归功于光电 传感器 的选择与使用。目前，用于光电检测的传感器 主要有可见光管、反射式红外光电管、激光管等。 可见光管抗干扰能力差，容易受到外界光线影响，因此不能被用做路径检测。 江西理工大学 2011届本科生 毕业设计 3 反射式红外光电管抗干扰能力强，对自然光和灯光变化的反应较小，并且电路也比较简单。 激光管的抗干扰能力强，由于光线聚集故射程较远，但价格较红外光电管贵并且电路也较复杂。 综合考虑，最后决定 选择反射式红外光电管作为检测器件。 反射式红外光电管一般有直流驱动和 光电 驱动两种不同的驱动方式。其中，直流驱动的特点是电路简单，但对外界光线的反应相对较大，不过通过在光电管上加套热缩管以及软 件处理可以极大降低这种影响； 光电 驱动的特点是光电管具有更高的功率，探测距离相对较远，抗干扰能力也较强，不过电路复杂且难于控制。因此，我们采用了直流驱动的方式，并利用相应措施降低了外界光线的影响。 方案一： 15 对光电管均匀分布于一排。由于跑道的宽度小于 25光电管阵列之间不需要 排的太开。因此我们选择光电管对的间隔为 15以 15对光电管排布下来的宽度只有大概 21合规则要求。运用 15 对光电管的好处就是采集的 跑道 信息精度较高，信息比较连续，因此赛车跑起来不会出现明显的 “ 抖 ” 的现象；但是使用单排光电管阵列的前瞻性比较差，使得赛车不能进行比较提前的判断和控制，因此限制了智能车的速度，同时所有的传感器做成一排做出来的辅助板过大，不宜固定。 方案二： 15 对光电管均匀分布于两排。将 7 对光电管均匀分布的阵列放在近排， 8 对光电管对均匀分布的阵列放在远排。近排的光电管阵列就架设在车的前端 30远排的则架的较高并且伸出 90这样的光电管阵列下，赛车的前瞻性得到了很好的提高，速度比单排光电阵列情况下高了较多。但是由于光电采集的精度不够，赛车即使在直线上行驶的时候， 也容易出现 “ 抖动 ”的现象，通过调整舵机控制的参数，使 得赛车 “ 抖动 ” 的程度明显减少，而且速度也有一定的保证。 综合考虑了以上两种方案并通过观察试验效果，我们选择了方案二中的光电管阵列排布。效果如图 1示。 图 1双排光电管阵列效果图 江西理工大学 2011届本科生 毕业设计 4 制算法设计方案 方案一：比例控制 这种控制方法就是在检测到车体偏离的信息时给小车一个预置的反向偏移量，让其回到 跑道 。比例算法简单有效，参数容易调整，算法实现简单，不需复杂的数字计算。在实际应用中，由于传感器的个数与布局的限制，其控制量的输出是一个离散值 ，不能对舵机进行精确的控制，容易引起舵机左右摇摆，造成小车行使过程中的振荡，而且其收敛速度也有限。 方案二： 制 制在比例控制的基础上加入了微分控制，可以抑制振荡，加快收敛速度，调节适当的参数可以有效地解决方案一的不足。不过， P、 D 两个参数的设定较难，需要不断进行调试，凭经验来设定，因此其适应性较差。 方案三： 制 制在 制的基础上加入了积分分控制，在阶跃信号的作用下，首先产生的是比例 使调节作用加强，直到最后达到消除静养的效果。因此 节从动态，静态都有所 改善。当然 P、 I、 D 三个参数的设定更难，也需要不断进行调试，凭经验来设定，因此其适应性不好 ，但是可以使被小车更稳定的行驶。 由于 跑道 模型与相关参数已给定，即小车运行的环境基本上已经确定，可通过不断调试来获得最优的参数。因此我们选用的是 法来对舵机 和速度 进行控制。 江西理工大学 2011届本科生 毕业设计 5 第二章 机械结构设计 在小车行驶过程中，判断小车制作的成功与否是根据小车运行的速度与小车在运行过程中的稳定性，而车辆的机械结构无疑是影响速度的一个关键因素。鉴于这个原因，在后续的工作中对小车的机械结构方面做了一些改进 。 轮倾角 的调整 调试中发现，在车模过弯时，转向舵机的负载会因为车轮转向角度增大而增大。为了尽可能降低转向舵机负载，对前轮的安装角度，即前轮定位进行调整。前轮定位的作用是保障汽车直线行驶的稳定性，转向轻便和减少轮胎的磨损。前轮是转向轮，它的安装位置由主销内倾、主销后倾、前轮外倾和前轮前束等 4 个项目决定，反映了转向轮、主销和前轴等三者在车架上的位置关系。主销后倾是指主销装在前轴，上端略向后倾斜的角度。它使车辆转弯时产生的离心力所形成的力矩方向与车轮偏转方向相反，迫使车轮偏转后自动恢复到原来的中间位置上。由此，主销后倾 角越大，车速越高，前轮稳定性也愈好。 主销内倾和主销后倾都有使汽车转向自动回正，保持直线行驶的功能。不同之处是主销内倾的回正与车速无关，主销后倾的回正与车速有关，因此高速时后倾的回正作用大，低速时内倾的回正作用大。 前轮外倾角对汽车的转弯性能有直接影响，它的作用是提高前轮的转向安全性和转向操纵的轻便性。前轮外倾角俗称 外八字 ，如果车轮垂直地面一旦满载就易产生变形，可能引起车轮上部向内倾侧，导致车轮联接件损坏。所以事先将车轮校偏一个外八字角度，这个角度约在 1左右。 所谓前束是指两轮之间的后距离数值与前距离 数值之差，也指前轮中心线与纵向中心线的夹角。前轮前束的作用是保证汽车的行驶性能，减少轮胎的磨损。前轮在滚动时，其惯性力会自然将轮胎向内偏斜，如果前束适当，轮胎滚动时的偏斜方向就会抵消，轮胎内外侧磨损的现象会减少。 轮传动机构调整 电机轴与后轮轴之间的传动比为 9： 38（电机轴齿轮齿数为 18，后轮轴传动轮齿数为 76）。齿轮传动机构对车模的驱动能力有很大的影响。齿轮传动 大大增加电机驱动后轮的负载，从而影响到最终成绩。调整的原则是：两传动齿轮轴保持平行 , 齿轮间的配合间隙要合适， 过松容易打坏齿轮，过紧又会增加传动阻力，白白浪费动力 ;传动部分要轻松、顺畅，容易转动，不能有卡住或迟滞现象 . 判断齿轮传动是否调整好的一个依据是 ,听一下电机带动后轮空转时的声音。声音刺耳响亮，说明齿轮间的配合间隙过大，传动中有撞齿现象；声音闷而且有迟滞，则说明齿轮间的配合间隙过小，或者两齿轮轴不平行，电机负载加大。江西理工大学 2011届本科生 毕业设计 6 调整好的齿轮传动噪音小，并且不会有碰撞类的杂音。 轮差速机构调整 差速机构的作用是在车模转弯的时候，降低后轮与地面之间的滑动；并且还可以保证在轮胎抱死的情况下不会损害到电机。当车辆在正常的 过弯行进中 (假设：无转向不足亦无转向过度 )，此时 4 个轮子的转速 (轮速 )皆不相同，依序为：外侧前轮外侧后轮内侧前轮内侧后轮。此次所使用车模配备的是后轮差速机构。差速器的特性是：阻力越大的一侧，驱动齿轮的转速越低；而阻力越小的一侧，驱动齿轮的转速越高以此次使用的后轮差速器为例，在过弯时，因外侧前轮轮胎所遇的阻力较小，轮速便较高；而内侧前轮轮胎所遇的阻力较大，轮速便较低。差速器的调整中要注意滚珠轮盘间的间隙，过松过紧都会使差速器性能降低，转弯时阻力小的车轮会打滑，从而影响车模的过弯性能。好的差速机构，在电机不转的情况下，右轮向前转过的角度与左轮向后转过的角度之间误差很小，不会有迟滞或者过转动情况发生。 外传感器的固定 为了获取更多的前探距离，我们采用传感器前伸，在规定的范围内尽可能的获取更多的前探距离。但是前伸也带来了其他问题，如车在行驶过程中颠簸引起传感器的晃动。为此我们的固定支架采用了拧纹的形式，从硬件上减少外部环境对传感器的影响。 除此之外，我们还把红外管放置与水平成一定倾角，进一步增加前探距离。然而并非倾角越大越好，倾角的增大会导致红外接收管接收到的光减少，背景与黑线之间的压差降低，影响路 径的识别。我们使用 55 度的倾角配合上一定的高度取得了较好的效果。 车重心的调整 在智能车各部分零部件大体完成的时候，我们通过移动车上零部件的位置，对其重心进行了调整，通过大量的对比实验后发现：不论使重心偏左还是偏右，赛车在弯道较多的 跑道 上都会出现不同程度的滑移和转向不足。因此，重心应当尽量处在相对车模左右对称的中心平面内。另外，此次车模为四轮驱动，重心在车上的分布对车的动力影响不是很明显。通过实验发现：当赛车重心偏后时，由于前轮上所分配的载荷较轻，使赛车转向时前轮滑移，造成过弯时间变长。在华东区的比 赛中我们也发现，此车模的重心偏高，若不对其进行改造，会造成过急弯时车轮离地，对抓地力造成很大影响，从而使车模过弯时间变长。综上考虑，根据赛车的实际情况调整车体重心，使其处于中心偏前优化其转向能力，使底盘离地 右优化其过弯能力。 江西理工大学 2011届本科生 毕业设计 7 轮啮合间隙的调整 车模电机传动轴和赛车分动器之间采用齿轮啮合传动，另外，光学编码器和分动器齿轮之间同样采用齿轮啮合，前后差速器中也存在多个齿轮副。齿轮啮合性能的好坏，直接影响电机的驱动效率。啮合齿轮的轮轴不平行，将直接导致齿轮间啮合平稳性不足，传动效率低，影响赛 车速度的提升。啮合齿轮间隙过大，将导致打齿轮，过小则将导致电机驱动阻力增加，两者都不利于提高赛车的驱动性能。因此，对于啮合的齿轮，应当适当调整齿轮间隙和齿轮轴间的平行度，使齿轮啮合顺畅，噪声小。按照第四届部分报告中提到的思想，以放在平地上行驶时的声音作为判断齿轮啮合情况最为合适。对差速器，考虑到其性能对车轮运动有较大的影响，我们采用多个车模进行测试的方法，挑选出其中较好的差速器，并使用差速器油进行润滑，以获得较好的性能。 江西理工大学 2011届本科生 毕业设计 8 第三章 硬件电路的设计 统硬件概述 系统硬件框架图如图 3 M C 9 S 1 2 X S 1 2 8 单 片 机电 源 管 理光 电 传 感 器测 速 传 感 器舵 机大 功 率 器件直 流 电 机图 3系统硬件框架图 控制核心是飞思卡尔公司推出的 系列的增强型 16位 64个管脚单片机 内资源丰富，包括 路 8位或者拼接成 4路 16位 ,2个 10位 8通道 A/8通道输入捕捉 /输出 比较定时器， 2 个异步串行通信接口 个同步串行通信接口 个 1 Mb/容 。利用片内资源结合具体模块的功能要求具体实现技术路线如下： （ 1)电源管理：核心板最小系统供电、传感器供电、舵机供电和直流电机供电。要求：（ a) 低压差，实现 池到 5 b)可提供足够电流输出，驱动发射光电管，并考虑一定的安全余量；（ c) 考虑芯片散热的问题，提供热关断、短 路保护和安全操作保护等功能。 （ 2)舵机控制：模块化模型舵机利用信号输入端的占 空比不同调节转角，可以通过单片机芯片内置 （ 3)直流电机驱动：采用 动。要求：（ a) 开断电流能力强，驱动功率大，质量可靠；（ b) 具有过流保护、欠压保护、热关断的能力，各种功能使用方便。结合集成功率芯片选择要求和直流电机运行参数，选用大功率电机驱动模块 西理工大学 2011届本科生 毕业设计 9 源模块的设计 电源是一个智能车系统得以运行的关键及动力所在。根据 “ 硬件设计最简 ”的原则，需要完善电源设计方案。整个智能车的电源是由一块 000供，为了使 智能车系 统各部件能正常的工作，故需对 000中，中央控制系统（最小系统）、路径识别的光电传感器和接收器电路、需要 5服电机工作电压范围 流电机可以使用 000 电源供电部分关系到整个系统工作的稳定性，由于采用的是镍镉电池供电，内阻比较大，电机启动或者突然加速的瞬间，电池输出的电流很大，电池两端电压突然会降低。为了保证单片机和其他模块工作正常，所以在对电源供电的设计方面，要求电路工作效率高，输出电压稳定。而且随着车子在跑道上跑，随着电池电量的消耗，电池两端的电压也会慢慢降低，这就要求稳压芯片的选取要工作压差小。本系统所需电压有 5V、 中 分为电机驱动电压，可由电池直接提供； 5V 部分为路径识别模块，舵机控制模块，串口通信模块，单片机最小系统模块等。 系统电源供电分配 如图 3示： 7 . 2 V 蓄 电 池L D O 低 压 差 稳 压 芯 片 L M 2 94 0高 效 率 开 关 电 源 稳压 芯 片 L M 2 5 9 6直 流 电 机单 片 机 最 小 系 统 模 块 ，串 口 通 信 模 块 ， 速 度 测量 模 块 等路 径 识 别 模 块 ， 舵机 控 制 模 块 等图 3系统电源供电分配框图 5求大电流、低压差 、低噪声等特性。在此将根据各种不同稳压芯片的特性选款符合此智能小车各个模块的工作要求。 根据不同的工作原理可将电源分成两类：线性稳压电源、开关稳压电源。 线性稳压电源： 江西理工大学 2011届本科生 毕业设计 10 一般的线性稳压电源的输入电压与输出电压之间的电压差大，稳压电源内部的调整管上的损耗大，效率低。但近年来开发出各种低压差（ 新型线性稳压器 率也有较大的提高，线性稳压电源还有一个优点就是外围元件最少、输出噪声最小、静态电流最小，价格也便宜。 开关稳压电源： 开关稳压电源中有一个工作在开关状态的晶体管（一般是 故称为 开关电源开关管工作于饱和导通及截止两种状态，所以开关管管耗小并且与输入电压大小无关，相对于线性稳压电源一个明显的优点是工作效率高，一般可达80% 95%。 稳压芯片选择： 方案一：普通常用稳压芯片 点：价格便宜。缺点：效率低，发热量大。压差大，外部供电要在 上才可以稳定稳压到 5V 方案二：开关稳压芯片 点：工作效率高，发热量小，输出电流大，约 3A。工作电压可以低至 点：外围电路复杂，成本高，由于是开关稳压，稳压后的波纹大。 方案三：低压差线性稳压芯 片 点：低压差，电池两端的电压降到 能稳定地输出 5V 的电压，电压波纹小，可以给单片机稳定的供电。外围电路简单，需要的滤波电容小。 经过分析，最终决定设计两路 5V 稳压电路，其中一路采用 压后独立为单片机供电，另外一路是为系统其他模块提供 5V 供电，采用了更大的输出电流的稳压芯片 电电路 一个输出电压固定的低压差三端稳压器；输出电压 5V；输出电流 1A；输出电流 1A 时，最小输入输出电压差小于 大输入电压 26V；工作温度 +125；内含静态电流降低电路、电流限制、过热保护、电池反接和反插入保护电路等功能。 其封装形式有标准的 3 脚直插 3 脚表贴封装 种 。 由于稳压芯片 属于 压差 )线性稳压器，即使电池电压下降到 可以输出稳定的 5V 电压供给单片机保证单片机能正常的工作，使智能车能正常的行驶，同时 出的电压纹波也很小，这样干扰也大大减小 ，能减少单片机没必要的复位， 符合单片机的供电要求。 同时由于 能输出高达 1A 左右的 电流，故让此电源同时给串口通信模块，测速测量模块等其他模块给予供电，达到电源的充分利用。 江西理工大学 2011届本科生 毕业设计 11 电电路 如图 3 图 3电电路 电电路 够输出 3A 的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。固定输出版本有 5V、12V，可调版本可以输出 37V 之间的各种电压。 该器件内部集成频 率补偿和固定频率发生器，开关频率为 150低频开关调节器相比较，可以使用更小规格的滤波元件。由于该器件只需 4个外接元件，可以使用通用的标准电感，这更优化了 使用，极大地简化了开关电源电路的设计。 其封装形式包括标准的 5脚 装（ 5脚 （ 该器件还有其他一些特点：在特定的输入电压和输出负载的条件下，输出 电压的误差可以保证在 4%的范围内，振荡频率误差在 15%的范围内；可以用仅80 实现外部断电；具有自我保护 电路（一个两级降频限流保护和一个在异常情况下断电的过温完全保护电路）。 特点 ： 5V、 12V 的固定电压输出和可调电压输出 可调输出电压范围 37V4% 输出线性好且负载可调节 输出电流可高达 3A 输入电压可高达 40V 采用 150于第二代开关电压调节器，功耗小 低功耗待机模式， 0 A 电能力 具有过热保护和限流保护功能 封装形式： T）和 S） 江西理工大学 2011届本科生 毕业设计 12 外围电路简单，仅需 4个外接元件 ，且使用容易购买的标准电感应用 领域 图 3 图 3由于两排 15 对光电传感器与舵机的功耗太大，因此电源输出的电流要足够大才能满足这些负载的需求，由于 输出电流可达 3A 左右，通过大概计算符合我们的设计要求，故我们选用 图为 出的 5V 电源给舵机供电的截图。 机驱动模块 本设计 采用 大功率电机驱动模块 电机进行驱动 。 块介绍 功率直 流电机驱动板专为小型大功率直流电动机设计，具有内阻低，驱动电流大，和发热极低等特点， H 桥电路，可使电机四象限运行，驱动电压范围为 明显提高电动机的加速和制动效果。它内部同 模块在驱动芯片与信号输入端之间加装了隔离电路，可有效保护单片机。 如 表 3示， 以下为 具体参数 。 表 3机驱动模块具体参数 通 态 内 阻 16 毫欧 驱动电 流 0培 工作电 压 作频 率 0动类 型 卡尺 寸 西理工大学 2011届本科生 毕业设计 13 用说明 (1)引脚说明 （ a） 图 3其中电源正接 源负接 源电压不得超过 10V；电机两端接 机的正反转与 入相对应，该模块在 装有谐波吸收电容。 （ b） 信号接口如图 3 图 3信号接口 江西理工大学 2011届本科生 毕业设计 14 其中 号输入端， 应 应 +5V 和 间要加 5V 电源以给板上隔离电路供电。 模块过流或短路报错输出信号， 可不接。 上图左侧 使能设置跳线，将 阻焊至上侧带圆点处为默认使能，焊至下侧则为默认不使能，上图右侧 单片机控制使能输入引脚，单片机输出高电平则模块使能，输出低电平则不能使用。 (2)安装步骤 首先用信号线将模块信号输入端子与 5V 电源与单片机 出引脚接好，其次将电池和电机接线插入功率 接口并用螺丝刀旋紧，注意电池与电池引线线径要足够粗以保证大电流顺利通过，最后输出相应 号即可驱动电机。板上有四个 3准螺丝孔，可以方便的安装在平台或地盘上，注意安装时保证板背面良好的绝缘性和散热性。 压电流测试结果 (1)启动波形，电源电压： 8V，负载：纯阻性 10 欧姆，以下是波形，其中黄线为电压波形，紫色为电流波形如下图： 图 3动时的电压电流波形 (2) 短路波形，电源电压： 8V，负载阻抗 姆，以下是波形，其中黄线为 负载电压波形，紫色为负载电流波形，蓝色为报错输出波形，可以看到模块短路情况下开始周期的关断输出以防止模块过热烧坏，并且在报错输出引脚输出 高电平 。 路时的电压电流波形 如图 3示：江西理工大学 2011届本科生 毕业设计 15 图 3路时的电压电流波形 机控制模块 舵机主要是用来控制智能车的运动方向，通过调节小车前轮转动的角度来改变小车运动方向的。 智能车的角度控制是通过单片机输出 号对舵机进行控制的，舵机内部有一个基准电路， 能产生周期为 20度为 基准信号，当 号输入到舵机时，舵机内部产生一个直流偏置电压，此电压与电位器的电压比较，将获得电压差输出，最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定舵机的正反转。因此，当单片机输出一定占空比的 电 时，舵机就会转动一定的角度。 舵机的转角与 宽的关系 如图 3 1 1 0 0 1 5 0 0 1 9 0 045+45脉 宽 转 角 （ + 顺 时 针 方 向 ）脉 宽 / u s e / （ 度 ）图 3舵机转角与 宽的关系 江西理工大学 2011届本科生 毕业设计 16 径识别模块 路径识别模块是智能车系统的关键模块之一，路径识别 方案的好坏，直接关系到最终性能的优劣。我们组选择的是光电组。传感器的收发距离对于车子的前瞻性有着直接的影响。参考过往届光电组的设计报告，发觉大多数采用的传感器都是红外传感器，说明相对于超声波传感器等其他类型的传感器还是有一定优势的，所以我们重点放在红外传感器的设计和测试，选取了不同厂家不同型号的红外管来测试路径识别的性能。 对于红外对管的选取和电路设计，我们作了几个方案论证。 方案一：通过 38K 载波发射和一体接收头接收。优点： 发射距离远，抗干扰能力强；缺点：接收方向范围过大（大于 135 度），不利于对道路黑 线位置检测，硬件软件较复杂。 方案二：一体化发射 /接收管。优点：硬件电路简单，方便；缺点：可以收发距离太近。 方案三：二极管形式发射接收管。优点：发射功率大，距离比一体化发射 /接收管稍远；缺点：硬件电路稍复杂。 最后经过分析比较，我们决定采用第三种方案。 红外传感器作为智能车上的“眼睛”，对小车的路径识别起了决定性的作用。由于我们在机械设计的时候把红外传感器安装与水平方向有一定倾角，因此我们也必须增大发射的功率才能使接收管接收到更多发射回来的光。下图为反射式红外传感器电路原理图 图 3红外 光电管 检测电路 上图为红外光电管检测电路主要用来获取路径信息，工作原理是 左边的发光江西理工大学 2011届本科生 毕业设计 17 二极管通电产生光源，根据跑道黑白颜色的不同，黑色跑道吸收光线，白色跑道反射光线的不同，由于黑色跑道吸收全部的光线，而使右边的光敏三极管截止，使比较器 同相输入端为高电平接近 5V，通过比较器 输出为1 告知单片机 能车现处在黑色位置上。白色跑道由于光线被反射使光敏三极管导通。从而使 相输入端为低电平接近零伏，通过比较器 输出为 0 告知单片机 能车现处 在白色位置上。这样智能车就可以时刻获取跑道的信息。 度测量模块 为了实现小车的智能化，必须利用传感器来采集跑道信息，再把车模运动的速度采集给单片机，进而实现智能调速，实现车模的智能化。以下是测量速度方案的比较与选择。 方案一：利用霍尔传感器和磁钢测量速度：将霍尔传感器和磁钢分别安装在车架和车轴的适当位置，小车行驶时，每转动一圈，霍尔传感器产生开关信号，通过在单位时间对其计数可计算出车辆行驶的瞬时速度。优点：机械结构 、电路较 简单，成本较低；缺点：对于磁钢的安装工艺要求较高； 方案二：采用光电 编码器测量 速度：利用安装第五个轮子，通过第五个轮的转动带动 光电 编码器转动，后轮每转一圈， 光电 编码器就会输出一定的 光电 数，通过计算在一定时间内编码器输出的 光电 数，就可以算出车子运行的速度。优点：精度高，安装简单；缺点：成本较高；通过比较，采用霍尔传感器测量速度，磁钢如果粘的不稳的话，车子速度太快磁钢容易脱落，整个速度测量系统将产生很大误差。而 光电 编码器的测量精度远远比霍尔传感器的精度高，而且采用 光电 编码器测量车子速度，电路简单，安装方便稳定，适合车模的机械结构，综合考虑后决定采用 光电 编码器