航空航天山地轨道运输机障碍物检测项目开发介绍PPT课件

1、基本思路基本思路学前学后第1页/共36页 设计背景设计背景 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 1 设计目的设计目的第2页/共36页江西省赣州市安远县试验站江西省赣州市安远县试验站第3页/共36页 项目要求：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

2、小要求：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后停止语音报警，小车在轨道中途停止时停止语音报警。停止语音报警。2 2 设计内容设计内容(1)(1)第4页/共36页 项目要求：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要求：运动前方障碍物的检测最短距离为1.51.5米米；从检测到障碍物到小车停止间的从检测到障碍物到小车停止间的制动距离不超制动距离不超

3、过过0.50.5米米；小车停止后不自动启动，但通过上述；小车停止后不自动启动，但通过上述要求要求1 1中的报警装置发出与中的报警装置发出与“车辆正在行驶，请车辆正在行驶，请注意！注意！”相区别的警报；能够手动重新启动小相区别的警报；能够手动重新启动小车向前、后运行。车向前、后运行。2 2 设计内容设计内容(2)(2)第5页/共36页 视频播放第6页/共36页项目执行过程项目执行过程确定总体实现方案确定总体实现方案所需元器件等材料购买所需元器件等材料购买装置雏形设计与实现装置雏形设计与实现装置的完善与包装设计、调试装置的完善与包装设计、调试第7页/共36页没有安装装置前小车没有安装装置前小车超声

4、波探头超声波探头主控制器主控制器喇叭喇叭遥控遥控安装了障碍物检测控制装置后小车安装了障碍物检测控制装置后小车 第8页/共36页无线接收装置无线接收装置山顶电机控制端山顶电机控制端天线天线有线控制器有线控制器交流接触器交流接触器单相交流电机单相交流电机钢丝绳钢丝绳第9页/共36页3 3 硬件组成硬件组成装置整体硬件框图装置整体硬件框图第10页/共36页检测控制装置硬件实物检测控制装置硬件实物输出控制部分输出控制部分输入检测部分输入检测部分第11页/共36页单片机选型单片机选型选用选用 STC 系列单片机系列单片机STC12C5A60S2 (DIP-40)主控制器主控制器STC12C5202AD

5、(SOP-16)超声波检测超声波检测/行车检测行车检测 开发者熟悉，且有一定的开发经验；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；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；价格便宜，引脚封装多样可供选择；第12页/共36页3.1 3.1 系统总体电路设计系统总体电路设计第13页/共36页3.2 3.2 超声波障碍物检测模块超声波障碍物检测模块超声波距离检测原理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

6、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。第14页/共36页 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

7、离检测原理第15页/共36页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。第16页/共36页发射头接收头Trig触发信号输入触发信号输入Out开关信号输出开关信

8、号输出GndVccEcho回响信号输出回响信号输出超声波检测模块选型超声波检测模块选型第17页/共36页保留保留10ms到到下一个触发信号下一个触发信号回响脉冲信号持续回响脉冲信号持续115us-18.5ms115us-18.5ms当没有检测到物体，持续当没有检测到物体，持续36ms36ms工作原理工作原理T TTrig触发信号输入触发信号输入Out开关信号输出开关信号输出GndVccEcho回响信号输出回响信号输出第18页/共36页 使用本模块，占用单片机的两个使用本模块，占用单片机的两个IOIO口，口，一个一个IOIO口做为触发端。一个口做为触发端。一个IOIO口做为回波口做为回波PWMP

9、WM信号捕捉引脚。信号捕捉引脚。写程序时，先在写程序时，先在TRIGTRIG引脚端发一个大约引脚端发一个大约10US10US的高电的高电平触发模块，同时模块内部将发出平触发模块，同时模块内部将发出8 8个个40kHz40kHz周期电周期电平并检测回波，并在内部程序处理变换成一个平并检测回波，并在内部程序处理变换成一个PWMPWM的的信号从信号从EchoEcho引脚输出，一旦检测到有回波信号则输引脚输出，一旦检测到有回波信号则输出回响信号出回响信号, , 使用时，只需读出使用时，只需读出PWMPWM信号高电平的时信号高电平的时间（间（T T）。回响信号是一个脉冲的宽度成正比的距离）。回响信号是一

10、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。可以计算得到距离。公式公式: uS/58=: uS/58=厘米。厘米。工作原理工作原理第19页/共36页 红外发射接收原理红外发射接收原理 对不同的反射界面而言，由于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白色表面对红外的反射能力远远大于黑色表面。通过试验，于黑色表面。通过试验，喷白色油喷白色油漆部分界面反射能力强漆部分界面反射能力强，接收端接，接收端接收到反射信号；收到反射信号；喷黑色油漆部分界喷黑色油漆部分界面反射能力弱面反射能力弱，接收端接收不

11、到反，接收端接收不到反射信号。所以一旦车轮转动，模块射信号。所以一旦车轮转动，模块的输出端便有的输出端便有高低交替的电平高低交替的电平，再，再经过单片机处理就可以实现行车检经过单片机处理就可以实现行车检测。测。行车检测电路图行车检测电路图3.3 3.3 行车行车检测模块检测模块第20页/共36页PT2262PT2262无线发射模块无线发射模块 在无线控制采用的是在无线控制采用的是PT2262PT2262和和PT2272PT2272发射接收发射接收模块，主要是编码芯片模块，主要是编码芯片 PT2262 PT2262 发出的编码信号发出的编码信号（由地址码、数据码、同（由地址码、数据码、同步码组成

12、一个完整的码步码组成一个完整的码字），解码芯片字），解码芯片PT2272 PT2272 接收到信号后，其地址码接收到信号后，其地址码经过两次比较核对后确认经过两次比较核对后确认接收。接收。3.4 3.4 无线遥控发射无线遥控发射/ /接收模块接收模块(1)(1)第21页/共36页PT2272PT2272无线接收模块无线接收模块 PT2262/2272 PT2262/2272 芯片的地址编码设定和修改：一芯片的地址编码设定和修改：一般采用般采用8 8 位地址码和位地址码和4 4 位数据码。此时，编码电路位数据码。此时，编码电路PT2262 PT2262 和解码电路和解码电路PT2272 PT22

13、72 的第的第1 18 8 脚为地址设脚为地址设定脚，有三种状态可供选择：定脚，有三种状态可供选择：悬空、接正电源和接悬空、接正电源和接地地。3.4 3.4 无线遥控发射无线遥控发射/ /接收模块接收模块(2)(2)第22页/共36页继电器接法继电器接法22模拟遥控按键控制模拟遥控按键控制 继电器实际上是继电器实际上是用低用低电压、小电流去控制高电电压、小电流去控制高电压、大电流的一种压、大电流的一种“自动自动开关开关”。在电路中起着自在电路中起着自动调节、安全保护、转换动调节、安全保护、转换电路等作用电路等作用 继电器的继电器的“常开、常常开、常闭闭”触点，可以这样来区触点，可以这样来区分：

14、继电器线圈未通电时分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，处于断开状态的静触点，称为称为“常开触点常开触点”；处于；处于接通状态的静触点称为接通状态的静触点称为“常闭触点常闭触点”。3.5 3.5 继电器控制报警喇叭等和电源设计继电器控制报警喇叭等和电源设计第23页/共36页为什么为什么不用不用IO口直接驱动，而用口直接驱动，而用继电器继电器？答：单个答：单个IO口最大口最大20mA，所有，所有IO口最大不超过口最大不超过40mA3.5 3.5 继电器控制报警喇叭等和电源设计继电器控制报警喇叭等和电源设计继电器接法继电器接法11语音语音/ /报警开关控制报警开关控制第24页/共36页J25

15、VC6104GNDVinVout123AMS1117C53300uAMS1117电源电路电源电路y = 522.533.544.555.56234567891011输入电压 /V输出电压/V6.2V蓄电池蓄电池AMS1117输入与输出电压关系输入与输出电压关系（1）防止连接主控盒子的遥控）防止连接主控盒子的遥控被按下时将蓄电池电压瞬间大被按下时将蓄电池电压瞬间大幅度拉低导致单片机复位；幅度拉低导致单片机复位；（2）去除电源纹波）去除电源纹波 ( (最大输出电流最大输出电流500mA)500mA)第25页/共36页4 软件设计软件设计超声波程序流程图超声波程序流程图 主控程序流程图主控程序流程图

16、 行车检测流程图行车检测流程图NYYYYYYNNN围内围内定时定时1S1S内内计算电平计算电平变化次数变化次数开始开始初始化初始化输出低电平输出低电平输出高电平输出高电平是否计是否计数达数达4 4个以上个以上N第26页/共36页小车行驶速度小车行驶速度测量总次数测量总次数试验结果试验结果(m/s)(m/s)( (次次)制动后距离区间制动后距离区间测量次数测量次数(m)(m)( (次次)0.390.391001001.401.401.492 21.301.301.396 61.201.201.2918181.101.101.1932321.001.001.0930300.900.900.9912

17、120.280.281001001.401.401.495 51.301.301.3924241.201.201.2941411.101.101.1923231.001.001.097 70.900.900.990 05 试验及结果试验及结果 经多次重复实验，经多次重复实验，得出：在规定得出：在规定1.5m1.5m的探的探测制动范围内，检测与测制动范围内，检测与控制装置能够在检测到控制装置能够在检测到前方障碍物后安全地制前方障碍物后安全地制动，制动后最短距离是动，制动后最短距离是0.91m0.91m，基本达到了，基本达到了制制动后距离动后距离1m1m的要求（成的要求（成功率达功率达94%94%

18、），装置安），装置安全可靠。全可靠。第27页/共36页 在进行软硬件设计的时候，要多考虑一些，在进行软硬件设计的时候，要多考虑一些，方便以后方便以后进行升级扩展，多留出一些接口进行升级扩展，多留出一些接口，软件设，软件设计的易读性、可移植性是非常重要的，可以免去很计的易读性、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。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，这方法可以是需求的器件，可以想方法改善它，这方法可以是软软件滤波等件滤波等或者是或者是硬件改动等硬件改动等。例如通过两次检查去。例如通过两次

19、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。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、教训和体会开发经验、教训和体会(1)(1)第28页/共36页 装置设计好了之后只是一台裸机，一堆电路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。是非常实际的问题。 经验：经验： 多问老师和师兄师姐们的意见，他们往往有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，看看着

20、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，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。置所必不可少的材料。6 开发经验、教训和体会开发经验、教训和体会(2)(2)第29页/共36页 在进行联机调试时，遇到连接主控的遥控发射在进行联机调试时，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

21、到情况，还有可能是高频干扰。大幅度拉低到情况，还有可能是高频干扰。 解决办法：解决办法： 1.1.在电源和地之间并联在电源和地之间并联更大的电容更大的电容，并把它放，并把它放在尽量在尽量靠近单片机靠近单片机的地方，这样能够大大减少出现的地方，这样能够大大减少出现上面问题的概率。上面问题的概率。 2. 2.制作制作PCBPCB时要大面积的时要大面积的敷地敷地，这也是减少干，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。扰的有效方法，高速开关器件要尽量远离单片机。 3. 3.遥控发射器做遥控发射器做屏蔽屏蔽，用，用屏蔽线屏蔽线传输和通讯。传输和通讯。 4.4.使用使用高速光耦隔离器件高速光耦隔离器件进行隔离。进行隔离。6 开发经验、教训和体会开发经验、教训和体会(3)(3)第30页/共36页 1. 改进方案改进方案 （A）更换不防水的收发分体的超声波）更换不防水的收发分体的超声波探头为探头为一体化探头一体化探头； （B）提高抗无线遥控发射高频信号所）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将电池电压大幅度拉低导致单片机复位等问题，问题， 具体做法：更换稳压芯片具体做法：更换稳压芯片AMS1117为具有更大输出电流的为具有更