智能小车方案

基于光电导航的智能移动测量小车竞赛说明：设计一辆具有光电导航功能的智能车，要求从线路的指定点出发，沿轨道上铺设的“8”字形导航条走完全程。在行走过程中，利用光电技术测量、记录沿途所通过隧道的数目、各段隧道的长度及沿途路边树木的棵数。竞赛规那么：1、智能车平台：自选，横向宽度不大于赛道宽度；2、比赛场地：室内体育场，地面颜色为深绿色，赛场面积：15×11m2；3、赛道：宽0.5m，整体为“8”字形；沿途随机设置一定数量硬质薄板制作的隧道和红色中华铅笔代表的树木，隧道内外表为黑色。隧道净高50cm，内外表与赛道内缘等宽；沿整个赛道的总树木数不超过20棵；4、赛道中间贴有3cm宽的白色导航胶带。具体要求如下列图所示：5、竞赛分组采用分区抽签方式确定，同一高校参赛队分配在不同分区；6、导航和测量要采用光电技术，禁用遥控方式或在赛场内自行设置智能车行驶路线导航标记；7、参赛队小车在赛道中的起终点由裁判随机指定，参赛队可自带起、终点判断标识物；8、要利用智能车自带的显示器显示出测得的树木数、隧道数和各段隧道的长度。模块一：构建智能车平台我们要构建一个智能小车平台，需要由多个模块组成。导航模块就是我们首先要考虑的一个模块，它对智能车平台具有控制和引导的作用。1、导航模块：在导航模块中，我们将使用反射式光纤敏感元件，这是因为赛道为0.5m深绿色〔黑色〕宽，中间贴有3cm白色胶带，所以利用白色对光具有较强反射性而选用反射式光纤敏感元件作为探头，例如光纤导航探头。比照与其他导航系统，光纤导航系统具有其无与伦比的优点。光纤导航只需要一个光源，并且远离地面，抗干扰能力很强；光纤导航还具有寿命长，动态范围大，瞬时启动，结构简单，尺寸小，质量轻等优越的性能，并且具有广阔的开展前景。其优点可以用下列图表示：1〕光电传感器阵列布局参数确实定：光电传感器阵列参数主要管距D〔管内侧距离〕、管直径d两种参数。如下列图所示：其中设计参数为：D=20mmd=1~2mm，终点横向白色胶带宽度W=100mm，长度200mm，为了保险起见，可以采用10~20个探测器。影响光电传感器阵列参数的主要因素：小车行走时要保证至少有一个探测器探测到白色导航胶带；比赛规模对车模尺寸的限制；终点横向白色胶带的宽度；舵机转弯精度。导航光纤传感器探头示意图：2〕智能小车导航系统的原理说明：导航光纤探头1、2、3、4、5编号输出光强度V1V2V3V4V5直行：V3=1V1=V2=V4=V5=0右转：V1=V2=0，V3=V4=1V5=0左转：V1=0，V2=V3=1，V4=V5=0大右转：V1=V2=V3=0,V4=V5=1大左转：V1=V2=1，V3=V4=V5=0小车控制：直流伺服电机，速度与电流〔电压〕成正比：v=kI,转向：电机1速度-电机2速度电机1电流〔电压〕=V3+V4+V5电机2电流〔电压〕=V3+V1+V2其次，我们还需要电机驱动模块来驱动智能车平台。2、电机驱动模块：我们选用伺服电机分别安装在智能车的后面两个轮子上实现车辆移动，用直流电机驱动小车。利用直流驱动电机进行工作，需要通过专用的电路进行驱动。设计直流电机驱动模块有几种方案，由于使用的是永磁式驱动电机，因此智能对电枢电压进行控制来实现电机转速和方向的控制，因此直流电机驱动模块要能方便地实现对输出电压的大小和极性加以控制。可以考虑的方案有一下几种：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对小车的速度进行调整。这个方案的优点是电路比拟简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短可靠性不高；采用功率管组成Ｈ桥型电机驱动电路，并利用PWM波来实现对输出电压的有效值大小和极性进行控制。这种调速方式具有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，能承受频繁的负载冲击，能耗小等优点，还可以实现频繁的无级快速启动和反转等优点；采用L298专用芯片进行驱动。L298芯片的工作原理和方案二一致，但是其工作时较方案二稳定，且编程较为简单，便于调试。另外L298内部集成了两个H桥，能同时驱动两个电机，硬件实现较方案二简单。基于上述理论分析，拟定方案三，为了防止电机驱动电路对控制模块的影响，采用光电耦合进行隔离。电机驱动电路图如下所示：直流电机工作电压3-6V，驱动电流为1A。转向：电机1速度-电机2速度电机1电流〔电压〕=V3+V4+V5电机2电流〔电压〕=V3+V1+V2电机1与电机2速度相等那么车辆直行，假设电机速度1大于电机2的速度发生右转，否那么，向左转。驱动电路如下列图所示：小车结构图如下列图所示：3、电源模块：智能小车采用电池供电，因此设计一个合理的电源模块也是必不可少的一个环节。例如，我们可以采用锂电池电源模块设计方案。整个系统由电池组模块、电池管理系统及电池充电设备组成。其中电池组模块根据用户的应用需求定义，选用8串7并SE60AHA电池组配置方案作为系统的储能设备。电源系统原理图如下所示：电源模块系统功能介绍及实现方法：整个24V/420AH电池组由7组24V/60AH电池模组并联而成，电池管理系统根据电池组的分布设计成分布式串联结构，共有7块数据采集模块〔每个从机有8个温度传感器，〕和一块主机。主机通过总线实现对数据采集模块进行通信及控制。1〕从机(数据采集模块):单节电芯电压检测：8串；温度检测：8个温感；串行通信：将数据传输给主控模块；均衡功能：充电时对不一致的电池进行均衡。2〕2)主机(主控制盒):并联电池组的回流保护：在充放电负极均增加了二极管，防止电池组并联后的不同电池模块间产生环流；充放电保护：即可对各电