智能小车作品报告

基于光电导航的智能移动测量小车南京理工大学南理工一队指导教师：孙亚星张志强决赛编号：04-01-024引言本作品采用双CPU〔STC89C52单片机〕为控制与检测核心，系统稳定、运行可靠；采用12路灰度传感器为寻迹核心，检测及时、定位准确；采用四轮减速直流电机作为机械动力核心，动力强劲、稳定性高；采用红外漫反射光电开关和自制简易反光挡板作为小车启停装置，结构简单、可靠性强；采用光电传感器、光电编码器及栅格码盘组合作为测量核心，统计铅笔数目和测量隧道长度并通过程序设计排除相互间的影响，并通过1602液晶显示最终结果，简易直观，本钱低廉。机械结构上，将电池组安装在适宜位置以降低作品重心，提高系统稳定性；自制安装构架以固定传感器，使其在行驶过程中不出现摆动，以提高测量的准确性。图1光电测量小车1总体设计1.1方案选择1.1.1控制核心CPU的选择适用于智能小车的处理器有很多，如：ARM单片机、51单片机、飞思卡尔等多种，鉴于51单片机开发资料丰富、容易上手，及对相关知识有一定程度的掌握，但未涉及其他更“高级”的控制核心，因此在检测与控制核心上选择了51单片机。图251单片机最小系统1.1.2循迹传感器的选择在寻迹上，最先考虑了智能小车常用的反射式红外光电传感器和其他一些光电传感器，但其工作与原理无外乎发光-反射-接收-处理，由于红外光电传感器受外界光线的影响较大，因此选择了可靠性更高的灰度传感器。该灰度传感器由发出白光的发光管、光敏元件以及电压比拟器所组成，具有数字量输出，并对色差较大的物体具有不同的输出，如此次比赛的绿白色，在标定上下电平输出后即可对其有不同的输出，且测量结构准确可靠。1.1.3测量传感器的选择测量方面，铅笔和隧道都对光有遮挡，有遮挡即有反射，有反射即可以被传感器接收，为了使整个电路设计简单且模块化，优先考虑集成了数字信号输出电路的红外光电开关，这样做的目的是无需额外的电路对信号进行处理，简单可靠。统计隧道长度，栅格码盘和码盘编码器是首选，码盘编码器就是一个结构有所改变而原理不变的红外光电开关。1.1.4机械动力的选择小车的机械驱动局部使用了四轮驱动，并采用了减速直流电机，较之其他如步进电机，伺服电机，减速直流电机控制更简单，价格更廉价。为了有足够的动力输出，在原先7.2V电池组的根底上换成了9.6V大容量电池组。1602液晶，看似简陋，但显示测量结果却绰绰有余。1.2组成结构小车按其功能可以分为导航寻迹局部和测量显示局部。其中导航寻迹局部主要分为驱动局部和检测控制局部。驱动局部由直流电机、控制芯片等等构成；检测控制局部那么由灰度传感器，单片机构成。相应的流程图如下：图3控制流程图测量显示局部可分为测量和显示两局部，其中测量又可分为铅笔数目统计、隧道长度测量两局部，使用的传感器为E18-D80NK红外光电开关和码盘编码器。测量结果由L1602液晶显示。上述两大局部分别由两块单片机控制，但两者又是相互联系的，主要联系在于小车的启停局部与小车的测量显示局部，目的是防止小车在隧道中停车以及小车停止后外界扰动对其测量的影响。2技术路线及可行性分析2.1寻迹的实现小车采用一块8路灰度传感器〔如图3〕作为寻迹核心，将传感器安装在车身前部，每一路传感器均有一个发光二极管和光敏三极管组成，赛道反射白光的能力与其颜色有关，通过调节对应的电位器可以使白线上方的传感器的输出信号为低电平而使绿色赛道上方的传感器的输出信号为高电平，从而区分出了小车应该前进的方向。传感器如此布局适合低速和S型弯道，对于高速以及直角转弯，小车会因为惯性冲出赛道使灰度传感器偏离白色导航线而无法正常寻迹。图4八路灰度传感器前视图为此，首先考虑在小车前轮两侧各安装两个灰度传感器，当小车前部冲出赛道时，车轮两侧的传感器依然可以照到白色导航胶带，从而小车可以根据这些传感器采集的信号控制其转弯。这种方式还可以简化成将8路灰度传感器适当前移，使得小车在行驶过程中可以提前预判，当遇到转弯时可以提前减速转弯，从而防止其冲出赛道。对于小车的启动和停止，使用E18-F10NK和反光挡板，为了不干扰统计铅笔数目的传感器，将控制小车启停的传感器安装在车身底部，这样简易的反光板〔如图5〕也可以做的较矮，防止影响。图5车用放光挡板2.2测量的实现测量采用漫反射红外光电开关〔如图5〕，为上下电平输出。测量铅笔数目的传感器安装在小车中部左右两侧，为了解决小车进入隧道误将隧道侧壁当成铅笔进行计数，在小车前部和后部各安装一个同型号的光电开关，通过这两个传感器可以判断小车是否进入隧道，从而设定在小车未进入隧道之前，统计铅笔数目的传感器可以计数而测量隧道长度的传感器不工作，反之，假设小车进入隧道，那么统计铅笔数目的传感器不计数而测量隧道长度的传感器工作。图6光电传感器示意图传感器如此布局，易受小车行驶时的稳定性影响，尤其是小车沿着白色导航胶带出现严重的左右摆动时，测量隧道长度的理论值会偏大，而统计铅笔数目时假设铅笔靠的很近就有可能将已经计入数目的铅笔重复计数，从而使测量结果出现极大的误差。在传感器安装不变的情况下，只有提高小车行驶的稳定性才能防止这种情况的出现。3主要功能模块设计3.1寻迹导航模块的设计将灰度传感器安装在小车前部10厘米处，小车在赛道上的不同姿态将会返回一组不同的信号值，通过这组信号值就可以判断小车的状态，是该左转还是右转，是小转还是大转……单片机接收到这组信号，通过控制双L298N驱动模块，控制直流电机正转、反转、停止，采用PWM波进行调速，可分为10档，其中10档最快。在直道上时，可以使用最高档，而转弯幅度较小时那么使相应一侧的速度减小，假设遇到直角转弯，可以让小车差速拐弯。在判断左右直角转弯时，采用“状态记忆”法，所谓状态记忆，就是小车前方灰度传感器离开白色导航胶带前一刻返回的信号值，由于惯性，虽然使用了预判，但小车的前部任然会冲过直角转弯处的横向导航胶带，“状态记忆”法的目的就是在小车冲过导航胶带后传感器无法看到导航胶带的情况下，使小车通过原地转弯回到白色胶带上。图7赛道示意图3.2统计铅笔数目模块漫反射式红外光电开关为数字信号输出，在统计铅笔数目过程中，输出低电平时表示受到铅笔遮挡，这里不能笼统地在输出低电平时将铅笔数目加1，因为虽然低电平的持续时间很短，但相比于单片机的处理速度，这段时间还是相当长的，这种情况可能会导致最终的结果偏大。因此采用统计跳变沿的方法来计数，不难理解每一支铅笔均可采集到两个跳变沿，其中一个上升沿一个下降沿，为了编程方便，并不需要区分是上升沿还是下降沿，统一称为跳变沿，一支铅笔两个跳变沿，在输出结果上，只需将跳变沿的总数除以2即为铅笔数目。统计跳变沿的方法还会在统计隧道个数以及测量隧道长度时统计码盘栅格数目时用到，原理和此处相同，因此下面不再赘述。3.3测量隧道长度模块因为要求统计每段隧道的长度并且分别显示测量结果，因此需要统计隧道个数。两个安装在小车前部和后部且方向朝上的红外光电传感器将负责判断小车是否进入隧道以及是否驶出隧道。当前方传感器进入隧道，安装在小车底盘上的光电编码器正常工作，依然使用统计跳变沿的方法统计转过的栅格格数〔码盘上栅格的数目将直接影响测量精度〕，通过一个固定的比例可以计算出隧道长度；而当该传感器出隧道时，对应的统计栅格格数的程序将不被执行。最终的结果通过相应的格式显示在液晶屏上方便读取。3.4启停控制模块本着简单实用的原那么，控制启停使用E18-F10NK对射管以及相应的反光板。开始时，将小车的总开关翻开〔对射管处不能有遮挡〕，此时小车无法前进，所有传感器停止工作，将反光板靠近安装于车身底层的对射管，对射管接收到信号后，小车立即启动；当小车行驶一圈后回到出发点，再次遇到反光挡板，接收到信号后，小车立即停止且所有传感器停止工作，测量结果无法变动，此时可以读取测量的各项数据。图8整体程序框图4测试结果对传感器的位置进行微调、对驱动程序进行改良，小车跑完标准赛道的时间从一开始的45秒左右稳步提升到28秒左右；在使用跳变沿统计铅笔数目后，当铅笔距白色导航胶带为25-30厘米左右时，统计结果准确无误；进过对码盘精确度的调整，测量隧道长度的精确度由原来的厘米级提升到毫米级，但因为赛道设置不直或小车行驶时出现轻微摆动容易造成最终的测量结果出现偏差，经过计算，在自家隧道下误差为2.25%左右，所以在反复验证后在程序中进行软件校正。5特色与创新点1、器件模块化，电路连接简洁，实用可靠。小车一共可分为寻迹模块、电机驱动模块、51单片机控制模块及测量模块等。2、性价比高，部件自制，控制核心简单易用。在制作与调试过程中，我们始终坚持用最常见、最廉价的材料，充分发挥材料的性能。我们采用了常见的51单片机作为控制核心，并利用了学校的激光切割机进行了小车部件，如传感器支架和车身等的加工。 3、通过程序的设计使得单片机软件具有“记忆功能”。当小车在冲出跑道时与之前的状况作比拟，进行判断和执行，可以有效地进行寻迹。4、利用现成的车用平安警示反光板制成反光挡板，利用其对一定倾角范围内的入射光都会按入射光路反射的特点，并利用延时，增加了小车的启停功能，本钱低且可靠易用。.6感想体会智能小车的涉及面很广泛，包括控制、传感器的使用、模块的优化、驱动程序的编写及优化等。小车的设计和制作就是一个旧问题不断解决、新问题不断出现的过程，这一过程循环往复，最终的结果就是小车的性能不断提升，测量的准确性可靠性不断提高。这也是一个由量变到质变的过程，只有量的积累才能换来质的飞跃。这就要求我们这个团队相互合作，取长补短。小车的设计制作时间漫长，对我们的耐心是一个很大的考验；与此同时，面对很多未知的问题，我们必须设法去解决，同时老师为我们提供了方向，学校也为我们提供了许多资料，但是方案需要自己想，正因如此，