智能小车设计.ppt

全国大学生电子设计竞赛交流报告主主 要要 报报 告告 内内 容容一、题目要求及设计思路简介一、题目要求及设计思路简介二、智能小车系统设计二、智能小车系统设计三、系统关键问题分析及解决方案三、系统关键问题分析及解决方案四、系统实现及测试四、系统实现及测试五、指导教师点评五、指导教师点评主主 要要 报报 告告 内内 容容一、题目要求及设计思路简介一、题目要求及设计思路简介二、智能小车系统设计二、智能小车系统设计三、系统关键问题分析及解决方案三、系统关键问题分析及解决方案四、系统实现及测试四、系统实现及测试五、指导教师点评五、指导教师点评1.1 1.1 题目要求简介题目要求简介 题目要求两辆小车在如右图所示题目要求两辆小车在如右图所示的赛道上实现如下功能：的赛道上实现如下功能：1. 1. 基本要求基本要求 （1 1）甲车和乙车分别从起点标志）甲车和乙车分别从起点标志线开始，在行车道各正常行驶一圈。线开始，在行车道各正常行驶一圈。 （2 2）甲、乙两车按图所示位置同）甲、乙两车按图所示位置同时起动，乙车通过超车标志线后在超时起动，乙车通过超车标志线后在超车区内实现超车功能，并先于甲车到车区内实现超车功能，并先于甲车到达终点标志线，即第一圈实现乙车超达终点标志线，即第一圈实现乙车超过甲车。过甲车。 （3 3）甲、乙两车在完成）甲、乙两车在完成(2)(2)时的时的行驶时间要尽可能的短。行驶时间要尽可能的短。1.1 1.1 题目要求简介题目要求简介 2. 2. 发挥部分发挥部分 （1 1）在完成基本要求）在完成基本要求(2)(2)后后, ,甲、乙甲、乙两车继续行驶第二圈，要求甲车通过超两车继续行驶第二圈，要求甲车通过超车标志线后要实现超车功能，并先于乙车标志线后要实现超车功能，并先于乙车到达终点标志线，即第二圈完成甲车车到达终点标志线，即第二圈完成甲车超过乙车，实现了交替领跑。甲、乙两超过乙车，实现了交替领跑。甲、乙两车在第二圈行驶的时间要尽可能的短。车在第二圈行驶的时间要尽可能的短。 （2 2）甲、乙两车继续行驶第三圈和）甲、乙两车继续行驶第三圈和第四圈，并交替领跑；两车行驶的时间第四圈，并交替领跑；两车行驶的时间要尽可能的短。要尽可能的短。 （3 3）在完成上述功能后，重新设定）在完成上述功能后，重新设定甲车起始位置（在离起点标志线前进方甲车起始位置（在离起点标志线前进方向向40cm 40cm 范围内任意），实现甲、乙两车范围内任意），实现甲、乙两车四圈交替领跑功能，行驶时间要尽可能四圈交替领跑功能，行驶时间要尽可能的短。的短。1.1.2 2 设计思路介绍设计思路介绍智能小车功能需求智能小车功能需求精准寻迹精准寻迹快速行进快速行进位置同步位置同步自主超车自主超车解决方案解决方案红外传感器红外传感器+步进电机步进电机+ARM控制板控制板+无线收发无线收发完成功能需求完成功能需求所需的模块所需的模块光电检测模块光电检测模块无线通讯模块无线通讯模块电机及驱动模块电机及驱动模块供电系统模块供电系统模块主处理模块主处理模块主主 要要 报报 告告 内内 容容一、题目要求及设计思路简介一、题目要求及设计思路简介二、智能小车系统设计二、智能小车系统设计三、系统关键问题分析及解决方案三、系统关键问题分析及解决方案四、系统实现及测试四、系统实现及测试五、指导教师点评五、指导教师点评 1、主处理板选型 2.12.1 智能小车硬件设计智能小车硬件设计 方案一:采用AT89S52单片机作为主控芯片。其特点是功耗较低，集成度较高，兼容性较好，但CPU处理速度及片上资源有限，不适合复杂实时控制系统的应用。由于在小车运行过程中，涉及大量数据处理，需要完成传感器检测、电机控制、定时计数等功能。因此此系统需要有良好的运算性能，对两个小车的速度控制要求较高，而此普通单片机运算速度较慢，不能满足需求。2.12.1 智能小车硬件设计智能小车硬件设计 方案二：采用嵌入式系统方案二：采用嵌入式系统 采用采用LM3S615LM3S615的的ARMARM芯片作为控芯片作为控制核心。制核心。LM3S615LM3S615是基于是基于ARMARM Cortex-M3Cortex-M3的控制器，它将高性能的控制器，它将高性能的的32 32 位计算引入嵌入式微控制器位计算引入嵌入式微控制器应用中。其特点是运算速度快，外应用中。其特点是运算速度快，外围器件简单，功耗低，片上资源丰围器件简单，功耗低，片上资源丰富，能满足小车的速度控制以及无富，能满足小车的速度控制以及无线通信设备的需求，是目前性价比线通信设备的需求，是目前性价比较高的控制类芯片。较高的控制类芯片。基于以上分析，我们选择方案二。2.12.1 智能小车硬件设计智能小车硬件设计2、电机及驱动模块的选择方案 方案一：选择普通直流电机。方案一：选择普通直流电机。 直流电机可以通过减速齿轮直流电机可以通过减速齿轮增大扭力，提高带负载能力。直增大扭力，提高带负载能力。直流电机的优点是：价格便宜，驱流电机的优点是：价格便宜，驱动控制容易，但不能做到精确控动控制容易，但不能做到精确控制是其一大弱点。制是其一大弱点。2.12.1 智能小车硬件设计智能小车硬件设计 方案二：选择步进电机。方案二：选择步进电机。 步进电机的特点是：可以精确步进电机的特点是：可以精确控制电机选择步数和角度，能良好控制电机选择步数和角度，能良好的达到题目要求的精确度。的达到题目要求的精确度。 考虑到题目性能要求，我们选考虑到题目性能要求，我们选择了步进电机，同时采用电机驱动择了步进电机，同时采用电机驱动芯片芯片BA6845FSBA6845FS。BA6845FSBA6845FS包含两个包含两个独立的独立的H H桥电路。直接给芯片上电，桥电路。直接给芯片上电，即可实现电机的驱动。此芯片集成即可实现电机的驱动。此芯片集成度高，电路简单，控制方便可靠，度高，电路简单，控制方便可靠，体积小，效率高。体积小，效率高。2.12.1 智能小车硬件设计智能小车硬件设计3、位置同步方案 方案一：采用超声波传感器测距方案一：采用超声波传感器测距方案方案 超声波传感器采用超声波传感器采用IOIO触发测距，触发测距，模块自动发送模块自动发送8 8个个40khz40khz的方波，自动的方波，自动检测是否有信号返回。有价格便宜、检测是否有信号返回。有价格便宜、使用简单的优点。但是不能准确测得使用简单的优点。但是不能准确测得小车超车及姿态调整时的距离，因此小车超车及姿态调整时的距离，因此采用此种方案稳定性不高采用此种方案稳定性不高2.12.1 智能小车硬件设计智能小车硬件设计 方案二：采用无线通信方方案二：采用无线通信方案案 采用无线通信的方式可以采用无线通信的方式可以在小车启动时、超车时很好的在小车启动时、超车时很好的实现位置信号的同步，效果稳实现位置信号的同步，效果稳定。定。 相比于电路复杂，成本高，实相比于电路复杂，成本高，实时性不好，控制复杂的时性不好，控制复杂的Zigbee无无线收发模块，我们采用无线收线收发模块，我们采用无线收发模块发模块UP-96UP-96。该模块采用了。该模块采用了9600bit/s9600bit/s的波特率，直接可的波特率，直接可以连接到本设计的处理器输出以连接到本设计的处理器输出口，无需在无线模块上编制程口，无需在无线模块上编制程序，易于控制，传输速率高，序，易于控制，传输速率高，可编程控制输出功率，操作简可编程控制输出功率，操作简单。单。 基于以上的分析，采用方基于以上的分析，采用方案二。案二。2.12.1 智能小车硬件设计智能小车硬件设计4 4、循迹模块的选择、循迹模块的选择 方案一：采用光敏电阻组成方案一：采用光敏电阻组成光敏探测器。光敏探测器。 光敏电阻的阻值可以跟随周光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变化。当光围环境光线的变化而变化。当光线照射到白线上面时，光线反射线照射到白线上面时，光线反射很强烈，光线照射到黑线上面时，很强烈，光线照射到黑线上面时，光线反射较弱。基于光的反射原光线反射较弱。基于光的反射原理因此光敏电阻在白线和黑线上理因此光敏电阻在白线和黑线上方时，阻值会发生明显的变化。方时，阻值会发生明显的变化。将阻值的变化值经比较器就可以将阻值的变化值经比较器就可以输出输出TTLTTL高低电平信号。但是这高低电平信号。但是这种方案受光照影响很大，不能够种方案受光照影响很大，不能够稳定的工作。稳定的工作。2.12.1 智能小车硬件设计智能小车硬件设计 方案二：采用反射式红外传感器。方案二：采用反射式红外传感器。 利用红外线在不同颜色的物体表利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点，在小面具有不同的反射性质的特点，在小车行驶过程中红外发射管不断发出红车行驶过程中红外发射管不断发出红外射线。当发出的红外射线照射到白外射线。当发出的红外射线照射到白色的平面后经反射，则检测出白线继色的平面后经反射，则检测出白线继而输出低电平；而输出低电平；当发出的红外射线照当发出的红外射线照射到黑色的平面后被吸收，则射到黑色的平面后被吸收，则收不到收不到发射管发出的红外线，则检测出黑线发射管发出的红外线，则检测出黑线继而输出高电平。微控制器就是通过继而输出高电平。微控制器就是通过接收到的高低电平为依据来确定小车接收到的高低电平为依据来确定小车相对于黑线的位置。只要选择数量和相对于黑线的位置。只要选择数量和探测距离合适的红外传感器，就可以探测距离合适的红外传感器，就可以精确控制小车。基于以上的分析，采精确控制小车。基于以上的分析，采用方案二。用方案二。 本设计中添加了鸣笛功能，由比较器和喇叭组成。当甲乙两车启动时、超车时以及到达终点时都会以鸣笛作为标志。2.12.1 智能小车硬件设计智能小车硬件设计5 5、鸣笛电路设计鸣笛电路设计2.2 2.2 智能小车软件设计智能小车软件设计 本系统采用嵌入式的ARM芯片LM3S615作为控制核心。使用两个32位定时计数器的中断来对步进电机的时序进行控制，这样可以充分利用CPU的资源，精确而简单的控制小车的速度。小车在行进过程中不断检测红外传感器，判断小车是否偏离跑道外侧的黑线，可以通过调整定时器的计数值来调整两轮的速度，进而对小车的位置及方向进行矫正。对定时器的进一步控制可以准确的实现小车的转弯及超车。两车之间通过无线通信模块进行位置同步。软件流程图如下：2.22.2 智能小车软件设计智能小车软件设计甲车软件流程图2.12.1 智能小车软件设计智能小车软件设计乙车软件流程图主主 要要 报报 告告 内内 容容一、题目要求及设计思路简介一、题目要求及设计思路简介二、智能小车系统设计二、智能小车系统设计三、系统关键问题分析及解决方案三、系统关键问题分析及解决方案四、系统实现及测试四、系统实现及测试五、指导教师点评五、指导教师点评3.13.1小车行驶路径规划小车行驶路径规划 小车行驶路径规划如图所示： 小车通过检测外边缘线来循迹，通过检测拐弯标志线进行弧度拐弯（转弯过程中不检测边缘线，而是通过计算步数来控制）。 根据题目要求，黑色线有实横线（转弯及超车标志线）、实竖线（边缘标志线）和虚竖线（超车控制线），小车通过检测不同种类的线来确定方位和行为。 为了正确检测识别各类标线，需要合理设置传感器布置方式及传感器数量，本系统以右边缘线作为检测基准线，边缘线宽度为2cm，所以在小车车身右侧2cm处布置3个红外传感器（按从左往右顺序依次命名为：IA，IB，IC），传感器间距为0.9cm，用以检测边缘线。小车车身前部中轴线位置放置1个红外传感器（命名为：ID）用以检测转弯及超车标志线。由于小车在行进过程中两个电机会分别出现失步、越步及受到其他干扰，小车需要不断调整自身姿态以确保按照正确的方式前进，各传感器输出真值表及其对应控制方式如下：3.23.2路径检测与循迹控制方法分析路径检测与循迹控制方法分析IAIAIBIBICICIDID控制方式控制方式0 00 00 00 0若为开始状态，向右前方前进；若为开始状态，向右前方前进；若为