Arduino循迹小车性能及研究--研究性课题论文及成果报告

1、.循迹小车性能及研究研究性课题论文及成果报告研究人员：何乙涵，康旭东，彭力源，张译文，韩晨旭，齐立雯，郭子乐研究时间：2017年1月21日及2017年2月10日研究对象：循迹小车咸阳彩虹中学高一（11）班*;第一章引言智能车辆是集环境感知、规划决策、多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统，是智能交通系统的一个重要组成部分。它在军事、民用、太空开发等领域有着广泛的应用前景。随着电子工业的发展，智能技术广泛运用于各种领域，运用于智能家居中的产品更是越来越受到人们的青睐。本系统在硬件设计方面，以Arduino单片机为控制核心，以超声波传感器检测前方障碍物，从而自动避障。在软件方面，利用C语言进行编程，

2、通过软件编程来控制小车运转。根据家庭各种房间家具的布局不同而使用不同的路径，从而使得家居中常用到的智能清扫小车智能化，人性化。该小车能自动避障，有一定的实用价值。第15页随着科技进步，现代工业技术发展越来越体现出机电一体化的特征。无论是在金属加工、汽车技术、工业生产等等方面，机器设备表现了所谓智能化、集成化、小型化、高精度化的发展趋势。 1.1 选题背景随着汽车工业的迅速发展，关于汽车的研究也就越来越受人关注。全国电子大赛和省内电子大赛几乎每次都有智能小车这方面的题目，全国各高校也都很重视该题目的研究。可见其研究意义很大。本设计就是在这样的背景下提出的，指导教师已经有充分的准备。本题目是结合科

3、研项目而确定的设计类课题。设计的智能电动小车应该能够实现适应能力，能自动避障，可以智能规划路径。智能化作为现代社会的新产物，是以后的发展方向，他可以按照预先设定的模式在一个特定的环境里自动的运作，无需人为管理，便可以完成预期所要达到的或是更高的目标。同遥控小车不同，遥控小车需要人为控制转向、启停和进退，比较先进的遥控车还能控制器速度。常见的模型小车，都属于这类遥控车；智能小车，则可以通过计算机编程来实现其对行驶方向、启停以及速度的控制，无需人工干预。操作员可以通过修改智能小车的计算机程序来改变它的行驶方向。因此，智能小车具有再编程的特性，是机器人的一种。中国自1978年把“智能模拟”作为国家科

4、学技术发展规划的主要研究课题，开始着力研究智能化。从概念的引进到实验室研究的实现，再到现在高端领域（航天航空、军事、勘探等）的应用，这一过程为智能化的全面发展奠定基石。智能化全面的发展是实现其对资源的合理充分利用，以尽可能少的投入得到最大的收益，大大提高工业生产的效率，实现现有工业生产水平从自动化向智能化升级，实现当今智能化发展由高端向大众普及。从先前的模拟电路设计，到数字电路设计，再到现在的集成芯片的应用，各种能实现同样功能的元件越来越小为智能化产物的生成奠定了良好的物质基础。智能小车，是一个集环境感知、规划决策，自动行驶等功能于一体的综合系统，它集中地运用了计算机、传感、信息、通信、导航、

5、人工智能及自动控制等技术，是典型的高新技术综合体。1.2 智能小车研究背景智能车辆研究也是智能交通系统ITS的关键技术。目前，国内的许多高校和科研院所都在进行ITS关键技术、设备的研究。随着ITS研究的兴起，我国已形成一支ITS技术研究开发的技术专业队伍。并且各交通、汽车企业越来越加大了对ITS及智能车辆技术研发的投入，整个社会的关注程度在不断提高。交通部已将ITS研究列入“十五”科技发展计划和2010年长期规划。相信经过相关领域的共同努力，我国ITS及智能车辆的技术水平一定会得到很大提高。可以预计，我国飞速发展的经济实力将为智能车辆的研究提供一个更加广阔的前景。我们要结合我国国情，在某一方面

6、或某些方面，对智能车进行深入细致的研究，为它今后的发展及实际应用打下坚实的基础。第二章 智能小车总体结构2.1 方案综述本课题设计主要是制作一款能进行智能判断并能做出正确反应的小车。小车具有以下几个功能：自动避障功能。作品既可以对高端智能化进行剖析，也可以作为高级智能玩具发展对象，同时可成为大学生学习嵌入式控制系统的应用实例。本设计以两直流电动机为主驱动，通过各类传感器件来采集各类信息，送入主控单元Arduino单片机处理数据后完成相应动作，以达到自身控制。电机驱动电路采用H桥驱动模块，驱动2个直流电机；测距、避障采用超声波传感器完成，最后由控制单元处理数据后通过编程有序合理的将各模块信号整合

7、在一起并完成相应动作，实现了智能控制，相当于简易机器人。根据设计的作品要达到的效果，本系统以Arduino单片机为核心控制器，主要由电源模块、电机驱动模块、测距、避障模块构成。系统的结构框图如下图1所示。Arduino单片机驱动电路直流电动机轮子电源2.2 主控单元方案比较与选择按照题目要求，控制器主要用于控制电机，通过相关传感器对路面的轨迹信息进行处理，并将处理信号传输给控制器，然后控制器做出相应的处理，实现小车的自动循迹和自动避障。 方案一：可以采用ARM为系统的控制器，优点是该系统功能强大，片上外设集成度搞密度高，提高了稳定性，系统的处理速度也很高，适合作为大规模实时系统的控制核心。方案

8、二：采用Arduino单片机作为系统控制的方案。Arduino单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，功耗低、体积小、技术成熟，成本也比ARM低。考虑到性价比问题，本设计选择 用Arduino单片机做控制器。2.4 “小车”的必要的信息 电机参数： L298N 额定电压 9V 车轮直径 65mm 码盘齿数 60  个 码盘等效直径 42 mm 轮距 约 59.5mm 外形尺寸 约 75x 75 x 75 mm 重量 约 240g （不含电池） 第三章 智能小车的触觉、眼睛3.1 智能小车内部检测原理智能小车驱动检测电路：实现电机

9、驱动、码盘采样、电机电流检测功能，两侧独立设计，方便检修。 3.1.1 轮速、车距检测小车采用红外光电耦合器检测轮子转的圈数，即可算得小车行车距离；同理，单位时间内的计数值，即可求得轮子转速。本车有两只轮子，分别由两只直流电动机驱动。由于红外检测具有反应速度快、定位精度高，可靠性强以及可见光传感器所不能比拟的优点，故采用红外光电码盘测速方案。红外光电耦合器见图3.1，为直射式光电传感器。红外光避障传感器由测距轮，遮光盘，红外避障传感器、及凹槽型支架组成的。利用开模的优势，在车轮上的遮光盘设计了 60个齿，可以用直射式光电采样器方便的得到脉冲信号，比反射式采样更加可靠。 测距轮安装在车轮上，这样

10、能使记数值准确一些（见图3.2）。遮光盘有一缺口，盘下方的凹形物为槽型光电耦合器，其两端高出部分的里面分别装有红外发射管和红外接收管。遮光盘在凹槽中转动时，缺口进入凹槽时，红外线可以通过，缺口离开凹槽红外线被阻挡。由此可见，测距轮每转一周，红外光接收管均能接收到一个脉冲信号经过整形器后送入计数器或直接送入单片机中。单片机通过计数值，即可求得小车的大概行驶距离，根据单位时间内的计数值，也可求得转速。单片机通过分别对两个轮子的转速值，进行比较，即可判断出左、右轮的转速快慢程度。背面正面遮光盘为实现可逆记数功能，我们在测距仪中并列放置了两个槽型光电耦合器，遮光盘先后通过凹槽可产生两个脉冲信号。根据两

11、个脉冲信号发生的先后顺序与两个光电耦合器的位置关系，即可计算出玩具车的行驶方向（前进或后退）。遮光盘及槽型光电耦合器均安装在不透光的盒子里，以避免外界光线的干扰，使电路不能正常工作。 实际电路板测距原理：将遮光码盘安装在电机轴上，当电机转动时，遮光码盘也随之转动，同时安装在码盘一侧的红外发光二极管点亮，在码盘的另一侧设有红外三极管，用于接收红外发光二极管发出的红外线信号。由于光栅随电机高速转动，则红外线三极管接收到的就是一系列脉冲信号。将该信号传输到单片机的内部计数器计数，根据预先实测的数据换算关系即可计算出电动机车的行车距离。 智能小车的脚3.1、轮系结构详述 3.1.1动力选择 选用成熟的

12、减速机构和标准的 130直流电机（见上面图示） 3.1.2 驱动方式 FIRA小车一般设计为差分驱动，前后对称的形式，即不分前后，以增加对抗时的灵活性，因为不用“转身”了。 这样就要求车轮中置，如下图： 这种驱动方式，需要前后 2个支点，这样就形成了 4点共面问题，如场地稍有不平，就会导致一个驱动轮悬空，小车打转。 用 4个支点来保证小车的平稳（见上面小车的底部视图）。 3.1.3 车轮安装 由于减速箱的输出轴是塑料的，强度有限，且有一定晃动间隙，不利于车轮上的码盘采样，必须设计另一个轮轴支点，以增加车轮的稳定性。另外，还增加了一个侧盖（见上面侧盖图），为轮轴提供了一个支点，由于结构允许，还设

13、计了滚珠槽（注意侧盖中的圆环和轮毂中的圆环），以改善转动性能。 侧盖固定于上、下基架上，等于给上、下基架增加了 4个固定点，使小车更加坚固。 3.1.4 电池选择和安装 本智能小车选择 7#镍氢充电电池，而不选流行的锂充电电池，是由于锂电池规格特殊，很难有标准尺寸，会给使用者带来麻烦，7# 电池短期内还没有淘汰的迹象，所以还是作此选择。 没有像玩具和模型那样，提供做好的电池组，是因为在使用中发现，通常不是电池组内所有电池都同时失效，这样会给用户带来不必要的损失，所以还是用电池盒。 电池安装位置设计在小车底部，降低了重心，使小车更加平稳。 3.1.5 轮系主要构成 基架：作为小车的主结构，实现电

14、机固定、电池盒放置、线路板安装等基础功能。 减速电机：提供小车动力，选用标准设计的减速箱和 130 电机，以保证良好的性价比。 减速机 车轮：为了提供足够的速度，设计了小车结构中允许的最大直径车轮，外径 65mm（按目前所选用的减速电机，最快速度约 65cm/s），同时设计了采样码盘，便于实现速度反馈和行走距离检测。车轮采用橡胶轮胎，并刻有防滑槽，以降低打滑的可能。轮胎宽度 7.5mm，设计成平面以增加摩擦力。 车轮电池盒盖：用于固定电池盒，同时提供小车的 4个支点，以维持小车平衡。 第四章 智能小车的大脑这是学习单片机应用的平台，而单片机的种类众多，除了流行的 8位机：51、AVR、PIC系

15、列，还有日渐被接受的 16位机 MSP430系列，以及最近升势很猛的 ARM CortexM系列，这些单片机各有优势，无法说谁好谁坏，完全取决于学习者的需求和喜好，此外还有越来越接近 MCU的DSP，所以我将这个权力交还给用户。 而且我认为：所谓单片机应用学习，最核心的就是能自己消化一个 MCU，根据控制需求自己分配 MCU 的资源，编写相应的程序，使之能按自己的想法工作。这才是掌握单片机应用的关键！ 4.1 Arduino单片机简介  Arduino单片机，是一块基于开放源代码的USB接口Simple i/o接口板（包括12通道数字GPIO，4通道PWM输出，6

16、-8通道10bit ADC输入通道），并且具有使用类似Java,C语言的IDE集成开发环境。 让您可以快速使用Arduino语言与Flash或Processing等软件，作出互动作品。 Arduino单片机Arduino可以使用开发完成的电子元件例如Switch或sensors或其他控制器、LED、步进马达或其他输出装置。Arduino也可以独立运作成为一个可以跟软件沟通的接口，例如说：flash、processing、Max/MSP、VVVV 或其他互动软件。Arduino开发IDE接口基于开放源代码原，可以让您免费下载使用开发出更多令人惊艳的互动作品。 Arduino单片机特色:1、开放源

17、代码的电路图设计，程序开发接口免费下载，也可依需求自己修改。 2、使用低价格的微处理控制器(ATMEGA8或ATmega128)。可以采用USB接口供电，不需外接电源。也可以使用外部9VDC输入 3、Arduino支持ISP在线烧，可以将新的“bootloader”固件烧入ATmega8或ATmega128芯片。有了bootloader之后，可以通过串口或者USB to Rs232线更新固件。 4、可依据官方提供的Eagle格式PCB和SCH电路图，简化Arduino模组，完成独立运作的微处理控制。可简单地与传感器，各式各样的电子元件连接(EX：红外线,超音波,热敏电阻,光敏电阻,伺服马达,等

18、) 5、支持多种互动程序，如：Flash、Max/Msp、VVVV、PD、C、Processing等 6、应用方面，利用Arduino，突破以往只能使用鼠标，键盘，CCD等输入的装置的互动内容，可以更简单地达成单人或多人游戏互动。4.2 Arduino单片机引脚简介Arduino的优势在于对数字信号的识别和处理，但我们所生活的真实世界并不是数字（digital）化的，简单到只要用0和1就能够表示所有的现象。例如温度这一我们已经司空见惯的概念，它只能在一个范围之内连续变化，而不可能发生像从0到1这样的瞬时跳变，类似这样的物理量被人们称为是模拟（analog）的。Arduino是无法理解这些模拟量的，它们必须在经过模数转换后变成数字量后，才能被Arduino进一步处理。Arduino所采用的ATmega8微处理器一其有6个模数转换器（ADC，Analog to Digita