循迹、避障、寻光小车实验报告

简易智能小车摘要：本系统基于自动控制原理，以MSP430为控制核心，用红外传感器、光敏三极管、霍尔传感器、接近开关之间相互配合，实现了小车的智能化，小车完成了自动寻迹、避障、寻光入库、计时、铁片检测、行程测量的功能。本系统采用液晶LCD12864显示数据，良好的人机交流界面，显示小车行程的时间、铁片中心线离起始线的距离和铁片的个数。整个系统控制灵活，反响灵敏。关键词：MSP430传感器LCD12864目录一、方案论证与比拟31、题目任务要求及相关指标的分析32、方案的比拟与选择3〔1〕控制单元的选择3〔2〕直流电机驱动电路的选择3〔3〕轨迹探测模块选择3〔4〕金属片的探测3〔5〕路程测量方案的选择4〔6〕避障方案的选择4〔7〕小车寻光方案的选择4〔8〕电源的选择4〔9〕刹车机构功能方案比拟5二、系统总体设计方案及实现方框图51、系统总体设计方案52、系统实现框图5三、理论分析与计算51、铁片中心线距离的测量52、小车行程时间的测量5四、主要功能电路设计61、小车循迹模块62、小车检测铁片模块63、小车测距模块64、小车避障模块65、小车寻光模块66、直流电机驱动模块7五、系统软件的设计8六、测试量数据与分析81、测量数据82、数据分析8参考文献8方案论证与比拟1.题目任务要求及相关指标的分析题目要求小车按照规定的跑道行驶，同时检测在跑道下的铁片，在检测到最后一块铁片时小车会有连续的声光显示；后又可以准确的避开障碍，而且不与障碍物接触；最后，在光源的引导下，进入车库。智能小车有显示功能，可以显示检测到铁片的数量，金属片距起点的距离，行驶的总时间。整个行驶过程中的总时间不大于90秒，小车在行驶90秒后会自动停车。2.方案的比拟与选择〔1〕控制单元的选择方案一：利用单片机与FPGA配合使用。基于FPGAI/O口数量多以及运算速度快的特点，对各种传感器得到的信号进展处理，将处理结果交予单片机，从而由单片机控制小车的行驶。 方案二：利用TI的单片机MSP430，该芯片集成了模拟电路、数字电路、微处理器，具有AD采样、比拟器、产生PWM控制信号，掉电可以继续复位工作等功能。此外，MSP430有众多的I/O口，可以很好的实现对小车的控制。由于FPGA太大，不宜装在小车上，并且FPGA不好供电。题目对小车的实时性要求不是很高，所以我们所需要的控制单元不必要具备很高的运算速度，故两种方案都可以很好的实现题目的要求。出于对本钱和功耗的考虑，我们采用方案二。〔2〕直流电机驱动电路的选择方案一：采用H型桥式驱动电路。直流电机驱动使用最广泛的是H型桥式驱动电路，这种电机可以很方便的实现直流电机的四象限运行，分别对应正转、正转制动、反转、反转制动。但是使用时需要注意直通短路，这给电路带来了不稳定因素。方案二：利用驱动专用芯片L298。L298是集成的桥式驱动电路，最大驱动电流可到达4A。该芯片使用时外围电路简单，控制方法十分方便。而且其驱动效果良好。经过比拟，一块L298可以驱动两个电机，大大简化了驱动电路，所以我们采用方案二。〔3〕轨迹探测模块选择方案一：采用红外对管检测。一般自然光线中红外线频段能量较弱，而且红外线波长较长，近距离衰减小，这样在一定程度上能防止外界光源干扰，可以更为可靠的探测近距离的黑线。 方案二：采用光敏电阻检测。光敏电阻对光强敏感，当光强时其电阻较小。黑线和白纸对光的反射能力不同，所以可以利用这一性质，判断黑线的位置。在车下面，光强较弱，会在一定程度上影响光敏电阻的功能，并且还有钨丝灯对光敏电阻的影响，不同的地方光强不一样。另外，光敏电阻对光强有一定的反响时间，实时性不如红外对管，难以到达小车循迹的要求，所以我们选择方案一。〔4〕金属片的探测 方案一：采用分立的霍尔元件。霍尔元件在接近金属时，由于其电磁效应，会产生脉冲信号。然而，它产生的脉冲信号不是十分稳定，不便于信号的处理。 方案二：采用工业用的集成金属检测元件——接近开关。当其接近金属片时可以产生很稳定的脉冲信号。 当检测到金属的时候输出为低电平，没有检测到金属的时候为高电平。变化非常灵敏，接近开关完全能满足要求，最后我们采用方案二。〔5〕路程测量方案的选择 方案一：采用红外发射—接收对管。在车轮涂有黑白两种颜色，红外发射—接收对管对准不同的颜色时会得到上下不同的脉冲电平，进而得到车轮所转圈数。电动车在行驶过程中车轮所转的圈数，再乘以车轮的周长便可得到小车行驶的路程。方案二：采用霍尔传感器。霍尔传感器由霍尔开关、磁铁组成。其工作原理是将霍尔开关和磁铁分别安装在车架、车轮的适当位置。辆行驶时，在磁铁的作用下，霍尔开关产生开关信号，累计开关信号的总数，再乘上车轮的周长，便可计算出车辆行驶的距离。方案三：采用接近开关。在车轮上安装铁片。当其接近金属片时可以产生很稳定的脉冲信号。当检测到金属的时候输出为低电平，没有检测到金属的时候为高电平。累计脉冲信号的总数，再乘上车轮的周长，便可计算出车辆行驶的距离。考虑到安装传感器的部位在车轮处，此处较弱的光强会影响对管的工作，使得方案一在测量时会受到较大的影响。由于接近开关过大，不好装在车轮上，固方案三不可取。而霍尔传感器受到的影响这较小，故方案二可以实现较准确的测量。所以我们选择方案二。〔6〕避障方案的选择 方案一：采用超声波探测。超声波频率高、波长短、定向性好、能量集中，适合于距离测量，且不易受光线干扰。利用超声探头，可以确定前方是否有障碍物以及障碍物和小车的距离，将数据送与430处理，可以确定小车避障的具体路线，但其电路比拟复杂。 方案二：采用反射式红外探测。其测量的距离为15~20cm，完全可以满足要求。方案二电路简单，程序也简单，所以我们采用方案二。〔7〕小车寻光方案的选择方案一：采用被动式红外探测器。被动式红外探测器部有接收红外光的光敏三极管，可以接收障碍物等其他物体发射的红外光。这种检测方法利用日光灯发热产生的较强的红外光来检测光源，在能检测到和不能检测到光源的临界点，光敏三极管的射极输出电压有一个较大的跃变，便于后级处理。 方案二：采用光敏三极管。光敏三极管的阻值可以随着光强的变化而变化。因此，可以将其与一定值电阻串联分压，利用430带有的AD转换功能，通过比拟光敏三极管上电压大小，比拟出哪边的光强较强。方案三：采用光敏电阻，其方法和光敏三极管一样。 被动式红外探测器在变化的光源下输出的是一个跃变，故只有两种状态，不适合小车的寻光。然而，光敏三极管可以连续的变化，可以比拟三个及三个以上方向的光强大小，更适宜小车的寻光。于是我们选择方案二。〔8〕电源的选择 方案一：采用单电源供电。此方案供电方式简单，电路很容易实现。但是直流电机需要很大的电流驱动，会造成电源电压的不稳定，且会产生毛刺，严重时可能会使430掉电。 方案二：采用双电源供电。给直流电机单独用一个电源供电。这样可以有效的防止直流电机对其他电路的干扰。 综上述：我们采用方案二。〔9〕刹车机构功能方案比拟方案一、自然减速式。当系统发出停顿信号时停顿给驱动电机供电，小车在无动力状态因阻力而自然变为静止。由于惯性，小车全速行驶时需1.8秒后才能停顿，因车轮滑行造成的误差较大。无法实现准确制动的目标。方案二、反转式。当小车需要停车时给驱动电机以反转信号，利用轮胎与跑道的摩擦力抵消惯性效应。由于车速是渐减的，反向驱动信号长度也要渐减，否则小车可能反向行驶。使用此方案后全速刹车反响时间减少为0.5s。经过反复测试和讨论，我们采用方案二。二、系统总体设计方案及实现方框图1、系统总体设计方案本系统以MSP430为控制核心，对各个传感器所得到的数据进展处理。用红外对管检测黑线和白纸，接近开关检测铁片，红外避障，光敏三极管检测光源的方向，霍尔元件测量小车的行驶距离；再由MSP430控制小车的行驶方向、声光警报、LCD显示。当小车完成所有运动之后显示小车行程的时间、铁片中心线离起始线的距离和铁片的个数。2、系统实现框图图〔1〕系统总框图三、理论分析与计算1、铁片中心线距离的测量 我们在车轮上装了八个磁片，小车的行程即为小车轮子所转过的长度，通过霍尔传感器可以记得小车所转过的圈数N，再测得小车轮子周长L。当接近开关进入铁片的时候，测量出铁片一端距离起始线的距离*=L*N1/8，当接近开关出铁片的时候，测量出铁片另一端距离起始线的距离Y=L*N2/8。所以得到铁片中心线到起始线的距离为S=(*+Y)/2。两次测量铁片测量的方法都是一样的。2、小车行程时间的测量在主程序之前加一个延时，小车调整好之后才开场起步，当电机启动的时候开启计时器，当寻光停顿的时候关闭计时器，MSP430再将行程的时间送到液晶显示出来，这样得到的时间比拟准确。四、主要功能电路设计小车循迹模块我们采用红外对管是ST188为了提高可以提高红外二极管的发射功率，它与电源之间应串联一个小电阻。晶体三极管导通时集电结和发射结之间有一定的直流电阻，为了使三极管导通时，输出的电压尽量的小，应选择尽量大的集电极电阻。输出的电压再经过LM311比拟器，当红外对管检测到黑线时，黑线将图〔2〕st188电路图红外线的大局部吸收，红外二极管不导通，光敏三极管处于截止状态，输出口输出一个较高电压。当红外对管检测到白纸时，光敏三极管将导通，输出口将输出一个较低的电压。小车检测铁片模块接近开关属于集成金属检测元件。它的外部引出了蓝、黑、棕三个颜色的线。其外部电路如图〔3〕所示。当检测到金属时，输出端输出低电平。将输出接到430的外部中断口,当检测到铁片时将产生中断，从而可实现对铁片的探测和计数。图〔3〕接近开关电路图小车测距模块本系统采用霍尔传感器测距，在车轮和车轴上分别安装八个磁铁和一片霍尔片，八个磁片对称放置，通过计量输出脉冲数来测量行程。如图〔4〕所示，由于霍尔开关的霍尔效应当其接近磁片时输出低电平，在其没有检测到金属时输出高电平。由于小车的钱轮是导向轮，转弯的时候会检测不到，所以我们在安装霍尔传感器时将其装在后轮。图〔4〕霍尔传感器电路图小车避障模块我们采用的是用红外检测障碍物避障，在车头的最右边和车的右侧面分别装一个红外装置1和红外装置2〔如图〔2〕〕，遇到障碍物时有电平变化。由于小车转弯不够灵活，当车前面的红外检测到有障碍物的时候，小车后退一段距离，再向左前进，然后向右转一角度，摆正车身，使小车向左移动一个车身，移动的距离不能太大，不能太小，太大会碰到障碍物2，并且不能触发右边的红外进展中断，太小的话，消耗的时间太多。当小车避过第一个障碍物，侧面的红外会检测到有障碍物，于是就开启寻光。由于钨丝灯发出的光线中含有红外光，对红外模块1影响太大了，所以我们采用了集成红外模块取代红外模块1，而钨丝灯对红外模块2没有多大的影响，所以红外模块2用分立元件。小车寻光模块利用MSP430部自带的十二位的AD，转换光敏三极管上的分压，经过比拟即可判断该方向上光强的大小。由于部AD参考电压为2.5V，所以利用两个一样的电阻串联分压得到2.5V，再用光敏三极管和一定值电阻分压。光敏三极管阻值较大，所以用作产生2.5V基准的电阻应当较小。如图〔6〕所示，三极管2和3所分得得电压进展比拟，三极管1和4所分得得电压进展比拟，从而来调整角度。小车主要是靠2和3进展控制方向，当车身角度过大的时候靠1和4控制方向。当2和3的数值都到达最大的时候就停顿运动，从而准确入库。图〔6〕图〔5〕直流电机驱动模块利用MSP430的I/O口产生PWM控制信号，由于430的输出电流有限，不能驱动直流电机，所以需要对PWM控制信号进展功率放大。采用电机驱动专用芯片L298。430的四个控制口与L298四个输入口相连，L298的四个输出口分别控制小车的前轮电机和后轮电机，从而控制前进、后退、左转、右转、停顿。图〔7〕五、系统软件的设计图〔8〕程序流程图六、测试量数据与分析1、测量数据测量序号12