多功能智能小车（共11篇）
多功能智能小车 篇1
随着计算机、微电子、信息技术的快速发展,智能化技术的开发速度越来越快,智能度越来越高,应用范围也得到了极大的扩展。智能小车作为移动式机器人中的一个重要分支,具有环境感知、规划决策、自动行驶等功能,是智能化技术中一个典型的例子[1]。设计者可以通过软件编程,让小车在预先设定的模式中实现行进、寻迹、避障等精确控制,无需人工干预,当有特殊需要或在出现故障的情况下还可以对小车进行远程遥控,可以应用于科学勘探等用途,具有广阔的发展前景。
1 系统总体设计框图
本设计中,智能小车是由主控制模块、电机驱动模块、循迹模块、避障模块、遥控模块、声控模块、光控模块、电源模块和其他外围电路组成,其总体硬件结构框图如图1所示。
2 系统硬件设计
2.1 主控制及电源模块
智能小车采用现在较为流行的8位单片机作为系统大脑。以8051系列家族中的AT89S52为主芯片。40脚的DIP封装使它拥有32个完全IO(GPIO—通用输入输出)端口,通过对这些端口加以信号输入电路,控制电路,执行电路共同完成智能小车的功能。电源模块用4节1.5 V的电池供电,经L7805稳压模块后,输出电压稳定在+5 V,从而向各个模块供电。
2.2 电机驱动模块
智能小车采用前轮驱动,左右前轮各用一个直流电机驱动。电机驱动芯片采用LG9110,该芯片两个输出端能直接驱动电机的正反向运动, 具有较大的电流驱动能力。单片机的P0.0,P0.1,P0.2,P0.3 分别连接到LG9110的两个输入端,用以驱动电机M1 和电机M2,如图2所示。不同的输入信号控制电机的正转与反转,以完成机器人的前进,后退,左转,右转,遇障碍物绕行等基本动作。两个电机同时正转时,小车前进;两个电机同时反转时,小车后退;左侧电机不转,右侧电机正转,小车左转;左侧电机正转,右侧电机不转,小车右转。这些基本动作正确,实现简单。
2.3 寻迹模块
寻迹在这里是指沿黑线行走,它靠小车前端底部的两对红外发射和接收探头来完成[2]。如图3所示,V6、V5为小车左侧的红外发射与接收管,V3、V4为小车右侧的红外发射与接收管。发射管发出红外线,当碰到黑色或不反光的物体时,红外反射量大量减少,若碰到白色或反光的物体时,红外反射量则较多,红外接收管将接收的反射光转化成电压值,由P3.5,P3.6送回到单片机,经过处理后控制信号由P0.0,P0.1,P0.2,P0.3口输出给电机驱动电路的LG9110芯片,从而达到驱动小车行走和循迹的目的。循迹时,由于红外线在白色地板和黑线上的反射系数不同,所以可以根据三极管接收红外线的强弱来决定小车的走向。当左右接收管都能接收到反射回来的红外线,则小车直线前进;当左边接收管接收不到反射回来的红外线,右边接收管能接收到时,说明小车向右偏离黑色轨道,则小车向左转动;同理右边接收管接收不到反射回来的红外线,左边接收管能接收到时,说明小车向左偏离黑色轨道,则小车向右转动,从而实现自动循迹[3]。本设计中红外传感器离地面垂直距离为1~1.5 cm,能在没有强烈日光干扰或在有日光灯的房间里,完全能满足探测要求,具有很好的可靠性与抗干扰能力。
2.4 避障模块
小车在运行中如果前方有障碍物,小车则开始向后后退一段时间后,向左运动,在向左运行一段时间后,再开始向前运行。在整个调向的过程中,蜂鸣器响动。这个就是避障功能。该功能是由安装在小车前方的一对红外发射管实现,原理与寻迹模块相同。
2.5 遥控模块
遥控模块由红外发射与接收两部分组成。红外发射采用常用的TC9012集成芯片,将某个按键所对应的控制指令和系统码(由0和1组成的序列),调制在38 kHz载波上,然后经放大、驱动,红外发射管将信号发射出去[4]。接收部分采用红外一体化接收头,当接收到38 kHz红外信号后就输出低电平,没有接收到就输出高电平,电平信号由单片机的外部中断来接收。信号的下降沿触发外部中断。为了识别一个完整的键信号, 必须对每一个编码脉冲的宽度进行测量,利用单片机中的定时器/计数器来测量脉冲宽度,以判别接收到的脉冲是0还是1。通过遥控模块,可将按键值显示在数码管上,并控制小车的行进方式。
2.6 声光控模块
该小车具有简单的声控功能,P0.4为机器人的声控检测端口,在运行为前进状态时,可以通过声控来控制它的运行与停止。声音的输入是通过话筒,由话筒对声音信号进行识别,如图4所示。由于电路能有效去除杂波,所以仅能对响度较大的声音进行识别(如拍手声)。像正常的说话声对本电路滤除,不会产生信息的输入。同时该小车还具有光控功能,如图5所示。当为白天或黑夜时可以通过P0.5端口中的光敏电阻来进行判断,以方便完成机器人夜间自动照明等功能。当光线较暗时,由P0.6端口输出信号控制蜂鸣器发声。
2.7 通信模块
通信模块是采用AT89S51自带的全双工串行通信口P3.0和P3.1来实现。可用电脑通过串口向小车发送数据,数据在数码管上显示,并且小车根据数据执行相应的动作,如前进、左转、右转、后退等。通信波特率为9 600,数据为8位,无校验位。
3 系统软件设计
该智能小车的软件控制部分采用C 语言编程,借助C 语言的强大功能来实现单片机AT89S52 的控制功能。小车各个模块都可以编写相应的程序,也可以将这些分立的程序模块(一般寻迹模块除外)组合起来,完成强大的功能[5]。主流程图如图6所示。
4 结论
本文提出了一种基于AT89S52单片机为控制核心的多功能智能小车的设计方案,该方案以红外传感器作为路径信息采集手段,以LG9110芯片来控制并驱动电机运行,实现小车在固定轨迹上自动循迹、避障。同时还具有声光控功能,能根据外界声音、光线来控制小车的动作。整个设计功能丰富,电路简单,成本低且易于实现,具有很强的操作性。
参考文献
[1]谭勇宏,张辉.智能寻迹小车的研究与设计[J].微计算机信息,2008,24(3):310-312.
[2]高月华.基于红外光电传感器的智能车自动循迹系统设计[J].光电技术应用,2009(11):134-137.
[3]曹建树,曾林春,王金涛,等.基于单片机控制的智能寻迹小车[J].微计算机信息,2008(35):110-111,122.
[4]赵振德.多功能遥控智能小车的制作[J].电子制作,2011(4):12-16.
[5]宁慧英.基于光电传感器的智能小车自动寻迹控制系统[J].仪表技术与传感器,2012(1):108-110.
多功能智能小车 篇2
摘要:本系统以AVR单片机MEGAl6为核心器件，实现对驱动电路的控制，使电动小车自动行驶。利用电磁原理，在车模前上方水平方向固定两个相距为L的电感，通过比较两个电感中产生的感应电动势大小即可判断小车相对于导线的位置，进而做出调整，引导小车大致循线行驶。用PWM技术控制小车的直流电动机转动，完成小车位置、速度、时间等的控制。利用干簧管来检测跑道的起始和终点位置从而完成小车的起步及停车。
系统总体设计：
AVR单片机MEGAl6（该芯片能够不需要外围晶振和复位电路而独立工作，非常适合智能寻迹车模的要求。）为核心，由单片机模块、路径识别模块、直流电机驱动模块、舵机驱动模块等组成，如下图所示。基于电磁感应的智能寻迹车模系统以
直流电动机为车辆的驱动装置，转向电动机用于控制车辆行驶方向。智能寻迹车模利用电磁感应在跑道上自主寻迹前进，转向。
单片机模块(控制模块)：
寻迹车模采用AVR内核的ATMEGAl6。该芯片能够不需要外围晶振和复位电路而独立工作，非常适合智能寻迹车模的要求。
路径识别模块：
本方案就是在车模前上方水平方向固定两个相距为L的电感。左边的线圈的坐标为（x,h,z），右边的线圈的位置(x-L,h,z)。由于磁场分布是以z轴为中心的同心圆，所以在计算磁场强度的时候我们仅仅考虑坐标(x,y)。由于线圈的轴线是水平的，所以感应电动势反映了磁场的水平分量。计算感应电动势：
图 1 线圈中感应电动势与它距导线水平位置x 的函数
如果只使用一个线圈，感应电动势E 是位置x 的偶函数，只能够反映到水平位置的绝对值x 的大小，无法分辨左右。为此，我们可以使用相距长度为L 的两个感应线圈，计算两个线圈感应电动势的差值：
对于直导线，当装有小车的中轴线对称的两个线圈的小车沿其直线行驶，即两个线圈的位置关于导线对称时，则两个线圈中感应出来的电动势大小应相同、且方向亦相同。若小车偏离直导线，即两个线圈关于导线不对称时，则通过两个线圈的磁通量是不一样的。这时，距离导线较近的线圈中感应出的电动势应大于距离导线较远的那个线圈中的。根据这两个不对称的信号的差值，即可调整小车的方向，引导其沿直线行驶。
对于弧形导线，即路径的转弯处，由于弧线两侧的磁力线密度不同，则当载有线圈的小车行驶至此处时，两边的线圈感应出的电动势是不同的。具体的就是，弧线内侧线圈的感应电动势大于弧线外侧线圈的，据此信号可以引导小车拐弯。
另外，当小车驶离导线偏远致使两个线圈处于导线的一侧时，两个线圈中感应电动势也是不平衡的。距离导线较近的线圈中感应出的电动势大于距离导线较远的线圈。由此，可以引导小车重新回到导线上。
由于磁感线的闭合性和方向性，通过两线圈的磁通量的变化方向具有一致性，即产生的感应电动势方向相同，所以由以上分析，比较两个线圈中产生的感应电动势大小即可判断小车相对于导线的位置，进而做出调整，引导小车大致循线行驶。
驱动模块：
简易智能小车有两个电动机。其中一个小电动机控制前轮转向，给电动机加正反向电压，实现前轮的左右转向；另一电动机控制后轮驱动力。控制转向电动机需要较小的驱动力，经过实验，选L293作为驱动芯片；由于后轮驱动功率较大，所以选用L298N，经过实验发现小车行使过程中负载较大，导致L298N发热较大，故给芯片添加散热片以保护芯片正常工作。为了优化控制性能，采用PWM脉宽调速，并利用数模转换芯片产生 模拟电压，控制555生成占空比可调的脉冲从而控制L293B与L298N进行脉宽调速。
具体设计方案：
本设计使用一普通玩具小车作为车模，采用P W M 信号驱动，当PWM信号脉宽处于(1ms,1.5ms)区间时舵机控制小车向左行驶，脉宽处于(1.5ms,2ms)时小车向右行驶，脉宽约为1.5ms时小车沿直线行驶。本方案使用两个10mH的电感置于车模头部作为确定小车位置的传感器。然后，设计了一个模拟电路，采集、调理、放大由电感得到的电动势信号。具体电路如图2所示。
该电路采用电压并联负反馈电路，电感信号从PL进入。考虑到单独电感感应出的电动势很小，本设计使用电感和电容谐振放大感应电动势。由于使用的是10mH的电感，导线中电流频率为20kHz，因此使用6.3nF的电容。这样在电容上得到的电压将会比较大，便于三极管进行放大。整个电路的具体放大倍数需要根据实际负载进行计算。本设计的小车控制电路如图3所示。
首先，把由两个电感得到的感应电动势经调理、放大后得到的电压输出u1和u2送入由运放组成的减法器中进行减法运算，然后再经由运放组成的电压跟随器送给下一级电路。经过分析，这一级电路的输出大致可由下式进行计算：
后一级电路由两个555定时器组成，其中下方的555构成一个占空比非常接近于1的脉冲发生器，作为上方555的触发脉冲。因为此触发脉冲的低电平信号非常窄，所以能很好的保证上方555构成的单稳态电路正常运行。该脉冲信号频率为：
上方的555定时器构成一个单稳型压控振荡器，它的脉宽受输入V1的控制，输出即PWM信号。当V1较大时，即两个电感线圈中的感应电动势相差较大时，亦即小车偏离导线向左行驶时，则脉宽较大，舵机将控制小车向右行驶；当V1适中时，接近，即小车沿导线行驶时，则脉宽接近1.5ms，小车按直线行驶；当V1较小时，即小车偏离导线向右行驶时，则脉宽较小，舵机将控制小车向左行驶。从而，控制小车大致循着导线行驶。另外，改变构成减法器的电阻的值，可以调整小车反应的灵敏度，进而防止出现小车以导线为中轴线左右摇摆的现象。
补充说明：跑道上的起始位置及终点位置用干簧管来检测。
变电站多功能清洁小车的研发 篇3
关键词：清洁小车；多功能；高效率
中图分类号：TD611.2 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）33-0016-02
1 概 述
目前，变电站所有清扫项目基本采用人工手动清扫方式，在清扫过程中需要用到各种各样的手工具，包括毛刷、吸尘器等等。为了适应清扫部位的特殊性，我们需要有合适的工具进行清扫，而在工作过程中，是否能够第一时间得到需要的工具，对提高清扫的效率至关重要。所以，如何对清扫工具进行统一管理，并在工作现场随手可得是运行人员必须解决的问题。
2 研发的背景
2.1 工作出发
在变电站日常运行维护过程中，我们每个季度都会对站内所有端子箱、汇控柜等等二次设备进行清扫，防止设备积尘后影响运行。同时，我们也会不定时地组织运行人员对站内高压区、继保室等地点进行清洁，主要是防止大型漂浮物威胁一次设备运行以及其他垃圾进入电缆沟、排水沟。
2.2 发现问题
每一次进行全站的二次设备清扫工作，都要耗费较长时间，并且在准备工具时，发现部分需要的工具难以找到，这也对清扫工作造成较大的影响。经过仔细的观察和分析，发现耗时长的主要原因是运行人员进行清扫时，只携带较为简单的工具（如毛巾、毛刷）即进入工作现场，在遇到清扫部位比较特殊，常规毛刷无法较好进行清扫，这样都造成工作效率低、耗时长、质量不佳。而在准备清扫工具时发现部分工具无法到位的原因主要是没有统一的管理，大部分变电站对清扫工具在数量、质量上都没有进行管理，所以经常出现在需要用到时，工具没法到位。
2.3 产生想法
经过详细地分析后，我们最终确定出现以上问题的根本原因是缺乏对清扫工具的统一管理和现场到位。对于统一管理问题，我们考虑以工具定置的方式解决；对于现场到位问题，我们考虑采用小型运输工具，使每次清扫工作能够尽可能多带各种不同的工具。最后，将定置及小型运输工具结合起来，我们得到了研制清洁小车的想法。将所需清扫工具定置在清洁小车上，当进行清扫工作时，只要将清洁小车推至工作地点，就可以解决工具到位问题，而统一管理问题，只需要检查清洁小车上工具是否到齐即可。
3 研发的过程
3.1 清洁小车研发
在成立了清洁小车研发小组后，小组成员采用头脑风暴法，将变电站二次设备清扫所需的所有工具罗列出来，包括：毛刷、绝缘手套、毛巾、吸尘器、手电筒、对讲机等等。随后我们选购了改装条件较好的手推车进行改装，包括加装有机玻璃防尘盒用于存放毛巾、手套、对讲机等工具，在制作过程中我们发现，吸尘器外观是不规则型，无法定置，需要将其底座一并定置，但是底座太轻导致吸尘器在遇到轻微的摇晃变会倾倒，于是我们采用焊接的方法在清洁小车底部加装固定支架，除此之外，原装清洁车的轮胎尺寸太小，遇到不平坦道路时颠簸严重，为此我们采用加大清洁车轮胎尺寸以适应工作场所复杂环境，最后将其他工具根据各种特点进行定置，结果如图1所示。
如上图所示：①吸尘器、②多功能工具箱、③绝缘手套及纯棉手套、④清洁毛巾、⑤纯棉口罩、⑥不同尺寸毛刷、⑦显示作业指导书的平板电脑、⑧对讲机及功能室钥匙
3.2 发现不足
初步制成变电站清洁小车后，我们随即进行效果测试，发现进行一次全站二次设备清扫的工作，耗费时间不足以往作业时间的一半，而且质量更佳，工作过程更轻松。但是随后我们发现，清洁小车虽然在进行二次设备清扫时大展身手，在进行站内高压区、继保室的清洁时，清洁小车却根本无法派上用场，这让我们看到了清洁小车功能的局限性。
3.3 改进清洁小车
由于考虑清洁小车还有很多空间，所以我们决定将清洁小车的功能扩大，在高压区，我们将面临大风天气站外飞进的漂浮物、外来施工单位进站工作后遗留物品、小动物尸体等等需要处理，于是我们选用了钳夹、扫把、簸箕、收纳袋等工具，并加装到清洁小车上。
4 变电站多功能清洁小车研发完成
在进行了第二次改装之后，变电站多功能清洁小车研发完成，如图2所示。
如上图所示，在图3-1的基础上增加：①收纳袋、②扫把及簸箕、③钳夹。
5 应用效果检验及前景说明
将改进后的变电站多功能清洁小车进行测试，发现对于站内所有的清洁任务，多功能清洁小车都能很好胜任，大大地提高了工作效率和质量，由于多功能清洁小车投资较小，制作起来比较简单，具有较强的实用性和推广性，特别是对于无人值班变电站的清洁，巡维中心运行人员到其管辖下的无人值班变电站进行清洁工作，只需要在无人值班变电站配置一台多功能清洁小车，到站后推出小车即可进行工作，大大减少工作时间。多功能清洁小车使用时照片，如图3所示。
6 下一步的改进计划
目前，变电站多功能清洁小车已经可以投入使用，但是为了适应更加复杂的工作场所，我们接下来打算对该小车继续改装。改装一：考虑到在户外进行作业时，由于清洁小车的轮子是活动的，在遇到大风或者人为不小心触碰的时候可能会移动，所以我们将为清洁小车加装轮锁，在必要的时候可以限制其移动。改装二：在清扫作业过程中，在毛刷的作用下，部分粉尘飘散在箱体内部，即使使用吸尘器也无济于事，所以我们将为清洁小车配置鼓风机，可以将粉尘轻松吹出箱体。除此之外，我们还考虑在清洁小车上配置一个电池以供用电设备使用。
7 结 语
以上是对变电站多功能清洁小车的研发背景、过程、改进、效果检验、改进计划等进行介绍。在变电站日常维护工作中，无论是二次设备清扫也好还是场地清理也好，均对运行有着至关重要的作用。如何去提高清理工作的效率是过去、现在乃至将来不会改变的话题，变电站多功能清洁小车适用于目前变电站的各项清理工作，但是我们将不断改进、完善，争取将其功能再扩大，作用再加强。
参考文献：
智能小车 篇4
本次设计的主要任务是设计并制作一辆智能小车, 要求实现小车的循线行走、自动停止、自动平衡三大功能。起始状态如图1所示, 平衡状态如图2所示。
二、工作原理
整个小车系统分为如图3所示的几个基本模块。其中, 寻迹模块采用反式光电二极管。红外发射管发出红外线, 当发出的红外线照射到白色的平面后反射, 若红外接收管接收到反射回的光线则为白线, 输出高电平;若红外接收管没收到反射光线则为黑线, 输出低电平。电机驱动部分采用电机专用驱动芯片LM298。寻找平衡点模块采用角度传感器。其中寻迹电路用的是单片机PC口的PC0、PC1, 显示电路用的是单片机的PB口, 电机驱动用的是PA口低四位及定时器T1的PWM模块, 测速部分用的是单片机的T1的输入捕捉功能, 平衡位置检测用的是单片机的AD部分的AD7。内部资源还用到了定时器T2用于记录小车运行时间。电原理图见图4所示。
模块电路分析:
1.电机驱动电路
采用L298N驱动输出为M1, M2, M3, M4 (这里只画了前两路) 从单片机来的输入信号为IN1, IN2, IN3, IN4。 (见图5)
2. 循线模块
采用红外探测法来实现循线的功能, 因此选用了型号为TCRT5000的红外反射式光耦, 应用电路如图6所示。
在实际中可以调整R9的大小来调整TCRT5000的检测黑白的平衡点。安装位置示意图如图7所示。
本设计的小车对车速要求不高, 所以就只用了两个传感器。
电路安装问题, 本作品使用通用板, 裁剪成预想的形状, 然后焊接、调试。
3. 电源模块
因单片机及传感器需要的电压为+5V, 而电池组供电电压为+7.2V, 通过二极管电阻、降压和5V稳压二极管获得。
三、系统仿真
对所设计好的系统进行仿真调试。通过调试可以检查出系统出现的一些错误, 从而进行下一步的修改。
1. 检测起始线小车前进的仿真
当两个红外传感器用开关代替, 当第一次同时检测到黑线时, 即可判断检测到了起始线, 两电机同时以相同的速度转动, 小车即直线前进。如图8所示。
2. 平衡位置小车停止的仿真
用电位器代替角度传感器, 调整到中心点如图9所示。
3. 检测终止线小车停止的仿真
当两个红外传感器第二次同时检测到黑线时, 即可判断检测到了终止线, 两电机同时以相同的速度减速至停止。
四、程序设计
主程序的作用是把小车的各个功能连接起来, 以实现小车预期的功能。图10为小车主程序的流程图。
1. 寻迹模块程序设计
寻迹程序是在程序开始时调用的, 需要实现循线的功能, 同时还要留下返回接口, 便于程序的返回。图11为寻迹程序的流程图。
流程描述:在循线的时候关闭显示器器以避免干扰, 然后初始化循线用到的端口, 再检测循线传感器是否有信号输入, 如果有了就跳出循环, 用PWM调速的方式给驱动轮一个信号, 接下来就是判断两个传感器的状态, 根据它们的状态执行小车方向的修正, 同时检测终止线是否到达, 到达则停车并退出循环, 打开显示器, 返回主程序。
2. 防脉冲干扰平均值滤波子程序设计
防脉冲干扰平均值滤波是连续进行N次采样, 去掉其中最大值和最小值, 然后求剩下的N-2个数据的平均值, 作为本次采样的有效值 (图12) 。该方法适用于变量跳变比较严重的场合, 这种滤波也应用边采样边计算的方法。
3. LCD1602显示子程序设计
LCD1602显示子程序设计见图13。
多功能智能小车 篇5
关健词：科技创新训练；智能小车；Proe建模；教学效果
一、科技创新训练选修课目前教学方法存在的问题
1.传统的教学方法影响课堂教学效果
科技创新训练智能小车的设计与制作，是机电综合的一个训练项目。小车机械主体结构有车体、前轮转向机构（四杆机构）、后轮驱动机构、齿轮机构（差速器）等机构和传动系统，以及轴承、轴、弹簧、卡簧、车轮等标准件和通用零部件。在项目设计与制作中要研究相应机构和机械零件的工作原理、结构特点、基本设计原理和计算方法。课前学生往往对机械设计、机械设备、机械加工等相关知识知之甚少，甚至不知，尤其是对四杆机构和差速器部分既没有理性认识也没有感性认识。
以前的教学方法是采用成品小车模型和PPT讲解，PPT也只是cad二维图和图片展示，缺乏直观性。教师无法在课堂上进行演示，也不能随意进行反转、拆卸、让学生观察内部结构及装配关系，更不能充分展示动态变化过程。这样，给上课带来诸多不便，直接影响教学效果。
2.学生的学习兴趣不高
科技创新智能小车设计与制作机械知识内容较多，而大二的学生刚接触机械专业知识，有的经过了金工实习训练，有的还没有经过这一过程，因此，对于这些学生既缺少理论知识又缺乏实践经验，对实际制作中的一些零件及机构都很陌生，训练中学生对部分较难的内容不能很好理解，难以掌握。对于大一的学生来说，就更是难上加难了，学生们对这些机构、零件有些连听说都没有听说过。因而有的学生学习积极性受到挫伤，感觉到很难完成，有的甚至放弃。
二、proe辅助教学的重要性
为了克服以往教学中的不足，提高教学效果，教学部组织教师多次在学生中进行了调查，结果显示学生对一些机械工艺基础知识只是简单的记忆，没有真正理解，比如平面四杆机构，由于学生空间想象能力不足和缺乏工程实践经验，面对二维的图纸学生无法想象出各种机构的运行方式，似懂非懂，遇到具体问题不会分析，还有的同学甚至不明白齿轮是如何传动的。为此，我们结合学校教学改革立项，从教学方法、教学手段方面进行了探索，提出了应用proe软件进行机构仿真辅助教学。我们将智能小车的机构、零件用proe软件做成模型并进行仿真。
这种教学方法具有很大的优点。首先，教师在proe环境中可以随意装拆、放大，有利于加深学生对小车整体空间结构及组成的理解，同时可根据实际情况随意旋转、改变对模型的观察方向，其真实感完全与成品中的零件一样，最为重要的是proe软件能进行机构仿真，可以把各种复杂的机构通过形象、生动、逼真的动画演示，以三维的形式直接展示给学生，克服了采用PPT教学中平面图形的不足，从而使学生建立起良好的感性认识。
其次，proe设计过程可以实现真正的相关比，任何修改都会自动反映到所有的相关对象；比如在讲四连杆机构时，利用模型仿真不仅可以验证所设计的机构是否满足要求，同时还可以改变相应的参数改变不同长度的连杆进行装配，来观察克服摇杆死点问题，让学生参與设计并对设计结果进行现场演示加以验证，改变了以往单纯的教学方式，在课堂上真正实现教学的互动，既激发了学生的学习兴趣又加深了印象。基于proe软件的辅助教学，通过模拟、仿真、动画技术的应用，不仅可以使一些在普通条件下无法实现或无法观察的过程生动地显示出来，还能增强学生对抽象事物的理解，拓宽学生的知识面，同时也使教学过程更为生动，课堂气氛活跃，从而提高学生的学习兴趣。
三、教学实践经验与启示
针对proe软件的辅助教学方法，我们在2010-2011第二学期科技创新训练选修课教学实践中进行了尝试和验证，并得到了一些经验和启示:
1.教学方法与手段改革是提高教学质量的关键，通过现代化技术手段的应用，可以提高课堂的信息量和教学效率，应用Proe软件进行机构虚拟装配和运动仿真演示，提高了教学的直观性，有利于在教学中采用启发式教学发挥学生在教学中的主体作用，智能小车成品完成率较高。
2.学生对机械设计与机械加工的过程有了更完整更全面的了解，同时把学到的知识与生产实际结合起来，大大激发了学生的求知欲，从成品完成质量上看，达到了预期的教学目的和教学效果。
3.基于Proe软件辅助教学方法有别与以往的教学方法，在科技创新训练课堂教学中加人了虚拟的机构动画，对于一般从没接触过工程实践的学生来说，可大大增强对各种常用机构和机械零件的感性认识，对于学生快速掌握各种常用机构和通用零件的工作原理、结构特点具有非常重要的促进作用。
四、结论
通过分析科技创新训练课程传统教学方法的不足，并结合科技创新训练课程的特点，在教学中应用Proe软件进行机构仿真辅助教学，教学实践证明，该教学方法、教学手段改革的举措，可以激发学生的观察力和想象力，提高学生学习的趣味性；减轻了教师教学工作强度，提高了教学效率，保证了教学质量，达到了教学预期的效果。
【参考文献】
[1]祝凌云等.《Pro/Engineer运动仿真和有限元分析》.人民邮电出版社.2004.
智能寻迹小车 篇6
本车除一般非编程寻迹车具有的寻迹功能外, 还增加了遇障停车、报警, 转弯时转向灯提示功能。同时在电路原理上作了较大改变, 是车寻迹灵敏度更高, 实现较小的转弯半径。
设计方案
根据不同的颜色 (黑、白) 对光的反射强度不同, 光敏电阻受不同强度光感应阻值不同的特性。分别将两电位器与两固定电阻分压后的电压作为电压比较器的基准电压, 两光敏电阻与两固定电阻分压后电压作为电压比较器的比较电压, 电压比较器的输出电流经三极管放大后分别控制两个电动机的转速, 以达到转向的目的, 从而实现智能车按既定轨道行走。通过红外传感器检测障碍实现避障报警功能 (见图1) 。电路原理图见图2。
控制原理
(1) 如图2中电位器R12、R13、R17与R5、R6、R15组成分压电路为电压比较器提供基准电压, 光敏电阻R1、R2、红外接收器VD5与电R3、R4、R18组成比较电压, 发光二极管LED1、LED2与三极管T1、T2及电阻R9、R10组成转向灯, 发光二极管LED3、LED4与R7、R8组成光敏电阻的补光灯, 红外发射二极管VD6及电阻R16组成红外发射源, R14、三极管VT5及蜂鸣器组成报警装置, 三极管VT3、VT4与电动机及电容组成动力部分。
(2) 当前方无障碍时, 红外接收器不能接收到红外线呈高阻态, 电压比较器IC3输出低电平, 三极管VT5不导通, 光敏电阻输入电压较高, 电压比较器IC1、IC2正常工作, 蜂鸣器不响。当前方有障碍时, 红外接收器接收到红外线呈低阻态, 电压比较器IC3输出高电平, 三极管VT5导通, 光敏电阻输入电压被拉低, 电压比较器IC1、IC2通向输入端收入电压较低, 三极管VT3、VT4不导通, 故小车不前进同时蜂鸣器报警。
(3) 正常行走时两光敏电阻R1、R2都在强光区, 阻值较小, 电压比较器IC1、IC2输出高电平, 两个电动机都转动, 小车直线前进, 两个转向灯都不发光。当小车偏向轨道右侧时, 左边的光敏电阻R1转向弱光区, 其阻值变大, 相应电压比较器IC1输出低电平, 左边电动机M1停止转动, 小车向左转弯, 同时左边转向灯LED1发光。当小车偏向轨道左侧时, 右边的光敏电阻R2转向弱光区, 其阻值变大, 相应电压比较器IC2输出低电平, 右边电动机M2停止转动, 小车向右转弯, 同时右边转向灯LED2发光。
(4) 其中R17用来调节红外线感应距离, R12用来调节比较电压大小, 以实现感光灵敏度的调节, R13用来调节左右比较电压的比值, 使左右灵敏度一致, R11用来调节通过两电动机的电流比值, 使两电动机的转速一致。LED3、LED4用来补偿光敏电阻所需光源, 防止外界光照不均匀造成左右电动机转速不一致, 这样即使在黑暗中小车也能正常行走。电容C1、C2用来稳定电压, 防止电动机启动和停止时过大的电流对其他元器件的干扰。
制作过程
电子元器件见表1。此电路工作电压范围可在6~9V之间任选, 除电动机外其他元件工作电压可达30V。若选用其他参数电动机, 可根据电动机额定电压选择适当工作电压 (工作电压不高于电动机额定电压3V) 。电源可采用干电池供电。结构部分可以买现成套件, 当然最好是自己制作, 因为我们爱好DIY。如图3。
1.电路板焊接
由于电路板还是车架的一部分, 所以电路板的焊接要做好电子元件的布置:两个光敏电阻R1、R2和两个补光灯LED3、LED4安装在小车前面的两侧, 并向下离地面5mm左右。两个转向灯LED1、LED2安装在小车前面的两侧指向前方。红外收发器VD5、VD6最好用成对反射型的, 装在前侧面水平指向前方。电池最好装在车体偏前侧以增大小车驱动轮的摩擦力。其他元件要偏后一点以便安装电池盒和驱动轮。注意后侧中间还要装万向轮。
2.结构部分制作
用通用电路板充当车架, 为了转向更灵活最好使用前轮驱动, 后轮只在中间装一个万向轮。电动机可以买带有减速器的, 也可以用废旧玩具车的减速器自己组装。为有效利用空间电池盒可分两部分固定在电路板上下两面, 然后用导线串联起来。其他结构件制作安装可充分发挥自己的想法, 做出自己的风格。最后可以给小车制作一个漂亮的外壳。
如图4, 将玩具车减速器的输入轴拔掉, 将电动机的输出轴插入原减速器输入轴位置, 然后将电动机与减速器外壳固定好 (可用强力胶粘接) 。选择并截取适当长度的笔芯, 将其一端与玩具车减速器的输出轴配合安装, 另一端与车轮配合安装。然后将两组组装好的驱动轮对称地粘接在车架上。小车底部结构布置见图5。
万向轮装在小车尾部的中间, 小车外壳采用仿真木制模型的废料做成, 将废掉的木片裁成适当长度材料, 然后用白乳胶粘接而成。制作前最好先大概画个图, 然后一边粘接一边修剪木料, 以便得到适合的长度。小车外壳完工图见图6。成品见图7。
调试
1.将小车放在空白的纸上, 打开电源并调节电位器17使蜂鸣器不鸣。
2.调节电位器12使小车正常前进, 转向灯不亮。
3.调节电位器11使小车能沿直线行走。
4.将小车放在印有黑线的纸上, 反复调节电位器12使小车在空白处正常前进且转向灯不亮, 遇到黑线停止且转向灯亮。
5.将小车放在空白的纸上的障碍物前, 反复调节电位器17使小车在没遇到障碍时正常行走且蜂鸣器不鸣叫, 遇到障碍时停止且蜂鸣器鸣叫。
智能小车的运行实现 篇7
传统小车的控制几乎都是用遥控器来实现的, 通过对遥控控制系统的研究, 以及对现代语音识别技术的学习, 在单片机的基础上通过语音识别专用芯片对小车进行非特定人语音控制, 使传统的遥控玩具车变得智能化, 这也是一种新的尝试, 不仅对于人们的现实生活还是对于相关方面的研究都极有意义。
二、语音控制系统的总体设计
该遥控车的语音控制系统的核心部分为STC10L08XE单片机和LD3320语音识别专用芯片, 通过与现有的遥控车遥控器部分并联, 利用遥控器本身已有的无线发送与接收模块实现语音信号的无线发送与接收, 整个控制系统都是由原有的遥控器电源供电。
三、硬件系统
硬件系统就是整个研究的外观, 智能化小车功能的实现都需要硬件才能展现出来, 它主要可以分为遥控器和车体两部分。
遥控器的主要功能是对按键进行分析并对语音信号进行识别;车体的功能是对遥控器的命令进行接收, 然后依据信号控制车体电机, 使其做出相应反应。[1]硬件系统总体组成框图如图1所示。
(一) 遥控器。遥控器端的重要组成部分是:单片机、语音识别模块、无线发送模块、按键以及指示灯。遥控系统如图2所示。
1.单片机。单片机采用的是由宏品科技生产的STC10L08XE芯片, 此芯片为单时钟/机器周期, 高速、超强抗干扰、低功耗[1]。
在本研究方案中将单片机的端口P1.0与一个上拉电阻相连, 然后再与遥控器前进方向的按键输出端进行连接, 将端口P1.7与一个上拉电阻相连, 然后再与遥控器后退方向的按键输出端进行连接, 将端口P2.4与一个上拉电阻相连, 然后再与遥控器左转方向的按键输出端进行连接, 将端口P2.7与一个上拉电阻相连, 然后再与遥控器右转方向的按键输出端进行连接。通过控制P1.0, P1.7, P2.4, P2.7端口的高、低电平输出来控制小车的运动。
2.语音识别模块。语音识别模块使用的是LD3320语音专用识别模块, 实现语音命令的采集处理, 并与语音库中的模型匹配, 进而输出电机控制信号, 实现智能小车行驶状态的语音控制[2]。LD3320是一个基于非特定人语音识别技术的芯片。该芯片集成了语音识别处理器和一些外部电路, 包括ADC、DAC、麦克风接口、声音输出接口等[3]。
(二) 车体。车体与遥控器的主要不同之处在于电机的驱动部分。
本研究在驱动模块上直接采用39700型号宝马Z4遥控车中的驱动, 即不对遥控车车体部分进行改造。车载系统如图3所示。
四、软件系统
本研究方案主要是针对遥控器部分进行的改造, 遥控器部分整个语音控制系统的软件流程[4]主要分成三个部分:初始化、语音识别以及命令控制部分。
为了避免误控制小车的运动状态, 在每次对小车进行控制的时候都需要喊出口令“大红”, 才能进行下一步对小车的控制。
因为控制小车运动方向的上、下、左、右四个按键在未控制小车时输出的均为高电平, 在进行控制时, 相应的按键输出端输出低电平。因此在进行程序编程时应当在LD3320语音芯片接收到“前进”语音命令时让P1.0端口输出低电平;在接收到“后退”语音命令时让P1.7端口输出低电平。因为小车在按键控制左前转的时候需要通知按在“左”、“前”两个按键, 因此在接收到“左前转”语音命令时应让P2.4、P1.0端口均输出低电平;同理, 在接收到“右前转”语音命令时应让P2.7、P1.0端口均输出低电平;在接收到“左后转”语音命令时应让P2.4、P1.7端口均输出低电平;在接收到“右后转”语音命令时应让P2.7、P1.7端口均输出低电平;而在接收到“停下”语音命令时P1.0, P1.7, P2.4, P2.7都应该归为高电平。
五、性能测试与应用
为了保证设计好的语音识别模块能正确进行语音识别, 并有较高的识别率, 本文对其进行了相应的测试。将已经编好的软件程序下载到语音识别模块中, 将语音模块通过USB与电脑连接, 在电脑端通过串口调试助手, 就能观察到语音模块是否能进行语音识别。为了进一步检测语音识别效果, 达到非特定人语音识别, 非特定人语音控制的目的。在实验室环境下, 选择了多个不同音色的人分别进行测试, 每个词测20遍, 表1为进行实验的非特定人语音识别记录情况。通过表1可知, 在实验室所处环境下, 语音识别模块对语音命令的识别率接近达到90%, 能进行较好的非特定人语音识别。
六、结语
在智能小车语音控制系统的研究中, 主要通过STC10L08XE单片机和语音专用识别模块LD3320来实现。使其既可以通过按键也可以通过语音命令控制车的行驶状态。从而让车与控制者之间具有一定的交互功能, 能够进行更为自然的交流以及控制。
摘要：该小车在语音和按键两种控制方式下均能实现前进、后退、左前转、右前转、左后转、右后转以及停下的功能。
关键词：遥控发射装置,语音识别,单片机
参考文献
[1]侯丽华.基于单片机控制的自动往返电动小汽车[J].微计算机信息, 2001, 20 (3) :36~37
[2]尹为高.语音小车的硬件平台设计[J].科学资讯, 2011, 1:109~110
[3]陈喜春.基于LD3320语音识别专用芯片实现的语音控制[J].电子技术, 2011, 11
智能寻迹小车 篇8
关键词：智能小车,光电对管,寻迹,脉冲宽度调制
在历届全国大学生电子设计竞赛中多次出现了集光、机、电于一体的简易智能小车题目。笔者通过论证、比较、实验之后，制作出了简易小车的寻迹电路系统。整个系统基于普通玩具小车的机械结构，并利用了小车的底盘、前后轮电机及其自动复原装置，能够平稳跟踪路面黑色轨迹运行。
总体方案
整个电路系统分为检测、控制、驱动三个模块。首先利用光电对管对路面信号进行检测，经过比较器处理之后，送给软件控制模块进行实时控制，输出相应的信号给驱动芯片驱动电机转动, 从而控制整个小车的运动。系统方案方框图如图1所示。
传感检测单元
小车循迹原理
该智能小车在画有黑线的白纸“路面”上行驶, 由于黑线和白纸对光线的反射系数不同，可根据接收到的反射光的强弱来判断“道路”—黑线。笔者在该模块中利用了简单、应用也比较普遍的检测方法——红外探测法。
红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物理表面具有不同的反射性质的特点。在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色地面时发生漫发射，反射光被装在小车上的接收管接收;如果遇到黑线则红外光被吸收，则小车上的接收管接收不到信号。
传感器的选择
市场上用于红外探测法的器件较多，可以利用反射式传感器外接简单电路自制探头，也可以使用结构简单、工作性能可靠的集成式红外探头。ST系列集成红外探头价格便宜、体积小、使用方便、性能可靠、用途广泛，所以该系统中最终选择了ST168反射传感器作为红外光的发射和接收器件，其内部结构和外接电路均较为简单，如图2所示：
ST168采用高发射功率红外光、电二极管和高灵敏光电晶体管组成，采用非接触式检测方式。ST168的检测距离很小，一般为8～15毫米，因为8毫米以下是它的检测盲区，而大于15毫米则很容易受干扰。笔者经过多次测试、比较，发现把传感器安装在距离检测物表面10毫米时，检测效果最好。
R1限制发射二极管的电流，发射管的电流和发射功率成正比，但受其极限输入正向电流50mA的影响，用R1=150的电阻作为限流电阻, Vcc=5V作为电源电压，测试发现发射功率完全能满足检测需要;可变电阻R2可限制接收电路的电流，一方面保护接收红外管;另一方面可调节检测电路的灵敏度。因为传感器输出端得到的是模拟电压信号，所以在输出端增加了比较器，先将ST168输出电压与2.5V进行比较，再送给单片机处理和控制。
传感器的安装
正确选择检测方法和传感器件是决定循迹效果的重要因素，而且正确的器件安装方法也是循迹电路好坏的一个重要因素。从简单、方便、可靠等角度出发，同时在底盘装设4个红外探测头，进行两级方向纠正控制，将大大提高其循迹的可靠性，具体位置分布如图3所示。
图中循迹传感器全部在一条直线上。其中X1与Y1为第一级方向控制传感器，X2与Y2为第二级方向控制传感器，并且黑线同一边的两个传感器之间的宽度不得大于黑线的宽度。小车前进时，始终保持 (如图3中所示的行走轨迹黑线) 在X1和Y1这两个第一级传感器之间，当小车偏离黑线时，第一级传感器就能检测到黑线，把检测的信号送给小车的处理、控制系统，控制系统发出信号对小车轨迹予以纠正。第二级方向探测器实际是第一级的后备保护，它的存在是考虑到小车由于惯性过大会依旧偏离轨道，再次对小车的运动进行纠正，从而提高了小车循迹的可靠性。
软件控制单元
单片机选型及程序流程
此部分是整个小车运行的核心部件，起着控制小车所有运行状态的作用。控制方法有很多，大部分都采用单片机控制。由于51单片机具有价格低廉是使用简单的特点，这里选择了ATMEL公司的AT89S51作为控制核心部件，其程序控制方框图如图4所示。
小车进入循迹模式后，即开始不停地扫描与探测器连接的单片机I/O口，一旦检测到某个I/O口有信号变化，程序就进入判断程序，把相应的信号发送给电动机从而纠正小车的状态。
车速的控制
车速调节的方法有两种：一是用步进电机代替小车上原有的直流电机;二是在原有直流电机的基础上，采用PWM调速法进行调速。考虑到机械装置不便于修改等因素，这里选择后者，利用单片机输出端输出高电平的脉宽及其占空比的大小来控制电机的转速，从而控制小车的速度。经过多次试验，最终确定合适的脉宽和占空比，基本能保证小车在所需要的速度范围内平稳前行。
电机驱动单元
从单片机输出的信号功率很弱，即使在没有其它外在负载时也无法带动电机，所以在实际电路中我们加入了电机驱动芯片提高输入电机信号的功率，从而能够根据需要控制电机转动。根据驱动功率大小以及连接电路的简化要求选择L298N，其外形、管脚分布如图5所示。
从图中可以知道，一块L298N芯片能够驱动两个电机转动，它的使能端可以外接高低电平，也可以利用单片机进行软件控制，极大地满足各种复杂电路需要。另外，L298N的驱动功率较大，能够根据输入电压的大小输出不同的电压和功率，解决了负载能力不够这个问题。
结语
此方案选择的器件比较简单，实际中也很容易实现。经过多次测试，结果表明在一定的弧度范围内，小车能够沿着黑线轨迹行进，达到了预期目标。不足之处，由于小车采用直流电机，其速度控制不够精确和稳定，不能实现急转和大弧度的拐弯。
参考文献
[1]. 赵家贵、付小美、董平, 新编传感器电路设计手册, 中国计量出版社, 2002
[2]. 李华等, MCS-51系列单片机实用接口技术, 北京航空航天大学出版社, 2003
多功能智能小车 篇9
(1) 对小车运动轨迹设计采用红外发射接收探头检测路面寻迹线, 从起始线出发, 自动将物体按设计好的轨迹线逐一运送到库房内, 运行的时间应力求最短。
(2) 小车运送物体到达库房时, 把物体放到库房挡板线以内。
1 系统方案设计、比较与论证
本文主要设计一辆带有机械手的智能电动小车, 采用轮式结构以减少制造成本。能够实现把物体放入库房内, 同时对搬运过程中自动记录、显示每一次往返的时间和总的行驶时间。为完成相应功能, 系统可以划分为以下几个基本模块:单片机最小系统模块、舵机驱动模块、步进电机驱动模块、液晶显示模块、转向指示模块、声音提示模块。
2 车体设计
制定了左右两轮分别驱动, 车尾安装牛眼轮转向的方案。即左右轮分别用两个转速和力矩基本完全相同的直流步进电机进行驱动, 车体尾部装两个牛眼轮。这样, 当一个直流步进电机转动另一个不动时就可以实现机器人的旋转, 由此可以轻松的实现机器人的90度和180度的转弯。在安装时我们保证两个驱动电机同轴。当小车前进时, 左右两驱动轮与后万向轮形成了四点结构。这种结构使得小车在前进时比较平稳, 可以避免出现后轮过低而使左右两驱动轮驱动力不够的情况。为了防止小车重心的偏移, 车尾的牛眼轮还起支撑作用。
对于车架材料的选择, 我们经过比较选择了有机玻璃。用有机玻璃做的车架比塑料车架更加牢固, 比铁制小车更轻便, 美观。
3 智能小车控制系统的总体设计
控制器模块采用宏晶公司的STC12C5A32S2单片机作为控制器的方案。该单片机I/O资源丰富, 并具有两路PWM, 可以很容易的控制两个舵机;寻迹线探测与寻木探测模块
集成式GP2A25反射式光电传感器。它具有集成度高、工作性能可靠的优点, 只须要调节探头与被测物之间的距离达到1.5cm就可, 此种探头还能有效地防止普通光源 (如日光灯等) 的干扰;电动机选择采用旧打印机拆机的步进电机控制机器人的运动, 由于其转过的角度可以精确的定位, 可以实现小车前进路程和位置的精确定位。当不给步进电机发送脉冲的时候, 能实现自锁, 从而能较好的实现小车及时停车的目的;电机驱动模块采用专用芯片L298作为电机驱动芯片。L298是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片, 它相应频率高, 一片L298可以控制一个步进电机, 而且还带有控制使能端。用该芯片作为电机驱动, 操作方便, 稳定性好, 性能优良;舵机驱动模块采用三极管驱动电路, 单片机I/O口只需要控制三极管的集极来控制三极管的导通或是截止, 来给驱动舵机;显示模块用LCD1602液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富、超薄轻巧等优点;电源模块采用3节4.2V可充电式锂电池串联共12.6 V给步进电机供电, 然后将12.6V电压再次降压5v、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。锂电池的电量比较足, 并且可以充电, 重复利用, 体积小巧, 便于安装到机器人;供电模块消耗的功率过大, 采用2576将电压稳至5V。2576的输出电流最大可至3A, 完全满足系统要求。经过反复论证, 最终确定了如下方案:
(1) 车体用有机玻璃车架手工制作。
(2) 采用宏晶STC12C5A32S2单片机作为主控制器。
(3) 用GP2A25型光电对管进行寻迹与寻木块。
(4) L298作为步进电机的驱动芯片。
(5) 用9013三极管作为舵机的模块
(6) 用3节4.2V可充电式锂电池串联共12.6 V给步进电机供电, 将12.6V电压经2576降压、稳压后为单片机系统和其他芯片供电。
4 硬件设计与软件流程
寻迹线探测电路采用型号为GP2A25P2A25反射式光电传感器, 该探头输出端只有三根线 (电源线、地线、信号线) , 只要将信号线接在单片机的I/O口, 然后不停地对该I/O口进行扫描检测, 当其为底电平时则检测到路面, 当为高电平时则检测到运动轨迹线。搬运机器人前进时, 始终保持运动轨迹线在车头两个传感器之间, 当搬运机器人偏离轨迹时, 探测器一旦探测到有轨迹线, 单片机就会按照预先编定的程序发送指令给搬运机器人的控制系统, 控制系统再对搬运机器人路径予以纠正。当搬运机器人回到了轨道上时, 搬运机器人车头两个探测器都只检测到路面, 则搬运机器人继续直线行走, 否则搬运机器人会持续进行方向调整操作, 直到搬运机器人恢复正常。
寻木块探测电路采用型号为GP2A25P2A25反射式光电传感器, 该探头输出端只有三根线 (电源线、地线、信号线) , 只要将信号线接在单片机的I/O口, 然后不停地对该I/O口进行扫描检测, 当其为高电平时则检测到物体, 当为底电平时则检测没有检测到物体, 搬运机器人再前进时探头始终寻找物体, 当搬运机器人寻物探头探测到物体时, 单片机就会按照预先编定的程序发送指令给搬运机器人的机器手夹持物体。
步进电动机驱动电路如图所示该驱动动电路J2接单片机I/O口进行向L298输入脉冲, J3接步进电机的线上L298输出地脉冲来驱动步进电机转动或停止。
5 结束语
本文对智能小车的硬件及软件进行分析设计, 并且通过使用Pro/E三维软件对车体的设计。通过测试, 系统完全达到了设计要求, 不但完成了基本设计要求, 并增加了全路程记时、每次往返时间和全程时间显示和语音提示, 转向时转向灯显示三个创新功能。
参考文献
[1]赵健领.51系列单片机开发宝典[M].北京:电子工业出版社, 2007.
多功能智能小车 篇10
关键词： 蓝牙 智能小车 主干课程
一、概述
1.信息化对课程设置改革需求
中职专业课程的教学历经多年的改革和发展，涌现出许多优秀的课改方案并取得相当成效；如今在“互联网+”、“工业4.0”等技术高速发展的同时，再次对中职教育教学改革起到推动作用[1]。
在此轮社会洪流的核心技术当中，少不了蓝牙技术、传感器技术与应用、单片机技术与应用、安装系统、APK等技术，而“智能手机蓝牙控制小车”虽然是个玩具小车，但其中包括上述这些技术的应用，可以说“智能手机蓝牙控制小车”是当前信息时代核心技术的微缩版。
2.实训项目到项目课程的转变
近年来，笔者所在学校以“智能手机蓝牙控制小车”制作为“电子产品装配与调试”课程的一个实训项目，项目的开展是购买小车散装套件进行装配与调试，在一个实训周内完成。在2013至2014学年将“智能手机蓝牙控制小车”实训项目，转化为一门综合性项目课程——《蓝牙智能小车项目课程》；转化后课程内容包含四个模块26项目，120课时，涵盖电子线路、电子产品装配与调试、蓝牙技术、传感器技术与应用、单片机技术与应用、安卓系统、APK软件制作等课程内容，是一门综合性的项目课程，内容属于当今的技术前沿。
针对2014届年和2015届学生，笔者所在校首先在“电子电器应用与维修”专业的课程设置改革与教学过程中，以《蓝牙智能小车项目课程》为专业主干课程，实施项目教学两学年效果显著；而后在电子技术应用专业实施1学年，效果同样明显。学生完成课程项目后，可以用自己的小车作品和手机进行循迹、壁障、竞速等赛车游戏。经定性综合评价这两专业的教学效果，认为本课程对调动学生学习主动性、增强教学效果等各方面有显著成效。
二、课程实践
将《蓝牙智能小车项目课程》作为主干课程的实践过程，是经过对企业单位、学生、家长、专业教师等各方面的调查后，制定出课程教学大纲，然后编制校本教材和组织教学资源与实施教学同步进行，笔者略去过程，重点讲述课程大纲中部分内容和教学实施效果，以阐明为什么本课程在中职电类专业中有不可或缺的主干课程的地位和作用。
1.课程教学大纲
课程教学大纲的制定，与“全国示范性设置化资源建设共建共享计划（二期）”同时进行，按照“中国职业技术教育学会信息化工作委员会”提供的指导性文件，采用“全国职业教育数字化优质资源共建共享联盟”的课程教学大纲标准进行编写，并报信息化工作委员会备案。课程教学大纲共分为“课程适用专业及层次”、“课程教学目标”、“课程主要内容及特点”、“课程学时安排”、“课程在专业中的地位和作用”、“课程教学内容及安排”、“实验实训安排”、“考核评价方式”、“推荐教材及参考资料”、“大纲编写依据与说明”、“参与编写人员”11个部分[3][4]。
（1）课程教学目标
本课程目标设有知识目标、技能目标、职业素养目标、安全目标四项。主线是由蓝牙技术入手，熟悉物联网的基本概念，掌握物蓝牙传输技术、传感器技术、无线传感网络技术、智能处理技术、Android操作系统、APK制作等基本概念，通过项目制作实例，以蓝牙智能小车的设计、制作、安装、编程为具体内容，讲解蓝牙技术的基础知识和制作智能控制小车的操作实训，回顾并加深PCB制作、单片机技术应用、电子产品装配工艺等前面课程应用技能，从而奠定必要的综合性专业知识与技能基础，培养学生主动学习的能力，为后续解决工作中遇到的问题打下良好基础。
（2）课程主要内容及特点
本课程项目前导知识有电子线路基础、电子产品装配与调试、计算机基础、Protel电路设计基础、单片机基础等。
内容主要由射频技术、蓝牙智能小车制作、Android系统应用与开发和AppInventor应用开发等四个模块26个项目组成。通过对本内容的学习，使学生初步掌握射频技术的原理及应用；掌握蓝牙智能控制小车的电源模块、驱动模块、测速模块、主控模块、循迹模块、壁障模块、蓝牙模块的电路设计及PCB板开发，初步掌握蓝牙智能控制小车各模块的程序编写与控制方法，初步掌握蓝牙智能控制小车机械控制的设计与安装，初步掌握蓝牙智能控制小车的整车设计、程序编写与控制；初步掌握Android系统的原理与开发方法，初步实现基于AppInventor开发环境的蓝牙智能控制小车的APK软件的开发。
主要特点是课程项目由学生独立完成，而教师只是发挥指导作用，学生小车作品完成后，可以用自己的小车作品进行循迹、壁障、竞速等赛车游戏。适用于中等职业学校电子信息技术类、电子制造类专业的专业实训项目，其中融合物联网基础、通讯与传输技术、传感技术、电路设计与装配工艺、软件编程技术等知识内容，均为当前“工业4.0”之中的关键技术与技能。
（3）课程在专业中的地位和作用
当今“互联网+”、“工业4.0”已经全面渗透到生产、生活、学习等各个领域，是衡量一个国家现代化水平的一个重要标尺，其中以智能控制为主要终端，广泛应用于各行各业，对提高生产力、改进生产技术工艺、服务经济产业发展起到关键作用[2]。本课程项目以当前无线通讯技术发展为出发点，介绍射频技术在电子技术领域中的重要功能，利用安卓智能手机通过智能化控制的蓝牙小车设计与制作为具体项目，全面分析基于单片机环境下的智能控制产品的设计、制作与实现，从具体实例剖析入手，深入浅出阐述智能控制产品的设计思路、研发过程和智能控制方法，对于电子专业的智能化和融入物联网应用提供较好的实例支撑，为电子专业的高新技术教学和智能化产品设计及研发提供了较好的实例，为学生的后续发展打下基础。
2.实施效果定性研究
（1）定性研究之必要性
笔者所在学校采用2+1模式，学生经过本课程项目和其他几门同时授课的课程及岗位技能考证后便参加职业体验。对项目课程的实施效果采用定性研究，主要基于以下几个方面原因：其一，学生学习的主动性、专业技能的提高、社会的评价等较难定量统计；其二，本项目课程实施前，相关课程如电子线路基础、电子产品装配与调试、计算机基础、Protel电路设计基础、单片机技术应用等课程已经结束，学生即便有了重新认识和掌握，但原各科成绩已不可改变；其三，本课程为新课程，考核成绩与其他的项目课程虽然有一定的可比性，但因其本身是综合性课程的特点，拿来与其他特定课程对比也不尽合理；其四，若以“无线电装接工”岗位技能考证做比对也无太多意义，因为以往考证通过率都是比较高。
所以，为了考察该课程实施效果，笔者采用对往届学生能力的回顾分析、走访家长和用人单位、观察学生的主动学习状态和技能的提升等方法，用非量化的手段定性地对其进行分析研究，以此获得实施效果总结。
（2）实施效果总结
笔者以两届数十位学生的学习兴趣和专业能力提升为样本，进行观察研究、收集家长和用人单位的反馈意见，总结出以下两点。
第一，学生兴趣与家长支持。项目式的教学，相对普通课程本身就较具优势，加上本课程能够开展赛车活动，学习主动性明显上升，不少学生能够提早完成全部课程内容，而后自发组织竞速、壁障、循迹等各式各样的比赛，再从竞赛中改进工艺、优化程序、增加APK功能等；也常有学生为了达到让自己的小车作品胜人一筹，翻找出以前单片机、Protel等教材自发补课。而且家长见到孩子行为上的变化，无不感到欣慰和大力支持。
第二，岗位实践能力提升，企业用人单位肯定。2014届的学生，通过本项目课程的磨炼，下到电子或信息企业后，获得关键技术岗位的人数明显较往年增加，更有甚者在工资待遇方面比多年的老员工还高；用人单位反馈回来的信息表明，学生的团队精神、工作主动性与实践技能等各方面都获得肯定。
三、结语
经过两个学年度的教学实践，《蓝牙智能小车项目课程》作为“电子电器应用与维修”主干课程，有效增强了教育教学效果；且在制定大纲之时，依据教育部相关标准进行建设，不仅高标准严要求，而且兼顾考虑不同的学习类型和学历层次，本项目课程同样适用于普通中专、职业高中、成人中专、技工学校。
由于中职专业教学的特点，电子技术应用、机电一体化、电子信息等专业课程设置的内容，都能在这智能小车中找到缩影，因此《蓝牙智能小车项目课程》完全适合作为中职电类专业主干课程。
笔者认为，作为一门项目课程，《蓝牙智能小车项目课程》从电子线路到蓝牙技术、从装配与调试工艺到Protel电路设计、从单片机C语言编程到安卓系统的APK软件制作、从传感技术到物联网知识，涵盖基础知识和前沿技术，融合软件和硬件的设计与制作，践行了项目教学和寓教于乐的赛车游戏，这是电类专业一门课程不可或缺的主干课程，值得广大职业学校推广实施。
参考文献：
[1]教育部.教育信息化十年发展规划（2011-2020年）.
[2]刘宏杰.统一认识扎实推进共建共享建设教育部职成司，2014.
[3]教育部.国家示范性职业学校数字化资源共建共享计划资源开发技术规范（2014年）.
智能循迹小车设计 篇11
1 系统总体设计
系统主要由道路识别模块、速度传感器模块、主控模块、舵机驱动模块、电机驱动模块。框图如图1所示。
整个设计基于16位微控制器MC9S12XS128完成对采集数据的处理和各驱动的控制命令[1], 道路信息的采集为了使能够更多的采集到道路两边的赛道信息, 又要避免相邻激光管互相干扰, 于是采用两排各八对激光管且相邻激光管分时发光的方法来采集道路信息。为了能快速完成赛道又使小车能够始终不偏离赛道, 适应不同的赛道变化, 除了调整好舵机转角, 还应对速度采取闭环控制, 选择霍尔传感器能够较好的完成测量任务并采用PID控制算法使小车能够在较短的时间内, 快速达到设定值要求[2]。电机模块利用4个场效应管作H桥驱动[3]。
2 车体结构
智能小车为轮式结构, 机械部分主要为转向机械和驱动机械。转向机构主要由舵机, 转向架和两个前轮组成。转向机构的工作原理为:舵机根据转向信号正向或反向旋转一定角度。前轮为从动轮, 会根据转向角度的大小自动调节内外侧车轮的转速;驱动机构包括一个直流电机、减速装置和两个后轮。后轮为主动轮, 其转速由直流驱动电机控制, 不会根据转弯半径的变化而自动调节转速[4]。因此小车在转弯时, 控制系统在控制舵机的同时还需要根据转弯角度的大小控制驱动电机转速, 从而使转弯顺利进行。
3 硬件系统设计
3.1 测量模块设计
3.1.1 激光传感器
利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检测器和测量电路组成[5]。激光反射式传感器阵列, 利用激光对管组成传感器阵列, 激光发光管发出激光光线, 光敏接收管接收地面的反射光, 接收管接收到的发射光强随地面反射物体的颜色不同而变化, 传感器输出的电压值也随之而变化。把每个激光传感器输出信号都量化成数字信号, 根据激光电管的排列位置, 识别出黑线的位置。传感器阵列中每个传感器输出的模拟电平通过特定的芯片转换为单片机IO口可用的数字信号, 通过多个光电管的组合排列, 经算法处理, 可以得知小车所在的位置[6]。传感器发射管与接收管电路图如图2所示。
3.1.2 霍尔传感器
霍尔器件是由半导体材料制成的一种薄片, 器件的长、宽、高分别为l、b、d。若在垂直于薄片平面 (沿厚度d) 方向施加外磁场B, 在沿l方向的两个端面加一外电场, 则有一定的电流流过。由于电子在磁场中运动, 所以将受到一个洛仑磁力, 这样使电子的运动轨迹发生偏移, 在霍尔元器件薄片的两个侧面分别产生电子积聚或电荷过剩, 形成霍尔电场, 霍尔元器件两个侧面间的电位差称为霍尔电压[7]。
若控制电流保持不变, 则霍尔感应电压将随外界磁场强度而变化, 根据这一原理, 可以将两块永久磁钢固定在电动机转轴上转盘的边沿, 转盘随被测轴旋转, 磁钢也将跟着同步旋转, 在转盘附近安装一个霍尔元件, 转盘随轴旋转时, 霍尔元件受到磁钢所产生的磁场影响, 输出脉冲信号。其频率和转速成正比, 测出脉冲的周期或频率即可计算出转速。
3.2 电机驱动模块
相比较驱动芯片、达林顿管驱动使用场效应管作为驱动管, 其导通电阻可以达到毫欧级, 且可以提供强大驱动电流。如图3所示, H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。要使电机运转, 必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况, 电流可能会从左至右或从右至左流过电机, 从而控制电机的转向。
4 软件系统设计
4.1 PWM控制
PWM (脉冲宽度调制) 控制通常配合桥式驱动电路实现直流电机调速, 电机的转速与电机两端的电压成比例, 而电机两端的电压与控制波形的占空比成正比[8], 因此电机的速度与占空比成比例, 占空比越大, 电机转得越快, 当占空比α=1时, 电机转速最大。
智能车使用的单片机有PWM直接输出接口, 频率可调。BTS7960的INH引脚为高电平, 使能BTS7960。IN引脚用于确定哪个MOSFET导通。IN=1且INH=1时, 高边MOSFET导通, OUT引脚输出高电平;IN=0且INH=1时, 低边MOSFET导通, OUT引脚输出低电平。在BTS7960使能的情况下, 控制系统只要使用单片机的PWM输出口即可完成电机的正反转和调速功能。其中PWM部分程序:
4.2 程序算法实现
将小车从激光接收管测得的数据, 经过A/D转换使得八位接收管分别转换为8位的二进制数, 然后根据测得的数据与给定范围做比较从而来判断赛道信息。同时, 为了使小车能够顺利通过“圆弧”“S形”“十字形”等赛道的要求, 并且要成功检测到终点黑线而发出停车信号, 小车要能够准确判断出赛道信息, 于是选择记忆算法。对于赛道的信息进行存储, 设定标志位, 利用本次测得的数据与前几次的数据共同对赛道分析判断, 从而得到较为准确的赛道信息, 发出控制信息。
在长直道进入弯道时候, 由于长直道的速度较快, 在入弯的时候有冲出赛道的危险性, 所以在赛道末段应当进行快速制动, 将速度值降到期望过弯速度。采用PID算法控制, 能够使小车速度快速达到设定的期望值, 从而满足了小车更高速的要求。
5 结论
通过硬件电路的搭建与软件系统的配合实现, 并且通过不断地对参数进行整定和测试, 智能小车最终能够以较快的速度平稳地完成规定的赛道。
参考文献