智能小车控制器设计

智能小车控制器设计（精选11篇）

智能小车控制器设计 篇1

1 引言

随着物联网的兴起, Android手机以其独有的开放性优势正在为人们提供更多优质便捷的技术成果。本文研究的是基于蓝牙控制的智能小车设计, 借助于手机平台和蓝牙技术, 设计和实现了一种无线智能小车。

本设计是以51单片机为核心, 以手机蓝牙作为客户端, 小车上的蓝牙模块HC-06作为服务端, 双方通过串口进行通信, 单片机驱动直流电机控制小车行动, 完成了通过手机上的蓝牙功能来控制小车行走的软、硬件设计。通过设置手机界面来设置前进、后退、左转、右转和自动避障等功能, 完成小车的前进、后退、左转、右转和自动避障等基本运动功能。实验结果表明, 小车可以接收手机遥控信号并灵活地进行前行、倒退、左转、右转和停止等功能。也为其他小车设计提出了一种新的思路, 并且让智能家居的生活成为现实更加进了一大步。

2 系统结构框图

设计以手机控制平台、蓝牙通讯模块、电机驱动模块、液晶显示模块和超声波模块等硬件模块组成的智能小车, 总的系统框图如图1所示。单片机控制电机驱动来控制电机的正反转以实现小车的前进、后退、左转、右转。HC-06为蓝牙接收模块, 通过与手机端的蓝牙进行连接配对, 从而接收从手机端发送过来的动作指令。接收到的指令再传给单片机, 单片机通过分析传递过来的指令不同, 而跳转到不同的子程序来控制电机驱动, 从而实现小车的前进、后退、左转、右转等不同的动作之后再让小车显示距离, 自动避障和转向。小车采用4wd驱动, 以提高整车运动的平稳性。电源提供给单片机5V直流电, L298需要从外部接两个电压, 一个是给电机的, 另一个给LL229988芯片的。

3 硬件电路设计

硬件电路设计包括:主控模块的选择及其最小系统、LCD1602液晶显示模块、电机驱动电路模块、超声波电路、蓝牙模块电路等主要电路设计和与蓝牙APP的结合使用。如图2所示。

3.1 主控模块的选择

系统采用STC89C52RC单片机作为系统的主控制芯片, 完成收发蓝牙信号、小车方向的控制、液晶显示等相关功能。STC89C52RC系列单片机具有8k字节Flash, 512字节RAM, 32位I/O口线, 看门狗定时器, 内置4KBEEPROM, MAX810复位电路, 3个16位定时器/计数器, 4个外部中断, 一个7向量4级中断结构 (兼容传统51的5向量2级中断结构) , 全双工串行口。另外STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作, 支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下, CPU停止工作, 允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下, RAM内容被保存, 振荡器被冻结, 单片机一切工作停止, 直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz, 6T/12T可选。

单片机最小系统如图2所示, 包括了单片机、复位电路、时钟电路。单片机可以通过手动按键复位, 按下复位键S1后使单片机进入上电的初始状态。系统时钟电路选用了11.0596MHz的晶振, 一个机器周期的时间约为1μs。

3.2 LCD1602显示模块与主控芯片的设计

系统选用LCD1602液晶显示器, 方便直观显示更多的参数, 显示器显示波形类型、幅度、频率。单片机P0口作为数据端口, 液晶显示接单片机的P0.0-P0.7端口, 其中EN是下降沿触发的片选信号, R/W是读写信号, RS是寄存器选择信号。

3.3 电机驱动电路模块设计

电机驱动电路模块内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器, 可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载;采用标准逻辑电平信号控制;具有两个使能控制端, 在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端, 使内部逻辑电路部分在低电压下工作;可以外接检测电阻, 将变化量反馈给控制电路。使用L298N芯片驱动电机, 该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机, 也可以驱动两台直流电机。

3.4 超声波电路模块设计

超声波电路一个控制口发一个10US以上的高电平, 就可以在接收口等待高电平输出。一有输出就可以开定时器计时, 当此口变为低电平时就可以读定时器的值, 此时就为此次测距的时间, 方可算出距离。如此不断地周期测量, 就可以得到移动测量的值。

3.5 蓝牙模块电路设计

蓝牙模块电路通过接收手机发过来的不同的信息向MCU发送不同的信息内容, 使小车进行不同的动作。

4 智能小车手机蓝牙串口软件

本设计所采用的蓝牙app软件是由微软官方网站发布的SPP蓝牙串口作为通信工具。它可以连接任何支持串行端口模式的蓝牙设备 (如手机) 。SPP蓝牙串口软件支持蓝牙SPP的客户端模式;可以设置为ASCII或HEX显示模式;可设置终端或聊天视图;可以连接到蓝牙MCU;可以连接到蓝牙调制解调器 (大多数手机支持) 。控制界面如图3所示, 手机界面分别有前进、后退、左转, 右转按钮。操作界面类似于聊天界面, 当发送字符或者指令的时候, 小车上的蓝牙如果成功收到指令则会返回一个相同的指令或者字符。

5 软件编程

系统主要运用Keil和UV4两个程序软件进行程序编译和仿真。软件设计的主要有主控制、串口通信、中断、驱动、定时、显示等6个部分组成。

5.1 主程序流程图

主程序流程图如图4所示。接上电源后, 程序开始初始化设置, 蓝牙一直在检测是否收到指令, 如果接收到了指令, 则会根据接收的指令进行前进、后退、左转、右转和切换到无人操作模式等动作, 否则会一直在循环检测。当进入了无人操作模式后, 蓝牙模块停止工作, 小车则会利用超声波模块进行自动避障和开始在液晶上显示距离。当显示距离大于设定的距离时, 小车会后退左转, 否则小车则会继续前进, 直到遇到了黑线后, 跳出程序, 实现停车。

5.2 蓝牙流程图

蓝牙子程序流程图如图5所示。开始时, 蓝牙先初始化, 然后一直检测是否接收到指令。如果接收到指令则根据指令对前进、后退、左转、右转和切换至无人模式进行选择。

6 实验测试及结果分析

小车整体效果图如图6所示, 对小车进行如下测试:

(1) 在平坦开阔的场地, 给小车供上11V左右的电源, 当蓝牙接收到前进、后退等指令时均能正常行驶。

(2) 在平坦开阔的场地, 小车进入自动避障功能时, 在小车前方设置障碍物, 均能够绕开, 碰到黑线可以正常停车。

(3) 由于受程序延时问题、外界环境因素和模块本身工艺的影响, 超声波模块测得的距离有3cm至6cm的误差, 但不影响小车的整体功能。

(4) 两个l298n模块由两个电源供电, 但是电压不会完全相等, 所以小车在行驶过程中左边车轮和右边车轮速度有一点点差异, 经试验会产生5至8度的偏移角, 小于10度, 不影响小车的整体功能。

7 总结

本文阐述一种可通过手机蓝牙遥控或者无人驾驶小车的软、硬件设计。单片机编程控制电机的正反转来实现小车前进、后退、左转、右转, 而电机的正反转则由电机驱动L298N输出端的逻辑电平来控制。手机控制时手机蓝牙作为客户端, 小车上的蓝牙模块HC-06作为服务端, 双方通过串口进行通信;无人驾驶时则根据超声波所测得的距离进行控制。实验结果表明, 小车可以接收手机遥控信号并灵活地前行、倒退、左转、右转和切换至无人驾驶的功能, 达到了预期的目的, 很好地完成了最开始预期的效果, 并且为其他智能生活提供了很有价值意义的范例。

参考文献

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智能小车控制器设计 篇2

智能小车设计文献综述

摘要：随着电子工业的发展，智能技术广泛运用于各种领域，智能小车不仅在工业智能化上得到广泛的应用，而且运用于智能家居中的产品也越来越受到人们的青睐。国外智能车辆的研究历史较长。相比于国外，我国开展智能车辆技术方面的研究起步较晚，在智能车辆技术方面的研究总体上落后于发达国家但是也取得了一系列的成果。随着人工智能技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，智能控制将有广阔的发展空间。本设计的智能小车利用红外对管检测黑线与障碍物，并以单片机为控制芯片控制电动小汽车的速度及转向，从而实现自动循迹避障的功能。并对智能小车研究现状以及未来的应用与发展前景做一个全方面的介绍。关键词:智能技术，自动循迹，避障 前言

随着电子技术、计算机技术和制造技术的飞速发展，数码相机、DVD、洗衣机、汽车等消费类产品越来越呈现光机电一体化、智能化、小型化等趋势。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。智能小车，也称轮式机器人，是一种以汽车电子为背景，涵盖控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多科学的科技创意性设计，一般主要路径识别、速度采集、角度控制及车速控制等模块组成。一般而言,智能车系统要求小车在白色的场地上,通过控制小车的转向角和车速,使小车能自动地沿着一条任意给定的黑色带状引导线行驶[1]。智能小车运用直流电机对小车进行速度和正反方向的运动控制，运用直流电机对小车进行速度和正反方向的运动控制，通过单片机来控制直流电机的工作，从而实现对整个小车系统的运动控制。智能小车的发展历史、国内外研究现状

2.1 国外研究现状

国外智能车辆的研究历史较长，始于上世纪50年代。它的发展历程大体可以分成三个阶段[2][3][4]：

第一阶段，20世纪50年代是智能车辆研究的初始阶段。1954年美国Barrett Electronics 公司研究开发了世界上第一台自主引导车系统AGVS（Automated Guided Vehicle System）。该系统只是一个运行在固定线路上的拖车式运货平台，但它却具有了智能车辆最基本得特征即无人驾驶。早期研制AGVS的目的是为了提高仓库运输的自动化水平，应用领域仅局限于仓库内的物品运输。随着计算机的应用和传感

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技术的发展，智能车辆的研究不断得到新的发展。

第二阶段，从80年代中后期开始，世界主要发达国家对智能车辆开展了卓有成效的研究。在欧洲，普罗米修斯项目于1986年开始了在这个领域的探索。在美洲，美国于1995年成立了国家自动高速公路系统联盟（NAHSC），其目标之一就是研究发展智能车辆的可能性，并促进智能车辆技术进入实用化。在亚洲，日本于1996年成立了高速公路先进巡航/辅助驾驶研究会，主要目的是研究自动车辆导航的方法，促进日本智能车辆技术的整体进步。进入80年代中期，设计和制造智能车辆的浪潮席卷全世界，一大批世界著名的公司开始研制智能车辆平台。

第三阶段，从90年代开始，智能车辆进入了深入、系统、大规模研究阶段。最为突出的是，美国卡内基.梅隆大学（Carnegie Mellon University）机器人研究所一共完成了Navlab系列的10台自主车（Navlab1—Navlab10）的研究，取得了显著的成就。

目前，智能车辆的发展正处于第三阶段。这一阶段的研究成果代表了当前国外智能车辆的主要发展方向。在世界科学界和工业设计界中，众多的研究机构研发的智能车辆具有代表性的有：

德意志联邦大学的研究，1985年，第一辆VaMoRs智能原型车辆在户外高速公路上以100km/h的速度进行了测试，它使用了机器视觉来保证横向和纵向的车辆控制。1988年，在都灵的PROMRTHEUS项目第一次委员会会议上，智能车辆维塔（VITA,7t）进行了展示，该车可以自动停车、行进，并可以向后车传送相关驾驶信息。这两种车辆都配备了UBM视觉系统。这是一个双目视觉系统，具有极高的稳定性。

荷兰鹿特丹港口的研究，智能车辆的研究主要体现在工厂货物的运输。荷兰的Combi road系统，采用无人驾驶的车辆来往返运输货物，它行驶的路面上采用了磁性导航参照物，并利用一个光阵列传感器去探测障碍。荷兰南部目前正在讨论工业上利用这种系统的问题，政府正考虑已有的高速公路新建一条专用的车道，采用这种系统将货物从鹿特丹运往各地。

日本大阪大学的研究，大阪大学的Shirai实验室所研制的智能小车，采用了航位推测系统（Dead Reckoning System），分别利用旋转编码器和电位计来获取智能小车的转向角，从而完成了智能小车的定位。另外，斯特拉斯堡实验中心、英国国防部门的研究、美国卡内基梅隆大学、奔驰公司、美国麻省理工学院、韩国理工大学对智能车辆也有较多的研究。

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2.2 国内研究现状

相比于国外，我国开展智能车辆技术方面的研究起步较晚，开始于20世纪80年代。而且大多数研究处在于针对某个单项技术研究的阶段。虽然我国在智能车辆技术方面的研究总体上落后于发达国家，并且存在一定得技术差距，但是我们也取得了一系列的成果[5 ]，主要有：

（1）中国第一汽车集团公司和国防科技大学机电工程与自动化学院与2003年研制成功我国第一辆自主驾驶轿车。该自主驾驶轿车在正常交通情况下的高速公路上，行驶的最高稳定速度为13km/h,最高峰值速度达170km/h，并且具有超车功能，其总体技术性能和指标已经达到世界先进水平。

（2）南京理工大学、北京理工大学、浙江大学、国防科技大学、清华大学等多所院校联合研制了7B.8军用室外自主车，该车装有彩色摄像机、激光雷达、陀螺惯导定位等传感器。计算机系统采用两台Sun10完成信息融合、路径规划，两台PC486完成路边抽取识别和激光信息处理，8098单片机完成定位计算和车辆自动驾驶。其体系结构以水平式结构为主，采用传统的“感知-建模-规划-执行”算法，其直线跟踪速度达到20km/h，避障速度达到5-10km/h。

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智能交通系统ITS（Intelligent Transport System）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。

目前学术界对智能小车的研究也很多，桂林理工大学黄建能等[2]设计的无线遥控小车，其由四部分组成：主控模块、无线通信模块、电机驱动模块和电源模块。主控模块采用STC89C52单片机作为处理器；无线通信模块采用芯片 PT2262和 PT2272实现无线收发；用内置两个H桥的 L298芯片驱动直流电机实现对小车的控制，实现前进、后退，左转、右转以及加速、减速的动作。整个无线遥控小车系统具有体积小、成本低、操作简单等优点，并具有一定的可扩展性。

于连国、李伟等[6]设计了自动往返的智能电动车，其采用 STC89C51 单片机作为小车的检测和控制核心；使用红外传感器检测跑道黑线并把反馈到的信号传给单片机，能够使小车在各区域均能按预定的速度行驶。

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葛广军,杨帆[7]设计了一种能够自动循迹的智能小车。该智能小车的控制系统以单片机MC912DG128为核心,由路径识别、车速检测、舵机控制、直流电机、电机驱动芯片LMD18200和电压转换芯片LM7525等模块组成，并详细阐述了控制系统的组成原理和软硬件设计。实验的结果表明：该控制系统具有循迹效果好、性能稳定等优点。

董涛,刘进英等[8]设计并制作了一种具有红外遥控、自动避障、智能寻径等功能的智能小车，该车以玩具小车为车体,直流电机及其控制电路为整个系统的驱动部分，STC89C52单片机为整个系统的控制核心,采用IRM-2638红外一体接收头接收控制信号实现对小车的遥控,加以多种传感器以实现小车的自动避障与智能寻径等功能，该小车还配备了两块数码显示管，以便实时观察小车状态。该小车工作稳定，还可用于各种机器人比赛。

姜宝华、齐强等[9]基于STC89C52RC单片机设计了一种遥控智能小车。小车具有自动、遥控两种模式。该小车在遥控模式下小车可在1公里范围遥控到达指定位置，并在手持设备上显示小车位置坐标；自动模式下在封闭环境输入任意坐标，小车可自动运行到该位置。

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。智能小车设计构想

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。本次设计对智能小车的控制系统进行了研究，设计实现一个基于路径规划处理的智能小车控制系统，实现智能小车最基本的两个功能：循迹、避障。

3.1 主控系统

方案1：采用可编程逻辑器件CPLD作为控制器。CPLD可以实现各种复杂的 逻辑功能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、IO资源丰富、易于进行功能扩展。采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合为大规模控制系统的控制核心。但本设计不需要复杂的逻辑功能，对数据的处理速度要求也不是非常高。且从使用及经济角度考虑我放弃了此方案。

方案2：采用51单片机作为整个系统的核心[7]，用其控制行进中的小车，以实现其既定的性能指标。充分分析我们的系统，其关键在于实现小车的自动控制，而

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在这一点上，单片机就显现出来它的优势——控制简单、方便、快捷。这样一来，单片机就可以充分发挥其资源丰富、有较为强大的控制功能及可位寻址操作功能、价格低廉等优点。因此，这种方案是一种较为理想的方案。

综上所述，我采用了方案二。

3.2 电机驱动模块

方案1：采用继电器对电动机的开或关进行控制,通过开关的切换对小车的速度进行调整.此方案的优点是电路较为简单,缺点是继电器的响应时间慢,易损坏,寿命较短,可靠性不高。

方案2：采用电阻网络或数字电位器调节电动机的分压，从而达到分压的目的。但电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般的电动机电阻很小，但电流很大，分压不仅回降低效率，而且实现很困难。

方案3：采用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。线性型驱动的电路结构和原理简单，加速能力强，采用由达林顿管组成的 H型桥式电路。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态下，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高，H型桥式电路保证了简单的实现转速和方向的控制，电子管的开关速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的 PWM调速技术。

这种调速方式有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，能承受频繁的负载冲击，还可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转等优点。因此决定采用使用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。

综合考虑，本设计选择了方案三。

3.3 循迹模块

方案1：采用简易光电传感器结合外围电路探测，但实际效果并不理想，对行驶过程中的稳定性要求很高，且误测几率较大、易受光线环境和路面介质影响。在使用过程极易出现问题，而且容易因为该部件造成整个系统的不稳定。故最终未采用该方案。

方案2：采用两只红外对管，分别置于小车车身前轨道的两侧，根据两只光电开关接受到白线与黑线的情况来控制小车转向来调整车向，测试表明，只要合理安装好两只光电开关的位置就可以很好的实现循迹的功能。

方案3：采用三只红外对管，一只置于轨道中间，两只置于轨道外侧，当小车脱离轨道时，即当置于中间的一只光电开关脱离轨道时，等待外面任一只检测到黑

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线后，做出相应的转向调整，直到中间的光电开关重新检测到黑线（即回到轨道）再恢复正向行驶。现场实测表明，小车在寻迹过程中有一定的左右摇摆不定，虽然可以正确的循迹但其成本与稳定性都次于第二种方案。

综合考虑，本设计选择方案二。

3.4 避障模块

方案1：采用一只红外对管置于小车中央。其安装简易，也可以检测到障碍物的存在，但难以确定小车在水平方向上是否会与障碍物相撞，也不易让小车做出精确的转向反应。

方案2：采用二只红外对管分别置于小车的前端两侧，方向与小车前进方向平行，对小车与障碍物相对距离和方位能作出较为准确的判别和及时反应。

方案3：采用一只红外对管置于小车右侧。通过测试此种方案就能很好的实现小车避开障碍物，且充分的利用资源而不浪费。

综合考虑，本设计选择方案二。设计原理简述

4.1 循迹原理

这里的循迹是指小车在白色地板上循黑线行走，通常采取的方法是红外探测法。红外探测法，即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，当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射，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，小车上的接收管接收不到红外光。单片机就是否收到反射回来的红外光为依据来确定黑线的位置和小车的行走路线。红外探测器探测距离有限，一般最大不应超过15cm。对于发射和接收红外线的红外探头，可以自己制作或直接采用集成式红外探头。

当小车在白色地面行驶时，装在车下的红外发射管发射红外线信号，经白色反射后，被接收管接收，一旦接收管接收到信号，那么图中光敏三极管将导通，比较器输出为低电平；当小车行驶到黑色引导线时，红外线信号被黑色吸收后，光敏三极管截止，比较器输出高电平，从而实现了通过红外线检测信号的功能。将检测到的信号送到单片机I/O口，当I/O口检测到的信号为高电平时，表明红外光被地上的黑色引导线吸收了，表明小车处在黑色的引导线上；同理，当I/O口检测到的信号为低电平时，表明小车行驶在白色地面上。

循迹流程框图如图4.1所示。

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开始前进N是否检测到黑线Y左转Y判断是否是左边检测到黑线N右转

图4.1 循迹流程框图

4.2 红外避障原理

避障传感器基本原理，和循迹传感器工作原理基本相同，利用物体的反射性质。在一定范围内，如果没有障碍物，发射出去的红外线，因为传播距离越远而逐渐减弱，最后消失。如果有障碍物，红外线遇到障碍物，被反射到达传感器接收头。传感器检测到这一信号，就可以确认正前方有障碍物，并送给单片机，单片机进行一系列的处理分析，协调小车两轮工作，完成一个漂亮的躲避障碍物动作传。

跃迁到导带，成为自由电子，同时产生空穴，电子—空穴对的出现使电阻率变小。光照愈强，光生电子—空穴对就越多，阻值就愈低。当光敏电阻两端加上电压后，流过光敏电阻的电流随光照增大而增大。入射光消失，电子-空穴对逐渐复合，电阻也逐渐恢复原值，电流也逐渐减小。

红外避障流程框图如图4.2所示。

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开始前进N左转是否检测到障碍物NY左红外是否检测到障碍物N左右红外对管都检测到障碍物YY右转后退

图4.2 红外避障流程图 总结及展望

智能小车的研究、开发和应用涉及传感技术、电气技术、电气控制技术、智能控制等学科，智能控制技术是一门跨科学的综合性技术，当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。智能作为现代社会的新产物，是以后的发展方向，它可以按照预先设定的模块在一个特定的环境里自动的运行，可运用于科学勘探等用途，无需人为的管理，便可以完成预期所要达到的或更高的目标。智能机器人正在代替人们完成这些任务，凡不宜有人直接承担的任务，均可由智能机器人代替，可以适应不同环境，不受温度、湿度等条件的影响，完成危险地段，人类无法介入等特殊情况下的任务，智能小车就是其中的一个体现。对于智能小车研究还可以从以下方向展开：在小车上装摄像头进行实时视频监控采集，通过无线传给远端的主机，主机可以发送命令给小车，执行相应的动作等等。还可以扩展其他的模块。就可以广泛的应用于科学研究、地质勘探、危险搜索、智能救援等。

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参考文献

基于单片机多功能智能小车设计 篇3

【摘 要】该多功能智能小车利用51系列单片机STC89C52RC为主控芯片，采用超声波和红外光电传感器对障碍物的识别。采用步进电机对车的转向进行控制等，实现左转、右转、前进、后退、自动规避、检测温湿度等的功能。

【关键词】智能小车；51单片机

引言

智能小车作为轮式机器人的一个重要分支，随着机器人研究的深入受到越来越多人的关注。国内很多高校和研究院所在机器人小车项目上都取得了成绩，也有很多家公司在开发和研制教学及比赛用机器人小车。[1]本设计以利用51系列单片机STC89C52为主控芯片，采用超声波和红外光电传感器进行障碍物的识别与测距定位。采用步进电机对车的转向进行控制等，实现左转、右转、前进、后退、自动规避、检测温度、湿度等多种功能。

一、系统总体设计

系统总体方框图1所示。[2]总体设计控制电路板以STC89C52RC为控制核心；循迹模块可以沿白底黑线或者黑底白线智能前进；电机驱动、超声波和红外可以按照设定程序智能地实现左转、右转、前进、后退、自动规避、检测温湿度等的功能；整个过程由电源供电；小车底盘部件包括了底盘本体、电池盒、左右轮子和尾轮等部件。选用三轮结构车体，车体前方两侧为驱动轮，后方中心装有尾轮，起支撑作用，这样可以保证小车能够灵活循迹。[2]整个设计在保证实现其功能的基础上，尽可能多的降低系统花销。

二、系统硬件

1.循迹模块。

通过对I＼O端口加以信号输入电路，控制电路，执行电路共同完成循迹。本智能小车采用红外循迹模块，通过调节电位器来改变传感器的灵敏度，智能识别小车行走的白色地面上黑线。当小车的一边下方的红外对管放在黑线上，LED灯就会变黑，反之，LED变亮，也就是说，如果小车左侧LCD灯亮，右侧lCD灯不亮，则说明小车左转，如果右侧lCD灯亮，左侧LCD灯不亮，则说明小车右转，如果左侧右侧LCD灯都亮，则说明小车前进。电路图如图2所示。这样我们就可以很方便的根据小车是否沿着黑线行驶来判定小车的运动状态。

2.电机驱动模块。

由电机的正转和反转由电机的正转与反转来完成机器人的前进，后退，左转，右转，遇障碍物绕行，避开边沿等基本动作。L293D是ST公司生产的一种高电压、小电流电机驱动芯片。该芯片采用16脚封装。主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达36V；输出电流大，瞬间峰值电流可达2A，持续工作电流为1A。内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和继电器线圈等感性负载；该芯片可以驱动两台直流电机。

3.超声波模块。

在小车前进的时候会通过超声波不断地进行测距，如果手离小车的距离小于10厘米，小车就会后退，如果手离小车的距离大于15厘米，小车就会前进；如果手里小车的距离大于10厘米而小于15厘米，小车就会停止。从而，小车会智能识别手的距离来相应做出动作。

4.红外避障模块。

本小车采用两路红外避障模块，智能识别左前方和右前方的障碍，通过调节电位器来改变传感器的灵敏度，当前方没有障碍物时，左前方和右前方对应的位置的LED灯会亮。当左前方有障碍物时，左前方的LED灯会熄灭，小车暂停一会儿，后退一点，右转弯。当右前方有障碍物时，右前方的LED等会熄灭，小车暂停一会儿，后退一点，左转弯，当正前方有障碍时一点，左转弯，自主避开障碍物，从而实现智能避障。

5.温湿度模块。

该模块采用DHT11传感器，它是一个含有已校准标准数字信号输出的温湿度复合传感器，应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和长期稳定性。该传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与高性能8位单片机STC89C52RC连接。该传感器已在极为精确的湿度校验室中进行校准，单线制串行接口，比较适合在智能小车上应用。该传感器温度测量范围在0度～50度，温度测量误差在2度左右。湿度测量范围在20%～95%，湿度测量误差在5%左右。

6.红外遥控模块。

本智能小车配套的遥控器上每一个按键都对应一个数据码。遥控器上的按键很多，根据小车运动的需要，选择其中的五个按键来控制小车的巡航动作（前进、后退、左转、右转、停止）。比方说我们想让小车左转，按下按键后小车左转后会继续向前走。这样就实现了使用遥控器来控制小车的运动情况。

7.电源模块。

两节干电池或者直接插到电源上供电。这里就不多赘述了，但需要注意的是小车在不用时要去除电池，这样对小车，对电池都有安全保障。

了解了这几个模块后，我们就可以用底盘本体、单片机，电机、电池盒、万向轮、左右轮子和尾轮等材料组装小车了。

三、系统软件

对于微机控制系统而言，在设计过程中硬件系统只是其中一部分，软件系统的设计是另外举足轻重的一部分，它的主要内容就是如何根据每个生产对象的实际需要设计出应用程序。[3]必须要有：CH340驱动，是一种黑色的连接线驱动即usb转rs232驱动；KeilC51，是美国Keil Software公司（ARM公司之一）出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统；烧录工具STC-ISP-V4.83，用于往单片机内烧写程序。当然，为了方便设计还可以使用其他一些软件。

四、结束语

该智能小车以单片机为核心，采用以上多种模块成功实现左转、右转、前进、后退、自动规避、检测温度、湿度等多种功能。在设计制作完成后着重对数据的精度进行测试，该系统控制下的小车具有很好的识别能力，可靠，稳定，并且易于功能进一步扩展完善。

参考文献：

[1] 王琰，郭燕.基于C51单片机的智能循迹小车设计与实现[J].机电一体化，2013：72-76.

[2] 史洪宇.基于单片机的多功能智能小车的设计[[J].仪表技术，2010（12）：16-18.

浅谈智能控制小车的设计 篇4

设计制作一个智能小车, 该小车能按照要求自动运行, 从建筑物中曲折的道路通过, 并完成规定的动作。设矩形建筑物有2个门A、B, 门宽24 cm, 建筑物是高10 cm、厚2 cm的矮墙, 建筑物内无引导轨迹, 如图1所示。

任务1:

(1) 要求智能小车从A门进入并开始自动计时, 从B门出来, 在行进过程中, 能自动选择适当的路径, 避开墙壁, 找到通路, 3 min之内到达B门;

(2) 到达B门, 停5 s, 小车自动计时并声光报警。

任务2:

(1) 自B门外, 循弧形引导轨迹BC前进 (引导轨迹为2cm宽) ;

(2) 途中检测到铁片D (铁片D放置在轨迹BC前1/2段上的任意位置) 时停车3 s, 并声光报警;

(3) 要求小车拾起铁片D, 继续沿引导轨迹前进;

(4) 到达C点, 在C点处, 放下铁片D并停止前进, 声光显示控制结束, 并停止计时, 分别显示BD、DC段所用的时间, 铁片为直径2 cm的圆形薄片。

2 系统方案

根据设计要求, 本系统主要由微控制器模块、电源模块、避障模块、循迹传感器模块、直流电机及其驱动模块、金属检测模块、角度测量模块、语音提示模块以及液晶显示模块等构成。如图2所示。

2.1 车体方案

制作电动车, 我们制定了左右两轮分别驱动, 即左右轮分别用两个转速和力矩完全相同的直流电机进行驱动, 车体尾部装一个万向轮。这样, 当两个直流电机转向相反转速相同时就可以实现电动车的原地旋转, 由此可以轻松地使小车改变运行方向。

2.2 控制模块

采用STC89C52超低功耗单片机作为主控制器。STC89C52单片机运算速度快, 抗干扰能力强, 支持ISP在线编程, 片内含8 k空间的可反复擦写1 000次的Flash只读存储器, 具有256 bytes的随机存取数据存储器 (RAM) , 32个I/O口, 2个16位可编程定时计数器。

2.3 电机模块

采用直流减速电机。直流减速电机转动力矩大, 体积小, 重量轻, 装配简单, 使用方便, 小车电机内部装有减速齿轮组, 不需要考虑调速功能, 就可以方便地实现单片机对直流减速电机前进、后退、停止等操作。

2.4 电机驱动

因为小车的电机内部装有减速齿轮组, 不需调速功能, 因此采用电机驱动芯片L293D控制减速电机, 该芯片是利用TTL电平进行控制, 通过改变芯片控制端的输入电平, 即可对电机进行正转、反转和停止操作, 亦能满足直流减速电机的要求, 用该芯片作为电机驱动具有操作方便、稳定性好等优点。

2.5 避障模块

用漫反射式光电开关即红外光漫反射式光电传感器进行避障。其原理是当前面有被检测物体时, 物体将发射器发出的红外光线反射到接收器, 于是光电传感器就产生了开关信号。当有光线反射回来时, 输出低电平。当没有光线反射回来时, 输出高电平。

2.6 循迹模块

用光敏电阻组成光敏探测器。光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变化。当光线照射到白线上面时, 光线发射强烈, 光线照射到黑线上面时, 光线发射较弱。因此光敏电阻在白色轨迹上方和黑色轨迹上方时, 阻值会发生明显的变化。将阻值的变化值经过比较器就可以输出高低电平。单片机据此来判断小车是否偏离轨道, 并根据反馈来的不同的电平信号, 发出相应的控制操作命令来校验小车的位置, 以完成小车的循迹任务。

2.7 金属传感器模块

电感式接近开关属于一种有开关量输出的位置传感器, 它由LC高频振荡器和放大处理电路组成。金属物体在接近电感式接近开关的震荡感应头时, 电感式开关产生电磁场, 使物体内部产生涡流。这个涡流反作用于接近开关, 使接近开关振荡能力衰减, 内部电路的参数发生变化, 由此识别出有无金属物体接近, 进而控制开关的通或断。

3 硬件系统的设计与功能实现

3.1 控制小车主线路板制作

在线路板制作设备的选择上, 我们使用LPKF ProtoMat R S62电路板刻板机。LPKF线路板雕刻机ProtoMat R S62的精确度较高, 分辨率高达0.25μm。可快速制作各种复杂的对精度要求较高的线路板。

3.2 微控制器电路的设计与原理

微控制器电路是整个智能控制小车系统的核心控制部分, 它负责对各路传感信号的采集、处理、分析及对各部分硬件电路进行调整。本设计制作的智能控制小车系统以STC89C52单片机最小系统电路为整个系统的控制电路, 通过各种传感器电路, 采集各种传感器信息, 以发出各种控制信号命令, 来完成相应的操作, 单片机控制电路原理图如图3所示。

3.3 电源电路原理与设计

电源电路为系统提供基准电源, 是整个系统工作稳定性之关键所在, 本系统采用7.2 V可充电动力电池组, 可反复利用, 动力电池组具有较强的电流驱动能力及稳定的电压输出性能。其充电电路原理图如图4所示。

3.4 电机驱动电路的原理与设计

本设计中采用电机专用驱动芯片L293D, 为单块集成电路、高电压、高电流、四通道驱动。设计用来接收DTL或者TTL逻辑电平, 驱动感性负载 (比如继电器、直流电机) 和开关电源晶体管。内部包含4通道逻辑驱动电路。其额定工作电流为1 A, 最大可达1.5 A, Vss电压最小4.5 V, 最大可达36 V。

L293d可直接对电机进行控制, 无须隔离电路。通过单片机的I/O输入改变芯片控制端的电平, 即可以对电机进行正反转、停止的操作, 操作非常方便, 亦能满足直流减速电机的大电流要求。调试时用程序输入对应的码值, 即可以实现对应的操作。其驱动电路原理图如图5所示。

3.5 避障电路的原理与设计

用漫反射式光电开关进行避障。光电开关实际是发射端与接收端于一体的检测开关, 其工作原理是根据发射端发出的光束, 被物体反射, 接收端据此作出判断是否有障碍物。当有光线反射回来时, 输出低电平。当没有光线反射回来时, 输出高电平。单片机根据接收端电平的高低作出相应控制, 避免小车碰到障碍物。小车采用漫反射式传感器进行避障的电路原理图如图6所示。

3.6 光电开关的安装

在避障传感器的设计中, 我们在车体底盘的前端装有4个传感器, 以起避障的作用。4个传感器的安装位置与安装方法相一致。

3.7 循迹电路的原理与设计

采用RPR220型光电管完成系统循迹任务, 循迹电路是小车沿着场地的黑色弧形引导轨迹BC进行前进和位置校正, 且小车不能偏离该轨迹。传感器的数据线输出信号为开关量, 可直接与单片机的I/O引脚相连接, 硬件电路实现比较简单。

在循迹检测传感器设计中, 我们在车体底盘的前端装有2个传感器, 用来检测黑色弧形轨迹, 起到循迹前进的作用。

3.8 金属检测电路的原理与设计

金属传感器性能的好坏对于该系统的功能是否能实现起着十分重要的作用。我们选用的是LJ12A3-4-Z/BX型号的电感式接近开关进行金属检测工作, 其电路原理如图7所示, 由于其数据输出端通过5.1K上拉电阻, 输出的是TTL电平, 输出信号为开关量, 可直接与单片机的I/O引脚相连接, 硬件电路简单, 容易操作。

3.9 铁片转移电路原理与设计

铁片转移电路主要运用线圈通电产生磁场的原理, 借助其所产生的磁场, 把金属传感器检测到的铁片按相关要求转移到指定位置, 本设计电路中是将线圈的输入端直接与单片机的I/O相连接, 通过改变单片机引脚的高低电平即可以改变线圈磁场。

3.1 0 语音提示电路的原理与设计

本设计中的智能救援小车的语音提示系统由IDS1420录放音模块和功率放大电路组成。语音提示电路主要用来提示救援小车的工作状态。IDS1420语音电路的原理图如图8所示。

3.1 1 系统其他功能的扩展

(1) 通过无线遥控电路实现小车的无线控制和操作。 (2) 通过编码盘测量小车速度和路程功能。 (3) 采用ADC0832组成的电压测量电路, 并通过液晶显示控制小车系统电池组的电压。以5.5 V为参考电压, 低于5.5 V报警提示充电。

4 主程序流程图

主程序流程图如图9所示。

5 系统功能测试

(1) 首先把小车放在场地的入口处, 按照规定的要求, 智能控制小车从A门进入自动选择路径从B门出来。在行驶过程中, 控制小车可以自动选择路径行走, 其行走路线如图1所示。智能控制小车从A门进入后开始计时, 并通过液晶显示器来显示控制小车系统所消耗的时间, 再从B门出来。在行进过程中, 控制小车可以自动避开墙壁, 找到通路, 可以在3 min之内到达B门, 在B门处, 小车检测到黑色标志, 停止运行, 同时发出声光, 提示任务1测试完毕。

(2) 控制小车从B门外, 通过循迹黑色弧形引导线BC前进 (引导轨迹为2 cm宽) , 在循迹黑色弧形引导线途中, 通过接近开关电路检测到铁片D时停车3 s (注意:铁片D放置在轨迹BC前1/2段上的任意位置) , 并由语音电路发出语音提示, 由LED发光电路发光提示。单片机通过金属传感器电路采集到金属信息时, 相应的磁感应电路接通, 并产生磁场, 利用线圈通电时可产生磁场的原理捡起铁片, 捡起铁片之后金属传感器的检测信号不再发生变化, 控制小车继续沿黑色引导轨迹前进。当控制小车到达黑色弧形引导轨迹线的终点C之后, RPR220型光电管电路通知单片机控制小车已完成本次控制任务, 单片机通过控制相应的电机驱动电路停止电机的运行, 改变相应的磁感应电路的电平状态放下铁片D, 液晶显示电路分别显示走过BD、DC段轨迹所消耗的时间。同时在此过程中, 单片机控制语音电路发出语音提示, 指示控制小车的控制任务结束。

智能控制小车系统的功能参数如表1、表2所示。

6 结语

测试表明, 小车能够较好地完成本文所要求的任务。同时本智能控制小车的特色是:用漫反射式传感器进行避障, 灵敏度高, RPR220型光电管能稳定地完成循迹, 控制小车应用了电感式接近开关检测铁片, 经测试我们发现, 其检测金属准确, 灵敏度较高, 液晶显示效果良好, 语音播报清晰, 智能控制小车系统运行正常, 各模块电路参数稳定, 较好地完成了既定任务。

参考文献

[1]刘昌华, 等.8051单片机的C语言应用程序设计与实践.国防工业出版社, 2007

[2]康华光.电子技术基础 (模拟部分) .高等教育出版社, 1999

[3]康华光.电子技术基础 (数字部分) .高等教育出版社, 1980

毕业设计任务书(智能小车) 篇5

毕业设计(论文)任务书

课题名称

系别

专业

姓名 基于单片机智能小车的设计 电子与信息工程学院 城建电子学号

2011 年 2 月 20 日至 2010 年 6 月 22 日共 17 周指导教师签字

系主任签字 201日 年 1 月

一、毕业设计（论文）的内容

毕业设计（论文）是高等学校培养学生的最后一个环节。是锻炼和培养学生综合运用本专业学科的基础理论知识、专业知识和基本技能，提高综合分析问题和解决问题的能力，实现研发和技术人员的初步训练，使学生具有从事科学研究初步能力的重要环节，并且它是学生承担技术性工作前的一次理论联系实际的实践。学生通过设计(论文)综合运用所学的基础理论和专业知识，理论联系实际，提高分析问题和解决本专业从事研发和工程应用问题的能力，为以后走上工作岗位打下一定的基础。

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。设计的智能电动小车应该能够实时显示时间、速度、里程，具有自动寻迹、寻光、避障功能，可程控行驶速度、准确定位停车。本系统以设计题目的要求为目的，采用80C51单片机为控制核心，利用光电等传感器检测道路上的障碍，控制电动小汽车的自动避障，快慢速行驶，以及自动停车，并可以自动记录时间、里程和速度，自动寻迹和寻光功能。整个系统的电路结构简单，可靠性能高。

二、毕业设计（论文）的要求与数据

本课题的任务主要是设计采用以80C51 为控制核心，利用光电等传感器检测道路上的障碍，控制电动小车的自动避障，快慢速行驶，以及自动停车，并可以自动记录时间、里程和速度，自动寻迹和寻光功能。

本课题由6位学生完成。现就6位学生的具体分工叙述如下：

1．同学负责主控制电路的方案设计和实现；

2．同学负责电机驱动电路及方案设计和实现；

3．同学负责传感器电路的设计和相关程序设计和调试；

4．同学负责小车控制策略程序设计和调试。

三、毕业设计（论文）应完成的工作

1． 查阅有关资料（51单片机、传感器技术、电机驱动与控制等）；

2． 熟练掌握51单片机开发系统；

3． 根据课题要求，分别进行硬件和软件的设计，使用Protel99SE设计出硬件原理图和PCB板图，并制作出印刷电路板，然后进行系统的安装与调试完成课题的设计功能；

4． 完成12000字左右的论文；

5． 翻译3000~5000字的英文资料。

四、毕业设计（论文）进程安排及实习安排

五、应收集的资料、主要参考文献及实习地点

[1] 何立民，单片机应用系统设计，北京：航天航空大学出版社，2～5,46～50

[2] 李广弟，单片机基础，北京：北京航空航天大学出版社，2001,56～64

[3] 何希才，新型实用电子电路400例，电子工业出版社，2000年,60～65

[4] 赵负图，传感器集成电路手册，第一版,化学工业出版社，2004,590～591

[5] 陈伯时，电力拖动自动控制系统，第二版，北京：机械工业出版社,2000年6月,127～

130

[6] 张毅刚，彭喜元，新编 MCS-51 单片机应用设计，第一版，哈尔滨工业大学出版社，2003,25～27,411～417

智能小车控制器设计 篇6

【摘要】本设计以飞思卡尔单片机MK60DN512VLL10为核心芯片，通过信号收集处理并控制智能车各个硬件，实现对小车的远程遥控控制，避免碰触障碍物，利用超声波传感器检测道路上的障碍物，行驶时间、速度、里程的显示等几大功能，并对其功能进行测试，整个控制系统设计结构简单，电路功耗低，所用元器件低价高性能，可靠性强，测试结果与预期结果一致。

【关键词】飞思卡尔单片机 电机驱动 红外遥控 超声波避障 红外避障

【中图分类号】G64【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2015）07-0224-01

引言

近年来汽车工业迅速发展，其中无人驾驶更受汽车工业发面的重视，道路识别、前进、倒车、红绿灯检测、道路行人识别与避障、速度控制等都是汽车工业无人驾驶方面的重要内容，与此同时，关于汽车方面的研究也越来越多。全国电子竞赛、各高校电子竞赛、飞思卡尔杯全国大学生智能车竞赛等都有一智能车设计为题材，参设竞赛，可见智能车方面的研究已越来越受关注。越来越多的高校都开始重视这方面的研究，可见其具有重要的研究和推广意义。

1.系统总体设计概述

智能小车大体可分为由车体地板、单片机、电机、舵机、超声波传感器、红外对管、红外遥控等模块组成（见图1）。小车以飞思卡尔单片机K60为控制核心，实时监测接收由红外对管传感器、超声波传感器、红外遥控传感器发送出来的信号，并对其信号进行解密处理，提取有效信号，控制舵机的转向、电机速度、液晶显示，和障碍报警。

2.电机驱动电路

本设计由两个BTS7970构成的H桥驱动电路实现驱动（如图2）。由于采用了高性能的驱动电路，在程序上运用PWM波控制控制电机的转速和启停，加上使用编码器准确的测速，利用PID算法控制PWM波，当编码器将速度信息返回给单片机后，单片机自动进行比较给定的速度和实际测量的速度，然后将差值反馈给PID，通过适当的PID算法控制电机的PWM波，使得电机速度快速达到预定值。

3.避障、循迹模块电路

采用红外避障、循迹传感器，这是一种由红外发射管与红外接收管共同构成的光电传感器。光电开关就是利用这种电信号的变化而设计的。当这种电信号比较强时，说明有障碍物反射了红外发射管发出的红外线，光电开关为关状态，当电信号较弱时，说明没有障碍物反射红外线，观点开关为关状态， 红外避障传感器就是利用光电开关的这一开关特性而设计的。当检测到障碍物时，光电开关为关状态，单片机采集到这个信号后，立即对舵机、电机的状态进行改变，已达到避障的目的。

4.远程遥控

针对远程遥控技术，本设计中使用了目前使用较为广泛的一种通讯和远程遥控技术，由于红外线遥控装置具有体积小、功耗低、功能强、成本低等特点，因而，继彩电、录像机之后，在录音机、音响设备、空凋机以及玩具等其它小型电器装置上也纷纷采用红外线遥控。

本设计使用一体化红外线接收器，是一种集红外线接收和放大于一体，不需要任何外接元件，就能完成从红外线接收到输出与TTL电平信号兼容的所有工作，而体积和普通的塑封三极管大小一样，它适合于各种红外线遥控和红外线数据传输。

5.系统软件设计

本设计采用模块化设计方法，在AIR Systems环境下采用C语言编写程序。相关程序主要包括主程序、无线接收、电机驱动、避障、循迹、舵机控制、速度控制、按键、液晶显示等程序模块。

单片机通过不断的循环检测各个模块发送过来的信号，当检测到有无线遥控信号时，立刻切换到遥控模式，然后进行相应的动作，如果没有检测到无线信号，则继续进行自动行驶模式，根据避障、循迹、超声波等模块采集到的信号，自动进行相应的动作，比如电机的速度控制、舵机的转角控制、液晶显示、障碍报警、脱离赛道报警等动作。

6.总结

本设计使用了在汽车工业领域的芯片行业具有一定主导地位的芯片公司（飞思卡尔）所生产的32位核心控制器——MK60DN512VLL10单片机，其具有多路时钟发生器（MCG），配置有四种时钟：内核时钟（core）、总线时钟（bus）、外部总线时钟（FlexBus）、Flash 时钟（Flash clock），最高时钟的频率高达180MHz，具有高速的运行能力，另外带有看门狗电源模块，通过程序控制可达到待机状态，具有低功耗的优点。利用此款单片机设计一辆可智能避障行驶前进，外加各种数据采集、显示实时行驶情况，故障、危险报警等一系列动作的全自动小车。

参考文献：

[1]雷贞勇，谢光骥.飞思卡尔智能车舵机和测速的控制设计与实现[J].电子设计工程，2010（02）

[2]王晶，翁显耀，梁业宗.自动寻迹小车的传感器模块设计[J].现代电子技术，2008，22（3）：192-194

[3]张拓，戴亚文.基于AT89S52单片机的智能循迹机器人设计[J].机电工程基础，2009，1（3）：13-15

[4]吕泉.现代传感器原理及应用[M].北京：清华大学出版社，2006.

智能小车控制器设计 篇7

智能小车又称轮式移动机器人,集环境感知、规划决策、自动行驶等功能于一体,集中地运用了自动控制、模式识别、传感器技术、电气、计算机、机械等多方面学科的知识[1]。

如何使智能小车具有高控制精度和性能,控制系统起着重要的作用。利用传统的PID控制智能小车直流电机难以满足动态性能、高精度和高性能要求[2]。

本文利用模糊-PID对智能小车进行速度控制,首先利用Matlab进行了仿真研究,在此基础上,以单片机为核心,设计了智能小车模糊-PID调速系统,通过小车良好运行,验证了设计系统的准确性。

1 模糊-PID控制

在常规PID控制中,当PID控制器的结构和算法已经确定,控制品质的好坏主要取决于控制参数选择是否合理。通常,不同的偏差e和偏差变化率ec,对PID控制器参数Kp、Ki、Kd的整定要求不同[3]。

模糊-PID是在常规的PID基础上,以被控对象的反馈值与目标值的误差e和误差变化率ec作为输入,用模糊推理的方法对PID的参数Kp、Ki、Kd进行在线自整定,以满足不同e和ec对控制器参数的不同要求,从而使被控对象具有良好的动态性能和静态性能。图1为该控制器结构图。

模糊-PID控制器输入为e和ec的模糊集E,EC。输出为△Kp、△Ki、△Kd。设量化论域均为{-1,1}。为了方便计算,模糊语言子集E、EC和△Kp、△Ki、△Kd均为“正大(PB)”、“正中(PM)”、 “正小(PS)”、 “零(ZO)”、 “负小(NS)”、“负中(NM)”、“负大(NB)”7个模糊子集。采用均匀分布三角形作为模糊隶属函数。模糊推理采用最大-最小方法,而清晰化法采用重心法。

建立模糊规则表,如表1所示。

2 模糊-PID系统仿真

利用Matlab/Simulink,对直流电机调速系统采用传统PID控制与模糊-PID控制,对不同调速系统在阶跃信号下的动态响应进行了对比。

2.1 直流电动机数学模型[4]

根据电压定律,得到电枢贿赂的微分方程式:

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其中,ed为电动机电枢反电势,Rd为电动机电枢回路电阻,Ld为电动机电枢回路电感,id为电动机电枢回路电流。

电机产生的反电动势为:

ed=Cen (2)

因此由式(1)和(2)得到电机的动方程式:

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在无负载的理想机械运动方程的微分形式为:

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M为电动机的转矩,GD2为电动机的飞轮惯量。

M=Cmid (5)

Cm为电动机的转矩常数。

将上述各式,消去中间变量M、id,整理并进行拉氏变换,得直流电机的传递函数:

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电机参数:额定电压Ue=12V, 额定功率Pe=3.2W,转速ne=1200rpm,电枢电流Ie=100mA,电机时间常数Tm=11ms,通过计算直流电机相关参数,得到传递函数为:

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2.2 Matlab/simulink仿真

在Matlab软件中,运行Fuzzy函数进入模糊逻辑器,建立模糊控制器。在Simulink中搭建直流电机PID-模糊控制模型。结果保存在workspace中。

图2为常规PID与模糊-PID控制比较图。仿真结果表明,模糊-PID控制系统动态性能、稳定性能比常规PID控制系统好,既能减小振荡,又能较好达到稳态。系统的鲁棒性、稳态精度高。

仿真为后面智能小车程序设计做好准备。

3 模糊-PID直流电机调速系统设计

3.1 智能小车硬件组成

智能小车由车体、直流电源模块、检测模块、控制模块、电机驱动模块和辅助调试模块构成。控制模块采用MC9S12DG128B单片机。系统结构如图3所示。

电源模块为系统各个模块提供可靠工作电压。本设计中采用6V直流电压。由于电路中不同电路模块所需要的工作电压和电流容量各不相同,因此需要电源进行稳压,转换为所需电压。

检测模块主要为速度检测与路径检测。路径检测采用红外发射头与接收管进行判断。

利用LG9110芯片进行电机的驱动。

3.2 调速系统结构

利用MC9S12DG128B单片机产生PWM,采用模糊-PID控制算法,对智能小车进行速度控制。速度检测采用反射式红外传感器加编码盘对速度进行测试。调速系统组成如图4所示。

3.3 程序设计

实现模糊-PID控制有两种方法,方法一是硬件法,另一是软件法。硬件法是通过专用硬件模糊控制器,直接在硬件模糊芯片上实现模糊 控制全过程。软件法是模糊控制的3个主要步骤在MCU上通过编程实现,目前大致分为查表法、公式法和推理法3种。本设计编程采用推理法。图5为模糊-PID程序流程。

根据上述仿真,利用推理法从模糊规则语句中直接推出结果,存入存储器中。

4 结束语

从最后智能小车的运行情况得到,采用本方案设计的小车,能很好地减少小车调整速度的时间,系统可靠性得到提高,运行稳定,定位准确,达到了设计的要求。

参考文献

[1]唐平江,周永华.基于自适应模糊PID智能车用直流电机控制器仿真研究[J].微型机与应用,2011,30(14):79-81.

[2]肖金凤,盛义发,等.模糊-PID混合控制直流电机调速系统设计[J].微电机,2011,44(5):56-59.

[3]常满波,胡鹏飞.基于MATLAB的模糊PID控制器设计和仿真研究[J].机车电传动,2002(5):34-36.

智能小车控制器设计 篇8

关键词：蓝牙通信,移动智能终端,智能小车,车载电子

0 引言

本设计的思路是基于以下几个方面:首先,随着车联网的普及,使得车载电子系统对整个车的影响非常大;其次,蓝牙技术的普及,在智能家居中和车载电子系统中的应用有很大的前瞻性;第三,移动智能终端设备在人们的生活中越来越重要,人类已经进入了移动互联网时代,移动互联网智能终端设备的使用给人们的生活带来了很大便捷,同时在车载社会中也有巨大的优势;最后,由于笔者就职单位与一家汽车电子公司正在共同开发新一代全景泊车系统、行车记录仪等车载安全系统,通过无线网络连接到手机上实时显示车身周围的信息,给驾驶员带来了很大的方便[1]。

1 总体设计方案

本设计的研究内容包括小车的工作原理、单片机系统的软件和硬件、电机驱动系统、蓝牙通信系统[2],Android手机APP设计,如图1所示。本设计需要达到的目标如下:

(1)可以通过Android手机客户端操作界面实现小车的前进、后退、右转弯、左转弯、倒车右转、倒车左转等功能;

(2)结合Android系统开源特点、蓝牙短距离无线传输的优势以及单片机操作的简便,实现手机的基本控制功能;

(3)可以在小车行走过程中通过Android手机客户端利用APP界面的“按钮”、重力、语音分别改变小车运动状态;

(4)在超出蓝牙控制范围时,小车能够自动停止运动。

1.1 上位机软件设计

上位机开发使用的是由IBM提出的Eclipse开发环境,该开发环境功能完善、比较成熟。而Android是一个多任务操作系统[3],在执行一个应用程序时,可以把这个应用程序放在后台,然后另外又执行其他的应用程序。但每多执行一个程序,就会多耗费一些系统内存,如果同时执行的任务过多或者没有释放之前执行任务的内存,Android系统运行起来就会变慢,甚至变得不稳定。图2是上位机软件设计方案图。

1.2 下位机软件设计

下位机(单片机简称下位机)软件开发环境使用的是KeilμVision 4开发环境,根据主控制器的要求选择KeilμVision 4的Keil C51开发环境对整个下位机软件进行开发,其开发语言使用的是C语言[4]。下位机软件系统方案如图3所示。

2 设计方案特点及扩展说明

本设计主要是将单片机电子技术、蓝牙通信技术和计算机软件技术等相关技术进行融会贯通,设计了该智能小车系统。

在主控芯片选择时,选取功能俱全、价格低廉的芯片,通信方式上,选用最新的蓝牙4.0技术,同时结合了移动智能终端来控制小车[5]。设计方案的特色如下:

(1)小车的主控芯片选用宏晶公司的STC89C52,其具有8 k B的FLASH,3个定时器,软件编程难度适宜,且芯片资源足够本系统使用。

(2)通信方式采用串口通信,利用蓝牙技术实现对小车的控制。短距离通信方式主要有:Bluetooth,ZigBee,Wi Fi,UWB和NFC,相比这五种无线短距离通信,蓝牙在移动智能终端的成本是最低的,同时在车载音响设备中已经有了应用,因此本方案选择蓝牙作为通信方式。

(3)近几年移动智能终端发展得越来越快、越来越好,手机、平板等都已进入了智能家居中,且这些设备都具备蓝牙功能,在小车控制端选择Android手机作为控制平台是时代的潮流。

3 方案难点及关键技术

该方案难点在于:Android手机客户端的APP编程。因为小车控制有虚拟按键、重力、语音三种控制方式,这样在上位机编程上有很大的技术难点;蓝牙模块与下位机的串口通信和与上位机的无线通信。为了避免通信故障,在确定通信协议上有一定的难度;小车四个驱动电机的供电、主控芯片的供电和蓝牙模块的供电。

关键技术有:制定通信协议;设计Android手机APP;整个小车的供电系统。

4 系统仿真与结果分析

4.1 蓝牙控制小车整体外观

蓝牙控制智能小车整体实物图如图4所示,图5为小车的侧视图。整个小车有上位机和下位机两部分组成,小车控制器部分主要包括直流电机控制,蓝牙通信,电池供电等。

4.2 系统整体调试

蓝牙控制智能小车最终实现的功能有:可以通过Android手机客户端操作界面实现小车的前进、后退、右转弯、左转弯、倒车右转、倒车左转等功能;可在小车行走过程中通过手机客户端利用APP界面的“按钮”、重力、语音分别控制改变小车运动状态;在超出蓝牙控制范围时,小车能够自动停止运动。主要调试内容如下:

(1)蓝牙通信测试。用APP按键控制小车的前进后退,小车可以进行相应的转向操作,证明通信系统没有问题,然后测试重力感应[6]和语音控制,小车均正常工作。

(2)小车运动测试。当小车收到手机APP发送的前进后退指令后,单片机会解析其指令并控制四个直流电机做相应的“动作”。“按键”、重力、语音三种控制方式,在软件设计时采用了一定的技巧,单片机解析命令时不需要解析其是三种控制方式的哪一种,只需要解析前进、后退、左转、右转和停止五个命令。

5 结语

通过多次反复调试和修改代码,成功实现了蓝牙小车预设的所有功能,在10 m范围内通信稳定,控制可靠灵活。只是在上位机与下位机联调的过程中遇到过一些麻烦,经过不断的优化代码最终实现了通信、控制“无障碍”。方案的意义在于将单片机电子技术,蓝牙通信技术和智能终端设备有效的结合,深化了车联网的概念,为车载电子的无线通信设计提供了一定的参考价值,本方案可推广到车载蓝牙系统,智能家居等领域。

参考文献

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[5]海登.低功耗蓝牙开发权威指南[M].陈灿峰,刘嘉,译.北京:机械工业出版社,2014.

智能小车控制器设计 篇9

随着材料科学的快速发展, 快速成型技术在各个领域均有极大延伸, 本文设计的智能小车以车模为载体, 车模主要利用3D打印技术实现。控制功能模块主要包括:电源模块、传感器模块、直流电机驱动模块以及智能识别控制模块等。单片机通过光电传感器采集道路信息, 根据算法分析得出此时的智能车与道路的偏离状况, 然后再据此采用一定的控制算法控制智能车的舵机转向和直流电机的速度, 从而实现智能车对路径的自动识别与循迹。

二、智能车结构与外形设计

本文中所设计的智能小车首先通过使用三维设计软件设计智能车结构框架和基本器件的三维模型, 然后利用3D打印技术, 以三维模型为蓝本, 通过软件分层离散和数控成型系统, 利用激光束、热熔喷嘴等方式将工程塑料这种“打印材料”进行逐层堆积粘结, 最终叠加成型, 制造出智能车结构框架和需要的器件。

三、系统总体方案的设计

智能车是在车模结构的框架上, 搭上硬件结构。智能小车主要由单片机控制系统、电机驱动电路、灯光控制模块、转向控制电路、超声波测距模块、时钟电路、无线接收模块、避障模块、循迹模块组成。其工作流程如下:超声波测距模块、无线接收模块、避障模块、循迹模块等将采集或接收到的信息传送给单片机, 单片机对信号解码后, 控制相应的模块电路, 进而实现响应的功能。系统总体结构框图如图1所示。

(一) 单片机主控模块。

设计智能小车的主控模块采用宏晶科技推出的新一代超强抗干扰、高速、低功耗的单片机STC89C52, 它能够对外围地面信息进行处理, 并根据一定的算法对舵机和电机进行控制。同时它还控制着数码管的显示, 控制参数的设定等工作。

(二) 避障模块。

避障电路采用光电传感器, 利用被检测物体对红外光束的遮光或反射检测有无障碍物;采用型号为E18-D80NK的NPN常开型反射式光电传感器;漫反射光电开关E18-D80NK可以检测前方0~80cm (可以调节) 障碍物, 当无障碍物时输出为高电平, 遇障碍物时输出低电平而触发中断, 单片机发送指令驱动电机做出相应避障动作。这是一种集发射与接收于一体的光电传感器。检测距离可以根据要求进行调节。该传感器具有探测距离远、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、使用方便等特点, 可以广泛应用于机器人避障、流水线计件等众多场合。

(三) 无线收发模块。

本设计中的无线收发模块是采用新一代ZK-07无线蓝牙数传模块, 能够透明传输任何大小的数据, 而用户无须编写复杂的设置与传输程序。同时具小体积, 宽电压。模块外部接口采用透明数据传输方式, 能适应标准或非标准的用户协议, 所收的数据就是所发的数据。同时蓝牙从机设备能方便与蓝牙适配器, PDA与带蓝牙的手机串通信非常方便。本方案通过蓝牙模块将Android手机与智能小车进行连接通讯, 在Android手机上安装控制小车软件, 进而控制小车行驶。

(四) 循迹模块。

本设计中将三对红外对管置于小车的前方, 根据接收管接收信号与否来控制小车的运动方向, 如果小车接收到信号, 则表明前方有障碍物, 则小车后退一段时间, 然后旋转一个角度避开障碍物, 再继续向前行进, 对小车后退及转弯的时间进行合理的设置, 便可以很好地实现小车的避障功能。智能小车寻迹控制电路见图2。

四、系统软件设计

采用模块化设计方法, 在Keil uversion3环境下采用C语言编写程序。相关程序主要包括主程序、键盘扫描程序、遥控控制程序、电机驱动程序、避障控制程序等。主程序流程图如图3所示。

五、结语

本文使用了高速、高可靠性、低功耗的8位单片机STC89C52为控制核心, 设计制作了一款具有智能判断功能的小车, 并设计了成块化的电机驱动模块、避障电路模块、红外感应模块、雷达监测模块、报警模块、无线通讯模块。经过对小车的调试以及实际场地实验, 测试结果表明该小车完全实现了预定的目标和功能, 且实现了小车的蓝牙遥控控制、避免撞到障碍物、行驶速度数码管显示等功能。整个系统采用模块化设计, 使得系统具有良好的可升级性和扩展性, 具有一定的使用价值。

摘要：设计一种以STC89C52单片机为核心的智能小车, 利用蓝牙遥控实现小车的启停和转弯;利用超声波传感器检测道路上的障碍, 实现壁障行驶功能;采用3D打印技术为小车设计框架、外形等基本结构。整个系统的电路结构简单、可靠性高、功耗低、性价比高, 测试结果满足功能要求。

关键词：STC89C52单片机,智能小车,红外遥控,超声波避障

参考文献

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[3] .谭浩强, C程序设计 (第四版) [M].北京:清华大学出版社, 2010, 6:1~84

智能小车控制器设计 篇10

随着现代化工业的发展,自动化控制出现了许多新的要求。“PC+运动控制器”是目前开放式数控系统中最常见的形式。主PC用于人机界面、存贮和通讯,DSP或A-SIC作从属CPU来实现实时控制、I/O中断和计算等。而嵌入式技术依靠其体积小、成本低、功能强、可裁剪等特点,适应了工业自动化发展的最新要求[1,2,3,4,5]。单片机作为控制系统的微处理器,在数据处理和代码存储等方面都已经无法满足系统的需求,ARM微处理器资源丰富,具有良好的通用性,其主要优点是高性能、低价格、低功耗。ARM本身是32位微处理器,但却集成了16位的Thumb指令集,这使得ARM可以代替16位的处理器如51系列单片机使用,同时具有32位处理器的速度。基于ARM的嵌入式系统其性能优良,移植性好,已广泛应用在各个行业,因此将ARM微处理器应用于智能小车的控制系统是一种较好的选择。

基于此,作者研究了一种基于ARM控制的智能小车,提高了对直流电机的控制效率,在ARM上移植了Windows CE操作系统,设计出了友好的人机界面,使开发过程变得容易。并对控制系统进行模块化设计,有利于智能小车的功能扩展和升级。

2 多功能智能小车结构设计

智能小车底盘采用三轮结构,前轮为万向轮,起支撑作用,不起导向作用。两个后轮采用独立的直流点击驱动,采用差动方式转向,通过控制左右电机转速和转向来实现小车的速度控制及实现小车的前进、后退、停止、左前转和右前转等功能。小车车体主要为两个直流电机驱动装置,分左轮驱动和右轮驱动。前轮为万向随动轮,在车体的下面有一个可以安装6节电池共7.2V的电池盒,小车的电源就是由它来提供的。在小车的底部有一个拨动开关,它负责控制整个小车的电源开通与关断。小车的前面安装有超声波传感器发射装置。小车的Solid Works如图1所示。

3 智能小车控制系统设计

多功能智能小车控制系统示意图如图2所示。

智能小车控制系统包括以下模块。

(1)主控模块

本控制系统的微控制器采用三星公司的S3C2440。它负责语音命令信号、语音回放编码信号、摇杆控制信号、遥控控制信号、超声波遇障信号的采集和直流电机PWM调速控制信号、超声波启动信号的发送,从而实现对各功能模块的全局协调控制。

(2)语音识别与回放模块

语音识别分为训练阶段和识别阶段:训练阶段的任务是建立识别基本单元的声学模型;识别阶段的任务是采用语音分析方法分析出语音特征参数,按照一定的准则和测度与系统模型进行比较,通过判断得出识别结果。本系统中的语音识别模块主要对有限的五个语音命令(前进、停止、后退、左转、右转命令)进行识别判断后,把命令信号进行编码并通过I/O口发送给主控芯片,主控芯片对命令信号进行处理,调用相应的子程序做出相应的动作回应。语音回放芯片内部集成语音信号放大、滤波、采样、A/D转换等模块。

(3)超声波避障模块

本系统采用渡越时间法测距[6],即D=Ct/2,其中D为移动机器人与被测物之间的距离;t为超声波从发射到返回的时间间隔,即渡越时间;C为声波在介质中的传输速率,一般认为超声波在空气中传播速率C为340m/s。由于单个超声波传感器具有探测波束角大、方向性差、只能获得目标的距离信息而不能准确地提供目标的边界信息、稳定性不理想等缺点,本系统采用了两个传感器,并利用ANN的方式对两个传感器的数据进行融合来提高探测精度,当测得障碍物的距离小于设定安全值时,中断调用停止子程序,使小车平稳减速停止,并启动语音回放模块进行语音提示,从而保证了小车行驶安全。

(4)操纵杆控制模块

操纵手柄主要由多轴控制器、手制动开关、档位按钮、手柄及导线组成。它将小车的行驶动作,如前进、后退、左转、右转和停止转换为相应的电信号并通过ARM的I/O口输入,ARM接收到控制命令后,调用相应的函数,产生PWM控制信号,从而实现小车的电机驱动控制。

(5)直流电机驱动模块

采用ARM芯片的脉宽调制器PWM来驱动直流电机,通过改变PWM信号的占空比来进行直流电机的速度调节,通过H桥电路来实现电机正反转的控制,直流电机功率驱动的具体电路如图3所示。直流电机驱动电路中的场效应管的驱动采用了光电隔离,这样就将直流电机的工作电源与ARM嵌入式系统的工作电源隔离开来,提高了ARM控制系统的可靠性和稳定性。

(6)电机转速检测模块

电机轴转速检测反馈电路系统中利用增量式光电编码器检测直流电机的实际转速,光电编码器信号一般有VCC、GND、A、B和Z,这里只连接电源和A信号,作为直流电机轴的位置和速度信号反馈。编码器反馈的脉冲信号经过光电耦合器对编码器内部的OC输出信号加上拉电阻(图4中R1),经过光电耦合器后信号经过RC滤波后送给ARM的外部中断INT0,在INT0的中断服务程序中对直流电机的转速进行检测,实现速度反馈。

4 智能小车控制系统软件设计

通过程序设计实现对智能小车的平稳运行控制。计算出合理的PWM值使小车在启动与停止时平稳加减速。转弯时采用电子差速控制,电子差速(Electrical Differential,简称ED)是一种以纯软件方式使各动力轮的行驶速度满足一定约束关系的差速方法,完全采用电控方式控制各车轮的转速,使其以不同速度转动,在转向的同时保证车轮不发生拖动或者滑移,而是作纯滚动。图5所示为智能小车控制系统的软件流程图。

5 智能小车运行检测

智能小车的控制方式有三种:操纵杆控制、遥控器控制和语音控制。通过操纵杆和遥控器可以发送前进、后退、左转、右转和停止五种命令来控制小车的运动。超声波自动检测障碍信号,遇到障碍小车停止。液晶屏上可以实时显示小车的运行速度以及一些其它的状态参数,如图6所示。经过现场测试,智能小车运行平稳,界面友好,实时性好。

6 结论

该智能小车控制系统采用了语音控制,使得小车的人机交互更具人性化。该小车还采用了高精度超声波避障模块,提高了智能小车行驶的安全性。采用功能强大的ARM嵌入式对智能小车的控制系统进行模块化设计,有利于小车功能的进一步升级和改进,提高了系统设计效率。本系统可以作为移动机器人的载体,在技术成熟以后可以应用于门禁系统、小区巡逻、实地勘测、智能玩具等领域。

摘要：为了实现智能小车的多功能控制,采用功能强大的嵌入式ARM对小车进行模块化设计,并使用在ARM芯片上移植Win-dows CE操作系统。该小车具有的主要功能模块有:操作杆控制,遥控器遥控控制,超声波智能避障,运行轨迹自主优化和运动速度平稳控制等。

关键词：嵌入式系统,运动控制,PWM

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智能小车控制器设计 篇11

智能小车系统综合运用了控制技术、传感器技术、电力电子、计算机、机械等专业领域的知识, 使小车能够模仿人类的思想完成预定的控制任务。

本设计为基于MSP430单片机的智能小车控制系统, 该系统需要实现的控制功能有: (1) 小车在黑白道路上寻黑线行进; (2) 一定范围内距离的测量; (3) 时间、车速、测距数据的显示。

1 原理分析

1.1 自主寻迹原理

小车寻迹行驶是指小车在白色的地板上寻黑线行进。本文采用红外探测法, 在小车行驶过程中连续向地面发射红外光, 当红外线探测器RPR220对着白色地板时, 产生反射光, 且能够被接收管接收, 而输出高电平;当RPR220对着黑线时, 红外光被吸收, 接收管接收不到红外光, 从而输出低电平。单片机以是否收到反射回来的红外光为依据来实现小车的自主寻迹。图1为红外对管电路。

1.2 增量式PID控制算法

增量式PID控制算法原理为:控制量的增量即为数字控制器的输出, 执行机构对控制量增量具有累积功能, 从而完成对被控制量的控制操作。结合该原理, 在电机驱动模块中, 输入量为给定的PMW值, 输出量为小车的车速;在舵机驱动模块中, 输入量为当前道路数据, 输出量为小车将要转动的角度, 提高了控制系统的准确性。增量式PID控制算法算式为:

式中, Kp为比例系数;KI为积分系数;KD为微分系数, 参数的数值由实验确定。

1.3 差速转向控制原理

差速转向控制的原理是:转向时, 智能小车的外侧小轮的转速增加, 内侧小轮的转速降低, 并且增加的量和减少的量大小相等, 小车的中心速度保持原直线行驶时的速度不变。图2为差速转向原理图。

1.4 超声波测距原理

超声波测距的工作原理是:用超声脉冲激励超声探头向外辐射超声波, 同时接收从被测物体反射回来的超声波 (简称回波) , 通过检测或估计从发射超声波至接收回波所经历的射程时间TOF (Time of Flight) , 按下式计算超声波探头与被测物体之间的距离d, 即:

式中, c为声波在空气介质中的传播速度。

1.5 霍尔转速传感器测速原理

霍尔转速传感器, 是采用霍尔效应原理测量转速的。其原理为:当磁钢体在霍尔元件的下方时, 霍尔元件可以探到霍尔电势;当不在下方时, 不会探测到霍尔电势。当铝盘随电机轴转动时, 霍尔传感器就会产生随铝盘转速成正比的脉冲, 通过对脉冲的分析计算, 就可测得电机转速。

如果一周的磁片个数为N个, 电机转速为V (r/min) , 计数S个脉冲检测时间为t (s) , 则电机转速为:

2 硬件设计

小车的硬件系统包括:主控单元、红外检测模块、驱动模块、电源模块、测距模块、测速模块和显示模块。

以单片机MSP430作为系统主控单元, 采用一体化反射型光电探测器RPR220检测黑线, 用L298驱动直流电机, 差速控制小车前进和转弯, 使用2片LM2596对12 V电源进行稳压, 采用超声波传感器进行距离检测, 使用霍尔转速传感器测量电机的转速, 用LCD1602显示数据。小车车体选择三轮车模, 后轮为2个主动轮, 前轮为1个万向轮, 以实现零半径旋转。系统设计框图如图3所示。

2.1 主控单元

作为小车的核心组成部分, 主控单元需要完成的功能有:处理输入信号、启动/停止小车、控制电机转速、控制舵机的转角、完成距离检测、处理显示数据。采用MSP430单片机作为主控单元, 它具有处理能力强、运算速度快、超低功耗、片内资源丰富等优点。这些优点保证了车模系统能够快速、准确地完成预设的功能。

2.2 红外检测模块

作为小车自主寻迹的主要部分, 红外检测模块必须完成小车精确地按照预定轨迹行驶的任务, 确保不偏离轨迹较远, 因此选择高灵敏度的传感器来检测黑线。

采用一体化反射型光电探测器RPR220检测黑线。其发射器是一个砷化镓红外发光二极管, 接收器是一个高灵敏度、硅平面光电三极管, 且将发射管和接收管集为一体, 使探测器结构紧凑体, 易于单片机接口;RPR220内置可见光过滤器可以减少散射光的影响, 不但检测可靠, 而且无需另作遮光处理。

2.3 驱动模块

驱动模块主要功能:控制舵机输出转角, 驱动小车加减速行驶。此模块包括舵机驱动模块和电机驱动模块。

舵机驱动模块运用差速转向控制原理和增量式PID控制算法, 即通过改变小车左右两轮的相对转速来完成小车后轮的差速输出, 同时得到前轮的转角信息, 完成小车的转弯。本系统采用了减速电机, 直流减速电机转动力矩大, 体积小, 重量轻, 装配简单, 使用方便, 使得控制准确, 能够保证小车的行进速度及平稳性。

电机驱动模块同样基于增量式PID控制算法, 采用PWM来控制电机的转速, 需要将单片机输出的PWM波进行功率放大以驱动电机转动, 该方法控制原理简单, 输出波动小, 精度高, 线性好, 对邻近电路干扰小。使用具有高电压大电流的全桥驱动芯片L298驱动电机, 一片L298可以分别驱动2个直流电机, 并且使用方便、响应频率高、运行稳定可靠。

2.4 电源模块

电源模块采用12 V电池供电, 由两个带反馈的可调稳压芯片LM2596稳压后产生5 V逻辑电平和3.3 V供给单片机及其他电路模块的电压。图4为电源电路原理图。

2.5 测距模块

使用超声波传感器构成小车距离检测模块。超声波发送电路由EN555构成多谐振荡器产生40 k Hz的等幅波, 送功率放大器输出超声波。接收电路由放大器、检波电路、信号处理组成。电路首先根据被测物体的距离范围设定反射脉冲时间间隔, 调整振荡器触发时间。定时器提供触发电路和门电路的控制信号。图5为超声波测距集成模块电路组成框图。

2.6 测速模块

使用霍尔转速传感器来测量小车的速度。

2.7 显示模块

采用一片LCD1602液晶屏作为显示器, 可以动态显示年、月、日以及小车行驶的速度和超声波测距的结果。

3 软件设计

智能小车系统软件设计核心部分包括:自主寻迹控制、超声波测距和电机转速测量。系统软件设计采用C语言, 程序是在ADS1.2集成开发环境下开发的。

自主寻迹控制:通过RPR220读取道路信息, 分析小车所处的位置和方向, 通过增量式PID控制算法调节小车的速度及转角, 同时通过电机的差速控制小车行进的转弯。使小车能够准确地寻迹行驶。程序流程图如图6所示。

超声波测距:首先初始化并启动定时器, 然后由超声波传感器发射超声波, 开中断准备接受超声波, 当接受到超声波后, 关闭定时器并读取所记数据。程序流程图如图7所示。

电机转速测量:程序需要准确测量出霍尔传感器的输入脉冲, 同时, 快速计算出电机转速。程序设计主要包括以下3大部分———初始化、脉冲记数、数据运算和存储。

4 结语

智能小车控制系统的设计由硬件设计和软件设计组成。硬件设计是以单片机MSP430为控制核心的各辅助模块, 软件设计是基于集成环境下的C语言程序设计。同时, 应用红外探测法、经典数字PID控制算法、差速转向控制原理、超声波测距原理和霍尔传感器测速原理共同完成智能小车的自主寻迹行驶和距离检测功能, 使控制系统具有智能、稳定、可靠、迅速、低功耗等特点。

参考文献

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