智能小车原理.docx

1、智能小车原理一、前言 设计背景： 在科学探索和紧急抢险中经常会遇到对与一些危险或人类不能直接到达的地域的探测，这些就需要用机器人来完成。而在机器人在复杂地形中行进时自动避障是一项必不可少也是最基本的功能。因此，自动避障系统的研发就应运而生。我们的自动避障小车就是基于这一系统开发而成的。 意义 随着科技的发展，对于未知空间和人类所不能直接到达的地域的探索逐步成为热门，这就使机器人的自动避障有了重大的意义。我们的自动避障小车就是自动避障机器人中的一类。自动避障小车可以作为地域探索机器人和紧急抢险机器人的运动系统，让机器人在行进中自动避过障碍物。 成员情况 本组三位成员均为2005级基地班学生，都选

2、修过数字电路课程。 二、总体方案设计 1、设计要求 小车从无障碍地区启动前进，感应前进路线上的障碍物后，根据障碍物的位置选择下一步行进方向。并可通过两个独立按键对小车进行控速。 2、小车自动避障的原理小车车头处装有三个光电开关，中间一个光电开关对向正前方，两侧的光电开关向两边各分开30度，（如右图所示）。小车在行进过程中由光电开关向前方发射出红外线，当红外线遇到障碍物时发生漫反射，反射光被光电开关接收。小车根据三个光电开关接受信号的情况来判断前方障碍物的分布并做出相应的动作。光电开关的平均探测距离为30cm。 3、模块方案比较及论证 根据设计要求，我们的自动避障小车主要由六个模块构成：车体框架

3、、电源及稳压模块、主控模块、逻辑模块、探测模块、电机驱动模块组成。 各模块分述如下：3.1车体框架 在设计车体框架时，我们有两套起始方案，自己制作和直接购买玩具电动车。 方案一：自己设计制作车架 自己制作小车底盘，用两个直流减速电机作为主动轮，利用两电机的转速差完成直行、左转、右转、左后转、右后转、倒车等动作。减速电机扭矩大，转速较慢，易于控制和调速，符合避障小车的要求。而且自己制作小车框架，可以根据电路板及传感器安装需求设计空间，使得车体美观紧凑。但自己制作小车设计制作周期较长，且费用较高，因而我们放弃这一方案。 方案二：购买玩具电动车 玩具电动车价格低廉，有完整的驱动、传动和控制单元，其中

4、传动装置是我们所需的，缩短了开发周期。但玩具电动车采用普通直流电机驱动，带负载能力差，调速方面对程序要求较高。同时，玩具电动车转向依靠前轮电机带动前轮转向完成，精度低。 考虑到利用玩具电动小车做车架开发周期短，可留够充分的时间用于系统调试，且硬件上的不足我们有信心用优良的算法来弥补，故我们选择方案二。 3.2电源及稳压模块 方案一：采用交流电经直流稳压处理后供电 采用交流电提供直流稳压电源，电流驱动能力及电压稳定性最好，且负载对电源影响也最小。但由于需要电线对小车供电，极大影响了壁障小车行动的灵活性及地形的适应能力。而且壁障小车极易把拖在地上的电线识别为障碍物，人为增加了不必要的障碍。故我们放

5、弃了这一方案。 方案二：采用蓄电池供电 蓄电池具有较强的电流驱动能力和较好的电压稳定性能，且成本低廉。可采用蓄电池经7812芯片稳压后给电机供电，再经过降压接7805芯片给单片机及其他逻辑单元供电。但蓄电池体积相对庞大，且重量过大，造成电机负载过大，不适合我们采用的小车车架（玩具电动车车架）。故我们放弃了这一方案。 方案三：采用干电池组进行供电 采用四节干电池降压至5V后给单片机及其他逻辑单元供电，另取六节干电池为电机及光电开关供电。这样电机启动及制动时的短暂电压干扰不会影响到逻辑单元和单片机的工作。干电池用电池盒封装，体积和重量较小，同时玩具车底座可以安装四节干电池，正好可为单片机及其他逻辑

6、单元供电。在稳压方面，起始时考虑使用7805芯片对6V的电池电压进行降压稳压。但考虑到这样使得7805芯片消耗大量能量，降低电池寿命；同时，由于mega16、光电开关、小车电机对于供电电压要求并不苛刻，故我们将6V电池电压接一个二极管降压后直接给单片机及其他逻辑单元供电。而电机和光电开关的电源不做稳压处理。这样只需在小车主板上加两个调速按钮，根据电池电量选择合适功率即可，甚至于可直接在软件里设置自动换挡。 综合考虑，我们采用方案三。示意图如下 3.3主控模块 作为单片机原理与接口技术课程的course project，我们直接选用了课程主要介绍的，Atmel公司的ATmaga16L单片机作为主

7、控模块。 Mega16是高性能、低功耗的 8 位AVR 微处理器，具有先进的RISC结构，内部集成两个具有独立预分频器和比较器功能的8 位定时器/ 计数器和一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16 位定时器/ 计数器。可通过JTAG对MCU进行程序烧写及仿真。内置晶振，使用方便。 在设计开发过程中我们使用课程设计提供的开发板进行程序调试和下载，配车使用时直接将MCU拔出插入我们小车系统电路板底座中。示意图如下： 3.4 逻辑模块 在探测模块和单片机中断接口之间、独立按键与单片机中断接口之间，需要经过电平的逻辑处理进行连接。主要涉及到一个三输入或非门和一个二输入与门。这两个逻辑关系我们直接选用

8、74HC系列的集成芯片实现。 由于三输入或非门在市场上很难购买到，我们采用了两个二输入或非门和一个二输入与门完成了三输入或非门。由于我们采用的74HC08（四二输入与门）、74HC02（四二输入或非门）均为四二输入的，各提供四个二输入与门和四个二输入或非门，我们用各用一片芯片即可实现所需逻辑功能。 示意图如下： 3.5探测模块 方案一：使用超声波探测器 超声波探测器探测距离远，测距方便。但由于声波衍射现象较严重，且波包散面太大，易造成障碍物的错误判断。同时，超声波探测具有几厘米甚至几十厘米的盲区，这对于我们的避障小车是个致命的限制。故我们放弃了这一方案。 方案二：使用光电对管探测 光电对关价格

9、低廉，性能稳定，但探测距离过近（一般不超过3cm），使得小车必须制动迅速。而我们由于采用普通直流电机作为原动力，制动距离至少需要10cm。因此我们放弃了这一方案。 方案三：使用视频采集处理装置进行探测 使用CCD实时采集小车前进路线上的图像并进行实时传输及处理，这是最精确的障碍物信息采集方案，可以对障碍物进行精确定位和测距。但是使用视频采集会大大增加小车成本和设计开发难度，而且考虑到我们小车行进转弯的精确度并未达到视频处理的精度，因而使用视频采集在实际应用中是个很大的浪费，所以我们放弃了这一方案。 方案四：使用光电开关进行障碍物信息采集 使用三只E3F-DS30C4光电开关，分别探测正前方，前

10、右侧，前左侧障碍物信息，在特殊地形（如障碍物密集地形）可将正前方的光电开关移置后方进行探测。E3F-DS30C4光电开关平均有效探测距离030cm可调，且抗外界背景光干扰能力强，可在日光下正常工作（理论上应避免日光和强光源的直接照射）。我们小车换档调速后的最大制动距离不超过30cm，一般在1020cm左右，因而探测距离满足我们的小车需求。 综上考虑，我们选用方案四。示意图如下： 3.6电机驱动模块 方案一：使用分立原件搭建电机驱动电路 使用分立原件搭建电机驱动电路造价低廉，在大规模生产中使用广泛。但分立原件H桥电路工作性能不够稳定，较易出现硬件上的故障，故我们放弃了这一方案。 方案二：使用L2

11、98N芯片驱动电机 L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的IO口提供信号，而且带有使能端，方便PWM调速，电路简单，性能稳定，使用比较方便。L298N芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，正好符合我们小车两个二相电机的驱动要求。 综合考虑，我们采用L298N芯片驱动小车电机。 控制示意图如下：? 最终方案如下： 使用干电池组对系统供电，改造玩具电动车作为小车底座，采用Mega16L作为主控芯片，采用E3F-DS30C4光电开关进行障碍物探测，使用L298N驱动直流电机。逻辑关系处理使用74HC系列芯

12、片完成。 三、单元模块设计 1、各单元模块功能介绍及电路设计 自动避障小车系统的整体电路原理图如下：? 1.1 直流电源降压 经过测量，一般四节新南孚电池串联带负载后可提供5.8V电压。经过二极管稳压至5.15.2V后给逻辑器件供电并给系统提供高电平标准。?1.2 主控芯片使用Mega 16L的PA0PA3接电机驱动芯片L298N的IN1IN4，实现对电机驱动芯片的控制，进而控制电机的转动。 使用Mega 16L的PB0PB2接经过电平转换的探测器信号线，实现对障碍物信息的采集。 使用Mega 16L的PC0、PC1接受独立按键信号，实现对小车行进过程中速度的控制。由于我们小车电机电源没有经过

13、稳压，随着电池电量的消耗，电机电池组的电压逐渐降低，因而小车速度会发生变化。我们就可以通过独立按键对速度进行提前设定，使得即使电池组电量变化，小车也能按预定速度行进。 使用Mega 16L的PD2、PD3接收中断信息。在软件部分我们可以看到，随着程序的不断完善，最终我们的INT0，即PD2并没有使用。 使用引脚10为单片机供电，引脚31接地。?1.3 逻辑模块 设计任务： 三个传感器信号线给出逻辑电平信号，当任何一个是高电平时，给INT0一个低电平信号。（如上一部分所述，最终我们用定时器中断代替了这个外部中断，但作为硬件设计和焊接的一部分，我们还是给以阐释）。 两个独立按键分别控制提速和减速，

14、没有按下时，信号线给出高电平。当任意一键按下时，信号线给出低电平，同时给出一个低电平给INT1。 任务实现： 第一个任务的实现原本想采用三输入或非门74HC27 实现。但由于市场上缺乏供应，我们用74HC08的一个二输入与门和74HC02的两个二输入或非门完成。?第二个任务逻辑的实现使用74HC08的一个与门实现。按键功能的实现，是使用了两个5K1的电阻分别连接两个按键与逻辑高电平（+5V），无键按下电平上拉至逻辑高电平，有键按下时降至0V。 1.4 探测模块 探测模块的电路图：设计任务： 1. 三个光电开关探测前方障碍物。 2. 将光电开关传回的非标准的开关电平信号转换成CMOS标准电平（即

15、将09V转换成05V）。 任务实现： 1. 光电开关发射出的红外线在经障碍物漫反射后会由光电开关再接收到，这会引起光电开关传回的电平的变化。若前方有障碍物，则光电开关传回低电平；若前方无障碍物，则光电开关传回的是高电平。有电平的变化可以实现对前方障碍物的探测。 2. 光电开关传回的信号是非标准的电平信号，这对于Mega16芯片是不适用的。因此，我们使用了三个8050三极管来实现电平的转换。由三极管的电气特性，当其基极为低电平时，即基极发射极电压小于导通压降，其输出电平为高电平，在其输出端有用一个5K1的电阻上拉，使输出的高电压为+5V；而在基极为高电平时，三极管发射极正偏，输出电平为0。这样输

16、出电平已经转化为CMOS标准电平。不过，这时传回到Mega16的电平信号已经和原来光电开关传回的信号高低相反，但这并不影响前方障碍物的探测。 1.5 电机驱动模块 电机驱动模块的电路图： 电机驱动模块主要功能是将主控芯片发出的信号通过L298N电机控制芯片转化为小车实际的动作。 L298N芯片有两个电源引脚VDD引脚和VCC引脚。VDD引脚接+9V电源用来给电机供电，VCC引脚接+5V电源用来给芯片供电，并作为逻辑高电平标准。 L298N芯片通过一个有四个4148二极管组成的保护电路与电机相连，保护电路主要是用来在电机开启和关闭时泄流之用。 由于我们一直让转向电机以最大功率使能从而获得最大的扭

17、矩，保证小车转向成功，而不需要控制转向电机的输出功率，所以ENA引脚（即转向电机使能引脚）直接接 +5 V，即让转向电机一直使能。 对于后置的驱动电机，我们不仅要控制其实现前进、后退和停止，还要能够控制其转速以解决由于电量不足而产生的小车变慢的问题。所以，我们将L298N芯片的ENB引脚与Mega16的PB3引脚（即OC0）连接，用来实现PWM调速。 L298N芯片的IN1和IN2引脚分别和Mega16的PA1和PA0引脚连接用来接收主控芯片输出的转向电机的动作指令，并通过OUT1和OUT2来控制转向电机的正转与反转，最终功能的实现表现在小车的左转与右转。 L298N芯片的IN3和IN4引脚分

18、别与Mega16的PA3和PA2引脚连接用来接收主控芯片输出的驱动电机的动作指令，并通过OUT3和OUT4来控制驱动电机的正转与反转，最终功能的实现表现在小车的前进、后退、停止。 2、所用全部硬件资源 增强版ATMega 16L/32开发板（进行程序的初步调试） 简版JTAG仿真器（程序的下载和仿真） 遥控电动玩具车 E3F-DS30C4光电开关3只 Mega 16L单片机1片 L298N电机驱动芯片1片 74HC02芯片、74HC08芯片各1片 8050NPN三极管3只，4148二极管8只 实验电路板1只 5K1电阻5只，10K电阻2只 散热片1只 独立按键2只 40引脚底座1只 电池盒2只

19、 南孚电池6节，华太电池4节 5列装排线1米左右 502粘合剂1瓶 四、程序设计和调试过程 1、程序调试过程 目前程序已经经历了四个主要版本，对寻障避障的方法前后有较大的改变。 1.1最初的程序设计主流程图：?INT0中断触发 端口值是多少？ 检测传感器端口的反馈值 前方有障碍物 根据检测到的障碍物情况（分7种），从7个动作函数中选择一个执行 前进 等待下次中断触发 前方无障碍物 这是一个很简单而自然的想法。用定时器T0的快速PWM模式控制小车的速度，附加两个独立按键来控制初始时小车的速度，以便于调试。第一版程序中为小车设计了如下7个动作： 发现前方有小障碍（010）：后退并右转； 发现右方有

20、小障碍（100）：前进并左转； 发现左方有小障碍（001）：前进并右转； 发现前方有大障碍（111）：较大的后退并右转； 发现右方有大障碍（110）：后退并右转； 发现左方有大障碍（011）：后退并左转； 发现两边有障碍但中间无障碍（101）：较大的后退并右转； 每次动作结束后，小车都要改运动状态为前进，等待下一次中断触发。 按照这样的思路写完程序后，调试中发现小车的动作很笨拙，每次相同动作的距离总是一样的，不能根据环境自动调整，前进后退都太冲；因为动作都是用延时函数实现的，动作中要禁用全局中断，导致发现障碍物不及时，常常一头撞上去；后退时动作无法调整，即使已经避开了障碍物还是无法及时转换成前

21、进状态，经常撞上后面的物体。 鉴于以上发现的问题，我们又修改写成了第二版程序，流程图与第一版大致相同，所不同的是每次动作的时间都被改得非常短（约几个毫秒），在每个动作结束后都在此检测探测器反馈值，然后根据反馈值选择下一步动作。也就是说，8个动作函数（加了一个前进）和一个INT0中断处理函数形成了循环，循环的唯一出口在前进函数里，只有检测到前方已无障碍物时才能退出中断。我们希望通过缩短每次动作的时间、缩短两次探测之间的间隔时间来达到变行进边探测效果，使小车的动作更加灵敏。 1.2 第二版程序的主流程图：有障碍 无障碍 INT0中断触发 端口值是多少？ 检测传感器端口的反馈值 前方有障碍物 根据检

22、测到的障碍物情况（分7种），从7个动作函数中选择一个执行 前进 等待下次中断触发 前方无障碍物 检测判断端口值 对于这一版程序，我们在调试过程中发现小车四处乱撞的问题已经基本能解决了，但随之而来又出现了新问题：控制小车前进和转向的端口电平变得很不稳定，小车走起路来颤颤巍巍，常常出现卡死的现象。具体表现为：端口值有规律地闪动，大约0.2秒闪一次，出现一个极短的脉冲，其值恰好是“前进”。由此我们想到可能是算法本身的原因造成了这种现象，是退出中断服务程序时的一个脉冲。 为了解决端口电平不稳定的问题，也为了定时更加准确，同时节省CPU时间，我们对程序进行了较大调整，改为用T1定时器来控制动作和检测。每

23、隔一定时间T1触发溢出中断，在中断服务程序中进行检测和行动。这时的行动只是改变控制端口值，不需要延时函数，这就大大节约了CPU时间。每个动作函数都精简到只有一个动作，动作完成后不再作改动，等待下次中断再修改控制端口值。 1.3 第三版程序的主流程图：T1溢出中断 端口值是多少？ 检测传感器端口的反馈值 前方有障碍物 根据检测到的障碍物情况（分7种），从7个动作函数中选择一个执行 等待下次中断触发 前方无障碍物 从这一流程图可以看出，我们尽可能的精简了小车的动作过程，使得整个判断处理过程简洁而迅速。另外，我们在这一版程序里加上了自动变速程序，小车的速度不再由各个动作函数直接指定，而是通过计算一个

24、连续动作的进行时间，由程序自动设定T0的OCR0值。这样做主要是为了配合小车的启动和制动，在启动和制动时给小车较大的动力，而在一般行进时使用普通功率，这样就可以既有效的控制小车的速度，又能够保证小车在改变方向时有足够的动力。程序实现了三档自动变速。此外，我们还修改INT1中断中的两个按键的功能，不再是控制起始速度，而是控制普通行进时的速度，使这两个控制按键更加实用。 在测试中，我们发现这样的改变收到了良好的效果。小车在前方障碍物的检测和避过上已经非常灵敏，能在随意放置的障碍物阵中迅速找到前进的路线穿过阵列。由于加上了自动变速程序，小车的动作也变得流畅了许多。 不过，在测试中我们还是发现了新的问

25、题：小车在碰上前方的障碍时需要后退，后退到光电开关检测不到障碍的地方改变方向前进，这是程序设计的动作；但是如果小车在光电开关检测距离阈值的地方正好速度比较慢，没有足够的惯性冲到检测距离里面或外面，就可能在那里不断重复短促的前进和后退的动作，从而卡死。 为了解决这个问题，我们在第三版程序的基础上，又编写了第四版程序。第四版程序中新增添了防卡死机制，结合定时器控制和延时函数控制的优点，实现了小车较流畅的后退和转向。 1.4第四版程序的主流程图： T1溢出中断 端口值是多少？ 检测传感器端口的反馈值 前方有障碍物 根据检测到的障碍物情况（分7种），从7个动作函数中选择一个执行 等待下次中断触发 前方

26、无障碍物 记录上一次的动作持续时间 是否卡死？ 执行卡死 处理函数 清空历史记录 否 是 第四版程序的防卡死机制是以一个动作历史记录队列为基础的。该队列是一个有8个元素的数组history8，每次行进方向改变，即由后退转为前进或由前进转为后退时，即认为一次连续动作结束，记录这个动作的时间，写入队列内；队列内共记录前8次连续动作的持续时间，如果这8次动作中有7次以上持续时间在0.4秒以下，就认为小车被卡住了，这时执行卡死处理函数，让小车退出卡死区域。卡死处理函数使用了延时函数来执行，期间禁用了T1，视障碍物情况执行1-3次倒退转向动作。此外我们改变了一个动作函数：由于小车的探测距离比车身宽度大得

27、多，当左右两个探测器检测到有障碍物而中间没有时，小车将直接前行从障碍物中间穿过。 防卡死机制有效地解决了小车卡死的问题，小车对于前方障碍物的躲避也比较灵敏了。? 这一版程序为我们小车的最终定型程序。 程序模块构成 系统时钟模块：通过T1定时器产生0.1秒间隔的溢出中断，作为小车周期性探测和动作的时钟。此外有两个辅助软件延时函数。 相关函数： timer1_init(); isr_timer1_ovf(); trap_handler(); delay100us(n); delay10ms(n); 调速模块：通过T0定时器产生PWM波形来控制驱动电机的输出功率。程序设计了3挡自动调速，对应OCR0

28、值max_power, fast_power, mid_power。从启动开始，利用变量count_move来计算连续行动的时间，使用最大功率连续前进或后退0.3秒以克服摩擦阻力，接下来0.3秒时用较大功率，以后使用普通功率。其间如果探测到障碍物需要改变行进方向，可以随时重新计时。通过两个独立按键可以调整普通功率值，计算按键的时间，每个时间单位mid_power值加1。 相关函数： timer0_init(); set_OCR0(); isr_timer0_ovf(); isr_INT0(); 障碍探测模块：如前所述，通过读取PINB端口值判断前方障碍物情况。共有7种设定的障碍物情况，详见程序

29、代码中宏定义部分。 相关函数： isr_timer1_ovf(); trap_handler(); 常规动作模块：根据障碍探测模块的返回值，由8个动作函数控制小车的各种动作。修改后的动作列表如下（括号内为相关函数）： 发现前方有小障碍（010）：后退并右转；（move_front_obj()） 发现右方有小障碍（100）：前进并左转；（move_right_obj()） 发现左方有小障碍（001）：前进并右转；（move_left_obj()） 发现前方有大障碍（111）：较大的后退并右转；（move_front_bigobj()） 发现右方有大障碍（110）：后退并右转；（move_righ

30、t_bigobj()） 发现左方有大障碍（011）：后退并左转；（move_left_bigobj()） 发现两边有障碍但中间无障碍（101）：直接前进穿过；（move_double_obj()） 动作历史记录模块：建立一个数组history8，其值代表之前8次连续动作所经过的时间。初始值都设定为100（10秒），每次T1产生溢出中断时都判断是否改变了前进或后退状态（通过isforward变量标志），若有改变则记录上一次动作的持续时间，最前一次的时间记录则自动删除。在防卡死模块动作结束后，历史记录自动清空为初始状态。 相关函数： record_history(); trap_handler()

31、; 防卡死模块：首先判断小车是否为卡死状态。顺次读取history 数组的各个元素值，若某个元素值小于或等于4（连续动作持续时间小于或等于0.4秒），则变量recorder加1；若最终recorder值大于或等于7，说明小车在很短的时间内连续多次改变了行进方向，则认为小车处在探测阈值的位置上且被卡死。此时执行卡死处理函数trap_handler()。trap_handler()是一个使用软件延时作为计时方法的函数，执行期间禁用T1定时器，这样设计是因为软件延时对时间间隔的控制更为灵活。为了防止像以前版本中的软件延时动作函数一样出现端口值不稳定的问题，该函数使用3层嵌套判断结构，在行进中对障碍物情况先后作出3次判断，若中间有一次探测发现障碍物消失，则退出函数继续执行常规动作。这样就可以使函数的最大动作时间达到0.9秒，足以使小车退到安全区域，且保证了端口值的稳定性，即动作的流畅性。 相关函数： isr_timer1_ovf(); trap_handler();五、系统功能及指标参数测试 1、系统实现功能： 对于前方任意放置的障碍物的灵活规避； 3档自