极品飞车任巍伟机电系统设计课程设计总结报告.docx
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极品飞车任巍伟机电系统设计课程设计总结报告
机电系统设计课程设计总结报告
项目名称：
智能循迹小车设计
小组名称：
极品飞车
成员：
任巍伟
董茂
谢森栋
杨凯
赵枫
报告日期：
2010年12月21日
1.1.课程项目名称.4
1.课题背景介绍
1.1课程项目名称：
沿着线跑的自主小车
题目来源“飞思卡尔智能车大赛”。
在画着黑线的白色地面上，要求小车能够沿着线从起点到终点。
1.2课程项目意义：
汽车工业已有100多年历史。
自20世纪80年代以来，智能控制理论与技术在交通运输中越来越多地被应用。
在半导体技术日渐发展的今天，电子技术在汽车中的应用越来越广泛．汽车电子化已成为行业发展的必然趋势。
汽车电子是车体汽车电子控制装置和车载汽车电子控制装置的总称。
车体汽车电子控制装置，包括发动机控制系统、底盘控制系统和车身电子控制系统。
智能车结合传感器技术和自动驾驶技术可以实现汽车的自适应巡航并把车开得又快又稳、安全可靠；汽车夜间行驶时．如果装上红外摄像头．就能实现夜晚汽车的安全驾驶：
也可以工作在仓库、码头、工厂或者危险、有毒、有害的工作环境里。
此外还能担当起无人值守的巡逻监视、物料的运输、消防灭火等任务。
在普通家庭轿车消费中，智能车研发也是有价值的。
近几年智能循迹车越来越多的在国内外被用于检验控制理论及检测技术，采用飞思卡尔16位微控制器MC9S12DB128B作为核心控制单元,提出了一种基于模糊和PI控制的快速循迹系统设计方案,包括传感器信号采集处理、控制算法及执行、动力电机驱动、转向舵机控制等。
1.3课程项目设计要求
1、选择合理的方案，基本实现从沿着线起点到终点；
2、设计合理的机械结构，选择合理的运动方案，进行机械系统设计；
3、设计控制和驱动电路，作出检测、驱动电路的设计以及控制电路的设计；
4、编制控制程序，做出控制软件的设计；
5、在保证不脱离道路的前提下，尽量提高运行速度。
1.4现有实现方案
通过对收集的资料进行总结分析概述后，简要阐述了以下几种方案：
1.4.1红外式光电管和对射式光电传感器方式寻迹智能车
寻迹智能车所使用的车模是一款带有差速器的后轮驱动模型赛车。
通过自动控制器，控制模型赛车在封闭的跑道上自主寻线运行。
在保证车模运行稳定（即不冲出跑道）的前提下跑完2圈后，自动停止。
寻迹智能车系统主要以MC9S12DGl28单片机为核心．由传感器模块、电源模块、直流电机驱动模块、转向舵机控制模块、控制参数选择模块以及一些辅助模块组成。
采用的红外式光电管和对射式光电传感器用以检测道路信息和车子的运动状态．单片机经过运算处理，输出PWM信号控制舵机和驱动电机，以实现方向和速度的控制。
同时，系统采用各模块独立的电源供电，保证了系统的稳定性。
通过CodeWarrior软件开发S12单片机的功能．PID算法等控制策略有效地控制智能车各个运行时刻的状态。
系统中各个模块之间关系如[图l]所示。
【图1】系统模块关系框图
1.4.2基于红外传感器的自主循迹小车
红外光电传感器TCRTl000，它是一种光电子扫描．光电二极管发射，三极管接收并输出的装置．它的特点是尺寸小、使用方便、信号高输出、工作状态受温度影响小。
它的外围电路简单，（如图3所示）。
二极管的C端和三极管的E端接地，二极管的A端通过一电阻和电源相接，组成偏置电流电路；三极管的C端也通过一电阻和电源相接，组成输出电路。
当检测器检测到白色时，其输出低电平；当检测到黑色时，则输出高电平。
为提高检测精度。
采用了多传感器信息融合技术。
设计中，在车头均匀布置三个光电传感器，其中，中间一个（Q1）安装在小车正中央。
Q1的输出经一级比较器和非门，接单片机的P1．3脚．Q1左右两端分别布置一个传感器，经与图3相同的电路后也连接到单片机P1121。
若两侧某一传感器检测到黑线，表明小车正脱离轨道．将3个检测点的结果融合后作为单片机的输入，机器人按照单片机P1口信息进行判断调整，实现路径跟踪和自动纠偏。
1.4.3基于摄像头的算法控制的自主循迹小车
采用飞思卡尔公司HCSl2系列16位单片机Mc9sDGl28作为核心控制单元，使用CCD摄像头采集路面信息。
通过对检测图像的分析和计算，自动控制舵机转向，并对直流驱动电机进行PID调速控制，从而实现智能车快速稳定的寻黑线行驶。
起始标志和终点标志均为黑-白-黑-白的相间的条文图像，光电头读取摄像头采集起始线和终点线的信息过程进行数据分析。
1.4.4模糊控制算法
运用相关的传感器，模糊控制算法比较复杂，在这里不做概述。
2.方案设计与分析
2.1传感器采用方式分析
传感器选择
编号
方案名称
具体实施过程
优点
缺点
方案一
基于反射式红外传感器的设计
采用与地面颜色有较大差别的线条作引导，使用反射式红外传感器感知导引线和判断障碍物。
在终点处放一障碍物，通过反射式红外传感器的发射和接收数据，判断小车与终点的距离，从而实现停车控制。
系统控制核心采用AT89C0251单片机，系统驱动采用控制方式为单向PWM的直流电机。
价格便宜，易于实现
受光线干扰，或出现误判
方案二
基于地面灰度传感器的设计
在白色的地面上铺一黑色的直线胶带做为行车路线，通过地面灰度传感器判断小车是否沿着规定直线行驶，但小车偏离轨道时，通过控制校正算法实现纠正，当到达终点时，灰度传感器信号消失，即停止运行。
硬件同上。
价格便宜，易于实现
受光线干扰，或出现误判
方案三
基于金属接近传感器的设计
在终点处放置一金属，小车金属接近开关可探测到轨道下埋藏的金属片，发出声光信息进行指示，并能实时显示金属片距起点的位置，实现自主停车。
硬件同上
只能作为判断终点
方案四
基于摄像头的算法控制
采用飞思卡尔公司HCSl2系列16位单片机Mc9sDGl28作为核心控制单元，使用CCD摄像头采集路面信息。
通过对检测图像的分析和计算，自动控制舵机转向，并对直流驱动电机进行PID调速控制，从而实现智能车快速稳定的寻黑线行驶。
起始标志和终点标志均为黑-白-黑-白的相间的条文图像，光电头读取摄像头采集起始线和终点线的信息过程进行数据分析。
能提早做出判断。
对直线以及曲线，能够很好控制转弯。
算法比较复杂，传感器价格比较高。
速度可能较慢。
基于以上分析，选用地面灰度传感器作为传感器件。
2.2其他器件选择
1、单片机系统
2、PWM可控速驱动电机
3、传感器
4、其他辅助硬件（底盘、车轮、电源、外壳、开关等）
2.3总体方案介绍
采用三个灰度传感器同时进行信息的采集，A/D转换至单片机，单片机通过程序对信号的分析，确定小车的实时位置，对两个驱动电机发出速度指令，使小车实现差速转弯，或者同速直线前进，或者停止的指令。
灰度传感器的位置可以根据黑线宽度手动进行调整，以适应赛道。
万向轮的高度可调，使三个支撑点（两车轮以及万向轮）将底盘处于与地面平行状态。
驱动电机可实现PWM调速，自带减速器。
2.4各个模块功能介绍
主要包括传感器模块、驱动转向模块、控制电路模块、电机驱动模块、电源模块
传感器模块：
利用灰度传感器检测道路上的黑线，给出道路的不同信息并反馈给控制电路模块；
驱动转向模块：
由带减速器的电机驱动两个橡胶车轮，接收电机驱动模块的PWM控制信号，利用差速，实现转向或者前进；
控制电路模块：
由单片机系统组成，接受传感信息，进行模数转换后运算分析输出信息给电机驱动模块；
电机驱动模块：
接受控制电路模块的信息，分别控制两车轮转动速度；
电源模块：
通过电路的稳压后为电机和电路板提供电力。
2.5方案的难点和重点分析
2.5.1方案难点：
一方面由于是利用灰度传感器，响应时间有一定的延后，相比摄像头的图像分析，检测范围小，提前量少，致使小车速度不能过快，否则容易冲出跑道；另一方面由于转弯时，总有电机不能以最高速度行进，转弯时车速降低，转弯半径越小车速越慢。
所以导致了设计的小车车速不能过高。
车速提高比较困难。
我们设计中选用处理速度合适的单片机，将灰度传感器的位置尽量靠近小车最前面，离转向的车轮保持合适的距离，加大提前量，使延后消除；另一方面采用转速相对较高的减速电机，加快车速。
由于没有车速的反馈系统，只能是开环控制，对于减速电机的选择必须要型号一致。
2.5.2重点分析：
采用这种方法结构简单，实现容易，降低了小车的重量。
直流减速电机，亚克力板，车轮均能在市场购买到，配件标准化，减少加工量，加工简单；底盘设计对传感器的安装可以滑动调节位置；万向轮的安装可进行高度的调节，调节方便，以配合底盘水平需要；差速转动的优势在于减小了最小转弯半径，操作方便。
软件部分的设计可以弥补无车速反馈系统带来的稳定性差的缺点，尽可能加大实时传感器的测量，保证小车位置的检测的准确性，这样就可以在保证不脱离道路的前提下，尽量提高运行的速度。
2.6预算与分工
2.6.1预算费用表
器件
数量
单价
价格
备注
亚克力底盘
1
20
20
200*300*4
PCB板
1
300
300
附加各种模块
带减速器的电机
2
30
60
淘宝或机电市场可购买
车轮
10
2
20
灰度传感器
4
25
100
可充电池
6
3
18
万向轮
1
5
5
导线及其他
诺干
200
200
总价
723
2.6.2小组分工表
阶段
第一阶段
第二阶段
第三阶段
第四阶段
第五阶段
分值
分工
组员
方案设计阶段
机械结构设计
检测电路
驱动电路
控制电路
软件设计方案
任巍伟
各自文献检索，小组讨论分析确定方案
流程图、资料整理、PPT
95
董茂
模块衔接
90
谢森栋
编写单片机程序
90
杨凯
85
赵枫
资料整理
80
注：
为主要负责人员；为协助完成人员。
3.机械系统方案设计
3.1.机械系统在整体中的作用
对设计的功能进行分析后，确定机械系统在整体中的基础作用。
相当于各个模块相协调的一个框架，实现各个功能模块的衔接，是整个系统的开发平台。
其机械结构的优化设计对于加工工艺要求，成本预算，小车运行稳定性，以及软件的开发方向都有重要的意义。
机械系统的设计是根据功能要求，模块布置方案要求进行优化设计的。
直接影响整车可行性，稳定性。
3.2.其他模块对机械系统模块的要求
3.2.1.线探测模块布置对机械模块的要求
传感器模块：
灰度传感器的位置能够实现拆装方便，位置可调。
传感器的基本参数如下：
1.工作电源：
+5V
2．工作电流：
<20mA
3．工作温度范围：
－10℃～＋70℃
4．输出接口：
3线制接口（1-信号，2-电源正，3-电源负）
5．输出电平：
TTL电平（黑线低电平有效,白线高电平有效）
6．模块尺寸：
10mm×35mm
7．模块重量：
约3g
3.2.2.电源的选择
电源模块：
由于电池重量较大，为使整车重心能够降低，尽量安装在底盘下。
6节1.5V干电池，组成电压为9V的电源，或者采用9V锂电池。
3.2.3.驱动电机的选择
驱动转向模块：
保持车轮轴线的同轴度，尽量降低底盘高度，万向轮高度可调，转向灵活；
直流减速电机的基本参数如下：
1.基本尺寸：
70.5mm*27mm*23mm
2.最高转速：
240rpm
3.输出转矩：
1.2kg.cm
4.输出轴直径：
d=7mm
5.工作电压：
+6V
6.工作电流：
80-100mA
7.工作温度范围：
－30℃～＋120℃
8.重量：
约45g
3.2.4.各模块在车体上的布局
底盘
车轮
PCB板
灰度传感器安装槽
带减速器的电机
灰度传感器
底盘
万向轮困
电池组
底盘——安装所有部件的基础，采用材质较轻强度较高易于加工的亚克力板；
PCB板——控制电路板；
带减速器的电机——直流减速电机基本尺寸70.5mm*27mm*23mm，最高转速240rpm，输出轴d=7mm，重40g，电压6V；
灰度传感器安装槽——为灰度传感器安装提供方便，可调节左右的位置；
车轮——外面为空心橡胶，增加摩擦力，可减震，d=65mm，宽度10mm；
灰度传感器——四个（可根据软件要求进行调整传感器使用个数）；
电池组——6节1.5V干电池，组成电压为9V的电源，为电机和电路板供电；
万向轮——小车的支点，可调节高度，为转向提供支点，减少阻力。
3.3.小车整体结构与尺寸的确定
3.3.1小车整体结构尺寸：
见附件1
3.3.2底盘结构尺寸：
使用4mm厚的亚克力板：
3.4.小车轮系的设计
万向轮
三个支撑点支撑车体，万向轮高度可调节，使底盘始终与地面平行。
两个转向驱动轮通过速度控制，实现差速转弯，转弯半径可调；
万向轮根据速度方向，由于地面摩擦，被动转向。
3.5.小车机械技术指标的估算
小车最小转弯半径及最大转弯速度计算：
当车轮1不动，车轮2转动，
可得最小转弯半径Rmin=60mm。
有小车车轮直径d=65mm，直流电机转速n=240rpm得：
Vmax=π*d*n/60/1000=0.816m/s
最高行进速度为0.816m/s。
当小车在最小转弯半径时的最大转弯速度为：
V=Vmax/2=0.408m/s
4.硬件电路设计
4.1.电路总体设计方案
小车前端布置3个灰度传感器，通过传感器检测返回值，来确定小车相对路线轨迹位置，从而调整小车前进方向。
4.1.1.线探测方案
传感器模块使用灰度传感器，实现小车进入轨道时，能正确沿引导线行进而不脱离设定的轨迹线路，并且能较好地控制小车的启停。
通过传感器模块本身带有的A/D电路，可以将检测到的模拟量直接转换为数字开关量，处理电路简单，实用方便。
4.1.2.电机驱动方案
PWM控制原理
PwM控制就是周期T固定不变，根据输入信号大小，改变脉冲的占空比，即
改变加在负载上的平均电压值，从而控制电机的转速，所以称为脉宽调制。
对
于图2．1所示的电路，开关管vFl加脉宽调制信号。
当r∈（0，t1），VFl饱和导通，
电枢与Us接通，由于Us>E，电流按指数规律上升，电机将电能转换成机械能传
递给负载。
同时电流增加，电枢电感储能（Lia2／2）增加。
在r∈（t1，T）时间，VF1截
止，Us被断开，这时，电机的自感电势eL=一La（dia／dt）通过二极管Dl将维持续
流，电机消耗存储的磁能，电流衰减。
为了控制电动机，需用半导体功率器件进行驱动。
按照相控制绕组流过的电流是单向的还是双向的，可将电动机分为单极性和双击性驱动。
单极性驱动：
当电动机只需要单方向旋转时，可将电动机和一个电阻器串连，再连接到直流电源，调节电阻器阻值即可控制电动机转速。
另一个方法是使用单个开关驱动、斩波控制的电路，如图2．2（a）所示，只需要一个功率开关管VF和一个续流二极管VD。
当vF导通（ON）时，电流上升。
当VF截止（OFF）时，电动机与二极管VD组成续流回路，在反电动势作用下，电流续流并逐渐下降。
改变开关占宽比，调节电动机端电压平均值，即调节流过电动机的平均电流，从而可进行调速。
由于电流单向，转速方向不变，故此电路称为单极性斩波电路。
它只在单象限工作，无制动状态。
双极性H桥驱动：
双极性驱动方式时，相电流在同一绕组中有两个流动方向，其绕组利用率高，输出转矩大，但与单极性绕组相反，驱动电路复杂，成本高。
若要求被控电动机可在双方向工作，即能正反运行，可采用T型主电路或H桥主电路驱动，最常见的集成电路驱动双向工作的是H桥方式。
图2—2（b）所示的H桥结构（又称全桥结构），它需要两个半桥驱动器，由四个功率开关和四个续流二极管组成。
利用H桥驱动电路和PwM控制实现对直流电动机正反两个方向的调速和伺服控制。
双极方式的特点是四桥臂对角线两组开关分别控制，VFl和VF4为一组同时导通或关断，VF2和vF3为一组，也同时导通和关断，在任一时刻最多只允许有一组是导通的。
最简单的控制是，在一个开关周期内，首先是第一组（VFl和VF4）导通，电动机两端A和B施加正向电压，然后转变为第二组（VF2和vF3）导通，电动机两端施加反向电压。
由此两种状态所占时间份额多少决定平均电压是正还是负，平均电流是正向还是反向。
当两种状态相等时（1：
1），相当和vF3）导通，电动机两端施加反向电压。
由此两种状态所占时间份额多少决定平均电压是正还是负，平均电流是正向还是反向。
当两种状态相等时（1：
1），相当于平均电压为零，电流的平均值也为零，电动机停转。
双极方式存在可能出现上下桥臂直通问题。
为此两状态之间插入“死区”状态，即短时间四桥臂都截止的状态，此时由于电枢电感储藏着能量，将维持电流在原来的方向上流动。
4.2.线探测器与控制模块的接口设计
小车行进轨迹检测由安装在小车地板前沿的三个灰度传感器组成。
通过传感器模块本身带有的A/D电路，将模拟信号转化为数字信号。
输出电平：
TTL电平（黑线低电平有效,白线高电平有效）。
检测到的信号由单片机的I/O口读入，单片机通过分析判断引脚P1.0，P1.1，P1.2的状态来调整小车的行进转弯方向和启停。
4.3.电机驱动部分与控制模块的接口设计
左侧减速电机通过左侧的电机驱动电路与单片机的P1.4、P1.5口直接相连，由P1.4、P1.5的信号来控制左侧电机的转速；同理，右侧减速电机通过右侧电机驱动电路与单片机的P1.6、P1.7口直接相连；由P1.6、P1.7的信号来控制右侧电机的转速。
4.4.线探测器模块的电路设计
4.4.1.检测原理设计
左传感器电平
中传感器
电平
右传感器
电平
传感器读数
涵义
输出运动
低
低
低
000（0）
偏离跑道或终点
停止
低
低
高
001
（1）
左偏大
向右转动大
低
高
低
010
（2）
居中
向前运动
高
低
低
100（4）
右偏大
向左转动大
低
高
高
011（3）
左偏小
向右转动小
高
高
低
110（5）
右偏小
向左转动小
高
高
高
111（6）
交叉线
向前运动
4.4.2.选用的传感器元件，芯片
若采用光敏传感器易受光源影响（尤其在白天），会造成误判或漏判，试验效果不好。
若采用灰度传感器，则检测黑白线效果较好，受可见光干扰小，通过A/D电路，可以将检测到的模拟量转换为数字开关量，处理电路简单，实用方便。
选用的传感器（自带A/D转换模块）的基本参数如下：
1.工作电源：
+5V
2．工作电流：
<20mA
3．工作温度范围：
－10℃～＋70℃
4．输出接口：
3线制接口（1-信号，2-电源正，3-电源负）
5．输出电平：
TTL电平（黑线低电平有效,白线高电平有效）
6．模块尺寸：
10mm×35mm
7．模块重量：
约3g
目前，单片机资源丰富，可实现复杂的逻辑功能，功能强大，完全可以实现对小车的控制。
但各种型号单片机优势不同，成本也各不相同，本设计选用单片机AT89C51作为系统控制器，其运算能力强，软件编程灵活，功耗低，技术成熟，成本低。
适合本设计。
4.4.3.工作电压的选择
6节1.5V干电池，组成电压为9V的电源，为电机和电路板供电。
通过稳压电路LM7805稳压后供电。
额定电压：
VCC+5.0V。
4.4.4.设计的电路图
灰度传感器电路图：
4.5.电机驱动模块
4.5.1.原理设计
PWM调速设计
小车需控制在一个合适的速度行驶，因单片机对各传感器传来的信号有一个响应、处理时间，小车极易偏离轨道。
小车的速度是由前驱动轮直流电机转速控制。
采用由晶体管组成的H型PWM调制电路。
PWM调制电路，用单片机控制晶体管使之工作在占空比可调状态，实现调速。
令单片机P1．7口为低电平，P1．6口为高电平，此时Q1、Q4导通，Q2、Q3截止，电动机正常工作。
改变P1．6口高电平周期，即改变PWM调制脉冲占空比，可以实现精确调速。
脉冲频率对电机转速有影响，脉冲频率高连续性好，但带负载能力差；脉冲频率低则反之。
经实验发现，脉冲频率在30Hz以上，电机转动平稳，但小车行驶时，由于摩擦力使电机转速降低很快，甚至停转；脉冲频率在10Hz以下，电机转动有跳跃现象，实验证明脉
冲频率在25—35Hz效果最佳。
我们选取脉冲频率为30Hz。
4.5.2.电路设计
4.5.3.工作电压选择
额定电压：
VCC+5.0V。
4.5.4.各元件参数
直流减速电机的基本参数如下：
1.基本尺寸：
70.5mm*27mm*23mm
2.最高转速：
240rpm
3.输出转矩：
1.2kg.cm
4.输出轴直径：
d=7mm
5.工作电压：
+6V
6.工作电流：
80-100mA
7.工作温度范围：
－30℃～＋120℃
8.重量：
约45g
8个NPN型晶体管:
基本参数如下：
1.型号：
2N5551
2.封装：
TO-92
3.厂商：
FAIRCHILD
4个PNP型晶体管：
1.型号：
2N5401Y
2.封装：
TO-92
3.厂商：
FAIRCHILD
若干1.3k的电阻
4.6.其他模块的设计
控制电路
4.7.电源的设计
6节1.5V干电池，组成电压为9V的电源，或者采用9V锂电池供电。
通过电源电压转换芯片获得需要的电压。
稳压电路：
5.软件设计
5.1.软件部分的方案设计
5.1.1软件方案
采用类反馈方法设计程序，不断的检测传感器的状态，以判断小车的位置及速度，并作出相应动作。
在路程走完后，传感器检测不到黑线，则停机。
5.1.2方案模块图
5.2.软件的控制策略
5.3.软件的模块设计与实现
5.3.1函数定义
bytesensor_read（intport）作为读传感器函数，port为接口地址。
read（intport）为读传感器底层函数，写在库中
intdrive_motor（intdrive）控制小车动作函数，drive为动作参数
set_motor（inta,intb）为电机控制函数，a为电机号码，b为速度，写在库中
weit（doublec）延时函数，c为延时时间，写在库中
5.3.2传感器信号判断
由于采用了3个灰度传感器，固每次检测会得到三个数据，并形成下表中的编码，并作出第二列中判断，及第三列中动作。
传感器读数
涵义
输出运动
000（0）
偏离跑道
停止
001
（1）
左偏大
向右转动大
010
（2）
居中
向前运动
100（4）
右偏大
向左转动大
011（3）
左偏小
向右转动小
110（5）
右偏小
向左转动小
111（6）
交叉线
向前运动
6.总结
在机电系统设计课程设计过程中，我们学习了很多，锻炼了我们的团队协作能力，也是难得的一次比较系统地、完整地进行了自主设计和开发。
使我们比较了解一个课题制作的流程，也是对我们的毕业设计的一次练习。
在选定方案
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