智能小车寻迹论文Word格式文档下载.docx
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本设计还附带了按键功能，可以对LDC1000阈值及小车的启停等功能进行设置。
1.4基本要求
设计并制作一个可以自动循迹的小车。
循迹传感器自选，在规定的平面跑道自动按顺时针方向循迹前进。
跑道的标示为一根0.9cm左右的细铁丝，用透明胶带将其粘贴在跑道上。
跑道尺寸见图1，跑完一圈不得超过10分钟，小车运行时必须保持铁丝在车身垂直投影下，实时显示小车运行时间和距离。
图1铁丝轨道图
1.5本文工作及内容安排
第一章介绍了小车系统研究现状，阐明了系统实现的目的和意义，概述了本文的主要工作。
第二章主要简单介绍了各个模块的论证方法，对系统有个整体框架。
第三章介绍了电机驱动模块、LDC1000传感器模块和电源模块的硬件部分。
第四章介绍了软件系统设计，电机驱动程序控制，LDC1000传感器程序控制，PID算法，行驶距离的计算。
同时阐述了在主函数与中断中，将各个模块整合的方法。
第五章介绍了此设计的最终测试的方法与测试的结果。
2.模块方案论证
2.1概述
本设计基于闭环测量、控制的原理，通过传感器实时监控小车的运动状态，然后将检测信号传输到处理器。
同时，处理器对检测的信号进行计算，并产生合适的脉冲宽度调制（PWM）信号，直流电机的转动是通过驱动电路接收到的PWM信号进而实现控制的。
最后实现小车的前进后退、左右拐弯、自动探寻道路并定位，同时必要信息等功能。
2.2模块的论证
根据题目设计要求，本设计是小车通过金属丝轨道进行自动循迹的系统，其中系统整体包括小车的设计，电机驱动模块，传感器模块，运行距离处理模块，微处理器模块，按键模块，显示模块和电源模块。
2.2.1小车的比较与选择
根据设计要求，小车需要通过多个弯道，对车辆的平衡性，稳定性有较高的要求，采用两轮驱动的小车，转弯角度可以很好的控制，但是驱动力弱，平稳性差。
采用四轮驱动的小车，驱动力强，平稳性好，能在复杂的路况上有很好的表现。
虽然两轮驱动的小车更加利于在弯道的控制，但是不适用于所有的路况，所以我们将小车设计为四轮驱动。
2.2.2电动机的比较与选择
作为小车的主要动力装置，电动机的选择主要有无刷直流电机和步进电机两种。
步进电机是以步阶方式分段移动，直流电机和无刷直流电机通常采用连续移动的控制方式[5]。
所以步进电机对速度和移动距离的控制更加精确，但是移动速度相对缓慢，而无刷直流电机的速度快，但是控制困难。
考虑到小车对于速度的要求大于控制的要求，所以我们选择无刷直流电机，在控制方面通过将程序的控制算法做得更加完善来弥补无刷直流电机控制的不足。
2.2.3电机驱动芯片的比较与选择
电机驱动电路主要是通过控制电动机的正转和反转来控制小车的前进和后退，以及小车左转和右转，所以电机驱动也是智能小车的模块中重要的组成之一。
而对于电机驱动的选择有两种方案。
方案一：
采用由H桥（分立的三极管元件组成）构成的驱动。
此种方案对直流电动机的方向和速度的控制利用PWM波调速的电路实现。
可是采用的H桥是由分立的元件组成的电机逻辑驱动，驱动电路的稳定性容易变差，并且价格也不便宜。
方案二：
采用双桥电机驱动的芯片——L298。
L298是一款由双桥结构的直流、步进电机驱动器，并且集成度较高。
同时，L298芯片还可以实现对两个直流电机进行同时驱动和控制。
通过比较两种方案，L298电机驱动电路相对于由分立元件三极管组成的H桥的驱动，具有使用元件少,可靠性不仅高，而且控制和操作可以更加模块化,并且L298芯片的价格低。
所以，作为循迹小车的驱动芯片，L298芯片更加适合。
2.2.4传感器的比较与选择
低成本的OHMIC开关传感器在灰尘等恶劣环境下不可靠，FSR压力传感器分辨率有限、不适合遥感、成本稍高，高端一些的超成波传感器不适合短距离传感，电容式传感器灵敏度高可针对被选择物的选择性不高，HALL传感器存在精度问题、需要磁体和校准，光学传感器在恶劣环境下不可靠，这些传感器都或多或少存在这样和那样的缺点[7]。
而由德州仪器生产的LDC1000性能优越，无论低成本PCB线迹，或者是普通的金属块，甚至是人体的传感，LDC1000可以迅速检测并将数据传输到处理器显示出精确的结果。
所以我们选择LDC1000作为循迹小车的金属传感器。
2.2.5处理器芯片的比较与选择
关于处理器则有多种选择方案。
首先，采用传统的C51单片机。
C51单片机通用灵活，价格低廉，使用方便，但此C51的芯片是比较老的芯片，对于大量的数据处理能力较弱。
第二，采用更加高级的STM32芯片。
STM32芯片集成了绝大部分工控领域所需要的功能模块，官方也提供了大量的库函数，工作速度快，处理数据能力强。
最后，采用STC15单片机芯片。
STC15单片机计算性能强劲，可以简单灵便的对软件进行编程，可用软件编程实现各种逻辑控制功能，而且可以实现最多6路PWM输出，自带晶振，更加利于控制小车的驱动。
更加重要的是，STC15单片机加密性强，超强的抗干扰能力，可以试用于各种恶劣的环境，并且功耗更低。
综合考虑，由于使用STM32芯片会造成资源浪费，所以我们选择更加适合小车控制的STC15单片机作为小车的处理器芯片。
2.3小车功能实现的设计与分析
如何设计小车的运动方式是非常重要的。
因为小车的运动方式就决定了小车对铁丝轨道的探测，前进的控制，以及显示小车行驶距离和时间等基本要求。
整个系统是一个基于单片机的闭环控制系统。
首先，小车需要沿着设定好的路线前进，而且是铁丝构成的道路，所以小车就必须可以识别到目标道路，这就需要传感器可以不断的进行探测。
同时，小车还应该具有可以实时监测是否偏离轨道，并可以纠正小车前进方向的功能，这部分功能就需要把传感器接收到的信号实时发送给处理器，处理器经过计算后发出指令控制电机驱动，智能控制小车的前进后退左右运动，进而实现精确巡线行走。
我们最终确定的系统框图如图2所示。
图2系统框图
3.硬件部分设计
3.1电机驱动模块
直流电动机实质上的工作原理是一台装有换向装置的交流电动机。
直流电动机中转子转动的原因是由于带电导体在磁场中受到了电磁力的作用，并且形成了电磁转矩，从而推动转子，使得电动机得以运行。
直流电动机有如下两个个特点：
1、外加电压是通过电刷和换向器再加到线圈，而不是直接加到线圈。
2、电磁转矩的方向不变。
这一现象是因为电枢导体中的电流是随着其所处磁极极性的改变方向。
电机的驱动芯片选用L298作为驱动芯片。
工作稳定电机驱动信号由单片机提供，信号经过光耦隔离后，传至PWM控制芯片L298N，通过L298N的输出脚与两个电机相连。
小车电机驱动模块电路图如附录1所示，电机驱动模块PCB硬件图如附录2所示。
3.2LDC1000传感器模块
LDC1000芯片是采用四线制SPI的连接方式，而单片机芯片对LDC1000芯片的连接、控制以及读取数据是通过SPI连接（SDI、SDO、SCLK、CSB）实现的。
在SPI通信的过程中，LDC1000扮演下位机的角色。
而像Q表那样测试线圈的电感量并不同于LDC1000芯片的电感检测。
LDC1000芯片是可以检测与相连的测试线圈和外部的金属物体之间的空间位置关系，所以LDC1000在各种环境条件下都可以很好的检测到外部金属，因为LDC1000可以很容易就可以实现非接触式的电感检测，只需要外接一个自制线圈或者PCB线圈就可以了。
LDC1000原理图如附录3所示。
3.3电源模块
电源是小车系统的动力组成，电源主要是给单片机芯片和外围电路提供5V电压，同时为小车的电动机提供12V电压。
要想小车的控制和行驶稳定，电源的设计就需要考虑到可以达到直流稳压3.3V、5V和±
12V，并且电路纹波要小，尽量排除电源对芯片控制的干扰。
电源原理图如附录4所示，电源PCB硬件图如附录5所示。
4.软件部分设计
4.1大体思路
4.1.1C语言简介
单片机的程序编程，应用系统可以使用C语言，也可用汇编语言。
因为他是最为接近机器语言，所以直接，简洁，紧凑和高执行效率的单片机汇编语言程序的操作效率高。
但不同的单片机汇编语言有差异，在一个单一的单片机应用开发不能直接应用到其他单片机上，很不容易移植，程序的可读性相当差。
此外，但较大规模的应用系统，应用软件开发的工作量是非常大的。
C语言编写的，与此相反，良好的便携性，并非常接近自然语言，可以用少量语言完成相同的功能，入门易，编程效率高，程序的可读性高。
也可以将汇编语言嵌入C语言程序中，以满足有特殊要求的性能或操作。
因此，在嵌入式系统中的应用程序开发，C语言逐渐成为主要的编程语言。
4.1.2单片机简介
单片机作为一种集成的电路芯片，使用的是超大规模的集成电路技术。
单片机不仅包括了有数据处理能力的中央处理器cpu、只读存储器rom、随机存储器ram、多种I/O接口、计时器/定时器以及中断系统等功能，有一些单片机还包括了脉宽调制电路、显示驱动电路、A/D转换器、模拟多路转换器等功能。
把这些电路集成到一块硅片上就构成了一个小但是完全的微型计算机系统。
单片机在工业控制领域应用广泛，发展迅速。
4.1.3基于单片机在循迹小车系统中的应用介绍
单片机的全称是单芯片微型计算机，它的芯片上集成了包括CPU，RAM，ROM，各种I/O接口和定时计数器的硬件。
单片机就其组成而言，就是一个计算机，它拥有的指令可以运用于许多控制技术，同时还具有多种硬件的支持。
因为它具有多个优良的特性，所以自问世以来它就被人们广泛应用。
目前，单片机广泛应用于鼠标、机械键盘等电脑外设，手环、跑鞋等智能穿戴设备以及各种家用电器中。
基于单片机的循迹小车系统不仅结构模块化，同时制作起来也非常方便。
通过金属传感器探测到小车与轨道的相对位置，将数据传输到单片机芯片，芯片实时分析并计算小车行驶的方向，并且校正小车轮胎运行的速度，达到小车智能循迹的功能。
另外，现在的人越来越离不开智能化的机器和设备，如：
不管是人类对太空的探索，替代单调简单的重复性工作，还是在各种恶劣的环境中进行操作等都可以借助于智能化的可运动行走的设备。
因此，智能小车作为最常用最普遍的的行走智能设备，未来必定会在工业和生活得到越来越多的使用，这样不仅高效，而且可靠。
本文在分析目前市面上已经出现的智能小车的设计基础之上，充分的将单片机硬件与软件结合，以及将金属探测系统的自身特点、功能特性和设计的要求相结合，实现了利用金属轨道这一载体来导引小车运动。
同时我们也充分借鉴了目前优秀的算法，形成一套准确度高，具有优良特性的自动循迹小车系统。
4.1.4软件部分总述
小车进入轨道并开始工作后，金属探测器就开始不停地扫描，同时，将扫描的数据结果发送到处理器，而处理器一旦检测到传输过来的数据有变化，就计算并执行子程序，把相应的处理信号和PWM波传输到电机驱动，电机驱动再来控制电动机来改变小车当前的运行状态。
同时小车启动后就开始计时和计算行驶距离并显示。
为了方便编写和调试，我们采用了模块化的编程方法，整个程序分为若干子程序，最终可以实现以下目的；
（1）通过按键控制启停以及相关参数设置；
（2）搜寻铁丝并计时、测量距离然后实时显示；
（3）实时纠偏并调整行驶方向；
主程序流程图如图3所示：
图3主程序流程图
4.2电机驱动程序控制
电机驱动通过脉冲宽度调制（PWM）来实现小车的转向。
脉冲宽度调制在功率变换与控制等很多领域里都有广泛的应用，其利用的是通过处理器输出的数字信号对模拟电路进行控制的技术。
脉冲宽度调制是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。
通过使用较高分辨率的计数器，方波的占空比被调制成用来对一个具体的模拟信号的电平进行编码。
把电流源或电压用重复脉冲序列（通（ON）或断（OFF））加到模拟负载上去的。
而通过改变单片机程序中的I/O口输出PWM波的占空比可以调整转速。
占空比是在一个周期中，高电平脉冲与总脉冲的百分比。
在一个周期中，占空比越大，就说明高电平的比例越高，而最大电压与占空比的乘积就是输出在电机两端的电压。
所以，占空比越大，输出到电机两端的电压也就越大，电动机转动的速度也就越快。
电机驱动软件程序详见附录6。
4.3LDC1000传感器模块
LDC1000是利用电磁感应的原理进行电感的检测的。
若在一个线圈中加上一个交变电流，就会产生一个交变磁场在线圈周围。
如果这个时候有金属物体进入到这个磁场之中，就会在金属物体表面产生一个电流方向与线圈电流的方向相反的涡流（感应电流）。
由于两种电流的方向相反，所以涡流产生的感应电磁场就会与线圈的电磁场方向相反。
涡流不仅与金属体磁导率、电导率以及金属导体表面到线圈的距离等参数有关，而且线圈的几何形状、几何尺寸同样会影响到涡流的大小。
LDC1000的技术主要有以下几个优势：
1、拥有极高的分辨率，在位置传感应用中可达到微米级的分辨率。
同时可以通过16位共振阻抗和24位电感值。
2、设备使用寿命长，可靠性高。
拥有非接触传感技术，可免于收受到尘土和油污等不导电的污染物的影响。
3、在某些PCB版无法放置的地方，允许传感器与电子设备分开安放，具有更高的灵活性。
4、采用成本更低的传感器和传导目标，不需要磁体。
6、系统的功耗在标准工作时不足8.5mW，待机模式下的功耗更低。
5、可以以压缩后的导电油墨或者金属薄片为目标，为创造性的创新系统设计带来无限的可能。
4.3.1LDC1000参数的计算
LDC1000的电感检测的原理是利用了电磁感应的技术。
如果在一个PCB线圈中加上一个交变电流，就会产生一个交变磁场在线圈周围。
如果这时有一个金属物体进入到这个电磁场中，就会在金属物体表面产生一个电流方向与线圈电流的方向相反的涡流。
同时，线圈的电磁场方向与涡流产生的感应电磁场相反。
•Linf传感线圈的电感
•M（d）互感
•fSENSOR传感器振荡频率
•Y=ProximityData/215,ProximityData从寄存器0x21和0x22读取
LDC1000的两个重要参数就是阻抗RP和电感L，与被探测金属的距离有关。
同时，在应用中Rp的范围不同的，所以需要配置合适的Rp范围。
这是由于不同的测试距离和测试对象均会产生不同的损耗。
LDC1000中可用于配置的有两个寄存器，它们分别为Rp_Min和Rp_Max。
在应用中Rp值的合理配置非常重要，如果设置的Rp范围过小，那么Rp就会被钳位。
如果设置的Rp范围过大，真实的Rp无法完全利用，在LDC1000的内部，就会浪费大量的ADC的资源。
4.3.2确定Rp_Max值
增大LDC1000的外部线圈与金属物体之间的距离，这样使涡流的损耗最小。
测试此时线圈的等效并联谐振阻抗Rp，LC谐振组件与LDC1000断开测试Rp。
这里需要使用阻抗分析仪。
在用户手册的table7中找最接近Rp值乘以2的值。
注意，Rp_Max寄存器虽然有8bit，但是table7中只有32个值，所以只能使用0x00到0x1F的范围。
例如用阻抗分析仪测试出Rp是18k，那么18k*2=36k，而table7中与这个值最接近的是38.785k。
4.3.2确定Rp_Min值
减小LDC1000的外部线圈与金属物体之间的距离，这样使涡流的损耗最大。
在用户手册的table9中找最接近Rp值除以2的值。
注意，Rp_Min寄存器虽然有8bit，但是table9中只有32个值，所以只能使用0x20到0x2F的范围。
上述方法中，金属物体与LC的距离是应用场景中的最大和最小的距离。
所以说这个最大和最小距离需要等设备的结构设计完成之后才可以决定。
LDC1000传感器软件程序详见附录7。
4.4PID算法
PID一般分为增量式PID和位置式PID。
在小车里一般用增量式，因为位置式PID对小车来说有非常大而且没有必要的计算量，这是由于位置式PID的输出是跟过去的所有状态有关。
所以处理器进行计算时，要对每一次的控制误差进行累加，这会严重增大处理器的计算负担。
而且小车的PID控制器的输出而是一个增减多少的量，而不是绝对数值。
所以通过增量PID算法控制的PWM波，是计算PWM需要比上一个状态增加多少或者减小多少，而不是输出PWM的实际值，这样将会减轻处理器的负担，同时对PWM的控制也会更加高效准确。
PID算法程序详见附录8。
4.5行驶距离的计算
该设计采用光电测速模块，所用的测速码盘有20个小孔，所转一圈可以采集到20个脉冲，我们将轮胎的周长设计为20cm。
所以，每采集到一个脉冲，小车也就向前运行了1cm。
在单片机中，我们将这个脉冲传输到I/O口，通过单片机程序就可以计算出行驶的距离。
4.6主函数与中断
整个程序使用模块化将各个模块的函数整合，并且采用中断使得各个程序有序的运行并使芯片保持高效的处理能力，并且程序提供了用户接口，使用户可以根据自身情况改变相应的参数。
同时，单片机芯片通过循环程序实时处理按键和显示，与小车运行时的计算能力可以同时进行，保证芯片可以高效的运行。
在整合各个函数模块的过程中，中断的处理至关重要。
在中断函数中，必须要考虑到时间的计算，同时，各个模块处理的优先级和中断的开关，是需要综合考虑到小车运行的实际情况的。
而在此设计中的程序，是可以很好的同时处理时间，金属探测，小车方向控制，速度控制，参数显示等功能，并且每一个功能独立且不会互相干扰，达到高效处理和运算的目的。
中断函数详见附录9，主函数详见附录10。
5.综合测试方法、数据及结果分析
5.1测试方法
按照题目要求搭建实验环境，在地板上用铁丝铺设了如图1的轨道，并且考虑到各种可能发生的情形采取相应措施并进行测试。
测量仪器如下：
（1）秒表（误差0.01S）：
测量时间，结合电机上的码盘测量速度；
（2）钢卷尺（误差1mm）：
测量车道、硬币的几何尺寸；
（3）万用表：
测量电池电压和信号电压，用于现场调试。
5.2测试数据
小车设置好相关参数后开始正常行驶，探测铁丝并沿着铁丝跑完全程。
表1为秒表测得结果和LED显示结果。
秒表测得时间
LED显示时间
第一次测试
29s
28s
第二次测试
30s
第三次测试
平均值
28.3s
表1秒表测得结果和LED显示结果
5.3结果分析
小车上的LED显示器显示的时间与秒表测得的时间平均误差为0.7s，小车全程的行驶时间不会超过1min。
小车行驶中车身平稳，转弯灵活，而且巡线精准。
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