1.1課題背景及目的

隨著工業(yè)的發(fā)展，全球經(jīng)濟迅速增長。任何事物都有兩面性，可是隨著經(jīng)濟全球化的到來，在經(jīng)濟發(fā)展迅速的同時，全球的環(huán)境也漸漸的惡劣起來，人們也意識到環(huán)境存在的嚴重問題。人類的發(fā)展不得不放慢腳步，考慮環(huán)境問題帶來的影響。“無碳”一詞也就慢慢被人熟知，無碳紙，無碳車，無碳產(chǎn)品等， “無碳小車”正是體現(xiàn)了這種無碳理念。從字面上來看，小車將勢能轉(zhuǎn)成動能，并能實現(xiàn)指定運行軌跡的小車[1]。從真正意義上實現(xiàn)了，無碳，綠色，環(huán)保.生活中像這種具備一定特定功能的無碳結(jié)構(gòu)到處可見，例如玩具小車。現(xiàn)如今，人們對于無碳概念的理解，研究與開發(fā)對于世界發(fā)展有著重要的意義和發(fā)展前景。

1.2國內(nèi)外研究狀況

在大約20世紀70年代，中國研究的智能車開始發(fā)展起來，這么多年過去了，越來越體系化，越來越成熟，但在智能避障信息采集方式上和避障算法上仍有很大的改善。依據(jù)汽車轉(zhuǎn)向機構(gòu)的原理，在小車轉(zhuǎn)彎時，為了能使小車不單單可以快速響應(yīng)，也要避免速度過快偏離跑道[2]。將電機的位置提高，增大了扭矩，作為小車的視覺系統(tǒng)，賽道信息采集裝置，在對白線識別成功后，同時視覺系統(tǒng)又會發(fā)出電平信號傳達到控制中心，發(fā)出指令給驅(qū)動部分，來控制小車轉(zhuǎn)向，完成循跡 [3]。楊紅將萬向輪做從動輪，控制電機的運動，實現(xiàn)多方向動作。根據(jù)電磁感應(yīng)的原理，陳文山則使用了LC諧振回路的方案，感應(yīng)電磁信號尋跡 [4]。

目前，世界上許多國家都在積極進行智能小車的研究和設(shè)計開發(fā)，已應(yīng)用于多個領(lǐng)域，尤其在軍事，探測領(lǐng)域的應(yīng)用特別突出。在多傳感器融合的技術(shù)領(lǐng)域[5]，來追尋汽車的運行軌跡，通過使用計算機編程技術(shù)，就能夠?qū)ζ�車行駛的狀態(tài)進行自動控制，比如驅(qū)動和制動，速度的大小與方向。在大約二十世紀八十年代，由于計算機技術(shù)，半導(dǎo)體，通信技術(shù)的 飛躍發(fā)展，國外開始熱衷于機器人的研究，有很多研究具有很多軍事價值與應(yīng)用前景。在1997年，索杰納在智能車上安裝了5臺激光測距儀[6]，智能小車會自動躲避障礙。

1.3課題研究方法

由于人們對無碳環(huán)保的提倡和近年來對智能機器人的研究熱潮，特結(jié)合兩者而提出的研究課題.此課題的研究綜合性較強，充分的整合了所學(xué)過的機電知識。

此課題的研究策略及方法原則是已一根主線為線索，呈四周發(fā)射性擴散。研究的主線則是無碳小車依靠焦耳的重力勢能在障礙間隔隨機的賽道上自動循跡避障。首先通過對課題的要求深入了解，通過文獻檢索法針對性的查閱關(guān)于自動循跡小車的資料，了解自動循跡無碳小車的發(fā)展，應(yīng)用，以及研究成果.在實踐來源上，再通過對以往競賽作品的觀察研究設(shè)計出無碳小車的大致結(jié)構(gòu)，然后利用資源整合法整合自己學(xué)過的機械原理，機械設(shè)計，電路，自動化控制等相關(guān)理論知識，計算小車各部件參數(shù)，整體布局以及電子元器件和傳感器的工作原理的了解和選用。用設(shè)計好的結(jié)構(gòu)參數(shù)通過三維軟件將其建模裝配，畫出電路圖，最后將零件加工組裝，進行機電組合的測試及調(diào)試。

1.4構(gòu)成及研究內(nèi)容

本文主要有緒論部分，無碳小車各個部分的結(jié)構(gòu)特點，電控部分的設(shè)計，機電組合調(diào)試四大部分組成。

作為整篇的開端緒論部分，對無碳小車課題展開討論研究的背景與意義，中國的發(fā)展和國外的發(fā)展歷史與狀況；將機械部分安排到的第二章節(jié)，由于本注重于對電控部分的設(shè)計，因此機械部分做簡單介紹，機械部分主要介紹了組成小車的幾大部分，各個部分的特點，整體布局，主要結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計；第三章作為電控部分，包括了硬件和軟件的設(shè)計，硬件部分主要介紹了電控部分控制小車轉(zhuǎn)向的原理，電路硬件的設(shè)計，對所需要控制電路模塊的原理及模塊選用，包括單片機控制單元的介紹，超聲波測距傳感器的原理的了解和選用，溫度補償模塊的原理和選用和電機的原理和選用，小車避障的原理與算法設(shè)計；軟件介紹了電控小車避障思想和步驟；最后是機電組合調(diào)試。

本次題目是“無碳小車”，即小車前進的動力直接由重物下落過程中減少的重力勢能提供，只通過重力勢能與機械能的轉(zhuǎn)換，使得小車實現(xiàn)前進，轉(zhuǎn)向和調(diào)節(jié)。重力勢能提供的4焦耳能量作為小車前進的動力，按照特定的軌跡繞過設(shè)定的障礙.因此首先要考慮小車有足夠的行走距離完成避障。在設(shè)計過程中本著小車的能量高轉(zhuǎn)化看率，行走平穩(wěn)性，均勻性，避障精確性，可調(diào)性的原則，車身結(jié)構(gòu)應(yīng)簡單，輕巧，在材料上應(yīng)選擇較輕的材料，同時又要保證小車整體的可靠性。通過對小車功能的分析，小車需要完成重力勢能的轉(zhuǎn)換，驅(qū)動自身行走，自動避開障礙物。為了方便設(shè)計這里根據(jù)小車所要完成的功能將小車劃分為六個部分進行模塊化設(shè)計，分別是車身，能源動力驅(qū)動部分，傳動部分，轉(zhuǎn)向部分，車輪部分，微調(diào)部分。一個相對完整的小車應(yīng)該包括了上面的的結(jié)構(gòu)，最主要部件是傳動和轉(zhuǎn)向 [7]。

繩子的一邊繞過小車固定定滑輪系在砝碼上，驅(qū)動軸也用繩子纏住，當砝碼從高處自由落下時，會帶動驅(qū)動軸旋轉(zhuǎn)，將速度通過一對齒輪傳動機構(gòu)傳遞給車輪軸，車輪軸帶動后車輪驅(qū)動小車，在遇到障礙物時，系統(tǒng)會通過電路模塊的檢測，計算，控制前車輪轉(zhuǎn)向，完成避障.在小車車速過快時，如果通過制動裝置使小車減速，小車在減速制動的時候，會因為摩擦浪費掉一些能量，繞過的障礙多，通過對機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計來彌補制動裝置損耗的能量。

2.2 小車各部分設(shè)計的特點

2.2.1 車架的設(shè)計

車架不用承受很大的力，精度要求低。考慮到重量加工成本等，車架采用鋁材加工制作成三角底板式。小車的重心應(yīng)較低，重心平穩(wěn)，所以小車車架重量不能過輕，以保證車架來支撐整個車的重量，在行走過程中不翻車，避免車體過重帶來的能量浪費，又能避免車體過輕使小車側(cè)翻。車架如圖：

圖2.1 無碳小車車駕

2.2.2 動力裝置的設(shè)計

由于小車驅(qū)動能源有限，又要保證能夠行走一定的距離，所以重力勢能轉(zhuǎn)化到驅(qū)動軸上的效率應(yīng)控制在最大。組成動力部分的有繩線，三根支撐立柱，定滑輪，1千克質(zhì)量的重物，大齒輪驅(qū)動軸。能量有效控制方面采用了三根立柱來限制重物落下過程中的擺動，這樣設(shè)計的好處在于重物擺動過程中不必要的能量損耗，合理的控制重物下落時擺動的幅度，小車也能盡可能的勻速行駛，防止了一根立柱帶來的翻車，跑偏問題。

動力裝置部分的設(shè)計應(yīng)該結(jié)構(gòu)簡單。應(yīng)保障足夠的小車驅(qū)動力，將線繞在驅(qū)動軸上，直徑設(shè)計盡可能小，小車啟動加速度不能太大，行走過程中應(yīng)平穩(wěn)，勻速，因此將驅(qū)動軸設(shè)計成帶有錐度，在大軸頸上以保證啟動力矩，小軸頸確保小車行駛勻速。

2.2.3 傳動裝置的設(shè)計

小車的動力能源由于來自只有一個4焦耳的重力勢能，這些能量用于轉(zhuǎn)向與行走，行走裝置和轉(zhuǎn)向裝置需要相互調(diào)和，達到最好的工作狀態(tài)，因此運動的協(xié)調(diào)性就需要通過傳動系統(tǒng)來保證[8]。要使小車行駛的更遠及按設(shè)計的軌道精確地行使，傳動機構(gòu)必須傳動效率高，傳動穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單重量輕，本設(shè)計采用齒輪一級傳動，高精度，運動起來起伏不大，具有承載大載荷的優(yōu)勢，由于傳動比值是固定的數(shù)值，因此在以后的調(diào)試過程中不方便，小車整體寬度會增大，小車在避障轉(zhuǎn)動方向的時候，轉(zhuǎn)動曲率會加大，

但是其重心又有所降低，行駛會平穩(wěn)一些。

2.2.4 行走裝置的設(shè)計

車輪與賽道接觸的距離，如何減小小車與地面的摩擦是減少能源浪費的關(guān)鍵，選取摩擦系數(shù)較小的鋁材，減小與地面的阻力，由于鋁材較輕，車輪的直徑過小會在小車啟動時產(chǎn)生大的加速度，在理論上，驅(qū)動軸轉(zhuǎn)過一圈，車輪直徑越大，小車走的越遠，但過大與地面有較大的阻力，能量消耗增加.在啟動時，盡量使小車車輪同步驅(qū)動，防止啟動跑偏，在轉(zhuǎn)彎時，外圈和內(nèi)圈車輪的速度不一樣，因此需要將車輪設(shè)計成差速結(jié)構(gòu)，車輪軸上安裝兩個單向軸承，單向軸承正轉(zhuǎn)時自由，反轉(zhuǎn)鎖緊。單向軸承原理簡單，速度較慢的輪子為主動輪，速度快的為從動輪[9]，主動輪和從動輪互相交替進行，這樣既可以保證啟動時雙輪同步轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)彎時也不易打滑。

2.2.5 轉(zhuǎn)向裝置的設(shè)計

轉(zhuǎn)向裝置的設(shè)計是決定著小車能否順利完成避障的關(guān)鍵，對于前車輪的穩(wěn)定平穩(wěn)需要合理的設(shè)計，同樣為了減少與賽道的摩擦力，設(shè)計前車輪的寬度較小，車輪由前車軸和軸承連接，減小行走阻力，車軸由前輪車架支撐，在前輪車架軸上安裝兩個滾動軸承，兩端固定，防止前輪晃動，提高了轉(zhuǎn)彎精度。

2.2.6 結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計

本設(shè)計初步選定傳動比為3.8，選用小模數(shù)0.5，為的齒輪，材質(zhì)為鋁合金進行線切割加工.小齒輪齒數(shù)選定為36，為了齒輪嚙合中防止多對齒同時嚙合，大齒輪和小齒輪不能同時為偶數(shù)，則大齒輪為137，小齒輪寬度稍大于大齒輪，防止齒輪嚙合中滑動。

當驅(qū)動軸繞過一圈時，在傳動比的帶動下，車輪軸就會轉(zhuǎn)圈，則車輪行駛的距離見式

            （2.1）

為驅(qū)動軸轉(zhuǎn)過一圈小車行走的距離，R為大車輪直徑。當重物下降高度為時，則小車行駛的距離見式

                 （2.2）

為小車行走距離，為驅(qū)動軸小徑.由公式可知，在下降高度一定的情況下，大車輪與驅(qū)動軸小徑比越大，小車行走的越遠，因此在保證有足夠的驅(qū)動力矩情況下，盡可能將兩者之比設(shè)計的大。傳動齒輪如圖：

圖2.2 一級減速齒輪

3 電控系統(tǒng)的設(shè)計

3.1電控系統(tǒng)的整體設(shè)計

小車的轉(zhuǎn)向問題由電控系統(tǒng)解決，由于轉(zhuǎn)向裝置不在完全依賴于機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 [10]，所以設(shè)計小車避障的時候，難度降低了很多。

電控系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)了在不同間距的障礙內(nèi)，可以自動避障的功能，優(yōu)化了以往傳統(tǒng)的機械小車在可變間距難以自動避障的問題。

電控部分控制的原理是由單片機控制，通過超聲波模塊檢測道路上的狀況，單片機負責接收信息和處理，由編定好的程序由單片機計算，控制電機的轉(zhuǎn)角，控制前輪進行轉(zhuǎn)彎。為了簡化電路硬件的設(shè)計，智能小車系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計 [11]。智能小車的傳感器一般采用紅外對管，金屬開關(guān)，超聲波測距，加速度傳感器，指南針傳感器，舵機，直流電機，L298N控制器等。初步設(shè)計的電控部分，應(yīng)該由單片機控制部分，超聲波，測量溫度模塊，電機轉(zhuǎn)向部分,小車避障算法設(shè)計部分。電控系統(tǒng)設(shè)計的準確性決定著小車能否順利通過障礙，無碳小車電控躲避障礙的算法是難點，根據(jù)小車賽道的情況，賽道可分為直線賽道和彎道賽道，在小車從直道進入彎道時如何進行有效的避障，如何設(shè)計避障算法和提高小車避障精度是電控系統(tǒng)設(shè)計中的難點。電控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖：

3.2電控各模塊的設(shè)計

3.2.1 電源穩(wěn)壓模塊的設(shè)計

電源電路是保證整個電路系統(tǒng)能夠正常工作的前提，電路系統(tǒng)的整個核心是單片機，單片機的工作電壓為，所以要使電路能夠正常的工作，則要保證輸入到整個電控系統(tǒng)的電壓在，同時為了在小車行駛過程中能夠方便的提供電源，采用移動電源為電路供電，本設(shè)計得電源電路采用一節(jié)南孚電池供電，將其安裝在一個電池盒內(nèi)，該電池盒自帶電源開關(guān)，為了能夠得到的工作電壓，需要對高壓進行降壓穩(wěn)定輸出，所以需要一個電源降壓穩(wěn)壓模塊，電源穩(wěn)壓模塊如圖：

圖3.1 電源電路

圖3.2 AMS117-5.0降壓模塊

降壓模塊選用的是AMS117-5.0降壓模塊，當電流太高的時候，此模塊就會起到限流的作用，溫度升高的時候，也會保護，具有電池反接和反插入保護電路 [12]。該模塊可以進行DC6.5-12V電壓的輸入，輸出電壓穩(wěn)定在5v,輸出最大電流為800ma，輸入輸出一共采用4個排針引腳，帶電源指示燈，能夠更好的判斷模塊是否工作。

3.2.1 單片機控制設(shè)計

整個電控系統(tǒng)的核心就像人類的大腦，操縱者整個系統(tǒng)，它應(yīng)該具備處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)，接受和發(fā)送指令控制各個模塊的功能。在近幾年，電子技術(shù)與集成電路的飛躍發(fā)展前進，將傳統(tǒng)的復(fù)雜的電路集成到一塊芯片上，并向著微型化，多功能化，快速化，精簡化的方向發(fā)展。作為電路集成化的典型控制芯片單片機，是一個微控制器，單片機具備了數(shù)據(jù)處理，定時器，計數(shù)器，數(shù)模電路轉(zhuǎn)換，控制功能，單片機能夠?qū)⒔邮盏降臄?shù)據(jù)進行快速的處理運算，并根據(jù)相應(yīng)的程序發(fā)送指令去控制相應(yīng)的模塊。單片機占用的空間小，信息存儲量大，計算運行速度高，低功耗，適應(yīng)能力強，反應(yīng)靈敏，易掌握實現(xiàn)模塊化設(shè)計。

在此課題電路設(shè)計中，硬件控制中心使用了單片機型號為AT89S52，一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K字節(jié)系統(tǒng)可編程Flash存儲器。8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時器，內(nèi)置4KB EEPROM，MAX810復(fù)位電路，3個16 位定時器/計數(shù)器，4個外部中斷，一個7向量4級中斷結(jié)構(gòu)(兼容傳統(tǒng)51的5向量2級中斷結(jié)構(gòu))，全雙工串行口。單片機具有功耗低，易學(xué)易掌握的特點，單片機的工作電壓為5V，本設(shè)計用一節(jié)9V電池經(jīng)降壓模塊穩(wěn)定輸出5V供電，單片機最小系統(tǒng)是單片機能夠工作的前提，復(fù)位電路的作用是當單片機程序發(fā)生錯亂時，按下復(fù)位電路的復(fù)位按鈕，即可讓單片機重新工作.時鐘電路為單片機提供一定的節(jié)奏，是單片機有條不紊的工作，該系統(tǒng)采用單片機最小系統(tǒng)帶鎖DC05模塊，該模塊除了時鐘電路和復(fù)位電路之外，還增加了ISP程序下載口，P0完成上拉電阻，具有兩種電源供電方式，一種是DC-005的電源插座，二是三組排針電源端和接地端，可以輸入和輸出電壓，晶振為11.0592MHz，帶有自鎖開關(guān)，隨意改變電源的通斷電狀態(tài)，單片機的最小系統(tǒng)如下：

圖3.3 AT89S52單片機最小系統(tǒng)模塊

3.2.2測距循跡模塊的設(shè)計

測距模塊的選用決定著單片機是否能接收到準確的賽道信息，是否能按照設(shè)計的程序成功避障.測距尋跡模塊的選用的要求應(yīng)該具有對賽道信息準確反映的高精度，發(fā)射和接收聲波信號的靈敏性，識別障礙物的范圍廣。傳感器測距是小車識別障礙信息來躲避障礙的根據(jù)，在眾多的測距一起里，一般有超聲波和紅外傳感器 [13]。超聲波傳感器是將超聲波信號轉(zhuǎn)換成其他能量信號，通常是電信號的傳感器。超聲波是振動頻率高于20KHz的機械波。它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。

運用時間計時的方法測量距離，工作原理是給予超聲波一個大于10us的上升沿電平信號，這個上升沿由控制單元單片機發(fā)出，當超聲波模塊接收到這個信號的時候，超

聲波模塊就會有頻率為40kHz的聲波發(fā)出，定時器在這個時候就尅是計時，當聲波遇到障礙物時被反射回來[14]，系統(tǒng)就會停止計時器的工作，所以測量出來的距離為聲速與定時器計時時間的二分之一的乘積，即見式（3.1）

              (3.1)

V代表在空氣介質(zhì)中，超聲波傳播的速度快慢。是定時器從開始計時到停止計時的時間。無碳小車測距裝置設(shè)計了安裝了三個HC-SR04超聲波，分別安裝在小車的車頭，左邊和右邊，互相呈45度角.可以在0.02-4m的范圍內(nèi)進行測量，測量誤差達到3mm，由單片機的引腳觸發(fā)，當單片機發(fā)送10us的上升沿給超聲波，超聲波就會發(fā)出40KHz方波，可以連續(xù)發(fā)射，在經(jīng)過障礙物的反射后，當有信號返回到超聲波的接收端時，超聲波會自動檢測。下圖是超聲波的時序發(fā)生過程：

圖3.4 HC-SR04超聲波信號發(fā)生圖

工作電壓為4.5-5.5v，能將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化 [15]。能夠發(fā)生相互轉(zhuǎn)化的裝置被稱為是換能器。本方案中使用的型號為HC-SR04超聲波測距傳感器模塊，方法簡單，模塊性能穩(wěn)定，距離測量精確 [16]。下圖為超聲波傳感器模塊系統(tǒng)內(nèi)部的工作原理圖。

圖3.5 HC-SR04超聲波模塊系統(tǒng)原理圖

圖3.7 28BYJ-48步進電機參數(shù)
電機在5v的電壓下工作，由于其功率輸出不大，帶動能力較弱，因此需要在單片機和電機之間增加一個電機驅(qū)動電路，本設(shè)計采用了ULN2003電機驅(qū)動電路

模塊，驅(qū)動電路原理圖如下：

圖3.8 ULN2003電機驅(qū)動模塊原理圖

用單片機的P1口的低四位分別接到驅(qū)動電路的輸入端子輸出端分別接到電機四個相線端子，就可以驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動。步進電機工作的原理圖如下：

圖3.9 28BYJ-48步進電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

28BYJ-48步進電機內(nèi)部的定子上有八個齒，相對的兩個齒上通過繞組串聯(lián)起來，一共是四對，組成了四相，每一相一端接電源，一段接地.轉(zhuǎn)子上有六個齒，每一個都帶有磁性。其工作原理是當B相通電時，在磁場力中，纏著繞組的轉(zhuǎn)子齒發(fā)生轉(zhuǎn)動，此時轉(zhuǎn)子兩頭就會正對著B相的兩個齒，此時轉(zhuǎn)子的1齒的兩邊會與C相形成一定的角度。當把B相電源斷開，C相送上電源時，轉(zhuǎn)子再次轉(zhuǎn)動，使1齒和4齒向逆時針方向轉(zhuǎn)動，此時1齒的兩邊又會正對著c相繞組的兩個齒，同理2齒的兩邊又會和D相繞組的兩個齒形成一定的夾角，以此類推，如果先給B相通電，然后是C相，其次是D相，最后是A相，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的方向就會相反，而這個轉(zhuǎn)過的角度就是一個步距角，通電一次轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個角度為一拍，每次只通電一相，這種方式稱為單四拍，當通電完成了一個四拍，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的范圍就是一個定子，如果轉(zhuǎn)過了八個定子，這時轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過了一圈，則需要32拍，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一拍所轉(zhuǎn)的角度就是步距角，不難算出，步距角為。

如果通電方式改為兩相同時通電，則相鄰的兩組定子齒都會產(chǎn)生相同的磁場力，此時轉(zhuǎn)子齒不會正對著定子齒，而是相鄰的兩個轉(zhuǎn)子齒連線的中心線和相鄰兩個定子齒連線的中心線共線，此時每通電一拍，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度為原來單拍通電轉(zhuǎn)過角度的一般，即5.625°，則轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個定子齒則需要8拍，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一圈就需要64拍，由于兩相同時通電而產(chǎn)生的中間拍，會在原來的單四拍之間增加一定的力量，這就會增大電機的輸出扭矩。電機在機械結(jié)構(gòu)上有一個四級傳動，傳動比為1:64，要使電機輸出軸轉(zhuǎn)動一圈，則需要讓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)64圈，需要通電64*64=4096拍.28BYJ-48步進電機向外引出五條線，電機的外部結(jié)構(gòu)如下圖：

圖3.10 28BYJ-48步進電機外觀圖

紅線作為電源公共端，接5v電壓供電其余的橙色，黃色，粉紅色，藍色則對應(yīng)著ABCD

四相端子，如想要使某一相通電，便把哪一相接地便可，單八拍模式如圖：

圖3.11 28BYJ-48步進電機八拍示意圖

當把A相接通時，則將對應(yīng)接口的單片機引腳輸入低電平即0，八拍的通電模式應(yīng)該是A-AB-B-BC-C-CD-D-DA,連續(xù)向單片機輸入這些數(shù)據(jù)，就可以讓電機連續(xù)轉(zhuǎn)動。當超聲波檢測到障礙時，數(shù)據(jù)發(fā)送到單片機，觸發(fā)單片機相應(yīng)程序給定電機一定的啟動頻率，根據(jù)設(shè)定的轉(zhuǎn)過的角度進行避障，電機輸出軸的轉(zhuǎn)速由脈沖的頻率決定，輸出一定的脈沖個數(shù)就可以讓電機停在預(yù)期的位置。

3.2.5避障方式的設(shè)計

在機器人的避障研究中，控制機器人動作的方法是特定的路徑規(guī)劃，以達到它的長遠目標 [18]。在此避障設(shè)計中，也是按照路徑規(guī)劃的思想設(shè)計無碳小車的避障算法，避障算法是整個電控小車設(shè)計得核心，也是設(shè)計的難點，在避障算法中，小車的整體尺寸，賽道的情況，小車行走的狀態(tài)，都是避障算法的關(guān)鍵，小車最理想的行走狀態(tài)就是小車中軸線與賽道的中軸線重合，但是在實際中不會完全重合，這就要依靠電機來控制小車，因此需要將左右超聲波與賽道的距離分解，分解成與賽道垂直和平行的兩個方向兩量，如下圖：

圖3.12 超聲波測距距離分解圖

設(shè)置一個小車到障礙物的安全距離FS，根據(jù)安全距離的值來判定小車是否轉(zhuǎn)向。左右兩側(cè)的超聲波與賽道的方向分量LcS和RcS的值不一樣時，將會決定著小車向哪方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。小車在賽道行駛中會出現(xiàn)以下三種情況，第一種如圖a小車中軸線與賽道中軸線不重合，障礙物沒有完全遮擋住超聲波的探測范圍，因此這種情況會導(dǎo)致超聲波存在探測盲區(qū)，小車前邊的超聲波將不會采集到賽道信息，小車避障會失敗。第二種情況如圖b，小車距離賽道的距離大于障礙物的長度，此時小車對前方的物體無能為力，也就不能轉(zhuǎn)彎，但是隨著與障礙物的距離越來越近，LcS和RcS的差值會越來越大，此時小車會發(fā)生不必要的轉(zhuǎn)向.第三種情況如圖c，小車與賽道的距離小于賽道與中軸線的距離，此時前端的超聲波可以完全檢測到障礙物，使小車發(fā)生轉(zhuǎn)彎，但小車不一定能在中軸線上行駛。

            

（a）超聲波部分測距              （b）超聲波不測距         （c）超聲波完全檢測

圖3.13 小車遇障圖

結(jié)合賽道的情況和這三種情況，根據(jù)題目要求，障礙強高80mm，障礙擋板長度要伸出賽道中軸線100-150mm，根據(jù)小車整體寬度為124mm，為了使前邊的超聲波都能夠識別到障礙物，盡量使小車盡量行駛在賽道中間，設(shè)定 LfS與RfS的差值在一個范圍內(nèi)，如果超出了這個范圍，超聲波測距的值將會傳送到單片機，控制電機的轉(zhuǎn)角，使小車盡量行走在賽道中間，不至于發(fā)生過大的偏轉(zhuǎn)。

3.2.6 避障算法的設(shè)計

為了簡化小車的避障算法，將使電機控制小車在賽道中軸線行駛，具體算法過程如下：

小車的寬度為124mm，為了使小車更容易的轉(zhuǎn)向，將小車的轉(zhuǎn)彎半徑設(shè)計稍大一些，小車在距障礙物近時，轉(zhuǎn)彎半徑會大些，距離遠則會半徑小，為了使小車轉(zhuǎn)彎的時候更流暢，不發(fā)生側(cè)翻，故可以對安全距離和小車的關(guān)系建立數(shù)學(xué)模型，建立一個反比例函數(shù)，，當電機設(shè)定了轉(zhuǎn)過一定的角度后，將總的度數(shù)分為y份，x代表安全距離，a代表小車轉(zhuǎn)彎時的平滑度，決定著小車轉(zhuǎn)彎是否平穩(wěn)，b為小車距離的控制量，當小車與障礙物的距離過小時，不至于電機處于不反應(yīng)狀態(tài)，其數(shù)學(xué)模型如圖：

圖3.14 小車遇障圖

這樣就可以控制電機轉(zhuǎn)彎的平滑度。當賽道左邊有障礙物時，首先設(shè)置FS的最小轉(zhuǎn)向距離，小車前方的超聲波距離障礙物擋板的距離為S，起初在沒有遇到障礙物時，LS=RS,其距離分量也相等，當小車繼續(xù)前進遇到障礙物時，此時單片機會向電機發(fā)出轉(zhuǎn)向的指令，與此同時，左右超聲波與障礙物距離的垂直分量LcS和RcS會進行一個數(shù)值的比較，當障礙物的距離越來越近時， LcS和RcS的差值會慢慢變大，LcS會越來越小，RcS的數(shù)值不變，當達到一定差值范圍內(nèi)，單片機就會再次發(fā)送發(fā)送指令，當前方的安全距離和左右距離的差值都滿足條件后，電機就開始轉(zhuǎn)彎。實現(xiàn)小車的左右轉(zhuǎn)向，使小車向右方轉(zhuǎn)彎，如圖：

圖3.15 小車轉(zhuǎn)彎

小車轉(zhuǎn)彎時，三個超聲波轉(zhuǎn)會暫時被關(guān)掉，不會再測量距離，小車會向右前方行走，經(jīng)過時間t1時，小車與左邊賽道的距離大于障礙物長度，電機又會使小車發(fā)生轉(zhuǎn)向，使小車大致與平行賽道行走，經(jīng)過短暫的時間t2后，小車又一次轉(zhuǎn)彎，向左前方行走，經(jīng)過時間t3，小車已完全繞過障礙，此時再起啟動超聲波，使小車回到賽道的中軸線上，以此原理，小車可以繞過多個障礙， 小車避障的軌跡近似于等腰梯形 ，軌跡如下圖：

圖3.16 小車轉(zhuǎn)彎軌跡

t1，t2，t3的數(shù)值由實際運動中調(diào)試確定。

3.2.7 信號指示電路的設(shè)計

為了更直觀的觀察超聲波的工作狀態(tài)，設(shè)計了一組6個工作指示燈，每個指示燈與一個電阻值為510歐姆的電阻，每個指示燈對應(yīng)一個超聲波引腳，采用了共陽極的接法，通過對指示燈的觀察來判斷超聲波是否正常工作，方便檢修，指示燈電路如下：

圖3.17 超聲波工作狀態(tài)指示燈

3.2.8 程序下載模塊設(shè)計

程序編號之后。需要把程序一直到單片機中，使系統(tǒng)工作，下載口采用單片機最小系統(tǒng)模塊自帶的ISP編程燒錄方式下載，選用了免驅(qū)動型的USBASP下載模塊，該下載器不用安裝驅(qū)動，使用USB接口供電，采用了標準的IDC10引腳口，插入電腦后就會自動識別下載器，下載流暢.其模塊硬件圖和單片機連接圖如下：

圖3.18 IPS程序下載電路

3.3 軟件的設(shè)計

在硬件設(shè)計好之后，就需要通過一定的指令協(xié)調(diào)各個模塊進行正常的工作，軟件采用c語言編程，c語言應(yīng)用廣，可移植性較強，容易編寫，易懂，產(chǎn)生的很少的機器代碼，對運行環(huán)境的條件較低，c語言比較通用，在系統(tǒng)和軟件的開發(fā)有著非常廣的應(yīng)用。功能多，有著很多的數(shù)據(jù)類型，最為靈活方便的就是指針功能，大大提高了程序指令的效率。

控制硬件最要的部分就是軟件的設(shè)計，只有設(shè)計好控制的指令，才會使硬件發(fā)揮功能，需要經(jīng)過反復(fù)的調(diào)試試驗 [19]。在本軟件設(shè)計中，為了編程方便，使讀者更容易理解，因此采用模塊化編程的思想，將整個系統(tǒng)分為，超聲波程序模塊，電機驅(qū)動程序模塊，溫度模塊，方便日后的程序調(diào)試，具體的流程圖如下：

3.4 機電系統(tǒng)的安裝與調(diào)試

在機械部分和電控部分都設(shè)計好之后，接下來就是實現(xiàn)最后的避障功能，將電控各部分模塊組裝好之后，由于機械部分的結(jié)構(gòu)緊湊，空間小，所以合理的安裝電控模塊也是非常重要的，在機電部分安裝之后，將程序通過下載器下載到單片機內(nèi)，先給電路部分通電，在將小車放入賽道中，首先調(diào)試左右兩邊超聲波與賽道兩邊的距離，實時控制電機的轉(zhuǎn)角，使小車盡量在賽道中間行走，然后確保前方超聲波與障礙物的安全距離，確保小車在轉(zhuǎn)彎時不能與障礙物相撞，合理的選用轉(zhuǎn)角半徑，最后在轉(zhuǎn)彎過程中，合理的調(diào)試小車繞過障礙的時間。

完整的Word格式文檔51黑下載地址：

設(shè)計文檔.doc (1.32 MB, 下載次數(shù): 24)

2019-3-9 01:01 上傳

點擊文件名下載附件
下載積分: 黑幣 -5