【正文】 文） 第 5 頁 共 28 頁 度很快，同時(shí)穩(wěn)定性也很強(qiáng)，是市面上運(yùn)用非常普及的 PWM調(diào)速技術(shù)。 這種調(diào)速方式有調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過載能力大，能承受頻繁的負(fù)載沖擊，還可以實(shí)現(xiàn)頻繁的無級(jí)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。因此決定采用使用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機(jī)。 圖 L298N 實(shí)物圖 基于以上分析，我 選擇了方案二，使用 L298N來作為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片。 循跡模塊 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的視覺傳感器也是越來越多，其中有好也有壞，有的能夠提供很高質(zhì)量的圖像信息，有的只能采集到很基本的信息，在這里我列出來兩種典型的傳感器來做比較。 方案一：采用簡(jiǎn)易光電傳感器結(jié)合外圍電路探測(cè)，但實(shí)際效果并不理想，對(duì)行駛過程中的穩(wěn) 定性要求很高，且誤測(cè)幾率較大、易受光線環(huán)境和路面介質(zhì)影響。在使用過程極易出現(xiàn) 問題，而且容易因?yàn)? 該部件造成整個(gè)系統(tǒng)的不穩(wěn)定。故最終未采用該方案。 方案二： 采用 CCD 傳感器來采集路面信息。 CCD 傳感器能做到自動(dòng)聚焦，可以全面完整的掌握路徑信息，可以進(jìn)行較遠(yuǎn)距離的預(yù)測(cè)和識(shí)別圖像復(fù)雜的路面，而且抗干擾能力強(qiáng)。但是對(duì)于本系統(tǒng)來說， CCD 傳感器的缺點(diǎn)也顯而易見，它存在信息處理滿，實(shí)時(shí)性差等缺點(diǎn)。如果采用 CCD 傳感器，無疑會(huì)加重單片機(jī)的處理負(fù)擔(dān)，不利于實(shí)現(xiàn)更好的控制策略，因?yàn)槭且詫?shí)現(xiàn)小車視覺為目的，實(shí)現(xiàn)起來工作量較大，相當(dāng)繁瑣。 再加上 CCD 傳感器的價(jià)格、體積個(gè)使用方式上并不占優(yōu)勢(shì)，因此我舍棄了這種方案 。 方案三 ： 采用四路紅外線發(fā)射和接收管置于車頭，其中兩只探頭置于軌道中間，本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 6 頁 共 28 頁 兩只置于軌道之外，當(dāng)小車左 偏或者右偏的時(shí)候，其中的一個(gè)探頭就會(huì)出線。探測(cè)器就會(huì)發(fā)出信號(hào)，單片機(jī)會(huì)很快相應(yīng)。這個(gè)方案精度高，能很好的實(shí)現(xiàn)循跡功能。 考慮到本次設(shè)計(jì)的要求和可行性，方案一誤差太大，顧舍棄。方案二由于 CCD傳感器費(fèi)用昂貴，且操作繁瑣。反觀方案三更加利于實(shí)現(xiàn)，已然能實(shí)現(xiàn)本次設(shè)計(jì)的要求和設(shè)計(jì)理念。所以我采用方案三中的四路傳感器來檢測(cè)路面信息。 機(jī)械系統(tǒng) 本題目要求小車的機(jī)械系統(tǒng)穩(wěn)定、靈活、簡(jiǎn)單 ， 而三輪運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)具備以上特點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)部分 ： 由于玩具汽車的直流電機(jī)功率較小 ， 而小車上裝有電池、電機(jī)、電子器件等 ， 使得電機(jī)負(fù)擔(dān)較重。 為使小車能夠順利啟動(dòng) ， 且運(yùn)動(dòng)平穩(wěn) ， 在直流電機(jī)和輪車軸 之間加裝了三級(jí)減速齒輪。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 7 頁 共 28 頁 3 硬件設(shè)計(jì) 總體設(shè)計(jì) 智能小車采用前輪驅(qū)動(dòng)，前輪左右兩邊各用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)， 通過控制 前面兩個(gè)輪子的轉(zhuǎn)速起停從而達(dá)到控制轉(zhuǎn)向的目的，后輪是萬象輪，起支撐的作用。將循跡紅外對(duì)管分別安裝在 車頭 的左右兩邊。當(dāng)車體下左側(cè)的傳感器檢測(cè)到黑 線的時(shí)候，主控芯片控制左輪電機(jī)停止，車子向右修正 。當(dāng)車體下右側(cè)的傳感器檢測(cè)到黑 線的時(shí)候，主控芯片控制右輪電機(jī)停止，車子向左修正。 主板設(shè)計(jì)框圖 如圖 。 紅 外 線 接 收 電 源 模 塊電 機(jī) 驅(qū) 動(dòng)循 跡 模 塊S T C 8 9 C 5 2 圖 主板設(shè)計(jì)框圖 電機(jī) 驅(qū)動(dòng)電路 從單片機(jī)輸出的信號(hào)功率很弱，即使在沒有其他外在負(fù)載的情況下依舊無法帶動(dòng)電機(jī)，所以在實(shí)際電路中我們就要加入一塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片來提高輸入電機(jī)信號(hào)的功率，這樣也能根據(jù)實(shí)際的需要來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)一般采用 H 橋式驅(qū)動(dòng)電路 ， L298N 內(nèi)部集成了 H 橋式驅(qū)動(dòng)電路 ， 從而可以采用 L298N 電路來驅(qū)動(dòng)電機(jī)。通過單片機(jī)給予 L298N 電路 PWM 信號(hào)來控制小車的 運(yùn)行速度，同時(shí)也能控制小車的啟動(dòng)與停 止 。 L298N 芯片輸出電壓最高可達(dá) 50V。該芯片是專 門的雙全橋步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，也可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)。它最高能驅(qū)動(dòng) 2A 的步進(jìn)電機(jī)或兩個(gè) 1A 的直流電機(jī)。 L298N 驅(qū)動(dòng)原理圖如圖 所示 。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 8 頁 共 28 頁 圖 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 芯片上的 ENA 與 ENB 是高電平有效，只有當(dāng)他們是高電平的時(shí)候，電機(jī)才會(huì)旋轉(zhuǎn)，否則電機(jī)是不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)的， L298N 可接受標(biāo)準(zhǔn)的 TTL 邏輯電平信號(hào)。其中 ENA 是IN1 和 IN2 的使能端， ENB 是 IN3 和 IN4 的使能端。 由于 L298N 能驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)，所以 OUT1， OUT2 是接第一個(gè)電機(jī)， OUT3 和 OUT4 是接第二個(gè)電機(jī)。 表 是 L298N 功 能 邏輯圖 。 表 L298N 功能模塊 EN A In 1 In 2 運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài) 0 X X 停止 1 1 0 正轉(zhuǎn) 1 0 1 反轉(zhuǎn) 1 1 1 剎停 1 0 0 停止 IN3， IN4 的邏輯圖與表 相同。由表 可知 ENA 為低電平時(shí)，輸入電平對(duì)電機(jī)控制 不 起作用，當(dāng) ENA 為高電平，輸入電平為一高一低，電機(jī)正或反轉(zhuǎn)。同為低電平電機(jī)停止，同為高電平電機(jī)剎停。 信號(hào)檢測(cè)模塊 循跡電路采用的紅外對(duì)管，在小車的前端安裝了 4 個(gè)紅外對(duì)管，紅外對(duì)管檢測(cè)電路如圖 所示 。由于黑色物體和白色物體 的反射系數(shù)不用，調(diào)節(jié)紅外對(duì)管和被測(cè)物體之間的距離，是光敏三極管智能化接受到白色物體反射回來的光束。而對(duì)于黑色物體，由于起反射的系數(shù)小，幾乎所有的光纖都會(huì)被黑色的物體所吸收，所發(fā)射回來的光束很弱，所以光敏三極管將無法接受足夠的反射光。利用反射光可以使光敏三極管本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 9 頁 共 28 頁 導(dǎo)通和管段，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)黑色物體的分辨。 圖 紅外對(duì)管檢測(cè)電路 電路的工作過程如下：當(dāng)檢測(cè)的物體為黑色物體的時(shí)候，紅外光電二極管 U1 發(fā)射出的光線大部分被檢測(cè)的黑色物體縮吸收，反射的光線已經(jīng)很微弱，光敏三極管無法導(dǎo)通。所以 LM324 的 2 腳為 高電平 ，并且與 3 腳的輸出電壓同時(shí)送入比較器 LM324進(jìn)行比較。由于 U2U3，使得 LM324 的 1 腳電平輸出為高，最后輸出給單片機(jī)的信號(hào)為高。當(dāng)被檢測(cè)的物體為白色時(shí)，紅外光電二極管 U1 發(fā)射的光線會(huì)被白紙反射回來，這時(shí)在紅外線傳感器的接受端會(huì)得到很強(qiáng)的光照。這時(shí)光敏三極管就會(huì)導(dǎo)通。比較器 LM324 的 2 腳就會(huì)接地 ， 為低電平，與 3 腳的電壓比較后在 7 腳的輸出端輸出一個(gè)低電平。這時(shí)輸出端給單片機(jī)發(fā)出的信號(hào)為低。 將比較器的輸出信號(hào)送入單片機(jī)中進(jìn)行 判斷就 可以判斷出此時(shí)被檢測(cè)的軌跡是白色還是黑色的，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng) 。 左X2左X1右X1右X2左輪右輪 圖 紅外探頭的分布圖 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 10 頁 共 28 頁 如圖 所示，四路傳感器全部在同一水平線上面。其中 X1 和 Y1 是第一級(jí)方向控制傳感器， X2 和 Y2 是第二級(jí)方向控制傳感器 ，并且黑線同一邊的傳感器之間的寬度不得大于黑線的寬度。小車前進(jìn)是， 黑線 始終保持在 X1 和 Y1 這兩個(gè)第一集傳感器之間，當(dāng)小車偏離黑線時(shí)，第一級(jí)傳感器就能檢測(cè)到黑線，把檢測(cè)的信號(hào)送給小車的處理、控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)對(duì)小車軌跡予以糾正。第二級(jí)方向傳感器實(shí)際上是第一集的后備保護(hù)，它的存在是考慮到小車由于慣性過 大會(huì)依舊偏離軌道，再次對(duì)小車的運(yùn)行進(jìn)行糾正，從而提高了小車的循 跡的可靠性 [16]。 四