【正文】 號(hào) 。該傳感器是利用 PN 結(jié)單向?qū)щ娦缘慕Y(jié)型光電器件，具有響應(yīng)速度快、精巧、堅(jiān)固、溫度穩(wěn)定性好和工作電壓低（ 10～ 20V）的優(yōu)點(diǎn)，因而不失為一種比較理想的方案。 此外，發(fā)光二極管安裝的位置也至關(guān)重要，茲提出兩種方案以供選?。?將兩個(gè)傳感器分別置于黑線內(nèi)側(cè)或者放置于黑線外側(cè)。考慮到引導(dǎo)線只有 2cm寬，若采用置于黑線內(nèi)側(cè)方式由于探測(cè)的范圍太小，小車極易沖出軌道而失去判斷力；置于黑線外側(cè)的方式較為可行，對(duì)小車的控制也比較準(zhǔn)確。是故，選用后者。 小車金屬路標(biāo)信號(hào)的檢測(cè) 要檢測(cè)到跑道下面的金屬，并沿著金屬路標(biāo)到達(dá) C 點(diǎn)，小車必須要能“識(shí)別”金屬。堇提供兩種方案參考：其一是采用自制金屬檢測(cè)器的方案。原理圖如圖 所示，基于電渦流式傳感器的原理，受到交變磁場(chǎng)作用的導(dǎo)體會(huì)產(chǎn)生電渦流，從而改變線圈原來阻抗。其二：采用 LJ12A34Z/BX 型金屬檢測(cè)器的方案。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)比較， LJ12A34Z/BX 型金屬檢測(cè)器在性能和指標(biāo)方面都優(yōu)于自制的金屬探測(cè)器。分析如下：自制的金屬探測(cè)器是用多匝金屬絲繞制而成，制作過程繁瑣，而且精度不高。且線圈振蕩產(chǎn)生的正弦波形要通過整形，才能成高低電平。相反的 LJ12A34Z/BX 型金屬檢測(cè)器彌補(bǔ)了以上的不足，精確度高也比較穩(wěn)定。所以，采用 LJ12A34Z/BX 型金屬檢測(cè)器完成金屬的探測(cè)的功能。 第 5 頁 共 23 頁 圖 自制金屬傳感器原理圖 路障信號(hào)的檢測(cè) 超聲波傳感器相比于其它類型的傳感器（如激光測(cè) 距傳感器）是小車實(shí)現(xiàn)障礙物檢測(cè)部分最現(xiàn)實(shí)可行的裝置。超聲波具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠?qū)崿F(xiàn)定向傳播等特點(diǎn)，特別適合應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)各種遙控和測(cè)量，如測(cè)速、測(cè)距、入侵報(bào)警、汽車倒車?yán)走_(dá)等。完全滿足小車探測(cè)障礙物的需要。 引導(dǎo)性光源信號(hào)的檢測(cè) 引導(dǎo)性光源信號(hào)由置于小車運(yùn)動(dòng)前方的 200 瓦的白熾燈提供，作為電動(dòng)車移動(dòng)的引導(dǎo)光源，小車必須能夠通過光電傳感器識(shí)別光源的方位，同時(shí)意味著光源信號(hào)的傳感系統(tǒng)必須能夠排除背景光（大多數(shù)情況為自然光）的干擾。針對(duì)這一具體情況，沒有通用的集成式光電傳感器 可用，本小車系統(tǒng)將用自制的傳感系統(tǒng)替代。其理論分析和設(shè)計(jì)過程見后續(xù)有關(guān)章節(jié)。 執(zhí)行部件和顯示模塊的方案及選取 執(zhí)行部件主要指小車驅(qū)動(dòng)部分。它由前、后輪的各一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成，小車通過前輪電機(jī)控制運(yùn)動(dòng)方向，后輪電機(jī)則用來提供小車的運(yùn)動(dòng)動(dòng)力。前、后電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)均由 FPGA芯片以 PWM(脈寬調(diào)制 )的方式所控制產(chǎn)生，再通過調(diào)節(jié) PWM參數(shù)來控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)從而精確地控制小車的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，以及小車的運(yùn)動(dòng)速度。 顯示 /發(fā)聲模塊用以顯示小車行駛距離、時(shí)間等相關(guān)信息以及在特定的條件下發(fā)出相應(yīng)的聲光信息，可 分別用譯碼驅(qū)動(dòng)的 LED數(shù)碼管、發(fā)光二極管和蜂鳴器來實(shí)現(xiàn)。 小車控制、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電源的方案及選取 方案一：采用單一電源供電 這樣供電比較簡單；但是由于電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)瞬時(shí)電流很大，而且 PWM驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)電流波動(dòng)較大，會(huì)造成電壓不穩(wěn)，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)對(duì) FPGA小板造成損壞。 方案二：采用雙電源供電 將電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源與 FPGA 小板及外圍電路電源完全隔離，利用光電耦合器傳輸信號(hào)。如下圖 所示。這樣做雖然不如單電源方便靈活，單可以將電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)所造成的干擾徹底清除，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性?？紤]到本設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性更為重要， 故采用方案二。 圖 雙電源供電方式原理框圖 電源 1 電源 2 光耦 電機(jī)驅(qū)動(dòng) 電路 FPGA 及 外圍電路 第 6 頁 共 23 頁 簡易智能小車測(cè)控系統(tǒng)的總體方案 以上對(duì)簡易智能小車測(cè)量、控制系統(tǒng)的各個(gè)模塊進(jìn)行了方案層面上的比較與論證，現(xiàn)將系統(tǒng)總體方案表示如圖 。 圖 簡易智能小車測(cè)量控制系統(tǒng)概念框圖 對(duì)圖 ： 系統(tǒng)核心控制模塊：包括 FPGA芯片及由其硬件邏輯功能所承載的控制策略； 信號(hào)檢測(cè)和處理模塊：包括兩對(duì)反射式光 電傳感器、一對(duì)對(duì)射式光電傳感器、白熾燈光源光電傳感器、金屬傳感器和超聲波傳感器及相關(guān)處理系統(tǒng)； 驅(qū)動(dòng)模塊：由 FPGA 控制的以 PWM（脈寬調(diào)制）的方式控制電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路； 顯示 /發(fā)聲部分：包括 LED數(shù)碼管、譯碼驅(qū)動(dòng)電路、發(fā)光二極管及蜂鳴器； 電源部分：包括電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源和 FPGA小板及外圍電路電源。 2． 簡易智能小車測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 經(jīng)過方案層面的研究，我們已然得到了如圖 所示的簡易智能小車測(cè)量控制系統(tǒng)概念框圖。這一部分我們將分別對(duì)上述各個(gè)模塊進(jìn)行理論分析和設(shè)計(jì)。 小車的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控 制模塊設(shè)計(jì) 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制模塊是一個(gè)執(zhí)行模塊。電動(dòng)機(jī)接受 由 FPGA 控制端發(fā)出的控制信號(hào)（該控制信號(hào)根據(jù)控制策略產(chǎn)生，控制策略見后續(xù)章節(jié)）的控制，從而確定電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)動(dòng)速度。由前、后兩電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)動(dòng)速度分別決定小車的運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度。實(shí)現(xiàn)上述 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的 電路如圖 所示。 整 形 電 路 FPGA 方波信號(hào) LED 數(shù)碼管 時(shí)間、距離顯示 發(fā)光二極管、蜂鳴器 光聲信號(hào) PWM 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng) 轉(zhuǎn)數(shù)檢測(cè) 整形電路 速度、方向控制 車輪轉(zhuǎn)動(dòng) 檢測(cè)信號(hào) 方波信號(hào) 檢測(cè)信號(hào) 路標(biāo)檢測(cè) 金屬檢測(cè) 障礙物檢測(cè) 光源檢測(cè) 第 7 頁 共 23 頁 圖 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 圖中的 12 個(gè)三極管是這個(gè)電路的關(guān)鍵，這 12 個(gè)三極管的導(dǎo)通與否關(guān)系到電機(jī)的停機(jī)和正反轉(zhuǎn)。由于這個(gè)電路是由 FPGA 控制，所以與 FPGA 的數(shù)據(jù)輸出端口相接時(shí)，必須用四個(gè)光耦集成塊 TIL117 隔開，將控制部分與電機(jī)的驅(qū)動(dòng)部分隔離開來，這樣增加了各系統(tǒng)模塊之間的隔離度。若 4 端口輸出為高電平，對(duì)應(yīng)的光耦 1 和光耦 2 導(dǎo)通，三極管 Q Q Q6 和三極管 Q Q Q12 導(dǎo)通，其余 6 個(gè)三極管截止，使電動(dòng)機(jī)正向偏置；若 2 端口輸出為高電平，對(duì)應(yīng)的光耦 3 和光耦 4 導(dǎo)通，三極管 Q Q Q5 和三極管 Q Q Q11 導(dǎo)通，其余 6 個(gè)三極管截止，電動(dòng)機(jī)反向偏置。本設(shè)計(jì)中端口 5 控制小車左轉(zhuǎn)，端口 3 控制右轉(zhuǎn)，端口 4 控制前行，端口 2 控制后退。 我們通過調(diào)節(jié)一個(gè) 10Hz 的周期信號(hào)占空比系數(shù)，來對(duì)車速進(jìn)行控制。 該控制信號(hào)的占空比系數(shù)決定了電機(jī)的通、斷電時(shí)間，實(shí)際上也就實(shí)現(xiàn)了速度上的調(diào)節(jié)。速度共分為八檔，可以滿足車速調(diào)節(jié)的精度要求。 綜上，用 FPGA 控制以 PWM(脈寬調(diào)制 )的形式產(chǎn)生的控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)小車電動(dòng)機(jī)不僅能精確地控制小車的運(yùn)動(dòng)方向如前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，也可以通過控制電動(dòng)機(jī)的輸出功率和轉(zhuǎn)速來限定小車行駛速度。 信號(hào)檢測(cè)與處理模塊的設(shè)計(jì) 信號(hào)檢測(cè)和處理模塊包括兩對(duì)反射式光電傳感器、一對(duì)對(duì)射式光電傳感器、白熾燈光源光電傳感器、金屬傳感器和超聲波傳感器及相關(guān)處理系統(tǒng)，它們分別完成相關(guān)信息的拾取和處理?，F(xiàn) 將它們的設(shè)計(jì)過程分別敘述如下。 小車移動(dòng)距離（速度）信號(hào)的檢測(cè)與處理模塊的設(shè)計(jì) 為了對(duì)小車的總行程（或速度）進(jìn)行測(cè)量，把有溝槽的斷繼式光電傳感器 固定于輪軸附近，再在輪軸上固定一片開有四條漏光條的擋板。安裝時(shí)把擋板的邊緣嵌入到溝槽中，輪軸轉(zhuǎn)一圈，漏光條依次通過溝槽，光電開關(guān)得到通斷相同的高低電平信號(hào)。得到的信號(hào)經(jīng)過整形，發(fā)送到 FPGA，以實(shí)現(xiàn)對(duì)距離、速度的測(cè)量，具體電路如圖 所示。 需要說明的是，考第 8 頁 共 23 頁 慮到后輪剎車時(shí)的打滑、和車輪反轉(zhuǎn)的情況，我們將該檢測(cè)裝置安裝在前輪上，以提高測(cè)量的準(zhǔn)確度。 經(jīng)測(cè)量得 小車車輪外圍得周長為 16cm，車輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周，發(fā)出四個(gè)脈沖。所以有 16cm247。 4＝ 4cm 即小車測(cè)量的最小精確為 4cm 小車行駛距離的測(cè)量：距離 164 ??NS（ cm） ,其中 N為測(cè)得車輪的轉(zhuǎn)數(shù) 小車行駛速度的測(cè)量：速度TSV?, S為小車行駛距離， T為小車行駛的時(shí)間 圖 轉(zhuǎn)數(shù)檢測(cè)原理圖 小車移動(dòng)引導(dǎo)線信號(hào)的檢測(cè)與處理模塊的設(shè)計(jì) 小車沿著引導(dǎo)線行駛的意思是引導(dǎo)線始終與小車的中心線一致。要確定小車 的這一狀態(tài)，決定小車行駛方向的兩個(gè)前輪一定位于引導(dǎo)線的兩側(cè)。要向控制器提供判斷小車位置狀態(tài)的這些信息，需要兩個(gè)傳感器，檢測(cè)理想的初始狀態(tài)（兩個(gè)前輪位于引導(dǎo)線的兩側(cè)）是否遭到改變。要做到這一點(diǎn)，傳感器必須具備對(duì)黑色的引導(dǎo)線和白色背景進(jìn)行區(qū)分的能力。 反射式光電傳感器包括發(fā)射和接收部分，其中發(fā)射部分為發(fā)光二極管，接收部分為光敏二極管。光電照射到路面并反射，由于黑線和白色背景的反射系數(shù)不同，可根據(jù)接收到的反射光強(qiáng)弱（由光電傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的強(qiáng)弱）判斷小車的左右傳感器是否壓住黑色引導(dǎo)線（或者說小車是否偏離由引導(dǎo)線 給定的軌道）。根據(jù)該兩傳感器的狀態(tài)可以判斷小車和引導(dǎo)線的位置關(guān)系，如表 。 表 ：小車和引導(dǎo)線的位置關(guān)系確定表 傳感器（左） 傳感器（右） 小車位置 0（未壓引導(dǎo)線） 0（未壓引導(dǎo)線） 理想的初始狀態(tài) 0（未壓引導(dǎo)線） 1（壓引導(dǎo)線） 向左偏 1（壓引導(dǎo)線） 0（未壓引導(dǎo)線） 向右偏 1（壓引導(dǎo)線） 1（壓引導(dǎo)線） 橫壓引導(dǎo)線 實(shí)現(xiàn)上述邏輯功能的電路原理圖如圖 所示。光電檢測(cè)器檢測(cè)到黑線時(shí)，發(fā)射光比較微弱，而不足以使光敏二極管導(dǎo)通， Q1或 Q2截止，則輸出的高電平信號(hào)通過施密特觸發(fā) 器整形后，就送入 FPGA的數(shù)據(jù)輸入端口 1或 2進(jìn)行分析；反之，光電檢測(cè)器檢測(cè)到的是白色背景時(shí)，發(fā)射光較強(qiáng)，光敏二極管導(dǎo)通， Q1或 Q2導(dǎo)通，則輸出的低電平信號(hào)通過施密特觸發(fā)器整形后，也送入 FPGA的數(shù)據(jù)輸入端口 1或 2進(jìn)行分析。 第 9 頁 共 23 頁 小車移動(dòng)引導(dǎo)線檢測(cè)原理圖 金屬探測(cè)傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)中使用的金屬探測(cè)傳感器是基于接近式開關(guān)傳感器工作原理。 外界的金屬性物體對(duì)傳感器的高頻 — 振蕩 器 （即是由 纏繞在鐵氧體磁芯上的線圈構(gòu)成的 LC振蕩 器 ） 產(chǎn)生非接觸式感應(yīng)作用。當(dāng)外界的金屬性導(dǎo)電物體接近這一磁場(chǎng)，并到達(dá)