【正文】 第 1 頁 共 23 頁 簡易智能電動車（ E題） 摘要： 本設(shè)計對象為一個簡易小車的智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以 FPGA 技術(shù)作為核心控制技術(shù)，以行為控制作為核心控制策略。控制決策所需的信息主要來源于光電傳感器、金屬探測傳感器以及超聲傳感器等傳感器。通過光電傳感器獲取小車的車速、行駛距離、引導(dǎo)線以及引導(dǎo)性光源等信息；金屬探測傳感器主要獲取軌道上的金屬標(biāo)志信息；超聲傳感器主要用來探測障礙物的位置。小車根據(jù)以上諸信息“了解”它所處的位置，并根據(jù)運(yùn)動策略做出運(yùn)動決策。實(shí)驗(yàn)表明，本文所提供的設(shè)計方案正確可行，能夠達(dá)到設(shè)計要求。本設(shè)計的主要特色： (1) 控制電路電源和電動機(jī)電路電源隔離，信號通過光電耦合器耦合； (2) 采用以 FPGA 控制脈寬調(diào)制（ PWM）信號的方式實(shí)現(xiàn)了八個檔位的車速調(diào)節(jié)； (3) 基于行為的智能控制策略； 關(guān)鍵詞 ：智能 電動車 FPGA Abstract： This paper describes an approach of designing an intelligent control system for a facility car. In this control system, FPGA chips act as a core hardware surpport, and FPGA technology as a core technology. Based on the signals (information) picked up by sensors such as photoelectrical sensors, metal sensors, and ultrasonic wave sensors, the information about circumstance are “known of” by car. On knowing of these pieces of information, the car can infer about actions it will take. This control system is characteristic of its: (1) dual powers supply, which separate motor control circuits system from that of others。 (2) control system based on FPGA technology。 (3) and intelligent control algorithms based on bahavior. Key words： FPGA/ Facility car /Intelligent control system 第 2 頁 共 23 頁 目 錄 1. 簡易智能電動車設(shè)計方案的比較、論證與選取 ?????????? 3 控制方案與控制策略的選取 ?????????????????????? 3 信號檢測與處理方案的選取 ????????? ????????????? 4 小車移動距離（速度）檢測 ?????????????????????? 4 小車移動引導(dǎo)線信號的檢測 ????????????????????? 4 小車金屬路標(biāo)信號的檢測 ? ????????????????????? 4 路障信號的檢測 ????? ????????????????????? 5 引導(dǎo)性光源信號的檢測 ? ????????????????????? 5 執(zhí)行部件和顯示模塊的方案及選取 ??? ??????????????? 5 小車控制、驅(qū)動系統(tǒng)電源的方案及選取 ???????????????? 6 簡易智能小車測控系統(tǒng)的總體方案 ?????????????????? 6 2． 簡易智能小車測控系統(tǒng)的設(shè)計 ???????????????????? 7 小車的電動機(jī)驅(qū)動控制模塊設(shè)計 ???????????????????? 7 信號檢測與處理模塊的設(shè)計 ? ????????????????????? 8 小車移動距離（速度）信號的檢測與處理模塊的設(shè)計 ???????? ??? 8 小車移動引導(dǎo)線信號的檢測與處理模塊的設(shè)計 ?????????????? 8 金屬探測傳感系統(tǒng)的設(shè)計 ??????????????????????? 9 障礙物信號的檢測和處理系統(tǒng)設(shè)計 ??????????????????? 9 小車運(yùn)動方向引導(dǎo)光源信號的檢測系統(tǒng)設(shè)計 ??????????????? 10 簡易智能小車運(yùn)動控制策略設(shè)計 ??????????????????? 11 3．實(shí)際測試 ??????????????????????????? ???? 12 3． 1 測試設(shè)備 ??????????????????????????????? 13 3． 2 測試過程 ??????????????????????????????? 13 3． 3 測試結(jié)果 ??????????????????????????????? 13 3． 4 測試 結(jié)論 ??????????????????????????????? 14 4． 結(jié)論 ?????????????????????????????????? 14 參考文獻(xiàn) ?????????????????????????????????? 14 第 3 頁 共 23 頁 、論證與選取 簡易智能電動車控制系統(tǒng)主要包括三個模塊：小車的行動決策控制模塊、信號的檢測與處理模塊以及小車的執(zhí)行 /顯示模塊。信號的檢測與處理模塊主要通過各種傳感器從外部環(huán)境拾取標(biāo)志信號；小車的行動決策控制模塊信號對傳感信號做進(jìn)一步的處理，它是信號的檢測與處理模塊與小車執(zhí)行 /顯示 模塊的接口；經(jīng)過行動決策控制模塊后的信號從信號的形式上是符合執(zhí)行 /顯示模塊要求的信號，從信息的角度提供了足夠控制信息給執(zhí)行 /顯示模塊。下面就系統(tǒng)各部分的實(shí)現(xiàn)方案分別進(jìn)行評述、比較，并對擬選取的方案 做出初步論證。 控制方案與控制策略的選取 方案一：基于單片機(jī)技術(shù)的小車控制方案 單片機(jī)是通過對程序語句的順序執(zhí)行來建立與外部設(shè)備的通信和完成其內(nèi)部運(yùn)算處理，從而實(shí)現(xiàn)對信號的采集、處理和輸出控制。它最主要的特點(diǎn)是其串行處理特性，在同一時刻 CPU 資源只能為一個線程占用。 其原理圖如圖： 圖 基于單片機(jī)技術(shù)的小車控制原理圖 方案二：基于 FPGA（可編程門陣列）技術(shù)的小車控制方案 相對于 單片機(jī)的串 形處理方式， FPGA（可編程門陣列）最顯著的特點(diǎn)是它的并行處理能力，它支持對通信、 信號的采集、處理和輸出控制等的并行處理 。其原理圖如圖 ： 圖 基于 FPGA（可編程門陣列）技術(shù)的小車控制原理圖 上述兩種控制方案除了在處理方式和處理能力 (速度 )上的差異，二者在實(shí)現(xiàn)的效果以及復(fù)雜程度等方面也有顯著的區(qū)別。方案一單片機(jī)技術(shù)比較成熟 ,開發(fā)過程中可以利用的資源和工具豐富 ,但是它的外圍電路較多，控制系統(tǒng)電路的集成和調(diào)試均相對復(fù)雜，同時系統(tǒng)的抗干擾能 力相對稍差。方案二將器件功能在一塊芯片上，外圍電路較少，集成度高。整個控制電路簡單 ,控制板的體積大大減小的同時也提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，此外 FPGA也有 方便的開發(fā)環(huán)境和豐富的開發(fā)工具等可資利用，易于調(diào)試和進(jìn)行功能擴(kuò)展。 鑒于智能電動小車需要同時對多路信號進(jìn)行檢測、處理，且對這些信號處理的實(shí)時性要FPGA 控制 信號的檢測與處理模塊 驅(qū)動模塊 路標(biāo)檢測 金屬檢測 障礙物檢測 光源檢測 轉(zhuǎn)數(shù)檢測 顯示 /發(fā)聲模塊 提示燈 時間顯示 路程顯示 蜂鳴器 前后行駛 左右轉(zhuǎn)向 停車 電動機(jī)驅(qū)動 引導(dǎo)線、金屬路標(biāo)、障礙物、引導(dǎo)性光源 單片機(jī) 小車車輪 LED 顯示 /發(fā)聲 轉(zhuǎn)數(shù)檢測 第 4 頁 共 23 頁 求比較高 ,運(yùn)算處理速度是控制方案選擇時所必須優(yōu)先考慮的問題。再綜合 FPGA 在穩(wěn)定性以及硬件復(fù)雜程度等方面的優(yōu)越性， 本設(shè)計的控制方案模塊擬 選用上述 基于 FPGA（可編程門陣列）技術(shù)的方案二。 本文將采用基于行為的控制策略（具體 見后續(xù)相關(guān)章節(jié)）。 信號檢測與處理方案的選取 本簡易智能電動車所包含的傳感器有光電傳感器、金屬探測傳感器以及超聲傳感器等，分別用來拾取與引導(dǎo)線、小車車輪轉(zhuǎn)數(shù)（距離和速度）、引導(dǎo)性光源、金屬路標(biāo)、以及障礙物等有關(guān)的信號，現(xiàn)就各傳感器選取有關(guān)的問題討論如下： 小車移動距離（速度）檢測 方案一：采用霍爾集成片的方案 該方案利用霍爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對小車車輪轉(zhuǎn)數(shù)（距離和速度）的檢測。在車輪上安裝磁片，而將霍爾集成片安裝在固定軸上，當(dāng)磁鐵正對金屬板時，金屬板發(fā)生橫向?qū)?，產(chǎn)生一個脈沖，這樣通過對脈沖的 計數(shù)就可以反求小車行駛的距離和速度。 方案二：采用對射式光電傳感器的方案 采用的基于斷繼式光電開關(guān)原理的對射式光電傳感器也是通過對脈沖計數(shù)，實(shí)現(xiàn)對距離和速度的測量的。對射式光電傳感器是溝槽式結(jié)構(gòu)，可以將其固定于輪軸附近，再在輪軸上固定一片開有若干條漏光條的擋板。安裝時把擋板的邊緣嵌入到溝槽中，這樣輪軸轉(zhuǎn)一圈，就可以產(chǎn)生數(shù)目與擋板上的漏光條數(shù)相等的脈沖。 以上兩種方案從理論上說都可以得到 小車行駛的距離和速度 ，但考慮到電動小車的車輪較小，采用方案一時磁片安裝困難，也容易產(chǎn)生相互干擾；而采用方案二就可以很好地克 服這些困難，實(shí)現(xiàn)較精確測量。故采用上述方案二。 小車移動引導(dǎo)線信號的檢測 環(huán)境所提供的引導(dǎo)線是白色背景下一條寬度為 2厘米的黑線，為了確保小車沿著該引導(dǎo)線行駛，小車必須“識別”黑色引導(dǎo)線和白色背景，可以在小車底部左、右部分分別安裝一對反射式 光電二極管以提供反映小車與 引導(dǎo)線位置關(guān)系的信