【正文】 某智能小車詳細(xì)設(shè)計(jì)方案0西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書1前 言 自第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人誕生以來(lái),機(jī)器人的發(fā)展已經(jīng)遍及機(jī)械,電子,冶金,交通,宇航,改造,認(rèn)識(shí)自然的過(guò)程中,由此發(fā)展起來(lái)的智能小車引起了眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注和極大的興趣。智能小車，也就是輪式機(jī)器人，最適合在那些人類無(wú)法工作的環(huán)境中工作，該技術(shù)可以應(yīng)用于無(wú)人駕駛機(jī)動(dòng)車，無(wú)人生產(chǎn)線，倉(cāng)庫(kù)，服務(wù)機(jī)器人，航空航天等領(lǐng)域。作為20世紀(jì)自動(dòng)化領(lǐng)域的重大成就，機(jī)器人已經(jīng)和人類社會(huì)的生產(chǎn)、生活密不可分。因此為了使智能小車工作在最佳狀態(tài)，進(jìn)一步研究及完善其速度和方向的控制是非常有必要的。智能小車要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)尋跡功能和避障功能就必須要感知導(dǎo)引線和障礙物,(avg—autoguide vehicle)系統(tǒng),基于它的智能小車實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別路線,判斷并自動(dòng)避開(kāi)障礙,.:傳感器檢測(cè)部分,執(zhí)行部分,還可以擴(kuò)展循跡等功能,選擇正確的行進(jìn)路線,是由直流電機(jī)來(lái)充當(dāng)?shù)?:第一,勿需占用單片機(jī)資源,直接選擇有pwm功能的單片機(jī),這樣可以實(shí)現(xiàn)精確調(diào)速。第二,可以由軟件模擬pwm輸出調(diào)制,需要占用單片機(jī)資源,難以精確調(diào)速, cpu使用AT89c52單片機(jī),配合軟件編程實(shí)現(xiàn). 現(xiàn)智能小車發(fā)展很快,避障,檢測(cè)貼片,尋光入庫(kù),避崖等基本功能,，我此次的設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)循跡避障通信及遙控功能。2方案設(shè)計(jì)與論證根據(jù)題目的要求，確定如下方案：首先設(shè)計(jì)出小車的基本模形以及傳動(dòng)方案，并在車上加裝光電檢測(cè)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車的速度、位置、運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)測(cè)量，并將測(cè)量數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)進(jìn)行處理，然后由單片機(jī)根據(jù)所檢測(cè)的各種數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車的智能控制。這種方案能實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，控制靈活、可靠，精度高，可滿足對(duì)系統(tǒng)的各項(xiàng)要求。 模塊方案比較及論證 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，我們的自動(dòng)避障小車主要由六個(gè)模塊構(gòu)成：車體框架、電源及穩(wěn)壓模塊、主控模塊、探測(cè)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊組成。 各模塊分述如圖21。 主控模塊單片機(jī)(AT89C52)自動(dòng)循跡模塊 (傳感器CTRT5000)避障系統(tǒng)（傳感器E18D80NK）無(wú)線遙控模塊(pt2262\pt2272)小車間通訊模塊速度顯示模塊(lcd顯示)電機(jī)驅(qū)動(dòng)及運(yùn)動(dòng)模塊(L298)上位機(jī)通信模塊速度檢測(cè)模塊 (傳感器A3144E)圖21智能小車總體框圖 車體設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)車體框架時(shí)，我們有兩套起始方案，自己設(shè)計(jì)畫出小車的模型和直接購(gòu)買玩具電動(dòng)車改裝。 方案一：用現(xiàn)有的小車改裝 電動(dòng)小車價(jià)格低廉，有完整的驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)和控制單元，其中傳動(dòng)裝置是我們所需的。但玩具電動(dòng)車采用普通直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，帶負(fù)載能力差，調(diào)速方面對(duì)程序要求較高。同時(shí)，玩具電動(dòng)車轉(zhuǎn)向依靠前輪電機(jī)帶動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向完成，精度低，又由于本次畢業(yè)設(shè)計(jì)只是理上研究，和鞏固已學(xué)過(guò)的 相關(guān)知識(shí)，如果購(gòu)買小車會(huì)自帶程序和一些圖及參數(shù)，容易產(chǎn)生惰性。所以購(gòu)買小車做實(shí)物的價(jià)值不大，因些我們放棄這一方案。方案二：自己設(shè)計(jì)制作車架 自己設(shè)計(jì)小車底盤，用兩個(gè)直流減速電機(jī)作為主動(dòng)輪，利用兩電機(jī)的轉(zhuǎn)速差完成直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、左后轉(zhuǎn)、右后轉(zhuǎn)、倒車等動(dòng)作。減速電機(jī)扭矩大，轉(zhuǎn)速較慢，易于控制和調(diào)速，符合避障小車的要求。而且自己制作小車框架，可以根據(jù)電路板及傳感器安裝需求設(shè)計(jì)空間，使得車體美觀緊湊。通過(guò)pro/e設(shè)計(jì)相關(guān)的的小車模型，以便更直觀的看到小車的運(yùn)動(dòng)原理和傳動(dòng)方案，所以綜上我們選擇方案二。如圖22所示。圖22 小車模型設(shè)計(jì) 電源及穩(wěn)壓模塊 方案一：采用交流電經(jīng)直流穩(wěn)壓處理后供電 6V直流電源提供邏輯電平單片機(jī)、邏輯芯片供電二極管降壓采用交流電提供直流穩(wěn)壓電源，電流驅(qū)動(dòng)能力及電壓穩(wěn)定性最好，且負(fù)載對(duì)電源影響也最小。由于需要電線對(duì)小車供電，極大影響了壁障小車行動(dòng)的靈活性及地形的適應(yīng)能力。而且壁障小車極易把拖在地上的電線識(shí)別為障礙物，人為增加了不必要的障礙。故我們放棄了這一方案。 方案二：采用蓄電池供電 蓄電池具有較強(qiáng)的電流驅(qū)動(dòng)能力和較好的電壓穩(wěn)定性能，且成本低廉?？刹捎眯铍姵亟?jīng)7812芯片穩(wěn)壓后給電機(jī)供電，再經(jīng)過(guò)降壓接7805芯片給單片機(jī)及其他邏輯單元供電。但蓄電池體積相對(duì)龐大，且重量過(guò)大，造成電機(jī)負(fù)載過(guò)大，不適合我們采用的小車車架（玩具電動(dòng)車車架）。故我們放棄了這一方案。 方案三：采用干電池組進(jìn)行供電 采用四節(jié)干電池降壓至5V后給單片機(jī)及其他邏輯單元供電，另取六節(jié)干電池為電機(jī)及光電開(kāi)關(guān)供電。這樣電機(jī)啟動(dòng)及制動(dòng)時(shí)的短暫電壓干擾不會(huì)影響到邏輯單元和單片機(jī)的工作。干電池用電池盒封裝，體積和重量較小，同時(shí)玩具車底座可以安裝四節(jié)干電池，正好可為單片機(jī)及其他邏輯單元供電。在穩(wěn)壓方面，起始時(shí)考慮使用7805芯片對(duì)6V的電池電壓進(jìn)行降壓穩(wěn)壓。但考慮到這樣使得7805芯片消耗大量能量，降低電池壽命；同時(shí)，由于at89c5光電開(kāi)關(guān)、小車電機(jī)對(duì)于供電電壓要求并不苛刻，故我們將6V電池電壓接一個(gè)二極管降壓后直接給單片機(jī)及其他邏輯單元供電。而電機(jī)和光電開(kāi)關(guān)的電源不做穩(wěn)壓處理。這樣只需在小車遙控上加兩個(gè)調(diào)速按鈕，根據(jù)電池電量選擇合適功率即可，甚至于可直接在軟件里設(shè)置自動(dòng)換擋。綜合考慮，我們采用方案三，示意圖如圖23所示。9V直流電源直流電機(jī)供電光電開(kāi)關(guān)供電 圖23 電源模塊設(shè)計(jì) 主控模塊 由于智能小車的要求不是很高，主要都是一些簡(jiǎn)單的控制，at89c52是我們?cè)凇秵纹瑱C(jī)原理與應(yīng)用技術(shù)》學(xué)習(xí)過(guò)的，且價(jià)格便宜容易購(gòu)買，所以最終我們直接選用了課程主要介紹的，Atmel公司的單片機(jī)作為主控模塊，如圖24所示。 AT89C52的主要性能參數(shù)l 與Mcs51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。l 8字節(jié)可重擦寫FLASH 閃速存儲(chǔ)器 圖24 AT89C52單片機(jī)l 1000 次擦寫周期l 全靜態(tài)操作：0HZ24MHZl 三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器l 256X8字節(jié)內(nèi)部RAMl 32個(gè)可編程I/0口線l 3個(gè)16 位定時(shí)／計(jì)數(shù)器l 8個(gè)中斷源l 可編程串行UART通道l 低功耗空閑和掉電模式 避障傳感器模塊小車車頭處裝有二個(gè)光電開(kāi)關(guān)，一個(gè)光電開(kāi)關(guān)對(duì)向左前方，一個(gè)光電開(kāi)關(guān)向右前方，（如右圖所示）。小車在行進(jìn)過(guò)程中由光電開(kāi)關(guān)向前方發(fā)射出紅外線，當(dāng)紅外線遇到障礙物時(shí)發(fā)生漫反射，反射光被光電開(kāi)關(guān)接收。小車根據(jù)二個(gè)光電開(kāi)關(guān)接受信號(hào)的情況來(lái)判斷前方障礙物的分布并做出相應(yīng)的動(dòng)作。光電開(kāi)關(guān)的平均探測(cè)距離為30cm。 方案一：使用光電對(duì)管探測(cè) 光電對(duì)關(guān)價(jià)格低廉，性能穩(wěn)定，但探測(cè)距離過(guò)近（一般不超過(guò)3cm），使得小車必須制動(dòng)迅速。而我們由于采用普通直流電機(jī)作為原動(dòng)力，制動(dòng)距離至少需要10cm。因此我們放棄了這一方案。 方案二：使用視頻采集處理裝置進(jìn)行探測(cè) 使用CCD實(shí)時(shí)采集小車前進(jìn)路線上的圖像并進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸及處理，這是最精確的障礙物信息采集方案，可以對(duì)障礙物進(jìn)行精確定位和測(cè)距。但是使用視頻采集會(huì)大大增加小車成本和設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)難度，而且考慮到我們小車行進(jìn)轉(zhuǎn)彎的精確度并未達(dá)到視頻處理的精度，因而使用視頻采集在實(shí)際應(yīng)用中是個(gè)很大的浪費(fèi)，所以我們放棄了這一方案。 方案三：使用光電開(kāi)關(guān)進(jìn)行障礙物信息采集。使用三只E3FDS30C4光電開(kāi)關(guān)，分別探測(cè)正前方，前右側(cè)，前左側(cè)障礙物信息，在特殊地形（如障礙物密集地形）可將正前方的光電開(kāi)關(guān)移置后方進(jìn)行探測(cè)。E3FDS30C4光電開(kāi)關(guān)平均有效探測(cè)距離0~30cm可調(diào)，且抗外界背景光干擾能力強(qiáng)，可在日光下正常工作（理論上應(yīng)避免日光和強(qiáng)光源的直接照射）。我們小車換檔調(diào)速后的最大制動(dòng)距離不超過(guò)30cm，一般在10~20cm左右，因而探測(cè)距離滿足我們的小車需求。 綜上考慮，我們選用方案四。示意圖如圖25所示。 光電開(kāi)關(guān)1光電開(kāi)關(guān)2電平轉(zhuǎn)換單片機(jī) 圖25 小車避障框圖小車循跡的原理 這里的循跡是指小車在黑色地板上循白線行走，通常采取的方法是紅外探測(cè)法。紅外探測(cè)法，即利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn)，在小車行駛過(guò)程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色紙質(zhì)地板時(shí)發(fā)生漫反射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，小車上的接收管接收不到紅外光。單片機(jī)就是否收到反射回來(lái)的紅外光為依據(jù)來(lái)確定黑線的位置和小車的行走路線。紅外探測(cè)器探測(cè)距離有限，一般最大不應(yīng)超過(guò)3cm。方案1：用紅外發(fā)射管和接收管自己制作光電對(duì)管尋跡傳感器。紅外發(fā)射管發(fā)出紅外線，當(dāng)發(fā)出的紅外線照射到白色的平面后反射，若紅外接收管能接收到反射回的光線則檢測(cè)出白線繼而輸出低電平，若接收不到發(fā)射管發(fā)出的光線則檢測(cè)出黑線繼而輸出高電平。這樣自己制作組裝的尋跡傳感器基本能夠滿足要求，但是工作不夠穩(wěn)定，且容易受外界光線的影響，因此我們放棄了這個(gè)方案。方案2：用光敏電阻組成光敏探測(cè)器。光敏電阻的阻值可以跟隨周圍環(huán)境光線的變化而變化。當(dāng)光線照射到白線上面時(shí)，光線發(fā)射強(qiáng)烈，光線照射到黑線上面時(shí)，光線發(fā)射較弱。因此光敏電阻在白線和黑線上方時(shí)，阻值會(huì)發(fā)生明顯的變化。將阻值的變化值經(jīng)過(guò)比較器就可以輸出高低電平。但是這種方案受光照影響很大，不能夠穩(wěn)定的工作。因此我們考慮其他更加穩(wěn)定的方案。方案3：用反射型光電探測(cè)器RPR220RPR220是一種一體化反射型光電探測(cè)器，其發(fā)射器是一個(gè)砷化鎵紅外發(fā)光二極管，而接收器是一個(gè)高靈敏度，硅平面光電三極管。RPR220采用DIP4封裝，其具有如下特點(diǎn)：l 塑料透鏡可以提高靈敏度。l 內(nèi)置可見(jiàn)光過(guò)濾器能減小離散光的影響。l 體積小，結(jié)構(gòu)緊湊。l 當(dāng)發(fā)光二極管發(fā)出的光反射回來(lái)時(shí)，三極管導(dǎo)通輸出低電平。此光