【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 測(cè)距方案與超聲波傳感器的測(cè)距方案的應(yīng)用性能做了比較。具體分析如下： 超聲波發(fā)生器總體上可以分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類(lèi)是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。 超聲波測(cè)距原理是由 超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為 340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間 t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即： s=340t/2。 超聲波傳感器既可以作為發(fā)射器又可以作為接收器，傳感器用一段時(shí)間發(fā)射一 束 超聲波，只有待發(fā)送結(jié)束后才能啟動(dòng)接收，設(shè)發(fā)送波束的時(shí)間為 T0，則在T0 時(shí)間內(nèi)從物體反射回的 超聲波是 無(wú)法捕捉 的 ； 另外 ，超聲波傳感器 具有 一定的慣性，發(fā) 射 結(jié)束后還留有一定的余振，這種余振同樣 能 產(chǎn)生電壓信號(hào)， 影響系統(tǒng) 捕捉返回信號(hào) 。 因此，在余振未消失以前， 是 不能啟動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行回波接收 。根據(jù)上述兩個(gè)原因可知，慣性和余振是影響 超聲 波 傳感器 測(cè)距的重要因素，而且超聲波傳感器電路比較復(fù)雜，信號(hào)處理也基于單片機(jī)的汽車(chē)防追尾碰撞報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12 具有一定難度。此外，超聲波傳感器 也容易受到外界環(huán)境的干擾。 紅外避障傳感器是集發(fā)射與接收于一體，主要用于障礙物的檢測(cè)。對(duì)障礙物的感應(yīng)距離可以根據(jù)要求通過(guò)后部的旋鈕進(jìn)行調(diào)節(jié)。這種傳感器具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、受可見(jiàn)光干擾小、價(jià)格便宜、易于裝配、使用方便等特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于機(jī)器人避障、流水線計(jì)件等眾多場(chǎng)合。傳感器正常工作電壓為5VDC，輸出電流為 100mA，可監(jiān)測(cè) 3— 80cm 范圍內(nèi)的障礙物。在所調(diào)節(jié)范圍內(nèi)有障礙物時(shí)，信號(hào)管腳將輸出低電平。應(yīng)用中并不需要將其輸出信號(hào)進(jìn)行處理，可直接輸入主控芯片。 基于上述理論分析，最終選擇紅外避 障傳感器。 （四） ． 脈寬調(diào)制技術(shù) ，從而達(dá)到調(diào)速的目的，但是電阻網(wǎng)絡(luò)只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價(jià)格比較昂貴，更主要的問(wèn)題在于一般電動(dòng)機(jī)的電阻很小，但電流很大，分壓不僅會(huì)降低效率，而且實(shí)現(xiàn)很困難。 ，通過(guò)開(kāi)關(guān)的切換對(duì)小車(chē)的速度進(jìn)行調(diào)整。這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時(shí)間慢、機(jī)械結(jié)構(gòu)易損壞、壽命較短、可靠性不高。 L298N 集成電路 來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。 L298N 采用由達(dá)林頓管組成的 H 型 脈寬調(diào)制（ PWM） 電路。 PWM 電路由四個(gè)大功率晶體管組成 H 橋電路構(gòu)成，四個(gè)晶體管分為兩組，交替導(dǎo)通和截止，用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，根據(jù)調(diào)整輸入控脈沖的占空比，精確調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。這種電路由于管子工作只在飽合和截止?fàn)顟B(tài)下，效率非常高。 H 型電路使實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制的簡(jiǎn)單化，且電子開(kāi)關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性也極強(qiáng)，是一種廣泛采用的 PWM 調(diào)整技術(shù) 。 L298N芯片可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)二相電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)一個(gè) 三 相電機(jī)，輸出電壓最高可達(dá) 50V，可以直接通過(guò)電源來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓 ，基于單片機(jī)的汽車(chē)防追尾碰撞報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 13 可直接用單片機(jī)的 IO 口提供信號(hào)；而且電路簡(jiǎn)單，使用比較方 便。 通過(guò)比較 分析 ，使用 L298N 芯片 可 充分發(fā)揮 速度調(diào)制的 功能，能穩(wěn)定地驅(qū)動(dòng) 直流 電機(jī)，且價(jià)格不高 。 使用 L298N 時(shí)，可以直接由主控芯片輸出時(shí)序 信號(hào) ，控制電機(jī)的加速、減速、停止和剎停 ， 在一定程度上 節(jié)省 了主控芯片 IO 口的使用 ，控制 也 不復(fù)雜，故選用 L298N 來(lái) 驅(qū)動(dòng)電機(jī) [5]。 三 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì) （一） 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 智能小車(chē)系統(tǒng)主要由電源管理模塊、路徑檢測(cè)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、車(chē)距檢測(cè)模塊、聲光指示模塊和 ACTEL 公司的Fusion StartKit FPGA 開(kāi)發(fā)板組合而成，以黑色路徑為引導(dǎo)，尋跡導(dǎo)航行駛。智 能小車(chē)能按指定路線行駛，在行駛過(guò)程中能自動(dòng)進(jìn)行加速、減速、避障、自動(dòng)倒車(chē)以及相應(yīng)聲光指示。系統(tǒng)中充分體現(xiàn)了高速公路汽車(chē)放追尾的功能，兩輛智能小車(chē)車(chē) 1 和車(chē) 2，分別仿真超車(chē)和被超車(chē)，兩車(chē)硬件略有不同，車(chē) 1 前端裝有 4 個(gè)模擬光電傳感器和一個(gè)紅外避障傳感器，主要完成尋跡避障功能；車(chē) 2 前端和后端均安裝有 4 個(gè)模擬光電傳感器，可完成尋跡避障和倒車(chē)功能，兩車(chē)的不同點(diǎn)體現(xiàn)的前后端有無(wú)模擬光電傳感器上，但車(chē) 1 在速度上是大于車(chē) 2 的。在安全距離內(nèi)車(chē) 1 檢測(cè)到前方有障礙物（行進(jìn)中的車(chē) 2 或固定障礙物）時(shí)，智能小車(chē)紅外指示燈將點(diǎn)亮， 小車(chē)將自 動(dòng)減速或駛向快速車(chē)道，在快速車(chē)道上能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)加速超車(chē)功能，并返回慢速車(chē)道， 與此同時(shí)，蜂鳴器的報(bào)警聲和對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)向指示燈會(huì)間歇性的閃爍 [16]。 車(chē) 2 除了能尋跡避障外，還額外增加了自動(dòng)倒車(chē)功能。 當(dāng)前端的模擬光電傳感器檢測(cè)到倒車(chē)標(biāo)志時(shí)，小車(chē)會(huì)自動(dòng)停車(chē)，并開(kāi)啟后端模擬光電傳感器，檢測(cè)車(chē)后路況信息，執(zhí)行倒車(chē)功能；當(dāng)后端模擬光電傳感器檢測(cè)到 車(chē)庫(kù)停車(chē)標(biāo)志 時(shí)，小車(chē)停止，尾燈電亮，電機(jī)關(guān)閉，以示倒車(chē)完成。 倒車(chē)過(guò)程中右側(cè)轉(zhuǎn)向指示燈與蜂鳴器及其指示燈將同頻率間歇性進(jìn)行聲光指示，直至控制倒車(chē)過(guò)程結(jié)束。 基于單片機(jī)的汽車(chē)防追尾碰撞報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14 系統(tǒng)基于 Fusion StartKit FPGA 開(kāi)發(fā)板而設(shè)計(jì)，主要利用其獨(dú)特的模擬部分和 flash 架構(gòu)設(shè)計(jì)構(gòu)成核心控制模塊，并結(jié)合紅外測(cè)距、路徑檢測(cè)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制、轉(zhuǎn)向電機(jī)控制、電源管理、聲光指示等 6 個(gè)模塊共同實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)前述的各項(xiàng)功能。系統(tǒng)功能框圖如圖 5 所示。 F U S I O N F P G A A F S 6 0 0A / D路 徑 檢 測(cè)紅 外 測(cè) 距 驅(qū) 動(dòng) 電 機(jī) 控 制轉(zhuǎn) 向 電 機(jī) 控 制電 源 管 理聲 光 指 示圖 5 系統(tǒng)功能框圖 （二） 各模塊功能分析 路徑檢測(cè)通過(guò)模擬光電傳感器對(duì)外界路況信息進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè) [15]。模擬光電傳感器由高亮發(fā)光二極管和光敏電阻組成，由于高亮發(fā)光二極管發(fā)射的光線在黑色路徑和白色跑道上反 射光強(qiáng)度的不同，引起了光敏電阻接收光線強(qiáng)度的變化，通過(guò)變化來(lái)確定小車(chē)當(dāng)前的位置和應(yīng)執(zhí)行的狀態(tài)。光敏電阻的兩端阻值是隨接收光照強(qiáng)度大小而變化的，光照強(qiáng)度越小，兩端的電阻值越大，電路中反饋信號(hào)的電壓值越大。當(dāng)模擬光電傳感器的高亮發(fā)光二極管照射在黑色路徑時(shí)，反射光的強(qiáng)度最小，得到的反饋信號(hào)電壓值最大。在同一跑道上，光線的強(qiáng)弱與電壓信號(hào)值的大小是成反比的。模擬光電傳感器檢測(cè)到的電壓值經(jīng)片內(nèi)模數(shù)轉(zhuǎn)換，程序判斷后，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制功能。 基于單片機(jī)的汽車(chē)防追尾碰撞報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 15 紅外測(cè)距模塊為系統(tǒng)重要的一個(gè)組成部分，通過(guò)紅外避障傳感器可實(shí)現(xiàn)一定范圍 內(nèi)的障礙物檢測(cè)。它是一種集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器，檢測(cè)距離在 3cm80cm 范圍內(nèi)可調(diào)。系統(tǒng)中兩輛智能小車(chē)前端均安裝有一個(gè) 紅外避障傳感器 ，二者可檢測(cè)的距離不同，車(chē) 1 紅外避障傳感器檢測(cè)距離設(shè)置為 50cm，車(chē) 2 檢測(cè)距離設(shè)置為 20cm。在設(shè)定的范圍內(nèi)，當(dāng)智能小車(chē)前端的紅外避障傳感器檢測(cè)到前方有障礙物（固定或移動(dòng)障礙物）時(shí)，經(jīng)其內(nèi)部 處理后 將信號(hào)反饋至 Fusion FPGA AFS600。紅外避障傳感器反饋的信號(hào)類(lèi)型為開(kāi)關(guān)信號(hào)，檢測(cè)到障礙物時(shí)，輸出信號(hào)為低電平，否則為高電平。此外，紅外避障傳感器的工作狀態(tài)由 Fusion FPGA AFS600 來(lái)控制，控制信號(hào)為低電平時(shí)，紅外避障傳感器開(kāi)始工作，否則不工作。 驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制模塊主要由 Fusion FPGA AFS600 主控芯片和 L298N 驅(qū)動(dòng)芯片組成。 L298N 的輸入端接 Fusion FPGA AFS600 的信號(hào)輸出端，由 Fusion FPGA AFS600 來(lái)控制 L298N的輸出狀態(tài)，從而達(dá)到控制電機(jī)的作用。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制主要體現(xiàn)在程序的設(shè)計(jì)上，通過(guò)改變占空比，實(shí)現(xiàn)智能小車(chē)的加速、減速、前進(jìn)與后退。在系統(tǒng)中專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了個(gè)占空比調(diào)制模塊，可以隨時(shí)調(diào)整高低 電平的占空比，實(shí)現(xiàn)較準(zhǔn)確的速度控制，這里規(guī)定“ 10”為前行，“ 01”為倒車(chē)，“ 00”為停車(chē)。 轉(zhuǎn)向電機(jī)控制模塊與上述的速度控制模塊相似，控制功能主要由程序?qū)崿F(xiàn)，可較準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)智能小車(chē)在行進(jìn)過(guò)程中前輪轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)動(dòng)角度的控制。通過(guò)占空比調(diào)制模塊，由 Fusion FPGA AFS600 輸出信號(hào)控制 L298N 的輸出狀態(tài)，從而控制轉(zhuǎn)向電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向及其轉(zhuǎn)動(dòng)角度的大小。轉(zhuǎn)向電機(jī)占空比變量越大，轉(zhuǎn)動(dòng)的角度就越大；相反，轉(zhuǎn)向電機(jī)占空比變量越小，轉(zhuǎn)動(dòng)的角度就越小。 聲光指示模塊主要由蜂鳴器和發(fā)光 二極管組成，在避障基于單片機(jī)的汽車(chē)防追尾碰撞報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 16 和自動(dòng)倒車(chē)過(guò)程中都會(huì)伴有相應(yīng)的聲光指示。聲光指示電路比較簡(jiǎn)單，難點(diǎn)在控制邏輯上，可通過(guò) Fusion FPGA AFS600控制相應(yīng)的聲光指示。當(dāng)紅外避障傳感器在安全距離內(nèi)檢測(cè)到障礙物時(shí)，用于指示障礙物存在的發(fā)光二極管將點(diǎn)亮，同時(shí)蜂鳴器及其指示燈將同頻率進(jìn)行間歇性鳴響與閃爍以示報(bào)警。智能小車(chē)遇到障礙物時(shí)，將會(huì)自動(dòng)左轉(zhuǎn)，其左側(cè)轉(zhuǎn)向指示燈將進(jìn)行間歇性閃爍，頻率與蜂鳴器相同。智能小車(chē)在快速車(chē)道上完成加速超車(chē)后，自動(dòng)返回慢速車(chē)道，返回過(guò)程中其右側(cè)轉(zhuǎn)向指示燈與蜂鳴器將以同頻率進(jìn)行聲光指示，直至智能小車(chē) 進(jìn)入慢速車(chē)道。 智能小車(chē)遇到停車(chē)標(biāo)志時(shí)，執(zhí)行自動(dòng)倒車(chē)動(dòng)作，同時(shí)車(chē)身兩側(cè)轉(zhuǎn)向指示燈將同時(shí)點(diǎn)亮并保持，直至計(jì)時(shí)結(jié)束。在控制倒車(chē)的過(guò)程中，智能小車(chē)右側(cè)轉(zhuǎn)向指示燈與蜂鳴器也將以同頻率間歇性進(jìn)行聲光指示，直至遇到車(chē)庫(kù)停車(chē)標(biāo)志。 智能 小 車(chē)系統(tǒng)根據(jù)各部件正常工作的需要，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)車(chē)模用 2200mAh NiMH 電池 組 進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。其中，路徑 檢測(cè)的 模擬 光電傳感器、 紅外避障傳感器和聲光指示電路 需要 5V電壓， 為了電路更加簡(jiǎn)化，在這將電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 L298N 工作電壓 也設(shè)定為 5V， Fusion FPGA AFS600 工作電壓為 【 5】 。因?yàn)?開(kāi)發(fā)板在獲得 5V 電壓供電后，根據(jù)其自身的硬件設(shè)計(jì)，本身就能輸出 +、 +、 + 等不同數(shù)值的電壓，所以 Fusion FPGA AFS600 的工作電壓就不用多加設(shè)計(jì) 。 最常見(jiàn)的電源管理芯片是 7805 和 7806?？紤]到由驅(qū)動(dòng)電機(jī) 引 起的 電 壓瞬 間下 降的 現(xiàn) 象， 低壓 降 的電 壓調(diào) 節(jié)器 如LM29 LM2575 等也被廣泛地采用 ，在本系統(tǒng)中只用了 7805電 源 管理 芯 片。 綜上 所述 ， 智能 小 車(chē) 系 統(tǒng)工 作電 壓 是 由 +、 +5V、 三個(gè)系統(tǒng)混合組成 。 四 系統(tǒng)硬件 電路設(shè)計(jì) （一） 穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)正常工作電壓為 5V，主要由電池組與電源模塊電基于單片機(jī)的汽車(chē)防追尾碰撞報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 17 路兩部分共同提供。其中 電池組供電電壓為 ，供電電流為 2200mA，屬鎳氫系列電池。鎳氫電池組如圖 6 所示。 圖 6 鎳氫電池組 電源模塊電路主要由濾波、穩(wěn)壓、指示等三部分組成，其中濾波部分由 C C C3 三個(gè)電容分別完成穩(wěn)壓前濾波及穩(wěn)壓后濾波；穩(wěn)壓主要依靠穩(wěn)壓芯片 7805 實(shí)現(xiàn)，該芯片包括電壓輸入、輸出與接地等三個(gè)管腳，可將 電壓穩(wěn)壓至5V，可為自制電路板和 Fusion StartKit FPGA 開(kāi)發(fā)板同時(shí)供 電，且開(kāi)發(fā)板上還可輸出 +、 +、 + 等不同數(shù)值的電壓。穩(wěn)壓電路如圖 7 所示。圖中 JP1 用于連接 電池組，“ ”示意已連接電源。當(dāng)電源接通時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮 [6]。 1KR612D S 3V i n V ou tGND780512J P 11000uFC1 470uFC2104C3SV C CV D D _7 .25V 電源 圖 7 穩(wěn)壓電路 在選擇電池組時(shí)一定選擇大容量的電池組，因?yàn)檐?chē)替在運(yùn)行時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)和轉(zhuǎn)向電機(jī)的耗電量比較大，假如電池組的容量不能夠提供足夠的電量，則主控芯片會(huì)經(jīng)常復(fù)位，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)工作不正常。 （二） 模擬光電傳感器電路設(shè)計(jì) 模擬光電傳感器采集電路由光敏電阻（ R11R18）、高亮發(fā)光二極管（ DS9DS16）和電阻（ R19R34）等元器件組成，其中 AV0_USE0 AV7_USE7 為電路的數(shù)據(jù)輸出端口，該端口通過(guò)導(dǎo)線連接 Fusion StartKit FPGA 開(kāi)發(fā)板的 AV0AV7 ?；趩纹瑱C(jī)的汽車(chē)防追尾碰撞報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 18 擬輸入端口，作為模擬數(shù)據(jù)輸入。 R27R34 阻值為 470 歐姆，R19R26 阻值為 10K 歐姆，當(dāng)然這個(gè)阻值并不是一定的，可以根據(jù)情況的不同，取不同阻值的電阻 [15]。光敏電阻一端接地，一端接 10K 歐姆的普通電阻，信號(hào)輸出端口從接 10K 歐姆的電阻端引出。 利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強(qiáng)弱而改變的電阻器；入射 光強(qiáng)，電阻減小，入射光弱，電阻增大。在黑暗環(huán)境里，它的電阻值很高，當(dāng) 受 到光 照時(shí) ，只 要光 子能 量大 于半 導(dǎo)體 材 料的 禁帶 寬度 ， 則價(jià) 帶中 的電 子吸 收一 個(gè)光 子的 能量 后 可躍 遷到 導(dǎo)帶，并在價(jià)帶中產(chǎn)生一個(gè)帶正電荷的空穴，這種由光照產(chǎn)生的電子 — 空穴對(duì)增加了半導(dǎo)體材