【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 感應(yīng) 區(qū)時(shí)，在金屬物體內(nèi)產(chǎn)生渦流效應(yīng)，從而導(dǎo)致 LC振蕩電路振蕩減弱，振幅變小，即稱之為阻尼現(xiàn)象。這一振蕩的變化，經(jīng)過施密特觸發(fā)器整形成高低電平以后 ,即被開關(guān)的后置電路放大處理并轉(zhuǎn)換為一確定的輸出信號(hào)，觸發(fā)開關(guān)并驅(qū)動(dòng) FPGA，從而達(dá)到非接觸式目標(biāo)檢測(cè)之目的。 圖 在阻尼和非阻尼狀態(tài)時(shí)的磁場(chǎng) 圖 接近式開關(guān)金屬 傳感器的工作原理圖 障礙物信號(hào)的檢測(cè)和處理系統(tǒng)設(shè)計(jì) 超聲傳感器包括超聲發(fā)射器、超聲接受器和控制電路三個(gè)主要部分。它的工作原理大致是這樣的：首先 FPGA 發(fā)射出的超聲波發(fā)射信號(hào)經(jīng)過 7414 整形到超聲波發(fā)射器。超聲發(fā)射器則向障礙物方向發(fā)射出一連串脈沖式的超聲波 ,后即自行關(guān)閉，停止發(fā)射。超聲波遇到 物體后，就被反射回來 ,此時(shí)超聲接受器開始檢測(cè)回聲信號(hào)。當(dāng)?shù)鹊匠暯邮芷魇盏交芈曅盘?hào)后 ,就送一個(gè)標(biāo)致信號(hào)到 FPGA 控制中心 .超聲傳感器整個(gè)工作過程都是在控制電路控制下順序進(jìn)行的。 第 10 頁 共 23 頁 圖 障礙物信號(hào)檢測(cè)原理圖 小車運(yùn)動(dòng)方向引導(dǎo)光源信號(hào)的檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 該自制小車運(yùn)動(dòng)方向引導(dǎo)光源信號(hào)的檢測(cè)系統(tǒng)示意圖如圖 所示。在小車的前端裝上三個(gè)光電傳感器。它們分別對(duì)光源進(jìn)行信號(hào)采集，并通過采集到的數(shù)據(jù)發(fā)出控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)小車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的控制。根據(jù)三個(gè)傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)，可以判斷小車的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。具體描述見表 。 表 引導(dǎo)光源檢測(cè)信號(hào)與小車運(yùn)動(dòng)關(guān)系表 A B C 小車狀態(tài) 0 1 0 小車正對(duì)光源 0 0 1 小車向右偏離入庫方向（大幅度） 1 0 0 小車向左偏離入庫方向（大幅度） 1 1 1 背景光嚴(yán)重干擾了燈光源 0 1 1 小車向右偏離入庫方向（小幅度） 1 1 0 小車向左偏離入庫方向（小幅度） 0 0 0 查找光源 圖 為引導(dǎo)源的檢測(cè)原理圖，作為探頭的光電二極管。采集到光源信號(hào)的光電二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，三極管 Q1 和 Q2 也導(dǎo)通，產(chǎn)生的一個(gè)低電平信號(hào)經(jīng)過整流管整流、濾波 ，再反相輸出一個(gè)高電平 FPGA控制端。 圖 引導(dǎo)源檢測(cè)系統(tǒng)示意圖 圖 引導(dǎo)源的檢測(cè)原理 第 11 頁 共 23 頁 簡(jiǎn)易智能小車運(yùn)動(dòng)控制策略設(shè)計(jì) 系統(tǒng)用 FPGA來完成整個(gè)核心控制部分，由信號(hào)的檢測(cè)及處理模塊把檢測(cè)到的各路信號(hào)分別輸入到 FPGA 的數(shù)據(jù)輸入接口，然后用超高速硬件描述語言 VHDL 編程實(shí)現(xiàn)控制部分?？刂撇呗苑謩e描述如下： (1) 小車移動(dòng)距離（速度）信號(hào)的檢測(cè)與處理 控制策略的設(shè)計(jì) 小車車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，每當(dāng)經(jīng)過一次漏光條，對(duì)射式光電傳感器就導(dǎo)通一次，導(dǎo)通 4 次，小車車輪即旋轉(zhuǎn)了一周?？梢酝ㄟ^計(jì)算光電傳感器 的導(dǎo)通次數(shù)，來對(duì)小車移動(dòng)的距離（速度）進(jìn)行測(cè)量。描述如下表 。其中 n為傳感器導(dǎo)通次數(shù)。 表 小車移動(dòng)距離（速度）信號(hào)的控制策略示意表 光電傳感器導(dǎo)通次數(shù) 車子行駛的距離 4*n+1 (16*n+4)cm 4*n+2 (16*n+8)cm 4*n+3 (16*n+12)cm 4*(n+1) 16*(n+1)cm (2) 小車移動(dòng)引導(dǎo)線信號(hào)的檢測(cè)與處理 控制策略的設(shè)計(jì) 小車要壓著引導(dǎo)線前進(jìn)，就需要兩對(duì)檢測(cè)黑線的發(fā)射式光電傳感器分別卡在黑線的兩邊。當(dāng)它們檢測(cè)到異樣的信號(hào)后，就發(fā)送信號(hào)給 FPGA控制核心 部分，從而做出相應(yīng)的操作。列表如下表 。其中 0表示檢測(cè)到黑線， 1表示檢測(cè)到白線。 表 引導(dǎo)線信號(hào)的檢測(cè)與處理的控制策略示意表 光電傳感器左 光電傳感器右 小車要做的動(dòng)作 0 0 方向性錯(cuò)誤 0 1 左轉(zhuǎn) 1 0 右轉(zhuǎn) 1 1 嚴(yán)重偏離軌道 （ 3）金屬探測(cè)傳感 控制策略的設(shè)計(jì) 當(dāng) 金屬 探測(cè) 傳感器 探測(cè)到金屬的時(shí)候，對(duì) FPGA 控制信號(hào)端口發(fā)出信號(hào)，隨即 FPGA 控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)給外圍電路，控制發(fā)出 光聲信號(hào)以提示檢測(cè)到了金屬。 （ 4） 障礙物信號(hào)的檢測(cè)和處理 控制策略的設(shè)計(jì) 當(dāng)用于探測(cè)障礙 物的超聲傳感器檢測(cè)到前方有障礙物的時(shí)候，它馬上返回一個(gè)回聲信號(hào)。當(dāng)傳感器的接收部分，接 收 到了這個(gè)信號(hào)以后， 就給 FPGA控制系統(tǒng)發(fā)出一個(gè)標(biāo)志信號(hào)。經(jīng)過 FPGA的處理，對(duì)小車的動(dòng)作做 出相應(yīng)的處理。 （ 5） 小車運(yùn)動(dòng)方向引導(dǎo)光源信號(hào)的檢測(cè) 控制策略的設(shè)計(jì) 小車的三個(gè)光電傳感器從三個(gè)方位對(duì)前方的電源進(jìn)行檢測(cè)，追蹤。三個(gè)傳感器分別采集到的不同信號(hào)，一起發(fā)送給 FPGA控制系統(tǒng)，經(jīng)過處理再輸出一個(gè) 控制信號(hào)給外部的電動(dòng)機(jī)，來控制小車的走向。具體 描述 如下表 。 其中 A、 B、 C分別表示裝在小車前部的三個(gè)光電傳感器； 1表示檢測(cè)到 光源的存在， 0則表示沒有檢測(cè)到。 第 12 頁 共 23 頁 表 引導(dǎo)光源信號(hào)的檢測(cè) 控制策略示意表 A B C 功能 0 1 0 進(jìn)庫 0 0 1 左轉(zhuǎn)（大幅度） 1 0 0 右轉(zhuǎn)（大幅度） 1 1 1 有問題（調(diào)整整個(gè)傳感器位置） 0 1 1 左轉(zhuǎn)（小幅度） 1 1 0 右轉(zhuǎn)（小幅度） 0 0 0 查找光源 （ 6） 簡(jiǎn)易智能電動(dòng)小車的 總體控制策略 的 流程圖表示 圖 簡(jiǎn)易智能電動(dòng)小車 總體控制策略 的 流程圖 表示 Y N Y Y 啟動(dòng) 引導(dǎo)線檢測(cè)控制子程序 金屬檢測(cè)控制子程序 避障控制 子程序 光源檢測(cè)子程序 到達(dá) C 點(diǎn)？ N 是否達(dá)到 90s 結(jié)束 是否入庫 ？ N 第 13 頁 共 23 頁 3．實(shí)際測(cè)試 3． 1 測(cè)試設(shè)備 1． 最終測(cè)試用到的儀器包括 模擬 跑道：直道區(qū)長(zhǎng) （下面鋪有薄鐵片任意個(gè)） 彎道區(qū)半徑 障礙區(qū)長(zhǎng) 1m （兩側(cè)任意位置分別放一大小為 50cm 12cm 6cm 的障礙物） 停車區(qū)長(zhǎng) 車庫長(zhǎng) 卷尺：精度 ，最大測(cè)量范圍 。 秒表：精度 光源：燈泡 薄鐵片： 3 片 2． 調(diào)試過程中用到的儀器包括 頻率發(fā)生器： GFG8216A 示波器： YB4365 直流電壓源： DF1731SC2A 數(shù)字萬用表： UT2021 測(cè)試過程 (1) 光電檢測(cè)部分 引導(dǎo)線的檢測(cè)可以通過調(diào)節(jié)電位器來調(diào)整光電傳感器的靈敏度，直至小車嚴(yán)格壓著引導(dǎo)線行進(jìn)。 車速測(cè)量的檢測(cè)可以通過對(duì)車輪轉(zhuǎn)數(shù)的計(jì)數(shù)，乘以車輪的周長(zhǎng)。計(jì)算出來的路程和實(shí)際用軟尺所測(cè)的路程進(jìn)行比較。 (2) 金屬檢測(cè)部分 小車檢測(cè)到和顯示的的金屬片數(shù)因該與實(shí)際的金屬片數(shù)相符。 (3) 超聲波檢測(cè)部分 小車通過超聲波傳感器避開障礙物，越過障礙區(qū)，將測(cè)的方法就是使小車行駛的過程中不會(huì)碰到障礙物。 (4) 引導(dǎo)性光源檢測(cè)部分 小車由題目所給的光源的引導(dǎo)，順著光源順利走進(jìn)車庫。即完成了光源引導(dǎo)部分的功能測(cè)試。 測(cè)試結(jié)果 具體測(cè)試結(jié)果分別如下列表所示： 表 （起始點(diǎn)到 C點(diǎn)的直道區(qū)的測(cè)試結(jié)果） 測(cè)試次數(shù) 秒表所 測(cè)時(shí)間 顯示器 顯示距離 距離誤差計(jì)算 實(shí)際薄 鐵片數(shù)目 顯示記錄 鐵片數(shù)目 計(jì)數(shù)誤差計(jì)算 1 2 3 測(cè)試電動(dòng)車是否能安全使過障礙區(qū)，并準(zhǔn)確進(jìn)入車庫。測(cè)試步驟：電動(dòng)車到達(dá) C 點(diǎn)停留第 14 頁 共 23 頁 5S之后開始測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表 。 表 (從 C點(diǎn)到達(dá)車庫的測(cè)試結(jié)果 ) 測(cè)試次數(shù) 接觸障礙物的次數(shù) 能否準(zhǔn)確進(jìn)入停車區(qū) 能否到達(dá)車庫 1 2 3 測(cè)試步驟：開啟電源開關(guān)，將電動(dòng)車放于起跑線，開動(dòng)；到達(dá) C 點(diǎn)，小車檢測(cè)到薄鐵片，停車；秒表開始計(jì)時(shí)，小車再次行駛時(shí)，停止計(jì)時(shí)。 測(cè)試次數(shù) 記錄薄 鐵片數(shù)目 實(shí)際鐵 片數(shù)目 C點(diǎn)停 留時(shí)間 是否與障礙物接觸 能否檢測(cè)到鐵片并發(fā)出聲光信號(hào) 能否進(jìn)入停車區(qū)并到達(dá)車庫 發(fā)揮部分 能否完全 進(jìn)入車庫 1 2 3 :測(cè)量每個(gè)薄鐵片至起跑線間的距離，如表 所示 表 測(cè)試次數(shù) 第一塊鐵片 第二塊鐵片 第三塊鐵片 第四塊鐵片 實(shí)際距離 測(cè)試距離 誤差計(jì)算 測(cè)試 結(jié)論 經(jīng)過對(duì)系統(tǒng)的 各 部分 參數(shù) 的測(cè)試，本設(shè)計(jì)的基本部分和發(fā)揮部分實(shí)現(xiàn)的功能都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。 4． 結(jié)論 本系統(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。采用光電傳感器、金屬探測(cè)傳感器以及超聲傳感器等傳感器并配合超高速硬件描述語言 VHDL 編程實(shí)現(xiàn)了小車跟蹤引導(dǎo)線行駛、探 測(cè)金屬、躲避障礙物、自動(dòng)尋找光源、時(shí)間和路程的顯示以及蜂鳴器報(bào)警的功能。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(cè)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(cè)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(dòng)策略做出運(yùn)動(dòng)決策。 最終使小車完成題目中的各項(xiàng)任務(wù)。 并且本設(shè)計(jì)還有許多由特色之處，比如 控制電路電源和電動(dòng)機(jī)電路電源隔離，信號(hào)通過光電耦合器耦合；采用以 FPGA 控制脈寬調(diào)制（ PWM）信號(hào)的方式實(shí)現(xiàn)了八個(gè)檔位的車速調(diào)節(jié)； 基于行為的智能控制策略等等。 很好的完成了題目設(shè)計(jì)的要求。 參考文獻(xiàn) 【 1】 趙負(fù)圖 .《現(xiàn)代傳感器集成電路》 [M].北京：人民郵電出版社， 2021 年（第一版）。 【 2】 潘松、黃繼業(yè) .《 EDA技術(shù)實(shí)用教程》 [M].北京：科學(xué)出版社， 2021 年（第一版）。 第 15 頁 共 23 頁 【 3】 高書莉、羅朝霞 . 《可編程邏輯設(shè)計(jì)技術(shù)及應(yīng)用》 [M].北京：人民郵電出版社， 2021年（第一版）。 【 4】 謝自美、閻樹蘭、趙云娣等 .電子線路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試（第二版）