【文章內(nèi)容簡介】 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)檢測之目的。 圖 在阻尼和非阻尼狀態(tài)時(shí)的磁場 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)檢測原理圖 小車運(yùn)動(dòng)方向引導(dǎo)光源信號(hào)的檢測系統(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)傳感器檢測到的數(shù)據(jù)，可以判斷小車的運(yùn)動(dòng)趨勢。具體描述見表 。 表 引導(dǎo)光源檢測信號(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)源檢測系統(tǒng)示意圖 圖 引導(dǎo)源的檢測原理 第 11 頁 共 23 頁 簡易智能小車運(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)的檢測及處理模塊把檢測到的各路信號(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表示檢測到黑線， 1表示檢測到白線。 表 引導(dǎo)線信號(hào)的檢測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）金屬探測傳感 控制策略的設(shè)計(jì) 當(dāng) 金屬 探測 傳感器 探測到金屬的時(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)以提示檢測到了金屬。 （ 4） 障礙物信號(hào)的檢測和處理 控制策略的設(shè)計(jì) 當(dāng)用于探測障礙 物的超聲傳感器檢測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 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，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表示檢測到 光源的存在， 0則表示沒有檢測到。 第 12 頁 共 23 頁 表 引導(dǎo)光源信號(hào)的檢測 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） 簡易智能電動(dòng)小車的 總體控制策略 的 流程圖表示 圖 簡易智能電動(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)線檢測控制子程序 金屬檢測控制子程序 避障控制 子程序 光源檢測子程序 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)際測試 3． 1 測試設(shè)備 1． 最終測試用到的儀器包括 模擬 跑道：直道區(qū)長 （下面鋪有薄鐵片任意個(gè)） 彎道區(qū)半徑 障礙區(qū)長 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 車庫長 卷尺：精度 ，最大測量范圍 。 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 測試過程 (1) 光電檢測部分 引導(dǎo)線的檢測可以通過調(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)。 車速測量的檢測可以通過對(duì)車輪轉(zhuǎn)數(shù)的計(jì)數(shù)，乘以車輪的周長。計(jì)算出來的路程和實(shí)際用軟尺所測的路程進(jìn)行比較。 (2) 金屬檢測部分 小車檢測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)部分的功能測試。 測試結(jié)果 具體測試結(jié)果分別如下列表所示： 表 （起始點(diǎn)到 C點(diǎn)的直道區(qū)的測試結(jié)果） 測試次數(shù) 秒表所 測時(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之后開始測試，測試結(jié)果如表 。 表 (從 C點(diǎn)到達(dá)車庫的測試結(jié)果 ) 測試次數(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 :測量每個(gè)薄鐵片至起跑線間的距離，如表 所示 表 測試次數(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 測試距離 誤差計(jì)算 測試 結(jié)論 經(jīng)過對(duì)系統(tǒng)的 各 部分 參數(shù) 的測試，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(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)測試（第二版）