【文章內(nèi)容簡介】 語言以其結(jié)構(gòu)化，容易維護(hù)，容易移植的優(yōu)勢滿足開發(fā)的需要 。 AVR 的 RISC 結(jié)構(gòu)與 ICC AVR 開發(fā)平臺保證了較高的編譯 效率， 且有 易 于 上手的 特 點(diǎn)，使我們能順利的用 C 語言開發(fā) AVR 系統(tǒng) 。 信息感知單元 黑白區(qū)域檢測單元 要 識別黑白區(qū)域可采用，光敏電阻、光敏二極管等對可見光敏感的器件，也可選用紅外器件結(jié)合比較器輸出高低電壓的處理單元。但這兩個方案都有受環(huán)境光影響較大的缺陷。 在本設(shè)計中我們確定了基于 A/D 轉(zhuǎn)換的反射式紅外線 感知單元 ，以 檢測黑線 和 跑道邊線 的位置 。 鐵片檢測單元 方案 一 ： 利用鐵片的 導(dǎo) 磁 作用即可檢測位于 磁 塊與 霍爾式傳感器 之間的鐵片。 霍爾式傳感器結(jié)構(gòu)簡單，頻率響應(yīng)寬， 選用開關(guān)輸出方式集成 霍爾式 器件可直接輸出高低電平 。 方 案 二 ： 電感式 金屬接近傳感器 。 當(dāng)外界的金屬性導(dǎo)電物體到達(dá)感應(yīng)區(qū)時，金屬物體內(nèi)產(chǎn)生渦流效應(yīng)， 導(dǎo)致 LC 震蕩電路震蕩減弱，振幅變小，這一震蕩的變化，被后置電路放大處理并轉(zhuǎn)換為一確定的輸出信號 達(dá)到檢測的目的 。 根據(jù)需要， 同時考慮題目的設(shè)計時間與開發(fā)工作量， 我們采用成品的電感式金屬接近傳感器。 尋光 檢測 傳感器 引導(dǎo)光源 的方向的檢測有如下方案： 方案一：在小車上固定的有指向的光敏檢測單元，利用其輸出信號的變化與小車的轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系來確定小車的方向。 方案二：在小車上安裝掃射角度大于 300 度的指向的光敏檢測單元，利用其輸出信號隨掃射角的變化關(guān)系，及尋光單元與小車之間的位置關(guān)系即可確定小車位姿與光源之間的相對關(guān)系 。 上述方案有快速性好，動態(tài)過程平穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn) ，被選用。 光強(qiáng)檢測 光強(qiáng)檢測 為 了使小車可靠停于車庫，設(shè)計中增設(shè)了 用 A/D 轉(zhuǎn)換檢測 光敏電阻 輸出信號的光強(qiáng)檢測單元 。 障礙檢測 檢測障礙物，必須充分收集周圍環(huán)境信息， 對其 分析，最后確定障礙物的位置信息。常用的檢測手段有主動式和被動式。前者主動發(fā)射信號，再對的反射回的信號進(jìn)行分析處理。被動式檢測直接分析接受到的外部環(huán)境信號，要求系統(tǒng)自身信號處理能力較高。由于后者對檢測對象的針對性不強(qiáng)，我們選用主動式的檢測方式。 常用的檢測信號有超聲波、激光、紅外線。從抗干擾性、檢測精度、價格、使用性能等方面綜合考慮，我們選用了紅外線發(fā)射二極管和一體化接收頭配對檢測的方案。由于采 7 用調(diào)制光技術(shù) 及機(jī)遇統(tǒng)計分析的處理方式， 所以在抗干擾性和穩(wěn) 定性方面有較高的技術(shù)指標(biāo)。 小車 行駛 速度、 距離 及鐵片長度 檢測 利用對行走過程的脈沖進(jìn)行計數(shù)即可測量小車速度、行駛距離，再配合鐵片檢測信號即可測量鐵片長度。 所以這里只需討論對行走距離的檢測方案 。 方案一：用 測速 發(fā)電 機(jī)檢測電機(jī)的轉(zhuǎn)動角度 ， 該方案對 玩具電機(jī) 這樣的小驅(qū)動功率不適用 。 方案二：用增量式光電編碼盤檢測 電機(jī)的轉(zhuǎn)動 角度 ，利用安裝位置與輸出信號之間的對應(yīng)關(guān)系檢測電機(jī)的正反轉(zhuǎn) 。 我們 利用 鼠標(biāo)光電編碼盤和光電對管 改裝成了轉(zhuǎn)速檢測單元 。 驅(qū)動單元 電機(jī)的選擇，驅(qū)動電 路，電池的選擇 小車采用 雙 電機(jī)分離驅(qū)動方式。永磁體直流電動機(jī) 體積小，效率高，出力大，起動轉(zhuǎn)矩大，過載能力強(qiáng)，動態(tài)特性好，控制方便。 電機(jī) 型 選擇時 在體積，功率和轉(zhuǎn)速基本條件滿足的前提下 主要 還 考慮 伺服性能； 綜上幾點(diǎn)要求我們選用了 151 型微型直流電機(jī)。 小車尋線過程中要求被控電機(jī)能夠調(diào) 速 和 正反轉(zhuǎn) 控制 ， 一般可以采用繼電器和 H橋式驅(qū)動電路。 本系統(tǒng)驅(qū)動單元選用的是電機(jī)驅(qū)動專用 H橋驅(qū)動 芯片 L298。 選用 國產(chǎn) 鎳氫 電池，每節(jié) 容量為 600mAh,5 節(jié)串接而成， 額定電壓 6V，完全能夠滿足系統(tǒng)的需要。 調(diào)速及正反 轉(zhuǎn)控制方案 直流調(diào)速可以選用電 壓 調(diào)速 ， 脈頻調(diào)速 (PFM)， 脈寬調(diào)速 (PWM). 電 壓 調(diào)速一般調(diào)試比較復(fù)雜， 功 率 損失大， 故不用此方案。脈頻調(diào)速 (PFM)一般用于大電機(jī) 。 而脈寬調(diào)速(PWM)簡單 可靠。 PWM 輸出脈沖信號經(jīng)雙 H 橋功率驅(qū)動電路 L298 后接至左右輪電機(jī)，控制小車運(yùn)動。 由于要達(dá)到比較高的控制要求，我們采用 比例控制的 閉環(huán)反饋電機(jī)調(diào)速。 人機(jī)接口單元 在人機(jī)接口單元我們選用了基于帶鎖存的移位寄存器的串行掃描方式的人機(jī)接口電路方案，較好地解決了口線占用，電路復(fù)雜度，使用功耗等問題。 的選擇 題目對小車的任務(wù)要求雖然比較簡單，但還是有多種策略可以選擇。不同的策略將導(dǎo)致不同的 控制 特性。 根據(jù)題目的示意圖及要求，我們可以將小車的運(yùn)動分成 4 個階段，每個階段都可以 8 選定不同的策略。 第一階段：從起跑 點(diǎn) 到 B 點(diǎn)， 用尋線行走控制的方案，行進(jìn)速度為 米 /秒，以 便于對鐵片長度的準(zhǔn)確測量； 第二階段：從 B 點(diǎn)到 C 點(diǎn)， 用尋線行走控制的方案 。這樣，既能保證小車可靠到達(dá)C 點(diǎn) ，又能使小車到達(dá) C 點(diǎn)后的方向能大致指向引導(dǎo)光源 ； 第三階段： 自由避障 ，采用 控制方式。 第四階段： 進(jìn)入車庫 ，采用 控制方式。 策略一： 行程如圖 。電動車出發(fā)后，在直道區(qū)沿引導(dǎo)線前進(jìn)，邊尋線，邊檢測金屬塊。在彎道區(qū)，沿引導(dǎo)線到達(dá) C 點(diǎn)后，檢測金屬塊，發(fā)出聲光信號，并停留五秒鐘。調(diào)整前進(jìn)方向，使之沿圓弧直徑前進(jìn)到 D,逆時針轉(zhuǎn) 90 度，沿平行 AB 邊前行到無障區(qū)的 E點(diǎn)，調(diào)整方向進(jìn)入車庫。 前進(jìn)到 D, 順時針轉(zhuǎn) 90 度 行程 CD= 前進(jìn)到 E, 順時針轉(zhuǎn) 90 度 行程 DE= 前進(jìn)到 F, 逆時針轉(zhuǎn) 90 度 行程 EF= 前進(jìn)到 D, 順時針轉(zhuǎn) 90 度 行程 CD= 圖 策略一示意圖 圖 2 策略二示意圖 策略二： 如圖 ， 小車在直道區(qū)及 C 點(diǎn)狀況與策略一同。停留五秒鐘后，小車調(diào)整前進(jìn)方向，使之沿圓弧直徑前進(jìn)到 D1 心處。在圓心處搜索光源，然后調(diào)整車前進(jìn)方向，沿圓心與光源直線方向前進(jìn)，直達(dá)車庫。途中若遇障礙物，則首先避開障礙物，然后再搜索光源，從新確定前進(jìn)方向，直到達(dá)到車庫。 前進(jìn)到 1D , 順時針轉(zhuǎn) ?110 ， 行 程 1CD = m 前進(jìn)到 1F , 順時針轉(zhuǎn) ?11 ，行程 11FD = m 前進(jìn)到 G, 停下，行程 GF1 = 策略比較：采用策略一時，通道寬，安全性好，因此在方案中采用。而策略二的通道窄，危險，如車體方位精確，可選用，一般不用此策略。 9 2 理論設(shè)計 小車本體設(shè)計 二輪式行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計 采用兩個具有兩個自由度的傳統(tǒng)型車輪作為主動輪，并且采用雙電機(jī)分別通過減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動左右輪，為保持車體平衡，在車的前后各有一個支撐輪。這樣布置小車可以實(shí)現(xiàn)零半徑旋轉(zhuǎn)、前后兩個方向都可以運(yùn)動、具有良好的啟動和制動性能、使小車具有高度的靈活性。 根據(jù)行駛路線以及場地的特點(diǎn)，兩輪小車必須要解決如下的幾個問題： 1． 啟動、制動和轉(zhuǎn)動速度盡量快 。 2． 能以很小的半徑進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。 3． 良好的一致性，即：當(dāng)小車的控制系統(tǒng)對車體左右輪發(fā)出相同的指令時，左右輪的轉(zhuǎn)速應(yīng)相同。 二輪式行走機(jī)構(gòu)包括：主動輪（驅(qū)動 輪）、支撐輪、減速器、車體框架、電動機(jī)等。 兩輪行走機(jī)構(gòu)的動力學(xué)分析 兩輪車在轉(zhuǎn)向時的運(yùn)動如圖所示。設(shè)左右輪的速度分別為： RL VV、 ，則小車的運(yùn)動速度為： 2 RL VVV ?? （ 1） 圖 兩輪車在轉(zhuǎn)向時的運(yùn)動如圖 小車的回轉(zhuǎn)角速度為： BVV RL ??? （ 2） 其中， B 為小 車的輪距。 小車的運(yùn)動速度在 X 、 Y 坐標(biāo)上的分量分別為： ?sinVVx ? （ 3） 10 ?cosVVy ? （ 4） 由物理關(guān)系有： yx VdtdyVdtdxwdtd ??? ,? 對（ 2）、（ 3）、（ 4）式取積分得： ??? t wdt00?? （ 5） ??? t a d tVXX00 s in （ 6） ??? t adtVYY00 cos （ 7） 其中 00 YX、 為小車的初試位置， 0a 為小車的初始方位角。 由上面的分析可知，控制小車左右兩驅(qū)動輪的速度，可使兩輪的中心跟蹤任何給定的軌跡。著也就是說明小車具有良好的轉(zhuǎn)彎性能。 主 動輪采用的軟質(zhì)橡膠輪，使輪與紙面的摩擦增大，防止的小車的打滑 ，以避免速度與距離測量的誤差 。 減速裝置我們選用的是閉式直齒圓柱齒輪減速器。其