【正文】 DF1731SC2A 數(shù)字萬用表： UT2021 測試過程 (1) 光電檢測部分 引導線的檢測可以通過調節(jié)電位器來調整光電傳感器的靈敏度，直至小車嚴格壓著引導線行進。 其中 A、 B、 C分別表示裝在小車前部的三個光電傳感器； 1表示檢測到 光源的存在， 0則表示沒有檢測到。三個傳感器分別采集到的不同信號，一起發(fā)送給 FPGA控制系統(tǒng)，經過處理再輸出一個 控制信號給外部的電動機，來控制小車的走向。經過 FPGA的處理，對小車的動作做 出相應的處理。 （ 4） 障礙物信號的檢測和處理 控制策略的設計 當用于探測障礙 物的超聲傳感器檢測到前方有障礙物的時候，它馬上返回一個回聲信號。其中 0表示檢測到黑線， 1表示檢測到白線。當它們檢測到異樣的信號后，就發(fā)送信號給 FPGA控制核心 部分，從而做出相應的操作。其中 n為傳感器導通次數(shù)?？梢酝ㄟ^計算光電傳感器 的導通次數(shù)，來對小車移動的距離（速度）進行測量。 圖 引導源檢測系統(tǒng)示意圖 圖 引導源的檢測原理 第 11 頁 共 23 頁 簡易智能小車運動控制策略設計 系統(tǒng)用 FPGA來完成整個核心控制部分，由信號的檢測及處理模塊把檢測到的各路信號分別輸入到 FPGA 的數(shù)據(jù)輸入接口，然后用超高速硬件描述語言 VHDL 編程實現(xiàn)控制部分。 表 引導光源檢測信號與小車運動關系表 A B C 小車狀態(tài) 0 1 0 小車正對光源 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 為引導源的檢測原理圖，作為探頭的光電二極管。根據(jù)三個傳感器檢測到的數(shù)據(jù)，可以判斷小車的運動趨勢。在小車的前端裝上三個光電傳感器。當?shù)鹊匠暯邮芷魇盏交芈曅盘柡?,就送一個標致信號到 FPGA 控制中心 .超聲傳感器整個工作過程都是在控制電路控制下順序進行的。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 ,后即自行關閉，停止發(fā)射。 圖 在阻尼和非阻尼狀態(tài)時的磁場 圖 接近式開關金屬 傳感器的工作原理圖 障礙物信號的檢測和處理系統(tǒng)設計 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主要部分。當外界的金屬性導電物體接近這一磁場，并到達感應 區(qū)時，在金屬物體內產生渦流效應，從而導致 LC振蕩電路振蕩減弱，振幅變小，即稱之為阻尼現(xiàn)象。 第 9 頁 共 23 頁 小車移動引導線檢測原理圖 金屬探測傳感系統(tǒng)的設計 本設計中使用的金屬探測傳感器是基于接近式開關傳感器工作原理。 表 ：小車和引導線的位置關系確定表 傳感器（左） 傳感器（右） 小車位置 0（未壓引導線） 0（未壓引導線） 理想的初始狀態(tài) 0（未壓引導線） 1（壓引導線） 向左偏 1（壓引導線） 0（未壓引導線） 向右偏 1（壓引導線） 1（壓引導線） 橫壓引導線 實現(xiàn)上述邏輯功能的電路原理圖如圖 所示。光電照射到路面并反射，由于黑線和白色背景的反射系數(shù)不同，可根據(jù)接收到的反射光強弱（由光電傳感器轉換為電信號的強弱）判斷小車的左右傳感器是否壓住黑色引導線（或者說小車是否偏離由引導線 給定的軌道）。要做到這一點，傳感器必須具備對黑色的引導線和白色背景進行區(qū)分的能力。要確定小車 的這一狀態(tài)，決定小車行駛方向的兩個前輪一定位于引導線的兩側。所以有 16cm247。 需要說明的是，考第 8 頁 共 23 頁 慮到后輪剎車時的打滑、和車輪反轉的情況，我們將該檢測裝置安裝在前輪上，以提高測量的準確度。安裝時把擋板的邊緣嵌入到溝槽中，輪軸轉一圈，漏光條依次通過溝槽，光電開關得到通斷相同的高低電平信號?，F(xiàn) 將它們的設計過程分別敘述如下。 綜上，用 FPGA 控制以 PWM(脈寬調制 )的形式產生的控制信號驅動小車電動機不僅能精確地控制小車的運動方向如前進、后退、左轉和右轉，也可以通過控制電動機的輸出功率和轉速來限定小車行駛速度。 該控制信號的占空比系數(shù)決定了電機的通、斷電時間，實際上也就實現(xiàn)了速度上的調節(jié)。本設計中端口 5 控制小車左轉，端口 3 控制右轉，端口 4 控制前行，端口 2 控制后退。由于這個電路是由 FPGA 控制，所以與 FPGA 的數(shù)據(jù)輸出端口相接時，必須用四個光耦集成塊 TIL117 隔開，將控制部分與電機的驅動部分隔離開來，這樣增加了各系統(tǒng)模塊之間的隔離度。實現(xiàn)上述 電動機驅動控制的 電路如圖 所示。電動機接受 由 FPGA 控制端發(fā)出的控制信號（該控制信號根據(jù)控制策略產生，控制策略見后續(xù)章節(jié)）的控制，從而確定電機的轉動方向和轉動速度。這一部分我們將分別對上述各個模塊進行理論分析和設計。 圖 簡易智能小車測量控制系統(tǒng)概念框圖 對圖 ： 系統(tǒng)核心控制模塊：包括 FPGA芯片及由其硬件邏輯功能所承載的控制策略； 信號檢測和處理模塊：包括兩對反射式光 電傳感器、一對對射式光電傳感器、白熾燈光源光電傳感器、金屬傳感器和超聲波傳感器及相關處理系統(tǒng)； 驅動模塊：由 FPGA 控制的以 PWM（脈寬調制）的方式控制電動機的驅動信號的電動機驅動電路； 顯示 /發(fā)聲部分：包括 LED數(shù)碼管、譯碼驅動電路、發(fā)光二極管及蜂鳴器； 電源部分：包括電動機驅動電源和 FPGA小板及外圍電路電源?？紤]到本設計的穩(wěn)定性更為重要， 故采用方案二。如下圖 所示。 小車控制、驅動系統(tǒng)電源的方案及選取 方案一：采用單一電源供電 這樣供電比較簡單；但是由于電動機啟動瞬時電流很大，而且 PWM驅動的電動機電流波動較大，會造成電壓不穩(wěn)，嚴重時可能會對 FPGA小板造成損壞。前、后電機的驅動控制信號均由 FPGA芯片以 PWM(脈寬調制 )的方式所控制產生，再通過調節(jié) PWM參數(shù)來控制驅動電機從而精確地控制小車的前進、后退、左轉和右轉，以及小車的運動速度。 執(zhí)行部件和顯示模塊的方案及選取 執(zhí)行部件主要指小車驅動部分。針對這一具體情況，沒有通用的集成式光電傳感器 可用，本小車系統(tǒng)將用自制的傳感系統(tǒng)替代。完全滿足小車探測障礙物的需要。 第 5 頁 共 23 頁 圖 自制金屬傳感器原理圖 路障信號的檢測 超聲波傳感器相比于其它類型的傳感器（如激光測 距傳感器）是小車實現(xiàn)障礙物檢測部分最現(xiàn)實可行的裝置。相反的 LJ12A34Z/BX 型金屬檢測器彌補了以上的不足，精確度高也比較穩(wěn)定。分析如下：自制的金屬探測器是用多匝金屬絲繞制而成，制作過程繁瑣，而且精度不高。其二：采用 LJ12A34Z/BX 型金屬檢測器的方案。堇提供兩種方案參考：其一是采用自制金屬檢測器的方案。是故，選用后者。 此外，發(fā)光二極管安裝的位置也至關重要，茲提出兩種方案以供選?。?將兩個傳感器分別置于黑線內側或者放置于黑線外側。 小車移動引導線信號的檢測 環(huán)境所提供的引導線是白色背景下一條寬度為 2厘米的黑線，為了確保小車沿著該引導線行駛，小車必須“識別”黑色引導線和白色背景，可以在小車底部左、右部分分別安裝一對反射式 光電二極管以提供反映小車與 引導線位置關系的信號 。 以上兩種方案從理論上說都可以得到 小車行駛的距離和速度 ，但考慮到電動小車的車輪較小，采用方案一時磁片安裝困難，也容易產生相互干擾；而采用方案二就可以很好地克 服這些困難，實現(xiàn)較精確測量。對射式光電傳感器是溝槽式結構，可以將其固定于輪軸附近，再在輪軸上固定一片開有若干條漏光條的擋板。在車輪上安裝磁片，而將霍爾集成片安裝在固定軸上，當磁鐵正對金屬板時，金屬板發(fā)生橫向導通，產生一個脈沖，這樣通過對脈沖的 計數(shù)就可以反求小車行駛的距離和速度。 本文將采用基于行為的控制策略（具體 見后續(xù)相關章節(jié)）。 鑒于智能電動小車需要同時對多路信號進行檢測、處理，且對這些信號處理的實時性要FPGA 控制 信號的檢測與處理模塊 驅動模塊 路標檢測 金屬檢測 障礙物檢測 光源檢測 轉數(shù)檢測 顯示 /發(fā)聲模塊 提示燈 時間顯示 路程顯示 蜂鳴器 前后行駛 左右轉向 停車 電動機驅動 引導線、金屬路標、障礙物、引導性光源 單片機 小車車輪 LED 顯示 /發(fā)聲 轉數(shù)檢測 第 4 頁 共 23 頁 求比較高 ,運算處理速度是控制方案選擇時所必須優(yōu)先考慮的問題。方案二將器件功能在一塊芯片上，外圍電路較少，集成度高。其原理圖如圖 ： 圖 基于 FPGA（可編程門陣列）技術的小車控制原理圖 上述兩種控制方案除了在處理方式和處理能力 (速度 )上的差異，二者在實現(xiàn)的效果以及復雜程度等方面也有顯著的區(qū)別。它最主要的特點是其串行處理特性，在同一時刻 CPU 資源只能為一個線程占用。下面就系統(tǒng)各部分的實現(xiàn)方案分別進行評述、比較，并對擬選取的方案 做出初步論證。 (3) and intelligent control algorithms based on bahavior. Key words： FPGA/ Facility car /Intelligent control system 第 2 頁 共 23 頁 目 錄 1. 簡易智能電動車設計方案的比較、論證與選取 ?????????? 3 控制方案與控制策略的選取 ?????????????????????? 3 信號檢測與處理方案的選取 ????????? ????????????? 4 小車移動距離（速度）檢測 ?????????????????????? 4 小車移動引導線信號的檢測 ????????????????????? 4 小車金屬路標信號的檢測 ? ????????????????????