【正文】 ? 4 路障信號(hào)的檢測(cè) ????? ????????????????????? 5 引導(dǎo)性光源信號(hào)的檢測(cè) ? ????????????????????? 5 執(zhí)行部件和顯示模塊的方案及選取 ??? ??????????????? 5 小車(chē)控制、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電源的方案及選取 ???????????????? 6 簡(jiǎn)易智能小車(chē)測(cè)控系統(tǒng)的總體方案 ?????????????????? 6 2． 簡(jiǎn)易智能小車(chē)測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ???????????????????? 7 小車(chē)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制模塊設(shè)計(jì) ???????????????????? 7 信號(hào)檢測(cè)與處理模塊的設(shè)計(jì) ? ????????????????????? 8 小車(chē)移動(dòng)距離（速度）信號(hào)的檢測(cè)與處理模塊的設(shè)計(jì) ???????? ??? 8 小車(chē)移動(dòng)引導(dǎo)線(xiàn)信號(hào)的檢測(cè)與處理模塊的設(shè)計(jì) ?????????????? 8 金屬探測(cè)傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ??????????????????????? 9 障礙物信號(hào)的檢測(cè)和處理系統(tǒng)設(shè)計(jì) ??????????????????? 9 小車(chē)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) ??????????????? 10 簡(jiǎn)易智能小車(chē)運(yùn)動(dòng)控制策略設(shè)計(jì) ??????????????????? 11 3．實(shí)際測(cè)試 ??????????????????????????? ???? 12 3． 1 測(cè)試設(shè)備 ??????????????????????????????? 13 3． 2 測(cè)試過(guò)程 ??????????????????????????????? 13 3． 3 測(cè)試結(jié)果 ??????????????????????????????? 13 3． 4 測(cè)試 結(jié)論 ??????????????????????????????? 14 4． 結(jié)論 ?????????????????????????????????? 14 參考文獻(xiàn) ?????????????????????????????????? 14 第 3 頁(yè) 共 23 頁(yè) 、論證與選取 簡(jiǎn)易智能電動(dòng)車(chē)控制系統(tǒng)主要包括三個(gè)模塊：小車(chē)的行動(dòng)決策控制模塊、信號(hào)的檢測(cè)與處理模塊以及小車(chē)的執(zhí)行 /顯示模塊。本設(shè)計(jì)的主要特色： (1) 控制電路電源和電動(dòng)機(jī)電路電源隔離，信號(hào)通過(guò)光電耦合器耦合； (2) 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(chē)速調(diào)節(jié)； (3) 基于行為的智能控制策略； 關(guān)鍵詞 ：智能 電動(dòng)車(chē) FPGA Abstract： This paper describes an approach of designing an intelligent control system for a facility car. In this control system, FPGA chips act as a core hardware surpport, and FPGA technology as a core technology. Based on the signals (information) picked up by sensors such as photoelectrical sensors, metal sensors, and ultrasonic wave sensors, the information about circumstance are “known of” by car. On knowing of these pieces of information, the car can infer about actions it will take. This control system is characteristic of its: (1) dual powers supply, which separate motor control circuits system from that of others。小車(chē)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。控制決策所需的信息主要來(lái)源于光電傳感器、金屬探測(cè)傳感器以及超聲傳感器等傳感器。第 1 頁(yè) 共 23 頁(yè) 簡(jiǎn)易智能電動(dòng)車(chē)（ E題） 摘要： 本設(shè)計(jì)對(duì)象為一個(gè)簡(jiǎn)易小車(chē)的智能控制系統(tǒng)。該系統(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。通過(guò)光電傳感器獲取小車(chē)的車(chē)速、行駛距離、引導(dǎo)線(xiàn)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(lái)探測(cè)障礙物的位置。實(shí)驗(yàn)表明，本文所提供的設(shè)計(jì)方案正確可行，能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 (2) control system based on FPGA technology。信號(hào)的檢測(cè)與處理模塊主要通過(guò)各種傳感器從外部環(huán)境拾取標(biāo)志信號(hào)；小車(chē)的行動(dòng)決策控制模塊信號(hào)對(duì)傳感信號(hào)做進(jìn)一步的處理，它是信號(hào)的檢測(cè)與處理模塊與小車(chē)執(zhí)行 /顯示 模塊的接口；經(jīng)過(guò)行動(dòng)決策控制模塊后的信號(hào)從信號(hào)的形式上是符合執(zhí)行 /顯示模塊要求的信號(hào)，從信息的角度提供了足夠控制信息給執(zhí)行 /顯示模塊。 控制方案與控制策略的選取 方案一：基于單片機(jī)技術(shù)的小車(chē)控制方案 單片機(jī)是通過(guò)對(duì)程序語(yǔ)句的順序執(zhí)行來(lái)建立與外部設(shè)備的通信和完成其內(nèi)部運(yùn)算處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的采集、處理和輸出控制。 其原理圖如圖： 圖 基于單片機(jī)技術(shù)的小車(chē)控制原理圖 方案二：基于 FPGA（可編程門(mén)陣列）技術(shù)的小車(chē)控制方案 相對(duì)于 單片機(jī)的串 形處理方式， FPGA（可編程門(mén)陣列）最顯著的特點(diǎn)是它的并行處理能力，它支持對(duì)通信、 信號(hào)的采集、處理和輸出控制等的并行處理 。方案一單片機(jī)技術(shù)比較成熟 ,開(kāi)發(fā)過(guò)程中可以利用的資源和工具豐富 ,但是它的外圍電路較多，控制系統(tǒng)電路的集成和調(diào)試均相對(duì)復(fù)雜，同時(shí)系統(tǒng)的抗干擾能 力相對(duì)稍差。整個(gè)控制電路簡(jiǎn)單 ,控制板的體積大大減小的同時(shí)也提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，此外 FPGA也有 方便的開(kāi)發(fā)環(huán)境和豐富的開(kāi)發(fā)工具等可資利用，易于調(diào)試和進(jìn)行功能擴(kuò)展。再綜合 FPGA 在穩(wěn)定性以及硬件復(fù)雜程度等方面的優(yōu)越性， 本設(shè)計(jì)的控制方案模塊擬 選用上述 基于 FPGA（可編程門(mén)陣列）技術(shù)的方案二。 信號(hào)檢測(cè)與處理方案的選取 本簡(jiǎn)易智能電動(dòng)車(chē)所包含的傳感器有光電傳感器、金屬探測(cè)傳感器以及超聲傳感器等，分別用來(lái)拾取與引導(dǎo)線(xiàn)、小車(chē)車(chē)輪轉(zhuǎn)數(shù)（距離和速度）、引導(dǎo)性光源、金屬路標(biāo)、以及障礙物等有關(guān)的信號(hào)，現(xiàn)就各傳感器選取有關(guān)的問(wèn)題討論如下： 小車(chē)移動(dòng)距離（速度）檢測(cè) 方案一：采用霍爾集成片的方案 該方案利用霍爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)小車(chē)車(chē)輪轉(zhuǎn)數(shù)（距離和速度）的檢測(cè)。 方案二：采用對(duì)射式光電傳感器的方案 采用的基于斷繼式光電開(kāi)關(guān)原理的對(duì)射式光電傳感器也是通過(guò)對(duì)脈沖計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)距離和速度的測(cè)量的。安裝時(shí)把擋板的邊緣嵌入到溝槽中，這樣輪軸轉(zhuǎn)一圈，就可以產(chǎn)生數(shù)目與擋板上的漏光條數(shù)相等的脈沖。故采用上述方案二。該傳感器是利用 PN 結(jié)單向?qū)щ娦缘慕Y(jié)型光電器件，具有響應(yīng)速度快、精巧、堅(jiān)固、溫度穩(wěn)定性好和工作電壓低（ 10～ 20V）的優(yōu)點(diǎn)，因而不失為一種比較理想的方案。考慮到引導(dǎo)線(xiàn)只有 2cm寬，若采用置于黑線(xiàn)內(nèi)側(cè)方式由于探測(cè)的范圍太小，小車(chē)極易沖出軌道而失去判斷力；置于黑線(xiàn)外側(cè)的方式較為可行，對(duì)小車(chē)的控制也比較準(zhǔn)確。 小車(chē)金屬路標(biāo)信號(hào)的檢測(cè) 要檢測(cè)到跑道下面的金屬，并沿著金屬路標(biāo)到達(dá) C 點(diǎn)，小車(chē)必須要能“識(shí)別”金屬。原理圖如圖 所示，基于電渦流式傳感器的原理，受到交變磁場(chǎng)作用的導(dǎo)體會(huì)產(chǎn)生電渦流，從而改變線(xiàn)圈原來(lái)阻抗。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)比較， LJ12A34Z/BX 型金屬檢測(cè)器在性能和指標(biāo)方面都優(yōu)于自制的金屬探測(cè)器。且線(xiàn)圈振蕩產(chǎn)生的正弦波形要通過(guò)整形，才能成高低電平。所以，采用 LJ12A34Z/BX 型金屬檢測(cè)器完成金屬的探測(cè)的功能。超聲波具有頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠?qū)崿F(xiàn)定向傳播等特點(diǎn)，特別適合應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)各種遙控和測(cè)量，如測(cè)速、測(cè)距、入侵報(bào)警、汽車(chē)倒車(chē)?yán)走_(dá)等。 引導(dǎo)性光源信號(hào)的檢測(cè) 引導(dǎo)性光源信號(hào)由置于小車(chē)運(yùn)動(dòng)前方的 200 瓦的白熾燈提供，作為電動(dòng)車(chē)移動(dòng)的引導(dǎo)光源，小車(chē)必須能夠通過(guò)光電傳感器識(shí)別光源的方位，同時(shí)意味著光源信號(hào)的傳感系統(tǒng)必須能夠排除背景光（大多數(shù)情況為自然光）的干擾。其理論分析和設(shè)計(jì)過(guò)程見(jiàn)后續(xù)有關(guān)章節(jié)。它由前、后輪的各一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成，小車(chē)通過(guò)前輪電機(jī)控制運(yùn)動(dòng)方向，后輪電機(jī)則用來(lái)提供小車(chē)的運(yùn)動(dòng)動(dòng)力。 顯示 /發(fā)聲模塊用以顯示小車(chē)行駛距離、時(shí)間等相關(guān)信息以及在特定的條件下發(fā)出相應(yīng)的聲光信息，可 分別用譯碼驅(qū)動(dòng)的 LED數(shù)碼管、發(fā)光二極管和蜂鳴器來(lái)實(shí)現(xiàn)。 方案二：采用雙電源供電 將電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源與 FPGA 小板及外圍電路電源完全隔離，利用光電耦合器傳輸信號(hào)。這樣做雖然不如單電源方便靈活，單可以將電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)所造成的干擾徹底清除，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 圖 雙電源供電方式原理框圖 電源 1 電源 2 光耦 電機(jī)驅(qū)動(dòng) 電路 FPGA 及 外圍電路 第 6 頁(yè) 共 23 頁(yè) 簡(jiǎn)易智能小車(chē)測(cè)控系統(tǒng)的總體方案 以上對(duì)簡(jiǎn)易智能小車(chē)測(cè)量、控制系統(tǒng)的各個(gè)模塊進(jìn)行了方案層面上的比較與論證，現(xiàn)將系統(tǒng)總體方案表示如圖 。 2． 簡(jiǎn)易智能小車(chē)測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 經(jīng)過(guò)方案層面的研究，我們已然得到了如圖 所示的簡(jiǎn)易智能小車(chē)測(cè)量控制系統(tǒng)概念框圖。 小車(chē)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控 制模塊設(shè)計(jì) 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制模塊是一個(gè)執(zhí)行模塊。由前、后兩電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)動(dòng)速度分別決定小車(chē)的運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度。 整 形 電 路 FPGA 方波信號(hào) LED 數(shù)碼管 時(shí)間、距離顯示 發(fā)光二極管、蜂鳴器 光聲信號(hào) PWM 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng) 轉(zhuǎn)數(shù)檢測(cè) 整形電路 速度、方向控制 車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng) 檢測(cè)信號(hào) 方波信號(hào) 檢測(cè)信號(hào) 路標(biāo)檢測(cè) 金屬檢測(cè) 障礙物檢測(cè) 光源檢測(cè) 第 7 頁(yè) 共 23 頁(yè) 圖 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 圖中的 12 個(gè)三極管