【正文】 小車(chē)，它屬于兩輪驅(qū)動(dòng)的移動(dòng)機(jī)器人。本論文首先概要介紹了與智能小車(chē)相關(guān)的機(jī)器人、智能車(chē)輛和國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀。對(duì)智能小車(chē)車(chē)模進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改造，完成了電機(jī)的選擇及其安裝，構(gòu)建系統(tǒng)的整體方案。從單片機(jī)的選擇開(kāi)始，完成了電源模塊設(shè)計(jì)、無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊、速度測(cè)量模塊、驅(qū)動(dòng)控制模塊、USB轉(zhuǎn)串口模塊等的設(shè)計(jì)。從單片機(jī)的功能入手完成系統(tǒng)各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)整電機(jī)速度，接收上位機(jī)指令等功能。輪式和履帶式小車(chē)適用于條件較好的路面，而步行小車(chē)則適于條件較差的路面。本設(shè)計(jì)中的小車(chē)主要工作是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)和路面條件較好的場(chǎng)合，所以采用輪式。四輪結(jié)構(gòu)是輪式小車(chē)的基本移動(dòng)結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，能夠滿(mǎn)足一般的需要，所以應(yīng)用較為廣泛。在該結(jié)構(gòu)中，前輪和后輪的萬(wàn)向輪，僅起支撐作用，左右兩輪分別由兩個(gè)減速電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，而且旋轉(zhuǎn)半徑可以從零到無(wú)限大任意設(shè)定。鑒于該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于控制的優(yōu)點(diǎn)，本論文所研究的移動(dòng)機(jī)器人就采用這種四輪結(jié)構(gòu)，前輪和后輪為萬(wàn)向輪，左右兩輪由兩個(gè)減速電動(dòng)機(jī)分別獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。首先在信號(hào)發(fā)射控制系統(tǒng)中，將上位機(jī)信號(hào)經(jīng)USB轉(zhuǎn)串口通信傳輸?shù)轿⒖刂破魈幚?，通過(guò)數(shù)字編碼產(chǎn)生序列脈沖，經(jīng)ASK調(diào)頻發(fā)送信號(hào)。如調(diào)速控制、制動(dòng)控制等。整個(gè)控制系統(tǒng)分為硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序設(shè)計(jì)兩部分。圖22 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案圖整個(gè)系統(tǒng)可劃分為無(wú)線(xiàn)收發(fā)電路部分、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路部分這兩大部分。再配合315M超再生模塊，使無(wú)線(xiàn)傳輸更加穩(wěn)定、可靠，功效更低。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路中，把無(wú)線(xiàn)模塊接收下來(lái)的相應(yīng)指令用來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，是此部分控制電路是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心。在本論文中，采用PWM脈沖調(diào)速的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)小車(chē)速度的控制。軟件設(shè)計(jì)主要由系統(tǒng)流程及各功能模塊程序組成。 本章小結(jié)本章提出了整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，結(jié)合功能要求設(shè)計(jì)出本系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，對(duì)車(chē)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析，并對(duì)各個(gè)控制環(huán)節(jié)進(jìn)行分析與探討，為后續(xù)的軟硬件設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。本論文研究的系統(tǒng)選用AVR單片機(jī)ATmega8L和ATmega16L為控制核心，AVR單片機(jī)不僅具有強(qiáng)大高速的運(yùn)算處理能力，而且在片內(nèi)集成了豐富的電機(jī)控制外圍部件，這就大大簡(jiǎn)化了控制電路的硬件設(shè)計(jì)，加之采取了“硬件軟化”的設(shè)計(jì)方案，使得整個(gè)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)潔。圖31上位機(jī)指令發(fā)射系統(tǒng)框圖圖32車(chē)模運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)框圖控制系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成：1. 核心微處理器ATmega8L和ATmega16L；2. 電源設(shè)計(jì)，單片機(jī)5V電源和6V減速電機(jī)的供電設(shè)計(jì)；3. 315M無(wú)線(xiàn)模塊的收發(fā)，PT2262/2272編解碼電路的構(gòu)成；4. 霍爾傳感器A44E配合磁鐵，把信號(hào)送進(jìn)AVR單片機(jī)的外部中斷進(jìn)行速度測(cè)量；5. L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊；6. USB轉(zhuǎn)串口通信模塊。選擇功能過(guò)少的單片機(jī)，無(wú)法完成系統(tǒng)功能。選擇的原則一般主要有以下幾點(diǎn)：1. 單片機(jī)對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)的適用性。例如：程序下載、調(diào)試工具；4. 技術(shù)支持；5. 語(yǔ)言體系與熟悉程度。AVR單片機(jī)是美國(guó)ATMEL公司設(shè)計(jì)的，AVR單片機(jī)對(duì)原51單片機(jī)內(nèi)核進(jìn)行了較大改造，采用精簡(jiǎn)指令集RISC(Reduced Instruction Set CPU)結(jié)構(gòu)，廢除了原51單片機(jī)中的機(jī)器周期，由原來(lái)12個(gè)時(shí)鐘執(zhí)行一條指令改進(jìn)為一個(gè)時(shí)鐘執(zhí)行一條單周期指令，大多數(shù)指令執(zhí)行所需的時(shí)鐘周期數(shù)與指令的字節(jié)數(shù)相同，使得AVR單片機(jī)的運(yùn)行速度大大提高。AVR主要技術(shù)創(chuàng)新主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1. 高性能，采用精簡(jiǎn)指令集CPU(RISC)和哈佛(Harvard)結(jié)構(gòu)的流水線(xiàn)技術(shù)，擁有32個(gè)通用工作寄存器；2. 片內(nèi)集成了非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及工作存儲(chǔ)器；3. 豐富的外設(shè)，如SPI、EEPROM、RTC、WatchDog定時(shí)器、A/D轉(zhuǎn)換器、PWM和片內(nèi)振蕩器等；4. 寬工作電壓：；5. 低功耗，具有6種休眠模式，能夠從低功耗模式迅速喚醒；6. 編譯好的目標(biāo)文件可通過(guò)在線(xiàn)編程(ISP)直接寫(xiě)入程序存儲(chǔ)器，實(shí)現(xiàn)芯片在系統(tǒng)編程調(diào)試，無(wú)需購(gòu)買(mǎi)昂貴的仿真器和編程器，從而節(jié)省了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成本；7. I/O口資源豐富，設(shè)計(jì)靈活，驅(qū)動(dòng)力強(qiáng)；8. 具有多復(fù)位源、多中斷源方式；9. 其USART不占用定時(shí)器，采用獨(dú)特的波特率發(fā)生器；10. 保密性強(qiáng)，F(xiàn)lash程序存儲(chǔ)器具有保密鎖死功能。本設(shè)計(jì)采用的ATmega8L、ATmega16L單片機(jī)，它也屬于ATmega系列單片機(jī)的一個(gè)子集。 ATmega16L特性介紹 ATmega16L的特性基本上與ATmega8L類(lèi)似，同樣采用先進(jìn)的RISC精簡(jiǎn)指令結(jié)構(gòu)，速度同樣可以達(dá)到1MIPS/MHZ，而且功能更加強(qiáng)大，具體差別有以下幾點(diǎn)：1. 4個(gè)PWM通道，可滿(mǎn)足更多用戶(hù)的需要，實(shí)現(xiàn)多通道PWM脈寬調(diào)制的輸出；2. 有21個(gè)不同的獨(dú)立中斷源，增加了外部中斷定時(shí)/計(jì)數(shù)器0比較匹配這兩個(gè)中斷，是ATmega8L的升級(jí)版；3. 32個(gè)可編程I/O口，可任意定義I/0的輸入/輸出方向，可滿(mǎn)足I/O口需要較多的用戶(hù)，解決I/O口缺少等問(wèn)題；4. 在ATmega8L 8k flash、512字節(jié)EEPROM、1K片內(nèi)的SRAM的基礎(chǔ)上ATmega16L flash空間增加到16K,從根本上解決了使用空間的憂(yōu)慮。ATmega8L和ATmega16L管腳如圖33和圖34所示。在電機(jī)啟動(dòng)以及轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生比較大的干擾信號(hào)，干擾信號(hào)一方面通過(guò)電源線(xiàn)直接進(jìn)入電源電路對(duì)整個(gè)電路產(chǎn)生干擾，另一方面電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的電磁波經(jīng)過(guò)空間輻射對(duì)無(wú)線(xiàn)模塊接收電路形成干擾。而為了解決前者的干擾，在電機(jī)兩端并聯(lián)一個(gè)104電容濾波外，電機(jī)電源還使用了容值較大的1000UF電解電容和104瓷片電容進(jìn)行濾波，在7805穩(wěn)壓管輸入端和輸出端再進(jìn)行二次濾波，以減少電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的干擾信號(hào)。圖35 小車(chē)電源電路部分 315M無(wú)線(xiàn)模塊 無(wú)線(xiàn)模塊原理為實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)傳輸指令，在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，傳輸距離較遠(yuǎn)的315M無(wú)線(xiàn)模塊，在日常生活這一類(lèi)模塊主要應(yīng)用于遙控領(lǐng)域。振蕩電路可以采用電容、電感的振蕩特性來(lái)設(shè)計(jì)，也可加入晶振來(lái)簡(jiǎn)單獲得載波信號(hào)。通過(guò)高頻放大器，高頻信號(hào)獲得更高的發(fā)射能量，提高發(fā)射距離。圖36發(fā)射原理框圖接收電路里面主要有：天線(xiàn)，濾波電路，解調(diào)電路等幾部分組成。圖37接收原理框圖天線(xiàn)是一種導(dǎo)行波與自由空間波之間的轉(zhuǎn)換器件或換能器。在本設(shè)計(jì)中，發(fā)射和接收模塊天線(xiàn)都采用了螺旋天線(xiàn)，以減少占用的空間。PT2262/2272最多可有12位(A0A11)三態(tài)(懸空,接高電平,接低電平)地址設(shè)定管腳,任意組合可提供531441個(gè)地址碼。PT2262/2272的管腳圖38。若解碼芯片沒(méi)有數(shù)據(jù)線(xiàn)，則A6～A11作為地址線(xiàn)使用，這種情況下，A0～A11共12根地址線(xiàn)，每線(xiàn)都可以設(shè)置成“1”、“O”、“開(kāi)路”三種狀態(tài)之一，因此共有編碼數(shù)312＝531441種，但若配對(duì)使用的解碼芯片的A6～A11是數(shù)據(jù)線(xiàn)，例如PT2272，那么這時(shí)PT2262的A6～A11也作為數(shù)據(jù)線(xiàn)用，并只可設(shè)置為“1”和“0”兩種狀態(tài)之一，而地址線(xiàn)只剩下A0～A5共6根，編碼數(shù)降為36=729種。當(dāng)發(fā)射機(jī)沒(méi)有發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，PT2262不接通電源，其 17 腳為低電平，所以 315MHz 的高頻發(fā)射電路不工作，當(dāng)有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，PT2262 得電工作，其第 17 腳輸出經(jīng)調(diào)制的串行數(shù)據(jù)信號(hào)，當(dāng)17 腳為高電平期間 315MHz 的高頻發(fā)射電路起振并發(fā)射等幅高頻信號(hào)，當(dāng) 17 腳為低平期間315MHz 的高頻發(fā)射電路停止振蕩，所以高頻發(fā)射電路完全收控于 PT2262 的17 腳輸出的數(shù)字信號(hào)，從而對(duì)高頻電路完成幅度鍵控（ASK 調(diào)制）相當(dāng)于調(diào)制度為 100％的調(diào)幅。表39 編碼電路PT2262管腳功能名稱(chēng) 管腳說(shuō) 明 D0D571013數(shù)據(jù)輸入端，有一個(gè)為“1”即有編碼發(fā)出，內(nèi)部下拉 Vcc18電源正端（＋）Vss9電源負(fù)端（－）TE14編碼啟動(dòng)端，用于多數(shù)據(jù)的編碼發(fā)射，低電平有效OSC116振蕩電阻輸入端，與OSC2所接電阻決定振蕩頻率OSC215振蕩電阻振蕩器輸出端Dout17編碼輸出端（正常時(shí)為低電平）表310 解碼電路 PT2272 腳管功能名稱(chēng) 管腳說(shuō) 明 A0A1111013地址管腳,用于進(jìn)行地址編碼,可置為“0”,“1”,“f”(懸空),必須與2262一致,否則不解碼 D0D571013地址或數(shù)據(jù)管腳,當(dāng)做為數(shù)據(jù)管腳時(shí),只有在地址碼與2262一致,數(shù)據(jù)管腳才能輸出與2262數(shù)據(jù)端對(duì)應(yīng)的高電平,否則輸出為低電平,鎖存型只有在接收到下一數(shù)據(jù)才能轉(zhuǎn)換 Vcc18電源正端（＋）Vss9電源負(fù)端（－）DIN14數(shù)據(jù)信號(hào)輸入端，來(lái)自接收模塊輸出端OSC116振蕩電阻輸入端，與OSC2所接電阻決定振蕩頻率OSC215振蕩電阻振蕩器輸出端VT17解碼有效確認(rèn)輸出端（常低）解碼有效變成高電平（瞬態(tài)）在本設(shè)計(jì)中采用8位地址碼和4位數(shù)據(jù)碼，這時(shí)編碼電路PT2262的第1～8腳為地址設(shè)定腳，有三種狀態(tài)可供選擇：懸空、接正電源、接地三種狀態(tài)，3的8次方為6561，所以地址編碼不可重復(fù)度為6561組，只有發(fā)射端PT2262和接收端PT2272的地址編碼完全相同，才能配對(duì)使用，芯片的這種設(shè)計(jì)允許一個(gè)遙控器對(duì)多個(gè)下位機(jī)進(jìn)行遙控。在本設(shè)計(jì)中PT2262和PT2272的地址是7腳和8腳接地。阻值越大振蕩頻率越慢，編碼的寬度越大，發(fā)碼一幀的時(shí)間越長(zhǎng)。圖311 發(fā)射模塊電路圖312接收模塊電路 速度測(cè)量模塊方案一：利用紅外線(xiàn)對(duì)射的方式，在小車(chē)的車(chē)輪安裝一個(gè)碼盤(pán)，碼盤(pán)均勻打上一定數(shù)量的遮光孔，由于碼盤(pán)隨電機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)，紅外線(xiàn)三極管接收到的是一系列的脈沖信號(hào)。方案二：利用霍爾傳感器對(duì)裝在車(chē)輪上的小磁鐵進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而間接的測(cè)量小車(chē)速度。結(jié)合本系統(tǒng)的使用減速電機(jī)（減速前后的速度比為96:1），在電機(jī)的后端裝上一個(gè)齒輪，在齒輪上均勻分布2塊磁鐵，這樣可以大大提高測(cè)速的精度，而且精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于紅外對(duì)射的方式。該傳感器是一種半導(dǎo)體器件，是利用霍爾效應(yīng)制成的，主要由穩(wěn)壓器、霍爾電勢(shì)發(fā)生器、差分放大器、斯密特觸發(fā)器和OC門(mén)輸出五個(gè)基本部分組成。當(dāng)施加的磁場(chǎng)達(dá)到工作點(diǎn)時(shí)，觸發(fā)器輸出高電壓（相對(duì)于地電位），使三極管導(dǎo)通，此時(shí)OC門(mén)輸出低電平，三極管截止。把這樣的信號(hào)送到單片機(jī)的外部中斷1和外部中斷2，以測(cè)量小車(chē)左右輪的速度信息，電路如圖313所示。電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N為單塊集成電路，高電壓，高電流，四通道驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)用來(lái)接收DTL或者TTL邏輯電平驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載（比如繼電器，直流和步進(jìn)電機(jī)）。表314 L298N管腳邏輯關(guān)系ENA(ENB)IN1(IN4)IN2(IN3)電機(jī)運(yùn)行情況L停止HLL停止HHL正轉(zhuǎn)HLH反轉(zhuǎn)小車(chē)驅(qū)動(dòng)電路如圖315。在小車(chē)運(yùn)行當(dāng)中，考