【正文】 流電機(jī)轉(zhuǎn)向相反同時轉(zhuǎn)速相同時就可以實(shí)現(xiàn)電動車的原地旋轉(zhuǎn)，由此可以輕松的實(shí)現(xiàn)小車坐標(biāo)不變的90 度和 180 度的轉(zhuǎn)彎。當(dāng)小車前進(jìn)時，左右兩驅(qū)動輪與后萬向輪形成了三點(diǎn)結(jié)構(gòu)。為了防止小車重心的偏移，后萬向輪起支撐作用。用有機(jī)玻璃做的車架比塑料車架更加牢固，比鐵制小車更輕便，美觀。小車底盤如圖 2 所示： 圖 2 車體底盤圖 方案 1：采用可編程邏輯期間 CPLD 作為控制器。采用并行的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)模控制系統(tǒng)的控制核心。且從使用及經(jīng)濟(jì)的角度考慮我們放棄了此方案。 AT89s52 是一個低功耗，高性能的 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 32k 空間的可反復(fù)擦些 100,000 次的 Flash只讀存儲器，具有 2Kbytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM）， 32 個 IO 口 ， 2 個 8位可編程定時計數(shù)器， 1 個 16 位可編程定時計數(shù)器，四通道 PWM，內(nèi)置 8 路10 位 ADC。 從方便使用的角度考慮，我們選擇了方案 2。 方案 1： 采用 2 節(jié) 干電池供電，電壓達(dá)到 ，經(jīng) 7805 穩(wěn)壓后給支流電機(jī)供電，然后將 電壓再次降壓、穩(wěn)壓后給單片機(jī)系統(tǒng)和其他芯片供電。 方案 2：采用 4 節(jié) 可充電式鋰電池串聯(lián)共 6V 給直流電機(jī)供電，經(jīng)過 8 7805 的電壓變換后給支流電機(jī)供電，然后將 6V電壓再次降壓、穩(wěn)壓后給單片機(jī)系統(tǒng)和其他芯片供電。但鋰電池的價格過于昂貴，使用鋰電池會大大超出我們的預(yù)算，因此，我們放棄了這種方案。 方案 1：用光敏電阻組成光敏探測器。當(dāng)光線照射到白線上面時，光線發(fā)射強(qiáng)烈，光線照射到 黑線上面時，光線發(fā)射較弱。將阻值的變化值經(jīng)過比較器就可以輸出高低電平。因此我們考慮其他更加穩(wěn)定的方案。紅外發(fā)射管發(fā)出紅外線，當(dāng)發(fā)出的紅外線照射到白色的平面后反射，若紅外接收管能接收到反射回的光線則檢測出白線繼而輸出低電平，若接收不到發(fā)射管發(fā)出的光線則檢測出黑線繼而輸出高電平。 方案 3：用 RPR220 型光電對管。 RPR220 采用 DIP4 封裝，其具有如下特點(diǎn)： 塑料透鏡可以提高靈敏度。 體積小，結(jié)構(gòu)緊湊。此光電對管調(diào)理電路簡單，工作性能穩(wěn)定。 本系統(tǒng)為智能電動車，對于電動車來說，其驅(qū)動輪的驅(qū)動電 機(jī)的選擇就顯得 9 十分重要。 方案 1：采用步進(jìn)電機(jī)作為該系統(tǒng)的驅(qū)動電機(jī)。雖然采用步進(jìn)電機(jī)有諸多優(yōu)點(diǎn)，步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩較低，隨轉(zhuǎn)速的升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降，其轉(zhuǎn)速較低，不適用于小車等有一定速度要求的系統(tǒng)。 方案 2：采用直流減速電機(jī)。由于其內(nèi)部由高速電動機(jī)提供原始動力 ，帶動變速（減速）齒輪組，可以產(chǎn)生較大扭力。 方案 1：采用專用芯片 L298N 作為電機(jī)驅(qū)動芯片。用該芯片作為電機(jī)驅(qū)動，操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。由分立元件構(gòu)成電機(jī)驅(qū)動電路，結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)用廣泛。 方案一：串 電阻調(diào)速系統(tǒng)。簡稱 VM 系統(tǒng)。 旋轉(zhuǎn)變流系統(tǒng)由交流發(fā)電機(jī)拖動直流電動機(jī)實(shí)現(xiàn)變流，由發(fā)電機(jī)給需要調(diào)速的直流電動機(jī)供電，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵磁電流即可改變其輸出電壓，從而調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。該系統(tǒng)需要旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，至少包含兩臺與調(diào)速電動機(jī)容量相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)，還要一臺勵磁發(fā)電機(jī)，設(shè)備多、體積大、費(fèi)用高、效率低、維護(hù)不方便等缺點(diǎn)。 10 VM 系統(tǒng)是當(dāng)今直 流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。 VM 系統(tǒng)的缺點(diǎn)是晶閘管的單向?qū)щ娦裕辉试S電流反向，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難。最后，當(dāng)系統(tǒng)處于低速運(yùn)行時，系統(tǒng)的功率因數(shù)很低，并產(chǎn)生較大的諧波電流危害附近的用電設(shè)備。當(dāng)晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通時，電源電壓加到電動機(jī)上，當(dāng)晶閘管關(guān)斷時，直流電源與電動機(jī)斷開，電動機(jī)經(jīng)二極管續(xù)流 ，兩端電壓接近于零。脈沖周期不變，只改變晶閘管的導(dǎo)通時間，即通過改變脈沖寬度來進(jìn)行直流調(diào)速。由于電流波形比 VM 系統(tǒng)好，在相同的平均電流下，電動機(jī)的損耗和發(fā)熱都比較小。 （ 3）由于電力電子器件只工作在開關(guān)狀態(tài)，主電路損耗較小，裝置效率較高。 PWM 由單片機(jī) AT89S52 直接調(diào)制輸出，通過調(diào)節(jié) PWM 的占空比來調(diào)制電機(jī)轉(zhuǎn)速。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便、價格低廉。如抗干擾能力差、共模抑制比低等。選擇優(yōu)質(zhì)元 件構(gòu)成比例放大電路，雖然可以達(dá)到一定的精度，但有時仍不能滿足某些特殊要求。這種情況下須采用差動放大電路，并應(yīng)設(shè)法減小溫漂。 方案三：電壓比較器方案。而 Ui 變化經(jīng)過Ur 時，比較器的輸出將從一個電壓跳變到另一個電平。對它的要求是：鑒別要準(zhǔn)確，反應(yīng)要靈敏，動作要迅速，抗干擾能力要強(qiáng)，還應(yīng)有一定的保護(hù)措施，以防止因過電壓或過電流而造成器件損壞。具體措施多為在集成運(yùn)放的兩個輸入端并聯(lián)二極管。簡單電壓比較器結(jié)構(gòu)簡單，而且靈敏度高，但它的抗干擾能力差，也就是說如果輸入信號因受干擾在閾值附近變化，則比較器輸出就會反復(fù)的從一個電平跳到另一個電平。這種情況，通常是不允許的。滯回比較器有兩個數(shù)值不同的閾值，當(dāng)輸入信號因受干擾或其他原因發(fā)生變化時，只要變化量不超過兩個閾值之差，滯回比較器的輸出電壓就不會來回變化。 但是，滯回比較器畢竟是模擬器件，溫度的漂移是它無法消除的。 經(jīng)過反復(fù)論證，我們最終確定了如下方案： （ 1）車體用有機(jī)車架手工制作。 （ 3）用穩(wěn)壓后為直流電機(jī)供電，將 6V電壓經(jīng) 7805 降壓、穩(wěn)壓后為單片機(jī)系統(tǒng)和其他芯片供電。 （ 5）三極管作為直流電機(jī)的驅(qū)動芯片。 本系統(tǒng)采用 AT89S52 作為核心控制部件，通過對小車前下端的左中右三對紅外對管組成的尋跡帶你路電路所采集的信號進(jìn)行分析使 小車在行駛偏離正常軌道時及時進(jìn)行分析校正，以保證其直向行駛；用單片機(jī)控制電機(jī)專用驅(qū)動芯片驅(qū)動前后兩個電機(jī)是后輪做勻速行駛，前輪作為左右轉(zhuǎn)向輪；采用 Atmel 公司的AT89s52 單片機(jī)，不用燒寫器而只用串口或者并口就可以往單片機(jī)中下載程序 。 當(dāng)沒有光反射回來時，光電對管中的三極管不導(dǎo)通， VT1 截至，其集電極輸出高電平。 經(jīng)試驗(yàn)和示波器驗(yàn)證，該電路工作性能一般，輸出還有雜散干擾波的成分。 但是這種電路用電量比較大，給此種傳感器調(diào)理電路供電的電池壓降較快。 因此我們考慮用比較器的方案。 而 且經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證給此電路供電的電池的壓降較小。 14 本模塊采用 51 系列單片機(jī)作為核心處理器。有了以上三塊，單片機(jī)就能夠正常工作。其應(yīng)用范圍廣，性能良好，可用于解決復(fù)雜的控制問題。 如圖 41 是較為常見的帶燒錄接口的單片機(jī)最小系統(tǒng)圖。 系統(tǒng)的時鐘電路設(shè)計是采用的內(nèi)部方式，即利用芯片內(nèi)部的振蕩電路。引腳 XTAL1 和XTAL2 分別是此放大器的輸入端和輸出端。外接晶體諧振器以及電容 C1 和 C2 構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。因此，此系統(tǒng)電路的晶體振蕩器的值為 12MHz，電容應(yīng)盡可能的選擇陶瓷電容，電容值通常取 30PF。 復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實(shí)現(xiàn)的。 復(fù)位電路通常采用上電自動復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。按鈕復(fù)位是指用戶按下“復(fù)位”按鈕，使單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài) [5]。 上電時， +5V 電源立即對單片機(jī)芯片供電，同時經(jīng)電阻 R 對電容 C3 充電。按鈕按下時， RST 上同樣出現(xiàn)高電平，實(shí)現(xiàn)了按鈕復(fù)位。如果這些芯片復(fù)位端的復(fù)位電平和單片機(jī)一致，則可以與單片機(jī)復(fù)位腳相連，非門在這里不僅起了反向作用，還增大了驅(qū)動能力，電容 C1， C2 起慮波作用，防止干擾竄入復(fù)位端產(chǎn)生誤動作。 由此過程來改變接收管的輸出電壓， 單片機(jī) 以電壓的變化 為依據(jù)來 執(zhí)行小車電機(jī) 確定行走路線。四針接口處 P3， P4的 1， 2腳是跟紅外線發(fā)射管連接， 3， 4則是跟接收管相連，放置插針是為了更容易實(shí)現(xiàn)紅外線管的放置。比較芯片 LM358（ LM393）可以根據(jù)接收管的電壓和參考電壓進(jìn)行比較后輸出相應(yīng)電平。 小車進(jìn)入 尋 跡模式后，即 單片機(jī) 開始不停地掃描與探測器連接的單片機(jī) I/O口，一旦檢測到某個 I/O口有信號，即進(jìn)入判斷處理程序 ,先確定 2個探測器中的哪一個探 18 測到了黑線，如果左面?zhèn)鞲衅?（紅燈亮） 探測到黑線，即小車左半部分壓到黑線，車身向右偏出，此時應(yīng)使小車向左轉(zhuǎn)；如果右面?zhèn)鞲衅?（黃燈亮） 探測到了黑線，即車身右半部壓住黑線，小車向左偏出了軌跡，則應(yīng)使小車向右轉(zhuǎn)。 其中， R11和 R19為限流電阻，防止紅外線發(fā)生管因電流過大而燒壞；由 R14和一個可變電阻組成的電路為參考電壓電路，由于檢測小車行駛的過程會因環(huán)境或則黑線材料的改變使輸出電壓成一個變化值，所以通過可變電阻來改變參考電壓，使能正常運(yùn)行；同時 R12和 R20為上拉電阻，讓輸入單片機(jī)的電壓達(dá)到高電平；發(fā)光二極管則是能更直觀的判斷出哪對傳感器在起作用。通過 AT89S52 進(jìn)行判斷小車所處的狀態(tài)，通過控制 H 橋驅(qū)動芯片來控制電機(jī)加速或減速 及轉(zhuǎn)向進(jìn)行相應(yīng)的動作，小車的速度通過 PWM 控制進(jìn)行調(diào)速，小車轉(zhuǎn)彎的力度通過 PWM 控制 。 黑線正中狀態(tài) 傳感器 黑線 19 黑線處在中間位置時，中間兩個傳感器都能檢測到黑線存在，當(dāng)小車處于此狀態(tài)時，小車方向不變，如果小 車沒有達(dá)到最大速度則逐漸加速到最大速度。 黑線偏右狀態(tài) 傳感器 黑線 只有右傳感器檢測到黑線存在，當(dāng)小車處于 此狀態(tài)時，小車必須保證能尋找到黑線而必須減速，并且小車略微右轉(zhuǎn)。 避免右邊有傳感器壞掉，或者右邊防止一個傳感器檢測不到黑線，所以右傳感器檢測到黑線存在，當(dāng)小車處于此狀態(tài)時，小車必須保證能尋找到黑線而必須減速，并且小車盡最大可能向右轉(zhuǎn)。四十多年來，在模糊理論算法、模糊推理、工業(yè)控制應(yīng)用，以及穩(wěn)定性理論研究方面，都有不少研究論文發(fā)表。 如今，對模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、模糊推理算法，以及模糊控制穩(wěn)定性等問題的研究成果已進(jìn)入實(shí)用化時期，其成果應(yīng)用主要集中于工業(yè)窯爐方面，如退火爐，電弧冶煉爐，水泥爐及造紙機(jī)的控制等。 模糊控制算法原理 模糊控制的關(guān)鍵和核心是模糊控制規(guī)則，即用人的自然語言對操作者的手動小車初始化函數(shù) 開始 獲得小車狀態(tài)函數(shù) 根據(jù)得到的狀態(tài)實(shí)時調(diào)節(jié)小車的速度 22 控制策略加以描述，得到一些不精確的、定性的、判定的規(guī)則，這些規(guī)則就是模糊控制技術(shù)中的模糊控制規(guī)則。在實(shí)際應(yīng)用中，特別是人工操作控制，并不需要建立被控對象的數(shù)學(xué)模型。 對于模糊控制規(guī)則的建立方法很多，主要有：以專家知識、經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)建立模糊控制規(guī)則；以熟練操作者的手動操作策略、經(jīng)驗(yàn)和測試數(shù)據(jù)來建立模糊控制規(guī)則，根據(jù)被控對象的模糊模型建立模糊控制規(guī)則以及根據(jù)學(xué)習(xí)算法建立模糊控制規(guī)則等。 智能小車中的模糊控制算法 本設(shè)計的模糊控制規(guī)則的建立方法 是：智能小車通過經(jīng)驗(yàn)和測試數(shù)據(jù)來建立模糊控制規(guī)則。 提高玩具車智能控制的可靠性，僅靠硬件抗干擾是不夠的，需要進(jìn)一步借助于軟件抗干擾技術(shù)來克服某些干擾 [6]。經(jīng)常采用的軟件抗干擾技術(shù)是數(shù)字濾波技術(shù)、開關(guān)量的軟件抗干擾技術(shù)、指令冗余技術(shù)、軟件陷阱技術(shù)等。為了進(jìn)行準(zhǔn)確測量和控制，必須消除被測信號中的噪音和干擾。后者為隨機(jī)信號，它不是周期信號。所謂數(shù)字濾波，就是通過一定的計算或判斷程序減少干擾在有用信號中的比重。數(shù)字濾波克服了模擬濾波器的不足，它與模擬濾波器相比 ，有以下幾個優(yōu)點(diǎn)： 數(shù)字濾波是用程序?qū)崿F(xiàn)的，不需要增加硬設(shè)備，所以可靠性高，穩(wěn)定性好。 數(shù)字濾波可以對頻率很低的信號實(shí)現(xiàn)濾波，克服了模擬濾波器的缺陷。 開關(guān)量的軟件抗干擾技術(shù) ： 干 擾信號多呈毛刺狀，作用時間短，利用這一點(diǎn)，我們在采集某一開關(guān)量信號時，可多次重復(fù)采集，直到連續(xù)兩次或兩次以上結(jié)果完全一致方為有效。如果開關(guān)量信號超過 8個，可按 8 個一組進(jìn)行分組處理，也可定義多字節(jié)信息暫存區(qū)，按類似方法處理。 輸出設(shè)備是電位控制型還是同步鎖存型，對干擾的敏感性相對較大。輸出設(shè)備和慣性（響應(yīng)速度）與干擾的耐受能力也有很大關(guān)系。慣性小的輸出設(shè)備（如通行口、顯示設(shè)備）耐受能力就小一些。只要有可能， 24 其重復(fù)周期盡可能短些。另外，各類數(shù)據(jù)鎖存器盡可能和 CPU 安裝在同一電路板上，使傳輸線上傳送的都是鎖存好的電位控制信號，對于重要的輸出設(shè)備，最好建立檢測通道， CPU 可以檢測通道來確定輸出結(jié)果的正確性。當(dāng)程序彈飛到某一字節(jié)指令上時，便自動納入正軌。當(dāng)程序彈飛到三字節(jié)指令上時，因它有兩個操作數(shù)，繼續(xù)出錯的機(jī)會就更大。指令冗余無疑會降低系統(tǒng)的效率，但在絕大多數(shù)情況下， CPU 還不至于忙到不能多執(zhí)行幾條指令的程度，故這種方法還是被廣泛采用。在某些對系統(tǒng)工作狀態(tài)重要的指令前也可插入兩條NOP 指令，以保證正確執(zhí)行。 軟件陷阱技術(shù)： 指令冗余使彈飛的程序安定下來是有條件的。所謂軟件陷阱，就是一套引導(dǎo)指令，強(qiáng)行將捕獲的程序引向一個指定的地址，在那里有一段專門對程序出錯進(jìn)行處理的程序。 (2)未使用的大片 ROM 空間 (3)表格 程序區(qū) 由于軟件陷阱都安排在正常程序執(zhí)行不到的地方，故不影響程序執(zhí)行效率，在當(dāng)前 EPROM 容 量 不 成