智能小車設計

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1、本科組本科組C C題題-智能小車設計智能小車設計交流報告弘毅明德弘毅明德 篤學創(chuàng)新篤學創(chuàng)新2011-2011-1111-2-27 7Changan University主主 要要 報報 告告 內內 容容一、題目要求及設計思路簡介一、題目要求及設計思路簡介二、智能小車系統(tǒng)設計二、智能小車系統(tǒng)設計三、系統(tǒng)關鍵問題分析及解決方案三、系統(tǒng)關鍵問題分析及解決方案四、系統(tǒng)實現(xiàn)及測試四、系統(tǒng)實現(xiàn)及測試五、指導教師點評五、指導教師點評2011年全國大學生電子設計競賽年全國大學生電子設計競賽交流報告交流報告主主 要要 報報 告告 內內 容容一、題目要求及設計思路簡介一、題目要求及設計思路簡介二、智能小車系統(tǒng)設計

2、二、智能小車系統(tǒng)設計三、系統(tǒng)關鍵問題分析及解決方案三、系統(tǒng)關鍵問題分析及解決方案四、系統(tǒng)實現(xiàn)及測試四、系統(tǒng)實現(xiàn)及測試五、指導教師點評五、指導教師點評2011年全國大學生電子設計競賽年全國大學生電子設計競賽交流報告交流報告1.1 1.1 題目要求簡介題目要求簡介 題目要求兩輛小車在如右圖所示題目要求兩輛小車在如右圖所示的賽道上實現(xiàn)如下功能：的賽道上實現(xiàn)如下功能：1. 1. 基本要求基本要求 （1 1）甲車和乙車分別從起點標志）甲車和乙車分別從起點標志線開始，在行車道各正常行駛一圈。線開始，在行車道各正常行駛一圈。 （2 2）甲、乙兩車按圖所示位置同）甲、乙兩車按圖所示位置同時起動，乙車通過超車標

3、志線后在超時起動，乙車通過超車標志線后在超車區(qū)內實現(xiàn)超車功能，并先于甲車到車區(qū)內實現(xiàn)超車功能，并先于甲車到達終點標志線，即第一圈實現(xiàn)乙車超達終點標志線，即第一圈實現(xiàn)乙車超過甲車。過甲車。 （3 3）甲、乙兩車在完成）甲、乙兩車在完成(2)(2)時的時的行駛時間要盡可能的短。行駛時間要盡可能的短。1.1 1.1 題目要求簡介題目要求簡介 2. 2. 發(fā)揮部分發(fā)揮部分 （1 1）在完成基本要求）在完成基本要求(2)(2)后后, ,甲、乙甲、乙兩車繼續(xù)行駛第二圈，要求甲車通過超兩車繼續(xù)行駛第二圈，要求甲車通過超車標志線后要實現(xiàn)超車功能，并先于乙車標志線后要實現(xiàn)超車功能，并先于乙車到達終點標志線，即第

4、二圈完成甲車車到達終點標志線，即第二圈完成甲車超過乙車，實現(xiàn)了交替領跑。甲、乙兩超過乙車，實現(xiàn)了交替領跑。甲、乙兩車在第二圈行駛的時間要盡可能的短。車在第二圈行駛的時間要盡可能的短。 （2 2）甲、乙兩車繼續(xù)行駛第三圈和）甲、乙兩車繼續(xù)行駛第三圈和第四圈，并交替領跑；兩車行駛的時間第四圈，并交替領跑；兩車行駛的時間要盡可能的短。要盡可能的短。 （3 3）在完成上述功能后，重新設定）在完成上述功能后，重新設定甲車起始位置（在離起點標志線前進方甲車起始位置（在離起點標志線前進方向向40cm 40cm 范圍內任意），實現(xiàn)甲、乙兩車范圍內任意），實現(xiàn)甲、乙兩車四圈交替領跑功能，行駛時間要盡可能四圈交替

5、領跑功能，行駛時間要盡可能的短。的短。1.1.2 2 設計思路介紹設計思路介紹智能小車功能需求智能小車功能需求精準尋跡精準尋跡快速快速行進行進位置同步位置同步自主超車自主超車解決方案解決方案紅外傳感器紅外傳感器+步進電機步進電機+ARM控制板控制板+無線收發(fā)無線收發(fā)完成功能需求完成功能需求所需的模塊所需的模塊光電檢測模塊光電檢測模塊無線通訊模塊無線通訊模塊電機及驅動模塊電機及驅動模塊供電系統(tǒng)模塊供電系統(tǒng)模塊主處理模塊主處理模塊主主 要要 報報 告告 內內 容容一、題目要求及設計思路簡介一、題目要求及設計思路簡介二、智能小車系統(tǒng)設計二、智能小車系統(tǒng)設計三、系統(tǒng)關鍵問題分析及解決方案三、系統(tǒng)關鍵問

6、題分析及解決方案四、系統(tǒng)實現(xiàn)及測試四、系統(tǒng)實現(xiàn)及測試五、指導教師點評五、指導教師點評2011年全國大學生電子設計競賽年全國大學生電子設計競賽交流報告交流報告 1、主處理板選型 2.12.1 智能小車硬件設計智能小車硬件設計 方案一:采用AT89S52單片機作為主控芯片。其特點是功耗較低，集成度較高，兼容性較好，但CPU處理速度及片上資源有限，不適合復雜實時控制系統(tǒng)的應用。由于在小車運行過程中，涉及大量數(shù)據(jù)處理，需要完成傳感器檢測、電機控制、定時計數(shù)等功能。因此此系統(tǒng)需要有良好的運算性能，對兩個小車的速度控制要求較高，而此普通單片機運算速度較慢，不能滿足需求。2.12.1 智能小車硬件設計智能小

7、車硬件設計 方案二：采用嵌入式系統(tǒng)方案二：采用嵌入式系統(tǒng) 采用采用L LM3S615M3S615的的ARMARM芯片作為控芯片作為控制核心制核心。LM3S615LM3S615是基于是基于ARM ARM Cortex-M3Cortex-M3的控制器，它將高性能的控制器，它將高性能的的32 32 位計算引入嵌入式微控制器位計算引入嵌入式微控制器應用中。其特點是運算速度快，外應用中。其特點是運算速度快，外圍器件簡單，功耗低，片上資源豐圍器件簡單，功耗低，片上資源豐富，能滿足小車的速度控制以及無富，能滿足小車的速度控制以及無線通信設備線通信設備的的需求需求，是目前性價比是目前性價比較高的控制類芯片。較

8、高的控制類芯片?；谝陨戏治?，我們選擇方案二。2.12.1 智能小車硬件設計智能小車硬件設計2、電機及驅動模塊的選擇方案 方案一：選擇普通直流電機方案一：選擇普通直流電機。 直流電機可以直流電機可以通過減速齒輪通過減速齒輪增大扭力，提高帶負載能力。直增大扭力，提高帶負載能力。直流電機的優(yōu)點是：價格便宜，驅流電機的優(yōu)點是：價格便宜，驅動控制容易，但不能做到精確控動控制容易，但不能做到精確控制是其一大弱點。制是其一大弱點。2.12.1 智能小車硬件設計智能小車硬件設計 方案二：選擇步進電機。方案二：選擇步進電機。 步進電機的特點是：可以精確步進電機的特點是：可以精確控制電機選擇步數(shù)和角度，能良好控

9、制電機選擇步數(shù)和角度，能良好的達到題目要求的精確度。的達到題目要求的精確度。 考慮到題目性能要求，我們選考慮到題目性能要求，我們選擇了步進電機，擇了步進電機，同時同時采用電機驅動采用電機驅動芯片芯片BA6845FSBA6845FS。BA6845FSBA6845FS包含兩個包含兩個獨立的獨立的H H橋電路。直接給芯片上電，橋電路。直接給芯片上電，即可實現(xiàn)電機的驅動。此芯片集成即可實現(xiàn)電機的驅動。此芯片集成度高，電路簡單，控制方便可靠，度高，電路簡單，控制方便可靠，體積小，效率高。體積小，效率高。2.12.1 智能小車硬件設計智能小車硬件設計3、位置同步方案 方案一：方案一：采用超聲波傳感器測距采

10、用超聲波傳感器測距方案方案 超聲波傳感器采用超聲波傳感器采用IOIO觸發(fā)測距，觸發(fā)測距，模塊自動發(fā)送模塊自動發(fā)送8 8個個40khz40khz的方波，自動的方波，自動檢測是否有信號返回。有價格便宜、檢測是否有信號返回。有價格便宜、使用簡單的優(yōu)點。但是不能準確測得使用簡單的優(yōu)點。但是不能準確測得小車超車及姿態(tài)調整時的距離，因此小車超車及姿態(tài)調整時的距離，因此采用此種方案穩(wěn)定性不高采用此種方案穩(wěn)定性不高2.12.1 智能小車硬件設計智能小車硬件設計 方案二：采用方案二：采用無線通信方無線通信方案案 采用無線通信的方式可以采用無線通信的方式可以在小車啟動時、超車時很好的在小車啟動時、超車時很好的實現(xiàn)

11、位置信號的同步，效果穩(wěn)實現(xiàn)位置信號的同步，效果穩(wěn)定。定。 相比于電路復雜，成本高，實相比于電路復雜，成本高，實時性不好，控制復雜的時性不好，控制復雜的Zigbee無無線收發(fā)模塊，我們采用線收發(fā)模塊，我們采用無線收無線收發(fā)模塊發(fā)模塊UP-96UP-96。該模塊采。該模塊采用了用了9600bit/s9600bit/s的波特率，直接可的波特率，直接可以連接到本設計的處理器輸出以連接到本設計的處理器輸出口，無需在無線模塊上編制程口，無需在無線模塊上編制程序，易于控制序，易于控制，傳輸速率高，傳輸速率高，可編程控制輸出功率，操作簡可編程控制輸出功率，操作簡單。單。 基于以上的分析，采用方基于以上的分析，

12、采用方案二。案二。2.12.1 智能小車硬件設計智能小車硬件設計4 4、循跡模塊的選擇、循跡模塊的選擇 方案一：采用光敏電阻組成方案一：采用光敏電阻組成光敏探測器。光敏探測器。 光敏電阻的阻值可以跟隨周光敏電阻的阻值可以跟隨周圍環(huán)境光線的變化而變化。當光圍環(huán)境光線的變化而變化。當光線照射到白線上面時，光線反射線照射到白線上面時，光線反射很強烈，光線照射到黑線上面時，很強烈，光線照射到黑線上面時，光線反射較弱。基于光的反射原光線反射較弱。基于光的反射原理因此光敏電阻在白線和黑線上理因此光敏電阻在白線和黑線上方時，阻值會發(fā)生明顯的變化。方時，阻值會發(fā)生明顯的變化。將阻值的變化值經(jīng)比較器就可以將阻值

13、的變化值經(jīng)比較器就可以輸出輸出TTLTTL高低電平信號。但是這高低電平信號。但是這種方案受光照影響很大，不能夠種方案受光照影響很大，不能夠穩(wěn)定的工作。穩(wěn)定的工作。2.12.1 智能小車硬件設計智能小車硬件設計 方案二：采用反射式紅外傳感器。方案二：采用反射式紅外傳感器。 利用紅外線在不同顏色的物體表利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質的特點面具有不同的反射性質的特點，在小在小車行駛過程中紅外發(fā)射管不斷發(fā)出紅車行駛過程中紅外發(fā)射管不斷發(fā)出紅外射線外射線。當發(fā)出的紅外射線照射到白當發(fā)出的紅外射線照射到白色的平面后經(jīng)反射，則檢測出白線繼色的平面后經(jīng)反射，則檢測出白線繼而輸出低電平而輸出低

14、電平；當發(fā)出的紅外射線照當發(fā)出的紅外射線照射到射到黑黑色的平面后色的平面后被吸收，則被吸收，則收不到收不到發(fā)射管發(fā)出的發(fā)射管發(fā)出的紅外紅外線，則檢測出黑線線，則檢測出黑線繼而輸出高電平。微控制器就是通過繼而輸出高電平。微控制器就是通過接收到的高低電平為依據(jù)來確定接收到的高低電平為依據(jù)來確定小車小車相對于黑線的位置相對于黑線的位置。只要選擇數(shù)量和。只要選擇數(shù)量和探測距離合適的紅外傳感器，就可以探測距離合適的紅外傳感器，就可以精精確確控制控制小車?；谝陨系姆治?，采小車?；谝陨系姆治?，采用方案二。用方案二。 本設計中添加了鳴笛功能，由比較器和喇叭組成。當甲乙兩車啟動時、超車時以及到達終點時都會以

15、鳴笛作為標志。2.12.1 智能小車硬件設計智能小車硬件設計5 5、鳴笛電路設計鳴笛電路設計2.2 2.2 智能小車軟件設計智能小車軟件設計 本系統(tǒng)采用嵌入式的ARM芯片LM3S615作為控制核心。使用兩個32位定時計數(shù)器的中斷來對步進電機的時序進行控制，這樣可以充分利用CPU的資源，精確而簡單的控制小車的速度。小車在行進過程中不斷檢測紅外傳感器，判斷小車是否偏離跑道外側的黑線，可以通過調整定時器的計數(shù)值來調整兩輪的速度，進而對小車的位置及方向進行矯正。對定時器的進一步控制可以準確的實現(xiàn)小車的轉彎及超車。兩車之間通過無線通信模塊進行位置同步。軟件流程圖如下：2.22.2 智能小車軟件設計智能小

16、車軟件設計甲車軟件流程圖2.12.1 智能小車軟件設計智能小車軟件設計乙車軟件流程圖主主 要要 報報 告告 內內 容容一、題目要求及設計思路簡介一、題目要求及設計思路簡介二、智能小車系統(tǒng)設計二、智能小車系統(tǒng)設計三、系統(tǒng)關鍵問題分析及解決方案三、系統(tǒng)關鍵問題分析及解決方案四、系統(tǒng)實現(xiàn)及測試四、系統(tǒng)實現(xiàn)及測試五、指導教師點評五、指導教師點評2011年全國大學生電子設計競賽年全國大學生電子設計競賽交流報告交流報告3.13.1小車行駛路徑規(guī)劃小車行駛路徑規(guī)劃 小車行駛路徑規(guī)劃如圖所示： 小車通過檢測外邊緣線來循跡，通過檢測拐彎標志線進行弧度拐彎（轉彎過程中不檢測邊緣線，而是通過計算步數(shù)來控制）。 根據(jù)

17、題目要求，黑色線有實橫線（轉彎及超車標志線）、實豎線（邊緣標志線）和虛豎線（超車控制線），小車通過檢測不同種類的線來確定方位和行為。 為了正確檢測識別各類標線，需要合理設置傳感器布置方式及傳感器數(shù)量，本系統(tǒng)以右邊緣線作為檢測基準線，邊緣線寬度為2cm，所以在小車車身右側2cm處布置3個紅外傳感器（按從左往右順序依次命名為：IA，IB，IC），傳感器間距為0.9cm，用以檢測邊緣線。小車車身前部中軸線位置放置1個紅外傳感器（命名為：ID）用以檢測轉彎及超車標志線。由于小車在行進過程中兩個電機會分別出現(xiàn)失步、越步及受到其他干擾，小車需要不斷調整自身姿態(tài)以確保按照正確的方式前進，各傳感器輸出真值表及

18、其對應控制方式如下：3.23.2路徑檢測與循跡控制方法分析路徑檢測與循跡控制方法分析3.23.2路徑檢測與循跡控制方法分析路徑檢測與循跡控制方法分析3.3 3.3 姿態(tài)修正及轉彎、超車控制姿態(tài)修正及轉彎、超車控制 通過對小車行駛軌跡分析，小車在行進過程中主要有以下四種控制模式。 直線控制：直線控制：結合題目要求及車體穩(wěn)定性需求，將左右輪速度設為同一最大值。根據(jù)傳感器返回的信號判斷，若車體發(fā)生偏移，則調用姿態(tài)修正函數(shù)進行微調。姿態(tài)修正姿態(tài)修正：若檢測到左偏，右側電機減速，否則左側電機減速。轉彎控制：轉彎控制：當檢測到轉彎標志線時，左輪速度減慢，右輪速度保持不變。當轉過一定角度后，直行并循環(huán)檢測邊

19、線。超車控制：超車控制：當前車檢測到超車標志線后，轉彎并減速，等待超車完成信號，并在接受到超車完成信號后加速。當后車檢測到超車標志線后，從超車區(qū)域進行超車，完成后發(fā)送超車完成信號。3.4 3.4 行進間兩車位置同步行進間兩車位置同步 本系統(tǒng)中啟動和每次超車結束時都會有一次位置同步，位置同步是通過無線通信發(fā)送指令實現(xiàn)的。 第一次同步：第一次同步： 啟動時，甲車在前，乙車在后。乙車在起跑以前會給甲車一個啟動指令，保證兩車同時啟動。 第二次同步：第二次同步： 在超車結束時，前車會給后車發(fā)送一個加速指令，使兩車繼續(xù)前進。 通過以上兩次位置同步及步進電機對行進距離的準確控制實現(xiàn)了通過以上兩次位置同步及步

20、進電機對行進距離的準確控制實現(xiàn)了兩車距離保持和自主超車。方法簡單且減少了車間通訊次數(shù)。兩車距離保持和自主超車。方法簡單且減少了車間通訊次數(shù)。主主 要要 報報 告告 內內 容容一、題目要求及設計思路簡介一、題目要求及設計思路簡介二、智能小車系統(tǒng)設計二、智能小車系統(tǒng)設計三、系統(tǒng)關鍵問題分析及解決方案三、系統(tǒng)關鍵問題分析及解決方案四、系統(tǒng)實現(xiàn)及測試四、系統(tǒng)實現(xiàn)及測試五、指導教師點評五、指導教師點評2011年全國大學生電子設計競賽年全國大學生電子設計競賽交流報告交流報告4.14.1系統(tǒng)實現(xiàn)系統(tǒng)實現(xiàn)我們完成的智能小車我們完成的智能小車4.14.1系統(tǒng)實現(xiàn)系統(tǒng)實現(xiàn)-演示演示4.24.2系統(tǒng)測試系統(tǒng)測試 1

21、、測試方案 將兩個小車按照要求放在起點標志線處，先分別測出兩個小車各正常行駛一圈的時間，然后再測試兩個同時起動的小車進行交替超車一圈、兩圈、三圈、四圈的時間。測試條件 小車在由2塊細木工板（長244cm，寬122cm）拼接而成的賽道上行駛,進行多次測試。4.24.2系統(tǒng)測試系統(tǒng)測試2 2、測試結果、測試結果（1 1）甲和乙單獨行駛一圈數(shù)據(jù)甲和乙單獨行駛一圈數(shù)據(jù)4.24.2系統(tǒng)測試系統(tǒng)測試（2）第一圈乙超甲數(shù)據(jù)第一圈乙超甲數(shù)據(jù)（3）第第二二圈圈甲甲超超乙乙數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)4.24.2系統(tǒng)測試系統(tǒng)測試（4）第第三三圈圈乙乙超超甲甲數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)4.24.2系統(tǒng)測試系統(tǒng)測試（5）第第四四圈圈甲甲超超乙乙數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)4

22、.24.2系統(tǒng)測試系統(tǒng)測試4.24.2系統(tǒng)測試系統(tǒng)測試3、測試結果分析、測試結果分析 根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)，由此可以得出以下結論：根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)，由此可以得出以下結論： （1 1）甲乙兩車在行駛中速度設置恰當，既不會出現(xiàn)因為車）甲乙兩車在行駛中速度設置恰當，既不會出現(xiàn)因為車速太慢，使小車停機，又不會出現(xiàn)車速太快沖出跑道的現(xiàn)象。速太慢，使小車停機，又不會出現(xiàn)車速太快沖出跑道的現(xiàn)象。 （2 2）甲乙兩車在行駛中不發(fā)生碰撞并準確地實現(xiàn)超車功能。）甲乙兩車在行駛中不發(fā)生碰撞并準確地實現(xiàn)超車功能。 （3 3）甲乙兩車行駛時間是比較理想的甲乙兩車行駛時間是比較理想的，同時，同時本設計中添加了鳴笛功能，當甲乙

23、兩車啟動時，超車時以及到達終點時都以鳴笛作為標志。 綜上所述，本綜上所述，本系統(tǒng)系統(tǒng)達到設計要求。達到設計要求。主主 要要 報報 告告 內內 容容一、題目要求及設計思路簡介一、題目要求及設計思路簡介二、智能小車系統(tǒng)設計二、智能小車系統(tǒng)設計三、系統(tǒng)關鍵問題分析及解決方案三、系統(tǒng)關鍵問題分析及解決方案四、系統(tǒng)實現(xiàn)及測試四、系統(tǒng)實現(xiàn)及測試五、指導教師點評五、指導教師點評2011年全國大學生電子設計競賽年全國大學生電子設計競賽交流報告交流報告指導教師點評指導教師點評 由于沒有參與比賽過程，在這里只能通過訓練過程中對學生的觀察了解和賽后分析對本作品進行點評，并把我們的訓練經(jīng)歷及經(jīng)驗與大家分享！指導教師點

24、評指導教師點評作品優(yōu)點：選用ARM平臺，處理速度快，ARM芯片片上資源多，開發(fā)簡單方便采用步進電機，控制比較精準整車體積小，重心低，行進姿態(tài)穩(wěn)定，操控靈活、可靠用簡單的控制方法完成系統(tǒng)的功能需求 -外邊緣循跡，線路簡單規(guī)整 -只用一種傳感器實現(xiàn)兩車相互位置感知指導教師點評指導教師點評作品不足：僅在兩處對小車進行了位置同步，沒有實現(xiàn)車輛間位置實時同步，對車輛位置的控制依賴于步進電機轉彎控制方法只適用于低速情況，速度稍高，車輛很容 易飛出場地理論分析較少，較多依靠實驗和經(jīng)驗進行控制方法設計指導教師點評指導教師點評-訓練過程回顧訓練過程回顧整隊訓練時間為12個月：2010.9-2011.8參賽人員為

25、經(jīng)過選拔、基礎較好的大三本科生。訓練階段一（2010.9-2011.1）：基本功訓練 該階段主要訓練控制類題所涉及的模塊，根據(jù)學生興趣、特點設計訓練題目，主要培養(yǎng)學生電路、軟件的基本功。軟件方面：軟件方面：強調編程風格，養(yǎng)成良好的編程習慣，熟悉嵌入式ARM編程方法及調試方法硬件方面：硬件方面：訓練學生扎實的電路制作能力，規(guī)范學生在電路制作中的流程、方法，盡量做到常見模塊熟練制作，且能用指導教師點評指導教師點評-訓練過程回顧訓練過程回顧訓練階段二（2011.2-2011.7）：系統(tǒng)設計訓練 該階段以真題訓練為主，培養(yǎng)團隊協(xié)作能力，根據(jù)前段時間訓練情況明確個人分工。 隊伍中三名同學分工如下：1、隊

26、長，負責組織協(xié)調，查閱資料，協(xié)助硬件設計，外協(xié)所需設備、道具等，并督促項目實施；2、硬件設計師，負責系統(tǒng)硬件搭建；3、軟件設計師，負責系統(tǒng)程序編寫。 該階段每月做一道題（以電機控制類為主）。指導教師點評指導教師點評-訓練過程回顧訓練過程回顧訓練階段二參賽隊在此階段完成了以下題目：1、循跡小車2、小車蹺蹺板平衡控制3、聲源引導系統(tǒng)（小車與無線通信）4、小車走迷宮指導教師點評指導教師點評-訓練過程回顧訓練過程回顧訓練階段三（2011.8）：賽前封閉訓練 該階段以模擬比賽進行封閉式訓練，模擬電賽要求出題，每道題要求學生在4天3夜內完成。 該階段學生完全模擬真實比賽，老師不參與設計，只看結果和進行模擬賽后分析，檢查完成情況。 該階段學生完成了以下系統(tǒng)設計：1、電機控制的畫圖儀器2、小車智能壁障與滅火3、溫度控制系統(tǒng)4、交通路口車輛控制系統(tǒng)（模擬檢測交通燈控制車輛行為）指導教師點評指導教師點評-訓練過程回顧訓練過程回顧心得： 執(zhí)行力 + 團隊協(xié)作 + 平時扎實訓練 + 運氣= 滿足題目要求的作品！報告結束，謝謝大家！報告結束，謝謝大家！