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1、
智 能 避 障 小 車
系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì)
學(xué)科： 新技術(shù)專題
班級： --------
姓名： - - -
學(xué)號： 17號
指導(dǎo)教師： ----
電 氣 信 息 工 程 學(xué) 院
一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述
通過飛思卡爾智能車競賽的學(xué)習(xí)和啟發(fā)，本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一款具有自動(dòng)避障運(yùn)行功能的智能小車，通過光電開關(guān)和超聲波測距模塊配合識別前方是否有障
2、礙物，如果遇到障礙物則通過舵機(jī)改變行駛方向。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用PID閉環(huán)控制，可以達(dá)到速度穩(wěn)定、快速、準(zhǔn)確的控制，使智能小車能夠及時(shí)制動(dòng)和恒速運(yùn)行。
本設(shè)計(jì)報(bào)告針對傳感器信號處理設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)、控制算法等方面進(jìn)行重點(diǎn)闡述。
二、總體系統(tǒng)構(gòu)想框圖
MC9S12XS128
（主控芯片）
超聲波模塊
測速模塊
電池
7.2V
穩(wěn)壓
模塊
撥碼開關(guān)
無線
LED
蜂鳴器
人機(jī)接口
傳感器部分
電源部分
電機(jī)驅(qū)動(dòng)
舵機(jī)
執(zhí)行機(jī)構(gòu)
電機(jī)
5V
光電開關(guān)
本設(shè)計(jì)中
3、智能避障小車的體系結(jié)構(gòu)如上圖。根據(jù)功能不同，避障小車的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大致包括傳感器、控制、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、人機(jī)接口和電源五大部分。
1.傳感器部分
負(fù)責(zé)感知外部世界的環(huán)境信息和車模自身的狀態(tài)信息，為小車完成路況判斷和實(shí)現(xiàn)小車的運(yùn)動(dòng)控制提供所需的信息。傳感器部分包括光電開關(guān)、超聲波測距模塊和編碼器測速模塊三個(gè)子模塊。
2.控制部分
分析傳感器數(shù)據(jù)，提取路況信息，運(yùn)行控制算法，向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出動(dòng)作信號，控制賽車朝無障礙方向行駛。控制部分主體是16位單片機(jī)MC9S12XS128。
3.執(zhí)行機(jī)構(gòu)
負(fù)責(zé)執(zhí)行動(dòng)作信號，實(shí)現(xiàn)車的前進(jìn)、變速和轉(zhuǎn)向。執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括電機(jī)和舵機(jī)以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。
4.人機(jī)接口
實(shí)現(xiàn)
4、模式和參數(shù)選擇、狀態(tài)指示、實(shí)時(shí)監(jiān)控以及數(shù)據(jù)存儲等人機(jī)交互功能，包括撥碼開關(guān)、LED、蜂鳴器、無線等模塊。
5.電源部分
負(fù)責(zé)向各部分提供合適的電源，包括電池和穩(wěn)壓模塊
三、核心傳感器模塊
1、超聲波測距模塊
超聲波模塊采用目前比較常用的URM37超聲波傳感器
默認(rèn)是232接口，可以調(diào)為TTL接口,URM05大功率超聲波
傳感器測試距離能到10米，算是目前來說測試距離比較遠(yuǎn)的一款。
功能應(yīng)用：超聲波測距模塊通過超聲波發(fā)收的時(shí)間差計(jì)算得前方
障礙物的距離，作為車體前方主要測距模塊判斷前方路況。
（超聲波實(shí)物參考圖）
5、
2、光電傳感器
光電開關(guān)是傳感器的一種，它把發(fā)射端和接收端
之間光的強(qiáng)光電開關(guān)弱變化轉(zhuǎn)化為電流的變化以
達(dá)到探測的目的。它所使用的冷光源有紅外光、
紅色光、綠色光和藍(lán)色光等，可非接觸，無損
傷地迅速和控制各種固體、液體、透明體、黑體、
柔軟體和煙霧等物質(zhì)的狀態(tài)和動(dòng)作。具有體積小、
功能多、壽命長、精度高、響應(yīng)速度快、檢測距
6、
離遠(yuǎn)以及抗光、電、磁干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。
功能應(yīng)用：由于光電開關(guān)相比沒有超聲波測距遠(yuǎn)，
作為兩側(cè)輔助測距模塊，增大對障礙物探測的范圍。
3、編碼器測速模塊
光電編碼器實(shí)現(xiàn)測速，光電編碼器可以
分為增量式光電編碼器和絕對式光電編碼器。
增量式光電編碼器可以輸出正比于轉(zhuǎn)速的脈沖，
記錄單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)就可以間接測取實(shí)時(shí)速度。
（編碼器實(shí)物參考圖）
功能應(yīng)用：本設(shè)計(jì)采用歐姆龍E6A2-CWZ3光電編碼器作為速度傳感器，安裝在車尾與傳動(dòng)齒輪嚙合，使用與電機(jī)相同齒數(shù)的齒輪，相當(dāng)于直接測得電機(jī)的轉(zhuǎn)速。
四、主控芯片
控制模塊主體是單片機(jī)MC
7、9S12XS128最小系統(tǒng)，主要包括時(shí)鐘、旁路電容、電源接口、燒錄和調(diào)試接口、I/O接口等。
（單片機(jī)最小系統(tǒng)參考圖）
MC9S12DG128 微控制單元作為MC9S12 系列的16位單片機(jī)，由標(biāo)準(zhǔn)片上外圍設(shè)備組成，包括16位中央處理器、128KB的Flash 存儲器、8KB的RAM、2KB的EEPROM、兩個(gè)異步串行通信接口、兩個(gè)串行外圍接口、一組8通道的輸入捕捉或輸出捕捉的增強(qiáng)型捕捉定時(shí)器、兩組8 通道10 路模數(shù)轉(zhuǎn)換器、一組8通道脈寬調(diào)制模塊、一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)鏈路控制器、29路獨(dú)立的數(shù)字I/O接口、20路帶中斷和喚醒功能的數(shù)字I/O 接口、5個(gè)增強(qiáng)型CAN總線接口。同時(shí)，單片機(jī)內(nèi)
8、的鎖相環(huán)電路可使能耗和性能適應(yīng)具體操作的需要。
五、執(zhí)行機(jī)構(gòu)
執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電機(jī)和舵機(jī)。舵機(jī)直接由單片機(jī)輸出的PWM信號控制；電機(jī)驅(qū)動(dòng)使用H全橋電路，見下圖：
（H全橋電路原理圖）
六、電源模塊
智能避障小車各不同部分需要不同電壓的電源，因此需要對每一部分做單獨(dú)的穩(wěn)壓處理。電磁車的電源部分設(shè)計(jì)如下圖所示：
（電源分配圖）
六、系統(tǒng)控制流程及PID算法設(shè)計(jì)
跟蹤控制程序包括舵機(jī)控制和電機(jī)控制兩部分，主要使用增量式PID控制。
（避障小車控制框圖）
1.舵
9、機(jī)控制
舵機(jī)控制就是小車的方向控制，以小車車體為參考系，控制前輪轉(zhuǎn)向，始終朝無障礙物的方向行駛，即期望方向。光電開關(guān)及超聲波感器獲取前方路況信息，以前方障礙物的距離作為偏差用于增量式PID計(jì)算，得出控制舵機(jī)的PWM波占空比；舵機(jī)驅(qū)動(dòng)前輪，控制賽車運(yùn)動(dòng)，使小車用適當(dāng)?shù)慕嵌燃皶r(shí)變向。根據(jù)增量式PID算法公式：
公式(3-1)
設(shè)計(jì)舵機(jī)控制程序核心語句如下：
Pdu = PKp *( Pe - Pe1 ) + PKi * Pe + PKd * ( Pe - 2 * Pe1 + Pe2 ) ;
Pu = Pu + Pdu ;
其中Pe、Pe1、Pe2是行駛方向偏差，Pu是舵機(jī)對應(yīng)的PW
10、M通道占空比寄存器值，Pdu是Pu的增量。
2.電機(jī)控制
電機(jī)控制就是小車的速度控制，其期望速度來源于速度規(guī)劃環(huán)節(jié)。
expspeed = Vmax – SPKp * fabs( Pe ) ;
其中Vmax為設(shè)定的電機(jī)最大速度，它減去位置偏差Pe的倍數(shù)作為期望速度。也就是說，偏差越小，期望速度越大；偏差越大，期望速度越小。速度傳感器獲取電機(jī)實(shí)際速度；期望速度與實(shí)際速度的偏差用于增量式PID計(jì)算，得出控制電機(jī)的PWM波占空比；電機(jī)驅(qū)動(dòng)將PWM信號功率放大，驅(qū)動(dòng)電機(jī)，控制小車車速度等于期望速度。根據(jù)以上公式設(shè)計(jì)電機(jī)控制程序核心語句如下：
Vdu = VKp *( Ve - Ve1 ) + VKi * Ve + VKd * ( Ve - 2 * Ve1 + Ve2 ) ;
Vu = Vu + Vdu ;
其中Ve、Ve1、Ve2是偏差值及其歷史值，Vu是向電機(jī)驅(qū)動(dòng)對應(yīng)的PWM通道占空比寄存器值，Vdu是Vu的增量。
智能避障小車系統(tǒng)
