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1、科技创新（3）设计报告小车自动走迷宫小组编号：G04小组成员：侯阳阳（组长），周鸿斌，金源，祝文鑫成员信息班级学号分工情况联系方式侯阳阳F06030095060309328组长，负责编写一部分程序和最终调试工作周鸿斌F06030095060309330负责小车程序的大部分与最终调试金源F06030095060309334参与调试，负责了报告的主要撰写工作jin_祝文鑫F06030095060309345参与调试，负责了报告网页版的主要制作2008年7月5日小车自动走迷宫摘要： 我们本次实验本来采用周立功公司提供的MicroMouse102 电脑老鼠，为美国LuminaryMicro 公司生产的
2、32 位ARM CortexM3处理器LM3S102，后来由于芯片被锁只能求其次，采用芯片LM3S101，来控制和检测红外传感器；主CPU 根据检测到的传感信号，控制电机驱动电路调整行走路径；小车在迷宫行进的过程中，会自动蔽障、选择路线，直到到达终点。关键词： 电脑鼠，走迷宫，迷宫算法目录1 项目介绍42 功能概述43 具体方案设计43.1 系统总体方案设计43.2小车系统硬件53.2.1 小车车体53.2.2 小车控制器模块53.2.3 电源模块53.2.4 稳压模块63.2.5 电机驱动模块63.2.6 车速检测模块73.3 反射式红外线传感器83.3.1 反射式红外线传感器设计方案93.
3、3.2 一体化红外接收头工作原理103.3.3 检测障碍物的软件设计103.4 迷宫挡板检测113.4.1 原理分析113.4.2 调制信号产生123.4.3 抗干扰处理133.5 软件设计及调试过程133.5.1 万事开头难133.5.2 起步143.5.3 速度控制143.5.4 中断163.5.5 路况检测173.5.6 路线选择184 我们的完成情况205 心得体会与致谢201 项目介绍所谓电脑鼠是指由微控制器、前视距离探测器、车轮编码器和驱动机构等组成的一个综合的系统；其中微控制器加上程序就相当于脑袋，前视距离探测器相当于眼睛，驱动机构（车轮编码器）相当于腿。本项目要实现的是用电脑鼠
4、找出迷宫中通往终点的最短路径并以最快速度到达迷宫的终点。由于芯片本身问题，容量有限，我们设计的“电脑鼠自动走迷宫”这一套系统主要是让小车自主的从迷宫的入口走到出口，根据红外线来判断可行进的路线，并根据多次地判断来确定走出迷宫的路线。在这一过程中，小车通过前、左、右三个红外线模块实现对周围障碍物的实时测距来实现避障功能。2 功能概述小车的主要功能可以分为电机调速及转向功能，走直线功能，红外传感器测障碍，并且根据所检测的所处情况来控制小车行进。电脑鼠每走10 个脉冲（测速传感器检测黑白码盘的脉冲输出）就做一次同步。即先走完10 个脉冲车轮的等待另一个轮也走完10 个脉冲后再一起启动。如果电老鼠运动
5、轨迹不是一条直线，则有可能是测速传感器漏掉了脉冲，请调节传感器和车轮的安装位置。Micromouse102 共有三对调制反射式红外线传感器，如果在发射和接收正对的方向的一定距离范围内存在障碍物，则有相应的LED 点亮，一共有五个LED。在程序里各个指示灯的含义如下：D7：点亮表示左边存在挡板，熄灭表示左边没有检测到挡板；D5：点亮表示电老鼠太靠近左边挡板，熄灭表示左边不会碰到挡板；D4：点亮表示前方存在挡板，熄灭表示前方不存在挡板；D2：点亮表示电老鼠太靠近右边挡板，熄灭表示右边不会碰到挡板；D1：点亮表示右边存在挡板，熄灭表示右边没有检测到挡板。如果要改变传感器的探测距离范围，可以调节可调电
6、阻R11，R17，R21。他们分别调节左，前，右的测试距离范围。3 具体方案设计3.1 系统总体方案设计 我们将系统分为电机模块、小车控制模块、红外线模块这三大模块。其中小车控制模块包括小车以及轮胎上的红外对管模块。 MicroMouse102 电脑老鼠系统方块图： 驱动机构 +车轮编码器微控制器Lm3s101 前视距离红外探测器按键与显示(5个LED)3.2小车系统硬件3.2.1 小车车体我们采用的电脑鼠是主要由一块上面嵌有芯片和控制电路以及电池盒的圆形电路板，左右两侧各有一只轮子，前方和轮子内侧共有5对红外发射接受器，分别用于障碍判断和行进距离计数。3.2.2 小车控制器模块控制器模块采用
7、的是采用美国LuminaryMicro 公司生产的32 位ARM CortexM3处理器LM3S101。该芯片可以满足我们的基本需要，但片上资源很少，不易扩展性。3.2.3 电源模块电脑鼠的电源采用4 节1.5V 的5 号电池供电，电源插座为2.54-2T 型插座，如图所示。3.2.4 稳压模块升压芯片采用Sipex 公司的低静态电流、高效率的升压芯片SP6641A，升压电路如图所示。输入电压3.3V，输出电压5V。3.2.5 电机驱动模块电机采用直流减速电机，最高输出转速为800 转/分钟，工作电压为DC3V。电机驱动电路采用专用的单相直流电动机桥式驱动芯片，如图所示。TA7291S 是TO
8、SHIBA 公司生产的单相直流电动机桥式驱动芯片，工作电压420 伏，最大输出电流400mA。电动机驱动由输入端IN1 和IN2 控制，控制方法如表所示。注：电机的正转和反转与OUT1 和OUT2 与直流电机的接线有关，这里主要是相对的。 3.2.6 车速检测模块对于小车的车速检测及距离确定的一般原理是这样的：小车的行驶过程是一个连续的时间过程，它的时间、路程、速度都是连续的。我们用t表示时间，S表示路程，表示瞬时速度，那么它们的数学定义为：，小车的平均速度为： 。将上面的式子离散化，假设在一个很短的时间t内小车行驶了S的路程，则小车的即时速度 。直接得到小车的速度的传感器很难实现，但是小车行
9、驶的距离是容易测量的，因为车轮在行驶的过程中一直在旋转。假设车轮的周长为L，在时间t内转动了N圈，则小车行驶的距离为：S=NL。在实际过程中，我们需要把车轮的转动信息转换成电信号，就是使用速度传感器得到脉冲信号。如果小车转动一周得到一个信号，则很显然的，距离测量的最大误差就是车轮的周长。因此，我们有必要在车轮转动一周的过程中得到尽可能多的计数脉冲。假设在车轮转动一周的过程中均匀地得到m个脉冲信号，那么距离测量的最大误差就变为L/m，如果在时间t内得到的计数脉冲为N个，那么小车行驶的距离为：。 因此，在小车的速度和距离的检测过程中最需要知道的就是车轮旋转时产生的脉冲个数。速度传感器有多种，我们采
10、用的是反射式光电传感器。原理如下：由发射管TX发射的红外线经被检测物表面反射，反射光被接收管RX接收，接收管将接收的红外线信号转换成电信号。被检测物表面的光滑程度和表面颜色影响反射光的强弱，反射面越不光滑，颜色越暗，则反射光越弱。在这里，我们就是要利用它对颜色敏感的特点，当检测物表面为黑色时，反射光很弱，接收端检测到的光线可以忽略，使接收端呈现一种状态，例如开关管截止；当被检测物表面为白色时，反射光强烈，发射端发射的红外线被接收端全部接收，使接收端呈现另一种相反的状态，例如开关管开通。这两种相反的状态表现在电路中，就是高低电平组成的脉冲信号。在我们的系统中，每个轮子外表面涂上了黑白相间的条纹，
11、每个反射式光电传感器由一个IO口来得到脉冲信号。通过前面叙述的原理，我们就可以算出小车的速度和行走的距离。当然这个速度和距离存在着误差，这个误差在我们的系统中是允许的。检测电路中，红外发射与接收管正对着黑色边时，PULSE 输出高电平；正对着白色边时，PULSE 输出低电平；从黑色边到白色边，PULSE 输出一个下降沿信号；从白色边到黑色边，PULSE 则输出一个上升沿信号。LM3S101 单片机可以检测输出脉冲的下降沿信号判断车轮转到的角速度，当检测到12个下降沿信号时，轮子转动了一圈。电路如图所示：3.3 反射式红外线传感器 3.3.1 反射式红外线传感器设计方案反射式红外传感器探测障碍物
12、的原理参见图所示，发射管与接收管平行同向安装，接收管只能接收到发射回来的红外线信号。发射管向外发射红外线后，如果在有效距离范围内存在反射表面，则反射回来的信号将会被检测到。如果不存在反射表面或则反射表面距离太远，接收传感器将不能检测到信号。方案一：不调制的反射式红外发射-接收器。由直流电直接驱动红外管发光，这样电路简单，成本较低。但由于所有物体只要温度高于零摄氏度，都会向外发送红外线，且太阳光和日光灯中最强，所以该很容易受到外界干扰。驱动电路如图所示。方案二：脉冲调制的反射式红外发射-接收传感器。考虑到环境干扰主要是直流分量，如果采用带有交流分量的调制信号，在平均电流不变的情况下，瞬时电流可以
13、很大，这样也大大提高了信噪比，可以有效避免外界环境变化对系统检测精度的影响。电路原理图如图2.3 所示，由可调电阻R1，红外线发光管D1 和三极管Q1 构成的电路为红外线发射电路。R1 可以调节红外线发光管的发光强度，Q1 起驱动作用。在接收电路中，U1 为一体式红外线接收传感器IRM8601S，它内部集成自动增益控制电路、带通滤波电路、解码电路及输出驱动电路。但由于它是开漏输出，所以输出端需接一个上拉电阻，见图中的R3。其中R2 是限流电阻，C1 滤出电源高频干扰。3.3.2 一体化红外接收头工作原理一体式红外线接收传感器IRM8601S，它内部集成自动增益控制电路、带通滤波电路、解码电路及
14、输出驱动电路。当连续收到38KHz 的红外线信号时，将产生脉宽10ms 左右的低电平。如果没有收到信号，便立即输出高电平。如图所示，Send 为发射控制端，高电平时发射38KHz 的红外信号。Out 为接收输出端，低电平表示收到信号。3.3.3 检测障碍物的软件设计根据接收头是否检测到经过反射的红外线信号，就可以判断是否存在障碍物。由于接收头检测到信号时只产生一个负脉冲，所以只需要在检测时使能红外线发射，一次检测结束后使能无效，程序设计参考流程图如图所示。3.4 迷宫挡板检测3.4.1 原理分析Micromouse 中文名为“电脑鼠”，电脑鼠在迷宫中行进时是靠侦测路面情况前进的。它的左右传感器不但要检测是否存在支路（没有挡板就是一条支路）还要避免和挡板碰触。因此电脑鼠每一侧在正常情况就需要两组红外传感器，一组检测稍微远一点的距离，判断是否存在支路，一组检测稍微近一点的距离，判断是否即将碰触挡板。由此看出，电脑鼠每侧都需要两组传感器，但是如果只用一组传感器来完成两个参数的检测是否可行呢？我们知道，如果使用非调制的普通红外接收头，就可以根据接收到的信号的强弱来计算距离，可是非调制的抗干扰差，但是如果使用调制的一体化接收头，检测信号输出的是数字信号，
