《智能小车硬件设计毕业论文doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《智能小车硬件设计毕业论文doc（18页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、智能循迹小车硬件设计摘要:关键词:智能车控制系统目录:总述:第一部分:智能车控制系统概述设计方案模块组成:控制器模块速度检测模块电源电压检测模块路径识别模块 数据显示模块 电动机驱动模块每个模块都由硬件，软件两部分组成，硬件构成基本框架，软件则成为小车的灵魂，驱动小车的按照设计目标运行。按照要求，智能循迹小车系统可由控制部分和信号检测两大部分组成。其中，控制部分有电动机驱动模块，控制器模块，显示模块，而信号检测部分则由路径识别模块，速度检测模块，电源检测模块组成。基本模块方框图如图所示：速度检测模块控制器模块电源电压检测模块电动机驱动模块路径识别模块数据显示模块控制器模块即控制核心模块（MCU
2、）：使用AT89C51单片机，其作用是对其他模块采集到的信号进行相关处理，并发出正确的控制信号，是整个系统中最重要的部分。速度检测模块：对小汽车的速度进行测量，经过A/D-D/A 转换得到单片机能识别处理的数字信号，就可以得到小汽车的速度，从而能够在显示器上显示出来。电动机驱动模块：是小车能够运动的驱动力，通过电动机能够带动小车进行移动，完成规定任务。路径识别模块:利用光电传感器感测黑色路径，按轨道行驶。数据显示模块：是人直接获取小车运行情况的中介，观察显示器的值就可知道小车目前的状态。电源电压检测模块：监测电源电压值，保证小车能够正常运行。主要技术参数：1. 速度：14060 r/min2.
3、 电流：3.29 A3. 扭矩：10.9mN.m4. 路径识别5. 检测精度：4mm6. 数据显示：小车速度，电源电压第二部分硬件电路设计智能循迹小车系统框图首先是硬件系统设计，硬件部分是小车的框架，必须先建立这个骨骼，才能对小车有个整体的把握。硬件系统设计的好坏对小车功能的实现有很大的影响，好的设计可以实现小车按给的轨道运行，正确显示数据，达到要求技术指标等，设计欠佳的系统则无法实现这些功能。按照设计要求，检测精度要达到4mm，且能在专门的跑道上自主识别路线，并按路线行驶，这里就涉及到小车如何通过传感器判断自己是否在跑道上，如果偏离跑道，改如何作出动作才能回到正确的路线上继续行驶，如何将自己
4、的速度值检测出来并反馈给单片机，促使单片机发出控制信号，驱动小车行驶。如果出现了路面干扰，如何消除干扰，如何判断电源的电压是否低于标准值，并实时将电压值在LCD上显示出来等等。微控制器CPU路面检测模块速度检测模块电源电压检测模块电动机驱动模块LCD显示电动机抗干扰模块理想的解决方案： 1. 控制器模块电动机控制系统方框图 单片机AT 89C51路面检测模块速度检测模块电源电压检测模块显示模块电动机驱动模块因为需要完成的功能只需一个单片机即可实现，因此采用AT89C51实现上述模块功能。单片机用来控制电动机驱动，实现小车的循迹行驶，速度控制，速度检测，电压检测等功能。工作时，设计的系统软件与硬
5、件相结合，各子模块与核心控制模块进行通讯。单片机AT89C51外接显示电路，路面检测电路，速度检测电路，电机驱动电路，电源电压检测电路。单片机最小系统及外围电路2. 电动机驱动模块小车前轮安装两个电动机，左右各一个，对称放置，后面安装一个万向轮，这样可以很容易实现小车的前进，左右转弯。当两个电动机都以同样的速度工作时，小车便会直行，如果需要小车左转弯，只需小车右面的电动机运行速度大于左面的电动机速度即可实现小车向左转弯，反之，可以实现向右转弯，具有很快的控制方向功能。直流电动机是一种以直流电压电源工作的旋转电动机，直流电动机有永磁直流电动机，串励和并励直流电动机。1. 直流电动机的单极性和双极
6、性驱动方式直流电动机的驱动有单极性和双极性两种方式。当电动机只需要单方向旋转时，可采用单极性驱动方式，单极性驱动电路如图上面图示的电路有模拟控制器或微控制器的PWM信号控制一个功率MOSFET开关管的导通状态，在电动机两端并联一个续流二极管，功率开关串联在电动机下方（靠近电源地），其栅级驱动应采用低侧栅级驱动器。如果功率开关串联在电动机上方（靠近电源正极），则其栅级驱动应采用高侧栅级驱动器，对于高侧开关，它的栅级驱动需要附加的电平提升电路，股大多数采用低侧驱动方式。该电路因电流通过续流二极管续流，故时间较长，损耗较大，典型应用为小型风机和泵的驱动。为避免因续流二极管续流所带来的时间较长，损耗较
7、大的问题，可采用下图所示的半桥驱动电路快速半桥单极性驱动其中的二极管D1，D2实际上是DOMS管的“体”二极管，在工艺上与DMOS管一起自动生成。这样，无需再附加续流二极管。半桥驱动电路可实现电动机的制动控制，在断开VF1停止对电动机供电的同时，将VF2连续开通，电动机的电动势（EMF）经VF2短路，使电动机制动。此时，如果VF2不是连续开通的，而是PWM控制，则可实现电动机的软控制。当电动机需要正反两个方向旋转时，采用双极性驱动方式。由4个功率开关管组成的H型电路的双极性驱动电路如图 基本H桥电路近年来，直流电动机的结构和控制方式都发生了很大变化，随着计算机进入控制领域，以及新型的电力电子功
8、率元器件的不断出现，使采用全控型的开关功率元件进行脉冲调制(pulsewidthmodulation简称PWM)控制方式己成为主流。这种控制方式很容易在单片机控制中实现。采用专用集成电路芯片可以很方便地组成单片机控制的小功率直流伺服系统。本文选用的驱动芯片是飞思卡尔半导体公司的H桥式驱动器MC33886。其管脚示意图如左图所示，应用电路如右图所示MC33886管脚示意图MC33886应用电路工作特性:(1)5V到40V的连续操作。(2)可以接受TTL或CMOS以及与它们兼容的输入控制信号。(3)PWM控制频率可以达到10kHz。(4)通过PWM的通一断来控制驱动电流的大小。(5)内部设有短路保
9、护，欠压保护电路。(7)内部设有错误状态报告功能。在应用中，为了给小车提供强劲的动力，把MC33886的两个半桥并联来增强驱动能力，但这样做也增加了发热量，带来了散热问题。为防止芯片超过一40-125的正常工作温度而出现故障。按照MC33886参考布线的情况下还安装了散热片。考虑到智能车在直线加速区间的末端可能会遇到突然出现的拐弯区间，智能车设计过程中使用了MC33886的控制电机反转来实现制动。行驶过程中可以通过单片机的控制使直流电机紧急制动。输入状态与输出状态真值表如表所示。3. 路面检测模块路径识别是小车循迹系统最基础的部分，只有路径识别正确，才能将小车下面的路面信息传给单片机，使其发出
10、正确的检测信号，进而完成后续动作。所以，路径识别的好坏直接关系到小车能否精确的按专用路径行驶，影响到系统的控制效果。路径识别常用的一种简单方法就是采用若干个光电传感器，将它们置于小车前方，就可以较快的获取小车前方的路况信息，具有电路简单，处理信息量少等优点。1. 路径识别方案的选择路径识别模块是智能车控制系统的关键模块之一，它将路况的信息传输给主控制模块，路径识别方案的好坏，直接影响着小车的控制效果。在智能车控制系统中，小车有多种寻迹方案。包括光电传感器寻迹方案，单独采用摄像头寻迹方案以及摄像头寻迹与光电传感器寻迹结合在一起的寻迹方案。下面依次具体介绍几种寻迹方案。所谓摄像头寻迹，就是通过摄像
11、头把智能车前面的路径信息传输到控制系统，来进行路径识别的一种寻迹方法。摄像头有面阵和线阵两种。它的优点是可以更远更早地感知赛道的变化，但是硬件电路比较复杂，信息处理量大，如何对摄像头一记录的图像进行分割和识别，加快处理速度是摄像头方案的难点之所谓光电传感器寻迹方案，即路径识别电路由一系列发光二极管、接收二极管组成，一个发光二极管和一个接收二极管构成一对，这也相等于摄像头的一个像素。由于赛道中存在轨迹指示黑线，落在黑线区域内的光电二极管接收到的反射光线强度与白色的赛道不同，由此判断行车的方向。光电传感器寻迹方案的优点是电路简单、信号处理速度快。基于两种方案的优缺点，以及智能汽车控制核心AT89C
12、51的处理速度和内部资源，本文采用了光电传感器的设计方案。2. 红外传感器的硬件设计红外传感器的硬件设计主要包括以下几个方面:红外传感器布局、红外管间隔、径向探出距离。(1)红外管布局的设计“一”字型布局“一”字型布局是传感器最常用的布局形式，即各个传感器都在一条直线上，从而保证纵向的一致性，使其控制策略主要集中在横向上。如图 (a)“V”字型布局“V”字型布局，从横向来看与一字型类似，但它增加了纵向的特性，从而具有了一定的前瞻性。将中间两传感器进行前置的主要目的在于能够早一步了解到车前方是否为直道，从而可以进行加速。如图 (b)“W”字型布局对于智能车能否顺利跑完全程，最重要的一点是过弯道，
13、特别是通过比较急第三章智能车系统硬件电路设计的弯道的能力。因此为了能够更早地预测到弯道的出现，还可以将左右两端的传感器进行适当前置，从而形成“w”型布局。如图 (c)总之，各种排列方式都有一定的特点，只要与合适的控制算法相匹配，都会有起到理想的控制效果。本文采用了“一”字型排列。（a）“一”字型 (b)“V”字型(c)“W”字型红外传感器布局示意图(2)传感器间隔的设计各个传感器的布局间隔对智能车行车有一定的影响的。根据设计要求，中间黑线(导引线)的宽度为30mm，如果间隔过大，还会出现另一种情况，即在间隔之间出现空白。在设计中红外管的间距小于黑色导引线的宽度，从而使红外更容易感应到黑线，有利
14、于车与赛道偏移距离的判断。在设计中采用红外管间隔为20mm。按设计要求：小车的宽度不能超过100mm，为了检测较宽的横行信息，最终安装了7个红外传感器。最终的红外传感器排列的正面图如图所示。红外传感器排列正面图（3）径向探出距离的设计本设计中对路径检测精度要求较高，可采用5个光电传感器置于小车前方（超出小车的车头），成“一”型，将光电传感器置于小车前方，超出小车车头是为了增加径向探出距离，从理论上讲，径向探出距离越大即传感器超出小车车头的距离越大，越有利于尽早的预测小车即将通过的路径，早点将此信息传递给单片机，作出相应的调整，发出正确的控制信号，从而改善小车的性能，因此从理论上讲，径向探出距离
15、是越大越好。但从实际出发，增加径向探出距离会使光电传感器位于小车前方，必然会使小车的重心前移，如果小车本事的重量较轻的话，势必会影响到小车自身的平衡性，严重影响小车在行驶过程中的稳定性能，当然不会得到理想的控制效果的。实际安置时，可以根据小车整体的重量合理安置光电传感器。此外，在采取合理的安置光电传感器方案后，还可以将传感器的探头向下倾斜安置，这样做会比垂直安置光电传感器更能获得较大的径向探出距离，是一种行之有效的方法如图所示小车车身光电传感器探头小车的路线检测部分是整个小车最重要的，就如同人的眼睛,故采用的是单光束红外光电传感器RPR221，因为红外线具有很强的反射能力，采用专门的红外接收和发射一体的传感器可以有效的防治可见光和相邻传感器之间的干扰。
