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1、摘要 自主反应式智能系统是一种应用广泛的控制系统。对电路的分析和验证工 作依靠智能化来完成，效率高。因此它的研究与开发是一项非常有意义的工作。 本小车以 MSP430 超低功耗单片机为核心，在 SHARK 二型小车的基础上研究 小车避障寻迹的设计和实现方法，完成障碍检测、避障、寻迹功能。充分运用了 430 单片机的功能。本论文介绍了智能小车的机械结构及相应的硬件电路和实现 算法。 在机械结构上， 对普通的小车作了改进， 即用一个万用轮来代替两个前轮， 使小车的转向更加灵敏。利用反射式红外传感器来寻迹、红外一体化接收头来检 测障碍物的位置，通过改变单片机产生的 PWM 方波的占空比，使其能在设计
2、范围 内可实现任意角度黑线和任意角度移动，还可以实现避障的功能。在算法上， 利 用矢量分解法、PID 算法等对小车的运行进行控制并能有效的改善其运行轨迹。 关键字：MSP430寻迹避障PWM Abstract Independences responding type intelligence system is a kind of applied extensive control system. Analyzing electric circuit and verifying a work depends on the intelligence to complete, its effic
3、iency is high. So its research and development is a very meaningful works. With the core of 430microcomputer and at the foundation of SHARK, the No.3 small car can complete an obstacle examination, avoiding stumbling block and looking for vestige function, making full use of 430microcomputer. This t
4、hesis introduced machine structure, homologous hardware electric circuit and the calculate way of the intelligence small car .Making improvement to the common car on the machine structure, we use a perfect wheel to make the car turning more easily. And we use some sensors to look for vestige and avo
5、id stumbling block. By change the empty ratio of PWM, the car canarbitrarilymove with any angle of the black line within the scope of the design. On the calculate way, we use vector decomposition method、PID to control the car and improve its track. Key word: MSP430looking for vestigeavoiding stumbli
6、ng blockPWM PID 目录目录 第一章第一章绪论绪论1 第二章第二章各部件的工作原理各部件的工作原理.3 2.1前轮（导向轮）.3 2.2电机.4 2.3反射式红外传感器 5 2.4红外一体化接收头 6 第三章第三章硬件电路硬件电路 11 3.1电机驱动电路11 3.2反射式红外传感器电路.13 3.3红外一体化接收头电路.14 3.4 处理器电路.16 第四章第四章电路原理图电路原理图19 第五章第五章控制算法控制算法 21 5.1黑线位置判别.21 5.2巡线算法.21 5.3搜线算法.23 5.4障碍物位置判别23 5.5转弯控制.25 5.6 迷宫探路控制 26 第六章第六章
7、 相关软件相关软件.29 第七章第七章 总结总结.35 7.1 本文总结.35 7.2 进一步的工作 35 致谢致谢.37 参考文献参考文献.39 附录一附录一.41 附录二附录二.42 第一章绪论 当今社会，科学技术日新月异，时代前进的步伐越迈越宽，应用自动化设 备,计算机处理,现代化通讯,数字化信息,现代化显示设备等高新技术而建立的 现代化智能,监控等系统已经得到充分的发展与应用,智能机器人也就应运而生。 同时， 在建设以人为本的和谐社会的过程中， 智能服务机器人能够完成考古发掘， 海底揭密，宇宙探索等危险作业，以保证人身安全。 国家中长期科学和技术发 展规划纲要一文指出：智能服务机器人是
8、在非结构环境下为人类提供必要服务 的多种高技术集成的智能化装备。 以服务机器人和危险作业机器人应用需求为重 点，研究设计方法、制造工艺、智能控制和应用系统集成等共性基础技术。重点 研究低成本的自组织网络，个性化的智能机器人。20062020 年，既是国家中 长期技术发展计划实现阶段，也是我们最具有活力和最激情洋溢的时段。 该智能小车模型是一辆由 PCB 和车体拼装的小车。所有的机械结构和零部件 都安装固定在电路板上。因此完全不需要机械加工，非常适合实验阶段机器人的 研制。 本文简述了智能巡线避障小车自主走迷宫的设计思路和实现过程。包括小 车的机械结构、电路、软件、控制算法、调试方法等。可作为一
9、般的设计参考。 小车的左右轮分别由 2 只舵机提供动力,作为驱动轮和导向轮使。 430 单片机 的 PWM 发生器产生 2 路（分为两组）占空比可变的方波，经三极管进行扩流后分 别驱动左右舵机。控制 2 路 PWM 的比例，不仅可以调节小车向前运动的速度， 还 可通过 2 路 PWM 占空比的差异，改变小车运动方向。 5 只反射式红外传感器位于小车前下方，用于查找黑线位置并且实现寻迹。 小车前端还分布有 3 个红外一体化接收头，实现避障并完成走迷宫。 第二章第二章各部件的工作原理各部件的工作原理 2.1驱动轮（导向轮） 前轮亦为驱动轮,其决定小车能否灵活拐弯的关键部分。这辆小车和汽车不 同，不
10、是靠摆舵来控制转弯，而是靠左右后轮速度差来实现转弯控制。 图为小车的仰视图(未画出传感器)。小车的两前轮是靠舵机进行驱动的。通 过两路 PWM 波实现对其的控制。只要调整 PWM 波的占空比即可控制舵机的转速。 当小车左轮的速度高于右轮时，小车右转弯；反之，当小车右轮的速度高于左轮 时， 小车左转弯。 小车后轮属从动轮，质地较硬，其与地面磨擦力较小，与其动力相比可以忽 略不记。所以它可以自由偏移，而不影响小车的转向. 2.2舵 机 舵机是一种位置伺服的驱动器。它接收一定的控制信号，输出一定的角度， 适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。在微机电系统和航模中， 它是一个基本的输出执行机
11、构。 准的舵机有 3 条导线，分别是：电源线、地线、控制线，如图所示。 电源线和地线用于提供舵机内部的直流电机和控制线路所需的能源电压通 常介于 46V， 一般取 5V。 注意， 给舵机供电电源应能提供足够的功率。 控制 线 的输入是一个宽度可调的周期性方波脉冲信号， 方波脉冲信号的周期为 20 ms(即 频率为 50 Hz)。当方波的脉冲宽度改变时，舵机转轴的角度发生改变，角度变 化与脉冲宽度的变化成正比。 2.3反射式红外传感器 反射式红外传感器ST188采用高发射功率红外广电二极管和高灵敏度光电晶 体管组成。检测距离可调整范围为 415mm；采用非接触检测方式。可用于 IC 卡电度表脉冲
12、数据采集、集中抄表系统数据采集和传真机纸张检测等。 图 2.4反射式红外传感器工作原理 反射式红外传感器中包含一个发射器 LED 和一个光探测器 （光敏二极管光 敏三极管） 。着两个元件被封装在同一个塑料壳体中，并且排列成适合他们工作 的理想位置。LED 发出的一束光被一个表面反射后又回到探测器中。 图 1.4 是反射式红外传感器的工作原理图。封装在矩形壳体中的是发射器 LED（由左侧的白色方块表示）和探测器装置（在右侧） 。虚线表示光线从发射器 LED 中发出并反射回探测器；探测器检测到的光强大小取决于物体表面的反射 率，而这一光强就是传感器的输出值。 如图所示，选通信号（高电平）经过三极管
13、扩流后送到传感器的 K 脚，如果 检测到黑线，传感器 C 脚输出高电平；否则输出为低电平。 图 2.5反射式红外传感器及其检测距离与转换效率的关系图 反射式传感器在高度受控的理想环境下的工作性能更好，因为影响它输出的 外界因素有很多，如环境光的变动、传感器与被探测物体之间的距离，以及被探 测物体的反射率等。为了减少环境光的干扰，首先需要调整传感器的方位使环境 光不能直接射到探测器。 反射式红外传感器 ST188 的最佳探测距离为 6-14mm。 所以将传感器垂直于地 面并且调整传感器与地面的距离，大约在 10mm 左右。 2.4红外一体化接收头 电视机、唱机等家电中广泛使用红外线遥控器。红外遥
14、控器发出 38KHz 调制 的红外线，在接收端，被一体化红外接收头接收，解调出原始键码值。 因为红外遥控使用广泛、成熟、大批量，所以相关红外接收、发射元件价格 很低。本方案使用通用遥控器的一体化红外接收头作为检测元件。 图 2.7一体化红外接收头工作原理 一体化接收头内部集成有带通滤波器，它只允许大约 38 kHz 的红外信号通 过。 这种仅对 38KHz 敏感的特性， 有助于消除环境光对遥控器接收的影响。 如图， 当红外线发射管 IR LED）发出的 38KHz 的红外线被一体化接收头接收时，接收 头输出“0” 。当没有侦测到红外线，或非 38KHz 红外线（如日光灯干扰） ，输出 “1”
15、。 第三章第三章硬件电路硬件电路 3.1舵机驱动电路 此部分是整个小车的大脑，是整个小车运行的核心部件，起着控制小车所有 运行状态的作用。通常选用单片机作为小车的核心控制单元。这里选用 MSP430F425 单片机. 考虑到小车必须能够前进、倒退、停止，并能灵活专性， 在左右两轮各装一个舵机分别进行驱动。 当左轮电机转速高于右轮电机转速时小 车向右转，反之则向左转。为了能控制车轮的转速，左右两轮的转速，可以采取 PWM 调速法，即由单片机的 TA1 和 TA2 输出一系列频率固定的方波，再通过功率 放大来驱动舵机，在单片机中编程改变输出方波的占空比，从而可以改变电机的 转速。 左右两轮两个电机
16、转速的配合就可以实现小车的前进、 倒退、 转弯等功能。 驱动电路如图: 需要注意的是：被二极管分流到电源两端的电力将造成主板电压的瞬变或噪 声。更严重的是当采用 PWM 信号控制电机时，每次关断都会产生这种影响。如果 导通三极管又重新开启，同时反向电动势电流仍然存在，结果三极管将直接导通 电源正极和地。这一现象时间的长短取决于续流二极管的关断时间。这一电流称 作过冲电流，它同样会产生噪声。因此需在离接口慢近的地方加一旁路电容来消 噪。旁路电容的作用是平滑电流脉动和电源电压的瞬变。当电压出现尖峰时， 电 容将迅速地吸收这一能量，从而使电压保持恒定。当电压降低时，电容将向电路 中回馈能量，从而使电压有所回升。 经试验验证，从单片机出来的 PWM 电压大约在 3.5V 左右，加到舵机两边最 多只有 3V，这远远低于其耐压，因此转速也很慢，稍有摩擦就转不动了。因此 需要再增加两个三极管来进行扩流，还可以起保护单片机的作用。 3.2反射式红外传感器电路 这里的寻迹是指小车在白色地板上寻黑线行走， 通常采用的方法是红外探测 法。 即利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的
