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1、2011年全国大学生电子设计竞赛智能小车（C题）【本科组】2013年7月26日摘 要 本系统采用2片STM单片机STM32作为核心处理芯片设计了两辆履带车。通过红外线传感器识别不同的黑线标记，实现小车在轨道内正常行驶，超声波传感器用于保持两小车在超车前的距离，并保证正常行驶时，两车不相撞。用NRF2401进行两小车通信；电动车采用直流减速电机履带车，性能稳定，控制精度高。采用模糊控制算法建立小车转向模糊控制表，小车行进中查询模糊表来完成赛道行驶任务。并添加了蜂鸣器及闪光二极管的声光提示。关键字：STM32 红外线传感器 超声波传感器 NRF2401 模糊控制 Abstract The syst
2、em uses 2 STM microcontroller STM32 as the core processing chip design two car. Through the black mark infrared sensors to identify different, car driving normally in orbit, the ultrasonic sensor is used to keep two car in the overtaking distance, with the NRF2401 two car communication; electric veh
3、icles use DC motor speed tracked vehicle, stable performance, high control precision. Fuzzy control algorithm to build the car steering fuzzy control table, moving car in fuzzy query table to complete the track running tasks. Adding voice broadcast module, voice broadcast and recording.Keywords: STM
4、32 infrared sensors ultrasonic sensors NRF2401目 录1系统方案11.1 主控制器的论证与选择1 1.2 路径检测模块的论证与选择1 1.3 电机的论证与选择2 1.4 驱动模块的论证与选择2 1.5 测距通信模块的论证与选择2 1.6 显示模块的论证与选择22 系统理论分析与计算2 2.1 模糊控制器的分析2 2.2通信定点的分析3 2.3 超车距离的计算33电路域程序设计4 3.1电路的设计4 3.1.1系统总体框图4 3.1.2 路径检测子程序框图与电路原理图4 3.1.3 L298驱动子程序框图与电路原理图5 3.1.4 电源系统63.2程序
5、的设计6 3.2.1程序功能描述及设计思路6 3.2.2程序流程图64 测试方案与测试结果8 4.1测试方案8 4.2测试条件与测试仪器9 4.3测试结果及分析94.3.1测试结果（数据）9测试分析与结论95 设计总结106 参考文献10附录1：元器件清单11 智能小车（C题）【本科组】1系统方案 本系统主要由主控制器模块、路径检测模块、测距模块、驱动模块、声光提示模块、电源模块组成，根据题目要求，系统主要实现功能是甲乙两车在已给出的跑道上各自正常行驶和交替超车领跑。整个跑道可分为直道、弯道、超车道三类区域。三类区域存在各自的特性，对小车行驶的难易考察点就不同，关键在于小车针对不同类型跑道时检
6、测方法、传感器的选取应用和小车间的通信、协调。甲乙两车在完成第一、二圈交替领跑后，第三、四圈的行驶则主要依靠小车系统的稳定性保证实现。下面分别论证这几个模块的选择。1.1 主控制器的论证与选择传统51单片机具有简单，价格便宜等诸多特点。但其运算能力较低，处理速度慢，功能相对单一，难实现较复杂的任务要求。STM32多达100个I/O端口,所有I/O口一块映像到16个外部中断；几乎所有的端口均可容忍5V信号，适用于小车平台。所以采用STM32作为2个小车的控制器。1.2 路径检测模块的论证与选择方案一：采用CCD传感器，此种方法虽然能对路面信息进行准确完备的反应，但它存在信息处理满，实时性差等缺点
7、，因此若采用CCD传感器，无疑会加重单片机的处理负担，不利于实现更好的控制策略。方案二：光敏电阻。光敏电阻结构简单，价格便宜，但对于本系统的路径检测来说，其精度不够高，不灵敏，无法迅速识别黑胶带与木质地板。方案三：光电开关。光电开关的精度和灵敏度都高于光敏电阻，通过LM393比较电路容易得到数字量。 综合考虑选用4路光电传感器作为路径检测模块，该电路能实现小车在任何位置不驶出赛道。1.3 电机的论证与选择 方案一：直流伺服电机。普通直流伺服电机控制简单，利用双极性PWM即可实现调速和正、反转。但该类电机制动能力较差，需要闭环控制速度，安装调试复杂。方案二：步进电机。步进电机控制时序相对复杂，但
8、步进距离很小，保持力矩大，制动能力强，可以实现电动车位移细分。但步进电机速度只在一定范围内可调，且一般步进电机在不旋转时仍有若干相通电，功耗太大。方案三：直流减速电机。直流减速电机可靠耐用，控制简单，承受过载能力高，功率可达95KW以上。能耗低，性能优越，减速机效率高达95%以上。具有动力性能强、底盘稳定性高、可原地转圈、转弯灵活等特点。是一款非常优秀的嵌入式控制平台。综合考虑采用方案三。1.4 驱动模块的论证与选择 采用集成式全桥驱动芯片L298N。集成驱动芯片L298N内部包含4通道逻辑驱动电路，可以方便的驱动两个直流电机，输出电流可高达2.5A，可容易驱动电感性负载。驱动的电路结构和原理
9、简单，加速能力强，采用由达林顿管组成的 H型桥式电路，用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态下，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高，H型桥式电路保证了简单的实现转速和方向的控制，电子管的开关速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的PWM调速技术。L298N有过电流保护功能，当出现电机卡死时，可以保护电路和电机。 所以选择L298来驱动2个直流减速电机。1.5 测距避障模块的论证与选择 方案一：红外测距。红外传感器可在无反光板和反射率低的情况下测量较远的距离。但相对测量范围较短，且易受光线强弱的影响，不利于本系统的稳定性。 方案二：超声波测距。超声
10、波传感器由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量。 综合考虑采用方案二。1.6 显示模块的论证与选择方案一：LED数码管。虽然LED数码管使用普遍，控制简单，功耗低，但显示位数少，并且占有I/O资源，无法满足任务要求。方案二：LCD12864液晶显示。LCD是目前较为广泛的显示方法，不仅显示内容多，而且控制方便，显示清晰。特别适用于较大数据显示和人机界面操作的场合。综合考虑采用12864汉字图形点阵液晶显示模块，它可以显示汉字和图形。2系统理论分析与计算2.1 模糊控制器的分析目标路径信息的获取是基于光电开关和超声波传感器来进行的，通过光电开关和超
11、声波传感器的状态来对道路的主要信息进行分析和提取。在分析智能小车运动规律的基础上，分别对小车的转向和速度采用自适应模糊控制算法，按照路径跟踪要求建立模糊控制规则并求出模糊控制表，根据已提取的道路信息查询模糊控制表来对智能小车的转向和速度进行调整，使系统具有自适应学习能力。智能小车模糊控制器的主要任务是当红外传感器和超声波传感器探测到标志物，模糊控制器根据探测到的信息,确定智能小车的位置、距离、方位,然后控制智能小车按预定的路径和方位行走，接近于人类的判断和反应。模糊控制器的输入为4个从左至右的光电传感器的状态，和超声波传感器的状态，定义输入变量集合为X1，X2，X3，X4，X5；状态变量集合为
12、0,1，其中0表示有，1表示无；输出响应集合为左拐，直走，右拐，停2s。以上输入变量均由红外传感器的状态数据所确定,经过模糊控制器的模糊化处理和模糊推理后,输出动作行为结果,该动作行为结果的执行是由子控制系统(电机控制器)执行,最终的执行者为电机。 图1 模糊控制器结构图根据路径的实际情况建立模糊规则如下：（包含时间顺序）1、X1=0，X2=0，X3=0，X4=0，X5=0：直走2、X1=1，X2=0，X3=0，X4=0：X5=0：右拐3、X1=0，X2=0，X3=0，X4=1：X5=0: 左拐4、X1=0，X2=1，X3=1，X4=0：X5=0: 转弯标志，左转5、X1=0，X2=0，X3=
13、0，X4=1：X5=0: 左转，并沿黑线直走6、X1=0，X2=0，X3=0，X4=0：X5=1: 两车间距小于20cm，停车2s 以上采用模糊控制方法,设计了一个简单的模糊控制器,完成距离信息的模糊化和避障动作行为决策。小车在运动的过程中,不断地检测右方、左方、前方的障碍物距离,根据所检测到的数据,利用模糊控制器计算出小车前进的转向角,并按照该角度前进。2.2 通信定点分析 根据题目要求，该系统中甲乙两车之间通信主要体现在三个方面： （1）出发时两车约定同时出发。两车在起点区域上电后，通过无线模块相互完成应答，约定同时出发。 （2）行驶全过程中，防止两车碰撞。在车头各自安装1个超声波传感器，
14、通过实测设定安全行驶间距。当检测到间距小于安全行驶间距，则产生危险信号，使后面的小车停下等待。当两车间距大于安全行驶，后车启动。 （3）两车在四圈行驶中，在超车区交替超车领跑。两车在进入超车区后通过无线模块相互完成应答，更新当前行驶状态。第一圈行驶中，甲车先进入超车前，在向前行驶一段距离后停下等待，向乙车发送“可以进行超车”信息。当乙车完成超车后，继续行驶并向甲车发送“超车完成，可以行进”信息。第二圈中，乙车和甲车身份互换。第三、四圈类似进行交替。2.3 超车距离的计算 车长25cm,宽18cm，在经过超车标志后，甲车停靠，乙车避过甲车超车，由于赛道宽度有限，甲车转弯过后不能停靠的太前，否则甲车无法正常超车。斜边为车宽18cm，小车与水平30角转弯，则直角边9cm，根据勾股定理，计算出甲车转弯后至少再行驶cm，才能使乙车顺利通过，为使系统稳定，将超车距离定为10cm。3电路与程序设计3.1电路的设计系统总体框图系统总体框图如图2所示。 图2 系统总体框图系统算法包括：车辆运行、转弯控制、超车控制、调试与设置3.1.2 路径检测子系统框图与电路原理图 采用四路ST188光电开关，原理图如图2，安装示意图如图3。 图3 光
