《简易智能电动车的设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《简易智能电动车的设计（23页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、简易智能电动车（E题）摘要：本设计对象为一个简易小车的智能控制系统。该系统以FPGA技术作为核心控制技术，以行为控制作为核心控制策略。控制决策所需的信息主要来源于光电传感器、金属探测传感器以及超声传感器等传感器。通过光电传感器获取小车的车速、行驶距离、引导线以及引导性光源等信息；金属探测传感器主要获取轨道上的金属标志信息；超声传感器主要用来探测障碍物的位置。小车根据以上诸信息“了解”它所处的位置，并根据运动策略做出运动决策。实验表明，本文所提供的设计方案正确可行，能够达到设计要求。本设计的主要特色：(1) 控制电路电源和电动机电路电源隔离，信号通过光电耦合器耦合；(2) 采用以FPGA控制脉宽
2、调制（PWM）信号的方式实现了八个档位的车速调节；(3) 基于行为的智能控制策略；关键词：智能 电动车 FPGA Abstract：This paper describes an approach of designing an intelligent control system for a facility car. In this control system, FPGA chips act as a core hardware surpport, and FPGA technology as a core technology. Based on the signals (inform
3、ation) picked up by sensors such as photoelectrical sensors, metal sensors, and ultrasonic wave sensors, the information about circumstance are “known of” by car. On knowing of these pieces of information, the car can infer about actions it will take. This control system is characteristic of its:(1)
4、 dual powers supply, which separate motor control circuits system from that of others;(2) control system based on FPGA technology;(3) and intelligent control algorithms based on bahavior.Key words：FPGA/ Facility car /Intelligent control system目 录1. 简易智能电动车设计方案的比较、论证与选取 31.1 控制方案与控制策略的选取 31.2 信号检测与处理
5、方案的选取 41.2.1 小车移动距离（速度）检测 41.2.2 小车移动引导线信号的检测 41.2.3 小车金属路标信号的检测 41.2.4 路障信号的检测 51.2.5 引导性光源信号的检测 51.3 执行部件和显示模块的方案及选取 51.4 小车控制、驱动系统电源的方案及选取 61.5 简易智能小车测控系统的总体方案 62简易智能小车测控系统的设计 72.1小车的电动机驱动控制模块设计 72.2 信号检测与处理模块的设计 82.2.1小车移动距离（速度）信号的检测与处理模块的设计 82.2.2 小车移动引导线信号的检测与处理模块的设计 8 2.2.3金属探测传感系统的设计 92.2.4障
6、碍物信号的检测和处理系统设计 92.2.5小车运动方向引导光源信号的检测系统设计 102.3 简易智能小车运动控制策略设计 113实际测试 1231 测试设备1332 测试过程1333 测试结果1334 测试结论144结论 14参考文献141.简易智能电动车设计方案的比较、论证与选取简易智能电动车控制系统主要包括三个模块：小车的行动决策控制模块、信号的检测与处理模块以及小车的执行/显示模块。信号的检测与处理模块主要通过各种传感器从外部环境拾取标志信号；小车的行动决策控制模块信号对传感信号做进一步的处理，它是信号的检测与处理模块与小车执行/显示模块的接口；经过行动决策控制模块后的信号从信号的形式
7、上是符合执行/显示模块要求的信号，从信息的角度提供了足够控制信息给执行/显示模块。下面就系统各部分的实现方案分别进行评述、比较，并对拟选取的方案做出初步论证。1.1 控制方案与控制策略的选取引导线、金属路标、障碍物、引导性光源方案一：基于单片机技术的小车控制方案 单片机是通过对程序语句的顺序执行来建立与外部设备的通信和完成其内部运算处理，从而实现对信号的采集、处理和输出控制。它最主要的特点是其串行处理特性，在同一时刻CPU资源只能为一个线程占用。其原理图如图1.1所示：小车车轮转数检测LED显示/发声单片机电动机驱动图1.1 基于单片机技术的小车控制原理图方案二：基于FPGA（可编程门阵列）技
8、术的小车控制方案 相对于单片机的串形处理方式，FPGA（可编程门阵列）最显著的特点是它的并行处理能力，它支持对通信、信号的采集、处理和输出控制等的并行处理。其原理图如图1.2所示：FPGA控制信号的检测与处理模块驱动模块路标检测金属检测障碍物检测光源检测转数检测显示/发声模块提示灯时间显示路程显示蜂鸣器前后行驶左右转向停车图1.2 基于FPGA（可编程门阵列）技术的小车控制原理图上述两种控制方案除了在处理方式和处理能力(速度)上的差异，二者在实现的效果以及复杂程度等方面也有显著的区别。方案一单片机技术比较成熟,开发过程中可以利用的资源和工具丰富,但是它的外围电路较多，控制系统电路的集成和调试均
9、相对复杂，同时系统的抗干扰能力相对稍差。方案二将器件功能在一块芯片上，外围电路较少，集成度高。整个控制电路简单,控制板的体积大大减小的同时也提高了系统稳定性，此外FPGA也有方便的开发环境和丰富的开发工具等可资利用，易于调试和进行功能扩展。鉴于智能电动小车需要同时对多路信号进行检测、处理，且对这些信号处理的实时性要求比较高,运算处理速度是控制方案选择时所必须优先考虑的问题。再综合FPGA在稳定性以及硬件复杂程度等方面的优越性，本设计的控制方案模块拟选用上述基于FPGA（可编程门阵列）技术的方案二。本文将采用基于行为的控制策略（具体见后续相关章节）。1.2 信号检测与处理方案的选取本简易智能电动
10、车所包含的传感器有光电传感器、金属探测传感器以及超声传感器等，分别用来拾取与引导线、小车车轮转数（距离和速度）、引导性光源、金属路标、以及障碍物等有关的信号，现就各传感器选取有关的问题讨论如下： 1.2.1 小车移动距离（速度）检测方案一：采用霍尔集成片的方案 该方案利用霍尔效应实现对小车车轮转数（距离和速度）的检测。在车轮上安装磁片，而将霍尔集成片安装在固定轴上，当磁铁正对金属板时，金属板发生横向导通，产生一个脉冲，这样通过对脉冲的计数就可以反求小车行驶的距离和速度。方案二：采用对射式光电传感器的方案 采用的基于断继式光电开关原理的对射式光电传感器也是通过对脉冲计数，实现对距离和速度的测量的
11、。对射式光电传感器是沟槽式结构，可以将其固定于轮轴附近，再在轮轴上固定一片开有若干条漏光条的挡板。安装时把挡板的边缘嵌入到沟槽中，这样轮轴转一圈，就可以产生数目与挡板上的漏光条数相等的脉冲。以上两种方案从理论上说都可以得到小车行驶的距离和速度，但考虑到电动小车的车轮较小，采用方案一时磁片安装困难，也容易产生相互干扰；而采用方案二就可以很好地克服这些困难，实现较精确测量。故采用上述方案二。1.2.2小车移动引导线信号的检测环境所提供的引导线是白色背景下一条宽度为2厘米的黑线，为了确保小车沿着该引导线行驶，小车必须“识别”黑色引导线和白色背景，可以在小车底部左、右部分分别安装一对反射式光电二极管以
12、提供反映小车与引导线位置关系的信号。该传感器是利用PN结单向导电性的结型光电器件，具有响应速度快、精巧、坚固、温度稳定性好和工作电压低（1020V）的优点，因而不失为一种比较理想的方案。此外，发光二极管安装的位置也至关重要，兹提出两种方案以供选取：将两个传感器分别置于黑线内侧或者放置于黑线外侧。考虑到引导线只有2cm宽，若采用置于黑线内侧方式由于探测的范围太小，小车极易冲出轨道而失去判断力；置于黑线外侧的方式较为可行，对小车的控制也比较准确。是故，选用后者。1.2.3 小车金属路标信号的检测要检测到跑道下面的金属，并沿着金属路标到达C点，小车必须要能“识别”金属。堇提供两种方案参考：其一是采用
13、自制金属检测器的方案。原理图如图1.3所示，基于电涡流式传感器的原理，受到交变磁场作用的导体会产生电涡流，从而改变线圈原来阻抗。其二：采用LJ12A3-4-Z/BX型金属检测器的方案。经过实验比较，LJ12A3-4-Z/BX型金属检测器在性能和指标方面都优于自制的金属探测器。分析如下：自制的金属探测器是用多匝金属丝绕制而成，制作过程繁琐，而且精度不高。且线圈振荡产生的正弦波形要通过整形，才能成高低电平。相反的LJ12A3-4-Z/BX型金属检测器弥补了以上的不足，精确度高也比较稳定。所以，采用LJ12A3-4-Z/BX型金属检测器完成金属的探测的功能。图1.3 自制金属传感器原理图1.2.4 路障信号的检测超声波传感器相比于其它类型的传感器（如激光测距传感器）是小车实现障碍物检测部分最现实可行的装置。超声波具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够实现定向传播等特点，特别适合应用于实现各种遥控和测量，如测速、测距、入侵报警、汽车倒车雷达等。完全满足小车探测障碍物的需要。1.2.5引导性光源信号的检测引导性光源信号由置于小车运动前方的200瓦的白炽灯提供，作为电动车移动的引导光源，小车必须能够通过光电传感器识别光源的方位，
