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1、智 能 避 障 小 車系 統(tǒng) 設 計 學科： 新技術專題 班級： - 姓名： - - - 學號： 17號 指導教師： - 電 氣 信 息 工 程 學 院一、系統(tǒng)設計概述通過飛思卡爾智能車競賽的學習和啟發(fā)，本設計實現(xiàn)一款具有自動避障運行功能的智能小車，通過光電開關和超聲波測距模塊配合識別前方是否有障礙物，如果遇到障礙物則通過舵機改變行駛方向。直流電機驅(qū)動模塊采用PID閉環(huán)控制，可以達到速度穩(wěn)定、快速、準確的控制，使智能小車能夠及時制動和恒速運行。本設計報告針對傳感器信號處理設計、電路設計、控制算法等方面進行重點闡述。二、總體系統(tǒng)構想框圖MC9S12XS128（主控芯片）超聲波模塊測速模塊電池7.

2、2V穩(wěn)壓模塊撥碼開關無線LED蜂鳴器人機接口傳感器部分電源部分電機驅(qū)動舵機執(zhí)行機構電機5V光電開關本設計中智能避障小車的體系結構如上圖。根據(jù)功能不同，避障小車的系統(tǒng)結構大致包括傳感器、控制、執(zhí)行機構、人機接口和電源五大部分。1.傳感器部分負責感知外部世界的環(huán)境信息和車模自身的狀態(tài)信息，為小車完成路況判斷和實現(xiàn)小車的運動控制提供所需的信息。傳感器部分包括光電開關、超聲波測距模塊和編碼器測速模塊三個子模塊。2.控制部分分析傳感器數(shù)據(jù)，提取路況信息，運行控制算法，向執(zhí)行機構發(fā)出動作信號，控制賽車朝無障礙方向行駛?？刂撇糠种黧w是16位單片機MC9S12XS128。3.執(zhí)行機構負責執(zhí)行動作信號，實現(xiàn)車的

3、前進、變速和轉(zhuǎn)向。執(zhí)行機構包括電機和舵機以及電機驅(qū)動模塊。4.人機接口實現(xiàn)模式和參數(shù)選擇、狀態(tài)指示、實時監(jiān)控以及數(shù)據(jù)存儲等人機交互功能，包括撥碼開關、LED、蜂鳴器、無線等模塊。5.電源部分負責向各部分提供合適的電源，包括電池和穩(wěn)壓模塊三、核心傳感器模塊1、超聲波測距模塊超聲波模塊采用目前比較常用的URM37超聲波傳感器默認是232接口，可以調(diào)為TTL接口,URM05大功率超聲波傳感器測試距離能到10米，算是目前來說測試距離比較遠的一款。功能應用：超聲波測距模塊通過超聲波發(fā)收的時間差計算得前方障礙物的距離，作為車體前方主要測距模塊判斷前方路況。（超聲波實物參考圖） 2、光電傳感器光電開關是傳感

4、器的一種，它把發(fā)射端和接收端之間光的強光電開關弱變化轉(zhuǎn)化為電流的變化以達到探測的目的。它所使用的冷光源有紅外光、紅色光、綠色光和藍色光等，可非接觸，無損傷地迅速和控制各種固體、液體、透明體、黑體、柔軟體和煙霧等物質(zhì)的狀態(tài)和動作。具有體積小、功能多、壽命長、精度高、響應速度快、檢測距離遠以及抗光、電、磁干擾能力強的優(yōu)點。功能應用：由于光電開關相比沒有超聲波測距遠，作為兩側(cè)輔助測距模塊，增大對障礙物探測的范圍。3、編碼器測速模塊光電編碼器實現(xiàn)測速，光電編碼器可以分為增量式光電編碼器和絕對式光電編碼器。增量式光電編碼器可以輸出正比于轉(zhuǎn)速的脈沖，記錄單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)就可以間接測取實時速度。（編碼器實

5、物參考圖）功能應用：本設計采用歐姆龍E6A2-CWZ3光電編碼器作為速度傳感器，安裝在車尾與傳動齒輪嚙合，使用與電機相同齒數(shù)的齒輪，相當于直接測得電機的轉(zhuǎn)速。四、主控芯片控制模塊主體是單片機MC9S12XS128最小系統(tǒng)，主要包括時鐘、旁路電容、電源接口、燒錄和調(diào)試接口、I/O接口等。（單片機最小系統(tǒng)參考圖）MC9S12DG128 微控制單元作為MC9S12 系列的16位單片機，由標準片上外圍設備組成，包括16位中央處理器、128KB的Flash 存儲器、8KB的RAM、2KB的EEPROM、兩個異步串行通信接口、兩個串行外圍接口、一組8通道的輸入捕捉或輸出捕捉的增強型捕捉定時器、兩組8 通道

6、10 路模數(shù)轉(zhuǎn)換器、一組8通道脈寬調(diào)制模塊、一個字節(jié)數(shù)據(jù)鏈路控制器、29路獨立的數(shù)字I/O接口、20路帶中斷和喚醒功能的數(shù)字I/O 接口、5個增強型CAN總線接口。同時，單片機內(nèi)的鎖相環(huán)電路可使能耗和性能適應具體操作的需要。五、執(zhí)行機構執(zhí)行機構主要包括電機驅(qū)動、電機和舵機。舵機直接由單片機輸出的PWM信號控制；電機驅(qū)動使用H全橋電路，見下圖：（H全橋電路原理圖）六、電源模塊智能避障小車各不同部分需要不同電壓的電源，因此需要對每一部分做單獨的穩(wěn)壓處理。電磁車的電源部分設計如下圖所示：（電源分配圖）六、系統(tǒng)控制流程及PID算法設計跟蹤控制程序包括舵機控制和電機控制兩部分，主要使用增量式PID控制。

7、（避障小車控制框圖）1.舵機控制舵機控制就是小車的方向控制，以小車車體為參考系，控制前輪轉(zhuǎn)向，始終朝無障礙物的方向行駛，即期望方向。光電開關及超聲波感器獲取前方路況信息，以前方障礙物的距離作為偏差用于增量式PID計算，得出控制舵機的PWM波占空比；舵機驅(qū)動前輪，控制賽車運動，使小車用適當?shù)慕嵌燃皶r變向。根據(jù)增量式PID算法公式： 公式(3-1)設計舵機控制程序核心語句如下：Pdu = PKp *( Pe - Pe1 ) + PKi * Pe + PKd * ( Pe - 2 * Pe1 + Pe2 ) ;Pu = Pu + Pdu ;其中Pe、Pe1、Pe2是行駛方向偏差，Pu是舵機對應的PW

8、M通道占空比寄存器值，Pdu是Pu的增量。2.電機控制電機控制就是小車的速度控制，其期望速度來源于速度規(guī)劃環(huán)節(jié)。expspeed = Vmax SPKp * fabs( Pe ) ;其中Vmax為設定的電機最大速度，它減去位置偏差Pe的倍數(shù)作為期望速度。也就是說，偏差越小，期望速度越大；偏差越大，期望速度越小。速度傳感器獲取電機實際速度；期望速度與實際速度的偏差用于增量式PID計算，得出控制電機的PWM波占空比；電機驅(qū)動將PWM信號功率放大，驅(qū)動電機，控制小車車速度等于期望速度。根據(jù)以上公式設計電機控制程序核心語句如下：Vdu = VKp *( Ve - Ve1 ) + VKi * Ve + VKd * ( Ve - 2 * Ve1 + Ve2 ) ;Vu = Vu + Vdu ;其中Ve、Ve1、Ve2是偏差值及其歷史值，Vu是向電機驅(qū)動對應的PWM通道占空比寄存器值，Vdu是Vu的增量。