基于光电导航的无人驾驶智能车金山一电谢伟.docx
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基于光电导航的无人驾驶智能车金山一电谢伟
第三届全国光电设计大赛理论方案报告
编号：
12286
参赛题目：
基于光电导航的无人驾驶智能车
参赛队伍名称：
金山一电
所在学校：
福建农林大学
队长姓名：
谢伟
提交方案时间：
2012-05-09
第三届全国光电设计大赛组委会制
参赛题目：
基于光电导航的无人驾驶智能车
一.研究内容
1）依照竞赛要求，确信基于光电导航的无人驾驶智能车系统的性能参数，如行驶速度，转弯转速，系统功率，小车构造等；
2）光电导航、避障模块设计及实现；
3）实物制作调试，确信最终模型。
二.研究方案
车体模型设计
车体模型结构设计
在本次竞赛中，智能小车循迹准确率与速度是评分标准之一。
因此，如何力求在最短的时刻内准确行进，可不能压在边界限上是设计的起点。
方案一，利用现有的玩具车模型进行改造
玩具车模型是一种能够直接只用的小车平台，该车上有配置电机及减速系统，并能够实现转向操纵。
只需安装循迹与避障系统，但改造难度略大，费用高。
方案二，利用现有的小车底盘搭载电子操纵模块
从市面直接购买此刻小车底盘，再自行设计电子操纵模块，将电子操纵模块放置于底盘上。
缺点在于，现市面的小车底盘大体为一板材为底，易致使模块加载后，车身太高，显现压线出界。
且购买现有小车底盘费用较高。
方案三，自制小车
在本设计中车体设计要达到的目标是车身尺寸够小、选用的电性能够兼顾扭矩与转速，车身轻便，速度快。
结合上述几种车体结构，自制搬运车拟采纳四轮式支撑结构，第一在平稳性上优于三轮式支撑，适合路况不明确的赛道。
驱动形式上利用两个电机别离驱动左、右双侧车轮，当两个电机转速相同时小车直行，当两个电机转速不同时实现转向。
车架部份利用ABS塑料和1MM带孔铁片制作框架结构，直接搭载电子操纵模块，从而减轻车身重量与体积。
综合上述各类方案，决定采纳方案三，自行设计制作搬运车结构。
转向结构设计
方案一：
利用步进电机操纵前轮转角角度进行转向，但步进电机难以取得较大的转矩，且在体积重量方面没有优势。
方案二：
利用直流电机操纵车轮转速，当两个电机转速相同时小车直行，当两个电机转速不同时实现转向。
其优势为减少了一个操纵转角的电机，而且通过PWM改变占空比实现对电机转速的调剂。
即当左侧传感器检测到线路时，主控芯片操纵左侧电机转速减慢，右边电机正转，小车向左转向，至左侧传感器无特殊信号反映时，双侧电机恢复至同一转速；当右边传感器检测到线路时，主控芯片操纵右边电机转速减慢，左侧电机正转，小车向右转向，至右边传感器无特殊信号反映时，双侧电机恢复至同一转速
电路系统
主控系统：
方案一：
CPLD
选用CPLD作为系统的核心部件，用其小车的操纵及各信息的处置。
尽管CPLD具有处置速度快、开发周期短、可用VHDL语言进行编写开发等诸多的优势，可是小车对系统处置的信息要求可不能太高。
而且因循迹和避障的要求，使得小车行进速度不能太快。
且咱们对CPLD的应用也不熟悉。
方案二：
STC89C52
采纳以操纵简单、方便、快捷为优势的单片机为整个系统的核心，用其操纵进行中的小车，以实现其既定的性能指标。
咱们选用咱们所熟悉的STCP89C52单片机作为本设计的主操纵装置，STCP89C52单片机具有功能壮大的位操作指令，I/O口都可按位寻址，有8KB的ROM,256B的RAM,32个I/0口，3个16位的按时/计数器。
对本设计绰绰有余，而且52单片机性价比很高。
综合上述两种方案，决定采纳方案二。
电机模块：
基于直流电机的操纵比较简单，只需给电机的两根操纵线加上电压就能够够使电机转动起来，电压越高那么电机转速越高。
关于直流电机的速度调剂，能够采纳改变电压的方式，也可采纳PWM调速方式。
PWM调速确实是使加在直流电机两头的电压为方波形式，通过改变方波的占空比实现对电机转速的调剂。
因此，咱们选择利用直流电机作为电动车的驱动电机。
电机驱动模式：
因为咱们采纳功率三极管作为功率放大器的输出操纵直流电机。
依照线性型驱动的电路结构和原理，加速能力强，咱们就采纳由达林顿管组成的H型桥式电路。
用单片机操纵达林顿管使之在占空比可调的开关状态下，精准调整电动机转速。
这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率超级高，H型桥式电路保证了简单的实现转速和方向的操纵，电子管的开关速度专门快，稳固性也极强，是一种普遍采纳的PWM调速技术。
现市面上有很多此种芯片，咱们选用了L298N。
这种调速方式有调速特性优良、调整滑腻、调速范围广、过载能力大，能经受频繁的负载冲击，还能够实现频繁的无级快速启动、制动和反转等优势。
因此决定采纳利用功率三极管作为功率放大器的输出操纵直流电机。
ENA（B）
IN1（IN3）
IN2（IN4）
电机运转情况
1
1
0
正转
1
0
1
反转
1
0
0
停止
1
IN1（IN3）
IN2（IN4）
快速停止
0
x
x
停止
附：
1为高电平，0为低电平，x不定
循迹模块：
方案一：
采纳TK-20黑白线检测传感器
工作原理为，光线照射到路面并反射，由于黑线和白纸对光的反射系统不同，能够依照接收到的反射光强弱来判定是不是是黑线。
其优势是探测距离长，受可见光干扰小，信号处置简单。
方案二：
采纳两只红外对管（TCRT5000），别离置于小车车前轨道的双侧，依照两只光电开关接收到白线与红线的情形来操纵小车转向，只需设置好两个红外对管的位置即可专门好的实现循迹。
由于竞赛条件的限制，故利用方案二。
避障模块：
方案一：
选用超声波避障，他不但反映的速度快，而且距离远，受到外界的干扰小，可是咱们将在50cm的跑道中进行测试，若是咱们利用超声波进行避障的话，由于在有限的小空间声波有可能会在小空间里多次的反射，传感器受到的信号将不稳固，将不能判定哪个方向有障碍物。
方案二：
利用红外接收头和发射管配合，他的反应极快。
还可以通过PWM调制，从而了解障碍物距离。
但是加载的电路麻烦，调试复杂，性价比不好。
方案三：
利用红外传感器，它对于近距离的障碍物反应快，对不同方向的传感器发出的信号基本不会相互干扰，调试方便，而且廉价。
可是红别传感器容易受到自然光的干扰而且距离没用上面两个方案的远。
可是由于咱们的是在跑道宽为50cm的跑道小空间进行测试，于是咱们决定利用方案三，确实是红别传感器作为咱们用于避障的原件，关于那个题目来讲性价是比较廉价的。
电源模块：
方案1：
采纳单电源锂电池供电，但电压过小，不能够同时给单片机和电机供电。
方案2：
采纳8支电池双电源别离给单片机与电机供电。
故咱们电源利用采取第二个方案。
三.技术线路及可行性分析
技术线路
可行性分析
随着科学技术的进步，相关的光电传感技术在日常生活的应用也日趋扩大，因此将光伏技术与搬运小车相结合，利用光电传感技术原理进行搬运车的避障、导航，为光电导航搬运车的实现提供了坚实的理论基础。
除此之外，光红别传感成本也在不断的下降，小车需要的元器件都可从市场上购得，为小车系统的实现提供了物质基础。
人力资源方面，3个队员都是相关专业的学生，都有各自所长的地址，理论基础扎实，动手能力强，能够胜任本次竞赛的任务要求。
四.拟解决的关键问题
1）如何实现小车的快速转向且不出界的问题。
2）如何实现小车进入停车位后的快速停车的问题。
3）如何实现小车直线行进时偏离轨道的微调的问题。
4）如何实现小车的循迹与行进速度的合理调制问题。
五.特色与创新点
1、本方案双侧前后两轮各由一个电机带动，通过操纵电机转速以达到双侧车轮速度不同实现转弯。
二、小车底盘由ABS塑料条作为轴架，搭配塑料薄版组成，直接搭载各模块电路板，从而减轻车身重量。
六.时刻进度安排
进行资料整理，设计技术线路，设计各模块方案，进行同类型器件比较，选取所需元件。
对赛道及电子元件进行分析，计算元件承载及机械结构大小，设计小车结构。
通过实物功能测试及运算机模拟测试进行元件选取，进行可行性分析，确信最终设计方案。
~完成理论方案书写，上交至组委会。
进行元件采购，进行智能小车实物制作。
进行程序调试及方案改良，实现智能小车能依照大赛要求运行。
七.经费预算
小车器件（轴架、车轮、齿轮等）150元
电机模块元件（R-280微型电机、速控等）30元
传感模块元件（如tcrt5000、ST198A等）120元
主控模块元件（如STC89C52及开发板制作元件等）50元
驱动模快元件（L298N等）30元
电源模块元件（电池盒、电池等）60元
其他（导线、铜板等）60元
共计500元
八.参赛队伍简介
该队由一小群酷爱电子器件制作的人组成，要紧成员来自福建农林大学金山学院2020级电子科学与技术。
王志文擅长程序编写，故在队中要紧负责程序编写与测试。
吴浩擅长硬件制作，故要紧负责制板与小车模型制作。
谢伟擅长分析总结，故要紧负责书面材料书写。
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