循迹智能电动车.docx
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循迹智能电动车
兰州职业技术学院
信息工程系
循迹智能电动车
（技术说明）
制作成员：
朱家鸿史晶宏刘一庆郎晓辉
指导教师：
梁璐
目录
一、系统设计………………………………………………….………..…….3
1、设计要求……………………………………………..…………3
2、电动车循迹的原理……………………………………………….………..3
3、模块方案制定…………………………………………….……….4
3.1车体设计……………………………………………………….…………4
3.2控制器模块……………………………………………………….…….…..4
3.3电源模块……………………………………………………………….….5
3.4稳压模块……………………………………………………………….…..6
3.5循迹传感器模块……………………………………………………….…..6
3.6电机模块…………………………………………………………….……..8
3.7电机驱动模块…………………………………………………….….…….8
二、硬件实现及单元电路设计……………………………………………….9
1、光电对管电路的设计……………………………………………………..9
2、循迹光电对管的安装………………………………………...…….…….10
3、传感器数据处理及循迹过程………………………………..…….……11
4、电机驱动电路的设计……………………………………….……….…...11
三、系统功能测试…………………………………………….….…….…..11
4.1测试仪器及设备…………………………………………….……….……11
4.2功能测试…………………………………………………………….…….11
四、总结……………………………………………………………..….…..…12
五、结束语………………………………………………………..……….…..12
六、参考文献…………………………………………………………….……12
七．关于我们…………………………………………………………….……13
一点心得体会：
……………………………………………………………….13
一、系统设计
1、设计要求
（1）循迹智能电动车（以下简称：
电动车）从轨道内任意区域启动。
（2）电动车按指定路线运行，自动区分直线轨道和弯路轨道，在指定弯路处拐弯，实现灵活前进、转弯等功能。
循迹路线如图1所示。
（3）电动车完成指定运行任务后，自动返回出发起点，并且能够正、反循迹。
（3）具备障碍物识别功能。
（3）
能够接受遥控操作指令。
（3）其他附加功能。
图1循迹路线
2、电动车循迹原理
循迹是指电动车在白色地板上分辨出一定宽度的黑线，并能循着黑线行走。
设计中我们采取红外探测法，即利用红外传感器发射的红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点，在电动车行驶过程中，传感器不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色地板时发生反射，反射光被传感器的接收管接收到，从而判断出是白色地面；如果遇到黑线则红外光被吸收，电动车传感器的接收管接收不到红外光，从而判断出是黑色地面。
本车选用的红外传感器探测距离最大1.5cm。
3、模块方案制定
根据设计要求，本系统主要由控制器模块、电源模块、循迹传感器模块、直流电机及其驱动模块、电压比较模块等模块构成。
（系统总体框图见附录一）
3.1车体设计
经过反复考虑，我们制定了后方左右两轮分别驱动，前方万向轮转向的方案。
即后部左右轮分别用两个转速和力矩基本完全相同的直流减速电机进行驱动，车体前部装一个万向轮。
这样，当其中一个直流减速电机转动，而另一个轮子不动时就可以实现电动车的原地旋转，由此可以轻松的实现电动车的转弯。
在安装时我们保证两个驱动电机同轴。
当电动车前进时，左右两驱动轮与万向轮形成了三点结构。
这种结构使得电动车在前进时比较平稳，可以避免出现后轮过低而使左右两驱动轮驱动力不够的情况。
为了防止电动车重心的偏移，万向轮位置合理定位，起到稳定支撑和导向作用。
对于车架材料的选择，我们经过比较选择了有机玻璃。
用有机玻璃做的车架比塑料车架更加牢固，比铁制电动车更轻便，美观，易于加工。
电动车底盘如图2所示：
图5车体底盘图
循迹电动车驱动、检测板包含如下部件：
·3个光电传感器，位于板前下方，用于寻迹；
·直流稳压电路；
·直流减速电机驱动电路；
·驱动轮；
·导向轮；
·电池架；
·减速电机工作电压选择J4,根据工作需要改变短路块位置,可选5V或9V；图2
3.2控制器模块
通过巧妙的硬件电路和事先的逻辑设计，将传感器信号放大后，直接经驱动电机运转，停止。
电路简单实时性高，结构简单，在设计成员有限的软、硬件条件下，是实现电动车对路线智能识别的最佳选择。
从而也体现了本车与其他带有MCU等控制核心电动车的不同特点。
3.3电源模块
由于本系统需要电池供电，且内部电路电压差别较大，我们考虑了如下方案为系统供电。
采用12V蓄电池为整机供电。
将12V电压降压、稳压后给电路各系统和芯片供电。
蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能。
虽然蓄电池的体积过于庞大，在小型电动车上使用极为不方便，但由于我们的车体设计时留出了足够的空间，并且蓄电池的价格比较低，是我们最终使用该方案的原因。
3.4稳压模块
如前所述，系统中各部分工作电压不同，直流减速电机驱动电源和运放工作电源2部分组成。
直流电机驱动电源由短路块J5选择是5V或12V供电工作,以满足不同用途的需要。
例如:
收取信号电路板用5V电源,集电器用12V电源,D9整流二极管是防止外接电源接反,也可使用外接9V交流电源。
U4整流前端12V给直流减速电机使用,三端稳压管7805在稳压滤波后输出5V直流电压,供运算放大电路，运放电源与直流电机驱动电源的隔离。
本机所配蓄电池，用接插头座与机器人板连接。
电路板上电源原理图,如图3。
在调试、演示时采用外接9～12V稳压电源,以节省调试、演示时用电的费用与充电时间;比赛时采用一体化大容量高能量可充电电池,保证工作时电源供电的可靠性。
图3电源原理图
3.5循迹传感器模块
此部分由项目组其他成员完成制作主要使用的是CNY70光电开关如图4
图4CNY70
CNY70的工作原理如图5
图5CNY70工作原理
用来放大CNY70信号的LM324如图6
图6
3.6电机模块
本系统为智能电动车，对于电动车来说，其驱动轮的驱动电机的选择就显得十分重要。
是由项目组其他成员完成！
3.7电机驱动模块
我们采用电机驱动芯片ULN2003作为电机驱动，驱动电路的设计如图7所示：
图7
4、最终方案
经过反复论证，我们最终确定了如下方案：
（1）车体用有机玻璃车架手工制作。
（2）用CNY70型光电对管进行循迹。
（3）LM324放大CNY70发送的信号。
（4）用蓄电池经稳压后为直流电机供电，输出12V电压与5V电压。
12V电压用来给继电器供电。
5V电压用来给CNY70供电和用来放大CNY70的LM324信号
（5）ULN2003作为直流电机的驱动芯片。
（6）继电器驱动电机，为电动车的动力提供能源。
二、硬件实现及单元电路设计
1、光电对管电路的设计
我们设计并论证了两种光电对管检测及调理电路，电路原理图分别如8和图9所示：
图8光电对管检测电路1
图8所示电路中，R1起限流电阻的作用，当有光反射回来时，光电对管中的三极管导通，R2的上端变为高电平，此时VT1饱和导通，三极管集电极输出低电平。
当没有光反射回来时，光电对管中的三极管不导通，VT1截至，其集电极输出高电平。
VT1在该电路中起到滤波整形的作用。
经试验和示波器验证，该电路工作性能一般，输出还有杂散干扰波的成分。
如果输出加施密特触发器就可以实现良好的输出波形。
但是这种电路用电量比较大，给此种传感器调理电路供电的电池压降较快。
究其原因，是因为光敏三极管和三极管VT1导通时的导通电流较大。
因此我们考虑用比较器的方案。
图9光电对管检测电路2
可调电阻R3可以调节比较器的门限电压，经示波器观察，输出波形相当规则，可以直接使用。
而且经试验验证给此电路供电的电池的压降较小。
因此我们选择此电路作为我们的传感器检测与调理电路。
2、循迹光电对管的安装
考虑到设计要求，本次设计仅用3对传感器就能完成设计要求，中间的传感器对校正电动车的循迹路线，保证电动车运行的直线性。
两侧的传感器用来检测电动车过线，可实现电动车的转弯行进。
传感器安装位置如图10。
图10
3传感器数据处理及循迹过程
我们车底的3个光电传感器。
用每一个来反应当前传感器的检测状态。
我们把电动车直线行进时分成三种状态，当中间2个传感器都检测到白线时，电动车在跑道的正上方，这时控制两电机同速度全速运行。
当检测到有一个传感器或者同侧的两个传感器偏出白线时，电动车处于微偏状态，这时将一个电机速度调慢，另一电机速度调快，完成调整。
用这种方法调速的循迹同单纯的判断检测到对管的位置并作出判断的方法相比，思路清晰，执行结果较好。
4、电机驱动电路的设计
我们采用电机驱动芯片ULN2003作为电机驱动，驱动电路的设计如图7.
三、系统功能测试
4.1测试仪器及设备
表1测试仪器设备清单
仪器名称
型号
用途
数量
PC机
联想
调试及下载程序
1
数字万用表
MASTECHmy－65
测量各电路工作情况
1
秒表
记录时间
1
示波器
测试驱动波形
1
4.2功能测试
电动车从启动区启动，沿轨道行进，经直线和弧线区后，返回启动区。
。
电动车路线示意图如图所示：
图11
四、总结
测试表明，电动车能够较好的完成实验的基本要求和发挥部分。
循迹误差较小。
五、结束语
我们的循迹电动车在完成设计要求的前提下，充分考虑到了外观、成本等问题，在性能和价格之间作了比较好的平衡。
另外，我们的车体底盘经过充分的论证和专业的设计，兼顾了美观、稳固、可靠等各方面的因素，具有较高的稳定性和推广意义。
六、参考文献
1.李正军。
计算机控制系统。
北京：
机械工业出版社，2005
2.RamonPallas-Areny，JohnG.Webster（美）。
传感器和信号调节，第2版。
张伦译。
北京：
清华大学出版社，2003
3.船仓一朗，土屋尧等（日）。
机器人控制电子学。
宗光华，杨洋，唐伯雁译。
北京：
科学出版社，2004
4.罗亚非等。
凌阳16位单片机应用基础。
北京：
北京航空航天大学出版社，2003
5.童诗白，华成英。
模拟电子技术基础。
北京：
高等教育出版社，2003
6.阎石。
数字电子技术基础。
北京：
高等教育出版社，1983
7.高峰编。
单片微型计算机原理与接口技术。
北京：
科学出版社，2003
8.21IC中国电子网。
9.万方数据资源统一服务系统。
七、心得体会：
设计是一个团队性的工作，即使某一个人能力很强，也不可能独自完成更好的东西。
反之，团队各成员分别有互补性的技术功底，精诚合作，一定能制作出好的作品。
团队要合作，要民主，同时也需要有一个核心，关键时候需要做出决定。
制作车体的时候，我们假想出一个样子就准备去加工，但是指导老师告诉我们需要设计出图纸才能去做，我们又设计上了图纸，给出固定的形状和尺寸。
后来发现，即使又设计图仍然无法让加工者很好的理解我们的意图，并按照要求操作。
明白了一点：
需要良好的设计规范去沟通。
再好的电路也都应该考虑干扰问题。
在运行之前，我们对硬件的各部分进行了细致的测试，坚信不会出现任何问题。
运行过程中发现电动车无缘无故转弯，始终没有考虑硬件造成的干扰的问题，一遍一遍的检查修改车体，浪费了大量的时间。
后来在电路中加入延时，使问题得以解决。
由于时间和能力的限制，电动车最终只实现了地面黑白循迹，按照预定地图给定的轨迹行进、遥控等功能，而没有加入路程记录，声控，避障功能，尤其是未能与软件结合，使得作品的“智能”程度没有能够再上一个台阶，同时，这是我们今后努力学习、提高的方向。
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