简易智能电动车设计doc.docx
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简易智能电动车设计doc
1引言
电动车的发展史比燃油汽车更长，世界上第一辆机动车就是电动车。
后来，由于燃油汽车技术的迅速发展，而电动车在能源技术和行驶里程的研制上长期未能取得突破，从20世纪20年代初至60年代末，电动车的发展进入了一个沉寂期。
进入70年代以来，由于中东石油危机的爆发以及人类对自然环境的日益关注，电动车才再度成为技术发展的热点。
近几十年来，主要工业化国家为电动车的开发投入了大量的人力和财力，电动车的各项相关技术也取得了重大的进展。
尽管电动车在能源和行驶里程的研制方面，至今尚未取得突破性的进展，但是电动车的美好前景仍然激励着人们锲而不舍地开发新型电动车，改善其性能。
处于世纪之交的今天，能源和环境对人类的压力越来越大，要求尽快改善人类生存环境的呼声越来越高。
为了适应这个发展趋势，世界各国的政府、学术界、工业界正在加大对电动车开发的投资力度，加快电动车的商品化步伐。
虽然目前电动车在能源和行驶里程方面还未能尽如人意，但已足以满足人们的基本需要。
从技术发展的角度来看，在走过了漫长而艰难的发展程之后，电动车正面临着重大的技术突破，有望成为21世纪的重要交通工具。
在大都市中，电动车作为一种小型、中速和短途的日常交通工具，是十分理想的。
电动车的开发关系到能源、环保、交通和高科技的发展以及新兴工业的兴起，它将推动整个国民经济的发展，成为新的经济增长点。
电动车将使能源的利用多元化和高效化，达到能量的可靠、均衡和无污染地利用。
从环保的角度来看，电动车是无排放交通工具，即使计及发电厂所增加的排气，从总量上来看，它也将使空气污染大为减少。
此外，电动车比传统的燃料汽车更易实现精确的控制，智能交通系统则有可能率先通过电动车来实现，从而提高道路利用率和交通安全性。
现代电动车的能源系统、电机驱动系统、智能化的能量管理系统、充电系统、车载空调系统和变速系统，电动车的基础设施建设以及未来智能化的交通系统的发展。
根据各类子系统的不同特点.近年来，各种显示高新技术的电动车层出不穷，日新月异。
2方案设计与论证
2.1设计要求
（1）电动车从起跑线出发（车体不得超过起跑线），沿引导线到达B点。
在“直道区”铺设的白纸下沿引导线埋有1~3块宽度为15cm、长度不等的薄铁片。
电动车检测到薄铁片时需立即发出声光指示信息，并实时存储、显示在“直道区”检测到的薄铁片数目。
（2）电动车到达B点以后进入“弯道区”，沿圆弧引导线到达C点（也可脱离圆弧引导线到达C点）。
C点下埋有边长为15cm的正方形薄铁片，要求电动车到达C点检测到薄铁片后在C点处停车5秒，停车期间发出断续的声光信息。
（3）电动车在光源的引导下，通过障碍区进入停车区并到达车库。
电动车必须在两个障碍物之间通过且不得与其接触。
（4）电动车完成上述任务后应立即停车，但全程行驶时间不能大于90秒，行驶时间达到90秒时必须立即自动停车。
2.2小车本体
小车行走机构的方案分析与选择：
方案一履带式行走机构：
运行平稳、可靠，走直线效果很好；但结构较复杂、移动速度较慢，转弯过程的控制性能较差。
方案二腿式行走机构：
可以走出多种复杂的路线，但结构复杂、运动中的平衡性和稳定性差、移动速度较慢。
方案三两轮式行走机构：
结构简单、运动平稳、移动速度快、转弯性能好，且易于控制，适用于小功率的行走驱动。
方案四四轮式行走机构：
结构简单、运动平稳、移动速度快、易于控制，但原地转弯性能不够好。
通过对小车要完成的任务的设计要求以及对四种方案的对比，我们最终选择了两轮式行走机构。
车体框架，基于设计要，我们以对称结构为基础设计。
2.3主控单元
2.3.1硬件方案
近年来，单片机应用技术发展迅速，为智能装置的开发设计带来了很大的便利。
但68HC与51系列等传统的基于累加器结构的单片机，需要大量的程序代码，以实现累加器之间的数据传送，给汇编的程序开发增加了困难，也使高级语言开发中的编译效率难以提高。
AVR单片机采用RISC结构，具有1MIPS/MHz的高速运行处理能力；同时采用低功率，非挥发的CMOSE工艺制造，内部分别集成Flash,EEPROM和SRAM三种不同性能和用途的存储器。
特别地，除了可以通过SPI口和一般的编程器对AVR单片机的Flash程序存储器和EEPROM数据存储器进行编程外，还具有在线编程的特点，这给调试和使用带来了极大的方便。
在AVR家族中，ATmega16芯片内部集成了较大容量的存储器和丰富强大的硬件接口电路，具备AVR高档单片机Mega系列的全部优点，其价格于低档单片机相当，具有很高的性价比，较AVR的AT90系列相比，其6通道的A/D转换是AT90系列所不具备的。
同时，Mega系列的高可靠性完全保证了在小车系统中无需光电隔离的直接输出方式，故在小车的主控系统选用ATmega16单片机。
2.3.2软件单元
汇编语言作为传统的嵌入式系统的编程语言，具有执行效率高的优点，但其本身是低级语言，编程效率较低，可移植性和可读性差，维护极不方便。
而C语言以其结构化，容易维护，容易移植的优势满足开发的需要。
AVR的RISC结构与ICCAVR开发平台保证了较高的编译效率，且有易于上手的特点，使我们能顺利的用C语言开发AVR系统。
2.4信息感知单元
2.4.1黑白区域检测单元
要识别黑白区域可采用，光敏电阻、光敏二极管等对可见光敏感的器件，也可选用红外器件结合比较器输出高低电压的处理单元。
但这两个方案都有受环境光影响较大的缺陷。
在本设计中我们确定了基于A/D转换的反射式红外线感知单元，以检测黑线和跑道边线的位置。
2.4.2铁片检测单元
方案一：
利用铁片的导磁作用即可检测位于磁块与霍尔式传感器之间的铁片。
霍尔式传感器结构简单，频率响应宽，选用开关输出方式集成霍尔式器件可直接输出高低电平。
方案二：
电感式金属接近传感器。
当外界的金属性导电物体到达感应区时，金属物体内产生涡流效应，导致LC震荡电路震荡减弱，振幅变小，这一震荡的变化，被后置电路放大处理并转换为一确定的输出信号达到检测的目的。
根据需要，同时考虑题目的设计时间与开发工作量，我们采用成品的电感式金属接近传感器。
2.4.3寻光检测传感器
引导光源的方向的检测有如下方案：
方案一：
在小车上固定的有指向的光敏检测单元，利用其输出信号的变化与小车的转角之间的关系来确定小车的方向。
方案二：
在小车上安装扫射角度大于300度的指向的光敏检测单元，利用其输出信号随扫射角的变化关系，及寻光单元与小车之间的位置关系即可确定小车位姿与光源之间的相对关系。
上述方案有快速性好，动态过程平稳的优点，被选用。
2.4.4光强检测光强检测
为了使小车可靠停于车库，设计中增设了用A/D转换检测光敏电阻输出信号的光强检测单元。
2.4.5障碍检测
检测障碍物，必须充分收集周围环境信息，对其分析，最后确定障碍物的位置信息。
常用的检测手段有主动式和被动式。
前者主动发射信号，再对的反射回的信号进行分析处理。
被动式检测直接分析接受到的外部环境信号，要求系统自身信号处理能力较高。
由于后者对检测对象的针对性不强，我们选用主动式的检测方式。
常用的检测信号有超声波、激光、红外线。
从抗干扰性、检测精度、价格、使用性能等方面综合考虑，我们选用了红外线发射二极管和一体化接收头配对检测的方案。
由于采用调制光技术及机遇统计分析的处理方式，所以在抗干扰性和稳定性方面有较高的技术指标。
2.4.6小车行驶速度、距离及铁片长度检测
利用对行走过程的脉冲进行计数即可测量小车速度、行驶距离，再配合铁片检测信号即可测量铁片长度。
所以这里只需讨论对行走距离的检测方案。
方案一：
用测速发电机检测电机的转动角度，该方案对玩具电机这样的小驱动功率不适用。
方案二：
用增量式光电编码盘检测电机的转动角度，利用安装位置与输出信号之间的对应关系检测电机的正反转。
我们利用鼠标光电编码盘和光电对管改装成了转速检测单元。
2.5驱动单元
2.5.1电机的选择，驱动电路，电池的选择
小车采用双电机分离驱动方式。
永磁体直流电动机体积小，效率高，出力大，起动转矩大，过载能力强，动态特性好，控制方便。
电机型选择时在体积，功率和转速基本条件满足的前提下主要还考虑伺服性能；综上几点要求我们选用了151型微型直流电机。
小车寻线过程中要求被控电机能够调速和正反转控制，一般可以采用继电器和H桥式驱动电路。
本系统驱动单元选用的是电机驱动专用H桥驱动芯片L298。
选用国产镍氢电池，每节1.2V容量为600mAh,5节串接而成，额定电压6V，完全能够满足系统的需要。
2.5.2调速及正反转控制方案
直流调速可以选用电压调速，脉频调速（PFM），脉宽调速（PWM）.电压调速一般调试比较复杂，功率损失大，故不用此方案。
脉频调速（PFM）一般用于大电机。
而脉宽调速（PWM）简单可靠。
PWM输出脉冲信号经双H桥功率驱动电路L298后接至左右轮电机，控制小车运动。
由于要达到比较高的控制要求，我们采用比例控制的闭环反馈电机调速。
2.6人机接口单元
在人机接口单元我们选用了基于带锁存的移位寄存器的串行扫描方式的人机接口电路方案，较好地解决了口线占用，电路复杂度，使用功耗等问题。
2.7策略的选择
题目对小车的任务要求虽然比较简单，但还是有多种策略可以选择。
不同的策略将导致不同的控制特性。
根据题目的示意图及要求，我们可以将小车的运动分成4个阶段，每个阶段都可以选定不同的策略。
第一阶段：
从起跑点到B点，用寻线行走控制的方案，行进速度为米/秒，以便于对铁片长度的准确测量；
第二阶段：
从B点到C点，用寻线行走控制的方案。
这样，既能保证小车可靠到达C点，又能使小车到达C点后的方向能大致指向引导光源；
第三阶段：
自由避障，采用控制方式。
第四阶段：
进入车库，采用控制方式。
策略一：
行程如图2.1。
电动车出发后，在直道区沿引导线前进，边寻线，边检测金属块。
在弯道区，沿引导线到达C点后，检测金属块，发出声光信号，并停留五秒钟。
调整前进方向，使之沿圆弧直径前进到D,逆时针转90度，沿平行AB边前行到无障区的E点，调整方向进入车库。
前进到D,顺时针转90度行程CD=0.64m
前进到E,顺时针转90度行程DE=2.10m
前进到F,逆时针转90度行程EF=0.15m
前进到D,顺时针转90度行程CD=0.50m
图2.1策略一示意图
图2.2策略二示意图
策略二：
如图2.2，小车在直道区及C点状况与策略一同。
停留五秒钟后，小车调整前进方向，使之沿圆弧直径前进到D1心处。
在圆心处搜索光源，然后调整车前进方向，沿圆心与光源直线方向前进，直达车库。
途中若遇障碍物，则首先避开障碍物，然后再搜索光源，从新确定前进方向，直到达到车库。
前进到
顺时针转
，行程CD1=0.87m
前进到
顺时针转
，行程
=2.55m
前进到G,停下，行程
=0.2m
策略比较：
采用策略一时，通道宽，安全性好，因此在方案中采用。
而策略二的通道窄，危险，如车体方位精确，可选用，一般不用此策略。
3理论设计
3.1小车本体设计
3.1.1二轮式行走机构的设计
采用两个具有两个自由度的传统型车轮作为主动轮，并且采用双电机分别通过减速机构驱动左右轮，为保持车体平衡，在车的前后各有一个支撑轮。
这样布置小车可以实现零半径旋转、前后两个方向都可以运动、具有良好的启动和制动性能、使小车具有高度的灵活性。
根据行驶路线以及场地的特点，两轮小车必须要解决如下的几个问题：
1．启动、制动和转动速度尽量快。
2．能以很小的半径进行旋转。
3．良好的一致性，即：
当小车的控制系统对车体左右轮发出相同的指令时，左右轮的转速应相同。
二轮式行走机构包括：
主动轮（驱动轮）、支撑轮、减速器、车体框架、电动机等。
3.1.2两轮行走机构的动力学分析
两轮车在转向时的运动如图所示。
设左右轮的速度分别为：
，则小车的运动速度为：
（3-1）
-
图3.1两轮车在转向时的运动如图
小车的回转角速度为：
（3-2）
其中，B为小车的轮距。
小车的运动速度在X、Y坐标上的分量分别为：
（3-3）
（3-4）
由物理关系有：
对（3-2）、（3-3）、（3-4）式取积分得：
（3-5）
（3-6）
（3-7）
其中
为小车的初试位置，
为小车的初始方位角。
由上面的分析可知，控制小车左右两驱动轮的速度，可使两轮的中心跟踪任何给定的轨迹。
着也就是说明小车具有良好的转弯性能。
主动轮采用的软质橡胶轮，使轮与纸面的摩擦增大，防止的小车的打滑，以避免速度与距离测量的误差。
减速装置我们选用的是闭式直齿圆柱齿轮减速器。
其好处在于：
齿轮传动精度较高、传动效率高、噪音小、结构简单、可靠性高，以及受外界干扰小等。
3.1.3驱动电机的选用：
小车选用的151型微型直流电机
3.2小车主控系统设计
小车控制系统的功能框图如图3.2。
小车控制系统的电路原理框图如图3.3。
小车控制系统的电路原理图如图3.4。
图3.4小车控制系统的电路原理图
3.2.1显示及按键单元
采用了键盘扫描和数码管显示单元作为人机接口。
人机接口单元框图如图3.5。
人机接口单元主要由数码管显示单元、键盘扫描单元和声音提示单元组成。
该电路串行显示的数据由单片机的串行口输出，经串并转换电路74HC595将显示数据的段码动态地送到各数码管，各管的位选信号由Mega16经6B595送到各个数码管，实现串行动态显示。
其具体电路如图3.6。
图3.6人机接口电路图
3.2.2声光报警单元
在小车行进过程中，检测到铁片后需要送出声光信号。
这里选用了直接由直流电源驱动的蜂鸣器做声音输出，发光二极管做光信号输出。
图3.7声光报警电路图
3.3信息感知单元的设计
3.3.1黑白区域检测及寻迹单元
在寻线时，我们只需要用三只反射式红外传感器就可以实现小车沿曲线行走，如图3.8所示。
当机器人偏离白线时，根据在白线上光电管的分布情况来调整机器人的行进姿态。
我们一排装了3个光电管，上面是接收管下面是发射管，虚线表示黑线的两边沿，可见机器人正常行走时中间对管始终在白线上。
图3.9是一个光电管的模拟光路图，它是反射式光电管，在距地面2—3cm的高度检测效果最佳。
在电路设计中直接将光电管的输出信号送至Mega16的A/D输入端。
由于每个光电管的物理特性不一致，所以需要为每个光电管设置一个阀值电平，采样时就要对每个光电管分别进行采样。
首先，可以对黑色区域进行采样，然后采集白色区域的电平值。
对于每一个光电管，可以取它们采集到的深色电平值和浅色电平值的平均值，作为该光电管的阀值电平。
最后，每个光电管都得到了一个相应的阀值电平。
这些阀值电平通过A/D转换器转换为数字量，将这些数字量保存到SRAM或EEPROM中就完成了采样过程。
在机器人寻线的实际过程中，将实时采集到的电平值经A/D转换得到的数字量，与已经存入在SRAM或EEPROM中的阀值进行比较，按照比较结果进行相应的处理。
这样就可以实现一个自适应的处理。
软件流程图如图3.10。
3.3.2反射式红外线障碍检测系统的硬件设计
1．组成
该单元由发射部分、接收部分、单片机部分，报警部分四部分组成。
发射部分：
由Mega8内部计数器产生的38KHZ载波信号。
接收部分：
采用红外化一体接收头NB1838。
它的中心频率为37.9KHZ，抑制自然光的干扰。
光电检测和前置放大器都集成在其中，最主要是它能解调出与它中心频率相符的信号。
它的输出脚在没接收到载波信号是输出为高，当一旦接收到与其中心频率相符的信号时，输出就为低。
其工作原理如图3.11所示：
图3.11红外一体化接收头结构图
单片机部分：
由时钟振荡器和Mega8嵌入式单片机组成，经过编程，单片机实现自动计数、计算时间t，并判断是否有障碍物。
报警部分：
由发光管组成，主要功能是提示在规定的距离内是否有障碍物。
2．工作原理
此系统的工作原理电路图如3.12所示。
其原理是：
连续发出10组频率为1KHZ、占空比为25%，载波频率为38KHZ的信号。
当发射管发出占空比为25%的高电平的调制信号时，红外一体化接收头经过解调，输出的也应该是频率为1KHZ占空比为25%的低电平。
但实际上红外一体化接收头内部电路要造成一部分信号延时，在发射头与接收头相隔很近的时候其输出的应该为400ms左右的低电平，而且这个低电平随着距离的增加会有所降低，甚至消失。
本系统的避障机理就是发出10组此信号（见图3.13），红外一体接收头再将解调后输出的10组信号的低电平时间用单片机的定时计数器存储下来，求得其平均值（也就是所谓的概率事件，当然因为干扰和各方面的原因，即使在同一位置，接收到的低电平的值也会不一样，甚至因为外界的强烈红外光，有可能收到的信号会多于所发出的，不过这个应该算小概率事件，可以用软件进行排除、更正）后与事先给定的阀值进行比较，小于此阀值认为无障碍物；如果大于此阀值，就认为有障碍物。
3.3.3反射式红外线障碍检测系统的软件设计
反射式红外线障碍检测系统的软件流程图如图3.14。
本系统的软件设计主要有几个重点，发1KHZ信号端口（PD5），地址选择端口（PD0和PD1），以及捕获中断端口（PD6）。
软件的主要工作原理是由PD5对NE555输出占空比为25%的高电平，频率为1KHZ的信号，再由PD4对数据选择器（SN74153）和译码器（74LS139）进行选通，PD0和PD1作为地址选择端口，选择译码器的Q0、Q1、Q2端和数据选择器的IC0、IC1、IC2端，当判断有障碍物时，译码器的Q3被选中，并且发光二极管点亮。
3.3.4光传感器单元
用于寻光的光传感器的光路示意图如图3.15所示。
图3.15光传感器的光路示意图
其寻光原理电路框图如下。
寻光软件基本流程图如3.17。
3.3.5小车行驶速度、距离检测
通常用编码器检测电机的速度。
编码器又称“码盘”，是直接把位移变换为代码的数字式传感器。
编码器有增量式和绝对式两种，按其结构划分，常用的有光电码盘和电磁式码盘。
我们采用的是光电码盘。
图3.18为增量式光电码盘及相位输出。
它是一个旋转的脉冲发生器，根据脉冲数目或频率，可测出工作轴转角及转速。
原理是在一圆盘上刻制节距和尺寸相等的透光小孔。
圆盘与被测轴相连，当被测轴转动时，圆盘跟着一起转动，在圆盘的两侧，装有发光元件和感光元件。
根据光线时断时续的变化（当光线透过小孔时感光元件就感受信号，反之，当光线被圆盘遮断时，信号即被截止）来检测旋转运动。
脉冲的频率与圆盘的小孔数N及转速n有关，即为：
（3-8）
其中，N是固定的，故输出脉冲频率fc与转速n成正比。
为了判别方向，可以安装两对发光器和受光器。
均对准透光孔，严格地相距半个透光孔宽度，这样安装使得码盘旋转时这两只受光器测得的信号V1和V2在相位上总是差90度（见图3.18）。
若圆盘顺时针转动V1超前V2，逆时针转动则V2超前V1。
该相位上的差别通过鉴相电路就能区别出旋转方向。
测速传感器完成了电机转速向脉冲序列的转换，把测速传感器输出的脉冲接到计数单元进行计数，则将电机的转速转换成数字量。
当采样周期确定之后，计数单元向单片机输出的数字量大小就反映了电机转速的快慢。
本系统采用单片机的硬件定时机计数器，工作稳定。
3.3.6铁片检测
铁片的检测用的是一体化电感式接近传感器。
电感式接近觉传感器的工作原理是外界的金属性物体对传感器的高频—振荡器产生非接触式感应作用。
震荡器即是由缠绕在铁氧体磁芯上的线圈构成的LC震荡电路。
震荡器通过传感器的感应面，在其前方产生一个高频交变的电磁场。
当外界的金属性导电物体接近这一磁场，并到达感应区时，在金属物体内产生涡流效应，从而导致LC震荡电路震荡减弱，振幅变小，即称之为阻尼现象。
这一震荡的变化，即被开关的后置电路放大处理并转换为一确定的输出信号，触发开关并驱动控制器件，从而达到非接触式目标检测之目的。
我们所选用的电感式铁片传感器的指标为：
工作电压：
5-30v；
检测距离：
4mm：
工作方式：
常开；
安装尺寸；圆形直径12mm
铁片位置及其长度的测量方法示意图如图3.19。
而铁片的位置参数L的计算公式为：
（3-9）
小车距离及铁片位置、长度的测量软件流程为图3.19。
3.4电机驱动单元
整个电机控制电路由上图所示的闭合环路构成，PWM输出脉冲信号经双H桥功率驱动电路L298后接至左右轮电机，控制小车运动。
在软件的速度控制单元中我们用了简单的闭环比例控制算法。
L298是双H桥高电压大电流集成电路。
由图3.20可见，每个H桥的下侧桥臂晶体管发射极连在一起，其输出脚（SENSEA和SENSEB）用来连接电流检测电阻。
Vss接逻辑控制的电源。
Vs为电机驱动电源。
IN1-IN4输入引脚为标准TTL逻辑电平信号，用来控制H桥的开与关即实现电机的正反转，ENA、ENB引脚则为使能控制端，用来输入PWM信号实现电机调速。
图3.20L298原理框图
4特色与创新
本设计在基于Mega8芯片并采用概率分析的避障单元的设计与实现、串行扫描方式实现的人机接口、寻光雷达及小车位姿控制等方面具有一定的特色与创新。
4.1串行扫描实现的人机接口
串行工作方式使该功能模块的引线少，便于长线安装，有利于实际应用系统的结构设计。
同时，该接口电路扩展方便，能以较高的性价比实现汉字显示、LCD驱动等功能。
与传统的动态显示方式和静态显示方式相比，该电路具有结构简洁、功能性强、成本低编程简单的特点，通过试运行，证明该电路设计是非常成功的。
4.2避障单元的设计
在避障单元的设计中，判断有无障碍物时使用的是求平均值，即求概率事件的值的方式。
因为有外界德干扰和接收电路的延时，即使你发射出完全相同的十组信号，接收时也有所不同，基本上没有两组信号是完全相同，而且还有可能收到多于十组的信号（虽然这个是小概率事件），这时只能用软件进行排除和更正。
先将所有低电平的时间计数下来，放入数据寄存器中。
如果某些值太小或者太大就认为是无效值，再将有效的几组值求其平均值，再与阀值进行比较。
运行试验也证明，本设计中采用的Mega8芯片基于概率分析的避障单元实现方式，取得很好的避障效果。
4.3寻光雷达及小车位姿控制
由于从C点到车库一段，小车的运行失去了引导线的作用，所以，设计中采用了360精位绕线电位器作为小车运行角度参数反馈器件，该器件的运行方式近似与雷达，我们给它取名为寻光雷达。
将该寻光雷达检测得到的标志光信息送单片机，一方面控制小车下步运行姿态，另外也送出控制“雷达”跟踪光源的电机运行。
这种方式较好地解决了小车脱离引导线之后的运行控制的问题。
通过实验也得到同样的结论。
5调试过程及测试数据分析
5.1调试仪器仪表
设计及测试中所用的仪器及工具主要有：
测频率：
HC-F1000Ｌ微型数字频率计，用于记录车轮光电采样频率，进而计算行车距离。
测时间：
DM-1型电子秒表，用于测量有关时间。
测距离：
313型钢卷尺，用于测量行车距离和停车距离。
仿真：
E200Ｌ型仿真器，用于调试和修改软硬件。
编程器：
ICCAVR。
电源：
WYJ30-1A/3A型稳压电源，干电池。
用于研发期各路供电。
常用仪表：
MF-47型模拟万用表、VC98型数字万用表，用于电压、电流以及其它电子元器件的测量，数字万用表、TDS210存储式示波器、AVRStudio。
其它：
PC机，用于调试软件及整理文档。
5.2调试数据及分析
5.2.1寻线
表5.1
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