简易智能搬运车论文牛德润易凯伍祥.docx
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简易智能搬运车论文牛德润易凯伍祥
2006年
湖北省电子设计大赛
参赛课题—
简易智能搬运车
参赛单位：
湖北汽车工业学院电气工程系
参赛队员：
牛德润、易凯、伍祥
赛前指导老师：
徐祖建
2006-9-8
摘要
本系统以凌阳61板为控制单元，自行设计电机控制电路驱动两个步进电机，结合超声波传感器、光电传感器、电感传感器、LCD显示屏、语音喇叭，能有效的实现寻迹、避障、检测金属铁片、寻找光源等一系列课题要求，并且实时地进行LCD显示、语音播报，使整个控制系统更加人性化、智能化。
关键词：
凌阳61板；步进电机；超声波；LCD屏
Abstract
ThesystemSunplus61boardsforcontrolunit,designedtheelectricalcontrolcircuittwosteppermotordriven,thecombinationofultrasonicsensors,photoelectricsensors,inductivesensors,LCDdisplay,voicetrumpetsthatcaneffectivelyachievethepatrolconquests,obstacleavoidanceanddetectionofmetaliron,lookforaseriesoflighttopics,andreal-timemannerLCDdisplay,voicebroadcast,theentirecontrolsystemmorehumaneandintelligent.
Keywords:
Sunplus61boards；steppermotor；ultrasound；LCD
一、设计任务
设计并制作一个能自动搬运货物的智能电动车，其工作示意图如下：
图1-1小车工作平面图
图中，左边为停车区、货物存储区A和货物存储区B，并有两个对应的射灯光源；距右边线30cm处共放置3片白色或黑色的薄铁片，铁片之间的距离大于20cm.
要求：
1、基本要求
（1）智能车从起跑线出发（车体不得超过起跑线），在无障碍物的情况下，可寻找并搬取铁片，按照不同颜色分送不同存储区，即在光源A的引导下将黑色铁片搬运到货物存储区A存放，或在光源B的引导下将白色铁片搬运到存储区B存放。
（2）搬运铁片的过程中，一次只允许搬运1片，且必须搬运到存储区域内。
（3）要求智能车在5分钟之内能取走全部铁片，并能返回车库，否则就地停车。
（4）智能车检测到铁片时能发出声光信息，并实时显示铁片数目。
2、发挥部分
（1）距右边线90cm处设有障碍线，线上任意位置放有两个障碍物，在有障碍物的情况下，完成基本要求
（1）、
（2）中的相关操作，且不得与障碍物碰撞。
（2）要求智能车在8分钟之内取走全部铁片，并准确返回车库，否则就地停车。
（3）停车后，能准确显示智能车全程行驶的时间，显示误差的绝对值应小于5秒。
（4）其它。
说明：
1、测试时共放置3片铁片，每片的厚度为0.5～1.0mm，面积为2cm×2cm，黑、白铁片的比例任意给定、初始位置任意给定。
2、两个障碍物的大小分别为24cm×6cm×12cm和12cm×6cm×12cm，建议用白纸包砖代替。
3、示意图中所有粗黑线段宽度均为5cm，制作时可以涂墨或粘黑色胶带。
图中的虚线和尺寸标注线不要绘制在白纸上。
4、智能车允许用玩具车改装，但不能由人工遥控，其外围尺寸（含车体上附加装置）的限制为：
长度小于40cm，宽度小于15cm。
5、光源A、B均采用40W射灯，其底部距地
二方案论证与选择
1.转向控制
方案一：
差速控制，通过左右两边的车轮的转速差实现转向，其优点转弯半径小，转向灵活。
方案二：
舵机转向，即通过舵机控制前轮实现转向，行驶稳定。
通过对题目要求的审核，要求小车具有优良的转弯性能，结合现有实际（我们有两个步进电机），故我们选择方案一。
2.驱动方式
方案一：
直流电机驱动
直流电机启动转矩大，通过全H桥可以很方便实现直流电机的四象限运行，但不能做到准确停位。
方案二：
步进电机驱动
通过控制脉冲个数即可以控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
同时，步进电机可以做到速停速动。
考虑到控制精度我们选择步进电机驱动。
3.车体的选择
方案一：
用玩具小车，选用其车体的主体结构再加以改造，在玩具商店很容易买到。
但其驱动能力较差并且其转弯效果均不理想。
方案二：
自制简易小车，车体的大小与外型完全由我们决定且驱动电机选择型号可以选择，但在短时间内装配一简易小车很有难度。
考虑到我们已决定选用步进电机驱动，用玩具小车改造时装配存在很大的难度，故我们选择第二套方案。
4．主控单元
方案一：
采用传统的51单片机，51单片机具有价格低廉、使用广泛等特点，但其运算速度较低，功能比较单一。
方案二：
采用凌阳SPCE061A单片机，其具有汇编与C语言的混编功能，内部资源丰富，内置2KSRAM,32K闪存FLASH，两个16位可编程定时器/计数器（可自动预置初值），两路10位数/模转换通道，且具有独特的可编程音频处理功能，而且集成的EZ-PROBE方便调试，大大简化了程序的开发设计。
其结构如下：
图1-2SPCE061A结构图
基于以上原因，我们选择第二套方案。
5.电源选择
由于我们所用的步进电机重量大功耗高（工作电流达1.5A左右），而且加上单片机开发板、液晶屏以及各路传感器，工作电压要求较高。
故我们只有选择外接电源。
5V给单片机和部分传感器供电，24V供给步进电机和金属探测器。
6.铁块的检测
由于我们准备了现有成品金属电感式接近开关传感器，其检测精度相当稳定，故选用此传感器。
7.铁块及路面颜色的的检测
方案一：
选用常用分立红外发射接收对管，其外形如下图所示：
图1-3分立红外发射接收对管
其好处是检测到黑白路面是压降比较明显。
方案二：
采用反射型光电探测器RPR220.RPR220是一种一体化反射型光电探测器。
其发射器是一个砷化镓红外发光二极管，而接收器是一个高灵敏度，硅平面光电三极管。
其特点是：
1、塑料透镜以提高灵敏度；
2、内置的可见光过滤器以减小离散光的影响；
3、体积小结构紧凑。
它采用DIP4封装。
发射器和接收器都有两根引出脚，其中长脚为正极，短脚为负极。
考虑到我们要检测的铁片尺寸仅为2*2cm,方案一采用的分立对管安装尺寸较大，极易检测不到铁片，而方案二相对则安装尺寸小得多，能有效地检测到2cm×2cm物体。
故我们选择方案二。
三、系统具体设计与实现
方案一：
因为题目中以给定铁片放置的位置，并且由于我们所选用的电机为步进电机，故我们完全可以通过计算起跑线至放置铁片的直线（铁片线）的距离，以及储存库距铁片线的距离，同时通过记录行驶的里程位置等数据，实现小车的各项功能，此算法较简单，但在初步调试过程中发现由于电机性能、路面平整性等影响，轮胎又太软，所以直线行驶累计误差较大。
方案二：
由于我们已知铁片的放置位置，小车活动区周围有黑线边界，而且在铁片存储库有光源引导，而且步进电机在较小范围内运动时具有直线前进、设定任意值转弯等优势，故我们可以考虑在小车在出发时沿黑线走，检测到黑线时能根据传感器信号作运动方向调整，至底线时调头180度并行驶小段距离以到达铁片线位置，然后再转向90度检测铁片，入库时依据光敏三极管导向等等一系列措施。
此方案算法复杂，但可靠性高，有效地利用了题目提供的各种条件。
通过实际调试与分析，我们综合了两种方案，即在小车起跑时依据测定的距离作定轨迹运动，运动至铁片线时转弯90度检测铁片，检测到铁片时根据光电对管检测到的铁片颜色，再转动一定角度使小车转向对应存储库方向前进，检测到边缘黑线时，再沿黑线行走至存储库。
出库后，同样依据测定的距离作定轨迹运动，运动至铁片线时，转弯90度检测铁片，检测到铁片时根据光电对管检测到的铁片颜色，再转动一定角度使小车转向对应存储库方向前进，检测到边缘黑线时，再沿黑线行走至存储库……，如此作往复运动，运动过程中依据红外对管信号作运动方向调整。
在避障程序中，我们在几个关键点处利用超声波传感器分别在±20度测试前方是否有障碍物，当检测到前方有障碍物根据小车此时所处位置向左或向右转动一定角度，然后再检测……如此检测直至无障碍物。
然后继续前进……最后的实际调试说明，此算法可靠性高，且有效利用了步进电机的优势，整体运行时间短。
拾取各铁片时路线图如下：
第一次拾取铁片路线：
第二次拾取铁片路线：
第三次拾取铁片路线：
图1-4小车行驶路线图
说明:
为超声波测试点，测试前方有无路障。
具体系统框图如下：
图1-5系统总体结构框图
以下为各模块的具体实现：
1、步进电机的驱动
我们选用ULN2003达林顿管驱动芯片直接驱动两相式步进电机，由于其具有功率放大功能，故驱动力大，其每管驱动电流达500mA，且最高可承受电压50V，其原理示意图如下：
图1-6ULN2003原理示意图
电机驱动原理图如下：
图1-7电机驱动原理图
2、红外对管检测单元
利用红外对管对不同颜色反射特性不同，可以根据颜色的深浅而输出不同的电压信号，此电压信号通过比较器后能输出标准的高低电平供单片机系统识别，从而能有效地检测路面颜色并作相应动作。
具体电路图如下：
图1-8红外对管检测单元电路图
图1-9比较器电路
3、金属探测器单元
金属探测器我们采用浙江沪工传感器有限公司生产的LJ12A3-4-Z/BX，此传感器的有效检测范围为0～5mm，工作电压为5～36V，为常开开关，当检测到铁片时输出0～0.5V低电平，接线后效果图如下：
图1-10金属探测器接线效果图
4.电磁铁单元
由于条件有限，我们采用继电器改造，其工作电压为24V，工作电流0.1mA。
经实际测试，在0～6mm范围内效果较好，接线后效果图如下：
图1-11电磁铁接线效果
图1-12小车底部探测部分完整接线图
5.光源检测单元
光源检测部分我们采用光敏三极管3DU-5C,其原理图如图1-10。
图1-13光源检测单元电路原理图
6.总体电路原理图
图1-14总体电路原理图
四、理论分析与计算
1.小车步距测量
通过不断的调试与测量发现：
步进电机工作在单双八拍方式（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA）、速度等级为60（最高150）时性能最为稳定，基本不存在失步、转弯过渡或不足等情况。
此时同过给定一定的步数，测量其运动直线距离，通过多次测量求平均值的方法得到小车每步走的距离，测量数据如下：
表1-1测量数据
测量次数
给定步数
测量距离（cm）
1
1300
130.2
2
1300
130.5
3
1300
130.3
4
1300
130.4
5
1300
130.0
6
1300
130.1
平均测量值：
130.25cm
由上可测得小车每步距离0.1002cm
实际测量小车两轮距：
12.5cm
由以上数据可测得小车转向90度时走过步数：
3.14*12.5*0.25/0.1002＝98（步）
实际调试过程中由于外部影响，对其进行补偿分析得：
102步为理想值。
2.超声波探测角度测量
当前方有障碍物时，小车需根据超声波探测的数据避开障碍物。
由小车搬运路线图可知，每个超声波探测点距两个障碍物间距离约为80cm，小车宽度约为15cm，路线分析如下：
图1-15超声波探测角度
10度转化为弧度：
10/180*3.14=0.174
则测量角转过10度在80cm处的间隔：
L=80cm*tan0.174
=14.06cm
由此可知，在测试点处若测得20度角范围内无障碍，则小车可顺利通过障碍区。
五测试方法与仪表
5.1测试仪表
表1-2测试仪表
名称
型号
数量
备注
双路稳压电源
DH1718E
2
双踪示波器
TEKTRONLX
2
数字万用表
DT830B
1
3m卷尺
无
1
秒表
无
1
手机附带
5．2测试方法
将小车放置于起跑线，按照题目要求让小车开始运动，小车依次搬运铁片并运送至相应存储库（A库存白铁片,B库存黑铁片）。
运动完毕后，小车准确停至车库。
此时，记录库中的铁片数目及颜色，并记录小车运动起始时间。
5.3测试结果与分析
表1-3测试结果
运动时间
A库中铁片及数量
B库中铁片及数量
测试1
3'26"
黑色2块
白色1块
测试
3'27"
黑色2块
白色1块
测试3
3'26"
黑色2块
白色1块
通过测试结果的比较与分析，可知整个系统运行时间均小于5秒，达到要求；检测到的铁片均相应入库，达到要求。
注意事项：
在放置小车与起跑线时，注意小车与起跑线保持垂直，小车的起始位置对后面小车运行的稳定性有很大影响
六结论
1.小车能快速找到铁片位置；
2.检测到铁片时LCD能及时显示检测到的铁片数量，且能通过喇叭作相应的语音播报；
3.找到铁片后，能准确分辨出铁片颜色，并运送铁片至相应存储库（黑片入A库、白片入B库）
4.总体运行时间小于5分钟；
5.在发挥部分中，小车能准确地实现避障功能，总体运行时间小于8分钟，停车后，能准确显示全程行驶时间，显示无误差。
七附件及参考文献
附件
附件一、控制电路PCB图；
附件二、小车实物图
附件三、小车仰视图
参考文献
1.〈〈单片机原理及实用技术-凌阳16位单片机原理及应用〉〉－西安电子科技大学出版社
2.〈〈凌阳十六位单片机原理及应用〉〉－北京航空航天大学出版社
3.〈〈电子技术基础----数字部分（第四版）〉〉－高等教育出版社
4.〈〈电子技术基础----模拟部分（第四版）〉〉－高等教育出版社
5.〈〈机器人制作-----基础篇〉〉－北京航空航天大学出版社
6.〈〈全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编（第一届～第五届）〉〉－北京理工大学出版社
7.〈〈非电量电测技术（第二版）〉〉－西安交通大学出版社；
附件一：
控制电路PCB图：
图1-16控制电路PCB图
附件二、小车实物图：
图1-17小车实物图
附件三、小车仰视图：
图1-18小车仰视图
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