某智能小车详细设计方案Word格式.docx
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根据题目的要求,确定如下方案:
首先设计出小车的基本模形以及传动方案,并在车上加装光电检测器,实现对电动车的速度、位置、运行状况的实时测量,并将测量数据传送至单片机进行处理,然后由单片机根据所检测的各种数据实现对电动车的智能控制。
这种方案能实现对电动车的运动状态进行实时控制,控制灵活、可靠,精度高,可满足对系统的各项要求。
2.1模块方案比较及论证
自动循迹模块
(传感器CTRT5000)
电机驱动及运
单片机
动模块(L298)
主
控
避障系统
(传感器E18-D80NK)
(AT模89C52)
块
速度显示模块
(lcd显示)
无线遥控模块
小车间通讯模
(pt2262\pt2272)
速度检测模块
(传感器A3144E)
上位机通信模
根据设计要求,我们的自动避障小车主要由六个模块构成:
车体框架、电源及稳压模块、主控模块、探测模块、电机驱动模块组成。
各模块分述如图2-1。
图2-1智能小车总体框图
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2.2车体设计
在设计车体框架时,我们有两套起始方案,自己设计画出小车的模型和直接购买玩具电动车改装。
方案一:
用现有的小车改装
电动小车价格低廉,有完整的驱动、传动和控制单元,其中传动装置是我们所需的。
但玩具电动车采用普通直流电机驱动,带负载能力差,调速方面对程序要求较高。
同时,玩具电动车转向依靠前轮电机带动前轮转向完成,精度低,又由于本次毕业设计只是理上研究,和巩固已学过的 相关知识,如果购买小车会自带程序和一些图及参数,容易产生惰性。
所以购买小车做实物的价值不大,因些我们放弃这一方案。
方案二:
自己设计制作车架自己设计小车底盘,用两个直流减速电机作为主
动轮,利用两电机的转速差完成直行、左转、右转、左后转、右后转、倒车等动作。
减速电机扭矩大,转速较慢,易于控制和调速,符合避障小车的要求。
而且自己制作小车框架,可以根据电路板及传感器安装需求设计空间,使得车体美观紧凑。
通过pro/e设计相关的的小车模型,以便更直观的看到小车的运动原理和传动方案,所以综上我们选择方案二。
如图2-2所示。
2.3电源及稳压模块
图2-2小车模型设计
采用交流电经直流稳压处理后供电
采用交流电提供直流稳压电源,电流驱动能力及电压稳定性最好,且负载对电源影响也最小。
由于需要电线对小车供电,极大影响了壁障小车行动的灵活性及地形的适应能力。
而且壁障小车极易把拖在地上的电线识别为障碍物,人为增加了不必要的障碍。
故我们放弃了这一方案。
采用蓄电池供电
蓄电池具有较强的电流驱动能力和较好的电压稳定性能,且成本低廉。
可采用
蓄电池经7812芯片稳压后给电机供电,再经过降压接7805芯片给单片机及其他逻辑单元供电。
但蓄电池体积相对庞大,且重量过大,造成电机负载过大,不适合我们采用的小车车架(玩具电动车车架)。
方案三:
采用干电池组进行供电
采用四节干电池降压至5V后给单片机及其他逻辑单元供电,另取六节干电池为电机及光电开关供电。
这样电机启动及制动时的短暂电压干扰不会影响到逻辑单元和单片机的工作。
干电池用电池盒封装,体积和重量较小,同时玩具车底座可以安装四节干电池,正好可为单片机及其他逻辑单元供电。
在稳压方面,起始时考虑使用7805芯片对6V的电池电压进行降压稳压。
但考虑到这样使得7805芯片消耗大量能量,降低电池寿命;
同时,由于at89c52、光电开关、小车电机对于供电电压要求并不苛刻,故我们将6V电池电压接一个二极管降压后直接给单片机及其他逻辑单元供电。
而电机和光电开关的电源不做稳压处理。
这样只需在小车遥控上加两个调速按钮,根据电池电量选择合适功率即可,甚至于可直接在软件里设置自动换挡。
综合考虑,我们采用方案三,示意图如图2-3所示。
直流电机供电
9V直流电源
光电开关供电
2.4主控模块
图2-3电源模块设计
由于智能小车的要求不是很高,主要都是一些简单的控制,at89c52是我们在
《单片机原理与应用技术》学习过的,且价格便宜容易购买,所以最终我们直接选用了课程主要介绍的,Atmel公司的单片机作为主控模块,如图2-4所示。
AT89C52的主要性能参数
l与Mcs-51产品指令和引脚完全兼容。
l8字节可重擦写FLASH
闪速存储器 图2-4AT89C52单片机
l1000次擦写周期
l全静态操作:
0HZ-24MHZ
l三级加密程序存储器
l256X8字节内部RAM
l32个可编程I/0口线
l3个16位定时/计数器
l8个中断源
l可编程串行UART通道
l低功耗空闲和掉电模式
2.5探测及寻迹模块
避障传感器模块
2.5.1车自动避障的原理和方案
小车车头处装有二个光电开关,一个光电开关对向左前方,一个光电开关向右前方,(如右图所示)。
小车在行进过程中由光电开关向前方发射出红外线,当红外线遇到障碍物时发生漫反射,反射光被光电开关接收。
小车根据二个光电开关接受信号的情况来判断前方障碍物的分布并做出相应的动作。
光电开关的平均探测距离为30cm。
使用光电对管探测
光电对关价格低廉,性能稳定,但探测距离过近(一般不超过3cm),使得小车必须制动迅速。
而我们由于采用普通直流电机作为原动力,制动距离至少需要
10cm。
因此我们放弃了这一方案。
使用视频采集处理装置进行探测
使用CCD实时采集小车前进路线上的图像并进行实时传输及处理,这是最精确的障碍物信息采集方案,可以对障碍物进行精确定位和测距。
但是使用视频采集会大大增加小车成本和设计开发难度,而且考虑到我们小车行进转弯的精确度并未达到视频处理的精度,因而使用视频采集在实际应用中是个很大的浪费,所以我们放弃了这一方案。
使用光电开关进行障碍物信息采集。
使用三只E3F-DS30C4光电开关,分别探测正前方,前右侧,前左侧障碍物信息,在特殊地形(如障碍物密集地形)可将正前方的光电开关移置后方进行探测。
E3F-DS30C4光电开关平均有效探测距离0~30cm可调,且抗外界背景光干扰能力强,可在日光下正常工作(理论上应避免日光和强光源的直接照射)。
我们小车换档调速后的最大制动距离不超过30cm,一般在10~20cm左右,因而探测距离满足我们的小车需求。
综上考虑,我们选用方案四。
示意图如图2-5所示。
光电开关1
电平转换
光电开关2
图2-5小车避障框图
小车循迹的原理
这里的循迹是指小车在黑色地板上循白线行走,通常采取的方法是红外探测法。
红外探测法,即利用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,在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光,当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射,反射光被装在小车上的接收管接收;
如果遇到黑线则红外光被吸收,小车上的接收管接收不到红外光。
单片机就是否收到反射回来的红外光为依据来确定黑线的位置和小车的行走路线。
红外探测器探测距离有限,一般最大不应超过3cm。
方案1:
用红外发射管和接收管自己制作光电对管寻迹传感器。
红外发射管发出红外线,当发出的红外线照射到白色的平面后反射,若红外接
收管能接收到反射回的光线则检测出白线继而输出低电平,若接收不到发射管发出的光线则检测出黑线继而输出高电平。
这样自己制作组装的寻迹传感器基本能够满足要求,但是工作不够稳定,且容易受外界光线的影响,因此我们放弃了这个方案。
方案2:
用光敏电阻组成光敏探测器。
光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变化。
当光线照射到白线上面时,光线发射强烈,光线照射到黑线上面时,光线发射较弱。
因此光敏电阻在白线和黑线上方时,阻值会发生明显的变化。
将阻值的变化值经过比较器就可以输出高低电平。
但是这种方案受光照影响很大,不能够稳定的工作。
因此我们考虑其他更加稳定的方案。
方案3:
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。
RPR220采用DIP4封装,其具有如下特点:
l塑料透镜可以提高灵敏度。
l内置可见光过滤器能减小离散光的影响。
l体积小,结构紧凑。
l当发光二极管发出的光反射回来时,三极管导通输出低电平。
此光电对管调理电路简单,工作性能稳定。
因此我们选择了方案3。
2.6电机选择及驱动模块
本系统为智能小车,对于智能小车来说,其驱动轮的驱动电机的选择就显得十分重要。
由于本实验要实现对路径控制定位和速度测量不是要求太高,精度也不是太高,所以我们综合考虑了一下两种方案。
采用步进电机作为该系统的驱动电机。
由于其转过的角度可以精确的定位,可以实现小车前进路程和位置的精确定位。
虽然采用步进电机有诸多优点,步进电机的输出力矩较低,随转速的升高而下降,且在较高转速时会急剧下降,其转速较低,不适用于小车等有一定速度要求的系统,经综合比较考虑,我们放弃了此方案。
采用直流电机。
直流减速电机转动力矩大,体积小,重量轻,装配简单,使用方便。
遥控车马达/小直流电机电机RF-500TB-ZD供电电压:
直流DC3-9V,转速2400r/m是自制
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