智能小车交替超车控制系统Word格式文档下载.docx
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系统框架图如下
2、方案论证与比较
(1)主控制模块
方案一:
采用FPGA作为系统控制器。
由于FPGA将所有的器件集成在一块芯片上,所有的外围电路较少,控制板的体积少,稳定性高,扩展性能好;
而且FPGA有方便的开发环境和丰富的开发工具等资源可利用,易于调试;
但FPGA的成本太高,算术运算能力不强,而且此系统设计对系统数据处理速度要求不高,用FPGA的高速处理的优势不能得到体现。
方案二:
采用STC89C58RD+单片机作为系统控制器。
单片机算术运算能力强,软件编程灵活,可用软件较简单地实现各种运算和逻辑控制,并且由于成本低、体积小和功耗低等优点,很适合此类系统设计
综上两种方案,我们选择方案二。
(2)驱动电机模块
步进电机。
步进电机的优点是具有优秀的起停和反转响应;
控制精度高,每步的精度在百分之三到百分之五,而且不会将一步的误差积累到下一步因而有较好的位置精度和运动的重复性;
速度正比于脉冲频率,具有比较宽的转速范围;
缺点是转速低,控制复杂。
反感二:
直流电机。
直流电机具有很高的速度,驱动电路简单。
缺点是难实现比较高的控制精度。
比较两个方案的优缺点,本系统采用第一种方案。
(3)电机驱动与控制电路
采用步进电机专用驱动器
此方案可以为步进电机提供稳定的工作电压和工作电流。
但考虑到价格比较昂贵。
采用L297和L298N电机控制与驱动芯片
L298N可以方便地驱动46V、2A以下的四相步进电机,且外围电路简单,元件少。
L297是专用的控制器,能产生四相控制信号,用于单四拍、双四拍、四相八拍的方式控制步进电机。
便于步进电机的控制。
综合上述两种方案,我们选取方案二。
原理图如图1。
(4)黑色标志线检测模块
探测路面黑线的基本原理:
光线照射到地面并反射,由于黑线和赛道(非黑色)的反射系数不同,可根据接收到的反射光强弱判断是否到达黑线。
方案一:
可见光发光二极管和光敏二极管组成的发送——接收模块。
这方案的缺点是其他环境的光源会对光敏二极管造成干扰。
不调制的反射式红外发射——接收器。
由于采用红外光代替不同光,可以降低环境光源的干扰。
很明显,我们选取了方案二,使得系统更加稳定。
图表1电机驱动和控制电路原理图
(5)两车车距协调
超声波测距。
采用超声波测距模块利用超声波的测距原理可以可靠的地判断与前方小车的距离,然后此方案的缺陷在于前方小车进入弯道,会造成后面小车出现短暂的检测空白。
原理图如图2与图3。
图表2超声波发送模块电路原理图
无线通信。
采用无线接收发送模块,两车间相互通信,报告彼此所在的特殊位置(比如进入弯道),此方案弥补了方案一的缺陷,然而无线模块在小车不是走绝对直线的前提下,不能准确计算彼此的距离。
原理图如图4。
综合方案一和方案二,优劣互补的特点,我们结合两种方案,较为准确的协调两车车距。
图表3超声波接收模块电路原理图
图表4无线通信NRF24L01电路原理图
二、硬件和软件的理论分析计算
(1)超声波测距计算
超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射时刻的同时开始计时,超声波在空气中传播,途中碰到障碍物就立即返回来,超声波接收器收到反射波就立即停止计时。
超声波在空气中的传播速度为340m/s,根据计时器记录的时间t,就可以计算出发射点距障碍物的距离(s),即:
s=340t/2。
这就是所谓的时间差测距法。
测距的公式表示为:
L=C×
T
式中L为测量的距离长度;
C为超声波在空气中的传播速度;
T为测量距离传播的时间差(T为发射到接收时间数值的一半)。
超声波传播速度误差,超声波的传播速度受空气的密度所影响,空气的密度越高则超声波的传播速度就越快,而空气的密度又与温度有着密切的关系,速度与温度公式分析:
近似公式为:
C=C0+0.607×
T℃
式中:
C0为零度时的声波速度332m/s,T为实际温度(℃)。
对于超声波测距精度要求达到1mm时,就必须把超声波传播的环境温度考虑进去。
例如当温度0℃时超声波速度是332m/s,30℃时是350m/s,温度变化引起的超声波速度变化为18m/s。
若超声波在30℃的环境下以0℃的声速测量100m距离所引起的测量误差将达到5m,测量1m误差将达到5mm。
(2)步进电机计算
步进电机步进角计算公式:
β=360°
/(Z·
m·
K)
式中β―步进电机的步距角,Z―转子齿数,m―步进电动机的相数,K―控制系数,是拍数与相数的比例系数。
我们选择小车动力为二相六线步进电机,型号为17PM-K307-p2,工作方式有:
二相四拍和二相八拍,二相四拍步距角为1.8度,二相八拍步距角为0.9度。
此外,步进电机有一个技术参数:
空载启动频率,即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率,如果脉冲频率高于该值,电机不能正常启动,可能发生丢步或者堵转。
在有负载的情况下,启动频率应更低。
如果要使电机达到高速转动,脉冲频率应该有加速过程,即启动频率较低,然后按一定加速度升到所希望的高频(电机转速从低速升到高速)。
考虑小车负载较大、系统时间要求及超车等要求,我们采用低速启动,然后加速比较迅速的达到比较快的速度,我们检测到转弯标志位,我们先减速转弯,转弯结束后,继续加速到平稳速度;
倘若检测到超车标志位,小车加速超车减速。
三、软件流程图
见图表5。
4、系统测试
测量仪器:
秒表,直尺。
测试环境:
室内。
(1)测试步骤
基础部分:
将两车分别放在标志线(甲车在前,乙车在后),同时启动,用秒表开始计时,当小车到达起点标志线,摁住秒表停止计时,记录两车分别跑完全程的时间;
第二圈(乙车在前,甲车在后)开始起跑时,当两车达到超车标志线,分别开始计时,超车结束后,停止计时,分别记录两车在超车区所用时间。
发挥部分:
第三圈(甲车在前,乙车在后)开始,分别记录两车通过起始标志线时开始计时,当两车通过超车标志线,分别再做一次计时,超车结束停止超车时间测量,两车达到起始标志线停止整圈计时;
同理,第四圈采用同样的测量方式。
(2)测量数据结果
记录数据如下表格:
时间(s)
整圈
超车过程
甲车
乙车
第一圈
43.02
45.08
第两圈
46.22
43.25
10.02
7.56
第三圈
38.18
42.26
7.02
9.26
第四圈
40.10
46.25
9.56
7.28
5、结论
本系统以STC89C58RD+单片机为控制中心,利用光电传感器检测技术、无线通信、超声波传感器测距并配合一套软件算法实现电机的方向和速度控制、标志线检测、小车的整圈赛道行驶、替超车、车交替领跑、相互通信、检测系统稳定等功能。
最终整个系统,通过智能控制实现了大赛要求,现场操作方便,机械设计美观合理,系统稳定,达到预期目标。
图表5程序流程图
附录A
总的原理图
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