智能小車控制方案設計及論證

周艷麗 張窩羊

摘 要：伴隨著科技的發(fā)展，人們對控制技術提出了更高的要求，小車控制便是其中之一。在這種情況下，本文以智能小車為研究對象，首先分析了課題研究的背景，然后確定了系統(tǒng)的整體框架，在此基礎之上，分別從遙控控制模塊、電機驅(qū)動模塊、避障尋跡模塊、速度顯示模塊、轉(zhuǎn)速測量模塊及電源模塊確定了控制系統(tǒng)的方案并進行了論證。最終確定了整體方案及各模塊方案，為硬件及軟件設計奠定了基礎。

關鍵詞：控制方案;模塊設計;智能小車

1 引言

現(xiàn)在各大高校相繼開設智能機器人的專業(yè)課程，培養(yǎng)了大批智能領域的人才，將來的技術會越來越成熟，研發(fā)的機器人具備生物機電系統(tǒng)，所以也將會越來越智能化，更具有實用性和趣味性，為了方便使用，機器人會越來越輕盈和小巧，能無限接近人類的思想，但是無論如何發(fā)展，人類只會統(tǒng)治機器人，不會被機器人操控人類，這是我們?nèi)祟惖牡拙€和原則，不可侵犯，期待未來的機器人能實實在在得提高社會生產(chǎn)力，為人類創(chuàng)造更高的價值，并且會極大改變?nèi)藗兊纳罘绞剑侨祟惖暮门笥选?/p>

2 方案設計與論證

在本次方案中，智能小車的控制系統(tǒng)的中央數(shù)據(jù)處理采用AT89C52單片，整個系統(tǒng)可以分為兩個部分，即信號發(fā)射器部分以及智能小車本身。其總體設計框圖包括兩個部分，如圖2.1所示：

2.1 遙控控制模塊設計與論證

在目前，普遍使用的遙控裝置能夠劃分為兩個類型，即使用紅外信號以及使用無線信號。

方案一：智能小車的遙控系統(tǒng)采用紅外線裝置。這種遙控裝置只需要通過編碼器將指令調(diào)解為二進制代碼。然后通過紅外線發(fā)射，最后由紅外接收器接收和解碼，接著輸入單片機中，經(jīng)過解碼后得到相關指令。最后，小車控制系統(tǒng)依據(jù)具體的指令實施相應的動作。

方案二：智能小車的遙控系統(tǒng)采用無線裝置。這種裝置采用一定頻率的電波傳輸信號，進而控制各種設施。在接收到遙控信號，它們就可以在遠處操控這些設備的運行了。

上述的兩種思路都可以作為本設計的遙控器，雖然無線遙控控制的距離更遠也更加精確，但是本小車只需要在數(shù)米范圍內(nèi)被控制就可以了，所以我選擇的是方案一的紅外遙控。

2.2 電機驅(qū)動模塊設計與論證

在當今，小車的動力來源通常使用電機，主要分為兩類，即直流電機以及交流電機。

方案一：智能小車的動力來源采用直流電機。對于直流電機而言，其本質(zhì)是一種把直流電能變?yōu)闄C械動能的設備，輸出扭矩大、體積小等特點，因此在小電子商品中廣泛采用直流電機。通過軟件編程，單片機輸出具有不同占空比的PWM（脈寬調(diào)制信號），控制直流電機的轉(zhuǎn)速，控制小車的運行速度。

方案二：選擇步進電機作為本車動力傳動裝置。步進電機將從輸入端輸入的電脈沖信號轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子的角位移，實現(xiàn)電機的精確定位。電機的轉(zhuǎn)速取決于脈沖信號的頻率，旋轉(zhuǎn)次數(shù)取決于脈沖的數(shù)量。

本設計我選用的是直流電機，跟步進電機對比，直流電機則有快速反應、更大的啟動轉(zhuǎn)矩、更優(yōu)秀的額定轉(zhuǎn)矩性能，出故障后能快速和簡單的維修，所需費用少很多。

2.3 避障循跡模塊設計與論證

經(jīng)過篩選，為了避障功能的實現(xiàn)我得出了以下兩種方案：

方案一：選擇紅外反射光電傳感器、電壓比較器以及使用集成電路板，檢查小車行進方向是否遭遇了阻礙物，其中集成電路板由專業(yè)的電阻器等構成。一般而言，大多數(shù)智能小車在左側(cè)以及右側(cè)各安裝一個檢測器，進而可以很好的發(fā)現(xiàn)小車行進方向是否遇到了阻礙物。通常情況下，小車的阻礙物檢測流程為：紅外線發(fā)射裝置向前方發(fā)射紅外信號，假如小車前方有阻礙物，那么該阻礙物將反射紅外線，進而使得光敏感應器接受到紅外光，感應器開始工作輸出對應的信號，中央處理系統(tǒng)—單片機將接受到該信號，做出相應的指令，調(diào)用躲避障礙的程序，通過控制系統(tǒng)控制小車的行進方向，最后成功避開阻礙物。

方案二：采用超聲波裝置檢測小車行進方向是否有障礙物。具體的工作過程如下：小車在運動的時候超聲波裝置實時發(fā)射超聲波，如果在行進方向預見阻礙物，那么超聲波將被阻礙物反射回去，小車相應的傳感器將接受到相應的信號，這是傳感器將開始工作，向單片機發(fā)出相應的電信號，單片機在接受并處理信號后，向控制系統(tǒng)發(fā)出質(zhì)量，車子就會做出相應的反應，假如接收到的是高電平說明車子遇到障礙物了，這時調(diào)用相應的程序就可以實現(xiàn)避障操作了。

根據(jù)實際情況對比，本次設計采用方案一。

2.4 速度顯示模塊設計與論證

依據(jù)要求，本次設計的小車應當能夠顯示具體的行駛速度。本文選取了兩種方案作為對比分析。

方案一：顯示電路由共陽極數(shù)碼管和可編程的鍵盤接口芯片構成，把單片機的I/O口和接口芯片連起來，這樣就可以精準的實現(xiàn)實時速度顯示。

方案二：把LCD和單片機直接連起來構成顯示電路。LCD液晶顯示屏可以實現(xiàn)字符和數(shù)字的顯示，它由數(shù)個5x7或者5x11點陣字符位構成。一個字符占用一個點陣字符位。

通過實際顯示效果比對，并且筆者現(xiàn)有一塊液晶LCD1602顯示屏，為了不浪費材料和金錢，采用LCD屏來顯示實時速度。

2.5 轉(zhuǎn)速測量模塊設計與論證

方案一：選擇霍爾開關型傳感器測量小車車輪轉(zhuǎn)速。具體流程是：把一塊具有磁性的鋼片安裝在非磁性材料的轉(zhuǎn)子上，霍爾開關傳感器感知接收面和鋼片的磁極對應，磁體隨著轉(zhuǎn)子運動，當然上述2個面相對時，此時霍爾傳感器產(chǎn)生一個脈沖信號并且輸出，轉(zhuǎn)速就是脈沖的時間間隔來決定的。

方案二：使用直射式光電檢測器檢測小車車輪的轉(zhuǎn)速。詳細的過程為：智能小車的驅(qū)動軸上設置一個具有透光槽的圓狀葉片，安裝應當牢固，葉片和驅(qū)動軸一起轉(zhuǎn)動，在驅(qū)動軸附近設置光電感應裝置。當驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動的時候，葉片會連續(xù)切割紅外線傳遞路徑，葉片的透光槽切割刀紅外線傳遞路徑的時候，并沒有阻擋紅外線的傳播，檢測裝置工作，紅外線接受管開始運行，產(chǎn)生電流變化。在透光槽被遮擋的時候，紅外線的傳遞路徑被阻擋，紅外接受管沒有運行，電流未產(chǎn)生變化，由于驅(qū)動軸的不斷轉(zhuǎn)動，該裝置將產(chǎn)生連續(xù)的脈沖電信號。通過檢測脈沖信號，葉片轉(zhuǎn)過的孔數(shù)可以由脈沖的個數(shù)得出，然后就可以計算出車子的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速，繼而可以得出小車的轉(zhuǎn)速了。

雖然以上方案都可以用來實現(xiàn)小車的測速，但是小車的沉淪比較小，在車輪上安裝數(shù)量眾多的瓷片不切實際，因為太過于密集，相互之間的影響也會很大，所以本小車選擇直射式光電檢測器來實現(xiàn)測速功能。

2.6 電源模塊設計與論證

小車要想運行肯定不能少了動力系統(tǒng)，所以必須要有電源來供電，小車能不能平穩(wěn)的運行跟電源性能的質(zhì)量密不可分，本設計的電源分為兩大部分，分別是單片機控制電源模塊和電機驅(qū)動模塊，電源的設計方案有很多，為了實現(xiàn)穩(wěn)定供電，有以下2種方案供選擇。

方案一：使用12V鉛酸蓄電池作為電機的驅(qū)動電源，經(jīng)過穩(wěn)流降壓后得到5V的穩(wěn)定電源，作為單片機以及其它電路系統(tǒng)的電源。蓄電池的優(yōu)勢為續(xù)航持久，輸出電壓比較穩(wěn)定，然而缺點也很明顯，質(zhì)量過重、體積過大均會增加智能小車的負擔，如果采用此方案會大大增加車子的質(zhì)量而影響整個車子的運行，因此不適合本設計的使用，所以我們并沒有使用蓄電池來供電。

方案二：采用2節(jié)3.7V鋰電池共計7.4V給直流電機供電，電池的連接方式是串聯(lián)，經(jīng)過LM7805芯片穩(wěn)壓后，得到穩(wěn)定的5V給單片機和外圍邏輯電路供電，所用到的鋰電池質(zhì)量和體積小，而且電量也足夠小車運行，電量用完還可以再次充電，既環(huán)保且經(jīng)濟，最終我們選擇了該方案作為小車的驅(qū)動電源。

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