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自动追光避障小车设计.doc

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.28M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    目录 摘要…………………………………………………..………………………….2 关键词………………………………………………………………………2 方案设计……………………………………………………………………3 1.1 系统总体方案设计…………………………………………………..…3 1.2 模块方案比较与论证………………………………………………..…3  1.2.1 车体设计…………………………………………………..……3  1.2.2 控制器模块…………………………………………………..…3  1.2.3 电源模块………………………………………………………..4  1.2.4 避障模块……………………………………………………..…4  1.2.5 小车电机模块………………………………………………...…4  1.2.6 小车自动追光模块…………………………………………..5  1.2.7 太阳能板自动追光模块……………………………………..5  1.2.8 太阳能充电模块………………………………………………5 1.3 最终方案………………………………………………………..……….…6 2.理论计算与分析……………………………………………………….……6 2.1 太阳能板追光和引导原理……………………………………..………..6 2.2 控制电路设计……………………………………………………..……..6 2.3 跟踪引导算法……………………………………………………..……..6 3.设计实现…………………………………………………………….……..7 3.1 硬件实现…………………………………………………………..………..7 3.2 软件实现……………………………………………………………………7 4．测试……………………………………………………………………..…..8 4.1 测试设备…………………………………………………………....8 4.2 测试结果………………………………………………………...….8 5.结论…………………………………………………………………….…..8 1
    追光避障电动小车 摘要：本系统以飞思卡尔公司的 16 位微处理器 MC9S12XS128 为控制核心，使用 两块半桥驱动芯片 MC33886 并联控制直流电机的正反转，控制小车的前进和后 退；使用 STC89C52 单片机控制太阳能电池板自动追光系统，使太阳能电池板始 终对准光源，提高系统效率；太阳能充电电路对蓄电池充电；用光电接近开关组 成的避障模块能使小车自动避障；另外考虑到小车侧面无避障模块，我们加了类 似触须的微动开关使其完整无误的避障；小车自动追光自动避障系统和太阳能追 光充电系统分由 MC9S12XS128 和 STC89C52 控制，避免了信号的干扰；电源模块 是用 7.2V 蓄电池供电，经 LM7805、LM7806 稳压后为各模块供电；太阳能充电自 动追光自动避障电动小车充分利用绿色资源，实现了小车的智能化，有着十分广 泛的应用前景。 关键词：MC9S12XS128 电机 舵机 追光 避障 2
    1.系统设计 1.1.整体方案设计 整体框图如下图 1-1。 此电动小车由自动追光自动避障系统和自动追光太阳能充电系统组成。自动 追光自动避障系统用 MC9S12XS128 单片机为核心器件，检测光电接近开关和自制 追光传感器输入信号执行相应的程序，控制电机转动的方式，达到小车自动追光 自动避障的功能。太阳能自动追光充电系统用 STC89C52 单片机为控制器件，检 测自制追光传感器输入信号执行相应的程序执行电机正反转程序，电机正转或反 转，控制对光装置转动，使太阳能电池板始终正对光源。 图 1-1 1.2 模块方案比较与论证 1.2.1 车体设计 方案 1：自己制作电动车。经过考虑，若自己制作电动车，价格便宜，可靠 性良好，但制作工序复杂，耗费大量时间，在如此紧迫的赛程里，我们只能选择 放弃此方案。 方案 2：使用已有车模改装。在已有车模的基础上进行改装，省去了制作电 动车的大量时间，且可靠性高，用塑料做的车架，比铁制小车更轻便、美观，综 合考虑，我们选择此方案。 1.2.2 控制器模块 方案 1：采用可编程逻辑器件 CPLD 作为控制器。CPLD 可以实现各种复杂的 逻辑功能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、IO 资源丰富、易于进行功能 扩展。采用并行的输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模控制系统 的控制核心。但本系统部需要发杂的逻辑功能，对数据的处理速度的要求也不是 非常高。从使用经济的角度考虑我们放弃了此方案。 方案 2：采用 MC9S12XS128 单片机和 STC89C52 最小系统。MC9S12XS128 的最 3
    小硬件系统由时钟晶振电路、BDM 接口电路、复位电路、MC9S12XS128 芯片等构 成，MC9S12DG128 单片机具有 16 路 10 位/8 位高速 AD 接口，可方便的扩展任何 传感器。16 位 4 通道/8 位 8 通道的 PWM 口可以方便的扩展电机，可以很好的控 制小车的运行。STC89C52 最小系统和步进电机 2003 驱动模块，实现大转矩步进 电机的驱动，独立控制太阳能电池板的转动。经过对小车的组装与机械部分的调 整，使得小车结构更为合理且稳定，性能良好。经过仔细比较，我们选择方案 2。 1.2.3 电源模块 方案 1 采用若几节干电池串联供电。干电池有较强的电机驱动能力以及 稳定的电压输出性能。但是，携带电池盒会影响整体布局，在小型电动车上使用 不方便，且不能很好的利用太阳能充电系统。因此我们放弃了此种方案。 方案 2：采用 7.2V 蓄电池为系统供电。7.2V 电压蓄电池经过 LM7805、 LM7806 稳压后，可为电机的驱动和单片机系统的工作提供稳定的电压，且携带 方便，便于调整布局，综合考虑，选用了此方案。 1.2.4 避障模块 方案 1：用超声波传感器进行避障。超声波传感器在避障系统中普遍使用， 其避障性能很好，接收与发射信号不易受外界干扰，可以很好的实现避障的功能， 但是，超声波传感器信号调制复杂，技术难度较高，综合考虑后，放弃此方案。 方案 2：使用实验室已有的光电接近开关作为传感器进行避障，用微动开关 改良避障性能。光电接近开关检测距离长，检测对象广泛，响应速度快，分辨能 力高，且不受磁场和振动的影响，在本系统中使用可靠性高，反应灵敏，足以满 足要求，所以选用此方案。 1.2.5 小车电机模块 1.2.5.1 电机的选择 方案 1：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。但是，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，不适合 于小车等有一定速度要求的系统。综合考虑比较，我们放弃了此方案。 方案 2：采用直流电机。直流电机转动力矩大，体积小，重量轻，转配简 单，使用方便。由于其内部由高速电动机提供原始动力，可以产生大扭力。能够 较好的满足系统要求，舵机可用于控制前轮转动角度，可实现避障功能。因此我 们选择此方案。 1.2.5.2 电机驱动模块 方案 1：用单片机的 PWM 信号控制电机的转速，即可实现电机转弯，电机驱 动采用 MC33886 其有两路 PWM 信号输入，可同时控制几个电机。此外 MC33886 芯片内置了控制逻辑、电荷泵、门驱动电路以及低导通电阻的 MOSFET 输出电路， 适合用来控制感性直流负载。通过控制 MC33886 的四根输入线可以方便地实现 电机正转、能耗制动及反接制动（原理图见附录图 4）。很好的满足了本系统的 4
    要求。 方案 2：直流电机用分立元件构成驱动电路。由分立元件构成电机驱动电路， 结构简单，价格低廉，。但是这种电路工作性能不够稳定，结构复杂。综合考虑， 选择方案 1。 1.2.6 小车自动追光模块 方案 1：使用光敏电阻检测光源，反应灵敏度一般，检测距离范围有限，其 受外部影响较大，检测信号易出现误差，故放弃使用此方案。 方案 2：使用光电三极管自制追光传感器。原理图见附录图一。此方案价格 低廉，可靠性良好，且便于安装在小车上，经过试验得知反应灵敏，能满足此系 统的要求，所以我们选择此方案。 1.2.7 太阳能板自动追光模块 方案 1：自制新型自动跟随器（图 1-2）和 MC9S12XS128 单 片机控制。其原理是光源发生偏移的时候，控制部分发出控制信 号驱动马达 1 带动小齿轮转动，大齿轮固定则小齿轮自转的同时 围绕大齿轮转动，因此带动转动架以及固定在转动架上的主轴、 支架以及接收器转动；同时控制信号驱动马达 2 带动接收器相对 与支架转动，通过马达 1、马达 2 的共同工作实现对光源方位角 和高度角的跟随。但此方案制作复杂，成本较高，由于时间仓促， 我们只能放弃此方案。 图 1-2 方案 2:自制自动追光传感器和简易机械装置，用 STC89C52 单片机控制。此 方案由光电三极管自制一传感器采集信号供给 STC89C52 单片机控制步进电机的 转动方式，避免了与追光避障系统的信号混淆。用轴连接于步进电机伸出轴，太 阳能板固定于轴上，步进电机旋转即可控制太阳能板自动追光，该方法简单易行， 独立控制，可靠性高，由于故选用此方案。 1.2.8 太阳能充电模块 方案 1：恒流充电。恒流充电方式是一种简单的充电方法。但是，恒流充电 有其局限性：对电池过充电就会造成电池寿命的缩短，而过小电流又会延长充电 时间。我们不考虑用此方案。 方案 2：恒压充电。太阳能电池板可以产生 3—6V 的空载输出电压，接 1.2 可充电镍镉电池后，输出电压为 2V,正好供给电池充电，同时串联一个 LED 灯， 指示充电状态，综合考虑，选择此方案。 1.3 最终方案 模 块 车 体 设计 控制器 模 块 避 障 模 块 小车 电机 选择 小车电 机驱动 模块 小 车 自 动 追 光 模块 电 源 模 块 太 阳 能 充 电 模 块 太 阳 能 板 自 动 追光 模块 5
    已有 车模 改装 最 终 方 案 MC9S12X S128 单 片 机 和 STC89C5 2 单 片 机 最 小 系统 直流 电机 7.2V 蓄电 池 使 用 接 近 开 关 作 为 传 感 器 进 行避障 使 用 MC33 886 芯 片 控 制 使 用 光 电 三 极 管 自 制 传 感器 自 制 简 易 自 动 追 光 装 置 恒 压 充 电 2.理论计算与分析 2.1 太阳能板追光和引导原理 自制太阳能板追光传感器电路图如附录图 1；其原理上是：使用两对光电三 极管进行分压，将产生的电压引出与可调电位器的电压通过比较器 LM339 产生相 应的信号提供给 STC89C52 单片机，执行相应的程序，控制电机正反转，使电池 板始终对准光源。 2.2 控制电路设计 2.2.1 小车自动追光自动避障电路（见附录图 2） 2.2.2 太阳能自动追光系统电路（见附录图 3） 2.3 跟踪引导算法 图 2-1 3.设计实现 3.1 硬件实现 6
    图 3-1 3.2 软件实现 3.2.1 小车自动追光自动避障的实现 图 3-2 图 3-3 3.2.2 太阳能电池板自动追光的实现 图 3-4 4.测试 4.1 测试设备 7
    测试场地规格：1.5m*1.5m；2m*2m；2.5m*2.5m 卷尺：精度 0.01m 秒表：精度 0.01s 4.2 测试结果 为小车测试设置不同的环境，改变实验场地大小，障碍物个数等条件，记录 小车行驶的相关数据分析小车性能。实验数据如下表： 场地规格 (单位：m) 光源离 小车距 小车行 驶直线 障碍物 个数 小车停 止时离 光源距 完成时 间（s） 离 距离 1.4 1.35 1.34 1.82 1.82 1.77 2.40 / 2.35 离 0.10 0.15 0.16 0.18 0.18 0.23 0.10 / 0.15 30 39 38 41 45 44 43 卡住 49 1.5*1.5 1.5 2*2 2 2.5*2.5 2.5 3 5 5 5.结论 太阳能 电池板 是否对 准光源 是 是 是 是 是 是 是 是 是 充电显 示 显示 显示 显示 显示 显示 显示 显示 显示 显示 基 本 要 求 完 成 情 况 发 挥 部 分 完 成 情 况 小车前进方向 上至少随机放置三 个障碍物。遇到障 碍物，小车应绕道 前进 在小车绕道过 程中，太阳能 板应始终对准 光源 到 达 离 光 源 一 定 位 置后，小车 应 停 止 前 进 小 车 前 进 直 线 距 离 大 于 1.2 米，时间 不大于 2 分钟 能 显 示 太 阳 能 为 蓄 电 池 供 电 状态 完成 完成 完成 完成 完成 障碍物 5 个以上 完 成 时 间 不 大 于 1 分钟 能逆着光源前 进，并绕过障 碍物。但太阳 能板始终对准 光源 其它 在 无 白 炽 灯 光源情况下， 小 车 可 以 沿 自 然 光 源 方 向前进 完成 完成 完成 完成 基本完 成 8
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