智能小车设计指导 第二版.pdf 河海大学出版 巡线小车制作 手工制作 竞赛
目录 第·章初识智能小车 1.1常见的两种类型. 1.2智能小车的基本结构 111 第二章车体设计…… 21小车的拆卸. 22舵机的安装… 23车体的整体布局… 33345 第三章硬件设计.…. 31电源模块设计 311智能车电源设计要点 312低压差稳压芯片LM2940简介 32单片机最小系统设计 321单片机最小系统简介 6 32251单片机最小系统设计 33循迹模块设计… 31红外光电管的工作原理 332检测电路设计… 10 333光电检测部分的发挥设计 12 34舵机转向模块设计… 12 341舵机的工作原理 12 342常见舵机简介及使用注意事项 .13 35后轮电机驱动模块设计 14 351H桥驭动电路的工作原理 14 352常用H桥集成电路芯片L298 16 3.6测速模块 ,117 第四章程序设计. 18 41PWM的相关知识…18 411PWM简介以及实现 18 41251单片机产生PWM波… 19 4.2舵机的控制 ..::.:::::..:·:::: 21 43后轮电机的控制 .22 44程序总体的设计 45稈序设计的发挥与拓展… 23 第五章测试与调试 .24 51测试与调试…… 24 5,2智能车的测试步骤 24 第六章车速的测量 26 6.1车速测量的重要性 26 62车速测量的几种方式… 621霍尔传感器检测 26 622反射式光电检测 6,23透射式光电检测 ..26 63车速测量的单片机实现… 第七章擐像头的使用 28 7.1摄像头L作原理及简介 28 7.2模拟摄像头视频分离电路没计∴. 7.3摄像头选型 7.4摄像头安装 9022 75基本视频信号采集 751使用单片机内部转换 34 7.52使用外部AD转换器… 35 75.3使用模拟电路对信号进行转化(参考北京科技大学CCD一队) 36 第八章电传感器的使用. 38 81智能汽车电磁组简介: 灬38 8220KHz电源参考设计方案 38 821电源技术指标要求 38 822电源组成 82.3功率输出电路……… 40 824恒流控制 -42 825参考设计电路 42 826电源调试… 43 827注意事项. annaaaaanndnnaiannannaa 44 83电磁组传感器及模路径检测设计参考方案 44 831设计原理. 番·看 832磁场检测方法 45 833电路设计… 48 834传感器的设计与调试…… 52 835检测方案 54 84软件部分的简要流程图 56 85结束语 第九章激光传感器的使用与设计 .a.::::::a:aa:.:::.:a:::::..a:::::.aa:.::::: 58 91激光传感器的工作原理和驱动 58 92激光传感器的选用与注意事项 58 93激光管的布局和安装 58 第十章算法设计 10.1摄像头组处理算法, 60 101.1黑线提取算法 .60 102车体控制算法 2 1021P|D算法… 62 1022预判算法 .63 基础部分 本部分主要介绍制作智能小车所需要最基本的软硬件相关知识,本部分在讲解基础知识以及设 计原理的冋时乜提供了典型的应用电路,方便初学者进行制作。希望读者能够认真阅读,广泛查阋 资料,弄清楚各模块的原理之后再动手制作,切忌照搬电路图,硬套栏序。 智能小车设计指导第二版 第一章初识智能小车 1.1常见的两种类型 首先既然是小车就要有一个车最基本的转向和驱动功能,对于一般电子设计常用的小车如下图 所示,图1.1为常见的两和小车,首先是第一种,这种小车的优点在于可以获得很大的速度,由于 转向采用的是舵机所以缺点就在于要想转弯一定要有一定的转角。这类小车就是校内智能小车比赛 和飞思卡尔采用的类型,通常为后轮直沇电机驱动+前轮舵机转向的方式,但是也有例外,像2007 年的全国大学生电子改计竞赛中的电动车跷跷板一题,为∫达到精确的控制效果,很多人将后轮改 为步进电机驱动。 后一种是在木届全国电设中设计的小车,小车采用的是双步进电机+双万向轮的方式,当然也有 采用直流电机+万向轮的方式,这类的小车的优点在于转弯不需要转角,可以原地转弯,其次是可以 精确控制小车行进路线,缺点是无法获得很大是速度,这种小车在本文中将不再叙述。 这两种小车都有各自的伉点,使用步进电机还是用直流电机驱动也要根据只体的竞赛题来选择, 直流电机的优点在于控制简单,转速快,缺点在于无法控制转过角度,可能要和很多外部传感器配 合使用,增加了硬件的设计难度。步进电机的优点在于角度、转速可控,可以开环控制,缺点在于 控制较为麻烦,无法实现较高的速度。本书将以飞思卡尔智能汽车为参考,介绍智能车的相关基础 知识。 图1.1智能车常见的两和类型 2智能小车的基本结构 在下面的文章中我将以上图的第一种小车为例介绍一下智能小车的结构。 如图12所示,小车的结构主要分为以下几个部分: 1.循迹模块:用于探测黑线的位置,基础由若干个光电管组成,通过反射红外线的变化判断黑线 的有无。高年级的同学建议尝试使用摄像头等作为传感器。 2.舵杋转向模块,通过一定占空比的方波控制舵机转过的角度,舵机具有力矩人,响应速度快等 特点,在航模,机器人等设计中应用非常广泛,舵机的控制也是只能小车程序设计的重要部分。 3.电机驱动模块,由于单片杋输出的电流有限,无法直接驱动电机进行工作,因此需要通过专用 的电路进行驱动,只要单片机给出相应的控制信号,便可控制电机工作,本文以较为常用的H 桥驱动芯片L298N为例,鼓励大家自行选择更合适的驱动方案 4.单片杋模块,根据使用的传感器和控制策略的不同,单片机的选择也不同,对于低年级刚入门 的同学可以使用51单片机,有一定基础的同学可以使用性能稍强的AVR系列,高年级同学推 荐使用MsP430或者S12等其他性能吏强的单片机 第一章初识智能小车 OSTA 5.电源模块,由于小车采用电池供电,因此合理的设计一个电源模块是小车稳定运行的前提 图1.2智能小车的基本结构 以上只是针对小车结构的一个简单介绍,要完成整体的设计每一部分都很重要,在后面文章中 我会依次详细叙述。 智能小车设计指导第二版 第二章车体设计 2.1小车的拆卸 这一点不用多说,一般选用的是带有无线遙控功能的可转向的玩只车,所以第一步就是拆掉除 后轮驱动电机之外的所有多余部分,其次就是在拆卸的时候要充分的考虑到自己的安装要求,切 不可盲目,也没必要留着多余的部件 2.2舵机的安装 完成」玩只车的拆卸之后要做的第二步就是安装舵机,现在市场上卖的玩只车虽然也只有转向 功能,但是前轮的转向多是依靠直流电机来驱动,无论向哪个方向转都是一下打到底,无法控制转 过固定的角度,因此根据我们的设计需求,需要将原有的转向部分替换成现有的舵札,以实见固定 转角的转向。舵机的实物图如图2.1所示。 需要说明的是由于小车系玩具车改装,在安装舵机是需要合理的利用小车的结构,将舵机安装 牢回,同时还需注意合理利用购买舵机是附贈的齿轮,从而将舵机固定在合适的位置。舵机的安装 方式有俯式、卧式多种,不同的安装方法力臂长短、响应速度都有所不同,这一点请自己根据实际 情况合理选择,图2.2为舵机的安装图 图2.1舵机实物图 图2.2舵机安装图 舵机安装过程中有一点需要尤其注意,由于舵机不是360°可转的,因此必须保证车轮左右转 的极限在舵机的转角范围之内。 舵机安装亢毕之后就可以对小车的转角进行控制了,但是由于玩具车的车体设计往往限制了小 车的转角,因此可以对小车进行局部的“破坏”来增大前轮的转角,要知道在比赛中追求速度的同 时一个大的转角对小车的可控性会有一个很大的提升,如图2.3所示,就是对增加小车转角的一个 改造,这是我在去年小车比赛中的用法。将阻碍前轮转角的一部分用烙铁直接烫掉。 但是这种做法也有风险,由于你的改造会破坏小车的整体结构,有可能会对小车的馊件结构造 成破坏,因此如果你的小车在改造之后显得过于脆弱的话那你就要对你的小车采取些加固措施了。 第二章车体设计 eSTA 图2.3增加车轮转角的方法 2.3车体的整体布局 除了舵机的安装,车体的整体布局也是很重要的一方面,好的布局不仅能够増强小车的美观性, 也能够提高小车的整体性能。首先是电路板的放置,很多自己搭建的电路板要合理的安装在小车上, 还要考虑到比赛过程中可能的冲撞给电路板带来的损害,在电路板的安装中尤其注意循迹模块的安 装,由于循迹模块安装在小车的前部,伸出车体的长短都有讲究在设计时要有所考虑。其次是电池 的放置,由于电池较重,电池的放置直接影响到小车的重心,在追求速度的比赛中对电池安装的位 置乜要有所考虑,具体的优劣这里只做提醒,不多叙述。 智能小车设计指导第二版 第三章硬件设计 3.1电源模块设计 311智能车电源设计要点 电源是整个系统稳定工作的前提,因此必须有一个合理的电源设计,对于小车来说电源设计应 注意两点: 1.与一般的稳压电源不同,小车的电池电压一般在6-8V左右,还要考虑在电池损耗的情况下电压 的降低,因此常用的78系列稳压芯片不能够满足要求,因此必须采用低压差的稳压芯片, 在木文中以较为常见的LM294050为例 2.单片机必须与大电流器件分开供电,避免大电流器件对单片机造成干扰,影响单片机的稳定运 行 现在各种新型的电源芯片层岀不穷,各位读者可以根据自己的需求自行选择电源芯片,对于本 设计应该上要注意稳压压差和最大输出电流两个指标能否满足设计要求 312低压差稳压芯片LM2940简介 LM2940系列是输出电压固定的低压差三端端稳压器;输出电压有5V、8V、10V多种;最大输 出电流1A;输出电流1A时,最小输入输出电压差小于0.8V;最大输入电压26V;工作温度-40~+125℃ 内含静态电流降低电路、电流限制、过热保护、电池反接和反插入保护电路。冋时LM2940价格适 中而且较容易购买,非常适合在本设计中使用。 LM2940-50封装和实物图如图31所示。 o-220) Plastic Package GND QUTPUT GN囗 INPUT 图3.1LM2940封装和实物图 从封装可以看出LM294050与78系列完全相同,实际应用中电路也大同小异。图3.2为参考 电路图。