周艷麗 張窩羊

摘 要：伴隨著科技的發(fā)展，人們對(duì)控制技術(shù)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(duì)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(chǔ)之上，分別從遙控控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、避障尋跡模塊、速度顯示模塊、轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊及電源模塊確定了控制系統(tǒng)的方案并進(jìn)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(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：控制方案;模塊設(shè)計(jì);智能小車

1 引言

現(xiàn)在各大高校相繼開(kāi)設(shè)智能機(jī)器人的專業(yè)課程，培養(yǎng)了大批智能領(lǐng)域的人才，將來(lái)的技術(shù)會(huì)越來(lái)越成熟，研發(fā)的機(jī)器人具備生物機(jī)電系統(tǒng)，所以也將會(huì)越來(lái)越智能化，更具有實(shí)用性和趣味性，為了方便使用，機(jī)器人會(huì)越來(lái)越輕盈和小巧，能無(wú)限接近人類的思想，但是無(wú)論如何發(fā)展，人類只會(huì)統(tǒng)治機(jī)器人，不會(huì)被機(jī)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(lái)的機(jī)器人能實(shí)實(shí)在在得提高社會(huì)生產(chǎn)力，為人類創(chuàng)造更高的價(jià)值，并且會(huì)極大改變?nèi)藗兊纳罘绞?，是人類的好朋友?/p>

2 方案設(shè)計(jì)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(gè)系統(tǒng)可以分為兩個(gè)部分，即信號(hào)發(fā)射器部分以及智能小車本身。其總體設(shè)計(jì)框圖包括兩個(gè)部分，如圖2.1所示：

2.1 遙控控制模塊設(shè)計(jì)與論證

在目前，普遍使用的遙控裝置能夠劃分為兩個(gè)類型，即使用紅外信號(hào)以及使用無(wú)線信號(hào)。

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(guò)編碼器將指令調(diào)解為二進(jìn)制代碼。然后通過(guò)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(jī)中，經(jīng)過(guò)解碼后得到相關(guān)指令。最后，小車控制系統(tǒng)依據(jù)具體的指令實(shí)施相應(yīng)的動(dòng)作。

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

上述的兩種思路都可以作為本設(shè)計(jì)的遙控器，雖然無(wú)線遙控控制的距離更遠(yuǎn)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(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)與論證

在當(dāng)今，小車的動(dòng)力來(lái)源通常使用電機(jī)，主要分為兩類，即直流電機(jī)以及交流電機(jī)。

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

方案二：選擇步進(jìn)電機(jī)作為本車動(dòng)力傳動(dòng)裝置。步進(jìn)電機(jī)將從輸入端輸入的電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子的角位移，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的精確定位。電機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于脈沖信號(hào)的頻率，旋轉(zhuǎn)次數(shù)取決于脈沖的數(shù)量。

本設(shè)計(jì)我選用的是直流電機(jī)，跟步進(jìn)電機(jī)對(duì)比，直流電機(jī)則有快速反應(yīng)、更大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、更優(yōu)秀的額定轉(zhuǎn)矩性能，出故障后能快速和簡(jiǎn)單的維修，所需費(fèi)用少很多。

2.3 避障循跡模塊設(shè)計(jì)與論證

經(jīng)過(guò)篩選，為了避障功能的實(shí)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(jìn)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(gòu)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(gè)檢測(cè)器，進(jìn)而可以很好的發(fā)現(xiàn)小車行進(jìn)方向是否遇到了阻礙物。通常情況下，小車的阻礙物檢測(cè)流程為：紅外線發(fā)射裝置向前方發(fā)射紅外信號(hào)，假如小車前方有阻礙物，那么該阻礙物將反射紅外線，進(jìn)而使得光敏感應(yīng)器接受到紅外光，感應(yīng)器開(kāi)始工作輸出對(duì)應(yīng)的信號(hào)，中央處理系統(tǒng)—單片機(jī)將接受到該信號(hào)，做出相應(yīng)的指令，調(diào)用躲避障礙的程序，通過(guò)控制系統(tǒng)控制小車的行進(jìn)方向，最后成功避開(kāi)阻礙物。

方案二：采用超聲波裝置檢測(cè)小車行進(jìn)方向是否有障礙物。具體的工作過(guò)程如下：小車在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候超聲波裝置實(shí)時(shí)發(fā)射超聲波，如果在行進(jìn)方向預(yù)見(jiàn)阻礙物，那么超聲波將被阻礙物反射回去，小車相應(yīng)的傳感器將接受到相應(yīng)的信號(hào)，這是傳感器將開(kāi)始工作，向單片機(jī)發(fā)出相應(yīng)的電信號(hào)，單片機(jī)在接受并處理信號(hào)后，向控制系統(tǒng)發(fā)出質(zhì)量，車子就會(huì)做出相應(yīng)的反應(yīng)，假如接收到的是高電平說(shuō)明車子遇到障礙物了，這時(shí)調(diào)用相應(yīng)的程序就可以實(shí)現(xiàn)避障操作了。

根據(jù)實(shí)際情況對(duì)比，本次設(shè)計(jì)采用方案一。

2.4 速度顯示模塊設(shè)計(jì)與論證

依據(jù)要求，本次設(shè)計(jì)的小車應(yīng)當(dāng)能夠顯示具體的行駛速度。本文選取了兩種方案作為對(duì)比分析。

方案一：顯示電路由共陽(yáng)極數(shù)碼管和可編程的鍵盤(pán)接口芯片構(gòu)成，把單片機(jī)的I/O口和接口芯片連起來(lái)，這樣就可以精準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)速度顯示。

方案二：把LCD和單片機(jī)直接連起來(lái)構(gòu)成顯示電路。LCD液晶顯示屏可以實(shí)現(xiàn)字符和數(shù)字的顯示，它由數(shù)個(gè)5x7或者5x11點(diǎn)陣字符位構(gòu)成。一個(gè)字符占用一個(gè)點(diǎn)陣字符位。

通過(guò)實(shí)際顯示效果比對(duì)，并且筆者現(xiàn)有一塊液晶LCD1602顯示屏，為了不浪費(fèi)材料和金錢，采用LCD屏來(lái)顯示實(shí)時(shí)速度。

2.5 轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊設(shè)計(jì)與論證

方案一：選擇霍爾開(kāi)關(guān)型傳感器測(cè)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(kāi)關(guān)傳感器感知接收面和鋼片的磁極對(duì)應(yīng)，磁體隨著轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)，當(dāng)然上述2個(gè)面相對(duì)時(shí)，此時(shí)霍爾傳感器產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)并且輸出，轉(zhuǎn)速就是脈沖的時(shí)間間隔來(lái)決定的。

方案二：使用直射式光電檢測(cè)器檢測(cè)小車車輪的轉(zhuǎn)速。詳細(xì)的過(guò)程為：智能小車的驅(qū)動(dòng)軸上設(shè)置一個(gè)具有透光槽的圓狀葉片，安裝應(yīng)當(dāng)牢固，葉片和驅(qū)動(dòng)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，在驅(qū)動(dòng)軸附近設(shè)置光電感應(yīng)裝置。當(dāng)驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，葉片會(huì)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(shí)候，并沒(méi)有阻擋紅外線的傳播，檢測(cè)裝置工作，紅外線接受管開(kāi)始運(yùn)行，產(chǎn)生電流變化。在透光槽被遮擋的時(shí)候，紅外線的傳遞路徑被阻擋，紅外接受管沒(méi)有運(yùn)行，電流未產(chǎn)生變化，由于驅(qū)動(dòng)軸的不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，該裝置將產(chǎn)生連續(xù)的脈沖電信號(hào)。通過(guò)檢測(cè)脈沖信號(hào)，葉片轉(zhuǎn)過(guò)的孔數(shù)可以由脈沖的個(gè)數(shù)得出，然后就可以計(jì)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(lái)實(shí)現(xiàn)小車的測(cè)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(shí)際，因?yàn)樘^(guò)于密集，相互之間的影響也會(huì)很大，所以本小車選擇直射式光電檢測(cè)器來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)速功能。

2.6 電源模塊設(shè)計(jì)與論證

小車要想運(yùn)行肯定不能少了動(dòng)力系統(tǒng)，所以必須要有電源來(lái)供電，小車能不能平穩(wěn)的運(yùn)行跟電源性能的質(zhì)量密不可分，本設(shè)計(jì)的電源分為兩大部分，分別是單片機(jī)控制電源模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，電源的設(shè)計(jì)方案有很多，為了實(shí)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(jī)的驅(qū)動(dòng)電源，經(jīng)過(guò)穩(wěn)流降壓后得到5V的穩(wěn)定電源，作為單片機(jī)以及其它電路系統(tǒng)的電源。蓄電池的優(yōu)勢(shì)為續(xù)航持久，輸出電壓比較穩(wěn)定，然而缺點(diǎn)也很明顯，質(zhì)量過(guò)重、體積過(guò)大均會(huì)增加智能小車的負(fù)擔(dān)，如果采用此方案會(huì)大大增加車子的質(zhì)量而影響整個(gè)車子的運(yùn)行，因此不適合本設(shè)計(jì)的使用，所以我們并沒(méi)有使用蓄電池來(lái)供電。

方案二：采用2節(jié)3.7V鋰電池共計(jì)7.4V給直流電機(jī)供電，電池的連接方式是串聯(lián)，經(jīng)過(guò)LM7805芯片穩(wěn)壓后，得到穩(wěn)定的5V給單片機(jī)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(yùn)行，電量用完還可以再次充電，既環(huán)保且經(jīng)濟(jì)，最終我們選擇了該方案作為小車的驅(qū)動(dòng)電源。

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