智能小车实验报告

智能⼩车实验报告

简易智能电动⼩车

摘要：

本系统基于运动控制原理，以MSP430为控制核⼼，⽤红外传感器、超声探头、光敏电阻、霍尔传感器之间相互配合，实现了⼩车的智能化，⼩车完成了⾃动寻迹、避障、寻光⼊库、铁⽚检测、⾏程测量的功能，整个系统控制灵活，反应灵敏。

关键词：MSP430 传感器运动控制系统Abstract:

This system based on motion control principle, as control core, with MSP430 infrared sensors, ultrasonic probe, photoconductive resistance,hall sensors, realize the interaction between the intelligent of the car, the car completed the automatic tracing, obstacle avoidance, found thelight inventory, iron detection, the function of the trip, the whole system measurement control flexible, sensitive reaction.

Keywords: MSP430 sensor motion control system

⽬录

摘要： (2)

⼀、⽅案的设计和论证 (4)1、控制器的选择 (4)

2、执⾏部件电动机 (5)

3、电机驱动 (5)

4、传感器 (6)

4.1、引导线的检测 (6)

4.2、⾦属的探测 (6)

4.3、路程的测量 (7)

4.4、障碍物的探测 (7)

4.5、寻光⼊库 (8)

5、电源 (8)

6、系统总体设计⽅案 (8)

⼆、硬件设计 (9)1、前向通道 (9)

1．1、循迹 (9)

1.2、⾦属探测 (11)

1.3、路程测量 (11)

1.4、避障 (12)

1.5、寻光⼊库 (14)

2、后向通道 (14)

2.1、步进电机驱动 (14)

2.2、直流电机驱动电路 (15)

2.3、声光信号 (15)

3、电源 (16)

三、软件设计 (16)

四、综合调试 (18)

五、测试结果与分析 (18)六、总结分析 (18)

七、参考⽂献 (19)

⼀、⽅案的设计和论证

根据题意可知，本系统是由电动机、功率放⼤与变换装置、控制器及其相应的传感器所构成的典型运动控制系统，其整体结构如图1所⽰：

将题中所给的各个指标转化为数字信号，并将其当作给定信号送给控制器，经过必要的算法处理，最后通过执⾏部件电动机反映⾄⼩车的运动状态上，传感器的作⽤在于实时检测⼩车的这种状态，并将运动的⾮电量转换为电压信号反馈给控制器，从⽽构成整个运动控制系统。对于每个模块器件的选择与搭建如下：1、控制器的选择

⽅案⼀：采⽤⼀⽚51单⽚机，配合FPGA进⾏控制。FPGA直接控制执⾏元件并通过传感器获得状态参数，单⽚机负责进⾏运算和总控制。此⽅案可简化系统，FPGA能实现控制⼝的扩展，但对程序的要求较⾼。

⽅案⼆：采⽤两⽚51单⽚机配合进⾏控制。⼀⽚单⽚机作为主机，另⼀⽚单⽚机作为从机，主机完成控制，从机完成定时，计数等数据处理任务，为主机服务。此⽅案有着丰富的单⽚机资源，但硬件上较为复杂，⽽且两⽚单⽚机之间存在协调的问题。

⽅案三：利⽤TI的单⽚机MSP430，该芯⽚集成了模拟电路、数字电路、微处理器，具有AD采样、⽐较器、产⽣PWM控制信号等功能。此外，MSP430有更充⾜的I/O⼝，可以很好的实现对⼩车的控制。

题⽬对⼩车的实时性要求不是很⾼，所以我们所需要的控制单元不必要具备很⾼的运算速度，故三种⽅案都可以很好的实现题⽬的要求。但为了简化硬件、有效的利⽤有限的单⽚机资源和调试的⽅便，我们采⽤了⽅案三，且这可以最⼤程度上减轻⼩车的质量，使⼩车的运动更为灵活。2、执⾏部件电动机

⽅案⼀：不改变⼩车⾃带的电机体系，即前轮和后轮都使⽤直流电机分别控制⼩车的转向和前进后退，该⽅案在硬件上节省了部分的驱动电路，且在前轮不给控制时，会处于摆正状态，不需软件调节。虽然直流电机不易精确控制，但对于⼩车来说，其精确性并不⼗分重要。⽽其调速平滑⽅便，可实现频繁的⽆级快速起动、制动和反转；调整范围⼴、过载能⼒强、能承受频繁的冲击负载等优点则显得尤为突出。

⽅案⼆：前轮和后轮的电机都换为步进电机，步进电机的优点是具有快速启动和停转能⼒、转动⾓度精确。但此⽅案缺点显著，步进电机的功率⼩、速度慢，另外，其价格较⾼，且在原有的⼩车结构上不易找到合适的步进电机进⾏安装，硬件改造难度很⾼。

考虑到步进电机的质量较⼤，且控制复杂，故综合两种⽅案，将后轮⽤直流电机，⽽前轮⽤步进电机，这样在转向时可以有⾜够的档位，以实现较为精确的转向控制，但每次转向完毕，需再次⽤软件实现摆正。⽽后轮的直流电机也有⾜够的驱动能⼒带动⼩车的前进和后退。3、电机驱动

由于系统采⽤了两种电机，则其驱动也是通过不同的电路实现的，对于直流电机，其驱动⽅案如下：

⽅案⼀：采⽤H型桥式驱动电路，直流电机驱动使⽤最⼴泛的是H型桥式驱动电路，这种电机可以很⽅便的实现直流电机的四象限运⾏，分别对应正转、正转制动、反转、反转制动。但是使⽤时需要注意直通短路，这给电路带来了不稳定因素。

⽅案⼆：采⽤继电器⽅式。利⽤继电器控制供电电路的通断，改变其通断频率便可得到合适的转速和驱动功率。此⽅案电路简单，但继电器的机械特性易损坏、寿命短、可靠性不⾼。

⽅案三：利⽤驱动专⽤芯⽚L298，L298是集成的桥式驱动电路，最⼤驱动电流可达到4A。该芯⽚使⽤时外围电路简单，控制⽅法⼗分⽅便。⽽且其驱动效果良好。

对直流电机的转速和功率的控制归根结底即是对电机输⼊电压的控制，根据PWM斩波（直流变压）原理可知：斩波频率越⾼，变压效果越好，直流电机转速

越稳定。⽽继电器作为机械开关不可避免的会限制电路开关频率的的提⾼。从⽅便控制和电路稳定性的⾓度考虑，采⽤⽅案三。

对于步进电机，有如下的驱动⽅案：

⽅案⼀：⽤L298N驱动该四相的步进电机，其输出电压最⾼可达50V，可以直接通过电源来调节输出的电压，通过单⽚机对L298N的IN1~IN4⼝和ENA、ENB ⼝发送脉冲信号来控制电机的转速和⽅向。

⽅案⼆：L297加驱动器L298N组成的步进电机控制电路,该电路具有以下优点：使⽤元件少，组件的损耗低，可靠性⾼体积⼩，软件开发简单，并且单⽚机硬件费⽤⼤⼤减少。L297与L298配合使⽤控制双极步进电机⼯作电流可达2.5A，L297的特性是只需要时钟、⽅向和模式输⼊信号。相位是由内部产⽣的，因此可减轻单⽚机和程序设计的负担。综合考虑，采⽤⽅案⼆作为步进电机的驱动电路。4、传感器

4.1、引导线的检测

⽅案⼀：⽤光敏传感器。地⾯的⿊⾊和⽩⾊反光程度不同，由此判断传感器是否在⿊线上⽅。但此⽅法易受到外界光源的影响，检测的灵敏度与⼩车的⾏驶环境有关，这就降低了系统的适应能⼒和可靠性。

⽅案⼆：采⽤反射式红外传感器ST188。红外线检测⽅法则能在⼀定程度上避免外界光源⼲扰的问题。⼀般光源红外线频段能量较弱，对传感器的⼲扰较⼩，⽽且红外线波长⼤，近距离衰减⼩，⽤红外传感器探测近距离⿊线更可靠。

考虑到系统调试的过程中，⾏驶环境会有⼀定变化，因此选⽤⽅案⼆。引导⿊线宽2CM，我们使⽤四个反射式红外传感器，将中间两个反射式红外传感器装在⿊线的两侧，考虑到要使⼩车有充分的反应时间，将红外装在靠近车头部位，适当加⼤传感器的距离。当⼩车偏离引导线时，某⼀侧的红外传感器会探测到⿊线，控制前轮向该⽅向转向，使⼩车回到原轨道。4.2、⾦属的探测

⽅案⼀：采⽤分⽴的霍尔元件。由于霍尔元件的电磁效应，在⼩车接近铁⽚时会产⽣脉冲信号。但产⽣脉冲信号不够稳定，持续时间不长、灵敏度低。

⽅案⼆：采⽤⼯业⽤的集成⾦属检测元件涡流式接近开关。接近开关⼀检

测到铁⽚就会稳定的输出脉冲信号，抗⼲扰能⼒强。且元件使⽤简单，灵敏度较⾼。

由于集成式的接近开关的抗⼲扰能⼒强，且产⽣的脉冲波形稳定故我们决定采⽤⽅案⼆。4.3、路程的测量

要获取⼩车的⾏程或距离，关键是得到车轮的转速，转速的测量则有以下⼏种⽅案：

⽅案⼀：采⽤红外传感器。在车轮上均匀地安装多个遮光条，⽤计数光脉冲的⽅法测量车轮的转速，并据此计算车⼦的位移。只要合适的选取遮光条就能得到较⾼的精确度。但为了使测量效果最好，需在安装位置等⽅⾯占⽤较多的调试时间。

⽅案⼆：采⽤霍尔传感器。霍尔传感器由霍尔开关、磁铁组成。其⼯作原理是将霍尔开关和磁铁分别安装在车架、车轮的适当位置。辆⾏驶时，在磁铁的作⽤下，霍尔开关产⽣开关信号，累计开关信号的总数，再乘上车轮的周长，便可计算出车辆⾏驶的距离。

⽅案三：借鉴光电⿏标的⼯作原理。使⽤光电传感器ST135，在车轮的轮轴上安装⼀个齿轮，⽤计数光脉冲的⽅法测量⼩车的位移，并据此计算车⼦的速度。

考虑到安装传感器的部位在车轮处，此处较弱的光强会影响光电码盘的⼯作，使得⽅案⼀在测量时会受到较⼤的影响。⽽霍尔传感器受到的影响这较⼩，故⽅案⼆可以实现较精确的测量。对于⽅案三，虽然可以减⼩更多的⼲扰，但其安装较为困难，所以我们选择⽅案⼆。4.4、障碍物的探测

⽅案⼀：利⽤激光测距来进⾏探测。此⽅案探测距离⽐较准确、性能可靠；但造价较⾼，已经超出了学⽣的购买⼒。

⽅案⼆：采⽤超声波探测。超声波频率⾼、波长短、定向性好、能量集中，适合于距离测量，且不易受光线⼲扰，提⾼了系统的可靠性，另外还可以障碍物的位置进⾏定位。但是电路结构稍微复杂⼀些，调试上也存在困难。

⽅案三：采⽤反射式红外探测。其电路形式⽐较简单，但其测量的距离⽐较近，对⼩车的避障是很不利的。

综上所述，采⽤⽅案⼆，再进⾏合适的参数选取以及必要的调试，就可使

最终的结果满⾜题⽬的要求。4.5、寻光⼊库

⽅案⼀：采⽤被动式红外探测器。被动式红外探测器内部有接收红外光的光敏三极管，可以接收障碍物等其他物体发射的红外光。这种检测⽅法利⽤⽇光灯发热产⽣的较强的红外光来检测光源，在能检测到和不能检测到光源的临界点，光敏三极管的射极输出电压有⼀个较⼤的跃变，便于后级处理。

⽅案⼆：采⽤光敏电阻。在车头部装朝五个不同⽅向的光敏电阻，当光敏电阻受到光源照射时，电阻很⼩，背光时电阻很⼤。通过MSP430内部的AD采集五路光敏电阻上的分压，通过⽐较实现光源的探测。

被动式红外探测器在变化的光源下输出的是⼀个跃变，故只有两种状态，不适合⼩车的寻光。然⽽，光敏电阻可以连续的变化，可以⽐较三个及三个以上⽅向的光强⼤⼩，更合适⼩车的寻光。于是我们选择⽅案⼆。5、电源

⽅案⼀：双电源供电，由于电机的运作对电源的冲击很⼤，故使⽤⼀组电源（6V）对直流电机和步进电机单独供电，另使⽤⼀组电源对单⽚机系统和传感器模块供电，这样可以降低彼此间的⼲扰，但会使⽤到将近⼗节电池，从⽽加⼤了⼩车的重量。

⽅案⼆：单电源供电，使⽤⼀⼤功率的电池，且电压⾜够⾼，我们选取的为12.6V，再通过不同稳压器件将电压分别提供给电机以及单⽚机传感器系统，这也达到了隔离的效果。

⽅案⼆明显减轻了整个系统的质量，且有很好的隔离效果，故我们选⽤⽅案⼆。