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1往返小车设计报告一.题目要求1、任务设计并制作一个能自动往返于起跑线与终点线间的小汽车。允许用玩具汽车改装，但不能用人工遥控（包括有线和无线遥控）。跑道宽度0.5m，表面贴有白纸，两侧有挡板，挡板与地面垂直，其高度不低于20cm。在跑道的B、C、D、E、F、G各点处画有2cm宽的黑线，各段的长度如图1所示。2、要求A．基本要求（1）车辆从起跑线出发（出发前，车体不得超出起跑线），到达终点线后停留10秒，然后自动返回起跑线（允许倒车返回）。往返一次的时间应力求最短（从合上汽车电源开关开始计时）。（2）到达终点线和返回起跑线时，停车位置离起跑线和终点线偏差应最小（以车辆中心点与终点线或起跑线中心线之间距离作为偏差的测量值）。（3）D～E间为限速区，车辆往返均要求以低速通过，通过时间不得少于8秒，但不允许在限速区内停车。B．发挥部分（1）自动记录、显示一次往返时间（记录显示装置要求安装在车上）。（2）自动记录、显示行驶距离（记录显示装置要求安装在车上）。（3）其它特色与创新。3、评分标准项目与指标满分2基本要求设计与总结报告：方案比较、设计与论证，理论分析与计算，电路图及有关设计文件，测试方法与仪器，测试数据及测试结果分析。50实际制作完成情况50发挥部分完成第（1）项15完成第（2）项25完成第（3）项104、说明（1）不允许在跑道内外区域另外设置任何标志或检测装置。（2）车辆（含在车体上附加的任何装置）外围尺寸的限制：长度≤35cm，宽度≤15cm。（3）必须在车身顶部明显标出车辆中心点位置，即横向与纵向两条中心线的交点。二.方案论证与选择1.方向控制方案的选择：方案一：采用后轮动力驱动，前轮由舵机控制其转向。这种方式的优点是转向快速度快，转向灵敏，适合于高速场合，但是其缺点是转弯半径大，不易控制转角，不适合用在对转角精度要求较高的场合。方案二：采用左右两个独立电机驱动，通过控制两电机的转速和正反转来控制车的方向，即通过左右速度差来控制转向。其优点是转弯半径可以很小，甚至可以原地转弯，角度也可以精确控制，适合转向角度比较精确的场合，但是其缺点是转弯速度较慢。根据本次题目的要求，对转弯的精度要求较高，而速度没有很高的要求，所以方向控制选择第二种方案。2.电机的选择：方案一：采用步进电机。步进电机转角精确，扭矩大，但转速较慢，且控制较为复杂。方案二：采用直流电机。直流电机控制不如步进电机精确，但是其速度快，体积小，并且更容易控制。考虑题目的要求，并不需要精确到用步进电机，为了控制的方便，故采用直流电机驱动。3.车体的选择方案一：采用RP5履带车底盘，其比较专业驱动能力强，扭矩大，，造型美观，扩展性3强，但是比较贵（不过不用自己掏钱）。方案二：用玩具车改造。成本较低，且省去很多制作上的麻烦，但是由于其是已经设计好的产品，扩展性差，许多方面很难达到我们需要的要求。方案三：自己做车体。这样可以制作出完全符合我们要求的小车车体，各部分可以进行专门的设计，但是制作方面费时费力，在整个题目中将占据较多的时间和精力，成本较高。综上考虑，采用方案一，直接选用RP5履带车模型做扩展。三.总体设计1.方案设计：本系统以51单片机为核心，实现控制小车转速、方向、采集信息，显示等功能。红外传感器避障，可以使小车尽量沿跑道的中线运动，以实现最小偏差。扫描黑线，可以判断小车所在的位置。2.系统框图：C51小车驱动电机寻线传感器LCD时间显示红外避障LCD路程显示3.理论分析与参数设计：（1）转速与距离的计算根据测量，轮子的直径（已经包含履带）D=5cm，周长s=15.7cm，测速齿轮与车轮的转速比为4:1，设行驶距离为S，齿轮转动总圈数为n，则S与n的关系为S=15.7*n/4=3.93*n（cm）。现假设以车的几何中心为轴线转90°，则每边轮子需走过的距离为¼的以轮距宽度为直径的圆弧，即9.42cm，算得计数齿轮需要转3圈。通过一定的换算，就可以计算出转任意角度时计数齿轮所需转的圈数。减速区的长度为2m，需要计数齿轮转动50.9圈，而停留时间要大于8s，所以齿轮的转速要小于6.3转每秒。以上均为理论计算，由于摩擦力和打滑现象的存在，转弯角度会跟计算值有4些偏差，需要做统计实验进行修正。（2）避障传感器感应距离的计算：跑道的宽度为0.5m，左右两个避障传感器的间距为10cm，让车在中线时传感器刚好能感应到两侧挡板的情况为最好，因此传感器的感应距离应设定在比20cm略小一点比较合适。四.硬件设计直流电机直流电机L298NAT89s52液晶显示屏复位1复位23412比较器LM339开关RP5履带车底盘黑白线检测传感器阵列避障传感器组橡胶履带硬件系统俯视图整体系统如上图所示，由MCU、电机驱动模块、黑白线检测模块、红外避障模块、显示模块和键盘模块等构成。单片机及一些基础模块不作介绍。1.电机驱动模块：直接选用L298N驱动直流电机，由单片机给它PWM波控制其驱动电机。原理图如下：52.测速模块：测速模块采用了H12A5，它是一个光电门，将它固定在齿轮上方，带孔的齿轮夹于其缝中，当齿轮上的孔经过传感器时，输出电压会发生变化，在经过比较器整波，就能得到一串稳定的脉冲信号。比较器采用LM339。电路图如下,距离的计算：根据测量，齿轮转动四周，车轮转动一周，车轮直径为5cm，所以齿轮每转一周车轮前进的距离为5/4*Picm。分别对两齿轮圈数进行计为Q1,Q2，取平均值，再乘以轮转每圈的距离s，就可以得到所走的路程S=（Q1+Q2）/2*5/4*Pi=5*（Q1+Q2）*Pi/8。3.黑白线检测模块：黑白线检测模块采用了ST188红外反射型对管作为传感器，发射接收集成在6一起，使用方便。由于采用红外光，因此受可见光影响较小，在其输出端接比较器，能得到更稳定的波形。应用电路图如下R4可以用来调节门限电压，从而调节传感器的感应距离。在输出端串入一个发光二极管，可帮助判断传感器的工作状态，方便调试。4.红外避障模块：红外避障模块的传感器仍采用红外对管st188，由于检测距离要比检测黑白线的传感器大，因此需要减小与发射二极管串联的电阻，使其发射增强，同时还要降低比较器的门限电压，以便在传感器感应微弱的情况下也能检测到障碍物。五.软件设计1.寻黑线方法一：用中断法，光电传感器产生高低电平，当寻到黑线出现低电平，有下降沿，所以可以用中断，下降沿触发方式。方法二：用扫描法，不断扫描IO口，光电传感器寻到黑线出现低电平，所以当我们发现光电传感器对应的IO口出现低电平，就表示寻到黑线。中断是不错的选择，感应比较灵敏，但是对于本往返小车。中断用比较多，在用中断容易出问题。我本次选择扫描法，多调用几次扫描函数也能达到通用的目的。流程图如下7寻黑线开始，黑线数为0有无黑线黑线数++减速停十秒YY黑线=3黑线=4N加速YN黑线=6YN2.避障为保证偏离中线尽可能小，用了光电传感器来避障，当小车偏离中线的左侧时，小车应该向右一定的角度；当小车偏离中线的右侧时，小车应该向右一定的角度；当没有偏离时，小车继续向前进。流程图如下避障开始小车无偏差小车向左转一定角度走直线右偏左偏YYY小车向右转一定角度NN六.系统8测试1.测试方法：时间的测量直接用秒表测量，距离固定值，用米尺来测量，与单片机测量出的距离进行比较，小车的中心与起点线和终点线的偏差。2.测量数据：测量次数系统时间（s）实际时间（s）系统距离(m)实际距离(m)时间差(s)距离差(cm)与终点偏差(cm)与起点偏差（cm）1636311.910.50140232656612.110.51160023606110.910.5140214626211.210.507011七．总结本次设计基本完成了题目的全部要求，能正常完成各项指定任务，并且工作稳定，制作工艺方面也精益求精，使其外观尽量紧凑美观，软件方面也力求简洁可靠。然而本设计任然存在不少不完善和有待改进的地方，例如传感器受可见光的影响较大，程序中中断和扫描之间时间上的冲突，还有行驶速度过慢等等，这些正是设计的真正难点所在，也是此题的价值所在。因此在今后的各种设计中，都会继续考虑这些问题并力图解决。