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课程设计作品：自动避障小车组员：常凯刘旭巩靖一、前言设计背景：在科学探索和紧急抢险中经常会遇到对与一些危险或人类不能直接到达的地域的探测，这些就需要用机器人来完成。而在机器人在复杂地形中行进时自动避障是一项必不可少也是最基本的功能。因此，自动避障系统的研发就应运而生。我们的自动避障小车就是基于这一系统开发而成的。意义随着科技的发展，对于未知空间和人类所不能直接到达的地域的探索逐步成为热门，这就使机器人的自动避障有了重大的意义。我们的自动避障小车就是自动避障机器人中的一类。自动避障小车可以作为地域探索机器人和紧急抢险机器人的运动系统，让机器人在行进中自动避过障碍物。成员情况本组三位成员均为2005级基地班学生，都选修过数字电路课程。二、总体方案设计1、设计要求小车从无障碍地区启动前进，感应前进路线上的障碍物后，根据障碍物的位置选择下一步行进方向。并可通过两个独立按键对小车进行控速。2、小车自动避障的原理小车车头处装有三个光电开关，中间一个光电开关对向正前方，两侧的光电开关向两边各分开30度，（如右图所示）。小车在行进过程中由光电开关向前方发射出红外线，当红外线遇到障碍物时发生漫反射，反射光被光电开关接收。小车根据三个光电开关接受信号的情况来判断前方障碍物的分布并做出相应的动作。光电开关的平均探测距离为30cm。3、模块方案比较及论证根据设计要求，我们的自动避障小车主要由六个模块构成：车体框架、电源及稳压模块、主控模块、逻辑模块、探测模块、电机驱动模块组成。各模块分述如下：3.1车体框架在设计车体框架时，我们有两套起始方案，自己制作和直接购买玩具电动车。方案一：自己设计制作车架自己制作小车底盘，用两个直流减速电机作为主动轮，利用两电机的转速差完成直行、左转、右转、左后转、右后转、倒车等动作。减速电机扭矩大，转速较慢，易于控制和调速，符合避障小车的要求。而且自己制作小车框架，可以根据电路板及传感器安装需求设计空间，使得车体美观紧凑。但自己制作小车设计制作周期较长，且费用较高，因而我们放弃这一方案。方案二：购买玩具电动车玩具电动车价格低廉，有完整的驱动、传动和控制单元，其中传动装置是我们所需的，缩短了开发周期。但玩具电动车采用普通直流电机驱动，带负载能力差，调速方面对程序要求较高。同时，玩具电动车转向依靠前轮电机带动前轮转向完成，精度低。考虑到利用玩具电动小车做车架开发周期短，可留够充分的时间用于系统调试，且硬件上的不足我们有信心用优良的算法来弥补，故我们选择方案二。3.2电源及稳压模块方案一：采用交流电经直流稳压处理后供电采用交流电提供直流稳压电源，电流驱动能力及电压稳定性最好，且负载对电源影响也最小。但由于需要电线对小车供电，极大影响了壁障小车行动的灵活性及地形的适应能力。而且壁障小车极易把拖在地上的电线识别为障碍物，人为增加了不必要的障碍。故我们放弃了这一方案。方案二：采用蓄电池供电蓄电池具有较强的电流驱动能力和较好的电压稳定性能，且成本低廉。可采用蓄电池经7812芯片稳压后给电机供电，再经过降压接7805芯片给单片机及其他逻辑单元供电。但蓄电池体积相对庞大，且重量过大，造成电机负载过大，不适合我们采用的小车车架（玩具电动车车架）。故我们放弃了这一方案。方案三：采用干电池组进行供电采用四节干电池降压至5V后给单片机及其他逻辑单元供电，另取六节干电池为电机及光电开关供电。这样电机启动及制动时的短暂电压干扰不会影响到逻辑单元和单片机的工作。干电池用电池盒封装，体积和重量较小，同时玩具车底座可以安装四节干电池，正好可为单片机及其他逻辑单元供电。在稳压方面，起始时考虑使用7805芯片对6V的电池电压进行降压稳压。但考虑到这样使得7805芯片消耗大量能量，降低电池寿命；同时，由于mega16、光电开关、小车电机对于供电电压要求并不苛刻，故我们将6V电池电压接一个二极管降压后直接给单片机及其他逻辑单元供电。而电机和光电开关的电源不做稳压处理。这样只需在小车主板上加两个调速按钮，根据电池电量选择合适功率即可，甚至于可直接在软件里设置自动换挡。综合考虑，我们采用方案三。示意图如下3.3主控模块作为单片机原理与接口技术课程的courseproject，我们直接选用了课程主要介绍的，Atmel公司的ATmaga16L单片机作为主控模块。Mega16是高性能、低功耗的8位AVR微处理器，具有先进的RISC结构，内部集成两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器和一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器。可通过JTAG对MCU进行程序烧写及仿真。内置晶振，使用方便。在设计开发过程中我们使用课程设计提供的开发板进行程序调试和下载，配车使用时直接将MCU拔出插入我们小车系统电路板底座中。示意图如下：3.4逻辑模块在探测模块和单片机中断接口之间、独立按键与单片机中断接口之间，需要经过电平的逻辑处理进行连接。主要涉及到一个三输入或非门和一个二输入与门。这两个逻辑关系我们直接选用74HC系列的集成芯片实现。由于三输入或非门在市场上很难购买到，我们采用了两个二输入或非门和一个二输入与门完成了三输入或非门。由于我们采用的74HC08（四二输入与门）、74HC02（四二输入或非门）均为四二输入的，各提供四个二输入与门和四个二输入或非门，我们用各用一片芯片即可实现所需逻辑功能。示意图如下：3.5探测模块方案一：使用超声波探测器超声波探测器探测距离远，测距方便。但由于声波衍射现象较严重，且波包散面太大，易造成障碍物的错误判断。同时，超声波探测具有几厘米甚至几十厘米的盲区，这对于我们的避障小车是个致命的限制。故我们放弃了这一方案。方案二：使用光电对管探测光电对关价格低廉，性能稳定，但探测距离过近（一般不超过3cm），使得小车必须制动迅速。而我们由于采用普通直流电机作为原动力，制动距离至少需要10cm。因此我们放弃了这一方案。方案三：使用视频采集处理装置进行探测使用CCD实时采集小车前进路线上的图像并进行实时传输及处理，这是最精确的障碍物信息采集方案，可以对障碍物进行精确定位和测距。但是使用视频采集会大大增加小车成本和设计开发难度，而且考虑到我们小车行进转弯的精确度并未达到视频处理的精度，因而使用视频采集在实际应用中是个很大的浪费，所以我们放弃了这一方案。方案四：使用光电开关进行障碍物信息采集使用三只E3F-DS30C4光电开关，分别探测正前方，前右侧，前左侧障碍物信息，在特殊地形（如障碍物密集地形）可将正前方的光电开关移置后方进行探测。E3F-DS30C4光电开关平均有效探测距离0~30cm可调，且抗外界背景光干扰能力强，可在日光下正常工作（理论上应避免日光和强光源的直接照射）。我们小车换档调速后的最大制动距离不超过30cm，一般在10~20cm左右，因而探测距离满足我们的小车需求。综上考虑，我们选用方案四。示意图如下：3.6电机驱动模块方案一：使用分立原件搭建电机驱动电路使用分立原件搭建电机驱动电路造价低廉，在大规模生产中使用广泛。但分立原件H桥电路工作性能不够稳定，较易出现硬件上的故障，故我们放弃了这一方案。方案二：使用L298N芯片驱动电机L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的IO口提供信号，而且带有使能端，方便PWM调速，电路简单，性能稳定，使用比较方便。L298N芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，正好符合我们小车两个二相电机的驱动要求。综合考虑，我们采用L298N芯片驱动小车电机。控制示意图如下：?最终方案如下：使用干电池组对系统供电，改造玩具电动车作为小车底座，采用Mega16L作为主控芯片，采用E3F-DS30C4光电开关进行障碍物探测，使用L298N驱动直流电机。逻辑关系处理使用74HC系列芯片完成。三、单元模块设计1、各单元模块功能介绍及电路设计自动避障小车系统的整体电路原理图如下：??1.1直流电源降压经过测量，一般四节新南孚电池串联带负载后可提供5.8V电压。经过二极管稳压至5.1~5.2V后给逻辑器件供电并给系统提供高电平标准。?1.2主控芯片使用Mega16L的PA0~PA3接电机驱动芯片L298N的IN1~IN4，实现对电机驱动芯片的控制，进而控制电机的转动。使用Mega16L的PB0~PB2接经过电平转换的探测器信号线，实现对障碍物信息的采集。使用Mega16L的PC0、PC1接受独立按键信号，实现对小车行进过程中速度的控制。由于我们小车电机电源没有经过稳压，随着电池电量的消耗，电机电池组的电压逐渐降低，因而小车速度会发生变化。我们就可以通过独立按键对速度进行提前设定，使得即使电池组电量变化，小车也能按预定速度行进。使用Mega16L的PD2、PD3接收中断信息。在软件部分我们可以看到，随着程序的不断完善，最终我们的INT0，即PD2并没有使用。使用引脚10为单片机供电，引脚31接地。?1.3逻辑模块设计任务：三个传感器信号线给出逻辑电平信号，当任何一个是高电平时，给INT0一个低电平信号。（如上一部分所述，最终我们用定时器中断代替了这个外部中断，但作为硬件设计和焊接的一部分，我们还是给以阐释）。两个独立按键分别控制提速和减速，没有按下时，信号线给出高电平。当任意一键按下时，信号线给出低电平，同时给出一个低电平给INT1。任务实现：第一个任务的实现原本想采用三输入或非门74HC27实现。但由于市场上缺乏供应，我们用74HC08的一个二输入与门和74HC02的两个二输入或非门完成。?第二个任务逻辑的实现使用74HC08的一个与门实现。按键功能的实现，是使用了两个5K1的电阻分别连接两个按键与逻辑高电平（+5V），无键按下电平上拉至逻辑高电平，有键按下时降至0V。1.4探测模块探测模块的电路图：设计任务：1.三个光电开关探测前方障碍物。2.将光电开关传回的非标准的开关电平信号转换成CMOS标准电平（即将0~9V转换成0~5V）。任务实现：1.光电开关发射出的红外线在经障碍物漫反射后会由光电开关再接收到，这会引起光电开关传回的电平的变化。若前方有障碍物，则光电开关传回低电平；若前方无障碍物，则光电开关传回的是高电平。有电平的变化可以实现对前方障碍物的探测。2.光电开关传回的信号是非标准的电平信号，这对于Mega16芯片是不适用的。因此，我们使用了三个8050三极管来实现电平的转换。由三极管的电气特性，当其基极为低电平时，即基极——发射极电压小于导通压降，其输出电平为高电平，在其输出端有用一个5K1的电阻上拉，使输出的高电压为+5V；而在基极为高电平时，三极管发射极正偏，输出电平为0。这样输出电平已经转化为CMOS标准电平。不过，这时传回到Mega16的电平信号已经和原来光电开关传回的信号高低相反，但这并不影响前方障碍物的探测。1.5电机驱动模块电机驱动模块的电路图：电机驱动模块主要功能是将主控芯片发出的信号通过L298N电机控制芯片转化为小车实际的动作。L298N芯片有两个电源引脚VDD引脚和VCC引脚。VDD引脚接+9V电源用来给电机供电，VCC引脚接+5V电源用来给芯片供电，并作为逻辑高电平标准。L298N芯片通过一个有四个4148二极管组成的保护电路与电机相连，保护电路主要是用来在电机开启和关闭时泄流之用。由于我们一直让转向电机以最大功率使能从而获得最大的扭矩，保证小车转向成功，而不需要控制转向电机的输出功率，所以ENA引脚（即转向电机使能引脚）直接接+5V，即让转向电机一直使能。对于后置的驱动电机，我们不仅要控制其实现前进、后退和停止，还要能够控制其转速以解决由于电量不足而产生的小车变慢的问题。所以，我们将L298N芯片的ENB引脚与Mega16的PB3引脚（即OC0）连接，用来实现PWM调速。L298N芯片的IN1和IN2引脚分别和Mega16的PA1和PA0引脚连接用来接收主控芯片输出的转向电机的动作指令，并通过OUT1和OUT2来控制转向电机的正转与反转，最终功能的实现表现在小车的左转与右转。