智能小车

1 智能小车 一、实验目的 基于 MSP430 十六位超低功耗单片机，印制板工艺制作，开放式结构，便于学生组装和调试，学 生可在该平台上自由发挥，可制作出寻迹型、竞速型或自主型不同功能的智能小车。锻炼学生的传感器应 用、控制算法设计、软件编程和调试、机械装配等综合能力。 二、实验参考资料 X-SHARK 智能巡线小车模型是一辆完全由 PCB 拼装的小车。所有的机械结构和零部件都安装固定 在电路板上。因此完全不需要机械加工，非常适合业余机器人爱好者自制。 小车的左右后轮分别由 2 只 6V 直流减速电机提供动力；前导向轮是一只万向轮。430 单片机的 PWM 发生器产生 2 路占空比可变的方波，经三极管扩流后分别驱动后轮左右电机。控制 2 路 PWM 的比例，不 仅可以调节小车向前运动的速度，还可通过 2 路 PWM 占空比的差异，改变小车运动方向。 10 只反射式红外传感器位于小车前方，垂直探测地面的黑线。由传感器采回的数据求出黑线偏移量，由 PID 算法计算出转弯量，再计算 PWM 发出两轮的速度差，控制小车沿轨迹行驶。小车离意外开黑线时， 传感器无数据，还有相应的错误处理和寻线程序。 三、硬件电路与工作原理 1.电机驱动电路 左右轮电机由 2 只三极管 S9013 控制。当 PWM_L 为高时，Q6 导通，左轮电机 MG1 通电，当 PWM_L 为低时，Q6 截止，MG1 失电。控制 PWM_L 信号高低电平的时间比，就可以控制 MG1 的转速。 2 同样的方法控制右轮，利用左右轮速度差还可以转向。二极管是为了防止电机线圈电感突然断开时， 产生的高压击穿三极管。102 电容吸收电机电刷火花产生的干扰，防止其干扰其他电子设备。 2.传感器电路 传感器采用反射式红外传感器，来读取黑线位置。为了提高控制精度，要求传感器排列紧密，越近越 好。但传感器排列紧密，传感器发射管的光线可能会从地面反射进入临近传感器的接收管。 为消除传感器之间互相干扰，传感器分 5 组，由 P_SEN1~P_SEN5 这 5 根 IO 口控制传感器的电源。 下图是传感器电路的一部分。 传感器采取脉冲扫描式读。例如某时刻 P_SEN1 高电平，其余 P_SEN2~5 低，这样 1、6 号传感器的 红外发射管亮，其余传感器不发射红外线。等待数据稳定后，读取 1、6 号传感器的数据。然后关闭 1、6 号传感器，打开 2、7 号传感器电源，依次类推，读取 10 个传感器的数据。 3 这样可以保证任何时刻都不会有临近的传感器同时工作。从而保证了相邻传感器之间不会互相干扰。 同时，红外发射管是除了电机之外耗电最大的器件，脉冲工作方式可以大大减少耗电量。 3.红外数据传输电路 为了实时监测小车的运行状态，需要将小车的数据传到电脑或其他设备上。本车设计了红外数据 传输电路，可以在 15 米范围内接收小车的运行数据。 红外数据传输的原理非常简单：我们知道，单片机的串口通过电平转换后，可以直接和 PC 机通讯。 如果将串口数据（高低电平）调制到红外光上，就能对外发射。那么在接收端，将光信号转换回高低电平 信号，再转成 232 电平，就能和 PC 机通信。为了达到一定距离的传输，还需要将红外线调制到一定频率 上，这里选择了遥控器的调制频率（38KHz）。 发射电路图如下，MTXD 脚为单片机的串口（UART）输出脚 TXD，它控制一片 555 振荡器的使能脚 （4 脚）。当 MTXD 为高时，Q8 导通，555 的 4 脚低电平，不工作。3 脚一直高，红外发射管不亮。当 MTXD 为低时，Q8 截止，555 的 4 脚高电平，震荡器工作。3 脚输出 38KHz 方波，红外发射管发射 38KHz 的红 外光。 4 在接收端，为了恢复原始信号，需要对 38KHz 红外光进行接受、放大、解调、整形、等处理。这里我 们利用了电视机的一体化红外遥控接收头作为解调器件。它专门处理并解调遥控器发出的 38KHz 红外光信 号。 红外接收头的功能是在感应到 38KHz 红外光时，输出低电平，反之输出高电平。那么当串口发 1 时， 没有光发出，接收头输出 1，当串口发 0 时，555 驱动红外发射管发出 38KHz 光，被接收头感应到，输出 1。这样就恢复了和串口完全一致的原始数据，再经过 TTL/232 电平转换，被计算机串口接收。 4.处理器电路 小车采用一片 MSP430F123 作为控制器。它具有 3 路 PWM 控制器和串口。并且刚好用完全部 22 个 IO 口，其中：传感器输入 10 个 IO 口、传感器控制 5 个 IO 口、电机控制 2 个 IO 口、红外数传 1 个 IO 口、 JTAG 占用 4 个 IO 口。 系统采用 32KHz 晶振作为定时采样用，主时钟用 800K 左右的 DCO。另外留有 JTAG 口可以现场编程。 四、实验要求 1. 桌面上贴一条黑胶布，编制程序，读取黑线位置。 2. 在空地上，让小车自由行走。编制调速、左传弯、右转弯程序。并能控制速度和拐弯量 3. 编写 PID 算法程序，用黑线位置控制小车运动。从而实现巡线运动。将巡线程序烧入，在贴有环 形和 8 字形的跑道上试验小车。 4.练习 PID 参数的整定，让小车速度最快、巡线动作最流畅、反应迅速、无超调。 五、实验注意事项 1. 注意开始试验时，尽量用低速。以免程序失控，高速碰撞损坏小车。 2. 调整 PID 参数时，应仔细认真，反复试验，直到小车达到最佳状态。 5 3. 为设计方便，给出一组参考值： 采样周期=1/64 秒 最左传感器=-45 最右传感器=+45 坐满舵=-2500 右满舵=2500 时 P=200 I=0 D=180 六、实验结果 该实验要求写出完整的实验，要求如下： 1.实验方法：对实验要求的理解和认识、与实验有关的硬件电路分析、所采用的程序设计方法 2.流程图：按实验要求给出程序流程图。 3.控制方法分析：对控制方法进行必要的说明和分析。 4.程序：给出注释不少于 50%的 C 语言程序清单。 七、发挥部分 1. 改进传感器电路：目前的方法还不能消除环境光的干扰。消除环境光有几种：一是用遮光罩； 二是减低接收管灵敏度、加大红外脉冲强度，使得发射光强远高于环境光。三是用 AD 来读取接收管的输 出电压值，在红外不发射时读一次，发射时读一次，两次相减求差值作为判断依据，这样可以几乎完全消 除环境光的影响 2. 改进红外数传电路：受到调制方式和解调器件的限制，38KHz 的调制下，最大只能实现 2400bps 的波特率。增加调制频率到 100KHz，并且自制解调电路（比如 NE567 做解调）。预计可以实现 9600bps 的 波特率。