从机械到电路教你做智能小车

X-SHARK 智能小车V1.0 设计参考手册西安电子科技大学测控技术与仪器教研中心
2006-05-09
1．概述
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。

本文简述了X-SHARK智能巡线小车的设计思路和实现过程。

包括小车的机械结构、电路、软件、控制算法、调试方法等。

可作为一般的设计参考。

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。

2．机械结构
2．1 后轮（驱动轮）
两块2mm厚的PCB板通过2支沉头螺栓定为一体，构成了后轮的主体。

用小锉刀沿两板夹缝，挫一道V型槽，上一条O型橡胶圈，就构成一只轮胎。

后轮的固定采用过盈配合。

轮的中心孔为2.8mm,比电机轴略小0.2mm。

PCB板挖空2个圆孔，并用狭缝和中心孔贯通，构成一个有弹性的“卡缝”。

将电机轴用力推入轮中心孔，PCB由于弹性形变会略微扩张，弹力将轴紧紧抱死。

改进：现在的缺点是O型圈容易脱落，可用704硅橡胶固定。

另外为了固定O型圈，需要用挫加工V型槽。

可改为3块PCB构成轮子，中间一块半径略小2mm。

2．2 前轮（导向轮）
前轮是决定小车能否灵活拐弯的关键部分。

这辆小车和汽车不同，不是靠前轮摆舵控制转弯，而是靠左右后轮速度差来实现转弯控制。

这样前轮实际上是从动轮。

下图中，当左轮速度高于右轮时，小车右转弯；前轮的速度可以分解为前进的速度和水平侧移的速度。

普通定轴前轮只能垂直方向前进，水平方向是无法左右滑动的。

因此小车不可能实现拐弯（实际的结果是：因为前轮不能活动，右轮也成了从动轮，两轮速度一样，直线前进）。

所以前轮一定要能够侧滑，并能转向。

最简单的方法是使用万向轮。

一般机械上使用的万向轮非常笨重，实验效果很不理想。

这里我们设计了一种简易的万向轮：用一根镀锌铁丝弯成半圆形作为支架，穿一小轮。

当小车右转弯时，小轮相对于支架左滑动（其实是小轮因为地面摩擦而不动，支架右滑），转弯角也随之改变；小轮还会根据转弯量自动地调整到合适的角度。

这种结构小轮是自由的，只要有轻微的力，就能使小轮滑动，转向非常灵活。

2．3 电机
小车的动力采用直流减速电机直接驱动，省去了齿轮组、传动部件等复杂的机械结构。

这里选择了6V/300rpm的电机，速度和力矩都比较适中。

电机的安装采用焊接。

电机背面2个电源端子用粗铜丝焊在电路板上，克服电机自由转动。

电路板上刻有一比电机略长的槽口，卡住电机，用拉紧的铜丝焊在电路板将电机固定，克服前后运动。

改进：减速电机成本高，且300rpm以上的电机需12V供电，不方便。

竞速车可改为
录音机的磁带驱动电机（约3000rpm，车轮要减小）。

2．4 传感器
传感器选用反射式红外传感器ST188，它的最佳探测距离为4-12mm。

因此需要调整传感器离路面的高度8mm左右。

传感器引脚很细，容易晃动，需要穿过一块支撑板以增加强度；同时还可以通过铜柱的高度或增加垫片来细调传感器离地面的距离。

3．硬件电路
3．1 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。

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。

3.2 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。

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。

改进：目前的方法还不能消除环境光的干扰。

消除环境光有几种办法：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。

3．3 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检测设备上。

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。

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。

改进：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。

3．4 处理器电路
小车采用一片MSP430F123作为控制器。

它具有2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。

4．控制算法与软件
4．1 黑线位置判别
地面的黑线是导引线，位置读取和计算的准确度、稳定性将直接影响小车的控制和运行。

下图是实际运行中出现的情况，黑块表示感应到黑线的传感器。

传感器的排布较密，可能1~2个传感器都能踩到黑线；转弯处车身倾斜甚至3~4个传感器都能踩到黑线。

应该求黑线的中心位置作为结果。

计算的方法是从左数，找到第一个黑色传感器编i，再从右数，找到第一个黑色传感器编j。

(i+j)/2就是黑线中心位置。

改进：如果传感器读回这些数据，该如何处理？
4．2 转弯控制
前文已述，只要改变左右两轮的速度比，即可控制小车的转弯方向。

软件上占空比可设置为0~100.0%，分别对应到寄存器数据的0~1000。

按右图控制左右轮PWM寄存器的值，即可控制转向。

改进：这种方法的速度控制是开环的。

占空比和实际速度、实际转弯角之间并是很不严格的线性。

加上电机的差异、负重的不同、电池电量的差别、轮胎大小的差别都会造成速度的差异。

虽然下一节的巡线算法可以将这些误差都包进反馈环而得以校正，但会造成控制性能的下降。

车轮上可以安装反射辐条，或者打孔，用红外传感器计算脉冲频率而测量速度，并做
速度反馈，将轮速严格保持在指令给定的速度上，控制性能会有明显提高。

4．2 巡线算法
小车是一个非常典型的惯性系统。

对于这一类被控对象，PID算法能简单有效的进行控制。

对PID算法做个简单的说明：
假设小车中心线在黑线中心线上，偏差为0，小车正常行驶。

如果某时刻检测到黑线偏左，就要向左转弯；如果检测到黑线偏右，就要向右转。

偏得越多，就要向黑线方向打越大的舵角。

这就是比例控制（P）
遗憾的是，这种方法并不能将小车稳定在线上，因为小车有惯性。

假设黑线偏左，说明小车偏右了，需要左传舵，等到小车回到中心的时候，停止转舵，可是小车的惯性会使车身继续左转，直到冲过黑线，黑线又偏右。

然后控制过程反复，车身是在左右摇摆中向前行走的。

这种摇摆叫做“超调”，超调越大，控制越不稳定，容易出轨。

为了克服惯性，最简单的办法是任何控制动作都提前一点。

适当调整提前量可以抵消惯性；另外，即使偏移量相同的情况下，在不同半径的弯道，也需要不同的舵角。

这些都是比例控制不能实现的。

我们除了位置信息之外，还需要知道轨迹的变化趋势。

为了实现提前控制，在时间上，除非延长传感器，否则没有办法提前获知转弯。

那么我们只能在控制量上想办法。

一个函数的导数，反映了该函数的变化趋势。

同样我们可以用黑线位置的微分值来提前得到变化趋势。

用本次位置减去前次位置求出差值，就大致知道偏移量的变化趋势。

将该差值和比例相加后一起作为控制量，即可实现提前控制。

这就叫做比例微分控制（PD控制）
下图是小车的控制系统框图：
传感器位置求出后，减去中心值，得到和中心的偏差量。

该偏差量乘以比例系数得到比例控制量。

并且计算相邻若干次偏差量之间的差值，乘以微分系数，得到微分控制量。

将比例控制量和微分控制量相加，作为最终的舵角控制量。

积分控制在此系统中没有使用，原因是躲角到位置之间本身就是积分关系的，另外积分控制有相当大的滞后，对控制稳定性不利。

4．3 搜线算法
当小车因小车因惯性、超调、控制失败、环境干扰、黑线中断、等原因冲出黑线后，需要启用错误处理算法，从新搜寻黑线。

这里用了一个最简单的方法：当判断传感器没有读到黑线位置时，不运算也不输出，这样小车会保持冲出黑线前最后一刻的姿态，继续前进。

如果黑线中断或被遮挡，小车会沿原定路线走，如果小车因为超调、惯性拐出跑道，会继续满舵转圈寻找黑线。

这种方法简单，但很多情况下会找不到跑道。

是一个值得改进的地方。

同学们可以发挥想象,在实验中不断改进错误处理算法，使小车能应付各种突发情况。

例如若干秒满舵转圈仍找不到黑线，就放大转圈半径，等。

5．调试与测试
5．1 比例、微分系数的调整
小车巡迹性能由P 、D两个系数决定。

对于不同质量、不同速度、不同电机、不同传感器排布、不同采样速度的小车，以及不同最小转弯半径的跑道，都要仔细调整这几个参数。

调整的方法请参考《自控原理》和《过程控制》、《计算机控制》中关于PID参数整定方法。

需要同学们非常有耐心的反复调整和摸索，才能将小车性能调到最佳。

5．2 行驶测试
1．直线跑道测试：看小车能否沿直线稳定的前进，左右摆动越小越好，若摆动过大，
判断是超调还是欠调，改变对应的PD系数。

另外可以轻轻敲击小车，使之偏离中心，看恢复稳定时间。

2．初始位置测试：将小车不同角度放在跑道上，开始运行，看稳定时间。

3．圆形跑道测试。

实验单方向拐弯性能，看弯道是否平稳、均匀。

否则调整微分系数
4．8字跑道测试。

实验双向拐弯性能。

并且可以测试90度交叉干扰
5．直角弯测试。

试验严重超调后，稳定时间。

6．倒弯测试。

小与90度弯，试验极限情况下寻线性能。

7．随机跑道测试。

8．残缺跑道测试。

用白纸遮挡跑道一部分，测试搜线性能
9．带干扰跑道测试。

跑道有岔道、双线、断线等，测试抗干扰性能
10．。