智能小车设计文档

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一、智能小车硬件系统设计 .................... 错误!未定义书签。

1.1智能小车的车体结构选择............................................... 错误!未定义书签。

1.2智能小车控制系统方案................................................... 错误!未定义书签。

1.3电源系统设计................................................................... 错误!未定义书签。

1.4障碍物检测模块............................................................... 错误!未定义书签。

1.4.1超声波传感器......................................................... 错误!未定义书签。

1.5电机驱动模块................................................................... 错误!未定义书签。

1.5.1驱动电机的选择..................................................... 错误!未定义书签。

1.5.2转速控制方法......................................................... 错误!未定义书签。

1.5.3电机驱动模块......................................................... 错误!未定义书签。

1.6速度检测模块................................................................... 错误!未定义书签。

1.6.1增量式光电编码器的工作原理............................. 错误!未定义书签。

1.6.2电机转速检测方法................................................. 错误!未定义书签。

1.7通信扩展模块................................................................... 错误!未定义书签。

1.7.1蓝牙透传模块......................................................... 错误!未定义书签。

1.8硬件设计中注意的问题................................................... 错误!未定义书签。

二、控制系统软件设计 ....................... 错误!未定义书签。

2.1 系统程序设计.................................................................. 错误!未定义书签。

2.1.1系统总体框图......................................................... 错误!未定义书签。

2.1.2障碍物探测模块程序设计..................................... 错误!未定义书签。

2.1.3电机驱动模块程序设计......................................... 错误!未定义书签。

2.1.4速度检测模块程序设计......................................... 错误!未定义书签。

2.1.5 寻迹模块程序设计................................................ 错误!未定义书签。

一、智能小车硬件系统设计
1.1智能小车的车体结构选择
目前常用的移动机器人运营机构的方式有轮式、履带式、腿式以及上述几种方式的结合。

轮式和履带式机器人适合于条件较好的路面，而腿式步行机器人则适合于条件较差的路面。

为了适应各种路面的情况，可采用轮、腿、履带并用。

在各种实用的移动机器人中以轮式机器人(Wheeled mobile robot，WMR)最为常见，它具有悠久的历史，在机械设计上非常成熟。

本文中智能小车的设计思想是作为在路面环境较好的场合中工作的机器人使用，所以采用轮式机器人。

机器人车体由车架、蓄电池、直流电机、减速器、车轮等组成，它是整个小车的基础部分。

从轮式移动机器人的车轮个数来说，常用的为三轮或四轮，更多轮的机器人则多见于可变构形的移动机器人应用。

四轮机构在稳定性方面强于三轮机构。

而一般轮式移动机器人转向装置的结构通常有两种方式，第一种方式是使用舵机转向，在此方式下前轮是自由轮，后轮是驱动轮，使用一个电机进行驱动，转向使用舵机控制转向轮(前轮)实现；此外一种方式使用差动控制转向，与舵机转向相同的是，后轮是驱动轮，但左、右轮使用独立的电机驱动，前轮为自由轮，转向通过控制左右驱动轮速度的方式实现。

综合考虑到智能小车承载能力、稳定性以及转向精度的规定，系统采用了四轮差动转向式，其中后部两轮为驱动轮，前部两轮为随动万向轮。

1.2智能小车控制系统方案
在整个智能小车系统的总体设计之中，控制系统是最重要的，它是整个系统的灵魂。

控制系统的先进与否，直接关系到整个机器人系统智能化水平的高低。

机器人的各种功能都在控制系统的统一协调前提下实现，控制系统设计的策略也决定了整个机器人系统的功能特点及其可扩展性。

本次设计的智能小车控制系统，具有了障碍物检测、自主定位、自主避障、PWM电机驱动、CAN总线通信、无线通信等一系列功能。

根据上述所提及的智能小
车的功能规定，课题研究的控制系统重要涉及：电源模块、微控制器模块、障碍检测模块、电机驱动模块、速度检测模块、通讯扩展模块等部分。

系统总体框图如图1.1所示。

具体设计过程中，各模块硬件以及软件部分力求相对独立，为日后的更新和后续升级提供便利。

图1.1 控制系统框图
在各个模块中，各模块功能划分如下：
电源模块
负责整个控制系统各部分的电源供应。

涉及驱动电机所需的12V电源和主控制器系统所需的5V和3．3V电源；
微控制器模块
作为控制系统的核心，重要进行各种信息采集、数据解决，协调系统中各功能模块完毕预定的任务；
障碍物检测模块
它由超声波传感器和红外光电传感器对机器人运动过程中的障碍物进行检测，然后传送相应信号给主控制器解决；
电机驱动模块
负责机器人左右轮的独立驱动，重要使用主控制器内置的PWM输出单元和电机驱动芯片配合，实现左右轮的差速控制；
速度检测模块
负责测量左右轮的实时转速，重要通过光电编码器和主控制器内部计数器配合检测车轮实时转速；
通信扩展模块
重要分为有线和无线两部分，有线通信模块是上位机通讯；无线通信模块由主控制器通过串行接口USART与蓝牙透传模块之间进行通讯。

1.3电源系统设计
本课题设计的智能小车，能耗重要为控制电路和电机驱动电路两部分。

主控制器电源为+5V，而电机驱动芯片293D所需电源也为+5V，电机驱动所需电源为+5v，故可选择+5V为系统的主电源。

设计选用6节1.2V容量为4500mAh的锂电池串联作为系统的供电电源。

1.4障碍物检测模块
障碍物检测是智能小车导航研究中很重要的一个部分。

在小车实际运营中，传感器相称于小车的“眼睛"，必须得到障碍物及其距离的信息，才干相应的规划自动避障导航算法。

目前用于障碍物检测的传感器重要有超声波传感器、红外光电传感器和激光测距仪等。

激光测距一般通过量测激光在发射点和目的点之间的传输时间来计算得到距离，它的原理和结构相对简朴，但价格高。

超声波测距是通过测量超声波从发射到碰到障物反射到被接受这整个过程中的时间差来拟定距离，超声波传感器使用比较方便且价格便宜，具有信息解决简朴，实时性强和价格低廉等特点，但实际使用中由于超声波发射束角过大，方向性差，只能得到障碍物简朴的距离信息，无法得
到障碍物的边界信息。

而红外光电传感器具有探测视角小，方向性强等特点，但无法拟定障碍物的距离信息。

本模块使用超声波传感器和红外光电传感器，使
用数据融合的方法得到障碍物方位及其距离信息。

1.4.1超声波传感器
(1)超声波传感器简介
超声波是人耳听不到的一种机械波，一般由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它的频率较高，但波长较短，一般产生绕射较少，且具有探测方向性好，可以成为射线而定向传播等特点，常用于障碍物的检测。

而以超声波作为检测手段，必须可以产生超声波和接受超声波，完毕这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。

这是一种既可以把电能转化为声能、又可以把声能转化为电能的装置。

实际使用中超声传感器的种类很多，按照实现超声波传感器机电转换的物理效应的不同，可将超声波传感器分为压电式、电动式、电磁式等；压电式传感器在当前无论是理论研究还是实际应用中都比较广泛；而以结构分类，如单一传感器。

能同时实现超声波发射和接受功能则将之称为收发同体式，如各自单独实现，则称为收发同体式。

本设计中选用压电式收发分体超声波传感器US-100，其实物图片如下图所示。

图1.2 超声传感器
本设计使用的US-100 超声波测距模块可实现0-4.5m 的非接触测距功能，拥有2.4-5.5V 的宽电压输入范围，静态功耗低于2mA，自带温度传感器对测距结果
进行校正，同时具有GPIO，串口等多种通信方式，内带看门狗，工作稳定可靠。

1.5电机驱动模块
本设计中智能小车采用左右两轮独立驱动，采用差速转向舵机，每一个车轮分别由一个直流电机单独进行控制。

以下从驱动电机的选择，电机转速控制方法和电机驱动模块三个方面介绍电机驱动模块的设计。

1.5.1驱动电机的选择
移动机器人驱动电机常选用步进电动或者直流电机，。

本设计中采用直流电机，它具有优良的速度控制性能，具体来说，它有下列优点：
1．具有较大的转矩，从而可以克服传动装置的摩擦转矩和负载转矩；
2．具有快速响应能力，可以适应复杂的速度变化和控制信号的变换；
3．电机的负载特性硬，有较大的过载能力，保证运营速度不受负载冲击的影响，增长的系统的可靠性：
4．直流电机的空载力矩大，在控制系统发出停转的同时可以立刻响应，并且可以产生相称大的力矩阻止机器人由于惯性继续向前移动；
5．直流电机具有很好的环境适应能力；
6．直流电机相对其他电机来说运动起来平稳，并且噪声小。

本设计选用的直流电机，其重要技术参数是：电机的额定电压5V，其额定功率为5W，每分钟转速输出为100转，电机自带减速器。

1.5.2转速控制方法
直流电动机的转速控制方法可以分为两类：调节励磁磁通的励磁控制方法和调节电枢电压的电枢控制方法。

其中励磁控制方法在实际应用中，在低速模式时磁极极易饱和，故调速范围有限，而在高速模式下，由于经常要换向，换向火花较大，且较易受到换向器结构强度对换向的限止，且由于励磁线圈电感较大，导致控制时动态响应较差，故这种方法在实际应用中并不常见。

在直流电动实际转
速控制中电枢控制应用较为广泛。

而根据在电枢电压的控制和驱动中对半导体功率器件的使用不同，可分为两种方式，一种是线性放大驱动，它是使半导体功率器件工作在其线性放大区间。

这种方式控制原理较简朴，且输出波动较小，因工作在线性区间，故线性好，且对邻近电路干扰较小：但是由于半导体功率器件工作在线性区会产生大量热量，会消耗大部分电功率，故此方式下效率较低，且需考虑散热问题，故此种方式只合用于驱动微小功率直流电动机。

绝大多数直流电动机采用此外一种电驱电压控制方式，即开关驱动方式。

这种方式下使用开关信号使半导体功率器件工作在启动和关闭状态，通过输出脉宽调制PWM电平来控制电动机电枢电压，实现调速功能。

由于一般微控制器都可输出PWM脉冲电平，故较容易在微控制器上实现此控制。

使用PWM的一个优点是从主控制器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换，可使信号保持为数字形式，可最大限度的减少系统噪音。

在实际应用中有二种方式可产生PWM信号，它们的原理是在固定期间内，通过改变占空比或者频率来得到不同的PWM信号。

第一种方式在不改变占空比大小的前提下，改变频率，从而得到恒定占空比但频率不同的脉冲信号。

它通常被称作脉频调制(PFM：Pulse Frequency Modulation)。

这种方法可在固定期间内产生许多不同频率的信号，而电机作为一种电感量相称大的元器件，在不同频率信号输入影响下会产生振动，也极易产生噪声，故在移动机器人电机控制中这种办法不常用。

此外一种是在固定期间内不改变频率，改变脉冲信号的占空比，从而得到频率恒定但占空比不同的PWM信号。

其波形如图2．12所示，在一个周期内改变高电平的连续时间，即可改变信号的占空比。

而如图所示，ON区间高电平连续的时间越长，其相应的占空比越大，在实际中使用的就是这种固定频率下改变占空比的PWM技术。

图1.3 PWM控制产生的波形
PWM技术的原理如下图所示，由图可知，在晶体三极管的基极输入PWM脉冲，在ON的时间内，由于输入是高电平，此时三极管处在导通状态，电机可以转动。

而在OFF时间内，由于输入是低电平，此时三级管处在关闭状态，此时电机将停转。

但由于续流二极管的存在，在由ON的时间切换到OFF时间内，电机线圈内部将储存部分能量，可以提供应电机使之可以在PWM脉冲的OFF区间，能继续维持运转状态。

图1.4 基于PWM速度控制
1.5.3电机驱动模块
在智能小车使用直流电机实现其行走能力，小车行走需进行前后两个方向的行进，在避开障碍物时需通过调速电机转速实现转向。

直流电机在此行进状态下工作所消耗的电流和电压都较大，其转动方向的改变需要通过改变所加电压的极性实现。

在电机实际使用中，常使用专门的电机驱动芯片进行控制。

本设计使用意法半导体公司的L293D专用电机驱动芯片驱动小车人左、右驱动轮的直流电机。

使用电机驱动芯片不仅可以大大简化硬件电路，并且输出功率较大，有助于电机转速的稳定。

L293D电机驱动芯片符合TTL(Transistor Transistor Logic，晶体管．晶体管逻辑电平)接口标准，它可直接用于驱动一些大功率感性负载，如直流和步进电机、继电器等，可通过对芯片控制信号输入端进行逻辑设定就可实现电机驱动电压的极性转换，即实现方向变化的调整。

并且L293D芯片具有工作时发热量较低，体积较小，且单芯片可独立控制两个电机，因此非常适合于本文的设计需要。

L293D为四通道输出，可用于控N-个电机。

其中Vccl、Vcc2这2个端口为电源输入端，其中Vccl为L293D芯片工作电源输入端，本设计采用默认值+5V。

Vcc2为电机的工作电源输入端，最高可达+36V，本设计采用选用电机的标准值+12V 供电。

其引脚1,2EN、3,4EN、1A、2A、3A、4A这6个端口均为控制信号输入端，配合控制2个电机的各种工作状态，如正转、反转、刹车和停止。

其中1,2EN、1A、2A端口配合控制一个电机，此外3个端口配合控制此外一个电机。

1,2EN和3,4EN 全称是CHIPENABLE，高电平有效。

实际使用中与主控制器PWM输出信号连接，当EN引脚输入为高电平状态时，其控制的电机处在运营状态，反之则处在停止状态。

引脚1Y、2Y、3Y、4Y为电机控制输出端，其中1Y、2Y两路用于控制一个电机的动作，另两个端口用于控制此外一个电机的动作。

以L293D第一路的控制信号输入为例，给出了不同控制端电平输入状况下的电机工作状况，具体表格如下表所示。

表1.1 L293D工作控制端真值表
根据上表可知，当1,2EN端输入为低电平时，电机工作状态为停止，只有EN 端输入为高电平时，电机才干工作在正转、反转、刹车状态。

而控制端1A和2A 输入电平为反相时，电机才干转动。

两端口输入电平同相时，电机工作在刹车状态下，此与电机停止状态相称。

故为了减少控制端的输入，将1A和2A的状态可设立为始终反向，使电机工作在转动模式，而电机停转可直接控制EN端输入为低电平得到。

故在电路设计中，在主控制器的通用I/O口与L293D控制端之间添加两个反相器，从而可实现了使用单个I/O控制电机实现转向改变。

可使整个电路设计简化，也方便进行相关程序设计。

具体电路如下图所示。

图1.5 电机驱动电路
1.6速度检测模块
电机作为运动控制系统的动力源，转速控制是实现系统高性能伺服驱动的关键，因此，电机转速的控制精度是控制系统首要考虑的问题。

而控制系统要想获得高精度的控制效果，就必须采用基于反馈信号的闭环控制系统，即增长测量电机转速的传感器。

此类测速传感器按测速原理来分类，重要有电磁式和光电式两类，其典型的代表分别是霍尔传感器和光电编码器。

由于光电式测速系统具有低
惯量、低噪声、高分辨率和高精度等优点，常用于高精度力矩电机的转速测量与反馈。

光电式编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。

光电编码器根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式光电编码器、绝对式光电编码器和混合式三种。

本文选用增量式光电编码器，它具有结构简朴、机械平均寿命可达几万小时以上、干扰能力强、可靠性高、适合长距离传输等优点。

主控制芯片STM32F103C8芯片内部具有4个定期器，TIMl 为高极控控制定期器，TIM2、TIM3和TIM4为3个独立的通用定期器。

定期器具有编码器输入接口和内部计时的功能，本设计中采用定期器用于实时转速测量。

1.6.1增量式光电编码器的工作原理
增量式光电编码器是以脉冲形式输出的传感器。

通常装在被检测轴上，随被测轴一起转动，从而检测电机的转速。

增量式光电编码器的工作原理如下图所示。

它由一个中心有轴的光电码盘2，其上有环形通、暗的刻线，有光电发射器件l 和接受器件检测若干脉冲信号。

当电机转动时，由于圆盘安装在轴上，也随着一起转动。

当圆盘旋转一个节距时，接受器件获得二组正弦波信号组成A、B，此两组信号相差90度相位差。

可通过比较A相在前还是B相在前，以判别编码器的正转与反转，即电机的旋转方向。

C相产生的脉冲为基准脉冲，又称零点脉冲，光电编码器每转一圈产生一个脉冲，通过对单位时间内光电编码器输出脉冲的个数进行相应计算即可得出当前电动机的转速。

图1.6 光电编码器工作原理
1.6.2电机转速检测方法
由上可知本文采用的是增量式光电编码器作为电机转速测量装置，测速原理是通过对单位时间脉冲进行计数。

但实际中用于测量的方法，分为以下三种：第一种方法是测量在规定期间内的脉冲个数，即测量频率来计算得到转速值，此方法称为M 法(测频法)，它在转速为高速的情况下精度较高。

第二种是测量连续二个脉冲之间的时间差历来计算得到实时转速，此方法被称为T 法(周期法)，此方法在转速为低速情况下精度较高。

第三种是同时测量时间和此时间内脉冲个数来计算得到转速，此方法被称为M/T 法(频率/周期法)。

此方法结合了以上测频法和测周期法的优点，在实际中较为常用。

而小车在实际运营中，由于需要避障，需工作在高速和低速两种模式，故使用M/T 法(频率/周期法)来测量车轮的实时转速。

以下以实际公式说明此方法的计算过程。

设光电码盘每转一圈输出P 个脉冲，在TI(单位为s)时间内，编码器输入m1个脉冲，则电机的转速Ns(单位为r/min)由以下公式计算： 1
160PT m N S (1) 在T2(T2=Tl+AT ，单位为s)时间内，设此时主控制器内部计数频率为fc ，计数值为m2，使用T 法(周期法)计算T2，可由以下公式得到：
c
f m T 22= (2) 将公式2带入公式1中可以计算得到转速： 2
160pm m f N c s = (3) 由上式可见，这种测速方法的原理是：在T2时间内，可得到外部输入脉冲个数为ml ，由主控制器内部计时频率fc 得到的脉冲个数为m2。

一方面使用公式2计算时间T ，然后代入公式1中按公式3计算电机转速。

由上可知，公式1使用的是M 法(测频法)，而公式2是使用的T 法(周期法)。

故公式3集中使用了这两种测速方法，M 法(测频法)和T 法(周期法)，故称此测速方法是M/T 法(频率/周期法)。

实际中使用主控制器内部的定期器编码器输入接口得到ml ，内部计数模式得到fc 和m2，使用公式3即可得到小车左、右轮实时转速。

1.7通信扩展模块
本设计以上所用的传感器以及电机驱动电路等构成的智能小车为半自主移动机器人，可以依靠其自身携带的传感器，感知周边的环境并进行决策，进行诸如途径规划、定位、导航等自主操作。

但是由于外部环境的复杂性和未知性，在一定情况下机器人的行为需要人为的干预，所以小车必须具有和外界进行信息互换的接口，即通信接口。

本设计的通信模块重要是蓝牙透传模块ZK-07。

ZK-07是新一代无线蓝牙数传模块，可以透明传输任何大小的数据，而用户无须编写复杂的设立与传输程序。

同时具小体积， 宽电压。

模块外部接口采用透明数据传输传输方式，能适应标准或非标准的用户协议，所收的数据就是所发的数据。

同时蓝牙从机设备能方便与蓝牙适配器，PDA 与带蓝牙的手机串通信非常方便。

1.7.1蓝牙透传模块
蓝牙有主机从机从之分区别如下：
1、主机模块只能配对ZK-07 的从机模块，主机模块之间不能配对连接，主机模块也不能跟带蓝牙的电脑或者手机等其他蓝牙设备配对
2、从机模块可以跟带蓝牙的电脑或者部分带蓝牙的手机配对使用，从机模块之间不能连接
3、主机模块的AT 指令比从机模块少了AT+NAME 指令，其他指令相同
4、主机模块和从机模块均不能切换工作模式，只能是单一的工作模式（主或从）
5、区分主机与从机，主机上面带白点(标记)，从机不带白点蓝牙模块串行通信格式，8位数据位、1位停止位、无奇偶校验的通信格式，即通常所说的8-N-1通信格式
主机模块和从机模块的接口均为5V电平，可以直接连接各种TTL电平带串口MCU直接连接，设立参数可以用MCU或者USB转串口，或者增长MAX232转换电路后的电脑串口。

蓝牙模块与PC 232串口相连：
图1.7 USB口与蓝牙模块相连
TXD：发送端，一般表达为自己的发送端，正常通信的时候接另一个设备的RXD。

RXD：接受端，一般表达为自己的接受端，正常通信的时候接另一个设备的TXD。

正常通信时候自身的TXD 永远接设备的RXD。

1.8硬件设计中注意的问题
要提高控制硬件系统运营的可靠性，必须依靠一系列可靠性技术来保证。

产生系统故障的因素有很多，从故障产生的位置来分类，一种是由系统外部环境引起的干扰，可通过系统故障反映出来；此外一种是系统内部由于不同因素而引起的故障。

而为了防止故障的产生，必须对故障产生的因素进行分析，然后针对的给出解决措施。

以下列举了一些防干扰的措施：
1．滤波
滤波是克制传导干扰的一种很好的方法。

在实际应用中在电源线输入端、每个集成电路的电源输入端并联电容，可以克制电源产生并向电路反馈的干扰，也可以克制来自电路的噪声对电源自身的侵害。

2．克制自感电动势干扰
在系统电路中，使用了电动机驱动。

而电动机是一种电感量很大的器件，电感器件在通过不稳定且变化的电流时的情况下要产生变化的磁场。

在实际小车行进中，电动机经常要起动、停机和调速。

在此过程中，电动机会产生很大的反电动势，从而引起电磁干扰。

它会干扰其它回路，影响整个硬件系统的稳定性。

为了克制电动机反向自感电动势对电路的干扰，在实际电路设计中，在电动机二端都并联了二极管。

3．接地技术
接地技术是提高硬件系统可靠性的重要手段之一，设计良好的接地可以在很大限度上克制系统内部噪声，防止外部电磁干扰的侵入，提高整个硬件系统的抗干扰能力。

本硬件系统中存在低频电路和高频电路两种，故其接地应分开考虑。

在低频电路中，由于PCB板上布线和器件之间的电感对电路的影响较小，而接地电路形成的环流对系统影响较大，故接地屏蔽线可使用一点进行接地。

而在高频电路中，由于高频导致的地线阻抗变得很大，在实际应用中应重点考虑减少此阻抗，故应采用电路就近位置接地的方法。