智能避障小车系统

智能避障小车系统设计

学科：新技术专题

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学号：17号

指导教师：----

电气信息工程学院

一、系统设计概述

通过飞思卡尔智能车竞赛的学习和启发，本设计实现一款具有自动避障运行功能的智能小车，通过光电开关和超声波测距模块配合识别前方是否有障碍物，如果遇到障碍物则通过舵机改变行驶方向。直流电机驱动模块采用PID闭环控制，可以达到速度稳定、快速、准确的控制，使智能小车能够及时制动和恒速运行。

本设计报告针对传感器信号处理设计、电路设计、控制算法等方面进行重点阐述。

二、总体系统构想框图

本设计中智能避障小车的体系结构如上图。根据功能不同，避障小车的系统

结构大致包括传感器、控制、执行机构、人机接口和电源五大部分。

1.传感器部分

负责感知外部世界的环境信息和车模自身的状态信息，为小车完成路况判断和实现小车的运动控制提供所需的信息。传感器部分包括光电开关、超声波测距模块和编码器测速模块三个子模块。

2.控制部分

分析传感器数据，提取路况信息，运行控制算法，向执行机构发出动作信号，控制赛车朝无障碍方向行驶。控制部分主体是16位单片机MC9S12XS128。

3.执行机构

负责执行动作信号，实现车的前进、变速和转向。执行机构包括电机和舵机以及电机驱动模块。

4.人机接口

实现模式和参数选择、状态指示、实时监控以及数据存储等人机交互功能，包括拨码开关、LED 、蜂鸣器、无线等模块。

5.电源部分

负责向各部分提供合适的电源，包括电池和稳压模块

三、核心传感器模块

1、超声波测距模块

超声波模块采用目前比较常用的URM37超声波传感器 默认是232接口，可以调为TTL 接口,URM05大功率超声波

传感器测试距离能到10

米，算是目前来说测试距离比较远的一款。

功能应用：超声波测距模块通过超声波发收的时间差计算得前方 障碍物的距离，作为车体前方主要测距模块判断前方路况。

2、光电传感器

光电开关是传感器的一种，它把发射端和接收端

之间光的强光电开关弱变化转化为电流的变化以 达到探测的目的。它所使用的冷光源有红外光、 红色光、绿色光和蓝色光等，可非接触，无损 伤地迅速和控制各种固体、液体、透明体、黑体、 柔软体和烟雾等物质的状态和动作。具有体积小、 功能多、寿命长、精度高、响应速度快、检测距 离远以及抗光、电、磁干扰能力强的优点。

功能应用：由于光电开关相比没有超声波测距远，

作为两侧辅助测距模块，增大对障碍物探测的范围。

3、编码器测速模块

光电编码器实现测速，光电编码器可以 分为增量式光电编码器和绝对式光电编码器。 增量式光电编码器可以输出正比于转速的脉冲， 记录单位时间内的脉冲数就可以间接测取实时速度。 功能应用：本设计采用欧姆龙E6A2-CWZ3光电编码器作为速度传感器，安装在车尾与传动齿轮啮合，使用与电机相同齿数的齿轮，相当于直接测得电机的转速。

四、主控芯片

控制模块主体是单片机MC9S12XS128最小系统，主要包括时钟、旁路电容、电源接口、烧录和调试接口、I/O 接口等。

（单片机最小系统参考图）

MC9S12DG128 微控制单元作为MC9S12 系列的16位单片机，由标准片上外围设备组成，包括16位中央处理器、128KB 的Flash 存储器、8KB 的RAM 、2KB 的EEPROM 、两个异步串行通信接口、两个串行外围接口、一组8通道的输入捕捉或输出捕捉的增强型捕捉定时器、两组8 通道10 路模数转换器、一组8通道脉宽调制模块、一个字节数据链路控制器、29路独立的数字I/O 接口、20路带中断和唤醒功能的数字I/O 接口、5个增强型CAN 总线接口。同时，单片机内的锁相环电路可使能耗和性能适应具体操作的需要。

五、执行机构

执行机构主要包括电机驱动、电机和舵机。舵机直接由单片机输出的PWM 信号控制；电机驱动使用H全桥电路，见下图：

（H全桥电路原理图）

六、电源模块

智能避障小车各不同部分需要不同电压的电源，因此需要对每一部分做单独的稳压处理。电磁车的电源部分设计如下图所示：

（电源分配图）

六、系统控制流程及PID 算法设计

跟踪控制程序包括舵机控制和电机控制两部分，主要使用增量式PID 控制。

（避障小车控制框图）

1.舵机控制

舵机控制就是小车的方向控制，以小车车体为参考系，控制前轮转向，始终朝无障碍物的方向行驶，即期望方向。光电开关及超声波感器获取前方路况信息，以前方障碍物的距离作为偏差用于增量式PID 计算，得出控制舵机的PWM 波占空比；舵机驱动前轮，控制赛车运动，使小车用适当的角度及时变向。根据增量式PID 算法公式：

)2()(211---+-⨯+⨯+-⨯=∆k k k k k k e e e Kd e Ki e e Kp u 公式(3-1) 设计舵机控制程序核心语句如下：

Pdu = PKp *( Pe - Pe1 ) + PKi * Pe + PKd * ( Pe - 2 * Pe1 + Pe2 ) ; Pu = Pu + Pdu ;

其中Pe 、Pe1、Pe2是行驶方向偏差，Pu 是舵机对应的PWM 通道占空比寄存器值，Pdu 是Pu 的增量。

2.电机控制

电机控制就是小车的速度控制，其期望速度来源于速度规划环节。expspeed = Vmax – SPKp * fabs( Pe ) ;

其中Vmax为设定的电机最大速度，它减去位置偏差Pe的倍数作为期望速度。也就是说，偏差越小，期望速度越大；偏差越大，期望速度越小。速度传感器获取电机实际速度；期望速度与实际速度的偏差用于增量式PID计算，得出控制电机的PWM波占空比；电机驱动将PWM信号功率放大，驱动电机，控制小车车速度等于期望速度。根据以上公式设计电机控制程序核心语句如下：

Vdu = VKp *( Ve - Ve1 ) + VKi * Ve + VKd * ( Ve - 2 * Ve1 + Ve2 ) ; Vu = Vu + Vdu ;

其中Ve、Ve1、Ve2是偏差值及其历史值，Vu是向电机驱动对应的PWM通道占空比寄存器值，Vdu是Vu的增量。