简易智能电动车设计

1 引言电动车的发展史比燃油汽车更长，世界上第一辆机动车就是电动车。

后来，由于燃油汽车技术的迅速发展，而电动车在能源技术和行驶里程的研制上长期未能取得突破，从20世纪20年代初至60年代末，电动车的发展进入了一个沉寂期。

进入70年代以来，由于中东石油危机的爆发以及人类对自然环境的日益关注，电动车才再度成为技术发展的热点。

近几十年来，主要工业化国家为电动车的开发投入了大量的人力和财力，电动车的各项相关技术也取得了重大的进展。

尽管电动车在能源和行驶里程的研制方面，至今尚未取得突破性的进展，但是电动车的美好前景仍然激励着人们锲而不舍地开发新型电动车，改善其性能。

处于世纪之交的今天，能源和环境对人类的压力越来越大，要求尽快改善人类生存环境的呼声越来越高。

为了适应这个发展趋势，世界各国的政府、学术界、工业界正在加大对电动车开发的投资力度，加快电动车的商品化步伐。

虽然目前电动车在能源和行驶里程方面还未能尽如人意，但已足以满足人们的基本需要。

从技术发展的角度来看，在走过了漫长而艰难的发展程之后，电动车正面临着重大的技术突破，有望成为21世纪的重要交通工具。

在大都市中，电动车作为一种小型、中速和短途的日常交通工具，是十分理想的。

电动车的开发关系到能源、环保、交通和高科技的发展以及新兴工业的兴起，它将推动整个国民经济的发展，成为新的经济增长点。

电动车将使能源的利用多元化和高效化，达到能量的可靠、均衡和无污染地利用。

从环保的角度来看，电动车是无排放交通工具，即使计及发电厂所增加的排气，从总量上来看，它也将使空气污染大为减少。

此外，电动车比传统的燃料汽车更易实现精确的控制，智能交通系统则有可能率先通过电动车来实现，从而提高道路利用率和交通安全性。

现代电动车的能源系统、电机驱动系统、智能化的能量管理系统、充电系统、车载空调系统和变速系统，电动车的基础设施建设以及未来智能化的交通系统的发展。

根据各类子系统的不同特点.近年来，各种显示高新技术的电动车层出不穷，日新月异。

2 方案设计与论证2.1 设计要求（1）电动车从起跑线出发（车体不得超过起跑线），沿引导线到达B点。

在“直道区”铺设的白纸下沿引导线埋有1~3块宽度为15cm、长度不等的薄铁片。

电动车检测到薄铁片时需立即发出声光指示信息，并实时存储、显示在“直道区”检测到的薄铁片数目。

（2）电动车到达B点以后进入“弯道区”，沿圆弧引导线到达C点（也可脱离圆弧引导线到达C点）。

C点下埋有边长为15cm的正方形薄铁片，要求电动车到达C点检测到薄铁片后在C点处停车5秒，停车期间发出断续的声光信息。

（3）电动车在光源的引导下，通过障碍区进入停车区并到达车库。

电动车必须在两个障碍物之间通过且不得与其接触。

（4）电动车完成上述任务后应立即停车，但全程行驶时间不能大于90秒，行驶时间达到90秒时必须立即自动停车。

2.2 小车本体小车行走机构的方案分析与选择：方案一履带式行走机构：运行平稳、可靠，走直线效果很好；但结构较复杂、移动速度较慢，转弯过程的控制性能较差。

方案二腿式行走机构：可以走出多种复杂的路线，但结构复杂、运动中的平衡性和稳定性差、移动速度较慢。

方案三两轮式行走机构：结构简单、运动平稳、移动速度快、转弯性能好，且易于控制，适用于小功率的行走驱动。

方案四四轮式行走机构：结构简单、运动平稳、移动速度快、易于控制，但原地转弯性能不够好。

通过对小车要完成的任务的设计要求以及对四种方案的对比，我们最终选择了两轮式行走机构。

车体框架，基于设计要，我们以对称结构为基础设计。

2.3 主控单元2.3.1 硬件方案近年来，单片机应用技术发展迅速，为智能装置的开发设计带来了很大的便利。

但68HC与51系列等传统的基于累加器结构的单片机，需要大量的程序代码，以实现累加器之间的数据传送，给汇编的程序开发增加了困难，也使高级语言开发中的编译效率难以提高。

AVR单片机采用RISC结构，具有1MIPS/MHz的高速运行处理能力；同时采用低功率，非挥发的CMOSE工艺制造，内部分别集成Flash, EEPROM和SRAM三种不同性能和用途的存储器。

特别地，除了可以通过SPI口和一般的编程器对AVR单片机的Flash 程序存储器和EEPROM数据存储器进行编程外，还具有在线编程的特点，这给调试和使用带来了极大的方便。

在AVR家族中，ATmega16芯片内部集成了较大容量的存储器和丰富强大的硬件接口电路，具备AVR高档单片机Mega系列的全部优点，其价格于低档单片机相当，具有很高的性价比，较AVR的AT90系列相比，其6通道的A/D转换是AT90系列所不具备的。

同时，Mega系列的高可靠性完全保证了在小车系统中无需光电隔离的直接输出方式，故在小车的主控系统选用ATmega16单片机。

2.3.2 软件单元汇编语言作为传统的嵌入式系统的编程语言，具有执行效率高的优点，但其本身是低级语言，编程效率较低，可移植性和可读性差，维护极不方便。

而C语言以其结构化，容易维护，容易移植的优势满足开发的需要。

AVR的RISC结构与ICC AVR开发平台保证了较高的编译效率，且有易于上手的特点，使我们能顺利的用C语言开发AVR 系统。

2.4 信息感知单元2.4.1 黑白区域检测单元要识别黑白区域可采用，光敏电阻、光敏二极管等对可见光敏感的器件，也可选用红外器件结合比较器输出高低电压的处理单元。

但这两个方案都有受环境光影响较大的缺陷。

在本设计中我们确定了基于A/D转换的反射式红外线感知单元，以检测黑线和跑道边线的位置。

2.4.2 铁片检测单元方案一：利用铁片的导磁作用即可检测位于磁块与霍尔式传感器之间的铁片。

霍尔式传感器结构简单，频率响应宽，选用开关输出方式集成霍尔式器件可直接输出高低电平。

方案二：电感式金属接近传感器。

当外界的金属性导电物体到达感应区时，金属物体内产生涡流效应，导致LC震荡电路震荡减弱，振幅变小，这一震荡的变化，被后置电路放大处理并转换为一确定的输出信号达到检测的目的。

根据需要，同时考虑题目的设计时间与开发工作量，我们采用成品的电感式金属接近传感器。

2.4.3 寻光检测传感器引导光源的方向的检测有如下方案：方案一：在小车上固定的有指向的光敏检测单元，利用其输出信号的变化与小车的转角之间的关系来确定小车的方向。

方案二：在小车上安装扫射角度大于300度的指向的光敏检测单元，利用其输出信号随扫射角的变化关系，及寻光单元与小车之间的位置关系即可确定小车位姿与光源之间的相对关系。

上述方案有快速性好，动态过程平稳的优点，被选用。

2.4.4 光强检测光强检测为了使小车可靠停于车库，设计中增设了用A/D转换检测光敏电阻输出信号的光强检测单元。

2.4.5 障碍检测检测障碍物，必须充分收集周围环境信息，对其分析，最后确定障碍物的位置信息。

常用的检测手段有主动式和被动式。

前者主动发射信号，再对的反射回的信号进行分析处理。

被动式检测直接分析接受到的外部环境信号，要求系统自身信号处理能力较高。

由于后者对检测对象的针对性不强，我们选用主动式的检测方式。

常用的检测信号有超声波、激光、红外线。

从抗干扰性、检测精度、价格、使用性能等方面综合考虑，我们选用了红外线发射二极管和一体化接收头配对检测的方案。

由于采用调制光技术及机遇统计分析的处理方式，所以在抗干扰性和稳定性方面有较高的技术指标。

2.4.6 小车行驶速度、距离及铁片长度检测利用对行走过程的脉冲进行计数即可测量小车速度、行驶距离，再配合铁片检测信号即可测量铁片长度。

所以这里只需讨论对行走距离的检测方案。

方案一：用测速发电机检测电机的转动角度，该方案对玩具电机这样的小驱动功率不适用。

方案二：用增量式光电编码盘检测电机的转动角度，利用安装位置与输出信号之间的对应关系检测电机的正反转。

我们利用鼠标光电编码盘和光电对管改装成了转速检测单元。

2.5 驱动单元2.5.1 电机的选择，驱动电路，电池的选择小车采用双电机分离驱动方式。

永磁体直流电动机体积小，效率高，出力大，起动转矩大，过载能力强，动态特性好，控制方便。

电机型选择时在体积，功率和转速基本条件满足的前提下主要还考虑伺服性能；综上几点要求我们选用了151型微型直流电机。

小车寻线过程中要求被控电机能够调速和正反转控制，一般可以采用继电器和H 桥式驱动电路。

本系统驱动单元选用的是电机驱动专用H桥驱动芯片L298。

选用国产镍氢电池，每节1.2V容量为600mAh,5节串接而成，额定电压6V，完全能够满足系统的需要。

2.5.2 调速及正反转控制方案直流调速可以选用电压调速，脉频调速(PFM)，脉宽调速(PWM). 电压调速一般调试比较复杂，功率损失大，故不用此方案。

脉频调速(PFM)一般用于大电机。

而脉宽调速(PWM)简单可靠。

PWM输出脉冲信号经双H桥功率驱动电路L298后接至左右轮电机，控制小车运动。

由于要达到比较高的控制要求，我们采用比例控制的闭环反馈电机调速。

2.6 人机接口单元在人机接口单元我们选用了基于带锁存的移位寄存器的串行扫描方式的人机接口电路方案，较好地解决了口线占用，电路复杂度，使用功耗等问题。

2.7 策略的选择题目对小车的任务要求虽然比较简单，但还是有多种策略可以选择。

不同的策略将导致不同的控制特性。

根据题目的示意图及要求，我们可以将小车的运动分成4个阶段，每个阶段都可以选定不同的策略。

第一阶段：从起跑点到B点，用寻线行走控制的方案，行进速度为米/秒，以便于对铁片长度的准确测量；第二阶段：从B点到C点，用寻线行走控制的方案。

这样，既能保证小车可靠到达C点，又能使小车到达C点后的方向能大致指向引导光源；第三阶段：自由避障，采用控制方式。

第四阶段：进入车库，采用控制方式。

策略一：行程如图2.1。

电动车出发后，在直道区沿引导线前进，边寻线，边检测金属块。

在弯道区，沿引导线到达C点后，检测金属块，发出声光信号，并停留五秒钟。

调整前进方向，使之沿圆弧直径前进到 D,逆时针转90度，沿平行AB边前行到无障区的E点，调整方向进入车库。

前进到D, 顺时针转90度行程 CD=0.64m前进到E, 顺时针转90度行程 DE=2.10m前进到F, 逆时针转90度行程 EF=0.15m前进到D, 顺时针转90度行程 CD=0.50m图2.1 策略一示意图图2.2 策略二示意图策略二：如图2.2 ，小车在直道区及C 点状况与策略一同。

停留五秒钟后，小车调整前进方向，使之沿圆弧直径前进到D1心处。

在圆心处搜索光源，然后调整车前进方向，沿圆心与光源直线方向前进，直达车库。

途中若遇障碍物，则首先避开障碍物，然后再搜索光源，从新确定前进方向，直到达到车库。

前进到1D , 顺时针转︒110， 行程CD1=0.87 m前进到1F , 顺时针转︒11，行程 11F D =2.55 m前进到G, 停下，行程 G F 1=0.2m策略比较：采用策略一时，通道宽，安全性好，因此在方案中采用。