智能超声波红外测距避障直流电机驱动小车

江西理工大学”3+1”实验班

嵌入式系统课程设计报告题目：基于M0的智能测距避障小车

组长：代鹏飞

成员：夏之维谢齐铭

指导教师：王祖麟职称：教授

时间：2011年4月6日

目录

第1章引言 (1)

第2章总体方案 (2)

2.1 需求分析 (2)

2.2 总体设计 (2)

2.3 方案确定 (2)

第3章硬件方案 (5)

3.1 主控板设计 (5)

3.1.1 LPC2103特点 ................................................................ 错误！未定义书签。

3.1.2 电源管理模块 (5)

3.1.3 电机驱动模块 (6)

3.1.4 主控板设计 (7)

3.2 小车传感器模块设计 (8)

3.2.1 超声波传感器原理 (8)

3.2.2 HC-SR04基本原理 (8)

3.2.3 超声波传感器误差原因 (10)

第4章软件方案 (11)

4.1 路障识别状态分析 (11)

第5章实践感悟 (12)

第6章参考文献 (13)

附录 (14)

A.1 源代码: (14)

第1章引言

随着机器人技术的发展, 自主移动机器人以其活性和智能性等特点, 在人们的生产、生活中的应用来越广泛。自主移动机器人通过各种传感器系统感知外界环境和自身状态, 在复杂的已知或者未知环境中自主移动并完成相应的任务。而在多种探测手段中, 超声波传感器系统由于具有成本低, 安装方便, 不易受电磁、光线、被测对象颜色、烟雾等影响, 时间信息直观等特点, 对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力, 因此在移动机器人领域有着广泛用。

针对一种基于超声波和红外传感器的避障小车，通过对整体方案、电路、算法、调试、车辆参数的介绍，详尽地阐述小车通过传感器系统感知外界环境和自身状态, 在复杂的环境中自主移动并完成相应的任务。超声波和红外传感器以其独有的特征而被青睐。本文利用超声波传感器对障碍物进行定位从而使机器人顺利到达绕过障碍物的目标。该智能小车系统涉及直流电机控制技术、路径识别、传感技术、电子设计、程序设计等多个学科，磨练我们的知识融合和实践动手能力的培养。

摘要：本文给出一种基于ARM的智能小车的设计方案，小车以Cortex-M0作为主控芯片，控制包括键盘显示、电机驱动、超声波和红外传感模块，实现小车自动避越障碍。

关键词：小车；嵌入式；键盘显示;超声波;红外传感;避障；直流电机驱动。

第2章总体方案

基于项目的功能特性以及我们的设计目的，我们选择Cortex-M0作为本课程设计的控制器，它能够很好的实现该课题设计的要求；我们使用L298来驱动直流电机的转动；我们使用三端稳压集成电路7805、7812做成的稳压电源作为电机、H桥的工作电源;我们使用74HC164是串行输入,并行输出的8位移位寄存器做成的键盘显示板结合M0的SPI模块实现了人机对话的功能模块。

本章主要简要地介绍系统总体方案的选定和总体设计思路，在后面的章节中将整个系统分为机械结构、控制模块、控制算法等三部分对智能车控制系统进行深入的介绍分析。

2.1 需求分析

设计一种基于超声波和红外避障碍的小车移动平台，借助超声波和红外传感器的使用满足在一定的复杂的环境中自主避障任务。

2.2 总体设计

通过学习和研究相关技术资料了解到，超声波测距模块是系统的关键模块之一，超声波测距方案的好坏，直接关系到最终性能的优劣，因此确定超声波测距模块的方法是决定系统总体方案的关键。

避障模块采用超声波传感器的使用检测前面有不可穿越的障碍时,便避过障碍;优点是价格相对便宜，在满足系统的要求下具有较高的精度，能很好判断是否有不可穿越的障碍;红外传感器虽然不能测距,但是当有障碍物时,它能够反映在电平的变化,而且更廉价易得，适合简单的避障。

2.3 方案确定

系统采用Cortex的32位微控制器M0作为核心控制单元用于智能车系统的控制。在选定智能车系统采用超声波避障方案后，路径由直流电机控制，用于小车的运动控制决策，内部由定时器0模块发出PWM波控制，驱动直流电机对智能车进行加速、减速、转向控制，驱动直流电机，使小车能够自主行驶。系统

总体方框图如图2.3.1。

图2.3.1 系统总体方框图

根据系统方案设计，系统包括以下模块：Cortex-M0主控模块、电机驱动模块、电源模块、超声波测距避障模块、红外避障模块等。各模块的作用如下：Cortex-M0主控模块，作为整个智能小车的“大脑”，将发送采集超声波等传感器的信号，根据控制算法做出控制决策，驱动直流电机等等完成对智能车的控制。

电源模块，为整个系统提供合适而又稳定的电源;

电机驱动模块，驱动直流电机完成智能车的加减速控制和转向控制;

超声波测距避障模块,负责测距和前方避障功能; 红外避障模块,则能够达到避障功能。

第3章硬件方案

根据总体方案设计，对硬件结构的要求是：简单而高效，在不断的尝试后确定了以下的设计方案:

3.1 主控板设计

3.1.1电源管理模块

通过变压器，将电网的220V电压变为12V输出给稳压电路，见图3.1.1。

图3.1.1 变压器

交流电经过全桥电路在经过电容滤波，在经过稳压电源芯片做成稳压电路，输出电压5V、12V的直流电源，原理图见图3.1.2。

图3.1.2 电源管理模块原理图

电源模块对于一个控制系统来说极其重要，关系到整个系统是否能够正常工作，因此在设计控制系统时应选好合适的电源。

电源模块有12V、5V、3.3V三个电压档位，而Cortex-M0、超声波模块传感器等均需要5V电源，直流电机工作电压为12V,小车直流电机调节电路示例见图2.2。

5V电源模块用于Cortex-M0、传感器模块等供电。常用的电源有串联型线性稳压电源（LM2940、7805等）和开关型稳压电源（LM2596、LM2575等）两大类。前者具有纹波小、电路结构简单的优点，但是效率较低，功耗大；后者功耗小，效率高，但电路却比较复杂，电路的纹波大。对于ARM2103板，需要提供稳定的5V电源，由于7805的稳压的线性度非常好，所以选用7805单独对其进行供电；而其它模块3.3V电压用1117M3芯片提供。利用7805和1117M3对各个模块供电，可以有效地防止各器件之间发生干扰，以及电流不足的问题，使得系统能够稳定地工作

3.1.2电机驱动模块

L298 芯片是一种高压、大电流双全桥式驱动器,其设计是为接受标准TTL 逻辑电平信号和驱动电感负载的, 例如继电器、圆筒形线圈、直流电动机和步进电动机。具有两抑制输人来使器件不受输入信号影响。每桥的三级管的射极是连接在一起的, 相应外接线端可用来连接外设传感电阻。可安置另一输入电源, 使逻辑能在低电压下工作。L298 芯片是具有15 个引出脚的多瓦数直插式封装的集成芯片。