多功能智能小车设计方案与实现.docx
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多功能智能小车设计方案与实现
摘要
自主反应式智能系统是一种应用广泛的控制系统。
对电路的分析和验证工作依靠智能化来完成,效率高。
因此它的研究与开发是一项非常有意义的工作。
本小车以MSP430超低功耗单片机为核心,研究小车避障寻迹的设计和实现方法,完成障碍检测、避障、寻迹功能。
充分运用了430单片机的功能。
本论文介绍了新型车的机械结构及相应的硬件电路和实现算法。
在机械结构上,对普通的小车作了改进,即用一个万用轮来代替两个前轮,使小车的转向更加灵敏。
利用反射式红外传感器来寻迹、红外一体化接收头来检测障碍物的位置,通过改变单片机产生的PWM方波的占空比,使其能在设计范围内可实现任意角度黑线和任意角度移动,还可以实现避障的功能。
在算法上,利用矢量分解法、PID算法等对小车的运行进行控制并能有效的改善其运行轨迹。
关键字:
MSP430 寻迹 避障 PWMPID
Abstract
Independence’srespondingtypeintelligencesystemisakindofappliedextensivecontrolsystem.Analyzingelectriccircuitandverifyingaworkdependsontheintelligencetocomplete,itsefficiencyishigh.Soitsresearchanddevelopmentisaverymeaningfulworks.
Withthecoreof430microcomputerandatthefoundationofSHARK,theNo.3smallcarcancompleteanobstacleexamination,avoidingstumblingblockandlookingforvestigefunction,makingfulluseof430microcomputer.Thisthesisintroducedmachinestructure,homologoushardwareelectriccircuitandthecalculatewayoftheintelligencesmallcar.Makingimprovementtothecommoncaronthemachinestructure,weuseaperfectwheeltomakethecarturningmoreeasily.Andweusesomesensorstolookforvestigeandavoidstumblingblock.BychangetheemptyratioofPWM,thecarcanarbitrarilymovewithanyangleoftheblacklinewithinthescopeofthedesign.Onthecalculateway,weusevectordecompositionmethod、PIDtocontrolthecarandimproveitstrack.
Keyword:
MSP430lookingforvestigeavoidingstumblingblockPWMPID
第一章绪论
智能遥控车辆是一个运用计算机、传感、信息、通信、导航、人工智能及自动控制等技术来实现环境感知、规划决策和自动行驶为一体的高新技术综合体。
它在军事、民用和科学研究等方面已获得了应用,对解决道路交通安全提供了一种新的途径。
随着世界上高速交通工具的不断发展,能自动躲避障碍物沿已定的线路实现自动驾驶的智能汽车一定会有很好的发展前景。
本设计就把这一设想基本变成了现实,小车利用传感器实现了对小车的智能控制,使它可以沿地面黑线行走,还可以躲避前方的障碍物,实现了对现代机器的基本智能控制。
利用无线模块实现了对智能小车的远程遥控,可以控制小车的前进,后退,左转弯,右转弯,暂停以及实现寻迹模式、避障模式、遥控模式三种不同模式之间的转换。
它是一个相当典型的现代测控系统,是现代测控技术的典型应用。
1.1现代测控技术概述
现代意义上的检测与控制系统是以微型计算机为核心,完成较高层次自动化检测并实现过程控制,在不同程度上具有“智能”的系统。
测控系统本质上是通过对信息的获取和处理,实现物理过程的控制,并实现一定意义上的“最佳”。
现代检测技术涉及测量、检验、故障诊断、信息处理和决策输出等多种技术。
从广义上讲,它包括以嵌入式处理为核心的智能仪器仪表、以PC机为核心的自动检测系统和辅助专家系统。
1.2现代测控技术的定义
现代测控技术是建立在计算机信息基础上的一门新兴技术,包括计算机自动测量和计算机控制两大部分。
它是自动控制、计算机科学与技术、微电子学和通信技术等多种学科、多种技术互相结合,互相渗透,综合发展的新学科领域。
测控系统按任务的不同,可以分为三大类,即检测系统、控制系统和测控系统。
(1)检测系统。
它单纯以测试或检测为目的,主要实现数据的采集,所以又称为数据采集系统。
(2)控制系统。
它单纯以控制为目的,使控制对象实现预期的要求。
控制系统又可分为开环控制系统和闭环控制系统。
(3)测控系统。
它是以微机为核心,测控一体化的系统。
1.3现代测控技术的发展趋势
(1)系统功能的综合性。
(2)智能化。
所谓智能,是指能随外界环境条件的变化,具有确定正确行动的能力,也即具有人的思维以及思维做出决策的能力。
(3)系统化及标准化。
第二章多功能智能小车整体系统介绍
系统原理框图
多功能智能小车采用TI公司的超低功耗单片机MSP430F149作为主控制芯片。
采用自制遥控器——手持式仪表实现与小车的无线通信,并且能够使小车在遥控、寻线和自动避障三种模式之间切换。
利用五个红外反射式传感器检测黑线,实现自动寻线功能,利用红外一体化传感器实现躲避障碍物的功能,结合遥控接收模块构成信号接收电路。
整个系统可以划分为遥控控制部分、小车控制部分以及信号检测部分。
其中信号检测部分包括:
路面黑线检测模块和前方障碍检测模块。
遥控控制部分包括:
遥控发射模块,遥控接收模块。
小车控制部分包括电机驱动模块,行进状态标志模块,控制器模块等。
第三章系统各模块的原理与实现
3.1主控制模块
3.1.1主控芯片的选型
MSP430系列单片机是美国德州仪器1996年开始推向市场的一种16位的超低功耗的混合信号处理器。
其之所以称之为混合信号处理器,主要是由于其针对实际应用需求,把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上,以提供“单片”解决方案。
采用了精简指令集结构,具有丰富的寻址方式,简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令、寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算,还有高效的查表处理指令,在8MHz晶振下的指令周期为125ns。
这些特点使得我们可编制出高效率的源程序。
MSP430系列单片机的中断源较多,并且可以任意嵌套,使用时灵活方便。
当系统处于省电模式时,用中断请求将它唤醒只用6us。
MSP430单片机之所以有超低的功耗,是因为其在降低芯片的电源电压及灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。
首先,MSP430系列单片机的电源电压采用的是1.8-3.6V电压。
因而可使其在1MHz的时钟条件下运行,芯片的电流在200-400uA左右,时钟关断模式的最低功耗只有0.1uA。
其次,独特的时钟系统设计。
在MSP430系列中有两个不同的系统时钟系统:
基本时钟系统和锁频环(FLL和FLL+)时钟系统或DCO数字振荡器时钟系统。
有的使用一个晶体振荡器(32768Hz),有的使用两个晶体振荡器。
由系统时钟系统产生CPU和各功能所需的时钟。
并且这些时钟可以在指令的控制下,打开和关闭,从而实现对总体功耗的控制。
由于系统运行时打开的功能模块不同,即采用不同的工作模式,芯片的功耗有着显著的不同。
在系统中共有一种活动模式(AM)和五种低功耗模式(LPM0-LPM4)。
在等待方式下,耗电为0.7uA,在节电方式下,最低可达0.1uA。
系统工作稳定。
上电复位后,首先由DCOCLK启动CPU,以保证程序从正确的位置开始执行,保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。
然后软件可设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。
如果晶体振荡器在用做CPU时钟MCLK时发生故障,DCO会自动启动,以保证系统正常工作;如果程序跑飞,可用看门狗将其复位。
MSP430系列单片机有丰富的片上外围模块,它们分别是看门狗、模拟比较器A、定时器A、定时器B、串口0、1、硬件乘法器、液晶驱动器、12位ADC、
总线、直接数据存取(DMA)、端口P0-P6、基本定时器等的一些外围模块的不同组合。
其中,看门狗可以使程序失控时迅速复位;模拟比较器进行模拟电压的比较,配合定时器,可设计出A/D转换器;16位定时器(TimerA和TimerB)具有捕获/比较功能,大量的捕获/比较寄存器,可用于事件计数、时序发生、PWM等;有的器件更具有可实现异步、同步及多址访问串行通信接口,可方便的实现多机通信等应用;具有较多的I/O端口,最多达6*8条I/O口线;P0、P1、P2端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入;12/14位硬件A/D转换器有较高的转换速率,最高可达200kbps,能够满足大多数数据采集应用;实现两路的12位D/A转换;硬件IIC串行总线接口实现存储器串行扩展;以及为了增加数据传输速度,而采用直接数据传输(DMA)模块。
MSP430系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便 ,适应工业级运行环境,运行环境温度为-40--85摄氏度,所设计的产品适合用于工业环境下。
此外,MSP430单片机拥有方便高效的开发环境,目前MSP430系列有OTP型,FLASH型和ROM型3种类型的器件,国内大量使用的是FLASH型。
这些器件的开发手段不同,对于OTP型和ROM型的器件是使用专用仿真器开发成功之后再烧写或掩膜芯片。
对于FLASH型则有十分方便的开发调试环境,因为器件片内有JTAG调试接口,还有可电擦写的FLASH存储器,因此采用先通过JTAG接口下载程序到FLASH内,再由JTAG接口控制程序运行、读取片内CPU状态,以及存储器内容等信息供设计者调试,整个开发都可以在同一个软件集成环境中进行。
这种方式只需要一台PC机和一个JTAG调试器,而不需要专用仿真器和编程器。
开发语言有汇编语言和C语言。
综合分析得到,MSP430单片机更适合于低功耗、高速实时控制以及数据计算,它拥有更多的片上资源供设计使用,因此我们选择了MSP430单片机。
3.1.2主控制器原理
单片机资源分配:
F149一共有48个I/O口,设计主控制板时将未用到的剩余I/O口均接出来留做扩展口。
如图3.1:
图3.1F149主控制器原理图
在整个系统控制中,定时器的应用较多:
1.定时中断,用于控制无线扫描和传感器扫描。
2.产生四路PWM波,用于控制电机,实现小车的动作改变。
3.产生38KHZ占空比为50%的方波,供避障功能使用。
下面对定时器做一个具体介绍。
MSP430F149具有两个16位定时器TIMERA和TIMERB,定时器TIMERA由一个十六位定时器和多路比较/捕获通道组成。
每一个比较/捕获通道都可以以十六位定时器的定时功能为核心进行单独的控制。
它还具有以下特性:
·输入时钟可以有多种选择,可是慢时钟,快时钟以及外部时钟。
·虽然没有自动重载时间常数功能,但产生的定时脉冲或PWM信号没有软件带来的误差。
·不仅能捕获外部事件发生的时间还可以锁定其发生时的高低电平。
·可实现串行通信;完善的中断服务功能;4种计数功能选择;8种输出方式选择和支持多时序控制等。
TIMERA共有4种计数模式:
停止模式、增计数模式、连续计数模式和增/减计数模式。
我们用TIMERA的增计数模式来产生38KHZ的方波。
具体原理为:
捕获/比较寄存器CCR0用作TIMERA增计数模式的周期寄存器,因为CCR0为16位寄存器,所以该模式适用于定时周期小于65536的连续计数情况。
计数器TAR可以增加计数到CCR0的值,当计数值与CCR0的值相等(或定时器值大于CCR0的值)时,定时器复位并从0开始重新计数。
图3.2说明了增计数模式的计数过程。
当定时器的值等于CCR0的值时,设置标志位CCIFG0(捕获比较中断标志)为1,而当定时器从CCR0计数到0时,设置标志位TAIFG(定时器溢出标志)为1。
图3.2增计数模式
计数过程中还可以通过改变CCR0的值来重置技术周期。
当新周期大于旧周期时,定时器会直接增计数到新周期;当新周期小于旧周期时,改变CCR0时的定值器时钟相位会影响定时器响应新周期的情况。
时钟为高时改变CCR0的值,则定值器会在下一个时钟上升沿返回到0,如果时钟为低时改变CCR0的值,则定时器接受新周期并在返回到0之前,继续增加一个时钟周期。
可以随时间变化任意改变PWM信号的占空比,具体的做法是:
●保持CCR0的值不变(周期不变)
●改变CCRx值(改变占空比)
图3.3增计数模式时的输出实例
.TIMERA的输出模式由模式控制位OMx0、OMx1和OMx2决定,共有8种输出模式。
TAIVTIMER_A中断向量寄存器
TIMER_A中断可由计数器溢出引起,也可以来自捕获/比较寄存器。
每个捕获/比较模块可独立编程,由捕获/比较外部信号以产生中断。
外部信号可以是上升沿,也可以是下降沿,也可以两者都有。
Timer_A模块使用两个中断向量,一个单独分配给捕获/比较寄存器CCR0,另一个作为共用中断向量用于定时器和其他的捕获/比较寄存器。
捕获/比较寄存器CCR0中断向量具有最高的优先级,因为CCR0能用于定义增计数和增/减计数模式的周期,因此,它需要最高的服务。
CCIFG0在被中断服务时能自动复位。
CCR1~CCRx和定时器共用另一个中断向量,属于多源中断,对应的中断标志CCIFG1~CCIFGx和TAIFG1在读中断向量字TAIV后,自动复位。
如果不访问TAIV寄存器,则不能自动复位,须用软件清除;如果对应的中断允许位复位(不允许中断),则将不会产生中断请求,但中断标志仍然存在,这时须用软件清除。
多功能智能小车采用中断向量表分别控制寻迹和避障功能的传感器的扫描,通过控制CCR1和CCR2的中断允许TAIE来控制是否进入中断。
3.2寻迹模块
寻迹是指小车在白色地板上寻黑线行走,通常采用的方法是红外探测法。
即利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点,在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光,当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射,反射光被安装在小车上的接收管接收;如果遇到黑线则红外光被吸收,小车上的接收管接收不倒红外光。
单片机就是否反射回来的红外光为依据来确定黑线的位置和小车的行走路线。
这里用反射式红外传感器ST188。
当小车在白色地面行驶时,装在车下的红外发射管发射红外线信号,经白色反射后,被接收管接收,一旦接收管接收到信号,输出端将输出低电平;当小车行驶到黑线时,红外线信号被黑色吸收后,将输出高电平,从而实现了通过红线检测信号的功能。
将检测到的信号送到单片机的I/O口,当I/O口检测到的信号为高电平时,表明红外光被地上的黑线吸收了,表明小车处在黑色的引线上;同理,当I/O口检测到的信号为低电平时,表明小车行驶在白色地面上。
反射式红外传感器ST188采用高发射功率红外广电二极管和高灵敏度光电晶体管组成。
检测距离可调整范围为4-15mm;采用非接触检测方式。
图3.4 反射式红外传感器工作原理
反射式红外传感器中包含一个发射器LED和一个光探测器(光敏二极管/光敏三极管)。
着两个元件被封装在同一个塑料壳体中,并且排列成适合他们工作的理想位置。
LED发出的一束光被一个表面反射后又回到探测器中。
图3.4是反射式红外传感器的工作原理图。
封装在矩形壳体中的是发射器LED(由左侧的白色方块表示)和探测器装置(在右侧)。
虚线表示光线从发射器LED中发出并反射回探测器;探测器检测到的光强大小取决于物体表面的反射率,而这一光强就是传感器的输出值。
如图所示,选通信号(高电平)经过三极管扩流后送到传感器的K脚,如果检测到黑线,传感器C脚输出高电平;否则输出为低电平。
图3.5 反射式红外传感器及其检测距离与转换效率的关系图
反射式传感器在高度受控的理想环境下的工作性能更好,因为影响它输出的外界因素有很多,如环境光的变动、传感器与被探测物体之间的距离,以及被探测物体的反射率等。
为了减少环境光的干扰,首先需要调整传感器的方位使环境光不能直接射到探测器。
反射式红外传感器ST188的最佳探测距离为4-15mm。
所以将传感器垂直于地面并且调整传感器与地面的距离,大约在10mm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。
为了提高控制精度,要求传感器排列紧密,越紧越好。
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。
所以不能同时开启这些传感器。
其分布如图所示:
图3.6 传感器安装图
为消除传感器之间的干扰,可将传感器分为五组。
前排三组,后排两组(因为PID算法的和小车车身有关,而且后退寻迹不符合实际,所以3个后排的寻迹传感器省去)。
由P_SEN0~PSEN5控制着电源。
下图是传感器电路的一部分。
图3.7 反射式红外传感器电路
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、4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、4号传感器的数据。
然后关闭1、4号传感器,打开2、5号传感器电源,依次类推,读取8个传感器的数据。
图3.8 反射式红外传感器工作原理
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。
3.3避障模块
红外一体化接收头介绍
电视机、唱机等家电中广泛使用红外线遥控器。
红外遥控器发出38KHz调制的红外线,在接收端,被一体化红外接收头接收,解调出原始键码值。
因为红外遥控使用广泛、成熟、大批量,所以相关红外接收、发射元件价格很低。
本方案使用通用遥控器的一体化红外接收头作为检测元件。
图3.8一体化红外接收头工作原理
一体化接收头内部集成有带通滤波器,它只允许大约38kHz的红外信号通过。
这种仅对38KHz敏感的特性,有助于消除环境光对遥控器接收的影响。
如图,当红外线发射管(IRLED)发出的38KHz的红外线被一体化接收头接收时,接收头输出“0”。
当没有侦测到红外线,或非38KHz红外线(如日光灯干扰),输出“1”
利用一体化红外接收头在38KHz附近灵敏度的衰减的特性,可以实现测距功能。
图3.9显示的是某品牌的红外线探测器(PanasonicPNA4602M)在38KHz附近的灵敏度如果红外LED发送频率为42kHz,接收头的灵敏度是频率为38.5kHz的20%左右。
在非38KHz频率下,探测器的灵敏度下降,为了让探测器探测到红外线的反射,物体必须离探测器更近,才能使反射的红外光更亮。
图3.9接收头在38KHz附近灵敏度曲线
那么,最高灵敏度的频率可以探测最远距离的物体,较低灵敏度的频率可以探测较近距离物体。
距离探测功能得以实现。
选择8个不同频率,从最高灵敏度到最低灵敏度进行依次探测。
首先尝试最高灵敏度频率,如果物体被探测到了,就让仅次于它的高灵敏度频率测试,观察是否可以探测到。
依赖于不能再让探测器检测到的红外线频率,我们就可以大致推断物体距离处于哪个区域。
图3.10红外线测距原理
如果需要更高的分辨率,还可通过扫频法找到临界频率,从而更精确的得到物体位置。
下表是本人实测的频率距离关系(测量条件:
红外发光管通过5mA电流,用一张A4的白纸当障碍物):
频率
38KHZ
41KHZ
44KHZ
48KHZ
54KHZ
60KHZ
67KHZ
69KHZ
距离
34.0cm
30.0cm
25.0cm
20.0cm
15.0cm
10.0cm
5.0cm
2.5cm
表1 频率距离关系
该方法的缺点是精度差,且对物体颜色深浅比较敏感。
对于地图绘制等精度要求较高的场合不适用。
但对于机器人避障功能或路径选择来说,已经足够。
避障原理电路
为了感应360度范围内的障碍物,传感器排布采用如下结构。
图3.12红外测距环的传感器布置
每个传感器组由一只红外发射管、一只一体化红外接收头,和一只电容构成。
可以测量该方向是否存在障碍物和判断障碍物的距离。
电容用来稳定电路,防止电源和地发生短路。
硬件原理:
采用一片MSP430X149作为控制器。
利用TIMERA的频率发生器模式,产生38KHz附近的若干频率,从P6.5输出方波。
该方波经过晶体管Q18扩流来增加驱动能力,给5个红外LED供电。
为防止互相干扰5只LED轮流点亮,每次只亮一只LED,由IRE选择哪支红外LED被点亮。
如果接收到反射回来的红外线,接收端将输出TTL电平,被单片机接收,然后执行相应的避障措施。
如果未接收到任何信号,将一直输出高电平。
因为一体化接收头只对38kHz的方波敏感,而且它内部带有带通滤波器,所以需要在发送38kHz的时候发送一段时间关闭一段时间,否则传感器会认为它是外界光而将返回的信号当作干扰信号而忽略掉。
图3.13红外一体化接收头工作原理
为了避免各个传感器之间的相互干扰,需要轮流打开接收器。
另外,因为发光管发出的光是沿四面八方发送的,而且只要打开电源发射管就会工作,所以也为了避免因别的发光管带来的干扰,需要将发光管包的严严实实的。
如图所示为红外一体化接收头的作原理:
上拉电阻一般选用1KΩ,如果选用较大的电阻,其上拉的效果也不是很明显,有点大材小用的效果;如果选用较小的电阻,有可能方波的低电平就不会下拉到0附近。
通过作试验,我们将上拉电阻选用300Ω的电阻,结果38KHZ的方波的低电平大约在1V左右,这时单片机
有可能会将它也看作高电平,也就是说相当于一直输出的是高电平。
另外,还可以调整串联电阻的大小来调整传感器的测距范围。
电阻越大,测量距离越小;电阻越小,
测量距离越大。
但因为单片机接收到的电流一般在5mA左右,所以串联电阻也不能很小,否则会烧坏单片机。
经过试验,我们测得上拉电阻为1KΩ串联电阻为100Ω时它的测量距离最远,可达到3米以上。
这五个传感器所起的作用是不同的。
前排三个传感器用来检测前方是否有障碍物。
若中间的传感器检测到障碍物,左前方的传感器再检测左边是否有障碍物:
如果没有小车左转弯;如果有,再判断右边是否有障碍物:
如果没有,则小车右转弯;如果有小车将向后退,在后退的过程中传感器还在不断的检测障碍物,一旦发现左边(或右边)
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