基于DSP的自動(dòng)避障小車(chē)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、上 海 電 力 學(xué) 院DSP原理與應(yīng)用課程設(shè)計(jì)論文 設(shè)計(jì)名稱(chēng) 基于DSP2407的自動(dòng)避障小車(chē)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 院 （系） 專(zhuān) 業(yè) 班 級(jí) 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)老師 目錄摘要.3小車(chē)避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)的意義.3設(shè)計(jì)功能概述.4硬件選擇.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊.6 傳感器系統(tǒng).7 壁障模塊.8 電源電路的選型.9整體構(gòu)思.9避障電路.10電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路.11避障小車(chē)設(shè)計(jì).121、 自動(dòng)避障小車(chē)總體設(shè)計(jì).122、 自動(dòng)避障小車(chē)的硬件設(shè)計(jì).123、 自動(dòng)避障小車(chē)的軟件設(shè)計(jì).164、 結(jié)論.18參考文獻(xiàn).19基于DSP2407的自動(dòng)避障小車(chē)系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要隨著電子技術(shù)的發(fā)展、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的廣泛應(yīng)用和傳感技術(shù)的突破

2、性發(fā)展，基于DSP實(shí)現(xiàn)的控制技術(shù)已被許多系統(tǒng)所采用。由于DSP器件具有較高的集成度，具有比單片機(jī)更快的CPU，更大容量的存儲(chǔ)器，內(nèi)置有波特率發(fā)生器和fifo緩沖器，提供高速同步串口和標(biāo)準(zhǔn)異步串口，最為突出的是，DSP器件精簡(jiǎn)的指令系統(tǒng)(大多數(shù)指令能在一個(gè)指令周期內(nèi)完成)、獨(dú)立的程序和數(shù)據(jù)空間等使其具有高速的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，使設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單性能優(yōu)越的矢量控制調(diào)速系統(tǒng)成為可能，因此DSP越來(lái)越多地被應(yīng)用于電機(jī)控制中。小車(chē)避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)的意義自第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人誕生以來(lái)，機(jī)器人的發(fā)展已經(jīng)遍及機(jī)械、電子、冶金、交通、宇航、國(guó)防等領(lǐng)域。近年來(lái)機(jī)器人的智能水平不斷提高，并且迅速地改變著人們的生活方式。人們?cè)诓粩?/p>

3、探討、改造、認(rèn)識(shí)自然的過(guò)程中，制造能替代人勞動(dòng)的機(jī)器一直是人類(lèi)的夢(mèng)想。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的感覺(jué)傳感器種類(lèi)越來(lái)越多，其中視覺(jué)傳感器成為自動(dòng)行走和駕駛的重要部件。視覺(jué)的典型應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)樽灾魇街悄軐?dǎo)航系統(tǒng)，對(duì)于視覺(jué)的各種技術(shù)而言圖像處理技術(shù)已相當(dāng)發(fā)達(dá)，而基于圖像的理解技術(shù)還很落后，機(jī)器視覺(jué)需要通過(guò)大量的運(yùn)算也只能識(shí)別一些結(jié)構(gòu)化環(huán)境簡(jiǎn)單的目標(biāo)。視覺(jué)傳感器的核心器件是攝像管或CCD，目前的CCD已能做到自動(dòng)聚焦。但CCD傳感器的價(jià)格、體積和使用方式上并不占優(yōu)勢(shì)，因此在不要求清晰圖像只需要粗略感覺(jué)的系統(tǒng)中考慮使用接近覺(jué)傳感器是一種實(shí)用有效的方法。機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)引功能和避障功能就必須要感知導(dǎo)引線和

4、障礙物，感知導(dǎo)引線相當(dāng)給機(jī)器人一個(gè)視覺(jué)功能。避障控制系統(tǒng)是基于自動(dòng)導(dǎo)引小車(chē)（AVGauto-guide vehicle）系統(tǒng)，基于它的智能小車(chē)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別路線，判斷并自動(dòng)避開(kāi)障礙，選擇正確的行進(jìn)路線。使用傳感器感知路線和障礙并作出判斷和相應(yīng)的執(zhí)行動(dòng)作。 隨著生產(chǎn)自動(dòng)化的發(fā)展需要，機(jī)器人已經(jīng)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用到生產(chǎn)自動(dòng)化上，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的傳感器種類(lèi)也越來(lái)越多，其中紅外傳感器已經(jīng)成為自動(dòng)行走和駕駛的重要部件。避障小車(chē)是一種移動(dòng)機(jī)器人，它通過(guò)傳感器系統(tǒng)感知外界環(huán)境，在復(fù)雜環(huán)境中自主移動(dòng)并完成避障，一般采用超聲波、紅外、激光、CCD等傳感器設(shè)計(jì)。由于紅外傳感器探測(cè)視角小。方向性強(qiáng)，測(cè)量精度

5、高，價(jià)格便宜，而且可在夜間工作，因此紅外傳感器作為視覺(jué)應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)器人避障。本次設(shè)計(jì)是以TI公司生產(chǎn)的TMS320LF2407型DSP為核心，采集環(huán)境信息并控制智能小車(chē)，3個(gè)紅外發(fā)收傳感器檢測(cè)智能小車(chē)前方的障礙物，并且根據(jù)障礙物位置進(jìn)行自動(dòng)避障。紅外的典型應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)樽灾魇街悄軐?dǎo)航系統(tǒng)，機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障功能就必須要感知障礙物，感知障礙物相當(dāng)給機(jī)器人一個(gè)視覺(jué)功能。智能避障是基于紅外傳感系統(tǒng)，采用紅外傳感器實(shí)現(xiàn)前方障礙物檢測(cè)，并判斷障礙物遠(yuǎn)近。設(shè)計(jì)功能概述功能概述 智能小車(chē)采用前輪驅(qū)動(dòng)，前輪左右兩邊各用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，分別控制兩個(gè)輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)從而達(dá)到轉(zhuǎn)向的目的，后輪是萬(wàn)向輪，起支撐的作用。將三個(gè)紅外

6、線光電傳感器分別裝在車(chē)體的左中右，當(dāng)車(chē)的左邊的傳感器檢測(cè)到障礙物時(shí)，主控芯片控制右輪電機(jī)停止左輪轉(zhuǎn)動(dòng)，車(chē)向右方轉(zhuǎn)向，當(dāng)車(chē)的右邊傳感器檢測(cè)到障礙物時(shí)，主控芯片控制左輪電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，車(chē)向左方轉(zhuǎn)向，當(dāng)前面有障礙物時(shí)規(guī)定車(chē)右轉(zhuǎn)。于此同時(shí)測(cè)定速度并顯示，在避障小車(chē)前進(jìn)的同時(shí)從LCD點(diǎn)陣液晶顯示器上顯示小車(chē)當(dāng)時(shí)速度。在小車(chē)左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)時(shí)在顯示器上顯示出左或右。硬件選擇TMS320LF2407芯片簡(jiǎn)介T(mén)MS320LF240x系列簡(jiǎn)介 TMS320LF240x系列是TMS320C2000家族中最新、功能強(qiáng)大的DSP芯片，其中LF2407是最具有革命性的產(chǎn)品，是當(dāng)今世界上集成度較高、性能較強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)控制芯片，特別適

7、合于三相異步電動(dòng)機(jī)的高性能控制。它與現(xiàn)存240x DSP控制器芯片代碼兼容的同時(shí)，240x芯片具有處理性能更好(30mips)、外設(shè)集成度更高、程序存儲(chǔ)器更大、A/D轉(zhuǎn)換速度更快等優(yōu)點(diǎn)，是電機(jī)數(shù)字化控制的升級(jí)產(chǎn)品。TMS320LF2407(簡(jiǎn)稱(chēng)2407)是TI公司專(zhuān)門(mén)為工業(yè)控制領(lǐng)域量身定做的一款高性能、低功耗、高性?xún)r(jià)比的16位定點(diǎn)DSP芯片。2407繼承了TMS320F240x系列芯片在數(shù)字電機(jī)控制(DMC)方面的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還提供相當(dāng)豐富的外設(shè)資源，是一款相當(dāng)不錯(cuò)的芯片，為工業(yè)系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)提供了一個(gè)很好的解決方案。2407芯片是一款16位定點(diǎn)DSP芯片。它是TI的TMS320LF240x系

8、列芯片的超集，時(shí)鐘達(dá)到30MHz(TMS320LF2407A為40 MHz)，片內(nèi)資源包括：2.5K RAM、32K Flash、BOOT ROM、16路10位AD轉(zhuǎn)換器、2個(gè)事件管理器(包括16個(gè)16位PWM模塊、4個(gè)16位通用定時(shí)器、6個(gè)捕獲單元等)、外部存儲(chǔ)器接口、看門(mén)狗模塊、SCl/SPI接口、CAN控制器、PLL電路、40個(gè)通用I0口、5個(gè)外部中斷口，符合1EEEll491規(guī)范的JTAG接口(便于仿真調(diào)試和最終程序下載)。TMS320LF240x系列主要特點(diǎn)(1)兩個(gè)事件管理器模塊eva和evb，為開(kāi)發(fā)者提供完整的、高效的馬達(dá)控 制方案，提供所有的pwm和io，可以控制所有類(lèi)型的電機(jī)

9、。 (2) 采用高性能靜態(tài)cmos技術(shù)，使得供電電壓降為3.3v，減少了控制器的 損耗；30mips的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到33ns，從而提高了控制器的實(shí)時(shí)控制能力。(3) 片內(nèi)有高達(dá)32k×16位的flash程序存儲(chǔ)器；高達(dá)2.5k字×16位的數(shù)據(jù)/程序ram；544字節(jié)雙端口ram(daram)；2k字的單口ram(saram)。 (4) 可擴(kuò)展的外部存儲(chǔ)器總共具有192k×16位的空間，分別為64k字程序存儲(chǔ)器空間、64k字的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間和64k字的i/o空間。 (5) 10位ADC轉(zhuǎn)換器，其特性為：最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為500ns、8個(gè)或16個(gè)多路復(fù)用的輸入通

10、道，采集時(shí)間和轉(zhuǎn)換時(shí)間分開(kāi)，提高了采樣率和輸入阻抗，并且支持自動(dòng)順序采樣，不需CPU干預(yù)。(6) CAN總線控制器可以為控制器、傳感器、激勵(lì)源以及其它節(jié)點(diǎn)提供良好的通訊，特別適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和汽車(chē)等強(qiáng)噪聲和惡劣的環(huán)境中。 (7) 5個(gè)外部中斷(兩個(gè)驅(qū)動(dòng)保護(hù)、復(fù)位和兩個(gè)可屏蔽中斷)。本次課程設(shè)計(jì)采用TI公司的DSP芯片：TMS320LF2407。TMS320LF2407芯片圖如下：圖1 TMS320LF2407智能小車(chē) 智能小車(chē)可通過(guò)簡(jiǎn)單的I0控制實(shí)現(xiàn)小車(chē)的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)等功能。智能小車(chē)分為車(chē)體和控制板兩部分，控制板將來(lái)自DSP芯片I/O口引腳的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)以驅(qū)動(dòng)電機(jī)使車(chē)輪

11、運(yùn)轉(zhuǎn)，小車(chē)的驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向由左右兩輪驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，左右輪的驅(qū)動(dòng)電路是全橋驅(qū)動(dòng)電路，雙電機(jī)四輪驅(qū)動(dòng)。小車(chē)的工作電壓為直流4-6V，車(chē)速是0.6ms電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊方案一：采用繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)的開(kāi)或關(guān)進(jìn)行控制,通過(guò)開(kāi)關(guān)的切換對(duì)小車(chē)的速度進(jìn)行調(diào)整。此方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡(jiǎn)單,缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時(shí)間慢,易損壞,壽命較短,可靠性不高。方案二：采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的分壓，從而達(dá)到分壓的目的。但電阻網(wǎng)絡(luò)只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價(jià)格比較昂貴。更主要的問(wèn)題在于一般的電動(dòng)機(jī)電阻很小，但電流很大，分壓不僅會(huì)降低效率，而且實(shí)現(xiàn)很困難。方案三：使用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機(jī)。線性型驅(qū)動(dòng)的電路

12、結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，成本低，加速能力強(qiáng)，采用由達(dá)林頓管組成的H型PWM電路。用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)下，精確調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高；H型保證了簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制；電子管的開(kāi)關(guān)速度很快，穩(wěn)定性也極強(qiáng)，是一種廣泛采用的PWM調(diào)速技術(shù)。這種調(diào)速方式有調(diào)速特性?xún)?yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過(guò)載能力大，能承受頻繁的負(fù)載沖擊，還可以實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)級(jí)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。因此決定采用使用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機(jī)。傳感器系統(tǒng)方案一：反射式紅外發(fā)射接收裝置，只有物體反射紅外光時(shí)才有信號(hào)輸入，其信號(hào)強(qiáng)度與小車(chē)距障礙物的距

13、離成正比。因此可利用信號(hào)強(qiáng)度作為避障依據(jù)。紅外探測(cè)器的選型與工作方式:1、紅外探測(cè)器的選型紅外探測(cè)器以其發(fā)射功率大、抗干擾能力強(qiáng)而在工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用，紅外探測(cè)器按其工作模式可大致分為主動(dòng)式與被動(dòng)式，主動(dòng)式紅外探測(cè)器自帶紅外光源，通過(guò)對(duì)光源的遮擋、反射、折射等光學(xué)手段可以完成對(duì)被探測(cè)物體位置的判別。被動(dòng)式紅外探測(cè)器本身沒(méi)有光源，通過(guò)接受被探測(cè)物體的特征光譜輻射來(lái)測(cè)量被探測(cè)物的位置、溫度或進(jìn)行紅外成像。直流直接驅(qū)動(dòng)方式裝置簡(jiǎn)單但檢測(cè)距離和抗干擾能力都比較差；交流調(diào)制方式由于可以采用交流耦合方式解決了放大器的直流漂移問(wèn)題從而可以大大提高檢測(cè)的距離，同時(shí)由于環(huán)境光產(chǎn)生的干擾多數(shù)情況是信號(hào)的直流

14、或低頻分量可以由濾波器加以隔絕，因此交流調(diào)試方式抗干擾能力也比較強(qiáng)，缺點(diǎn)是系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜。在本課程設(shè)計(jì)中要利用紅外探測(cè)器檢測(cè)障礙物的距離，顯然選用主動(dòng)式紅外傳感器比較合適，系統(tǒng)的造價(jià)可以降低可靠性可以提高。主動(dòng)式紅外傳感器又可分為分立元件型、透射遮擋型和反射型（如圖2示），分立元件型發(fā)光管與接收管相互獨(dú)立，用戶(hù)在使用時(shí)可以根據(jù)需要靈活的設(shè)定發(fā)光管與接受管的位置，并可利用棱鏡、透鏡等完成特殊的目的，缺點(diǎn)是裝置麻煩。透射遮擋型和反射型通過(guò)塑料模具將發(fā)光管與接收管封裝在一起，非常方便用戶(hù)使用，在本題中對(duì)障礙物的檢測(cè)我使用反射型。紅外發(fā)光管紅外接收管分立元件型透射遮擋型反射型圖2紅外探測(cè)器的形式2、主動(dòng)

15、式紅外探測(cè)器的工作方式選取 主動(dòng)式紅外探測(cè)器常用的驅(qū)動(dòng)方式可分為直流直接驅(qū)動(dòng)方式和交流調(diào)制方式，直流直接驅(qū)動(dòng)方式裝置簡(jiǎn)單但檢測(cè)距離和抗干擾能力都比較差；交流調(diào)制方式由于可以采用交流耦合方式解決了放大器的直流漂移問(wèn)題從而可以大大提高檢測(cè)的距離，同時(shí)由于環(huán)境光產(chǎn)生的干擾多數(shù)情況是信號(hào)的直流或低頻分量可以由濾波器加以隔絕，因此交流調(diào)試方式抗干擾能力也比較強(qiáng)，缺點(diǎn)是系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜。方案二：采用反射式超聲波換能器，只有物體反射超聲波時(shí)才有信號(hào)輸入，測(cè)量發(fā)射接收信號(hào)間的時(shí)間差T2-T1，利用其可以得到障礙物的距離，將該信息送給單片機(jī)，單片機(jī)發(fā)出控制信號(hào)改變小車(chē)的轉(zhuǎn)向，使小車(chē)不與障礙物發(fā)生接觸。該方法適合較遠(yuǎn)

16、距離障礙物檢測(cè)。反射式超聲波換能器成本高，電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，因?yàn)椴灰髾z測(cè)的很遠(yuǎn)，于是選自了反射式光電傳感器，在課題中對(duì)前方障礙物的檢測(cè)因?yàn)橐髾z測(cè)距離較遠(yuǎn)，受到環(huán)境光的干擾比較大，因此我們選用抗干擾能力較強(qiáng)的交流調(diào)制工作方式；而對(duì)小車(chē)側(cè)面障礙物的檢測(cè)由于要求檢測(cè)距離較近，外界干擾相對(duì)較弱，為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)我們選用直流直接驅(qū)動(dòng)方式。壁障模塊 在壁障模塊中，可以選擇超聲波壁障。其優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)速度靈敏，距離遠(yuǎn)，受外界干擾小。但是，如果利用超聲波傳感器進(jìn)行壁障的話，由于空間小聲波在小空間不同方向里會(huì)進(jìn)行多次反射，左右前后的傳感器之間相互干擾，使控制中心不能明確判斷出那個(gè)方位遇到了障礙物，從而動(dòng)作紊亂，不能實(shí)現(xiàn)要

17、求。使用紅外接收頭和發(fā)射管配合，利用38k頻率解決靈敏度問(wèn)題。38K調(diào)制和發(fā)射電路。使用一個(gè)定時(shí)器的快速PWM模式產(chǎn)生38K調(diào)制信號(hào)，通過(guò)剩余的四個(gè)施密特觸發(fā)器（有2個(gè)已經(jīng)用在光電編碼部分）緩沖，推動(dòng)8050三極管和紅外發(fā)光管來(lái)發(fā)射已經(jīng)調(diào)制的紅外線。其中2個(gè)1N4148接IO腳，控制左右紅外發(fā)光管輪流發(fā)射。后面串接的可見(jiàn)光LED是為了方便用戶(hù)調(diào)試而設(shè)臵的，讓用戶(hù)知道當(dāng)前是否在發(fā)射紅外線。通過(guò)調(diào)節(jié)PWM的占空比，調(diào)節(jié)紅外發(fā)光管的亮度，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)感知障礙物距離的功能。利用紅外傳感器，其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)近距離的障礙物反應(yīng)速度靈敏，不同方位的傳感器之間信號(hào)不會(huì)相互干擾，造成誤動(dòng)作。缺點(diǎn)是距離近，易受到自然光

18、的干擾。經(jīng)過(guò)兩種傳感器性能對(duì)比與題目要求的綜合考慮分析，最終選擇紅外傳感器作為小車(chē)的眼睛，進(jìn)行壁障。電源電路的選型方案一：所有器件采用單一電源（6節(jié)AA電池）。這樣供電比較簡(jiǎn)單；但是由于電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)瞬間電流很大，而且PWM驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)電流波動(dòng)較大，會(huì)造成電壓不穩(wěn)、有毛刺等干擾，嚴(yán)重時(shí)可能造成單片機(jī)系統(tǒng)掉電，缺點(diǎn)十分明顯。圖3 穩(wěn)壓電路方案二：雙電源供電。將電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源與單片機(jī)及其周邊電路電源完全隔離，利用光電耦合器傳輸信號(hào)。這樣做法雖然不如單電源方便靈活，但可將電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)所造成的干擾完全消除，進(jìn)一步提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。整體構(gòu)思經(jīng)過(guò)方案論證的過(guò)程之后，我選定了僅采用LF2407作為核心部件的方案，其

19、系統(tǒng)總方框圖如圖4所示。具體的功能設(shè)置已通過(guò)該圖做了直觀的說(shuō)明。通過(guò)主控芯片控制各傳感器輸入的信號(hào)，控制方式由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中包括六個(gè)紅外傳感器用來(lái)檢測(cè)障礙物，四個(gè)傳感器用來(lái)檢測(cè)側(cè)面障礙，2個(gè)檢測(cè)前方障礙。還有一個(gè)霍爾傳感器用來(lái)檢測(cè)路程相關(guān)的信號(hào)；除了處理這些信號(hào)單片機(jī)還通過(guò)I/O口控制直流電機(jī)和LED的顯示。在功能和作用上，我分成了四大部分：主控、驅(qū)動(dòng)、避障和顯示部分。LED顯示模塊（時(shí)間、里程）TMS320LF2407側(cè)體左側(cè)紅外傳感器車(chē)體右側(cè)紅外傳感器車(chē)體左前紅外傳感器車(chē)體右前紅外傳感器控制直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器路程傳感器 圖2-1 系統(tǒng)總原理框圖避障電路（1）障礙物探測(cè)方案的選擇 方案一：脈沖

20、調(diào)制的反射式紅外線發(fā)射接受器。由于采用該有交流分量的調(diào)制信號(hào)，則可大幅度減少外界干擾；另外紅外線接受管的最大工作電流取決于平均電流。如果采用占空比小的調(diào)制信號(hào)，再品均電流不變的情況下，順勢(shì)電流很大（50100mA），則大大提高了信噪比。并且其反應(yīng)靈敏，外圍電路也很簡(jiǎn)單。它的優(yōu)點(diǎn)是消除了外界光線的干擾提高了靈敏度。 方案二：采用超聲波傳感器，如果傳感器接收到反射的超聲波，則通知單片機(jī)前方有障礙物，如則通知單片機(jī)可以向前行駛。市場(chǎng)上很多紅外光電探頭也都是基于這個(gè)原理。這樣不但能準(zhǔn)確完成測(cè)量，而且能避免電路的復(fù)雜性。由以上兩種方案比較可知。方案二要比方案一優(yōu)勢(shì)大，市場(chǎng)上很多紅外觀點(diǎn)探頭也都基于這個(gè)原

21、理。其電路簡(jiǎn)單，工作可靠，性能比較穩(wěn)定。從而避免了電路的復(fù)雜性。 避障電路采用漫反射式光電開(kāi)關(guān)進(jìn)行避障。光電開(kāi)關(guān)是集發(fā)射頭和接收頭于一體的檢測(cè)開(kāi)關(guān)，其工作原理是根據(jù)發(fā)射頭發(fā)出的光束，被障礙物反射，接收頭據(jù)此做出判斷是否有障礙物。當(dāng)有光線反射回來(lái)時(shí)，輸出低電平；當(dāng)沒(méi)有光線反射回來(lái)時(shí)，輸出高電平。單片機(jī)根據(jù)接收頭電平的高低做出相應(yīng)控制，避免小車(chē)碰到障礙物，由于接收管輸出TTL電平，有利于單片機(jī)對(duì)信號(hào)的處理。光電開(kāi)關(guān)工作原理：光電開(kāi)關(guān)是通過(guò)把光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的。光電開(kāi)關(guān)在一般情況下，有三部分構(gòu)成，它們分為：發(fā)送器、接收器和檢測(cè)電路。避障電路如下：電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 市場(chǎng)上用很多種類(lèi)

22、的小電壓直流電動(dòng)機(jī)，很方便的選擇到。主要有普通電動(dòng)機(jī)、和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。 方案一：采用步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的一個(gè)顯著的特點(diǎn)就是具有快速啟動(dòng)和停止能力，能夠達(dá)到我們所要求的標(biāo)準(zhǔn)。如果負(fù)荷不超過(guò)步進(jìn)電機(jī)所能提供的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩值，就能夠立即是步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)或反轉(zhuǎn)。其轉(zhuǎn)換靈敏度比較高。正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制靈活。但是步進(jìn)電機(jī)的價(jià)格比較昂貴，對(duì)于我們的現(xiàn)狀相差太遠(yuǎn)。 方案二：采用普通的直流電機(jī)。直流電機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、方便。調(diào)整范圍廣；過(guò)載能力強(qiáng)，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)極快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。能滿(mǎn)足各種不容的特殊運(yùn)行要求。 由于普通直流電機(jī)價(jià)格適宜，更易于購(gòu)買(mǎi)，并且電路相對(duì)簡(jiǎn)單，因此采用直流電

23、機(jī)作為動(dòng)力源本設(shè)計(jì)采用差分放大驅(qū)動(dòng)使電機(jī)正反轉(zhuǎn)從而做到前進(jìn)，左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)。采用四個(gè)大功率晶體管組成H橋式電路，四個(gè)大功率晶體管分為兩組，交替導(dǎo)通和截止，用單片機(jī)控制使之工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，進(jìn)而控制電機(jī)的運(yùn)行。該控制電路由于四個(gè)大功率晶體管只工作在飽和與截止?fàn)顟B(tài)下，效率非常高，并且大功率晶體管開(kāi)關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性也極強(qiáng)，是一種廣泛采用的電路。避障小車(chē)設(shè)計(jì)1、自動(dòng)避障小車(chē)總體設(shè)計(jì)該系統(tǒng)主要由DSP控制、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電源、測(cè)速以及視覺(jué)等模塊組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。小車(chē)為3輪結(jié)構(gòu)，前面2個(gè)輪分別由2個(gè)電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)控制，后面1個(gè)萬(wàn)向輪作為支撐輪。小車(chē)安裝有3個(gè)紅外傳感器，分別位于車(chē)頭的左、中、右部位，用于采集環(huán)

24、境信息。速度控制采用定頻調(diào)寬的PWM調(diào)速，并應(yīng)用速度反饋和閉環(huán)PID控制，從而實(shí)現(xiàn)小車(chē)精確的速度和位置控制。2、自動(dòng)避障小車(chē)的硬件設(shè)計(jì)該系統(tǒng)以DSP TMS320LF2407為核心，該DSP片內(nèi)資源豐富，具有電機(jī)控制的獨(dú)特資源，12路脈寬調(diào)制(PWM)輸出。視覺(jué)模塊采用E3FDS3-0P1型紅外傳感器，有效探測(cè)距離為30 cm，探測(cè)角度30°。將3個(gè)紅外傳感器分別接至IOPE接口的IOPE4、IOPE5和IOPE6。由于光電開(kāi)關(guān)正常狀態(tài)時(shí)信號(hào)高電平為5 V，而DSP標(biāo)準(zhǔn)高電平為3.3 V，所以應(yīng)在光電開(kāi)關(guān)與DSP之間串聯(lián)分壓電阻。電源采用12 V蓄電池供電。DSP是以+3.3 V電壓

25、供電，因此必須將+12 V標(biāo)準(zhǔn)電壓轉(zhuǎn)換成+3.3 V。該系統(tǒng)采用LM7805與MAX604作為電源轉(zhuǎn)換器。12 V電源首先經(jīng)LM7805調(diào)壓到5 V，先將5 V電壓送入紅外傳感器，再送入MAX604降壓為3.3 V，如圖2所示。采用L298驅(qū)動(dòng)電機(jī)，0UTl，0UT2分別與小車(chē)的一個(gè)電機(jī)的正負(fù)極相連；OUT3，OUT4分別與小車(chē)的另一個(gè)電機(jī)的正負(fù)極相連；L298的INl和IN2引腳分別與DSP的IOPE0(方向4)、IOPE1(方向3)引腳連接，用于接收主控器件輸出的轉(zhuǎn)向電機(jī)的動(dòng)作指令，并通過(guò)0UTl和OUT2控制左電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，L298的IN3、IN4引腳分別與DSP的IOPE2(方向2

26、)、IOPE3(方向1)引腳連接，用于接收主控器件輸出的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的動(dòng)作指令，并通過(guò)0UT3，OUT4控制前方右電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，而ENA和ENB引腳分別連接到DSP的IOPE0(PWM3)、IOPEl(PWM4)引腳，用于控制電機(jī)的速度，其電路原理圖如圖3所示。L298分別控制并調(diào)整前面2個(gè)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，控制小車(chē)的前進(jìn)、后退、向左、向右、停止。由于小車(chē)采用三輪結(jié)構(gòu)，前面2個(gè)輪既是動(dòng)力輪又是方向輪，當(dāng)INl、IN2、ENA分別為l、0、1，同時(shí)IN3、IN4、ENB分別為0、l、l時(shí)，小車(chē)前進(jìn)；當(dāng)INl、IN2、ENA分別為1、O、l，同時(shí)IN3、IN4、ENB分別為l、0、l時(shí)，小車(chē)右轉(zhuǎn)；當(dāng)

27、INl、IN2、ENA分別為0、1，1，同時(shí)IN3、IN4、ENB分別為1、0、1時(shí)，小車(chē)左轉(zhuǎn)。采用測(cè)速電機(jī)測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速，以此判斷速度。電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)，其輸出經(jīng)過(guò)HD74HCl4P(HD74HCl4P內(nèi)部有若干反相器電路，可完成寄存器復(fù)位)，送至DSP的PA3(CAPl)和PA4(CAP2)引腳，根據(jù)軟件設(shè)置使計(jì)數(shù)器對(duì)脈沖信號(hào)上升沿進(jìn)行遞增計(jì)數(shù)。如圖4所示。3、自動(dòng)避障小車(chē)的軟件設(shè)計(jì)DSP每隔一段時(shí)間對(duì)IOPE4，IOPE5，IOPE6這3個(gè)端口進(jìn)行查詢(xún)，沒(méi)有障礙物時(shí)這3個(gè)端口為高電平。即111，左邊有障礙物時(shí)為011，右邊有障礙物時(shí)為110。前方有障礙物時(shí)則為010。小車(chē)根據(jù)紅外傳感器接收的信號(hào)判斷前方障礙物的分布并做出相應(yīng)的動(dòng)作，如表1所示。小車(chē)在普通情況下(無(wú)障礙物)處于前進(jìn)狀態(tài)，當(dāng)T3定時(shí)器發(fā)生周期中斷時(shí)，進(jìn)入程序開(kāi)始檢測(cè)光電開(kāi)關(guān)的信號(hào)線端口，如果有障礙物則從避障程序中選擇一個(gè)執(zhí)行(左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后轉(zhuǎn))，進(jìn)行避障動(dòng)作，如果沒(méi)有障礙物則小車(chē)?yán)^續(xù)前進(jìn)并且等待定時(shí)器的下一次中斷，其程序流程如圖5所示。調(diào)節(jié)PID參數(shù)不僅可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定。還能兼顧系統(tǒng)的帶載能力和抗擾能力。首先應(yīng)找出小車(chē)的理想