智能搬運車D題課件

智能搬運車D題31、園日涉以成趣，門雖設而常關。32、鼓腹無所思。朝起暮歸眠。33、傾壺絕余瀝，窺灶不見煙。34、春秋滿四澤，夏云多奇峰，秋月揚明輝，冬嶺秀孤松。35、丈夫志四海，我愿不知老。智能搬運車D題智能搬運車D題31、園日涉以成趣，門雖設而常關。32、鼓腹無所思。朝起暮歸眠。33、傾壺絕余瀝，窺灶不見煙。34、春秋滿四澤，夏云多奇峰，秋月揚明輝，冬嶺秀孤松。35、丈夫志四海，我愿不知老。2006年湖北省電子設計競賽(D題)

智能搬運車作品解析一、題意分析

設計并制作一個能自動搬運貨物的智能電動車，其工作示意圖如下。題目要求設計并制作一智能搬運車。分析題目的基本要求和發(fā)揮部分，可以看出主要考核或應用以下幾個知識點。

（1）運動控制的基本知識，包括小車的前進、后退、

轉彎、準確啟停與定位等。

（2）檢測與傳感技術，包括鐵片的探測、顏色的識別

與拾??；障礙物的檢測與避讓；黑色線段的檢

測；光信號的檢測與判斷等。

（3）主控部件的制作與應用。

（4）編程技術與系統(tǒng)方案設計，包括系統(tǒng)涉及的所有

程序如，特別是鐵片搜索程序與完成任務要求的

路線設計方案。

（5）小車模型的制作與選型。

在掌握了上述相關知識的基礎上融會貫通的應用，就能題目要求的全部功能。下圖是以單片機為主要控制部件的系統(tǒng)結構，給出了完成題目要求全部功能所需的系統(tǒng)各個模塊。

單片機控制模塊金屬檢測、計數、吸放模塊電機驅動模塊避障控制模塊光源探測模塊黑線探測模塊語音播報模塊顯示模塊聲光指示模塊電路分為路面黑線檢測模塊，鐵片探測及搬運模塊，電機驅動模塊，顯示及聲光指示模塊，方向控制模塊，測距模塊等幾部分。路面黑線檢測及鐵片顏色識別采用反射式紅外傳感器；鐵片檢測和搬運采用電磁鐵；障礙物檢測采用紅外探測頭；電機驅動采用PWM技術。各探頭的信號經單片機綜合分析處理，使小車能準確地找到鐵片、繞開障礙物、尋找光源及準確進入車庫。二、各模塊方案及典型特例1、金屬探測路線方案大致上各個參賽隊采用的方案有兩種。2m5cm5cm30cm30cm30cm停車區(qū)貨物存儲區(qū)A貨物存儲區(qū)B5cm光源A光源B50cm起跑線60cm1m30cm2m5cm5cm30cm30cm30cm停車區(qū)貨物存儲區(qū)A貨物存儲區(qū)B5cm光源A光源B50cm起跑線60cm1m30cm兩種方案相比較，第一種方案優(yōu)于第二種方案。第二種方案兩邊線之間的距離較遠，小車容易偏離方向，不宜控制。而第一種方案看起來好象花費時間一些，但是鐵片與底線之間只有30cm的距離，只要已底線做參考，在兩邊線的范圍之間搜索鐵片，程序不比方案一復雜，而且較容易控制小車。2、小車的選型本次的參賽隊采用的小車基本上有三種①四輪改造車，②履帶車，③自制車。小車賽上每次都是已四輪改造車為主，在本次大賽上履帶車、自制車相對以往有明顯增多。主要還是考慮傳感器的安裝，小車的速度與方向的控制等方面因數。3、主要控制部件選擇幾乎所有的參賽隊均采用單片機作為主控部件，區(qū)別僅僅是單片機的型號不同有采用凌陽的單片機SPCE061A，有采用8位AVR單片機Atmega16L，有采用51內核8位單片機STC89C51RC/RD+系列單片機。主要控制部件完成系統(tǒng)方案的運行，對各種檢測信號的分析、處理及控制；產生聲光信號、語音信號及數據顯示。在直流電機驅動電路中幾乎獲獎參賽隊都是采用電機驅動芯片L298N，實現H型PWM電路，PWM電路由四個大功率晶體管構成H型全橋式驅動電路，用單片機控制達林頓管使之工作在開關狀態(tài)，這種驅動電路可以很方便實現直流電機的四象限運行，分別對應正轉、正轉制動、反轉、反轉制動?；驹韴D如圖。

4、電機驅動方案

全橋式驅動電路的4只開關管都工作在斬波狀態(tài)，S1、S2為一組，S3、S4為一組，兩組的狀態(tài)互補，一組導通則另一組必須關斷。當S1、S2導通時，S3、S4關斷，電機兩端加正向電壓，可以實現電機的反轉制動或正轉；當S3、S4導通時，S1、S2關斷，電機兩端為反向電壓，電機正轉制動或反轉。L298芯片是一個完整的集成驅動電路（內部包含4通道邏輯驅動電路）。用單片機控制實現對L298的TTL電平控制,通過改變芯片控制端的輸入電平，即可以對電機進行正反轉,調節(jié)輸入的占空比可調整電動機轉速。一片L298N有4路輸出，可以控制兩路電機正反轉及調速，正好用來控制電動小車的前進和后退以及左轉和右轉?？梢詫崿F頻繁的無級快速啟動和反轉?；诜€(wěn)定性考慮，采用光耦，將主控制部分電源與電機驅動部分的電源隔離開來，這樣減少電機對主控制電路的干擾。5、路面黑線探測模塊由于紅外光波長比可見光長，可以降低環(huán)境光源的干擾，且紅外系統(tǒng)還具有尺寸小、質量輕、對輔助裝置要求少，幾乎都使用紅外發(fā)光二極管和接收管的組合。有ST168紅外對管：一體化紅外發(fā)射接收JY043W管等。主要還是紅外發(fā)射接收管應用的多少和安裝的問題。題目要求小車在黑線范圍以內完成所有任務，但小車可能會超出黑線。為了使小車能在壓到黑線后，自動調整方向回到規(guī)定范圍以內工作，系統(tǒng)必需要將路面的狀態(tài)及時的反饋到控制部分，控制部分使小車重新回到規(guī)定區(qū)域以內工作。安裝紅外發(fā)射接收管的方法各個參賽對都想盡了辦法。下面舉幾個例子供大家參考。

①采用4個光電傳感器，分別安裝在小車的4個角上。當小車壓上黑線時，光電傳感器被黑色紙帶遮蔽，輸出為高電平，單片機接收到信號后，控制兩個電動機反向轉動，使小車原地轉動一個角度，然后繼續(xù)工作。同時，黑線檢測電路也用在了測速上，在小車輪上粘黑白相間的紙片，當輪子轉動時，單片機開始記錄傳感器電平跳變次數，從而達到間接測速的目的。②使用4個光電傳感器，車頭放置兩個，車尾放置兩個。因為在完成題目的要求時，小車會出現前進和后退兩種行駛狀態(tài)，所以為了小車在黑線范圍以內完成工作，在車頭車尾底部分別放置兩個光電傳感器。無論是其中哪一個檢測到黑線，CPU都會產生檢測到并處理，這就有效的保證了小車的正確工作范圍。③采用9個紅外對管，四個安裝在小車前部，用于小車循線走和垂直黑線校準，并實時傳遞位置信息給單片機；一片安裝在金屬傳感器旁，在金屬塊被吸起后判斷金屬塊顏色；四個分別兩兩安裝在履帶上方，用于探測小車行使方向和路程。6、避障模塊為了使小車行駛過程中，在能避開障礙物的前提下，沿最優(yōu)路線行駛，必須采用的避障方案的設計。

①采用GP2Y0A02YK基于紅外線測距專用模塊。GP2Y0A02YK模塊結構圖距離與輸出電壓的對應關系②采用紅外對管JY043W避障。利用芯片LM567來產生10KHz信號，對紅外線發(fā)射管進行調制發(fā)射。發(fā)射出去的紅外線遇到避障物的時候反射回來，經接收管接收，再送入LM567。②采用紅外對管JY043W避障。由于LM567的中心振蕩頻率即為發(fā)射頻率，故在LM567的8腳會輸出開關信號，在送入單片機處理，控制電機并使小車轉彎。②采用紅外對管JY043W避障。為了保證小車正確判斷避障轉彎方向，是左轉還是右轉，在小車兩側分別加上一組紅外線收發(fā)對管。③采用反射式光電開關。光電開關+5VGNDI/O反射式開關利用被檢測物體對紅外光束的遮光后反射，由同步電路選通而檢測物體的有無。其應用簡單，價格也貴些。④避障方案例由于題目中障礙物的位置任意，避障方案必須完備，不能靠走設定路線，且小車能應付各種障礙物情況。避障時若只簡單的采取左右障礙物往右偏一點在前進探測，右有障礙物左偏一點再往前走探測小車時刻順利通過前兩種情況，但遇到第三種勢必然進入死區(qū)；為避免這種情況，采取“之”字形避障策略，小車總是從一邊開始“之”字掃描，當左右兩光電開關均指示無障礙物時才可前進通過。7、鐵片探測與搬運模塊①金屬探測使用集成電感式接近開關，型號為LT5-B17-3E1。②采用電容式接近開關（霍爾效應傳感器），是一種具有開關量輸出的位置傳感器。

傳感器+5VGNDI/O③在小車頂部安裝一個掃描電機，電機在單片機的控制下在繞軸度范圍內掃描，。探頭在掃描過程中，關閉電磁鐵，一旦檢測到鐵片，馬上識別顏色并打開電磁鐵。④金屬檢測部分利用電磁感應原理。

當金屬靠近電磁鐵時，線圈中會產生感生電動勢，可以判斷該電動勢方向與線圈中原電場方向相反，這樣回路中電流減小，串聯在電路中的采樣電阻兩端的電壓發(fā)生改變，經整形后該信號送入單片機。每次單片機收到該信號，就將鐵片數加一，同時應用該單元實現鐵片的搬運。⑤吸放鐵片模塊采用電磁鐵，或者用繼電器改裝為電磁鐵。這種繼電器控制起來簡單，不僅功耗低，工作穩(wěn)定可靠、對外界條件要求也比較低。當單片機低電平時，繼電器處于斷開狀態(tài)，電磁鐵沒通電，無磁性；輸出高電平時，繼電器吸合，電磁鐵通電，有磁性，可吸取金屬。當探測到鐵片后，啟動電磁鐵，便可吸取鐵片。金屬傳感器，電磁鐵探頭安裝在一起，由于金屬傳感器和電磁鐵大小有限，探測范圍不足，在前方安裝小鏟子?？蓪⑴c車寬相齊的區(qū)域內的鐵片收集到可探測收集區(qū)。８、光源探測方案

①采用三路光電三極管并排布置，把相鄰的兩路互相作電壓比較，輸出兩路高低電平信號，由單片機IO1，IO２口讀取，根據不同的組合判斷兩光源相對位置，作為小車進入相應存儲區(qū)的輔助信息。兩口不同組合對應狀態(tài)表如下：IO１IO２對應狀態(tài)00左＜中，右＜中，光源在正前方01左＞中，右＜中，光源在右10左＜中，右＞中，光源在左11無光源

②光電二級管在不同光強時導通情況差別很大，集電極電壓在不同光強時電壓不一樣。光越強，管子導通程度越大，電壓越低，光越弱，導通程度越低，電壓越高。該電壓直接送入單片機AD口，小車運行時，單片機不斷分析探頭上的電壓值。為了準確的判斷兩個光源的位置，在小車的中間水平放置22個光敏二極管，形成360度的圓形。并在光敏二極管上套上黑色圓形管，以避免除兩個射燈以外的光源干擾。海工采用10bitA/D高速串行轉換芯片TLC1543，該芯片是CMOS、10位開關電容逐次逼近模數轉換器。該器件有三個輸入端和一個三態(tài)輸出端（片選CS、輸入／輸出I/OCLOCK、地址輸入ADDRESS和數據輸出DATAOUT）可以進行高速的數據傳輸。該器件還有一個片內的14通道多路器，可以選擇11個外部輸入中的任意一個或3個內部自測試（self-test）電壓中的一個。采樣和保持是自動的。在轉換結束時，“轉換結束”（EOC）輸出端變高以指示轉換的完成。開始初始化AD轉換采集光信號數據處理left>middle?middle>right?middle>right?小車偏向左邊光源小車在兩光源中間小車正對某一光源小車偏向右邊光源NYYNYN光源檢測流程圖９、其他顯示模塊：采用數碼管顯示。聲光報警模塊：采用蜂鳴器和發(fā)光二極管組成的聲光報警電路。語音播報：選用凌陽SPCE061A單片機，語音播報只要編寫軟件上就可簡單實現，只是要占一定CPU資源。

三、小結２００６年湖北省大學生電子設計競賽也是湖北省為迎接２００７年全國大學生電子設計競賽進行的先期練兵。從實踐過程來看取得了較好的效果。預祝２００７年我省參加