智能小車C語言程序控制 課件 第一章 初始智能小車

智能小車C語言程序控制第一章：初識智能小車1.1PARTONE智能小車簡介隨著現(xiàn)代科學技術的快速發(fā)展，智能機器人已被廣泛應用于人類社會的各個領域，如生產(chǎn)制造、物流倉儲、軌道交通、工程機械、醫(yī)療手術等。

智能小車，也稱輪式機器人，是一種以汽車電子為基礎，涵蓋智能控制、模式識別、傳感技術、計算機、機械等多學科知識的科技產(chǎn)品。它一般由信息采集、循跡識別及避障等模塊組成。從生產(chǎn)制造業(yè)的無人搬運車，到特種行業(yè)的災難救援、拆彈機器人，再到軍事領域的防御和偵察機器人，以及航天領域的星球表面探測器，處處可見智能小車的身影。尤其是在危險和未知的環(huán)境下，智能小車的優(yōu)勢更為明顯?；贏rduino平臺的智能小車如圖所示。1.1智能小車簡介1.2PARTTWO智能小車的基本結構前言行業(yè)PPT模板/hangye/智能小車能夠按照預先設定的模式自動運行，不需要人為管理，可應用于科學勘探、無人駕駛等領域。智能小車能夠實時顯示時間、速度、里程，具有自動循跡、尋光、避障功能，可實現(xiàn)控制行駛速度、準確定位停車、遠程傳輸圖像等功能。一般來說，智能小車可以分為傳感器部分、控制器部分、執(zhí)行器部分和其他部分。1.2.1傳感器部分1．金屬傳感器通常選用電感式金屬接近開關傳感器，用于檢測金屬物質的存在。當靠近金屬物質時，開關打開；當遠離金屬物質時，開關關閉。在智能小車行進的過程中，可在賽道的固定位置放置鐵片，利用智能小車的金屬傳感器來實現(xiàn)對賽道特定位置的檢測。金屬傳感器實物圖如圖所示。1.2.1傳感器部分2．霍爾傳感器霍爾傳感器是一種磁敏傳感器，利用霍爾效應來檢測磁感應信號并轉換成數(shù)字量，然后傳輸給控制器，從而實現(xiàn)對智能小車行駛速度的監(jiān)測。具體操作方法是在智能小車電機的旋轉部位安裝一個導磁性能好的磁鋼，電機每旋轉一圈，磁鋼便接觸一次霍爾傳感器，即發(fā)送一個磁感應信號，霍爾傳感器電路以此進行計數(shù)操作，通過一定的數(shù)據(jù)轉換后得到小車的行駛速度或行駛里程?；魻杺鞲衅鲗嵨飯D如圖所示。1.2.1傳感器部分3．紅外傳感器紅外傳感器是紅外發(fā)射和紅外接收一體式傳感器，根據(jù)不同顏色對紅外線反射程度不同（黑色反射紅外線較少，白色反射紅外線較多），傳輸不同的信號給控制器，從而控制智能小車電機的旋轉方向，實現(xiàn)循跡功能。具體操作方法是將兩個紅外傳感器安裝在貼近地面的智能小車底盤前側，若賽道鋪設的是白底黑線，則正常行駛時，發(fā)射管發(fā)射的紅外線被黑線吸收，導致接收管無法接收到紅外線，傳感器傳輸?shù)碗娖浇o控制器；偏離軌道時，發(fā)射管發(fā)射的紅外線被白色地面反射，接收管正常接收紅外線，傳感器傳輸高電平給控制器，以此來控制智能小車正常循跡行駛。紅外傳感器實物圖如圖所示。1.2.1傳感器部分4．超聲波避障傳感器這種傳感器利用超聲波測距的非接觸式測量方法，根據(jù)超聲波在物體表面會顯著反射成回波的特性，來測量智能小車與障礙物之間的距離，從而實現(xiàn)智能小車的避障功能。超聲波避障傳感器實物圖如圖所示。1.2.1傳感器部分5．火焰?zhèn)鞲衅鞲鶕?jù)紅外線對火焰的敏感性，利用特殊手段制成的紅外線接收管可作為智能小車的火焰?zhèn)鞲衅?。火焰?zhèn)鞲衅骰诓煌幕鹧媪炼认蚩刂破鱾鬏敻?低電平信號，控制器據(jù)此判斷是否發(fā)現(xiàn)火源，再根據(jù)具體情況進行滅火操作?；鹧?zhèn)鞲衅飨喈斢谥悄苄≤嚨难劬Γ砂l(fā)現(xiàn)危險情況并進行處理。火焰?zhèn)鞲衅鲗嵨飯D如圖所示。1.2.2

控制器部分本項目中控制器選用了Arduino單片機平臺，其開發(fā)簡單，便捷靈活，操作簡便，能跨平臺使用，軟硬件開源可擴展，非常適合初學者和業(yè)余愛好者們使用。智能小車通過各類傳感器來采集相關信息，將信息傳送到控制器Arduino單片機處理相關數(shù)據(jù)，然后發(fā)送相關指令控制執(zhí)行器進行相應動作。接下來我們來介紹一下Arduino的相關內容：1.2.2

控制器部分（1）認識ArduinoArduino意為“強壯的朋友”，是一種便捷靈活、易于上手的開放源碼的電子原型平臺，最初是專為沒有編程基礎的設計師、工藝美術人員、業(yè)余愛好者和對開發(fā)互動裝置或互動式開發(fā)環(huán)境感興趣的人而設計的。設計者的初衷是完成一個廉價好用的微控制器開發(fā)板，普通人也能利用Arduino開發(fā)板做出實用有趣的東西。隨著Arduino的廣泛應用，世界上的各大生產(chǎn)商也在生產(chǎn)和銷售與Arduino兼容的電路板和擴展板。所以，Arduino是一個完全開源的兼有軟件和硬件兩方面的電子開發(fā)平臺，具有互助和奉獻的開源精神以及團隊力量。1.2.2

控制器部分（2）Arduino特點1）開放源代碼的電路圖設計，程序開發(fā)接口可免費下載，也可依需求自己修改。2）可以采用USB接口供電，也可以外部供電，雙向選擇。3）Arduino支持ISP在線燒寫，可以將新的“Bootloader”固件燒入ATmega168或ATmega328芯片。有了Bootloader之后，可以通過USB更新程序。4）可依據(jù)官方提供的Eagel格式PCB和SCH電路圖，簡化Arduino模組，完成獨立運作的微處理控制板。也可簡單地與傳感器，各式各樣的電子元件連接（紅外線、超音波、熱敏電阻、光敏電阻、伺服舵機等）。5）支持多種互動程序，如：Flash、Max/Msp、VVVV、C、Processing…….等。6）應用方面，利用Arduino可突破以往只能使用鼠標、鍵盤，CCD等輸入裝置的互動內容，可以更簡單地達成單人或多人游戲互動。1.2.2

控制器部分（3）Arduino的開發(fā)過程Arduino是一個基于微控制器的開發(fā)板，通過與計算機相連來實現(xiàn)各種功能。Arduino的開發(fā)過程是：根據(jù)功能設置設計電路并進行連接；根據(jù)用戶需求完成程序設計；將編譯好的程序下載到硬件開發(fā)板上進行功能驗證；不斷調試以達到預期效果。1.2.2

控制器部分（4）Arduino的硬件組成Arduino有各種各樣的開發(fā)板，最為常用的就是ArduinoUNO。ArduinoUNO的處理器核心是ATmega328，同時具有14路數(shù)字輸入/輸出口（如圖所示的數(shù)字口0~13，其中6路可作為脈沖寬度調制PWM輸出），6路模擬輸入（如圖所示的模擬口0~5），ArduinoUNO開發(fā)板的詳細功能介紹如圖所示。1.2.2

控制器部分（4）Arduino的硬件組成除了最重要的I/O口外，ArduinoUNO還有一個16MHz的晶體振蕩器，一個USB口，一個電源插座，一個ICSPheader和一個復位按鈕。UNO可以通過兩種方式供電方式，一種通過USB供電，另一種是通過外接6~12V的DC電源。除此之外，還有4個LED燈和復位按鍵。其中，ON是電源指示燈，通電就會亮了，L是接在數(shù)字口13上的一個LED燈，而TX、RX是串口通訊指示燈，比如在下載程序的過程中，這兩個燈就會不停閃爍。處

理

器工作電壓輸入電壓數(shù)字輸入/輸出接口模擬輸入接口串口ATmega3285V6～20V14個6個1個I/O引腳直流電流3.3V引腳直流電流程序存儲器SRAMEEPROM工作時鐘40mA50mA32KB2KB1KB16MHz表2-1-1ArduinoUNO開發(fā)板的基本構成1.2.3

執(zhí)行器部分1.驅動模塊采用H橋電路驅動兩個直流電機，作為智能小車的動力源，通過控制器發(fā)出的控制指令來指揮電機正常運轉。直流電機實物圖如圖所示。2.舵機轉向模塊通過設置一定占空比的方波來控制舵機轉過的角度，舵機具有力矩大、響應速度快等優(yōu)點，經(jīng)常被用在智能小車轉向裝置中。舵機轉向模塊實物圖如圖所示。1.2.4

其他部分1.三輪運動模塊該模塊由兩個橡膠輪胎和一個萬向輪組成。三輪運動模塊如圖1所示，橡膠輪胎實物圖如圖2所示，萬向輪實物圖如圖3所示。圖1三輪運動模塊圖2橡膠輪胎圖3萬向輪1.2.4

其他部分2.藍牙模塊在智能小車上安裝藍牙模塊，通過藍牙模塊與智能手機相連，進行信息傳輸與處理控制。藍牙模塊實物圖如圖所示。3.電源模塊設置獨立的電源模塊為智能小車供電。4.小車底盤在小車底盤上為上述硬件預留合適的安裝位置，將以上硬件有序地安裝在小車底盤上。小車底盤實物圖如圖所示。1.3PARTTHREE智能小車的工作原理1.3.1電機驅動與調速原理電機

電機是將電能轉換成機械能的一種設備，主要用作機械設備的動力源，在電路中用“M”來表示。電機實物圖如圖所示。2.舵機轉向模塊

如圖所示，一個典型的H橋電路由四個三極管和一個電機組成。要實現(xiàn)電機轉動，需要使電路中對角線上的兩個三極管導通，根據(jù)不同三極管對的導通情況，電流可以從左至右或者從右至左流過電機，從而控制電機的旋轉方向。當Q2和Q3導通時，電流就從電源正極經(jīng)Q3從右至左流過電機，再經(jīng)Q2到達電源負極，該流向的電流將驅動電機逆時針轉動。1.3.1電機驅動與調速原理3.PWM調速原理脈沖寬度調制，簡稱脈寬調制，是指通過控制輸出的脈沖寬度來對模擬電路進行控制。PWM有頻率、占空比、周期三個參數(shù)。（1）頻率是指每秒鐘信號在高、低電平之間切換的次數(shù)。（2）周期是指一個完整的PWM信號持續(xù)的時間。（3）占空比是指在PWM的輸出信號中，高電平所占有的時間與該信號周期的比值。在PWM方法中，電源以一定頻率的方波脈沖向電機提供電能，通過給方波脈沖設置不同的占空比來改變電機兩端的電壓大小，進而改變電機的轉速。因此，直流電機正轉、反轉、加速、減速的智能控制，由PWM控制系統(tǒng)來實現(xiàn)。1.3.2循跡原理餐廳服務機器人、倉庫搬運機器人等是沿著預設的線路行進的，即能夠實現(xiàn)自動循跡。餐廳服務機器人如圖1所示，倉庫搬運機器人如圖2所示。圖1餐廳服務機器人圖2倉庫搬運機器人1.3.2循跡原理智能小車也能實現(xiàn)自動循跡。例如，可以利用白色KT板作為底板鋪設賽道，在板上貼上黑線來標示智能小車的行進路線，使智能小車沿著黑線完成直行、轉彎、交叉行進等動作。要使智能小車能夠自動沿著黑線走，那么首先要知道黑線的具體位置，這就需要用到傳感器，此時的傳感器相當于智能小車的“眼睛”，用來識別黑線。在智能小車行駛過程中，為了讓智能小車沿著預設的路線行走，需要不斷調整智能小車的行進方向。可以利用不同顏色對紅外線的反射能力不同，傳輸不同的信號給控制器，從而控制電機的旋轉方向，改變小車的行進方向。1.3.2循跡原理紅外傳感器是發(fā)射管與接收管一體式傳感器。在智能小車前方底盤貼近地面的兩側安裝兩個紅外傳感器。智能小車沿著黑線正常行駛時，兩個紅外傳感器檢測到白色地面，發(fā)射管發(fā)出的紅外線經(jīng)白色地面反射后被接收管接收，傳感器電路產(chǎn)生高電平傳輸給控制器；當智能小車偏離軌道時，紅外線被黑線吸收，接收管接收不到紅外線，傳感器電路產(chǎn)生低電平并反饋給控制器。這樣，控制器就能根據(jù)收到的信號，控制智能小車沿著正確的路線行駛。紅外傳感器模塊實物圖如圖所示。1.3.3避障原理1.超聲避障超聲波是一種振動頻率高于20000Hz的聲波，其方向性好、穿透能力強，且頻率高、波長短，能夠定向傳播，在介質中傳播的距離較遠，因而經(jīng)常被用于測量距離。基于超聲波特性研制的傳感器稱為超聲波傳感器，它在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學等方面得到了廣泛應用，如圖所示。在智能小車行駛過程中，可以通過超聲波傳感器來檢測智能小車前方是否有障礙物，以及智能小車與障礙物之間的距離，根據(jù)檢測情況向控制器發(fā)送相應的電信號，從而達到控制智能小車避障的目的。1.3.3避障原理2.紅外避障紅外避障也采用紅外傳感器，它由一個發(fā)射管（白色）和一個接收管（黑色）組成，其工作過程是發(fā)射管發(fā)射紅外線，根據(jù)接收管接收紅外線的情況（接收到紅外線時輸出高電平，未接收到紅外線時輸出低電平），判斷障礙物的情況。本任務中，在小車前側兩端各配備一個紅外傳感器，當左側的紅外傳感器檢測到障礙物時，指示燈亮，小車向右轉；同理，右側有障礙物時，小車向左轉。該傳感器的探測距離可以通過電位器調節(jié)，具有干擾小、便于裝配、使用方便等特點。1.3.3避障原理2.紅外避障智能小車的基本硬件結構如圖