1.1課題背景及目的

隨著工業(yè)的發(fā)展，全球經(jīng)濟(jì)迅速增長(zhǎng)。任何事物都有兩面性，可是隨著經(jīng)濟(jì)全球化的到來(lái)，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速的同時(shí)，全球的環(huán)境也漸漸的惡劣起來(lái)，人們也意識(shí)到環(huán)境存在的嚴(yán)重問(wèn)題。人類的發(fā)展不得不放慢腳步，考慮環(huán)境問(wèn)題帶來(lái)的影響。“無(wú)碳”一詞也就慢慢被人熟知，無(wú)碳紙，無(wú)碳車，無(wú)碳產(chǎn)品等， “無(wú)碳小車”正是體現(xiàn)了這種無(wú)碳理念。從字面上來(lái)看，小車將勢(shì)能轉(zhuǎn)成動(dòng)能，并能實(shí)現(xiàn)指定運(yùn)行軌跡的小車[1]。從真正意義上實(shí)現(xiàn)了，無(wú)碳，綠色，環(huán)保.生活中像這種具備一定特定功能的無(wú)碳結(jié)構(gòu)到處可見(jiàn)，例如玩具小車�，F(xiàn)如今，人們對(duì)于無(wú)碳概念的理解，研究與開(kāi)發(fā)對(duì)于世界發(fā)展有著重要的意義和發(fā)展前景。

1.2國(guó)內(nèi)外研究狀況

在大約20世紀(jì)70年代，中國(guó)研究的智能車開(kāi)始發(fā)展起來(lái)，這么多年過(guò)去了，越來(lái)越體系化，越來(lái)越成熟，但在智能避障信息采集方式上和避障算法上仍有很大的改善。依據(jù)汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的原理，在小車轉(zhuǎn)彎時(shí)，為了能使小車不單單可以快速響應(yīng)，也要避免速度過(guò)快偏離跑道[2]。將電機(jī)的位置提高，增大了扭矩，作為小車的視覺(jué)系統(tǒng)，賽道信息采集裝置，在對(duì)白線識(shí)別成功后，同時(shí)視覺(jué)系統(tǒng)又會(huì)發(fā)出電平信號(hào)傳達(dá)到控制中心，發(fā)出指令給驅(qū)動(dòng)部分，來(lái)控制小車轉(zhuǎn)向，完成循跡 [3]。楊紅將萬(wàn)向輪做從動(dòng)輪，控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)多方向動(dòng)作。根據(jù)電磁感應(yīng)的原理，陳文山則使用了LC諧振回路的方案，感應(yīng)電磁信號(hào)尋跡 [4]。

目前，世界上許多國(guó)家都在積極進(jìn)行智能小車的研究和設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，已應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，尤其在軍事，探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用特別突出。在多傳感器融合的技術(shù)領(lǐng)域[5]，來(lái)追尋汽車的運(yùn)行軌跡，通過(guò)使用計(jì)算機(jī)編程技術(shù)，就能夠?qū)ζ�車行駛的狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)控制，比如驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)，速度的大小與方向。在大約二十世紀(jì)八十年代，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)，半導(dǎo)體，通信技術(shù)的 飛躍發(fā)展，國(guó)外開(kāi)始熱衷于機(jī)器人的研究，有很多研究具有很多軍事價(jià)值與應(yīng)用前景。在1997年，索杰納在智能車上安裝了5臺(tái)激光測(cè)距儀[6]，智能小車會(huì)自動(dòng)躲避障礙。

1.3課題研究方法

由于人們對(duì)無(wú)碳環(huán)保的提倡和近年來(lái)對(duì)智能機(jī)器人的研究熱潮，特結(jié)合兩者而提出的研究課題.此課題的研究綜合性較強(qiáng)，充分的整合了所學(xué)過(guò)的機(jī)電知識(shí)。

此課題的研究策略及方法原則是已一根主線為線索，呈四周發(fā)射性擴(kuò)散。研究的主線則是無(wú)碳小車依靠焦耳的重力勢(shì)能在障礙間隔隨機(jī)的賽道上自動(dòng)循跡避障。首先通過(guò)對(duì)課題的要求深入了解，通過(guò)文獻(xiàn)檢索法針對(duì)性的查閱關(guān)于自動(dòng)循跡小車的資料，了解自動(dòng)循跡無(wú)碳小車的發(fā)展，應(yīng)用，以及研究成果.在實(shí)踐來(lái)源上，再通過(guò)對(duì)以往競(jìng)賽作品的觀察研究設(shè)計(jì)出無(wú)碳小車的大致結(jié)構(gòu)，然后利用資源整合法整合自己學(xué)過(guò)的機(jī)械原理，機(jī)械設(shè)計(jì)，電路，自動(dòng)化控制等相關(guān)理論知識(shí)，計(jì)算小車各部件參數(shù)，整體布局以及電子元器件和傳感器的工作原理的了解和選用。用設(shè)計(jì)好的結(jié)構(gòu)參數(shù)通過(guò)三維軟件將其建模裝配，畫(huà)出電路圖，最后將零件加工組裝，進(jìn)行機(jī)電組合的測(cè)試及調(diào)試。

1.4構(gòu)成及研究?jī)?nèi)容

本文主要有緒論部分，無(wú)碳小車各個(gè)部分的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，電控部分的設(shè)計(jì)，機(jī)電組合調(diào)試四大部分組成。

作為整篇的開(kāi)端緒論部分，對(duì)無(wú)碳小車課題展開(kāi)討論研究的背景與意義，中國(guó)的發(fā)展和國(guó)外的發(fā)展歷史與狀況；將機(jī)械部分安排到的第二章節(jié)，由于本注重于對(duì)電控部分的設(shè)計(jì)，因此機(jī)械部分做簡(jiǎn)單介紹，機(jī)械部分主要介紹了組成小車的幾大部分，各個(gè)部分的特點(diǎn)，整體布局，主要結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)；第三章作為電控部分，包括了硬件和軟件的設(shè)計(jì)，硬件部分主要介紹了電控部分控制小車轉(zhuǎn)向的原理，電路硬件的設(shè)計(jì)，對(duì)所需要控制電路模塊的原理及模塊選用，包括單片機(jī)控制單元的介紹，超聲波測(cè)距傳感器的原理的了解和選用，溫度補(bǔ)償模塊的原理和選用和電機(jī)的原理和選用，小車避障的原理與算法設(shè)計(jì)；軟件介紹了電控小車避障思想和步驟；最后是機(jī)電組合調(diào)試。

本次題目是“無(wú)碳小車”，即小車前進(jìn)的動(dòng)力直接由重物下落過(guò)程中減少的重力勢(shì)能提供，只通過(guò)重力勢(shì)能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，使得小車實(shí)現(xiàn)前進(jìn)，轉(zhuǎn)向和調(diào)節(jié)。重力勢(shì)能提供的4焦耳能量作為小車前進(jìn)的動(dòng)力，按照特定的軌跡繞過(guò)設(shè)定的障礙.因此首先要考慮小車有足夠的行走距離完成避障。在設(shè)計(jì)過(guò)程中本著小車的能量高轉(zhuǎn)化看率，行走平穩(wěn)性，均勻性，避障精確性，可調(diào)性的原則，車身結(jié)構(gòu)應(yīng)簡(jiǎn)單，輕巧，在材料上應(yīng)選擇較輕的材料，同時(shí)又要保證小車整體的可靠性。通過(guò)對(duì)小車功能的分析，小車需要完成重力勢(shì)能的轉(zhuǎn)換，驅(qū)動(dòng)自身行走，自動(dòng)避開(kāi)障礙物。為了方便設(shè)計(jì)這里根據(jù)小車所要完成的功能將小車劃分為六個(gè)部分進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，分別是車身，能源動(dòng)力驅(qū)動(dòng)部分，傳動(dòng)部分，轉(zhuǎn)向部分，車輪部分，微調(diào)部分。一個(gè)相對(duì)完整的小車應(yīng)該包括了上面的的結(jié)構(gòu)，最主要部件是傳動(dòng)和轉(zhuǎn)向 [7]。

繩子的一邊繞過(guò)小車固定定滑輪系在砝碼上，驅(qū)動(dòng)軸也用繩子纏住，當(dāng)砝碼從高處自由落下時(shí)，會(huì)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，將速度通過(guò)一對(duì)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳遞給車輪軸，車輪軸帶動(dòng)后車輪驅(qū)動(dòng)小車，在遇到障礙物時(shí)，系統(tǒng)會(huì)通過(guò)電路模塊的檢測(cè)，計(jì)算，控制前車輪轉(zhuǎn)向，完成避障.在小車車速過(guò)快時(shí)，如果通過(guò)制動(dòng)裝置使小車減速，小車在減速制動(dòng)的時(shí)候，會(huì)因?yàn)槟Σ晾速M(fèi)掉一些能量，繞過(guò)的障礙多，通過(guò)對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)彌補(bǔ)制動(dòng)裝置損耗的能量。

2.2 小車各部分設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

2.2.1 車架的設(shè)計(jì)

車架不用承受很大的力，精度要求低�？紤]到重量加工成本等，車架采用鋁材加工制作成三角底板式。小車的重心應(yīng)較低，重心平穩(wěn)，所以小車車架重量不能過(guò)輕，以保證車架來(lái)支撐整個(gè)車的重量，在行走過(guò)程中不翻車，避免車體過(guò)重帶來(lái)的能量浪費(fèi)，又能避免車體過(guò)輕使小車側(cè)翻。車架如圖：

圖2.1 無(wú)碳小車車駕

2.2.2 動(dòng)力裝置的設(shè)計(jì)

由于小車驅(qū)動(dòng)能源有限，又要保證能夠行走一定的距離，所以重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化到驅(qū)動(dòng)軸上的效率應(yīng)控制在最大。組成動(dòng)力部分的有繩線，三根支撐立柱，定滑輪，1千克質(zhì)量的重物，大齒輪驅(qū)動(dòng)軸。能量有效控制方面采用了三根立柱來(lái)限制重物落下過(guò)程中的擺動(dòng)，這樣設(shè)計(jì)的好處在于重物擺動(dòng)過(guò)程中不必要的能量損耗，合理的控制重物下落時(shí)擺動(dòng)的幅度，小車也能盡可能的勻速行駛，防止了一根立柱帶來(lái)的翻車，跑偏問(wèn)題。

動(dòng)力裝置部分的設(shè)計(jì)應(yīng)該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。應(yīng)保障足夠的小車驅(qū)動(dòng)力，將線繞在驅(qū)動(dòng)軸上，直徑設(shè)計(jì)盡可能小，小車啟動(dòng)加速度不能太大，行走過(guò)程中應(yīng)平穩(wěn)，勻速，因此將驅(qū)動(dòng)軸設(shè)計(jì)成帶有錐度，在大軸頸上以保證啟動(dòng)力矩，小軸頸確保小車行駛勻速。

2.2.3 傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)

小車的動(dòng)力能源由于來(lái)自只有一個(gè)4焦耳的重力勢(shì)能，這些能量用于轉(zhuǎn)向與行走，行走裝置和轉(zhuǎn)向裝置需要相互調(diào)和，達(dá)到最好的工作狀態(tài)，因此運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)性就需要通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)來(lái)保證[8]。要使小車行駛的更遠(yuǎn)及按設(shè)計(jì)的軌道精確地行使，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)必須傳動(dòng)效率高，傳動(dòng)穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單重量輕，本設(shè)計(jì)采用齒輪一級(jí)傳動(dòng)，高精度，運(yùn)動(dòng)起來(lái)起伏不大，具有承載大載荷的優(yōu)勢(shì)，由于傳動(dòng)比值是固定的數(shù)值，因此在以后的調(diào)試過(guò)程中不方便，小車整體寬度會(huì)增大，小車在避障轉(zhuǎn)動(dòng)方向的時(shí)候，轉(zhuǎn)動(dòng)曲率會(huì)加大，

但是其重心又有所降低，行駛會(huì)平穩(wěn)一些。

2.2.4 行走裝置的設(shè)計(jì)

車輪與賽道接觸的距離，如何減小小車與地面的摩擦是減少能源浪費(fèi)的關(guān)鍵，選取摩擦系數(shù)較小的鋁材，減小與地面的阻力，由于鋁材較輕，車輪的直徑過(guò)小會(huì)在小車啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生大的加速度，在理論上，驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)過(guò)一圈，車輪直徑越大，小車走的越遠(yuǎn)，但過(guò)大與地面有較大的阻力，能量消耗增加.在啟動(dòng)時(shí)，盡量使小車車輪同步驅(qū)動(dòng)，防止啟動(dòng)跑偏，在轉(zhuǎn)彎時(shí)，外圈和內(nèi)圈車輪的速度不一樣，因此需要將車輪設(shè)計(jì)成差速結(jié)構(gòu)，車輪軸上安裝兩個(gè)單向軸承，單向軸承正轉(zhuǎn)時(shí)自由，反轉(zhuǎn)鎖緊。單向軸承原理簡(jiǎn)單，速度較慢的輪子為主動(dòng)輪，速度快的為從動(dòng)輪[9]，主動(dòng)輪和從動(dòng)輪互相交替進(jìn)行，這樣既可以保證啟動(dòng)時(shí)雙輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)彎時(shí)也不易打滑。

2.2.5 轉(zhuǎn)向裝置的設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)向裝置的設(shè)計(jì)是決定著小車能否順利完成避障的關(guān)鍵，對(duì)于前車輪的穩(wěn)定平穩(wěn)需要合理的設(shè)計(jì)，同樣為了減少與賽道的摩擦力，設(shè)計(jì)前車輪的寬度較小，車輪由前車軸和軸承連接，減小行走阻力，車軸由前輪車架支撐，在前輪車架軸上安裝兩個(gè)滾動(dòng)軸承，兩端固定，防止前輪晃動(dòng)，提高了轉(zhuǎn)彎精度。

2.2.6 結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)初步選定傳動(dòng)比為3.8，選用小模數(shù)0.5，為的齒輪，材質(zhì)為鋁合金進(jìn)行線切割加工.小齒輪齒數(shù)選定為36，為了齒輪嚙合中防止多對(duì)齒同時(shí)嚙合，大齒輪和小齒輪不能同時(shí)為偶數(shù)，則大齒輪為137，小齒輪寬度稍大于大齒輪，防止齒輪嚙合中滑動(dòng)。

當(dāng)驅(qū)動(dòng)軸繞過(guò)一圈時(shí)，在傳動(dòng)比的帶動(dòng)下，車輪軸就會(huì)轉(zhuǎn)圈，則車輪行駛的距離見(jiàn)式

            （2.1）

為驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)過(guò)一圈小車行走的距離，R為大車輪直徑。當(dāng)重物下降高度為時(shí)，則小車行駛的距離見(jiàn)式

                 （2.2）

為小車行走距離，為驅(qū)動(dòng)軸小徑.由公式可知，在下降高度一定的情況下，大車輪與驅(qū)動(dòng)軸小徑比越大，小車行走的越遠(yuǎn)，因此在保證有足夠的驅(qū)動(dòng)力矩情況下，盡可能將兩者之比設(shè)計(jì)的大。傳動(dòng)齒輪如圖：

圖2.2 一級(jí)減速齒輪

3 電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1電控系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

小車的轉(zhuǎn)向問(wèn)題由電控系統(tǒng)解決，由于轉(zhuǎn)向裝置不在完全依賴于機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) [10]，所以設(shè)計(jì)小車避障的時(shí)候，難度降低了很多。

電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了在不同間距的障礙內(nèi)，可以自動(dòng)避障的功能，優(yōu)化了以往傳統(tǒng)的機(jī)械小車在可變間距難以自動(dòng)避障的問(wèn)題。

電控部分控制的原理是由單片機(jī)控制，通過(guò)超聲波模塊檢測(cè)道路上的狀況，單片機(jī)負(fù)責(zé)接收信息和處理，由編定好的程序由單片機(jī)計(jì)算，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)角，控制前輪進(jìn)行轉(zhuǎn)彎。為了簡(jiǎn)化電路硬件的設(shè)計(jì)，智能小車系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì) [11]。智能小車的傳感器一般采用紅外對(duì)管，金屬開(kāi)關(guān)，超聲波測(cè)距，加速度傳感器，指南針傳感器，舵機(jī)，直流電機(jī)，L298N控制器等。初步設(shè)計(jì)的電控部分，應(yīng)該由單片機(jī)控制部分，超聲波，測(cè)量溫度模塊，電機(jī)轉(zhuǎn)向部分,小車避障算法設(shè)計(jì)部分。電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性決定著小車能否順利通過(guò)障礙，無(wú)碳小車電控躲避障礙的算法是難點(diǎn)，根據(jù)小車賽道的情況，賽道可分為直線賽道和彎道賽道，在小車從直道進(jìn)入彎道時(shí)如何進(jìn)行有效的避障，如何設(shè)計(jì)避障算法和提高小車避障精度是電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)。電控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖：

3.2電控各模塊的設(shè)計(jì)

3.2.1 電源穩(wěn)壓模塊的設(shè)計(jì)

電源電路是保證整個(gè)電路系統(tǒng)能夠正常工作的前提，電路系統(tǒng)的整個(gè)核心是單片機(jī)，單片機(jī)的工作電壓為，所以要使電路能夠正常的工作，則要保證輸入到整個(gè)電控系統(tǒng)的電壓在，同時(shí)為了在小車行駛過(guò)程中能夠方便的提供電源，采用移動(dòng)電源為電路供電，本設(shè)計(jì)得電源電路采用一節(jié)南孚電池供電，將其安裝在一個(gè)電池盒內(nèi)，該電池盒自帶電源開(kāi)關(guān)，為了能夠得到的工作電壓，需要對(duì)高壓進(jìn)行降壓穩(wěn)定輸出，所以需要一個(gè)電源降壓穩(wěn)壓模塊，電源穩(wěn)壓模塊如圖：

圖3.1 電源電路

圖3.2 AMS117-5.0降壓模塊

降壓模塊選用的是AMS117-5.0降壓模塊，當(dāng)電流太高的時(shí)候，此模塊就會(huì)起到限流的作用，溫度升高的時(shí)候，也會(huì)保護(hù)，具有電池反接和反插入保護(hù)電路 [12]。該模塊可以進(jìn)行DC6.5-12V電壓的輸入，輸出電壓穩(wěn)定在5v,輸出最大電流為800ma，輸入輸出一共采用4個(gè)排針引腳，帶電源指示燈，能夠更好的判斷模塊是否工作。

3.2.1 單片機(jī)控制設(shè)計(jì)

整個(gè)電控系統(tǒng)的核心就像人類的大腦，操縱者整個(gè)系統(tǒng)，它應(yīng)該具備處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)，接受和發(fā)送指令控制各個(gè)模塊的功能。在近幾年，電子技術(shù)與集成電路的飛躍發(fā)展前進(jìn)，將傳統(tǒng)的復(fù)雜的電路集成到一塊芯片上，并向著微型化，多功能化，快速化，精簡(jiǎn)化的方向發(fā)展。作為電路集成化的典型控制芯片單片機(jī)，是一個(gè)微控制器，單片機(jī)具備了數(shù)據(jù)處理，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，數(shù)模電路轉(zhuǎn)換，控制功能，單片機(jī)能夠?qū)⒔邮盏降臄?shù)據(jù)進(jìn)行快速的處理運(yùn)算，并根據(jù)相應(yīng)的程序發(fā)送指令去控制相應(yīng)的模塊。單片機(jī)占用的空間小，信息存儲(chǔ)量大，計(jì)算運(yùn)行速度高，低功耗，適應(yīng)能力強(qiáng)，反應(yīng)靈敏，易掌握實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)。

在此課題電路設(shè)計(jì)中，硬件控制中心使用了單片機(jī)型號(hào)為AT89S52，一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K字節(jié)系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，看門(mén)狗定時(shí)器，內(nèi)置4KB EEPROM，MAX810復(fù)位電路，3個(gè)16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，4個(gè)外部中斷，一個(gè)7向量4級(jí)中斷結(jié)構(gòu)(兼容傳統(tǒng)51的5向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu))，全雙工串行口。單片機(jī)具有功耗低，易學(xué)易掌握的特點(diǎn)，單片機(jī)的工作電壓為5V，本設(shè)計(jì)用一節(jié)9V電池經(jīng)降壓模塊穩(wěn)定輸出5V供電，單片機(jī)最小系統(tǒng)是單片機(jī)能夠工作的前提，復(fù)位電路的作用是當(dāng)單片機(jī)程序發(fā)生錯(cuò)亂時(shí)，按下復(fù)位電路的復(fù)位按鈕，即可讓單片機(jī)重新工作.時(shí)鐘電路為單片機(jī)提供一定的節(jié)奏，是單片機(jī)有條不紊的工作，該系統(tǒng)采用單片機(jī)最小系統(tǒng)帶鎖DC05模塊，該模塊除了時(shí)鐘電路和復(fù)位電路之外，還增加了ISP程序下載口，P0完成上拉電阻，具有兩種電源供電方式，一種是DC-005的電源插座，二是三組排針電源端和接地端，可以輸入和輸出電壓，晶振為11.0592MHz，帶有自鎖開(kāi)關(guān)，隨意改變電源的通斷電狀態(tài)，單片機(jī)的最小系統(tǒng)如下：

圖3.3 AT89S52單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊

3.2.2測(cè)距循跡模塊的設(shè)計(jì)

測(cè)距模塊的選用決定著單片機(jī)是否能接收到準(zhǔn)確的賽道信息，是否能按照設(shè)計(jì)的程序成功避障.測(cè)距尋跡模塊的選用的要求應(yīng)該具有對(duì)賽道信息準(zhǔn)確反映的高精度，發(fā)射和接收聲波信號(hào)的靈敏性，識(shí)別障礙物的范圍廣。傳感器測(cè)距是小車識(shí)別障礙信息來(lái)躲避障礙的根據(jù)，在眾多的測(cè)距一起里，一般有超聲波和紅外傳感器 [13]。超聲波傳感器是將超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成其他能量信號(hào)，通常是電信號(hào)的傳感器。超聲波是振動(dòng)頻率高于20KHz的機(jī)械波。它具有頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)。

運(yùn)用時(shí)間計(jì)時(shí)的方法測(cè)量距離，工作原理是給予超聲波一個(gè)大于10us的上升沿電平信號(hào)，這個(gè)上升沿由控制單元單片機(jī)發(fā)出，當(dāng)超聲波模塊接收到這個(gè)信號(hào)的時(shí)候，超

聲波模塊就會(huì)有頻率為40kHz的聲波發(fā)出，定時(shí)器在這個(gè)時(shí)候就尅是計(jì)時(shí)，當(dāng)聲波遇到障礙物時(shí)被反射回來(lái)[14]，系統(tǒng)就會(huì)停止計(jì)時(shí)器的工作，所以測(cè)量出來(lái)的距離為聲速與定時(shí)器計(jì)時(shí)時(shí)間的二分之一的乘積，即見(jiàn)式（3.1）

              (3.1)

V代表在空氣介質(zhì)中，超聲波傳播的速度快慢。是定時(shí)器從開(kāi)始計(jì)時(shí)到停止計(jì)時(shí)的時(shí)間。無(wú)碳小車測(cè)距裝置設(shè)計(jì)了安裝了三個(gè)HC-SR04超聲波，分別安裝在小車的車頭，左邊和右邊，互相呈45度角.可以在0.02-4m的范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量誤差達(dá)到3mm，由單片機(jī)的引腳觸發(fā)，當(dāng)單片機(jī)發(fā)送10us的上升沿給超聲波，超聲波就會(huì)發(fā)出40KHz方波，可以連續(xù)發(fā)射，在經(jīng)過(guò)障礙物的反射后，當(dāng)有信號(hào)返回到超聲波的接收端時(shí)，超聲波會(huì)自動(dòng)檢測(cè)。下圖是超聲波的時(shí)序發(fā)生過(guò)程：

圖3.4 HC-SR04超聲波信號(hào)發(fā)生圖

工作電壓為4.5-5.5v，能將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化 [15]。能夠發(fā)生相互轉(zhuǎn)化的裝置被稱為是換能器。本方案中使用的型號(hào)為HC-SR04超聲波測(cè)距傳感器模塊，方法簡(jiǎn)單，模塊性能穩(wěn)定，距離測(cè)量精確 [16]。下圖為超聲波傳感器模塊系統(tǒng)內(nèi)部的工作原理圖。

圖3.5 HC-SR04超聲波模塊系統(tǒng)原理圖

圖3.7 28BYJ-48步進(jìn)電機(jī)參數(shù)
電機(jī)在5v的電壓下工作，由于其功率輸出不大，帶動(dòng)能力較弱，因此需要在單片機(jī)和電機(jī)之間增加一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，本設(shè)計(jì)采用了ULN2003電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

模塊，驅(qū)動(dòng)電路原理圖如下：

圖3.8 ULN2003電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊原理圖

用單片機(jī)的P1口的低四位分別接到驅(qū)動(dòng)電路的輸入端子輸出端分別接到電機(jī)四個(gè)相線端子，就可以驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)工作的原理圖如下：

圖3.9 28BYJ-48步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

28BYJ-48步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部的定子上有八個(gè)齒，相對(duì)的兩個(gè)齒上通過(guò)繞組串聯(lián)起來(lái)，一共是四對(duì)，組成了四相，每一相一端接電源，一段接地.轉(zhuǎn)子上有六個(gè)齒，每一個(gè)都帶有磁性。其工作原理是當(dāng)B相通電時(shí)，在磁場(chǎng)力中，纏著繞組的轉(zhuǎn)子齒發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)轉(zhuǎn)子兩頭就會(huì)正對(duì)著B(niǎo)相的兩個(gè)齒，此時(shí)轉(zhuǎn)子的1齒的兩邊會(huì)與C相形成一定的角度。當(dāng)把B相電源斷開(kāi)，C相送上電源時(shí)，轉(zhuǎn)子再次轉(zhuǎn)動(dòng)，使1齒和4齒向逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)1齒的兩邊又會(huì)正對(duì)著c相繞組的兩個(gè)齒，同理2齒的兩邊又會(huì)和D相繞組的兩個(gè)齒形成一定的夾角，以此類推，如果先給B相通電，然后是C相，其次是D相，最后是A相，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的方向就會(huì)相反，而這個(gè)轉(zhuǎn)過(guò)的角度就是一個(gè)步距角，通電一次轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度為一拍，每次只通電一相，這種方式稱為單四拍，當(dāng)通電完成了一個(gè)四拍，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的范圍就是一個(gè)定子，如果轉(zhuǎn)過(guò)了八個(gè)定子，這時(shí)轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過(guò)了一圈，則需要32拍，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一拍所轉(zhuǎn)的角度就是步距角，不難算出，步距角為。

如果通電方式改為兩相同時(shí)通電，則相鄰的兩組定子齒都會(huì)產(chǎn)生相同的磁場(chǎng)力，此時(shí)轉(zhuǎn)子齒不會(huì)正對(duì)著定子齒，而是相鄰的兩個(gè)轉(zhuǎn)子齒連線的中心線和相鄰兩個(gè)定子齒連線的中心線共線，此時(shí)每通電一拍，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度為原來(lái)單拍通電轉(zhuǎn)過(guò)角度的一般，即5.625°，則轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)定子齒則需要8拍，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一圈就需要64拍，由于兩相同時(shí)通電而產(chǎn)生的中間拍，會(huì)在原來(lái)的單四拍之間增加一定的力量，這就會(huì)增大電機(jī)的輸出扭矩。電機(jī)在機(jī)械結(jié)構(gòu)上有一個(gè)四級(jí)傳動(dòng)，傳動(dòng)比為1:64，要使電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，則需要讓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)64圈，需要通電64*64=4096拍.28BYJ-48步進(jìn)電機(jī)向外引出五條線，電機(jī)的外部結(jié)構(gòu)如下圖：

圖3.10 28BYJ-48步進(jìn)電機(jī)外觀圖

紅線作為電源公共端，接5v電壓供電其余的橙色，黃色，粉紅色，藍(lán)色則對(duì)應(yīng)著ABCD

四相端子，如想要使某一相通電，便把哪一相接地便可，單八拍模式如圖：

圖3.11 28BYJ-48步進(jìn)電機(jī)八拍示意圖

當(dāng)把A相接通時(shí)，則將對(duì)應(yīng)接口的單片機(jī)引腳輸入低電平即0，八拍的通電模式應(yīng)該是A-AB-B-BC-C-CD-D-DA,連續(xù)向單片機(jī)輸入這些數(shù)據(jù)，就可以讓電機(jī)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)超聲波檢測(cè)到障礙時(shí)，數(shù)據(jù)發(fā)送到單片機(jī)，觸發(fā)單片機(jī)相應(yīng)程序給定電機(jī)一定的啟動(dòng)頻率，根據(jù)設(shè)定的轉(zhuǎn)過(guò)的角度進(jìn)行避障，電機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)速由脈沖的頻率決定，輸出一定的脈沖個(gè)數(shù)就可以讓電機(jī)停在預(yù)期的位置。

3.2.5避障方式的設(shè)計(jì)

在機(jī)器人的避障研究中，控制機(jī)器人動(dòng)作的方法是特定的路徑規(guī)劃，以達(dá)到它的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo) [18]。在此避障設(shè)計(jì)中，也是按照路徑規(guī)劃的思想設(shè)計(jì)無(wú)碳小車的避障算法，避障算法是整個(gè)電控小車設(shè)計(jì)得核心，也是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，在避障算法中，小車的整體尺寸，賽道的情況，小車行走的狀態(tài)，都是避障算法的關(guān)鍵，小車最理想的行走狀態(tài)就是小車中軸線與賽道的中軸線重合，但是在實(shí)際中不會(huì)完全重合，這就要依靠電機(jī)來(lái)控制小車，因此需要將左右超聲波與賽道的距離分解，分解成與賽道垂直和平行的兩個(gè)方向兩量，如下圖：

圖3.12 超聲波測(cè)距距離分解圖

設(shè)置一個(gè)小車到障礙物的安全距離FS，根據(jù)安全距離的值來(lái)判定小車是否轉(zhuǎn)向。左右兩側(cè)的超聲波與賽道的方向分量LcS和RcS的值不一樣時(shí)，將會(huì)決定著小車向哪方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。小車在賽道行駛中會(huì)出現(xiàn)以下三種情況，第一種如圖a小車中軸線與賽道中軸線不重合，障礙物沒(méi)有完全遮擋住超聲波的探測(cè)范圍，因此這種情況會(huì)導(dǎo)致超聲波存在探測(cè)盲區(qū)，小車前邊的超聲波將不會(huì)采集到賽道信息，小車避障會(huì)失敗。第二種情況如圖b，小車距離賽道的距離大于障礙物的長(zhǎng)度，此時(shí)小車對(duì)前方的物體無(wú)能為力，也就不能轉(zhuǎn)彎，但是隨著與障礙物的距離越來(lái)越近，LcS和RcS的差值會(huì)越來(lái)越大，此時(shí)小車會(huì)發(fā)生不必要的轉(zhuǎn)向.第三種情況如圖c，小車與賽道的距離小于賽道與中軸線的距離，此時(shí)前端的超聲波可以完全檢測(cè)到障礙物，使小車發(fā)生轉(zhuǎn)彎，但小車不一定能在中軸線上行駛。

            

（a）超聲波部分測(cè)距              （b）超聲波不測(cè)距         （c）超聲波完全檢測(cè)

圖3.13 小車遇障圖

結(jié)合賽道的情況和這三種情況，根據(jù)題目要求，障礙強(qiáng)高80mm，障礙擋板長(zhǎng)度要伸出賽道中軸線100-150mm，根據(jù)小車整體寬度為124mm，為了使前邊的超聲波都能夠識(shí)別到障礙物，盡量使小車盡量行駛在賽道中間，設(shè)定 LfS與RfS的差值在一個(gè)范圍內(nèi)，如果超出了這個(gè)范圍，超聲波測(cè)距的值將會(huì)傳送到單片機(jī)，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)角，使小車盡量行走在賽道中間，不至于發(fā)生過(guò)大的偏轉(zhuǎn)。

3.2.6 避障算法的設(shè)計(jì)

為了簡(jiǎn)化小車的避障算法，將使電機(jī)控制小車在賽道中軸線行駛，具體算法過(guò)程如下：

小車的寬度為124mm，為了使小車更容易的轉(zhuǎn)向，將小車的轉(zhuǎn)彎半徑設(shè)計(jì)稍大一些，小車在距障礙物近時(shí)，轉(zhuǎn)彎半徑會(huì)大些，距離遠(yuǎn)則會(huì)半徑小，為了使小車轉(zhuǎn)彎的時(shí)候更流暢，不發(fā)生側(cè)翻，故可以對(duì)安全距離和小車的關(guān)系建立數(shù)學(xué)模型，建立一個(gè)反比例函數(shù)，，當(dāng)電機(jī)設(shè)定了轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度后，將總的度數(shù)分為y份，x代表安全距離，a代表小車轉(zhuǎn)彎時(shí)的平滑度，決定著小車轉(zhuǎn)彎是否平穩(wěn)，b為小車距離的控制量，當(dāng)小車與障礙物的距離過(guò)小時(shí)，不至于電機(jī)處于不反應(yīng)狀態(tài)，其數(shù)學(xué)模型如圖：

圖3.14 小車遇障圖

這樣就可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)彎的平滑度。當(dāng)賽道左邊有障礙物時(shí)，首先設(shè)置FS的最小轉(zhuǎn)向距離，小車前方的超聲波距離障礙物擋板的距離為S，起初在沒(méi)有遇到障礙物時(shí)，LS=RS,其距離分量也相等，當(dāng)小車?yán)^續(xù)前進(jìn)遇到障礙物時(shí)，此時(shí)單片機(jī)會(huì)向電機(jī)發(fā)出轉(zhuǎn)向的指令，與此同時(shí)，左右超聲波與障礙物距離的垂直分量LcS和RcS會(huì)進(jìn)行一個(gè)數(shù)值的比較，當(dāng)障礙物的距離越來(lái)越近時(shí)， LcS和RcS的差值會(huì)慢慢變大，LcS會(huì)越來(lái)越小，RcS的數(shù)值不變，當(dāng)達(dá)到一定差值范圍內(nèi)，單片機(jī)就會(huì)再次發(fā)送發(fā)送指令，當(dāng)前方的安全距離和左右距離的差值都滿足條件后，電機(jī)就開(kāi)始轉(zhuǎn)彎。實(shí)現(xiàn)小車的左右轉(zhuǎn)向，使小車向右方轉(zhuǎn)彎，如圖：

圖3.15 小車轉(zhuǎn)彎

小車轉(zhuǎn)彎時(shí)，三個(gè)超聲波轉(zhuǎn)會(huì)暫時(shí)被關(guān)掉，不會(huì)再測(cè)量距離，小車會(huì)向右前方行走，經(jīng)過(guò)時(shí)間t1時(shí)，小車與左邊賽道的距離大于障礙物長(zhǎng)度，電機(jī)又會(huì)使小車發(fā)生轉(zhuǎn)向，使小車大致與平行賽道行走，經(jīng)過(guò)短暫的時(shí)間t2后，小車又一次轉(zhuǎn)彎，向左前方行走，經(jīng)過(guò)時(shí)間t3，小車已完全繞過(guò)障礙，此時(shí)再起啟動(dòng)超聲波，使小車回到賽道的中軸線上，以此原理，小車可以繞過(guò)多個(gè)障礙， 小車避障的軌跡近似于等腰梯形 ，軌跡如下圖：

圖3.16 小車轉(zhuǎn)彎軌跡

t1，t2，t3的數(shù)值由實(shí)際運(yùn)動(dòng)中調(diào)試確定。

3.2.7 信號(hào)指示電路的設(shè)計(jì)

為了更直觀的觀察超聲波的工作狀態(tài)，設(shè)計(jì)了一組6個(gè)工作指示燈，每個(gè)指示燈與一個(gè)電阻值為510歐姆的電阻，每個(gè)指示燈對(duì)應(yīng)一個(gè)超聲波引腳，采用了共陽(yáng)極的接法，通過(guò)對(duì)指示燈的觀察來(lái)判斷超聲波是否正常工作，方便檢修，指示燈電路如下：

圖3.17 超聲波工作狀態(tài)指示燈

3.2.8 程序下載模塊設(shè)計(jì)

程序編號(hào)之后。需要把程序一直到單片機(jī)中，使系統(tǒng)工作，下載口采用單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊自帶的ISP編程燒錄方式下載，選用了免驅(qū)動(dòng)型的USBASP下載模塊，該下載器不用安裝驅(qū)動(dòng)，使用USB接口供電，采用了標(biāo)準(zhǔn)的IDC10引腳口，插入電腦后就會(huì)自動(dòng)識(shí)別下載器，下載流暢.其模塊硬件圖和單片機(jī)連接圖如下：

圖3.18 IPS程序下載電路

3.3 軟件的設(shè)計(jì)

在硬件設(shè)計(jì)好之后，就需要通過(guò)一定的指令協(xié)調(diào)各個(gè)模塊進(jìn)行正常的工作，軟件采用c語(yǔ)言編程，c語(yǔ)言應(yīng)用廣，可移植性較強(qiáng)，容易編寫(xiě)，易懂，產(chǎn)生的很少的機(jī)器代碼，對(duì)運(yùn)行環(huán)境的條件較低，c語(yǔ)言比較通用，在系統(tǒng)和軟件的開(kāi)發(fā)有著非常廣的應(yīng)用。功能多，有著很多的數(shù)據(jù)類型，最為靈活方便的就是指針功能，大大提高了程序指令的效率。

控制硬件最要的部分就是軟件的設(shè)計(jì)，只有設(shè)計(jì)好控制的指令，才會(huì)使硬件發(fā)揮功能，需要經(jīng)過(guò)反復(fù)的調(diào)試試驗(yàn) [19]。在本軟件設(shè)計(jì)中，為了編程方便，使讀者更容易理解，因此采用模塊化編程的思想，將整個(gè)系統(tǒng)分為，超聲波程序模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序模塊，溫度模塊，方便日后的程序調(diào)試，具體的流程圖如下：

3.4 機(jī)電系統(tǒng)的安裝與調(diào)試

在機(jī)械部分和電控部分都設(shè)計(jì)好之后，接下來(lái)就是實(shí)現(xiàn)最后的避障功能，將電控各部分模塊組裝好之后，由于機(jī)械部分的結(jié)構(gòu)緊湊，空間小，所以合理的安裝電控模塊也是非常重要的，在機(jī)電部分安裝之后，將程序通過(guò)下載器下載到單片機(jī)內(nèi)，先給電路部分通電，在將小車放入賽道中，首先調(diào)試左右兩邊超聲波與賽道兩邊的距離，實(shí)時(shí)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)角，使小車盡量在賽道中間行走，然后確保前方超聲波與障礙物的安全距離，確保小車在轉(zhuǎn)彎時(shí)不能與障礙物相撞，合理的選用轉(zhuǎn)角半徑，最后在轉(zhuǎn)彎過(guò)程中，合理的調(diào)試小車?yán)@過(guò)障礙的時(shí)間。

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