智能小汽車設(shè)計在實(shí)踐驅(qū)動式教學(xué)方法中的運(yùn)用

李文禮　王晶晶　陳悅桐　楊洪凱　楊昕　唐正

摘 要 利用單片機(jī)芯片、紅外傳感器、循跡傳感器、微型電機(jī)及驅(qū)動模塊、電池及小車輪，自制小汽車底盤等附屬部件，設(shè)計一種具備智能跟隨、自動循跡行駛和智能避障的智能小汽車。激發(fā)學(xué)生靈活運(yùn)用相關(guān)學(xué)科知識，聯(lián)系實(shí)際電路設(shè)計的具體實(shí)現(xiàn)方法，達(dá)到理論與實(shí)踐的統(tǒng)一。加深學(xué)生對控制理論的理解和認(rèn)識，并培養(yǎng)其自主創(chuàng)新和研究的能力。

關(guān)鍵詞 智能小汽車 智能避障 智能循跡

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0引言

簡易智能電動小車是機(jī)器人的雛形，它的控制系統(tǒng)的研制將有助于推動智能機(jī)器人控制系統(tǒng)的發(fā)展，同時為智能機(jī)器人的研制提供更有利的手段。簡易智能電動小車，是一個集環(huán)境感知、規(guī)劃決策，自動行駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)，它集中地運(yùn)用了計算機(jī)、傳感、信息、通信、導(dǎo)航及白動控制等技術(shù)，是典型的高新技術(shù)綜合體。簡易智能電動小車的設(shè)計并非簡單的電子控制問題，而是涉及到多個學(xué)科的多個方面的知識。通過簡易智能電動小車的設(shè)計，能夠讓學(xué)生了解控制策略，傳感器基礎(chǔ)等相關(guān)學(xué)科的知識，培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考和創(chuàng)新的能力。通過構(gòu)建智能小車系統(tǒng)，采用智能控制算法實(shí)現(xiàn)小車的智能跟隨、智能避障和智能循跡。靈活運(yùn)用相關(guān)學(xué)科知識，聯(lián)系實(shí)際電路設(shè)計的具體實(shí)現(xiàn)方法，達(dá)到理論與實(shí)踐的統(tǒng)一。在此過程中，加深對控制理論的理解和認(rèn)識，并培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新和研究的能力。同時讓學(xué)生了解智能汽車，培養(yǎng)學(xué)生研究智能汽車的興趣。

1智能小車電路設(shè)計

智能小車采用AT89S52單片機(jī)，需要外接超聲波避障模塊、紅外光電尋跡模塊、距離顯示模塊、電機(jī)控制模塊，小車整體框圖及實(shí)物如圖1所示。

單片機(jī)的最小系統(tǒng)包括了ISP接口電路、晶振電路、復(fù)位電路。ISP接口連接單片機(jī)的VCC、GND、MOSI、MISO、RST、SCK引腳，主要用于單片機(jī)程序的燒錄。同時，ISP接口也可以給單片機(jī)供電，在本設(shè)計中單片機(jī)的供電采用了專門的DC-5V接口，所以一般情況下ISP接口只用于程序的燒錄。在單片機(jī)最小系統(tǒng)中，包含了電子元件電阻、電容、晶振等，電阻R1、R2、R3用于分壓，防止電壓過大燒壞電子元件，R3和一個發(fā)光二極管D2連接并且提供電壓，和單片機(jī)P10端口連接，用于檢測燒錄單片機(jī)的程序是否起作用，當(dāng)發(fā)光二極管D2發(fā)光，則表明燒錄在單片機(jī)的程序正在起作用，D1用于檢測該最小系統(tǒng)是否接通電源。

2智能小車尋跡模塊設(shè)計

智能小車要實(shí)現(xiàn)尋跡的功能，設(shè)計中采用光電紅外傳感器，光電紅外傳感器是由光電元件組成，分為發(fā)送和接收兩部分，透明封裝為發(fā)射紅外線裝置，黑色為接收紅外光線裝置。其原理就是把檢測物體的變化轉(zhuǎn)化為光電的變化，通過檢測物體對光電信號的反射來觸發(fā)接收元件，從而變化成電信號的變化。光電傳感器包括光源、光學(xué)通路和光電元件三部分。其優(yōu)點(diǎn)是精度高、反應(yīng)快、價格便宜等，而且不需要和檢測物體直接接觸，對檢測物體和傳感器都具有很好的保護(hù)。光電傳感器的結(jié)構(gòu)十分簡單，樣式也靈活多樣，因此光電傳感器在廣泛用于檢測和測試方面，比如該類傳感器可用于檢光強(qiáng)、光照度、輻射測溫等非電信號。也可以用來分析氣體，根據(jù)氣體成分不同，光的反射率不同，從而有光信號的變化引起電信號的變化。零件的直徑、粗糙度、應(yīng)力、位移、振動量、加速度，等都可以用光電光電光電傳感來檢測。

光電信號檢測電路中使用了RPR220光電傳感器、電壓比較器LM324以及電阻等電子元件。其工作原理是將兩個電壓做比較，被比較的電壓是一個固定電壓，其大小可以通過滑動變阻器手動調(diào)節(jié)，另外一個電壓是模擬量的電壓，當(dāng)固定電壓和模擬量近視相等時，輸出的電壓將產(chǎn)生突變，即電壓比較器比較兩個電壓的大小，當(dāng)”IN+”接口的電壓大于”IN-”接口的電壓時，輸出端口的電壓就是高電平電壓；反之，當(dāng)”IN+”接口的電壓小于”IN-”接口的電壓時，輸出端口的電壓就是低電平電壓。

2.1智能小車電機(jī)驅(qū)動模塊

該智能小車采用“后置后驅(qū)”的形式，即兩個電機(jī)和驅(qū)動輪后置，前面采用兩個萬向輪。兩電機(jī)的型號完全一樣，這樣當(dāng)所給的電壓相等時候，小車就很方便的直行。要實(shí)現(xiàn)小車轉(zhuǎn)向則給兩個電機(jī)輸出不同的電壓，使電機(jī)的轉(zhuǎn)速不相等從而控制電機(jī)的速度。

直流電機(jī)需要的電壓是穩(wěn)定的，在一定電壓范圍內(nèi)，電機(jī)接上電壓則轉(zhuǎn)動，反接則反轉(zhuǎn)馬達(dá)速度，當(dāng)電機(jī)在正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)的其中一種狀態(tài)下，頻繁的改變開關(guān)的開閉，則電機(jī)的轉(zhuǎn)速就不再勻速，而是隨著開關(guān)的通斷而變化，其電機(jī)的扭矩也會發(fā)生相應(yīng)的改變，因此因此可以通過控制開關(guān)的通斷頻率來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，電機(jī)采用PWM控制電機(jī)轉(zhuǎn)速就是這個原理。如圖2所示，但是這種方法雖然控制了電機(jī)的轉(zhuǎn)速，卻不能控制電機(jī)的反轉(zhuǎn)，即電機(jī)只能實(shí)現(xiàn)前進(jìn)和停止，并不能實(shí)現(xiàn)后退，因此這種控制方法并不滿足該智能小車的設(shè)計。

利用H橋驅(qū)動電路實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)、停止、倒退， H橋電路由兩個PNP型管和兩個NPN型管組成，電機(jī)接在PNP和NPN連線的中點(diǎn)。

單片機(jī)能夠控制電機(jī)的核心電子元件有L298N芯片、二極管、電阻、電機(jī)等。該電路模塊有一個穩(wěn)壓模塊，用于給L298N芯片提供電壓，也可以作為輸出電壓給單片機(jī)供電。在該模塊中，有8個二極管連接在電路中，因?yàn)殡姍C(jī)是電感性負(fù)載元件，轉(zhuǎn)子由線圈成，當(dāng)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動或者反向轉(zhuǎn)動的時候，電機(jī)就會產(chǎn)生很大的反向電動勢，如果反向電動勢不通過二極管釋放，則該反向電動勢就會擊穿L798N芯片內(nèi)部的三極管，從而損壞驅(qū)動芯片，加了二極管之后，反向電動勢使其二極管導(dǎo)通，從而保護(hù)了驅(qū)動芯片。該電路的驅(qū)動芯片選擇L298N驅(qū)動芯片，該芯片由SGS公司生產(chǎn)的集成電路芯片，其內(nèi)部原理就是H橋驅(qū)動電路，包含了4個邏輯通道，可以同時驅(qū)動兩個直流電機(jī)。L298N芯片輸出電流可以為2A最高可以達(dá)到4A，因此芯片上需要加裝面積較大的散熱片以防驅(qū)動芯片熱穿透，并且散熱片需要接地。

3智能小車避障模塊設(shè)計

聲波在20-20000赫茲能夠被人們聽見，超過20000赫茲則就是超聲波，超聲波具有方向性好，穿透能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，播方式有有橫向傳播和縱向傳播兩種方式能量集中，傳播距離遠(yuǎn)，廣泛用于測距、避障。該智能小車的設(shè)計采用的是HC-SR04超聲波測避障模塊，HC-SR04具性能穩(wěn)定、測距準(zhǔn)確可靠、抗干擾能力強(qiáng)、測量角度大等優(yōu)點(diǎn)。其避障的基本工作原理如圖3，將超聲波輸出的信號接入單片機(jī)的相應(yīng)的引腳進(jìn)行處理計算。

當(dāng)單片機(jī)給出10US的高低電平信號，超聲波模塊內(nèi)部產(chǎn)生八個四十赫茲的脈沖信號，脈沖信號由物體反射回來，被接收器接收，從發(fā)出到接收定時器定下時間，要測量超聲波的距離，則通過公式S=時間差*聲速（340M/S）/2計算，計算距離是由單片機(jī)完成的，將測量的距離通過相關(guān)的引腳輸出給LCD液晶顯示器。

小車中避障過程中，程序中設(shè)距離為S，當(dāng)距離S大于40CM，則小車直行；當(dāng)超聲波測出的距離10CM

4小結(jié)

通過智能小汽車的設(shè)計，能夠讓學(xué)生了解控制策略，傳感器基礎(chǔ)等相關(guān)學(xué)科的知識，培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考和創(chuàng)新的能力。靈活運(yùn)用相關(guān)學(xué)科知識，聯(lián)系實(shí)際電路設(shè)計的具體實(shí)現(xiàn)方法，達(dá)到理論與實(shí)踐的統(tǒng)一。在教學(xué)過程中，加深對控制理論的理解和認(rèn)識，使學(xué)生對課程產(chǎn)生興趣，提高學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，達(dá)到學(xué)生積極主動地去學(xué)習(xí)的效果。

基金項(xiàng)目：重慶市青少年創(chuàng)新人才培養(yǎng)雛鷹計劃項(xiàng)目（CY170904）。

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