智能小车控制方案设计及论证

摘 要：伴随着科技的发展，人们对控制技术提出了更高的要求，小车控制便是其中之一。在这种情况下，本文以智能小车为研究对象，首先分析了课题研究的背景，然后确定了系统的整体框架，在此基础之上，分别从遥控控制模块、电机驱动模块、避障寻迹模块、速度显示模块、转速测量模块及电源模块确定了控制系统的方案并进行了论证。最终确定了整体方案及各模块方案，为硬件及软件设计奠定了基础。

关键词：控制方案;模块设计;智能小车

1 引言

现在各大高校相继开设智能机器人的专业课程，培养了大批智能领域的人才，将来的技术会越来越成熟，研发的机器人具备生物机电系统，所以也将会越来越智能化，更具有实用性和趣味性，为了方便使用，机器人会越来越轻盈和小巧，能无限接近人类的思想，但是无论如何发展，人类只会统治机器人，不会被机器人操控人类，这是我们人类的底线和原则，不可侵犯，期待未来的机器人能实实在在得提高社会生产力，为人类创造更高的价值，并且会极大改变人们的生活方式，是人类的好朋友。

2 方案设计与论证

在本次方案中，智能小车的控制系统的中央数据处理采用AT89C52单片，整个系统可以分为两个部分，即信号发射器部分以及智能小车本身。其总体设计框图包括两个部分，如图2.1所示：

2.1 遥控控制模块设计与论证

在目前，普遍使用的遥控装置能够划分为两个类型，即使用红外信号以及使用无线信号。

方案一：智能小车的遥控系统采用红外线装置。这种遥控装置只需要通过编码器将指令调解为二进制代码。然后通过红外线发射，最后由红外接收器接收和解码，接着输入单片机中，经过解码后得到相关指令。最后，小车控制系统依据具体的指令实施相应的动作。

方案二：智能小车的遥控系统采用无线装置。这种装置采用一定频率的电波传输信号，进而控制各种设施。在接收到遥控信号，它们就可以在远处操控这些设备的运行了。

上述的两种思路都可以作为本设计的遥控器，虽然无线遥控控制的距离更远也更加精确，但是本小车只需要在数米范围内被控制就可以了，所以我选择的是方案一的红外遥控。

2.2 电机驱动模块设计与论证

在当今，小车的动力来源通常使用电机，主要分为两类，即直流电机以及交流电机。

方案一：智能小车的动力来源采用直流电机。对于直流电机而言，其本质是一种把直流电能变为机械动能的设备，输出扭矩大、体积小等特点，因此在小电子商品中广泛采用直流电机。通过软件编程，单片机输出具有不同占空比的PWM（脉宽调制信号），控制直流电机的转速，控制小车的运行速度。

方案二：选择步进电机作为本车动力传动装置。步进电机将从输入端输入的电脉冲信号转换为转子的角位移，实现电机的精确定位。电机的转速取决于脉冲信号的频率，旋转次数取决于脉冲的数量。

本设计我选用的是直流电机，跟步进电机对比，直流电机则有快速反应、更大的启动转矩、更优秀的额定转矩性能，出故障后能快速和简单的维修，所需费用少很多。

2.3 避障循迹模块设计与论证

经过筛选，为了避障功能的实现我得出了以下两种方案：

方案一：选择红外反射光电传感器、电压比较器以及使用集成电路板，检查小车行进方向是否遭遇了阻碍物，其中集成电路板由专业的电阻器等构成。一般而言，大多数智能小车在左侧以及右侧各安装一个检测器，进而可以很好的发现小车行进方向是否遇到了阻碍物。通常情况下，小车的阻碍物检测流程为：红外线发射装置向前方发射红外信号，假如小车前方有阻碍物，那么该阻碍物将反射红外线，进而使得光敏感应器接受到红外光，感应器开始工作输出对应的信号，中央处理系统—单片机将接受到该信号，做出相应的指令，调用躲避障碍的程序，通过控制系统控制小车的行进方向，最后成功避开阻碍物。

方案二：采用超声波装置检测小车行进方向是否有障碍物。具体的工作过程如下：小车在运动的时候超声波装置实时发射超声波，如果在行进方向预见阻碍物，那么超声波将被阻碍物反射回去，小车相应的传感器将接受到相应的信号，这是传感器将开始工作，向单片机发出相应的电信号，单片机在接受并处理信号后，向控制系统发出质量，车子就会做出相应的反应，假如接收到的是高电平说明车子遇到障碍物了，这时调用相应的程序就可以实现避障操作了。

根据实际情况对比，本次设计采用方案一。

2.4 速度显示模块设计与论证

依据要求，本次设计的小车应当能够显示具体的行驶速度。本文选取了两种方案作为对比分析。

方案一：显示电路由共阳极数码管和可编程的键盘接口芯片构成，把单片机的I/O口和接口芯片连起来，这样就可以精准的实现实时速度显示。

方案二：把LCD和单片机直接连起来构成显示电路。LCD液晶显示屏可以实现字符和数字的显示，它由数个5x7或者5x11点阵字符位构成。一个字符占用一个点阵字符位。

通过实际显示效果比对，并且笔者现有一块液晶LCD1602显示屏，为了不浪费材料和金钱，采用LCD屏来显示实时速度。

2.5 转速测量模块设计与论证

方案一：选择霍尔开关型传感器测量小车车轮转速。具体流程是：把一块具有磁性的钢片安装在非磁性材料的转子上，霍尔开关传感器感知接收面和钢片的磁极对应，磁体随着转子运动，当然上述2个面相对时，此时霍尔传感器产生一个脉冲信号并且输出，转速就是脉冲的时间间隔来决定的。

方案二：使用直射式光电检测器检测小车车轮的转速。详细的过程为：智能小车的驱动轴上设置一个具有透光槽的圆状叶片，安装应当牢固，叶片和驱动轴一起转动，在驱动轴附近设置光电感应装置。当驱动轴转动的时候，叶片会连续切割红外线传递路径，叶片的透光槽切割刀红外线传递路径的时候，并没有阻挡红外线的传播，检测装置工作，红外线接受管开始运行，产生电流变化。在透光槽被遮挡的时候，红外线的传递路径被阻挡，红外接受管没有运行，电流未产生变化，由于驱动轴的不断转动，该装置将产生连续的脉冲电信号。通过检测脉冲信号，叶片转过的孔数可以由脉冲的个数得出，然后就可以计算出车子的转角和转速，继而可以得出小车的转速了。

虽然以上方案都可以用来实现小车的测速，但是小车的沉沦比较小，在车轮上安装数量众多的瓷片不切实际，因为太过于密集，相互之间的影响也会很大，所以本小车选择直射式光电检测器来实现测速功能。

2.6 电源模块设计与论证

小车要想运行肯定不能少了动力系统，所以必须要有电源来供电，小车能不能平稳的运行跟电源性能的质量密不可分，本设计的电源分为两大部分，分别是单片机控制电源模块和电机驱动模块，电源的設计方案有很多，为了实现稳定供电，有以下2种方案供选择。

方案一：使用12V铅酸蓄电池作为电机的驱动电源，经过稳流降压后得到5V的稳定电源，作为单片机以及其它电路系统的电源。蓄电池的优势为续航持久，输出电压比较稳定，然而缺点也很明显，质量过重、体积过大均会增加智能小车的负担，如果采用此方案会大大增加车子的质量而影响整个车子的运行，因此不适合本设计的使用，所以我们并没有使用蓄电池来供电。

方案二：采用2节3.7V锂电池共计7.4V给直流电机供电，电池的连接方式是串联，经过LM7805芯片稳压后，得到稳定的5V给单片机和外围逻辑电路供电，所用到的锂电池质量和体积小，而且电量也足够小车运行，电量用完还可以再次充电，既环保且经济，最终我们选择了该方案作为小车的驱动电源。

参考文献：

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