1、智能避障小車系統設計學科：新技術專題班級：姓名：學號：17號指導教師：電 氣 信 息 工 程 學 院一、系統設計概述通過飛思卡爾智能車競賽的學習和啟發， 本設計實現一款具有自動避障運行 功能的智能小車，通過光電開關和超聲波測距模塊配合識別前方是否有障礙物， 如果遇到障礙物則通過舵機改變行駛方向。直流電機驅動模塊采用PID閉環控制，可以達到速度穩定、快速、準確的控制，使智能小車能夠及時制動和恒速運 行。本設計報告針對傳感器信號處理設計、電路設計、控制算法等方面進行重點 闡述。1、總體系統構想框圖執行機構本設計中智能避障小車的體系結構如上圖。根據功能不同，避障小車的系統結構大致包括傳感器、控制、執

2、行機構、人機接口和電源五大部分。1. 傳感器部分負責感知外部世界的環境信息和車模自身的狀態信息， 為小車完成路況判斷 和實現小車的運動控制提供所需的信息。傳感器部分包括光電開關、超聲波測距 模塊和編碼器測速模塊三個子模塊。2. 控制部分分析傳感器數據，提取路況信息，運行控制算法，向執行機構發出動作信號， 控制賽車朝無障礙方向行駛。控制部分主體是 16位單片機MC9S12XS1283. 執行機構負責執行動作信號，實現車的前進、變速和轉向。執行機構包括電機和舵機 以及電機驅動模塊。4. 人機接口實現模式和參數選擇、狀態指示、實時監控以及數據存儲等人機交互功能， 包括撥碼開關、LED蜂鳴器、無線等模

3、塊。5. 電源部分負責向各部分提供合適的電源，包括電池和穩壓模塊三、核心傳感器模塊1、超聲波測距模塊超聲波模塊采用目前比較常用的 URM3超聲波傳感器 默認是232接口，可以調為TTL接口 ,URM05大功率超聲波 傳感器測試距離能到10米，算是目前來說測試距離比較遠的一款功能應用：超聲波測距模塊通過超聲波發收的時間差計算得前方 障礙物的距離，作為車體前方主要測距模塊判斷前方路況。（超聲波實物參考圖）2、光電傳感器功能應用：由于光電開關相比沒有超聲波測距遠,K*l iw-M0a起建厭姜工疲¥胡光電開關是傳感器的一種，它把發射端和接收端 之間光的強光電開關弱變化轉化為電流的變化以 達到

4、探測的目的。它所使用的冷光源有紅外光、 紅色光、綠色光和藍色光等，可非接觸，無損 傷地迅速和控制各種固體、液體、透明體、黑體、 柔軟體和煙霧等物質的狀態和動作。具有體積小、 功能多、壽命長、精度高、響應速度快、檢測距 離遠以及抗光、電、磁干擾能力強的優點。作為兩側輔助測距模塊，增大對障礙物探測的范圍。3、編碼器測速模塊光電編碼器實現測速，光電編碼器可以 分為增量式光電編碼器和絕對式光電編碼器。 增量式光電編碼器可以輸出正比于轉速的脈沖， 記錄單位時間內的脈沖數就可以間接測取實時速度。（編碼器實物參考圖）功能應用：本設計采用歐姆龍E6A2-CWZ光電編碼器作為速度傳感器，安裝在車 尾與傳動齒輪嚙

5、合，使用與電機相同齒數的齒輪，相當于直接測得電機的轉速。四、主控芯片控制模塊主體是單片機 電源接口、燒錄和調試接口、-F n -L.M1HlrrBar HEJWS*_=B:=!"I J卿Jii.i亠 wllt空=一 -MC9S12XS12最小系統，主要包括時鐘、旁路電容、 I/O接口等。（單片機最小系統參考圖）MC9S12DG12微控制單元作為MC9S12系列的16位單片機，由標準片上外圍設備組成，包括16位中央處理器、128KB勺Flash存儲器、8KB勺RAM2KB勺EEPROM兩個異步串行通信接口、兩個串行外圍接口、一組8通道的輸入捕捉或輸出捕捉的增強型捕捉定時器、兩組8通道1

6、0路模數轉換器、一組8通道脈寬調制模塊、 一個字節數據鏈路控制器、29路獨立的數字I/O接口、20路帶中斷和喚醒功能的 數字I/O接口、5個增強型CAW線接口。同時，單片機內的鎖相環電路可使能耗 和性能適應具體操作的需要。五、執行機構執行機構主要包括電機驅動、電機和舵機。舵機直接由單片機輸出的PWM信號控制；電機驅動使用H全橋電路，見下圖：（H全橋電路原理圖）六、電源模塊智能避障小車各不同部分需要不同電壓的電源, 的穩壓處理。電磁車的電源部分設計如下圖所示：因此需要對每一部分做單獨（電源分配圖）六、系統控制流程及 PID算法設計跟蹤控制程序包括舵機控制和電機控制兩部分，主要使用增量式PID控制

7、(避障小車控制框圖)1.舵機控制舵機控制就是小車的方向控制，以小車車體為參考系，控制前輪轉向，始終 朝無障礙物的方向行駛，即期望方向。光電開關及超聲波感器獲取前方路況信息， 以前方障礙物的距離作為偏差用于增量式 PID計算，得出控制舵機的PWM波占空 比；舵機驅動前輪，控制賽車運動，使小車用適當的角度及時變向。根據增量式 PID算法公式：=Kp "ek ®4)+Ki y +Kd 漢6 2e2 +ek_J 公式(3-1)設計舵機控制程序核心語句如下：Pdu = PKp *( Pe - Pel ) + PKi * Pe + PKd * ( Pe - 2 * Pel + Pe2

8、);Pu = Pu + Pdu ;其中Pe、Pel、Pe2是行駛方向偏差，Pu是舵機對應的PWMS道占空比寄存器值，Pdu是Pu的增量。2. 電機控制電機控制就是小車的速度控制，其期望速度來源于速度規劃環節。expspeed = Vmax - SPKp * fabs( Pe );其中Vmax為設定的電機最大速度，它減去位置偏差Pe的倍數作為期望速度。也 就是說，偏差越小，期望速度越大；偏差越大，期望速度越小。速度傳感器獲取 電機實際速度；期望速度與實際速度的偏差用于增量式 PID計算，得出控制電機 的PWM波占空比；電機驅動將PW信號功率放大，驅動電機，控制小車車速度等 于期望速度。根據以上公式設計電機控制程序核心語句如下：Vdu = VKp *(