目录一、智能小车硬件系统设计 (2)1.1智能小车的车体结构选择 (2)1.2智能小车控制系统方案 (2)1.3电源系统设计 (4)1.4障碍物检测模块 (4)1.4.1超声波传感器 (4)1.5电机驱动模块 (5)1.5.1驱动电机的选择 (5)1.5.2转速控制方法 (6)1.5.3电机驱动模块 (7)1.6速度检测模块 (9)1.6.1增量式光电编码器的工作原理 (9)1.6.2电机转速检测方法 (10)1.7通信扩展模块 (11)1.7.1蓝牙透传模块 (11)1.8硬件设计中注意的问题 (12)二、控制系统软件设计 (13)2.1 系统程序设计 (13)2.1.1系统总体框图 (14)2.1.2障碍物探测模块程序设计 (14)2.1.3电机驱动模块程序设计 (15)2.1.4速度检测模块程序设计 (15)2.1.5 寻迹模块程序设计 (18)一、智能小车硬件系统设计1.1智能小车的车体结构选择目前常用的移动机器人运行机构的方式有轮式、履带式、腿式以及上述几种方式的结合。

轮式和履带式机器人适合于条件较好的路面，而腿式步行机器人则适合于条件较差的路面。

为了适应各种路面的情况，可采用轮、腿、履带并用。

在各种实用的移动机器人中以轮式机器人(Wheeled mobile robot，WMR)最为常见，它具有悠久的历史，在机械设计上非常成熟。

本文中智能小车的设计思想是作为在路面环境较好的场合中工作的机器人使用，所以采用轮式机器人。

机器人车体由车架、蓄电池、直流电机、减速器、车轮等组成，它是整个小车的基础部分。

从轮式移动机器人的车轮个数来说，常用的为三轮或四轮，更多轮的机器人则多见于可变构形的移动机器人应用。

四轮机构在稳定性方面强于三轮机构。

而一般轮式移动机器人转向装置的结构通常有两种方式，第一种方式是使用舵机转向，在此方式下前轮是自由轮，后轮是驱动轮，使用一个电机进行驱动，转向使用舵机控制转向轮(前轮)实现；另外一种方式使用差动控制转向，与舵机转向相同的是，后轮是驱动轮，但左、右轮使用独立的电机驱动，前轮为自由轮，转向通过控制左右驱动轮速度的方式实现。

综合考虑到智能小车承载能力、稳定性以及转向精度的要求，系统采用了四轮差动转向式，其中后部两轮为驱动轮，前部两轮为随动万向轮。

1.2智能小车控制系统方案在整个智能小车系统的总体设计之中，控制系统是最重要的，它是整个系统的灵魂。

控制系统的先进与否，直接关系到整个机器人系统智能化水平的高低。

机器人的各种功能都在控制系统的统一协调前提下实现，控制系统设计的策略也决定了整个机器人系统的功能特点及其可扩展性。

本次设计的智能小车控制系统，具备了障碍物检测、自主定位、自主避障、PWM电机驱动、CAN总线通信、无线通信等一系列功能。

根据上述所提及的智能小车的功能要求，课题研究的控制系统主要包括：电源模块、微控制器模块、障碍检测模块、电机驱动模块、速度检测模块、通讯扩展模块等部分。

系统总体框图如图1.1所示。

具体设计过程中，各模块硬件以及软件部分力求相对独立，为日后的更新和后续升级提供便利。

图1.1 控制系统框图在各个模块中，各模块功能划分如下：电源模块负责整个控制系统各部分的电源供给。

包括驱动电机所需的12V电源和主控制器系统所需的5V和3．3V电源；微控制器模块作为控制系统的核心，主要进行各种信息采集、数据处理，协调系统中各功能模块完成预定的任务；障碍物检测模块它由超声波传感器和红外光电传感器对机器人运动过程中的障碍物进行检测，然后传送相应信号给主控制器处理；电机驱动模块负责机器人左右轮的独立驱动，主要使用主控制器内置的PWM输出单元和电机驱动芯片配合，实现左右轮的差速控制；速度检测模块负责测量左右轮的实时转速，主要通过光电编码器和主控制器内部计数器配合检测车轮实时转速；通信扩展模块主要分为有线和无线两部分，有线通信模块是上位机通讯；无线通信模块由主控制器通过串行接口USART与蓝牙透传模块之间进行通讯。

1.3电源系统设计本课题设计的智能小车，能耗主要为控制电路和电机驱动电路两部分。

主控制器电源为+5V，而电机驱动芯片293D所需电源也为+5V，电机驱动所需电源为+5v，故可选择+5V为系统的主电源。

设计选用6节1.2V容量为4500mAh的锂电池串联作为系统的供电电源。

1.4障碍物检测模块障碍物检测是智能小车导航研究中很重要的一个部分。

在小车实际运行中，传感器相当于小车的“眼睛"，必须得到障碍物及其距离的信息，才能相应的规划自动避障导航算法。

目前用于障碍物检测的传感器主要有超声波传感器、红外光电传感器和激光测距仪等。

激光测距一般通过量测激光在发射点和目标点之间的传输时间来计算得到距离，它的原理和结构相对简单，但价格高。

超声波测距是通过测量超声波从发射到遇到障物反射到被接收这整个过程中的时间差来确定距离，超声波传感器使用比较方便且价格便宜，具有信息处理简单，实时性强和价格低廉等特点，但实际使用中由于超声波发射束角过大，方向性差，只能得到障碍物简单的距离信息，无法得到障碍物的边界信息。

而红外光电传感器具有探测视角小，方向性强等特点，但无法确定障碍物的距离信息。

本模块使用超声波传感器和红外光电传感器，使用数据融合的方法得到障碍物方位及其距离信息。

1.4.1超声波传感器(1)超声波传感器简介超声波是人耳听不到的一种机械波，一般由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它的频率较高，但波长较短，一般产生绕射较少，且具有探测方向性好，能够成为射线而定向传播等特点，常用于障碍物的检测。

而以超声波作为检测手段，必须能够产生超声波和接收超声波，完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。

这是一种既可以把电能转化为声能、又可以把声能转化为电能的装置。

实际使用中超声传感器的种类很多，按照实现超声波传感器机电转换的物理效应的不同，可将超声波传感器分为压电式、电动式、电磁式等；压电式传感器在当前无论是理论研究还是实际应用中都比较广泛；而以结构分类，如单一传感器。

能同时实现超声波发射和接收功能则将之称为收发同体式，如各自单独实现，则称为收发同体式。

本设计中选用压电式收发分体超声波传感器US-100，其实物图片如下图所示。

图1.2 超声传感器本设计使用的US-100 超声波测距模块可实现0-4.5m 的非接触测距功能，拥有2.4-5.5V 的宽电压输入范围，静态功耗低于2mA，自带温度传感器对测距结果进行校正，同时具有GPIO，串口等多种通信方式，内带看门狗，工作稳定可靠。

1.5电机驱动模块本设计中智能小车采用左右两轮独立驱动，采用差速转向舵机，每一个车轮分别由一个直流电机单独进行控制。

以下从驱动电机的选择，电机转速控制方法和电机驱动模块三个方面介绍电机驱动模块的设计。

1.5.1驱动电机的选择移动机器人驱动电机常选用步进电动或者直流电机，。

本设计中采用直流电机，它具有优良的速度控制性能，具体来说，它有下列优点：1．具有较大的转矩，从而能够克服传动装置的摩擦转矩和负载转矩；2．具有快速响应能力，可以适应复杂的速度变化和控制信号的变换；3．电机的负载特性硬，有较大的过载能力，确保运行速度不受负载冲击的影响，增加的系统的可靠性：4．直流电机的空载力矩大，在控制系统发出停转的同时可以立刻响应，并且可以产生相当大的力矩阻止机器人由于惯性继续向前移动；5．直流电机具有很好的环境适应能力；6．直流电机相对其他电机来说运动起来平稳，而且噪声小。

本设计选用的直流电机，其主要技术参数是：电机的额定电压5V，其额定功率为5W，每分钟转速输出为100转，电机自带减速器。

1.5.2转速控制方法直流电动机的转速控制方法可以分为两类：调节励磁磁通的励磁控制方法和调节电枢电压的电枢控制方法。

其中励磁控制方法在实际应用中，在低速模式时磁极极易饱和，故调速范围有限，而在高速模式下，由于经常要换向，换向火花较大，且较易受到换向器结构强度对换向的限止，且由于励磁线圈电感较大，造成控制时动态响应较差，故这种方法在实际应用中并不常见。

在直流电动实际转速控制中电枢控制应用较为广泛。

而根据在电枢电压的控制和驱动中对半导体功率器件的使用不同，可分为两种方式，一种是线性放大驱动，它是使半导体功率器件工作在其线性放大区间。

这种方式控制原理较简单，且输出波动较小，因工作在线性区间，故线性好，且对邻近电路干扰较小：但是由于半导体功率器件工作在线性区会产生大量热量，会消耗大部分电功率，故此方式下效率较低，且需考虑散热问题，故此种方式只适用于驱动微小功率直流电动机。

绝大多数直流电动机采用另外一种电驱电压控制方式，即开关驱动方式。

这种方式下使用开关信号使半导体功率器件工作在开启和关闭状态，通过输出脉宽调制PWM电平来控制电动机电枢电压，实现调速功能。

由于一般微控制器都可输出PWM脉冲电平，故较容易在微控制器上实现此控制。

使用PWM的一个优点是从主控制器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换，可使信号保持为数字形式，可最大程度的降低系统噪音。

在实际应用中有二种方式可产生PWM信号，它们的原理是在固定时间内，通过改变占空比或者频率来得到不同的PWM信号。

第一种方式在不改变占空比大小的前提下，改变频率，从而得到恒定占空比但频率不同的脉冲信号。

它通常被称作脉频调制(PFM：Pulse Frequency Modulation)。

这种方法可在固定时间内产生许多不同频率的信号，而电机作为一种电感量相当大的元器件，在不同频率信号输入影响下会产生振动，也极易产生噪声，故在移动机器人电机控制中这种办法不常用。

另外一种是在固定时间内不改变频率，改变脉冲信号的占空比，从而得到频率恒定但占空比不同的PWM信号。

其波形如图2．12所示，在一个周期内改变高电平的持续时间，即可改变信号的占空比。

而如图所示，ON区间高电平持续的时间越长，其相应的占空比越大，在实际中使用的就是这种固定频率下改变占空比的PWM技术。

图1.3 PWM控制产生的波形PWM技术的原理如下图所示，由图可知，在晶体三极管的基极输入PWM脉冲，在ON的时间内，由于输入是高电平，此时三极管处于导通状态，电机可以转动。

而在OFF时间内，由于输入是低电平，此时三级管处于关闭状态，此时电机将停转。

但由于续流二极管的存在，在由ON的时间切换到OFF时间内，电机线圈内部将储存部分能量，能够提供给电机使之能够在PWM脉冲的OFF区间，能继续维持运转状态。

图1.4 基于PWM速度控制1.5.3电机驱动模块在智能小车使用直流电机实现其行走能力，小车行走需进行前后两个方向的行进，在避开障碍物时需通过调速电机转速实现转向。

直流电机在此行进状态下工作所消耗的电流和电压都较大，其转动方向的改变需要通过改变所加电压的极性实现。