智能搬运车D题

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所属分类:搬运车
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  智能搬运车D题_幼儿读物_幼儿教育_教育专区。2019年湖北省电子设计竞赛(D题) 智能搬运车作品解析 一、题意分析 设计并制作一个能自动搬运货物的智能电 动车,其工作示意图如下。 2m 5cm 30cm 货物存储区A 光源A 停

  2019年湖北省电子设计竞赛(D题) 智能搬运车作品解析 一、题意分析 设计并制作一个能自动搬运货物的智能电 动车,其工作示意图如下。 2m 5cm 30cm 货物存储区A 光源A 停 车 30cm 区 光源B 30cm 5cm 货物存储区B 50cm 起跑线cm 1、基本要求 (1)智能车从起跑线出发(车体不得超过起跑线),在无 障碍物的情况下,可寻找并搬取铁片,按照不同颜色 分送不同存储区,即在光源A的引导下将黑色铁片搬运 到货物存储区A存放,或在光源B的引导下将白色铁片 搬运到存储区B存放。 (2)搬运过程中,一次只允许搬运一片,铁片必须搬运到 放置存储区域内。 (3)要求智能车在5分钟之内能取走全部铁片,并使准确返 回车库,否则就地停车。 (4)智能车检测到铁片时能发出声光信息,并实时显示铁 片数目。 2、发挥部分 (1)距右边线cm处设有障碍线,线上任意位置放有两个 障碍物,在有障碍物的情况下,完成基本要求(1)、 (2)的相关操作,且不得与障碍物碰撞。 (2) 要求智能车在8分钟之内取走全部铁片,并准确返回车 库,否则就地停车。 (3) 停车后,能准确显示智能车全程行驶的时间,显示误 差的绝对值应小于5秒。 (4) 其它。 题目要求设计并制作一智能搬运车。分析题目的 基本要求和发挥部分,可以看出主要考核或应用以下 几个知识点。 (1)运动控制的基本知识,包括小车的前进、后退、 转弯、准确启停与定位等。 (2)检测与传感技术,包括铁片的探测、颜色的识别 与拾取; 障碍物的检测与避让;黑色线段的检 测;光信号的检测与 判断等。 (3)主控部件的制作与应用。 (4)编程技术与系统方案设计,包括系统涉及的所有 程序如, 特别是铁片搜索程序与完成任务要求的 路线)小车模型的制作与选型。 在掌握了上述相关知识的基础上融会贯通的应用, 就能题目要求的全部功能。 下图是以单片机为主要控制部件的系统结构, 给出了完成题目要求全部功能所需的系统各个模块。 电机驱动模块 避障控制模块 光源探测模块 黑线探测模块 单片机 控制 模块 语音播报模块 显示模块 声光指示模块 金属检测、计数、 吸放模块 ? 电路分为路面黑线检测模块,铁片探测及搬运模 块,电机驱动模块,显示及声光指示模块,方向 控制模块,测距模块等几部分。路面黑线检测及 铁片颜色识别采用反射式红外传感器;铁片检测 和搬运采用电磁铁;障碍物检测采用红外探测头; 电机驱动采用PWM技术。各探头的信号经单片机 综合分析处理,使小车能准确地找到铁片、绕开 障碍物、寻找光源及准确进入车库。 二、各模块方案及典型特例 ? 1、金属探测路线方案 ? 大致上各个参赛队采用的方案有两种。 2m 5cm 30cm 货物存储区A 光源A 停 车 30cm 区 光源B 30cm 5cm 货物存储区B 50cm 起跑线cm 货物存储区A 光源A 停 车 30cm 区 光源B 30cm 5cm 货物存储区B 50cm 起跑线cm ? 两种方案相比较,第一种方案优于第二种方 案。 ? 第二种方案两边线之间的距离较远,小车容 易偏离方向,不宜控制。而第一种方案看起来好 象花费时间一些,但是铁片与底线cm 的距离,只要已底线做参考,在两边线的范围之 间搜索铁片,程序不比方案一复杂,而且较容易 控制小车。 ? 2、小车的选型 ? 本次的参赛队采用的小车基本上有三种 ①四轮改造车,②履带车,③自制车。 ? 小车赛上每次都是已四轮改造车为主,在本 次大赛上履带车、自制车相对以往有明显增 多。主要还是考虑传感器的安装,小车的速 度与方向的控制等方面因数。 ? 3、主要控制部件选择 ? 几乎所有的参赛队均采用单片机作为 主控部件,区别仅仅是单片机的型号不同 有采用凌阳的单片机SPCE061A,有采用8 位AVR单片机Atmega16L,有采用51内核8 位单片机 STC89C51RC/RD+系列单片机。 ? 主要控制部件完成系统方案的运行,对 各种检测信号的分析、处理及控制;产生 声光信号、语音信号及数据显示。 4、电机驱动方案 ? 在直流电机驱动电路中几乎获奖参赛队都是 采用电机驱动芯片L298N,实现 H型PWM电路, PWM电路由四个大功率晶体管构成H型全桥式驱 动电路,用单片机控制达林顿管使之工作在开关 状态, 这种驱动电路可以很方便实现直流电机的 四象限运行,分别对应正转、正转制动、反转、 反转制动。基本原理图如图。 ? ? 全桥式驱动电路的4只开关管都工作在斩波状态, S1、S2为一组,S3、S4为一组,两组的状态互补, 一组导通则另一组必须关断。当S1、S2导通时,S3、 S4关断,电机两端加正向电压,可以实现电机的反 转制动或正转;当S3、S4导通时,S1、S2关断,电 机两端为反向电压,电机正转制动或反转。 ? L298芯片是一个完整的集成驱动电路 (内部包含4通道逻辑驱动电路) 。 用单片 机控制实现对L298的TTL电平控制, 通过改变 芯片控制端的输入电平,即可以对电机进行 正反转, 调节输入的占空比可调整电动机转速。 ? 一片L298N有4路输出,可以控制两路电 机正反转及调速,正好用来控制电动小车的 前进和后退以及左转和右转。可以实现频繁 的无级快速启动和反转。 ? 基于稳定性考虑,采用光耦,将主控制部 分电源与电机驱动部分的电源隔离开来,这样 减少电机对主控制电路的干扰。 5、路面黑线探测模块 ? 由于红外光波长比可见光长,可以降低环 境光源的干扰,且红外系统还具有尺寸小、质 量轻、对辅助装置要求少,几乎都使用红外发 光二极管和接收管的组合。有ST168红外对管: 一体化红外发射接收JY043W管等。 ? 主要还是红外发射接收管应用的多少和安装的 问题。题目要求小车在黑线范围以内完成所有任务, 但小车可能会超出黑线。为了使小车能在压到黑线 后,自动调整方向回到规定范围以内工作,系统必 需要将路面的状态及时的反馈到控制部分,控制部 分使小车重新回到规定区域以内工作。 ? 安装红外发射接收管的方法各个参赛对都想尽 了办法。下面举几个例子供大家参考。 ? ? ① 采用4个光电传感器,分别安装在小车的4个角 上。 ? 当小车压上黑线时,光电传感器被黑色纸带遮 蔽,输出为高电平,单片机接收到信号后,控制两 个电动机反向转动,使小车原地转动一个角度,然 后继续工作。 ? 同时,黑线检测电路也用在了测速上,在小车 轮上粘黑白相间的纸片,当轮子转动时,单片机开 始记录传感器电平跳变次数,从而达到间接测速的 目的。 ? ② 使用4个光电传感器,车头放置两个,车 尾放置两个。 ? 因为在完成题目的要求时,小车会出现前进 和后退两种行驶状态,所以为了小车在黑线范围 以内完成工作,在车头车尾底部分别放置两个光 电传感器。无论是其中哪一个检测到黑线,CPU 都会产生检测到并处理,这就有效的保证了小车 的正确工作范围。 ? ③采用9个红外对管,四个安装在小车前部, 用于小车循线走和垂直黑线校准,并实时传递位 置信息给单片机;一片安装在金属传感器旁,在 金属块被吸起后判断金属块颜色;四个分别两两 安装在履带上方,用于探测小车行使方向和路程。 6、避障模块 ? 为了使小车行驶过程中,在能避开障碍物的前提 下,沿最优路线行驶,必须采用的避障方案的设计。 ? ① 采用GP2Y0A02YK基于红外线YK模块结构图 距离与输出电压的对应关系 ? ②采用红外对管JY043W避障。 VCC R? R? 1K 1 00 K C? D? LED Q? 1 0u F R? 1 0K R? Q? NPN 1K NPN-PHOTO U? 7 3 C? 2 CAP 7 41 6 5 1 4 R? 1 00 K C? 0 .0 1 uF C? 1 0 .0 1 uF 2 C? 3 CAP 4 LM567 R? 4 K7 R? 1K 8 7 6 5 R? 1K 1 J1 红外避障 C? 0 .0 1 uF ? 利用芯片LM567来产生10KHz信号,对红外线发射管进 行调制发射。发射出去的红外线遇到避障物的时候反射 回来,经接收管接收,再送入LM567。 ? ②采用红外对管JY043W避障。 VCC R? R? 1K 1 00 K C? D? LED Q? 1 0u F R? 1 0K R? Q? NPN 1K NPN-PHOTO U? 7 3 C? 2 CAP 7 41 6 5 1 4 R? 1 00 K C? 0 .0 1 uF C? 1 0 .0 1 uF 2 C? 3 CAP 4 LM567 R? 4 K7 R? 1K 8 7 6 5 R? 1K 1 J1 红外避障 C? 0 .0 1 uF ? 由于LM567的中心振荡频率即为发射频率,故在LM567 的8脚会输出开关信号,在送入单片机处理,控制电机 并使小车转弯。 ? ②采用红外对管JY043W避障。 VCC R? R? 1K 1 00 K C? D? LED Q? 1 0u F R? 1 0K R? Q? NPN 1K NPN-PHOTO U? 7 3 C? 2 CAP 7 41 6 5 1 4 R? 1 00 K C? 0 .0 1 uF C? 1 0 .0 1 uF 2 C? 3 CAP 4 LM567 R? 4 K7 R? 1K 8 7 6 5 R? 1K 1 J1 红外避障 C? 0 .0 1 uF ? 为了保证小车正确判断避障转弯方向,是左转还是右转, 在小车两侧分别加上一组红外线收发对管。 ? ③ 采用反射式光电开关。 +5V I/O 光电开关 GND 反射式开关利用被检测物体对红外光束的遮光 后反射,由同步电路选通而检测物体的有无。 其应用简单, 价格也贵些。 ? ④ 避障方案例 ? 由于题目中障碍物的位置任意,避障 方案必须完备,不能靠走设定路线,且小 车能应付各种障碍物情况。 小车 小车 小车 中间和一边均可通过,另一边不能 中间可以通过,两边不能 恰好中间不能通过 ? 避障时若只简单的采取左右障碍物往右偏 一点在前进探测,右有障碍物左偏一点再 往前走探测小车时刻顺利通过前两种情况, 但遇到第三种势必然进入死区;为避免这 种情况,采取“之”字形避障策略,小车 总是从一边开始“之”字扫描,当左右两 光电开关均指示无障碍物时才可前进通过。 ? 7、铁片探测与搬运模块 ? ①金属探测使用集成电感式接近开关,型号 为LT5-B17-3E1。 接近开关 LT5-B17-3E1 R1(10k) 棕 黑 兰 Vcc(5V) IOA5 +5V I/O 传感器 GND ? ②采用电容式接近开关(霍尔效应传感器), 是一种具有开关量输出的位置传感器。 ? ③在小车顶部安装一个扫描电机,电机在单片 机的控制下在绕轴度范围内扫描,。探头在扫 描过程中,关闭电磁铁,一旦检测到铁片,马 上识别颜色并打开电磁铁。 ? ④金属检测部分利用电磁感应原理。 当金属靠近电磁铁时,线圈中会产生感生电动 势,可以判断该电动势方向与线圈中原电场方向 相反,这样回路中电流减小,串联在电路中的采 样电阻两端的电压发生改变,经整形后该信号送 入单片机。每次单片机收到该信号,就将铁片数 加一,同时应用该单元实现铁片的搬运。 ? ⑤吸放铁片模块采用电磁铁,或者用继电器改装为电 磁铁。这种继电器控制起来简单,不仅功耗低,工作 稳定可靠、对外界条件要求也比较低。 ? 当单片机低电平时,继电器处于断开状态,电磁铁没 通电,无磁性;输出高电平时,继电器吸合,电磁铁 通电,有磁性,可吸取金属。当探测到铁片后,启动 电磁铁,便可吸取铁片。 +5V 9013 150 继电器 0 Z 1 电磁铁 6 ? 金属传感器,电磁铁探头安装在一起,由于金属传感 器和电磁铁大小有限,探测范围不足,在前方安装小 铲子。可将与车宽相齐的区域内的铁片收集到可探测 收集区。 小车 金属接近 开关 铁片 ? 8、光源探测方案 ① 采用三路光电三极管并排布置,把相邻 的两路互相作电压比较,输出两路高低电平信号, 由单片机IO1,IO2 口读取,根据不同的组合判 断两光源相对位置,作为小车进入相应存储区的 辅助信息。两口不同组合对应状态表如下: IO1 0 0 1 1 IO2 0 1 0 1 对应状态 左<中,右<中,光源在正前方 左>中,右<中,光源在右 左<中,右>中,光源在左 无光源 ② 光电二级管在不同光强时导通情况差别 很大,集电极电压在不同光强时电压不一样。光 越强,管子导通程度越大,电压越低,光越弱, 导通程度越低,电压越高。该电压直接送入单片 机AD口,小车运行时, 单片机不断分析探头上 的电压值。 为了准确的判断两个光源的位置,在小车的中 间水平放置22个光敏二极管,形成360度的圆形。并 在光敏二极管上套上黑色圆形管,以避免除两个射 灯以外的光源干扰。 ? 采用10 bit A/D高速海串行工转换芯片TLC1543,该 芯片是CMOS、10位开关电容逐次逼近模数转换 器。该器件有三个输入端和一个三态输出端 (片选CS、输入/输出I/O CLOCK、地址输入 ADDRESS和数据输出DATA OUT)可以进行 高速的数据传输。该器件还有一个片内的14通 道多路器,可以选择11个外部输入中的任意一 个或3个内部自测试(self-test)电压中的一个。 采样和保持是自动的。在转换结束时,“转换 结束”(EOC)输出端变高以指示转换的完成。 开始 初始化AD转换 采集光信号 数据处理 N leftmiddl e? Y N middlerigh t? Y 小车偏向左边光源 N middlerigh t? Y 小车正对某一光源 小车在两光源中间 光源检测流程图 小车偏向右边光源 9、其他 ? 显示模块:采用数码管显示。 ? 声光报警模块:采用蜂鸣器和发光二极管 组成的声光报警电路。 ? 语音播报:选用凌阳SPCE061A单片机, 语音播报只要编写软件上就可简单实现, 只是要占一定CPU资源。 三、小结 ? 2006年湖北省大学生电子设计竞赛也 是湖北省为迎接2007年全国大学生电 子设计竞赛进行的先期练兵。从实践过程 来看取得了较好的效果。 ? 预祝2007年我省参加全国大学生电子 设计竞赛取得好成绩。

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