2 理论设计

2.1 小车本体设计

2.1.1 二轮式行走机构的设计

采用两个具有两个自由度的传统型车轮作为主动轮，并且采用双电机分别通过减速机构驱动左右轮，为保持车体平衡，在车的前后各有一个支撑轮。这样布置小车可以实现零半径旋转、前后两个方向都可以运动、具有良好的启动和制动性能、使小车具有高度的灵活性。

根据行驶路线以及场地的特点，两轮小车必须要解决如下的几个问题：

1．启动、制动和转动速度尽量快 。

2．能以很小的半径进行旋转。

3．良好的一致性，即：当小车的控制系统对车体左右轮发出相同的指令时，左右轮的转速应相同。

二轮式行走机构包括：主动轮（驱动轮）、支撑轮、减速器、车体框架、电动机等。

2.2.2 两轮行走机构的动力学分析

其中，B为小车的轮距。

小车的运动速度在X 、Y坐标上的分量分别为：

其中 为小车的初试位置， 为小车的初始方位角。

由上面的分析可知，控制小车左右两驱动轮的速度，可使两轮的中心跟踪任何给定的轨迹。着也就是说明小车具有良好的转弯性能。

主动轮采用的软质橡胶轮，使轮与纸面的摩擦增大，防止的小车的打滑，以避免速度与距离测量的误差。

减速装置我们选用的是闭式直齿圆柱齿轮减速器。其好处在于：齿轮传动精度较高、传动效率高、噪音小、结构简单、可靠性高，以及受外界干扰小等。

2.2.3 驱动电机的选用：

小车选用的151型微型直流电机（性能参数待定）

2.2 小车主控系统设计

2.2.1 显示及按键单元

采用了键盘扫描和数码管显示单元作为人机接口。硬件电路框图如图3-1硬件电路图如图2.4。

  人机接口单元主要由数码管显示单元、键盘扫描单元和声音提示单元组成。该电路串行显示的数据由单片机的串行口输出，经串并转换电路74HC595将显示数据的段码动态地送到各数码管，各管的位选信号由Mega16经6B595送到各个数码管，实现串行动态显示。其具体电路如图2.5。

2.2.2 声光报警单元

在小车行进过程中，检测到铁片后需要送出声光信号。这里选用了直接由直流电源驱动的蜂鸣器做声音输出，发光二极管做光信号输出。

2.3 信息感知单元的设计

2.3.1 黑白区域检测及寻迹单元

在寻线时，我们只需要用三只反射式红外传感器就可以实现小车沿曲线行走，如图2.7所示。当机器人偏离白线时，根据在白线上光电管的分布情况来调整机器人的行进姿态。我们一排装了3个光电管，上面是接收管下面是发射管，虚线表示黑线的两边沿，可见机器人正常行走时中间对管始终在白线上。图2.8是一个光电管的模拟光路图，它是反射式光电管，在距地面2—3cm的高度检测效果最佳。

在电路设计中直接将光电管的输出信号送至Mega16的A/D输入端。

由于每个光电管的物理特性不一致，所以需要为每个光电管设置一个阀值电平，采样时就要对每个光电管分别进行采样。首先，可以对黑色区域进行采样，然后采集白色区域的电平值。对于每一个光电管，可以取它们采集到的深色电平值和浅色电平值的平均值，作为该光电管的阀值电平。最后，每个光电管都得到了一个相应的阀值电平。这些阀值电平通过A/D转换器转换为数字量，将这些数字量保存到SRAM或EEPROM中就完成了采样过程。在机器人寻线的实际过程中，将实时采集到的电平值经A/D转换得到的数字量，与已经存入在SRAM或EEPROM中的阀值进行比较，按照比较结果进行相应的处理。这样就可以实现一个自适应的处理。软件流程图如图2.9。

2.3.2 障碍检测及避障控制单元

2.3.2.1 反射式红外线障碍检测系统的硬件设计

1．组成

该单元由发射部分、接收部分、单片机部分，报警部分四部分组成。

发射部分：由Mega8内部计数器产生的38KHZ载波信号。

接收部分：采用红外化一体接收头NB1838。它的中心频率为37.9KHZ，抑制自然光的干扰。光电检测和前置放大器都集成在其中，最主要是它能解调出与它中心频率相符的信号。它的输出脚在没接收到载波信号是输出为高，当一旦接收到与其中心频率相符的信号时，输出就为低。其工作原理如图2.10所示。

单片机部分：由时钟振荡器和Mega8嵌入式单片机组成，经过编程，单片机实现自动计数、计算时间t，并判断是否有障碍物。

报警部分：由发光管组成，主要功能是提示在规定的距离内是否有障碍物。

2．工作原理

此系统的工作原理电路图如2.11所示。其原理是：连续发出10组频率为1KHZ、占空比为25%，载波频率为38KHZ的信号。当发射管发出占空比为25%的高电平的调制信号时，红外一体化接收头经过解调，输出的也应该是频率为1KHZ占空比为25%的低电平。但实际上红外一体化接收头内部电路要造成一部分信号延时，在发射头与接收头相隔很近的时候其输出的应该为400ms左右的低电平，而且这个低电平随着距离的增加会有所降低，甚至消失。本系统的避障机理就是发出10组此信号（见图2.12），红外一体接收头再将解调后输出的10组信号的低电平时间用单片机的定时计数器存储下来，求得其平均值（也就是所谓的概率事件，当然因为干扰和各方面的原因，即使在同一位置，接收到的低电平的值也会不一样，甚至因为外界的强烈红外光，有可能收到的信号会多于所发出的，不过这个应该算小概率事件，可以用软件进行排除、更正）后与事先给定的阀值进行比较，小于此阀值认为无障碍物；如果大于此阀值，就认为有障碍物。

2.3.2.2 反射式红外线障碍检测系统的软件设计

反射式红外线障碍检测系统的软件流程图如图2.13。

本系统的软件设计主要有几个重点，发1KHZ信号端口（PD5），地址选择端口（PD0和PD1），以及捕获中断端口（PD6）。软件的主要工作原理是由PD5对NE555输出占空比为25%的高电平，频率为1KHZ的信号，再由PD4对数据选择器（SN74153）和译码器（74LS139）进行选通，PD0和PD1作为地址选择端口，选择译码器的Q0、Q1、Q2端和数据选择器的IC0、IC1、IC2端，当判断有障碍物时，译码器的Q3被选中，并且发光二极管点亮。

2.3.3 光传感器单元

用于寻光的光传感器的光路示意图如图2.14所示。

2.3.4 小车行驶速度、距离检测

通常用编码器检测电机的速度。编码器又称“码盘”，是直接把位移变换为代码的数字式传感器。编码器有增量式和绝对式两种，按其结构划分，常用的有光电码盘和电磁式码盘。我们采用的是光电码盘。

图2.17为增量式光电码盘，它是一个旋转的脉冲发生器，根据脉冲数目或频率，可测出工作轴转角及转速。原理是在一圆盘上刻制节距和尺寸相等的透光小孔。圆盘与被测轴相连，当被测轴转动时，圆盘跟着一起转动，在圆盘的两侧，装有发光元件和感光元件。根据光线时断时续的变化（当光线透过小孔时感光元件就感受信号，反之，当光线被圆盘遮断时，信号即被截止）来检测旋转运动。脉冲的频率与圆盘的小孔数N及转速n有关，即为：

4 调试过程及测试数据分析

4.1 调试仪器仪表

4.2 调试数据及分析

4.2.1 寻线

4.2.2 脉冲