引言

　　輪式小車是智能小車機械結構的主體部分，由車身、輪子、變速器、傳動軸等結構部件構成。輪式小車還包括提供動力的驅動器，用來收集智能小車的自身狀態信息或外部環境信息，并對多傳感器的數據進行分析、融合，動態調整小車的運動狀態，實現在一定條件下的自主行駛。

　　硬件設計

　　圖1是智能車總體的設計方案及組成原理。微處理器采用了16位SPCE061A單片機，以此為核心設計了紅外傳感模塊、電機驅動模塊、PI控制器及相關的顯示指示模塊。

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　　圖1 智能車總體的設計方案

　　輪式小車機械結構的設計

　　智能小車機械結構包括車輪、車身、轉向舵機、驅動器和各種傳動機構等。小車車身主體由2mm厚的有機玻璃組成。小車有三個車輪，其中后面的兩輪為驅動輪，分別有獨立的直流電機驅動。

　　若直接將直流電機輸出軸連接小車的輪胎，會出現電機的轉矩偏小、小車的動力差等缺點，采用PWM直流電機調速方法又會使電機的輸出轉矩在原有壓降的基礎上又有所下降。為了解決轉矩速度之間的矛盾，筆者設計了二級定軸輪系轉動減速裝置，其結構示意圖如圖2所示。

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　　圖2 減速機構原理圖

　　其中齒輪均為圓柱直齒輪。若主動軸用1表示，末輪以K表示，輪速為ω，圓柱直齒輪嚙合次數為m，則上述輪系機構的傳動比ilk為

(1)

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　　此處電機輸出軸是主動軸，車體輪胎是從動軸。

　　其中一級變速主動輪齒數Z1主=11，從動輪齒數Z1從=35;二級變速主動輪齒數Z2主=11，從動輪齒數Z2從=40;圓柱直齒輪嚙合次數為m=2?？梢杂嬎愠鰅lk=11.5。

　　紅外傳感器

　　紅外傳感電路采用反射式紅外傳感器，可以方便地實現實時監控并有效防止誤觸發，靈敏度容易控制。圖3為紅外檢測電路，核心IC器件是LM393，該集成塊內部裝有兩個獨立的電壓比較器。

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　　圖3 紅外檢測電路

　　LM393類似于增益不可調的運算放大器。每個比較器有兩個輸入端和一個輸出端。兩個輸入端一個稱為同相輸入端(用“+”表示)，另一個稱為反相輸入端(用“-”表示)。用作比較兩個電壓時，任意一個輸入端加一個固定電壓做參考電壓，另一端加一個待比較的信號電壓。當“+”端電壓高于“-”端時，輸出管截止，相當于輸出端開路。當“-”端電壓高于“+”端時，輸出管飽和，相當于輸出端接低電位。兩個輸入端的電壓差大于10mV就能確保輸出能從一種狀態可靠地轉換到另一種狀態。因此，把LM339用在弱信號檢測等場合是比較理想的。測速反饋電路由發光二極管、光電級管、單穩態電路以及裝在主軸上的光電碼盤組成。當光碼盤上的孔經過發光二極管時，發光二極管發出的光使光電三極管導通，輸出高電平;當光碼盤上的非孔部分經過光二極管時，光電極管截止，輸出低電平。產生的周期性脈沖經單穩電路整形送高速輸入通道IOB2或IOB3外部中斷源，取得每次上升沿的時間值, 就是定時器T1的值，每兩次T1上升沿值之差為光電脈沖周期，從而可計算出主軸的轉速。

　　電機驅動電路

　　微型直流電機以其良好的線性特性、優異的控制性能和非常高的效率廣泛應用于小功率系統中。為了控制直流電機，本文采用PWM控制。SPCE064A的I/OB特殊功能IOB8 、IOB9就直接提供了兩個PWM輸出口，直接輸出控制信號即可，無須另加電路?？紤]到電壓、電流的等級及尺寸、外觀因素，本文采用L298代替三極管構成驅動電路，如圖4所示。

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　　圖4 直流電機驅動電路

　　L298可同時控制兩個電機，且輸出電流達到2A。其ENA(引腳6)和ENB(引腳11)分別于SPCE064A的IOB8和IOB9相連，可實現直流電機的PWM速度控制。SENSEA、SENSEB為電流反饋引腳，用于實現直流電機的內環電流閉環控制。

　　控制器

　　常規的智能車一般引入輸出電機的轉速作為負反饋行程單閉環調速系統。雖然這個閉環具有較強的抗干擾性能，轉速調節器采用常規PI調節器，但是在系統中靜差仍然存在，即在PI控制調節器下穩態誤差只能減少而不可能消除。因此，單閉環調速系統控制效果和性能對給定穩壓源和速度檢測元件的精度具有依賴性。

　　直流電機在全壓啟動時會產生很大的沖擊電流，這對電機的換向不利，實際中表現為小車在變向或倒車時控制不及時，有較大的延遲時間。引入自動限制電樞電流的電流環負反饋對解決此問題是有效的。為了使轉速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統中設置兩個調節器, 分別調節轉速和電流。二者之間串級聯接。把轉速調節器的輸出當作電流調節器的輸入。從閉環結構上看，電流環在里面，轉速環在外面，形成了轉速、電流雙閉環調速系統，如圖5所示。

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　　圖5 轉速電流雙閉環調速系統

　　其中，β為電流反饋系數，n為轉速， α為轉速反饋系數。ASR為轉速比例積分調節器，用來實現轉速無靜差。ACR為電流比例積分調節器，用來實現電流無靜差。當兩個調節器都不飽和時，雙閉環調速系統在穩態工作點上，PI調節器的穩態輸出量與輸入量無關。

　　軟件程序設計

　　軟件程序由主程序、尋跡模塊程序、避障模塊程序、避障語音播報程序和LED顯示車體轉向程序等幾部分組成。圖6、圖7即為主程序和尋跡程序流程。

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　　圖6 主程序流程圖 圖7 尋跡程序流程圖

　　PWM算法的實現

　　凌陽SPCE061A單片機提供了兩個16位定時器，分別有相應的定時器控制寄存器設計相關參數，P_TimerA_Ctrl(700BH)和P_TimerB_Ctrl(700DH)的第6~9位設置該定時器輸出不同頻率的脈寬調制信號。

　　智能車實地調試

　　小車的實際調試是讓小車運行在一個指定或任意給定的由紙板構成的迷宮通道，通道設有兩個進出入口。開始測試時將小車放置在入口處并打開小車電源，小車可以順利地在迷宮內實現躲避障礙，最后從迷宮的另一個出口出來。循跡的測試是在一張空曠的貼有一定黑線軌跡的桌子上進行，測試結果顯示，小車可以按照比賽的要求進行循跡、轉向和避懸崖。

　　結語

　　本次設計的智能車是機電一體化的綜合產品。循跡模塊能實現尋黑線車體的自由運轉。小車可以順利地完成拐直角彎道或者掉頭返回(180°轉彎)等操作。