自動(dòng)避障小車(chē)

如果您需要使用本文檔，請(qǐng)點(diǎn)擊下載按鈕下載! 摘要 設(shè)計(jì)并制作了一輛可遠(yuǎn)距離遙控的小車(chē)。車(chē)體以TI公司Stellaris Cortex-M3系列單片機(jī)LM3S615為控制核心，配合步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)、紅外傳感器、zigbee無(wú)線(xiàn)通信模塊，實(shí)現(xiàn)小車(chē)行走、自動(dòng)避障、遠(yuǎn)距離通信控制等功能。遙控器部分采用TI公司MSP430G系列MSP430G2452單片機(jī)，配合電容觸摸板和zigbee無(wú)線(xiàn)通信模塊，實(shí)現(xiàn)了對(duì)小車(chē)的遠(yuǎn)距離全方位控制。 實(shí)際測(cè)試表明，遙控小車(chē)的有效控制距離超過(guò)500米，觸控板控制精確，小車(chē)行走流暢、避障迅速可靠。 關(guān)鍵詞：Cortex-M3; Stellaris; MSP430; Zigbee 1. 設(shè)計(jì)功能思想: 要設(shè)計(jì)的是一個(gè)可以遠(yuǎn)距離遙控，靈活快速運(yùn)動(dòng)的遙控小車(chē)。同時(shí)為了防止小車(chē)在遙控運(yùn)動(dòng)時(shí)意外撞到障礙物后發(fā)生損壞，所以給小車(chē)增加自動(dòng)避障功能。小車(chē)在無(wú)障礙物時(shí)按遙控指令行進(jìn)，遇到障礙物時(shí)，優(yōu)先執(zhí)行避障程序。主要涉及內(nèi)容包括： （1） 對(duì)小車(chē)運(yùn)動(dòng)電機(jī)的控制 （2） 對(duì)紅外傳感器的信息讀取及檢測(cè)距離控制 （3） 控制器控制臺(tái)的選取及其驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì) （4） 無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議，命令收發(fā)的軟件設(shè)計(jì) 2. 系統(tǒng)方案 （1） 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖： 圖1為系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖。 1 / 91 如果您需要使用本文檔，請(qǐng)點(diǎn)擊下載按鈕下載! MSP430G2452處理器 觸摸板 （控制小車(chē)任意轉(zhuǎn)向及運(yùn)動(dòng)） 觸摸信號(hào) 控制命令傳輸 ZM2410P0無(wú)線(xiàn)模塊 ZM2410P0無(wú)線(xiàn)模塊 LM3S615 微處理器 小車(chē) 傳感器 控制器部分 小車(chē)部分 障礙信息 控制命令 無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳輸 圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖 （2） 其中使用的關(guān)鍵算法： （a）控制器部分，待機(jī)狀態(tài)下，且設(shè)置了8.3秒自啟動(dòng)的算法。并且通過(guò)軟件模擬UART，實(shí)現(xiàn)了命令的準(zhǔn)確發(fā)送。 （b）小車(chē)部分， 5個(gè)紅外傳感器，由M3內(nèi)部硬件集成的PWM控制，由5個(gè)GPIO單獨(dú)讀取障礙信息 3. 硬件清單 系統(tǒng)硬件：控制器、小車(chē)（帶有步進(jìn)電機(jī)和紅外傳感器）、無(wú)線(xiàn)模塊。 （1） 控制器部分： 圖2 電容觸摸板 2 / 92 如果您需要使用本文檔，請(qǐng)點(diǎn)擊下載按鈕下載! 圖2為電容觸摸板，型號(hào)為430BOST SENSE1。電容觸摸板是一種無(wú)損耗按鍵，操作界面美觀，作為遙控器的控制臺(tái)。 圖3 MSP-EXP430G2 LaunchPad 圖3為T(mén)I公司MSP430G2系列開(kāi)發(fā)板，所用單片機(jī)位MSP430G2452。G2板作為遙控器的處理器，實(shí)現(xiàn)對(duì)觸摸信號(hào)的處理和無(wú)線(xiàn)通信。 圖4 小車(chē) 圖4為小車(chē)部分。使用周立功公司的電腦鼠為車(chē)體，小車(chē)使用TI公司Stellaris Cortex-M3系列單片機(jī)LM3S615為控制核心。結(jié)合高性能的無(wú)線(xiàn)模塊，改裝成遠(yuǎn)距離遙控的小車(chē)。 圖5 無(wú)線(xiàn)模塊 圖5為 Zigbee無(wú)線(xiàn)通信模塊，型號(hào)：ZM2410P0。 4. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) （1） 軟件流程圖： 圖6所示為軟件流程圖。 3 / 93 如果您需要使用本文檔，請(qǐng)點(diǎn)擊下載按鈕下載! 開(kāi)始 初始化觸摸板及‘UART’定時(shí)器 定時(shí)8.3s，進(jìn)入低功耗待機(jī)，等待觸摸 定時(shí)時(shí)間>8.3s? ‘UART’發(fā)送命令 Y N 觸摸中斷喚醒，并關(guān)閉8.3s定時(shí)器 開(kāi)始 初始化電機(jī)、紅外傳感器及其UART 等待控制命令和障礙信息 遇到障礙？ 控制小車(chē)準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng) 繼續(xù)完成運(yùn)動(dòng) N Y 2）小車(chē) 1）控制器 圖6 軟件流程圖 （2） 軟件設(shè)計(jì)概述： （a） 電容觸摸板信號(hào)的讀取。采用捕獲中斷方式來(lái)識(shí)別觸摸信號(hào)，并且設(shè)計(jì)了判別誤動(dòng)作的消抖算法，使控制更可靠。 （b） 按鍵中斷掃描。通過(guò)軟件設(shè)計(jì)，對(duì)每個(gè)按鍵的中斷狀態(tài)快速掃描，提高了觸摸板信號(hào)的識(shí)別速度。 （c） 遙控器通信部分。在MSP430G2452上用定時(shí)器虛擬了‘UART’通信協(xié)議，設(shè)置了同步波特率，實(shí)現(xiàn)了與Zigbee無(wú)線(xiàn)模塊的串口通信，完成了命令的的發(fā)送環(huán)節(jié)。 4 / 94 如果您需要使用本文檔，請(qǐng)點(diǎn)擊下載按鈕下載! （d） Zigbee模塊部分。對(duì)ZM2410P0模塊波特率的設(shè)定和收發(fā)狀態(tài)的初始化，完成可靠準(zhǔn)確地?zé)o線(xiàn)傳輸環(huán)節(jié)。 （e） 步進(jìn)電機(jī)控制部分。使用LM3S615內(nèi)部?jī)蓚€(gè)32位定時(shí)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的“半步驅(qū)動(dòng)”控制，步進(jìn)角度為3.75度。 （f） 調(diào)制紅外探測(cè)器。使用LM3S615的兩個(gè)硬件PWM模塊來(lái)完成對(duì)5個(gè)調(diào)制紅外探測(cè)器的驅(qū)動(dòng)。通過(guò)改變PWM的頻率，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同距離障礙物的檢測(cè)。 （g） 小車(chē)通信部分。利用LM3S615內(nèi)部UART模塊實(shí)現(xiàn)了與Zigbee無(wú)線(xiàn)模塊硬件的串行通信。 5. 系統(tǒng)創(chuàng)新 （1） 實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離遙控小車(chē)，快速靈活運(yùn)動(dòng)，并自動(dòng)避障。 （2） 充分利用MSP430G2板載資源，實(shí)現(xiàn)了方便快捷的人機(jī)交互。 （3） 將兩塊ZM2410P0模塊來(lái)進(jìn)行MSP430G2452和LM3S615兩塊處理器之間的無(wú)線(xiàn)通訊，通訊控制距離達(dá)到500米。 6. 評(píng)測(cè)與結(jié)論 實(shí)際測(cè)試：（效果見(jiàn)作品視頻） （1） 檢測(cè)小車(chē)對(duì)無(wú)線(xiàn)控制的響應(yīng)： 經(jīng)實(shí)測(cè)，小車(chē)可做到快速的響應(yīng)控制器信號(hào)和障礙信號(hào)。燒寫(xiě)入M3測(cè)試程序后，小車(chē)可在障礙物之間快速流暢穿梭，無(wú)碰撞發(fā)生。 （2） 待機(jī)8.3s自啟動(dòng)檢測(cè)： 實(shí)測(cè)可看到，控制器待機(jī)狀態(tài)下每8.3s自啟動(dòng)一次，經(jīng)多次測(cè)試，準(zhǔn)確無(wú)誤。 （3） 小車(chē)8個(gè)方向轉(zhuǎn)向測(cè)試： 5 / 95 如果您需要使用本文檔，請(qǐng)點(diǎn)擊下載按鈕下載! 6 / 96 如果您需要使用本文檔，請(qǐng)點(diǎn)擊下載按鈕下載! 左轉(zhuǎn)45 右轉(zhuǎn)45 左轉(zhuǎn)90 右轉(zhuǎn)90 左轉(zhuǎn)135 右轉(zhuǎn)135 實(shí)測(cè)可見(jiàn)，小車(chē)在接受控制器的命令后，可準(zhǔn)確地完成八個(gè)方向控制命令。（上下兩幅分別為8.3s自啟動(dòng)和后轉(zhuǎn)180動(dòng)態(tài)過(guò)程） （4） 小車(chē)前方5個(gè)紅外傳感器檢測(cè)障礙，并作出相應(yīng)避障運(yùn)動(dòng)測(cè)試： 表1為程序預(yù)設(shè)的避障指令和實(shí)測(cè)的避障運(yùn)動(dòng)對(duì)照表。 表1 避障指令測(cè)試表 測(cè)試傳感器 預(yù)設(shè)避障指令 實(shí)測(cè)結(jié)果 右方 小車(chē)左轉(zhuǎn)90度 符合 右前方 小車(chē)左轉(zhuǎn)135度 符合 左方 小車(chē)右轉(zhuǎn)90度 符合 左前方 小車(chē)右轉(zhuǎn)135度 符合 前方 小車(chē)先后退，然后后轉(zhuǎn) 符合 經(jīng)實(shí)測(cè)，小車(chē)可以做到自動(dòng)準(zhǔn)確避障，動(dòng)作靈活快速可靠。 （5） 整體運(yùn)動(dòng)測(cè)試： 經(jīng)測(cè)試，小車(chē)接收到“前進(jìn)”命令后，快速加速啟動(dòng)并前進(jìn)控制的距離。當(dāng)前方遇到障礙時(shí)，會(huì)立刻終止當(dāng)前控制器命令，并后退然后后轉(zhuǎn)180度。 7 / 97 如果您需要使用本文檔，請(qǐng)點(diǎn)擊下載按鈕下載! 在運(yùn)動(dòng)中，當(dāng)其他方位遇到障礙時(shí)，小車(chē)也會(huì)立刻調(diào)整運(yùn)行狀態(tài)！然后等待控制器命令。 （6） 遙控距離測(cè)試： 測(cè)試Zigbee模塊通信距離的方法如下：兩個(gè)人間隔500米，一人手持遙控器，另一人站在小車(chē)周?chē)?。兩人使用手機(jī)報(bào)告遙控操作和小車(chē)實(shí)際動(dòng)作。結(jié)果表明，小車(chē)準(zhǔn)確完成了所有待測(cè)動(dòng)作，證明遙控距離可達(dá)500米以上。受無(wú)障礙場(chǎng)地條件限制，極限通信距離未作測(cè)試。 （7） 控制觸摸板靈敏度測(cè)試： 當(dāng)手指觸碰到正確的電容觸摸區(qū)域后，觸摸板相應(yīng)小燈迅速亮起，小車(chē)同時(shí)立刻做出相應(yīng)的動(dòng)作反應(yīng)，控制臺(tái)靈敏、美觀。 7. 總結(jié) 小車(chē)使用了TI公司的兩種主要單片機(jī)Stellaris Cortex-M3和MSP430單片機(jī)為控制核心，結(jié)合業(yè)界先進(jìn)的Zigbee無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了精確的遠(yuǎn)距離遙控控制。 本小車(chē)目前主要功能為學(xué)習(xí)Cortex-M3和MSP430單片機(jī)構(gòu)架，掌握Z(yǔ)igbee無(wú)線(xiàn)通信的基本功能原理。如果能再結(jié)合攝像頭，則小車(chē)可實(shí)現(xiàn)小型“探測(cè)機(jī)器人”的實(shí)用功能。 最后，非常感謝TI公司和周立功公司對(duì)我們學(xué)校創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室硬件上的贊助和技術(shù)上的支持！ 8 / 98 如果您需要使用本文檔，請(qǐng)點(diǎn)擊下載按鈕下載! （注：可編輯下載，若有不當(dāng)之處，請(qǐng)指正，謝謝!） 9 / 99