定位小车设计制作论文(编辑修改稿)

定位小车设计制作论文(编辑修改稿)内容摘要：

声波定位电动车设计 6 ⑶ 20xx 年第 八 届全国大学生电子设计竞赛 F 题《 电动 车跷跷板 》 图 电动车跷跷板示意图 设计并制作一个电动车跷跷板，在跷跷板起始端 A 一侧装有可移动的配重。 配重的位置可以在从始端开始的 200mm～ 600mm 范围内调整，调整步长不大于 50mm；配重可拆卸。 电动车从起始端 A出发，可以自动在跷跷板上行驶。 电动车跷跷板起始状态和平衡状态示意图分别如图 所示。 在不加配重的情况下，电动车完成以下运动：电动车从起始端 A 出发，在 30 秒钟内行驶到中心点 C 附近； 60 秒钟之内，电动车在中心点 C 附近使跷跷板处于平衡状态，保持平衡 5 秒钟，并给出 明显的平衡指示；电动车从中的平衡点出发， 30 秒钟内行驶到跷跷板末端 B 处（车头距跷跷板末端 B 不大于 50mm）；电动车在 B 点停止 5 秒后， 1 分钟内倒退回起始端 A，完成整个行程；在整个行驶过程中，电动车始终在跷跷板上，并分阶段实时显示电动车行驶所用的时间。 将电动车放置在地面距离跷跷板起始端 A 点 300mm 以外、 90176。 扇形区域内某 一指定位置（车头朝向跷跷板），电动车能够自动驶上跷跷板。 小结 由此可见， 电动车是将学校里理论知识与实际动手操作集合起来的理想平台，在历届大学生电子设计竞赛将电动小车各部分功能充分 挖掘的基础上，此次将声波定位技术作为控制电动小车的关键核心部分，首次将声音信号作为电动小车控制转向的主要参考标准，首先将声波信号转换成电信号即为一项新的技术难点，在设计生产应用中，可以将此项技术作为参考标准，从一个新的角度来实现电动车的控制。 宁波大学 信息科学与工程 学院本科毕业设计（论文） 7 2 声波定位电动车控制系统设计 本 系统总体上由两大部分组成。 分别为移动声波发生端（电动小车） ， 以及声波接收模处理端。 两个模块之间的通信通过无线信号进行数据的交互，实现声波定位控制。 系统要求： 设计并制作一声音 导引 系统 ，示意图如图所示。 图中， AB 与 AC 垂直， Ox 是 AB 的中垂 线， O39。 y 是 AC 的中垂线， W 是 Ox 和 O39。 y的交点。 声音导引系统有一个声源电动车 S，三个声音接收器 A、 B 和 C，声音接收器之间通过导线连接。 声音接收器能利用声源电动车 S 和接收器 A、 B、 C 之间的不同距离，产生一个生源电动车离 Ox 线（或O39。 y 线）的误差信号，并用无线方式将此误差信号传输至声源电动车，引导其运动。 可移动声源运动的起始点必须在 Ox 线右侧，位置可以任意指定。 通过声波引导，声源电动车最终在 W 点处停车。 电动小车开始运行的方向和 OX 轴保持垂直，并且将电动小车转向 180 度，电动小车能够自动识别起始运动状态 信息，自行调整运动方向完成行驶路线要求。 图 声波定位电动车场地 示意 图 数学建模分析 根据题目要求，将场地 A、 B、 C 三个接受点和最终行驶目标： W 点坐标进行数学建模。 电动小车设为 S 点，将 A、 B、 C 三个接收点的接收声波的时间差进行对比，最终确定控制小车的方案，数学建模示意图如图。 声波定位电动车设计 8 图 系统数学建模示意图 起点为 S 点，电动小车沿着 S 至 S’ 方向直线运动，到达 OX 轴之后，电动小车转向 90 度，沿着 OX 轴方向，向 W 点运动，最终停在 W 点。 电动小车 从 S 点运动到 S’ ，时间差 Tab 随着声源的运动而减小，当时间差减小到接近零时，控制 小车停止运动。 由 向 S’ 点 向 W 点的 运动方式也是类似，主要的改变是通过 A、 C 之间的时间差来引导小车运动。 通过声波为载体，将声音信号转换为电信号，从而得到时间差这一时间信号。 最终将小车的实际位置，模型化为时间间隔，完成了整体的数学建模。 动态过程分析 ⒈ 小车在 起点 S点 图 起点 S点实物图 图 A、 B接收点脉冲脉冲时间差 小车在起点 S 点，向 OX 轴 运动过程中， 声波信号不断被接收点 A、 B 收 到， 小车 到达 OX 轴之前，总是 A 点先接收到声波， B 点晚接收到声波。 通过电路将声波信号转换为电平脉冲信号，此时 A、 B 接收点接收到的声波脉冲波形如图，由图 可知： A 点电平脉冲信号先于 B 点，这样，就可以通过接收端 A、 B 对电平脉冲时间差的判断计算，得出声波信号的时间差，从而计算得出小车的实际位置。 宁波大学 信息科学与工程 学院本科毕业设计（论文） 9 ⒉ 小车 位于 S点和 S’ 点间 图 S点和 S’ 点间 实物图 图 A、 B接收点脉冲时间差 随着小车的直线运动，其逐渐接近 A、 B 接收点中垂线 OX 轴。 此 时，接收点 A、 B 间声波接收信号的时间差 Tab 越来越小，接收点 A、 B 接收端通过计算 A、 B 之间的时间差来 判定小车在场地中的位置，引导声源的运动。 ⒊ 小车到达 OX轴 图 到达 OX 轴实物图 图 A、 B接收点脉冲时间差 当小车运动到达 OX 轴位置时，小车上声波信号到达 A、 B 接收点的距离相同，从而 A、 B 接收点收到 的 脉冲电平信号的为同时到达，即 时间差为零 ，此时接收端可以判定小车到达指定位置，立即通过无线信号 控制 小车停 下。 通过小车的直线运动和时间差的判 断使小车从起点 S 运动到指定点S’。 ⒋ 小车 在 S’ 点 转向 90度 到达 OX 轴后，电动小车调整运动方向，有 S’ 点向 W 点转向 90 度，沿着 OX 轴向 W 点继续做直线运动。 此时，对接收点 B、 C 接收到的电平脉冲进行时间差判断，当 B、 C 接收点的脉冲时间差为零时，即可判断小车到达指定点： W 点。 声波定位电动车设计 10 图 S’ 点 转向 90度 实物图 ⒌ 小车在 S’ 点完成转向 图 S’ 点完成转向实物图 图 B、 C接收点脉冲时间差 小车在 S’ 点向 W 点 运动过程中， 声波信号不断被接收点 B、 C 收到， 小车到达 W 点之前， 总是C 点先接收到声波， B 点晚接收到声波。 通过电路将声波信号转换为电平脉冲信号，此时 B、 C 接收点接收到的声波脉冲波形如图，由图 可知： C 点电平脉冲信号先于 B 点，这样，就可以通过接收端 B、 C 对电平脉冲时间差的判断计算，得出声波信号的时间差，从而计算得出小车的实际位置。 ⒍ 小车 位于 S’ 点和 W点间 图 S’ 点和 W点间实物图 图 B、 C接收点脉冲时间差 宁波大学 信息科学与工程 学院本科毕业设计（论文） 11 随着小车的直线运动，其逐 渐接近 B、 C 接收点中垂线 OY 轴 ，即接近场地中心 W 点。 由脉冲 波形 可知，脉冲时间差越来越小 ， 通 过计算 B、 C 之间的时间差来 判定小车在场地中的位置，引导小车向 W 点运动。 ⒎ 小车到达 W点 图 到达 W点实物图 图 B、 C接收点脉冲时间差 当小车到达 W 点时， 小车上声波信号到达 B、 C 接收点的距离相同，从而 B、 C 接收点收到 的 脉冲电平信号的为同时到达，即 时间差为零 ，此时接收端可以判定小车到达指定位置，立即 通过无线信号 控制 小车停 下。 小车到达最终制定 地点 W 点，完成所有动作。 声波定位电动车系统各方案设计论证 接收端主控处理芯片工作方式的论证 方案一： 图 方案一示意图 采用单片机 做为主控芯片， 分别 在 A、 B、 C 三个接收点放置 3 个单片机， 在每个声波信号接收点就近 对 采样 声波信号进行采样分析。 优点：接受点位置自由， 每个接收端有独立的数据处理芯片， 每个工作点扩展功能强大，单独每个点的信号处理能力强，单独时效性高，相互独立，不易受干扰而产生误差 ，并且三个单片机能够独立编程调试。 A 接收点 单片机 B B 单片机 A B 接 收点 C 接收点 单片机 C 声 波 信 号 声波定位电动车设计 12 缺点：需 要三个单片机间通讯， 性价比比较低，功耗高，并且对于声波信号时间先后的处理，不仅需要每个单片机的计算，还需加入单片机间通信环节， 并且三个单片机的时钟不易统一， 启动时间同步性要求较高， 容易产生误差，导致 同步实时性弱 ，继而影响电动车的定位精度。 方案二： 图 方案二示意图 采用 单片机作为主控芯片，只设置一个单片机接收 A、 B、 C 三个声波接收点的信号，作为信号集中处理主控中心。 优点： 性价比高，功耗低，三个接收点的信号送入同一块单片机中， 控制 方便， 系统架构简洁明了 ，能够满足接收端启动时间的同步性，时钟能够统一，并且易于软件编程调试。 缺点： 由于声波信号比较微弱，并且易受空气中各种频段声音信号干扰，需要在 A、 B、 C 三个接收端将声波信号进行放大、滤波处理后，将模拟量转换为数字量，需要加入三个独立的放大滤波以及电压比较转换电路， 接受点到 单片机 距离远容易引入干扰，单片机处理速度有限。 方案三： 图 方案三示意图 采用 FPGA 作为控制芯片 ，由一片 FPGA 芯片接收 A、 B、 C 三个声波 接收点的信号，作为信号集中处理主控中心。 优点：处理速度快 ，时效性好。 缺点： FPGA 价格较高，导致性价比较低，并且功耗相对于单片机而言比较高，其 控制 功能较差，对于接收端与声波发生端的电动车通信能力较弱，并且控制 无线模块、显示模块困难。 A接收点 FPGA B B接收点 C接收点 声 波 信 号 A接收点 单片机 B B接收点 C接收点 声 波 信 号 宁波大学 信息科学与工程 学院本科毕业设计（论文） 13 论证： 方案一有多个单片机并行工作，速度很快。 能够满足 本系统有较高的处理速度要求， 但是由于同步性难以实现，所以不能使用。 方案三 FPGA 有很高的处理速度，很好的满足这个要求。 但系统对无线的控制也是方案成败的根本 ，所以方案三不适合。 而方案二选择增强型单片机速度基本能满足实现 题目要求精度。 而且接收点间距离并不大，干扰容易避免。 综上所述，拟选定方案二。 声波产生方式的选择 方案一： 图 方案一示意图 由 555 电路产生一定频率的波形。 优点： 产生的波形干净，没有毛刺，可以不用功率放大电路直接驱动喇叭。 缺点：产生的波形不利于单片机的控制。 方案二： 图 方案二示意图 由单片机直接产生设定频率的波形。 优点：对产生的方波的频率和周 期能很好的控制。 缺点：产生的方波需要一个功率放大电路来驱动喇叭。 论证： 方案一的优势在本系统中作用不大。 方案二更适合系统高精度的要求，并且更加适宜于系统的控制。 首先其产生的方波频率只能由电路本身的硬件结构决定，不能够进行改变调整，并且硬件电路一旦确定，方波的频率就无法再改变，不易于后期制作的调试与更改，会对后期的调试造成一定的障碍。 方案一的这种方产生方式，造成了波频率误差范围较大，无法满足声波定位电动车高精度、复杂控制的要求， 而方波的频率和周期 精度 对系统 相当大的 影响。 功放电路 单片机 喇叭 555 方波产生电路 单片机 喇叭 声波定位电动车设计 14 综上所述，拟选用方案二。 电动小车电机的选择 方案一： 图 方案一示意图 采用步进电机控制小车行驶。 优点：易于控制，能够实现精确的定位要求。 缺点：价格高，性价比低，攻好高，需另加步进电机驱动电路，体积较大。 方案二： 图 方案二示意图 采用直流电机控制小车行驶。 优点：性价比高，功耗低，电路简单，能够由单片机直接控制。 缺点：相较步进电机控制精度低。 论证： 直流电机在 本设计中完全能够达到设计精度要求，并且电动小车体积有限，考虑到电路简易程度、性价比、低功耗多方面的问题，直流电机应用的优势要大于步进电机。 综上所述，拟选用方案二。 声波发生端、声波接收端的 单片机时效性的论证 接收端使用 C8051F020 单片机最小系统版，采用外部晶振 24MHz，则 时钟周期 = , 根据系统算法的设计，根据声源发出的声波到达三个接收点的时间差来推算出小车的运动情况。 如果将系统的精度要求为 1cm，声波传送的速度为 344m/s 则： 时间精度 Te = C8051F020 单片机在一。