2016年TI杯电子设计省赛-自动循迹小车设计报告

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1、2016年河北省普通本科院校大学生电子设计竞赛赛题C：自动循迹小车设计报告摘要本文描述了循迹车系统的软硬件设计方法。本设计使用了LDC1000金属探测传感器、STM32单片机最小系统板、OLED液晶显示屏、syn6288语音播报模块、编码器等模块。金属探测器能实时检测路线上的金属轨道，单片机通过对实时采集到的信号进行分析预判，利用PWM信号控制驱动电机以调整小车转向。本设计通过控制两个电机不同的转速，形成蛇形路线。本设计完成赛题所有要求，并在此基础上实现如下创新点：1、人性化语音提示功能。2、多按键参数调整修正功能，以适应不同环境要求。3、OLE

2、D人性化人机交互界面设计。4、增加按键暂停功能，方便调试。关键字：LDC1000金属探测器、蛇形路线、语音提示、差速转弯2一、方案论证1、核心控制单片机模块选择方案一：STC89C51系列单片机。优点：价格便宜，控制简单。缺点：io口引脚太少、运算速度太慢，片内资源太少，无法做复杂程序和实现复杂算法。方案二：TI公司的TM4C123GXL32位微控制器。优点：运算速度快、外部扩展能力强、库开发简单、资源丰富。缺点：开发经验少、价格高。方案三：STM32F10x系列微控制器。优点：价格低、运算速度快、资源丰富，开发经验丰富。缺点：功耗相对较大。基于

3、以上分析，TM4C123GXL和STM32均可实现题目要求功能，考虑到开发经验，方案使用STM32作为主控芯片。2、自动循迹模块方案一：LDC1314金属探测器。TI公司出品的四通道金属探测器。优点：四通道传感器能同时使用4个线圈进行数据采集。缺点：价格昂贵、资料匮乏、购买难度大。方案二：LDC1000金属传感器。TI公司出品的单通道金属探测器。优点：价格较低、手边有。缺点：探测距离短、仅能使用一个线圈。基于以上分析，设计采用蛇形路线增大LDC1000扫描范围大，与LDC1000的不足相互抵消。最后设计选择LDC1000金属探测器。3、车模方案的

4、选择方案一：单电动机，舵机控制转向车模。由于舵机打角度数有限制，且单电动机无法实现差速转弯。这样导致的结果就是小车转弯半径过大，导致弯道处无法及时转弯，且速度较慢。方案二：双驱三轮车方案。双驱三轮车调试时较容易打滑，电机速度慢，噪声大。经测试，放弃该车模方案。方案三：自主改装双驱小车方案。该方案电机转速快，可实现题目要求功能，该3车模能实现差速转弯，比较灵活易于控制。基于以上分析，设计使用第三种方案的车模。4、车模前轮选择方案一：轴承万向轮，经过实验分析：轴承万向轮自由度不够高，导致转弯半径过大，转向不灵活，容易冲出赛道。综上所述轴承万向轮不能满

5、足设计要求。图1轴承万向轮（左）、滚珠万向球（右）方案二：滚珠万向球，经过实验分析，滚珠万向球自由度高，转向能力很强。故设计采用了双万向球结构，该方案可保证小车稳定行驶，符合赛题要求。5、LDC1000金属传感器线圈选择方案一：外部线圈方案。经过测试分析，外部线圈方案优缺点如下。优点：测试距离大。缺点：绕线线圈操作不方便，采购线圈尺寸过大。数据见测试方案与测试结果章节表2。方案二：PCB线圈方案。优点：机械结构好，有利于整车结构设计。缺点：线圈尺寸小，检测范围小。经实际测量，距离为5mm以内，PCB线圈较为灵敏。数据见测试方案与测试结果章节表3。

6、考虑到整车结构设计对循迹车的性能较为重要，同时可采用蛇形走线增大扫描面积，设计采用方案二。6、单通道LDC1000传感器信号采集方案选择方案一：将LDC1000传感器安装在9g小舵机上，将舵机安装在车的前端。此方案通过单片机控制舵机扫描，可大大提升单通道LDC1000金属传感器的探测范围。在4测试中发现，小车运行的过程会发生抖动，抖动导致舵机上金属传感器与小车的相对位置发生变化，舵机传感器发生了两个自由度的位置变化，这增加了控制程序的开发难度。方案二：将金属传感器与车架固定，确保LDC1000金属传感器和小车的相对运动自由度只有一个，通过蛇形走线

7、增加扫描面积，降低程序开发难度。基于以上分析，综合考虑开发时间以及代码复杂度问题，设计采用了方案二。二、理论分析与计算1、小车抓地能力分析设计方案使用蛇形路线前进方式，同时驱动两个后轮一个正转一个反转，实现差速转弯摇摆。经过多次试验，发现小车较容易打滑。针对上述情况，设计进行下述分析：小车前进方向向左，受电机驱动力向左，同时会受到向右的地面摩擦力。由摩擦力公式：ƒ=µmg由公式可得摩擦力与物体质量以及地面摩擦因数有关。经过分析发现循迹车车轮材料与地面的摩擦因数较小，为增加摩擦力，设计采用了多种互补方案。1、在后面轮胎正上方加上一定质量的配重。配重

8、与行驶现象表见测试方案与测试结果章节表4。2、在发车前将赛道以及车轮用清理干净。经过以上处理，可以较好的解决车轮打滑现象。2、小车行驶策