度的控制，改变电枢的平均电压来控制电机的转速。直流电机的转速大小取决于加在其上的平均电压，平均电压越大，转速越快。因而通过改变PWM波，也即改变平均电压的大小，就可以控制直流电机的转速。
单片机系统实现对舵机输出转角的控制，必须首先完成两个任务：首先是产生基本的PWM周期信号，本设计是产生20ms的周期信号；其次是脉宽的调整，即单片机模拟PWM信号的输出，并且调整占空比。
标准的舵机有3条导线，分别是：电源线、地线、控制线。电源线和地线用于提供舵机内部的直流电机和控制线路所需的能源．电压通常介于4～6V，一般取5V。注意，给舵机供电电源应能提供足够的功率。控制线的输入是一个宽度可调的周期性方波脉冲信号，方波脉冲信号的周期为20 ms(即频率为50 Hz)。当方波的脉冲宽度改变时，舵机转轴的角度发生改变，角度变化与脉冲宽度的变化成正比。
实验中要求赛车沿着黑线前进，不能偏离黑线一定的距离。舵机的方向控制对于赛车安全稳定前进的重要性不言而喻，对于舵机各种参数的测试显得尤为重要包括舵机机械性能的调整、舵机工作性能与温度的有关性，PWM波占空比与角度参数关系的标定，这些稳定的舵机性能是角度控制的有力保证。 2.2.3 舵机的标定和修正
舵机作为一种简单的位置伺服系统，其规范程度比较低。在将舵机应用于机器人关节驱动的时候，需要对关节进行精确的角度控制，所以需要设计一套标定方法，对舵机的脉宽——转角关系进行标定。使用标定系统对舵机进行标定，对每10度记录一次脉宽值，测定范围从0-180度，每次传送的角度信息都是从起始位置到目的位置的角度。实际系统中，为了保护舵机，在舵机两个方向分别留了安全裕量，选定舵机控制从10-170度，所以不会出现超过这个范围而造成舵机烧掉。
舵机是整个赛车系统非常脆弱却又极为重要的部件，多次运行舵机容易出现零漂现象，其稳定性较差，严重影响了赛车的性能。可以对舵机进行机械上的调整改善舵机性能，调整主要是垫高舵机的安放位置，通过机械方式，利用舵机的输出转矩余量，将角度进行放大，加快舵机响应速度；实验证明这对舵机的灵活性与稳定性都有较大的提高。由于舵机正常运行的速度极限为45度，未进行机械调整以前，赛车运行2-3圈后即出现零漂、滞后等问题，调整后滞后性大大减小，运行时间也有
7
所增加，不易出现零漂问题。
[5]
2.3 传感器的工作原理及控制
2.3.1 传感器的工作原理
本设计采用反射式红外传感器，利用黑线对红外线的吸收，白线对红外线的发射
来实现的。红外反射式光电传感器由一个发射管和一个接收管组成，LED发出红外线，照射到赛道上，利用漫反射原理，采用与发射管配对的接收管采集反射回来的红外光线，采集得到模拟电压，相应于不同的路面条件（主要是反射程度），接收管接收到地面漫反射红外线后其两端电压将有所不同。其电压大小与路面情况有关：当路面的颜色为白色时，反射光较强，电压较高；当路面的颜色为黑色时，反射光较弱，电压较低。送回单片机的AD口，然后通过AD/DA转换器变成数字信号，由于红外线有明显的不同，因此可以区分出黑线与白板便能够通过程序来判断赛道的路况。
传感器系统通过将多个传感器进行合理配置,利用多传感器提供的综合信息,对外界环境进行判断和分析,决定避障策略、路线规划和动作调整。在正常情况下,机器人利用光电传感器检测车体偏离导航线的程度，对行进速度进行调整，使机器人保持正确的运动轨迹。 2.3.2 传感器的采集及处理
在本系统中，对车体前沿的8个红外传感器进行编码，左1和右1传感器分别紧贴导航线的两侧。当机器人沿导航线向正前方行进时，其编码值应为0，即无偏差。由于左右轮的不一致，机器人所读取的传感器编码将在正负码值之间变化。MCU通过它提供的信号发出指令，通过传感器板上面的单排LED现实其状态，并控制智能车其它部件协同工作。
单排LED原理：通过接收路面反射的主动发射的已知特性的光线强度进行路面类别和颜色的识别，如图2-3所示。单排LED，从安装看：贴地式，抬起式；从信号格式看：模拟式，数字式；从信号传输看：直流式，调制式；从信号定位看：发射管定位，接收管定位。
8
间隔
图2-3 单排LED示意图
[6]
由于MCU信息处理及机械结构上存在延时，故在车速较快的情况下需要提前知道赛道的信息，故通过传感器伸长板将传感器前伸，以提高赛道信息的前瞻量。
2.4 电机的工作原理及驱动
2.4.1 电机的选择
电机是机器人的主要动力机构，因此选择一款合适的电机来驱动机器人十分重要。按照电机的特点，一般可将其分为直流电机、步进电机和舵机。
步进电机：步进电机本质上是一种低速电机，所以它有一个优点能实现精确运动，一旦到达指定位置后就能保持在那里。但也存在它的缺陷，功率与自重比小，体积大，较难与车轮装配，负载能力低，功率小，控制复杂。在同等功率条件下，步进电机的尺寸显得比直流电机要大且笨重，步进电机的输出转矩通常也不够强劲，因此不推荐把它用在超过两磅重的机器人上。
舵机：舵机由直流电机、高效而轻便的齿轮箱以及控制电机速度和方向的控制器构成。它易于安装，容易与车轮装配，借口简单，但功率不高，负载能力较低，速度调节范围较小，一般适用于小型机器人和步行机器人。
直流电机：直流电机实际上是机器人平台的标准电机，有着极宽的功率调节范围、适用性好、率大、接口简单、具有很高的性价比，是一种最为通用的电机。到目前为止，直流电机仍是输出功率最强劲的电机。适合较大型机器人。
根据机器人所要完成的任务，我们选用直流电机，并且是自身带有齿轮减速器的电机，这样不但可以方便的将车轮的速度降至足够低，而且用较小的功率就能获得更强的输出。
9
2.4.2 电机的工作原理
图2-4 直流电机的内部结构
在绕有线圈的铁心（转子）的外周，有相同数目的定子（永久磁铁）相向包围。通过整流器的电刷转子断续的得到电流，转子与定子的永久磁铁反复相吸、排斥，结果无论它们的相互位置如何，转子始终能够沿着一定的方向回转。
在永久磁铁（N、S极）之间的线圈有电流通过时，产生电磁力，对应于永久磁铁产生的磁场，N极产生向上的力，S极产生向下的力，从而使线圈动作。结果导致线圈旋转。
在线圈转动的同时，整流器也随之旋转，这样就能保证电流流向的自动切换以便维持转子向同一方向的连续转动。于是，线圈中不断的产生相同方向的旋转力。
根据弗莱明（Fleming）左手法则，电机产生转矩，而电机一旦开始回转，就使线圈磁场中转动，再由弗莱明右手法则，应该有电压产生，称之为反电动势，外部所施加的电压克服反电动势，线圈中就有电流流过。
[7]
2.4.3 电机驱动
直流电机驱动中使用最广泛的就是H型全桥驱动电路，如图2-5所示。
10
图2-5 H型全桥驱动电路
当开关Q1与Q4闭合时，负载电流从电源由A流向B，此时负载端A点相对于B点是正电位，电机两端承受正向电压。开关Q1与Q4由控制逻辑来同步工作，在开关Q1与Q4闭合期间，控制逻辑使另一对开关Q2与Q3处于断开状态。反之，当开关Q2与Q3闭合时，开关Q1与Q4断开，此时，负载电流从电源U由B流向A，负载端B点相对于A点是正电位，电机两端承受反向电压。通过调节PWM信号的占空比就可改变电机电枢两端的平均电压，从而控制电机的转速或方向。
[8]
2.5 车体结构
2.5.1 硬件电路板的功能需求分析
(1) 电源部分：MCU板、红外传感器板、速度传感器、舵机、四个轮子的电机； (2) 电机驱动：安全、快速响应、低损耗； (3) 人机交互：按键、拨码开关、LED、蜂鸣器；
(4) 与外界机构的接口：MCU板、红外传感器板、速度传感器、舵机、四个轮子 的电机、电池、串口、车体安装孔位；
(5) 传感器：7+1个反射式传感器，主要由S7136组成。
11