超音波自走車製作

國立聯合大學電資學院

金腦獎參賽作品

超音波自走車製作

參賽者：葉哲甫

指導老師：柳世民

目錄

第一章 緒論. . . 03 1-1 前言. . . 03 1-2 研究動機與目的. . . 03 1-3 研究流程. . . 04 第二章 自走車系統架構. . . 05 2-1 數位電路控制模組. . . 06 2-1-1 MAX II 實驗板簡介. . . 06 2-2 馬達驅動模組. . . 08 2-3 超音波感測模組. . . 08 第三章 自走車硬體架構. . . 10 3-1 馬達驅動模組. . . 12 3-1-1 DC 馬達驅動與齒輪設計. . . 12 3-2 超音波感測模組. . . 14 3-2-1 超音波發射電路設計. . . 14 3-2-2 超音波接收電路設計. . . 16 3-3 電源模組. . . 17 第四章 自走車數位控制電路. . . 18 4-1 馬達控制. . . 18 4-2 除頻控制. . . 18 4-3 防彈跳控制. . . 19 第五章 自走車動作流程與實驗. . . 20 5-1 行走模式. . . 20 5-2 自走車動作流程. . . 20 5-3 實驗結果. . . 22 第六章 結論與未來展望. . . 26 6-1 結論. . . 26 6-2 未來展望. . . 26 參考文獻. . . 28

圖目錄

圖 2-1 自走車系統架構圖. . . 05 圖 2-2 自走車上視圖. . . 06 圖 2-3 實驗板外觀圖. . . 07 圖 2-4 自走車底盤視圖. . . 08 圖 2-5 自走車正面實體圖. . . 09 圖 3-1 自走車前視圖. . . 10 圖 3-2 自走車左視圖. . . 11 圖 3-3 自走車右視圖. . . 11 圖 3-4 自走車底盤示意圖. . . 12 圖 3-5 自走車底盤視圖. . . 12 圖 3-6 馬達齒輪組. . . 13 圖 3-7 超音波感測模組方塊圖. . . 14 圖 3-8 超音波發射電路. . . 15 圖 3-9 超音波發射電路實際完成圖. . . 15 圖 3-10 超音波接收電路. . . 16 圖 3-11 超音波接收電路(正). . . 16 圖 3-12 超音波接收電路(反). . . 16 圖 3-13 PB 5000 充電電池. . . 17 圖 4-1 除頻器 1HZ 輸出訊號. . . 18 圖 4-2 load_timing 之 block 所描述之電路方塊圖. . . 19 圖 5-1 自走車行走模式. . . 20 圖 5-2 自走車動作流程圖. . . 21 圖 5-3 直線地形. . . 23 圖 5-4 連續彎路地形. . . 24 圖 5-5 圓形地形. . . 25

第一章 緒論

1-1 前言

在現今科技化的社會環境中，許多家電用品都已逐漸朝向自動化

之趨勢，而且許多工作正被自動化的機器所取代。自動化其目的當然

是希望機器能取代人力，達成所希望的任務，讓人們可以節省許多時

間及體力，避免重複性的工作，而且能善用有限的時間及精神，來提

高人們的做事效率及生活品質。在一部自動化的機器裡，所展現的是

不同領域系統的結合，如機構設計、電機控制、數位電路設計、軟體

設計、感測裝置等。

1-2 研究動機與目的

在前言敘述的概念，讓我有一個構想，就是發展出一台具有多用

途之自走車。例如，在自走車上加裝感測器、控制器、傳輸模組或視

頻裝置，使其能傳回影像資料，讓使用者經由遠端監控即可了解自走

車所處之環境，而不需親自到達，可使自走車能依循所希望之模式自

由行走。事實上，在許多危險的環境中執行任務，為了安全性的考量，

是不希望有人員進入，像是具毒性或污染性環境的清除、爆裂物的清

除、海底探勘、採礦、救災等高度危險性工作。此時，利用具遠端監

控的多功能自走車，就能在危險的環境中探測並執行必要的任務或工

作，使人員的意外傷害降低至最小。

當然，上述之自走車功能強大，非一蹴可幾。因此，如何選擇與

製作最基礎的自走車便成為本專題研究的首要目標。例如，搭配超音

波感測器的自走車便能符合這個要求，使自走車在一個未知的環境

中，利用超音波感測外在的障礙物，並快速的閃避障礙物，達到安全

的行走的目的。如能順利完成此專題，未來就能在既有的成果基礎

上，改善缺失，並增加元件與功能，使整個自走車功能更加完備。

1-3 研究流程

本自走車專題報告內容分述如下：第一章緒論包含前言、研究動

機與目的；第二章說明自走車系統架構，整個系統分成數位電路控制

模組、馬達驅動模組、超音波感測模組來介紹；第三章自走車硬體架

構，對本專題所使用到的硬體做一些相關介紹；第四章自走車控制電

路，主要介紹控制電路設計和控制電路VHDL Code；第五章自走車動

作流程與實驗，介紹自走車行走的模式、自走車動作流程，與實驗測

試的結果；第六章結論與未來展望，將本專題做一個總結，並對未來

的研究方向做一個構思。

第二章 自走車系統架構

本專題自走車的系統架構，依功能可分為三大部分：數位電路控

制模組 、馬達驅動模組與超音波感測模組。將此三大部分各別測試

驗証，進而整合在一起，便形成一個自走車系統。本自走車的數位電

路控制模組是由MAX II 實習板內的 CPLD (EP M1270 T144C5ES) 為

電路控制核心；馬達驅動模組由是DC馬達和馬達驅動元件組成；超

音波感測模組是由超音波感測元件和超音波驅動電路所組成，圖2-1

是自走車系統架構圖。

2-1 數位電路控制模組

數位電路控制模組是由MAX II實習板來實現。數位電路控制模組

接收來自超音波感應器所偵測到之訊號，得知障礙物的位置，經由程

式判斷後，並將控制訊號傳送至馬達驅動模組，作閃避障礙物的動

作，如圖2-2 自走車上視圖。

圖 2-2 自走車上視圖

2-1-1 MAX II 實驗板簡介

EPM1270T144C5ES 提供 116 支一般 I/O pin，本實驗板擴充 I/O 部

分分別連接 J1，J2，J3，J4(2 X 17 connector)，如此能讓使用人員很容

易的利用此連接器連接至其他電路板，J1 to J4 也提供了 Power Pin 和

GND Pin，Power Pin 提供 3.3V 的電壓，但是沒有過電流保護措施，

假設您的擴充電路板需要從本實驗板提供大電流時(300mA 以上)，建

議使用者在自己的擴充電路板準備好電源電路，再將兩邊的地連接在

一起。除了 Power Pin 和 GND Pin 外，J1 to J4 連接器上的其它 Pin 直

接連接至 MAX II Device I/O 上，所以禁止將超過 3.3V 的信號連接至

此連接器。除此之外，部分 Pin 腳除了連接至 MAX II Device 外，也

有連接至實驗板上的其它零件(例如：LED，Push Button 等等)，故使

用者也要注意這些零件是否會影響到擴充 I/O 接腳。

2-2 馬達驅動模組

本專題的馬達驅動模組包含了2個DC馬達、齒輪組、輔助輪、驅

動電路。自走車的行走是由數位電路控制模組控制，來完成自走車的

前進、後退、左轉、右轉的行動，所以DC馬達的控制在自走車系統

中是個非常重要的一環，如圖2-4自走車底盤視圖。

圖 2-4自走車底盤視圖

2-3 超音波感測模組

一個良好的控制系統，必須能夠精確的感測系統所需要的資訊，

因此感測器的好壞對於自走車的行動有重大的關西。在本專題中，超

音波感測模組主要的目的是感測外部的障礙物，幫助自走車辨別障礙

物的方位。本專題在自走車上是利用超音波感測器來達成上述的目

的，其裝置情形如圖2-5示。

第三章 自走車硬體架構

本專題自走車是用宮田自走車體，裡面包含兩個 DC 馬達、齒輪

組，輪胎、輔助輪、固定底座。還有 1 張長 16.1 cm、寬 10 cm 的萬

用電路板，來固定 MAX II 實習板，以及放電池。

本章主要描述自走車硬體架構，包含馬達驅動模組、超音波感應

器模組與電源模組，分別如圖 3-1、3-2、3-2 所示。

圖 3-1 自走車前視圖

圖 3-2 自走車左視圖

3-1 馬達驅動模組

本自走車使用雙馬達系統，並配合一個輔輪，如此便不用再使用

多餘的動力去做轉向的動作，只要左右輪一前一後便可完成轉向動

作。

圖 3-4 自走車底盤示意圖 圖 3-5 自走車底盤視圖

3-1-1 DC 馬達驅動與齒輪設計

使用 IC L293D 來驅動馬達，比較方便操控馬達正反轉，來控制

自走車的行走方向。

而在齒輪部份，由於本自走車加上周邊電路、電池整體重量並不

是一般小型馬達可以負擔的，因此我選用了日本田宮公司所出的齒輪

組系列，如圖 3-6 所示，而我選用的馬達也是同一家公司所生產的直

流馬達，這個馬達的規格為在額定電壓 5V 時所能提供的力矩為 10

g‧cm 轉速為 15000rpm，再配合齒輪組的減速比例為 203:1 ，因此

一顆馬達所能提供的力矩變為 203*10 = 2030 g‧cm 轉速變為

15000/203=73.89 rpm ，如此一來再配合我所使用的輪胎半徑 2.1 公

分，自走車的行走速度便成為 249.166089.73*2*1.2=...π(公分/

秒)，而一顆輪胎能提供的力量則為 2030/2.1=966.67 g，如此便足以

提供自走車行進所需的力量與速度。

3-2 超音波感測模組

本自走車超音波感測模組，包含了超音波發射器與超音波接收

器。使用 555 震盪電路產生 40kHz 的頻率給超音波感測器，使其達到

最佳的發射與接收，當遇到障礙物時，超音波感測器接收到的訊號傳

送給 MAX II 控制電路做相關的運算和處理。圖 3-7 是超音波感測模

組方塊示意圖。

圖 3-7 超音波感測模組方塊圖

3-2-1 超音波發射電路設計

在超音波發射電路的部份，我所使用的接收與發射器接型號為

TX40、TR40，根據 DATA SHEET，使用最佳的發射與接收頻率為 40K

Hz。圖 3-8 超音波發射電路，此電路設計主要是由 IC 555、R5、VR1、

C9 組成一個不穩態多諧震盪器，由 IC 的第三支接腳產生脈波，調

整 VR1 使第三腳輸出脈波為 40.000KHz 至 40.250KHz。其中 C8 為

雜訊抑制濾波器；C7、R4 與 40KHz 超音波產生器配合產生超音波的

輸出，其能量來源由 IC 555 之第 3 腳供應。IC NE555 第 4 腳為 H(High)

時，555 產生震盪，為 L(Low)時停止震盪。

3-2-2 超音波接收電路設計

接收器的部份，由於從超音波接收器所接收到的訊號極小，因此

必須經由後方的放大電路將訊號放大成我們可以處理的大小。超音波

感測器接收到訊號後，經由後方的第一級和第二級的 CE 放大器進行

訊號放大，然後再傳回去 MAX II 控制電路判斷是否前方有障礙物，

加以驅動 DC 馬達，如圖 3-10 示，超音波接收電路。

圖 3-10 超音波接收電路

3-3 電源模組

使用先創 3Dvision 行動電源 PB-5000/PB 5000 充電電池，雙 USB

輸出孔，來當作電源。則 0.5A 的 USB 孔供電給實習板，1A 的 USB

孔供電給 DC 馬達。

圖 3-13 PB 5000 充電電池

產品特性:

◆超大容量: 5000mAh 高容量鋰聚合物電芯。

◆雙 USB 輸出: 可同時為兩款數位設備供電。

◆安全保護: 配有專用鋰電池保護板，有效防止過充、過放、過流、

短路等。

◆即插即用: 採用 USB 端口供電輸出，插上數據線即可實現隨身、

隨時充電。

第四章 自走車數位控制電路

4-1 馬達控制

利用超音波遇到障礙物反射接收到的訊號，傳遞資料給 MAXII

Device 作控制電路的判別，利用 IC L293D 驅動馬達，來閃避障礙

物。

4-2 除頻控制

在 MAX II 實驗板上的石英震盪器之震盪頻率是 16MHz（一秒震

盪 16x10

6

次），如果我們想要設計一個 1/(16x10

6

)的除頻電路來得到輸

出波形為對稱方波的 1Hz 輸出頻率時，我們可以宣告一個數值為震盪

頻率值一半的整數(即(16x10

6

)/2)，每當該數值數完一次時就令其對應

的輸出訊號波形發生轉態，那麼當計數完震盪頻率的數值時輸出訊號

恰完成一個週期的正反變化，如此一來我們便能輕易地得到 1Hz 的方

波訊號了。

1/(16x106 ) (1/(16x106 ))/2 (1/(16x106 ))/2

4-3 防彈跳控制

掃描信號 fs 同時當作案件彈跳處理之取樣信號,按鍵按下後經彈

跳處理後之負緣觸發信號 dsb_press 會比按鍵編碼值之產生延遲 1~2

個 fs 週期,因此可利用 deb_press 的負緣來載入案件編碼值至暫存器

中。

圖 4-2 load_timing 之 block 所描述之電路方塊圖

第五章 自走車動作流程與實驗

5-1 行走模式

本專題所製作的自走車是以 MAX II 實習板內的 CPLD (EPM1270

T144C5ES) 為控制核心，接收來自超音波感測器偵測之訊號，得知障

礙物的位置，由控制電路來控制 DC 馬達， 達到閃避障礙物的動作，

以保持行車安全，最後能安全地抵達終點。圖 5- 1 顯示的 5 個例子。

圖 5-1 自走車行走模式

5-2 自走車動作流程

當自走車開始行走時，會經由超音波來偵測周圍的環境，是否有

障礙物，來閃避障礙物或繼續直行如圖 5-2 自走車動作流程圖，來達

到行車安全。

5-3 實驗結果

以下是自走車實地行走實驗，安排了 3 種不同的地形行走，然後

有相同的地形但不同的跑法，因此有 5 種情形(圖 5-1 所示) a.直線地

形(圖 5-3 所示)，因為沒有障礙物的阻擋所以一直往終點前進； b.

連

續彎路地形(圖 5-4 所示)，當自走車走了一小段路就遇到障礙物，所

以自行車行走時會左右閃避，從起點安全行走到終點， b-1.則是從終

點跑回到起點； c.圓圈地形(圖 5-5 所示)，自走車逆時鐘行走圓圈的

地形，沿者旁邊地形從起點繞了一圈安全回到起點， c-1.則是順時鐘

行走圓圈地形。最後討論自走車是否達到所需的要求動作，以下照片

的順序以由左到右、從上到下排序。

b.連續彎路地形，左右閃避障礙物

，(左到右，上到下)

：

c.圓形地形，沿者障礙物行走，(左到右，上到下)：

第六章 結論與未來展望

6-1 結論

由第5章的實驗證實，自走車搭配超音波感測器，能偵測前方和

左右兩方的方向是否有障礙物，並將感測器所得到資訊交由MAX II

實驗板之CPLD進行運算和處裡，之後執行閃避障礙物的動作，達到

快速安全的行走至終點。

在本專題中我對馬達模組、超音波模組、電源模組、車體架構及

軟硬體實務已有相當程度的了解，也提升了本人在系統整合與獨立研

究之能力，對於未來持續研究有相當大的幫助。

6-2 未來展望

本專題之自走車雖已日趨穩定，但還有許多之功能未盡完善，為

了使自走車能夠更多功能，能在既有成果的基礎上，改善缺失，並增

加元件與功能，使整個系統更加完備，以期能應用在更實際的場合或

環境。在車體架構是使用萬用電路板，因此在擴充方面也相當方便，

但車身卻越來越高其為缺點。

以下針對整體系統方面，提出可以增加的元件及功能，並加以討論：

a. 在馬達軸上安裝編碼器，以求更精確的位置與速度控制。

b. 可以使用紅外線感應器，作為近距離障礙物感測，而超音波感測

器當作遠距離障礙物感測，並可以建立動態地圖。

c. 安裝小型攝影機，增加對外界的感知能力，以利於車子可以進入

危險環境工作，以防人員的危險。

d. 建立無線傳輸和控制，可以將動態地圖攝影資訊傳送遠端電腦，

進行遠端控制。

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