智能小车毕业设计.docx
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智能小车毕业设计.docx
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智能小车毕业设计
普
通
本
科
毕
业
设
计
题目:
智能小车设计
学院软件与通信工程学院
学生姓名李尔博学号*******
专业通信工程届别2012届
指导教师朱华贵职称副教授
二O一二年五月
普通本科生毕业设计诚信承诺书
毕业设计题目
智能小车设计
学生姓名
李尔博
专业
通信工程
学号
0083075
指导老师
朱华贵
职称
副教授
所在学院
软件与通信工程学院
诚信承诺
本人慎重承诺和声明:
我承诺在毕业设计活动中遵守学校有关规定,恪守学术规范,在本人的毕业论文中未剽窃、抄袭他人的学术观点、思想和成果,未篡改研究数据,如有违规行为发生,我愿承担一切责任,接受学校的处理。
学生(签名):
年月日
摘要
智能作为现代社会的新生产物,是未来的发展的一个重要方向,它可以按照预定的模式在特定的环境里自动的运作,无需人为管理,便可以完成预期目标。
本设计主要体现多功能小车的智能模式,设计中的理论方案、分析方法及特色与创新点等对智能化机器人,智能家用电器等自动半自动机器人的设计与普及有一定的参考意义。
整个智能小车设计主要以单片机为控制核心,通过无线遥控实现小车前后左右的移动,以及对小车功能模式的转换;通过红外线光电传感器,实现小车的避障功能和循迹功能。
设计采用对比选择,模块独立,综合处理的研究方法。
结合实际情况对比方案优劣选出最优方案进行设计。
从最小系统到无线遥控,红外循迹和避障,都严格按照科学严谨态度完成。
通过调试检测各模块,得到正确的信号输出,实现其应有的功能。
最后将各个调试成功的模块结合到小车的车体上,结合程序,通过单片机的控制,将各模块有效整合在一起,达到所预期的目标,完成最终设计与制作,能使小车在一定的环境中智能化运转。
【关键词】智能小车避障循迹智能化
Abstract
Intelligenceisanimportantdirectionforthefuturedevelopmentasanewproductofmodernsociety.Itcanoperateautomaticallyinaspecificenvironmentaccordingtothepredeterminedpatternandwillbeabletocompletetheintendedtargetwithoutuser’smanagement.Thisexcogitationmainlyreflectsmulti-functioncarintelligentmode,thedesignoftheoryschemeandanalyticalmethod,featuresandinnovationsetc.whichhavesomereferencevalueonthedesignandpopularityofsemiautomaticrobotautomaticallysuchasintelligentrobots,intelligenthouseholdappliances.
Thisdissertationdiscussesmainlyonthedesignoftheintelligentcarinsingle-chipprocessorasthecontrolcore.Torealizethecarmovingaroundandtransformthemodeofthesmallcarfunction,ituseswirelessremotecontrol;torealizethesmallcarobstacle-avoidancefunctionandcomprehensivelycartracingfunction,itusestheinfraredsensor.Thisexcogitationadoptstheresearchmethodsofcontrastselected,independentmodules,comprehensivetreatmentmethod.AfterthecomparisonbetweenProsandcons,thebestprogramdesignwillbeelectedcombiningwiththeactualsituation.Itiscompleteinaccordancewiththerigorousscientificattitudefromthesmallestsystemstothewirelessremotecontrol,infraredtrackingandultrasonicobstacleavoidance.Therightsignaloutputscanbegottentoachieveitsfunctionbythedebuggingdetectionmodule.Finallyonthecommissioningofthemoduleintothebodyworkofthecar,withprocedureandbysingle-chipprocessorcontrol,itwillbeeffectivelyintegratedwiththemodule,achievetheintendedobjectives,finaldesignandproductionthatcanmakecarsintelligentlyoperateinacertaincircumstances.
【Keywords】Intelligenttoycar;Obstacleavoidance;tracking;Intelligent
1绪论
本课题设计主要是制作一款能进行智能判断并能做出正确反应的小车。
小车具有以下几个功能:
循迹功能,能按照路面的黑色轨迹行驶;自动避障功能,小车在行驶过程中能识别障碍物,做到准确无误的躲避障碍物;无线遥控功能,通过超再生简易接收发器来控制小车的运行模式,以及独立控制小车的移动方向。
1.1研究的背景和意义
随着计算机,微电子技术的快速发展,智能化技术的开发越来越快,智能程度也越来越高,应用的范围也得到了极大的扩展。
智能小车系统以迅猛发展的汽车电子技术为背景,涵盖了电子,计算机,机械,传感技术等多个学科。
同时,当今机器人技术的发展日新月异,其应用于考古,探测,国防等众多领域。
无人飞船,外星探测,智能化生产等等无不得益于机器人技术的发展。
一些发达国家已经把机器人设计制作竞赛作为创新教育的战略手段。
从某种意义上来说,机器人技术反映的是一个国家综合技术实力的高低,而智能小车是机器人的雏形,它的控制系统的研究与制作将有助于推动智能机器人控制系统的发展[1]。
随着智能化技术的发展,对于智能化技术的研究也越来越受关注。
全国电子竞赛与各省电子竞赛几乎每次都有智能小车方面的题目,全国各大高校也都重视该项目的研究,可见智能小车具有较大的研究意义。
1.2国内外研究现状
智能车辆作为智能交通系统的关键技术,是许多高新技术综合集成的载体。
智能车辆驾驶是一种通用性术语,指全部或部分完成一项或多项驾驶任务的综合车辆技术。
智能车辆的一个基本特征是在一定道路条件下实现全部或者部分的自动驾驶功能,下面简单介绍国内外智能小车研究的发展情况。
(1)国外智能车辆研究现状
国外智能车辆的研究历史较长,始于上世纪50年代。
它的发展历程大体可以分成三个阶段:
第一阶段:
20世纪50年代是智能车辆研究的初始阶段。
1954年美国BarrettElectronics公司研究开发了世界上第一台自主引导车系统AGVS(AutomatedGuidedVehicleSystem)。
该系统只是一个运行在固定线路上的拖车式运货平台,但它却具有了智能车辆最基本得特征即无人驾驶[2]。
早期研制AGVS的目的是为了提高仓库运输的自动化水平,应用领域仅局限于仓库内的物品运输。
随着计算机的应用和传感技术的发展,智能车辆的研究不断得到新的发展。
第二阶段:
从80年代中后期开始,世界主要发达国家对智能车辆开展了卓有成效的研究。
在欧洲,普罗米修斯项目于1986年开始了在这个领域的探索。
在美洲,美国于1995年成立了国家自动高速公路系统联盟(NAHSC),其目标之一就是研究发展智能车辆的可能性,并促进智能车辆技术进入实用化。
在亚洲,日本于1996年成立了高速公路先进巡航/辅助驾驶研究会,主要目的是研究自动车辆导航的方法,促进日本智能车辆技术的整体进步。
进入80年代中期,设计和制造智能车辆的浪潮席卷全世界,一大批世界著名的公司开始研制智能车辆平台。
第三阶段:
从90年代开始,智能车辆进入了深入、系统、大规模研究阶段。
最为突出的是,美国卡内基.梅隆大学(CarnegieMellonUniversity)机器人研究所一共完成了Navlab系列的10台自主车(Navlab1—Navlab10)的研究,取得了显著的成就[2]。
目前,智能车辆的发展正处于第三阶段。
这一阶段的研究成果代表了当前国外智能车辆的主要发展方向。
在世界科学界和工业设计界中,众多的研究机构研发的智能车辆具有代表性的有:
德意志联邦大学的研究:
1985年,第一辆VaMoRs智能原型车辆在户外高速公路上以100km/h的速度进行了测试,它使用了机器视觉来保证横向和纵向的车辆控制。
1988年,在都灵的PROMRTHEUS项目第一次委员会会议上,智能车辆维塔(VITA,7t)进行了展示,该车可以自动停车、行进,并可以向后车传送相关驾驶信息。
这两种车辆都配备了UBM视觉系统[3]。
这是一个双目视觉系统,具有极高的稳定性。
荷兰鹿特丹港口的研究:
智能车辆的研究主要体现在工厂货物的运输。
荷兰的Combiroad系统,采用无人驾驶的车辆来往返运输货物,它行驶的路面上采用了磁性导航参照物,并利用一个光阵列传感器去探测障碍。
荷兰南部目前正在讨论工业上利用这种系统的问题,政府正考虑已有的高速公路新建一条专用的车道,采用这种系统将货物从鹿特丹运往各地。
日本大阪大学的研究:
大阪大学的Shirai实验室所研制的智能小车,采用了航位推测系统(DeadReckoningSystem),分别利用旋转编码器和电位计来获取智能小车的转向角,从而完成了智能小车的定位。
另外,斯特拉斯堡实验中心、英国国防部门的研究、美国卡内基梅隆大学、奔驰公司、美国麻省理工学院、韩国理工大学对智能车辆也有较多的研究。
(2)国内智能车辆研究现状
相比于国外,我国开展智能车辆技术方面的研究起步较晚,开始于20世纪80年代。
而且大多数研究处在于针对某个单项技术研究的阶段。
虽然我国在智能车辆技术方面的研究总体上落后于发达国家,并且存在一定得技术差距,但是我们也取得了一系列的成果,主要有:
中国第一汽车集团公司和国防科技大学机电工程与自动化学院与2003年研制成功我国第一辆自主驾驶轿车。
该自主驾驶轿车在正常交通情况下的高速公路上,行驶的最高稳定速度为13km/h,最高峰值速度达170km/h,并且具有超车功能,其总体技术性能和指标已经达到世界先进水平。
南京理工大学、北京理工大学、浙江大学、国防科技大学、清华大学等多所院校联合研制了7B.8军用室外自主车,该车装有彩色摄像机、激光雷达、陀螺惯导定位等传感器。
计算机系统采用两台Sun10完成信息融合、路径规划,两台PC486完成路边抽取识别和激光信息处理,8098单片机完成定位计算和车辆自动驾驶。
其体系结构以水平式结构为主,采用传统的“感知—建模—规划—执行”算法,其直线跟踪速度达到20km/h,避障速度达到5-10km/h。
智能车辆研究也是智能交通系统ITS的关键技术。
目前,国内的许多高校和科研院所都在进行ITS关键技术、设备的研究。
随着ITS研究的兴起,我国已形成一支ITS技术研究开发的技术专业队伍。
并且各交通、汽车企业越来越加大了对ITS及智能车辆技术研发的投入,整个社会的关注程度在不断提高。
交通部已将ITS研究列入“十五”科技发展计划和2010年长期规划。
相信经过相关领域的共同努力,我国ITS及智能车辆的技术水平一定会得到很大提高。
可以预计,我国飞速发展的经济实力将为智能车辆的研究提供一个更加广阔的前景。
我们要结合我国国情,在某一方面或某些方面,对智能车进行深入细致的研究,为它今后的发展及实际应用打下坚实的基础。
1.3研究的内容和方法
本课题研究的内容主要有以下几个方面:
根据系统功能的要求,进行系统的硬件与软件的整体设计。
选择性价比最佳的器件来进行硬件设计,采用模块化的软件设计方法,使程序结构清晰,可读性强。
系统硬件方面设计包括:
外围电路的合理设计。
主要内容有:
核心控制模块,电机驱动模块,循迹模块,避障模块和遥控模块的方案选择与设计。
系统软件方面设计包括系统主程序,过程控制程序,外部中断程序等。
根据课题功能要求,本文采取以下研究步骤来实现:
系统整体功能分析与可行性研究、划分功能模块、各功能模块的电路原理设计、各功能模块的软件设计与调试、系统整体电路与软件调试。
在满足各项性能指标的前提下,不仅要考虑系统的易用性,还要降低成本,使其经济实用,确保在开发出的同类产品中具有竞争优势。
2系统方案设计
2.1方案比较与选择
根据系统设计的要求来选择符合要求的器件类型以及控制模式,本章主要讨论核心控制单元,电机驱动单元,循迹单元,避障单元,测距单元和遥控单元方案的比较与选择。
2.1.1核心控制单元方案比较与选择
方案一:
采用FPGA编程控制器实现。
FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能,规模大,密度高,它将所有器件集成于一块芯片上,大大减小体积,提高了稳定性。
FPGA采用并行的输入输出方式,提高了系统的处理速度,适合作为大规模实时系统的控制核心。
由检测模块输出的信号并行输入FPGA,FPGA通过程序设计控制小车作出相应的动作,但由于本设计对数据处理的速度要求不高,FPGA的高速处理的优势得不到充分体现,并且由于其集成度高,使其成本偏高,同时由于芯片的引脚较多,实物硬件电路板布线复杂,加重了电路设计和实际焊接的工作。
方案二:
采用单片机编程控制器实现。
用ATMEL公司生产的AT89S52单片机作为系统控制器,在控制领域应用非常广泛,具有低电压、低功耗、低价格、高性能、多功能、大存储容量、较强的I/O功能以及较好的结构兼容性等优点,是小型控制系统的首选。
而且单片机算术运算功能强,软件编程灵活、自由度大,可用软件编程实现各种算法和逻辑控制。
本系统属于小型控制系统,用单片机作为控制芯片非常合适,因此采用方案二。
2.1.2电机驱动单元方案比较与选择
方案一:
采用H型PWM全桥式驱动电路。
通过PWM脉宽调制的方法,实现对小车速度的控制,这种调试方式的优点是:
调速特性优良,调整平滑,调速范围广,能承受频繁的负载冲击。
同时H型全桥式电路还可以保证进行简单地实现转速和方向控制,实现频繁的快速启动,制动和反转,是现今一种广泛采用的调速技术。
方案二:
采用继电器控制电机。
采用继电器对电机的开、关进行控制,通过开关的切换对小车的速度进行调控。
此方案的有点在于电路较为简单,但其缺点是继电器的响应时间较长,且易损坏,寿命短,可靠性低。
方案三:
使用功率三极管组成的功率放大器控制电机。
使用功率三极管作为功率放大器的输出控制电机的电路结构与原来简单,成本较低,加速能力强,但其功率损耗大,特别当低速大转距运动时,通过电阻的电流大,发热厉害,损耗大,不利于小车的长时间运行。
综合以上三种方案的优缺点,决定采用方案一。
2.1.3循迹单元方案比较与选择
方案一:
采用光敏电阻组成的光敏探测器。
光敏电阻的阻值会随周围环境光线的变化而变化。
当光线照射在白色物体上时,光线反射强烈,当光线照射在黑色物体上面时,光线反射较弱。
因此可以通过光敏电阻来检测行进路上的黑线。
但这种方案受光照影响较大,工作稳定性高。
方案二:
采用反射式红外光电传感器。
利用红外线在不同颜色的物体表面上具有不同的反射特性,小车在行驶过程中不断地向地面发射红外光,当红外光遇到非黑色地面时发生漫反射,反射光被接收管接收,当遇到黑色物质是,红外光被吸收,接收管接收不到红外光[4]。
单片机可以根据是否接收到反射回来的红外光来确定黑线的位置,从而控制小车按黑线轨迹行走。
反射性红外光点传感器的特点是尺寸小,使用方便,工作状态稳定,外围电路简单,因此本方案易于实现,可靠性高。
本设计采用方案二。
2.1.4避障单元方案比较与选择
考虑到在避障过程中小车车速及反应速度的限制,小车应在距障碍物15CM的范围内做出反应,这样在顺利绕过障碍物后,可寻找到最佳的位置和方向。
否则,如果范围太大,则可能产生对障碍物的判断失误;范围过小又很容易造成车身撞上障碍物或虽绕过障碍物却无法实现理想定向。
根据上述要求,提出以下方案:
方案一:
采用激光传感器探测障碍物。
该传感器能非常准确地测出障碍物的存在,但价格高,处理复杂,不符合该设计的要求[5]。
方案二:
采用红外线避障传感器。
利用单片机来产生38KHz信号对红外线发射管进行调制发射,发射出去的红外线遇到避障物的时候反射回来,红外线接收管对反射回来信号进行解调,输出比较电平。
外界对红外信号的干扰比较小,且易于实现,价格也比较便宜。
方案三:
采用超声波传感器探测障碍物。
超声波传感器安装于小车前端,在规定的检测距离内,当探测到障碍物时,超声波传感器向单片机传送信号,单片机检测到该信号后,调整小车的方向,以控制小车准确地绕过障碍物。
同时,超声波传感器具有频率高、波长短、绕射现象小,特别是方向性好、具有定向传播等特点[6]。
综合以上三种方案,决定选择方案二,主要原因是方案二易于实现,电路简单,而方案三电路较为复杂,且控制难度较大。
2.1.5遥控单元方案比较与选择
方案一:
使用红外遥控控制小车。
红外遥控的发射电路是采用红外发光二极管来发出经过调制的红外光波;红外接收电路由红外接收二极管、三极管组成,它们将红外发射器发射的红外光转换为相应的电信号,再送后置放大器后发送到单片机进行数据分析。
方案二:
使用无线遥控控制小车。
无线遥控的发射机把控制的电信号先编码,然后转换成无线电波发送出去。
接收机收到载有信息的无线电波接收,放大,解码,得到原先的控制电信号,发送到单片机进行数据分析,从而实现遥控功能。
由于红外线遥控不具有像无线电遥控那样穿过障碍物去控制被控对象的能力,加上小车不是出于静止状态,使用红外遥控,接收器难以接收到发射器发射的信息,因而使用方案二。
2.1.6电源方案
本设计采用的是直流电机,直流电机输出功率大,带负载能力强,由于直流电机启动瞬间电流很大,而且PWM驱动电流波动较大,会造成电压不稳,有毛刺等干扰,严重时可能造成单片机系统掉电。
另外,考虑到电机耗电量比较大,因此采用双电源供电,对电机驱动电路与单片机以及其周边电路分别独立供电,这样可以消除电机驱动造成的干扰,提高系统稳定性。
2.2总体设计框图
此系统是以单片机为控制核心,处理执行各个外部传感器检测得到的电平信号,其中外部信号有三部分得到:
红外对管循迹模块,红外避障模块,和无线遥控模块。
最后把处理结果传递给小车电机,使小车做出正确的反应。
系统组成框图如图2-1所示:
红外对管循迹模块使用四个红外对管检测地面的黑线,单片机通过四个红外对管的高低电平变化控制小车的移动方向;红外避障模块将红外避障传感器固定于舵机之上,当检查到前方固定距离(15CM)之内出现障碍物是,单片机控制舵机左转90度和右转90度检测小车左右两边的障碍物状况,然后通过单片机运算得出最佳的运动方向;无线遥控模块采用超再生简易无线电遥控模块将遥控器的遥控信息通过接收器传送到单片机中,实现小车的功能模式转换,小车的无线遥控,控制行走。
图2-1总体设计框图
3系统硬件电路设计
3.1最小系统电路
本系统采用AT89C51单片机作为中央处理器。
其主要任务是在小车行走过程中不断读取传感器采集到的数据,将得到的数据进行处理后,来控制小车行走。
AT89S51是一个低功耗,高性能CMOS8位单片机,片内含4kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造,兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构,芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元,功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案[7]。
其应用范围广,性能良好,可用于解决复杂的控制问题。
利用AT89S51的I/O端口对传感器信号进行实时判断监控来控制步进电机做出相应的反映[7]。
如图3-1是较为常见的带烧录接口的单片机最小系统图。
图3-1单片机最小系统图
3.2电机驱动电路
直流电机驱动电路使用H型全桥式驱动电路。
这种驱动电路可以很方便实现直流电机的四象限运行,分别对应正转、正转制动、反转、反转制动。
在本设计中电机驱动电路由集成驱动芯片L298构成,并结合PWM波进行调速。
它的基本原理图如图3-2所示:
图3-2电机驱动电路图
该驱动电路可以驱动两路直流电机,使能端ENA、ENB为高电平时有效,控制方式及直流电机状态图如表3.1所示:
表3.1电机驱动控制方式及直流电机状态
ENA
IN1
IN2
直流电机状态
0
X
X
停止
1
0
0
制动
1
0
1
正转
1
1
0
反转
1
1
1
制动
若要对直流电机进行PWM调速,需设置IN1和IN2,确定电机的转动方向,然后对使能端输出PWM脉冲,即可实现调速。
注意当使能信号为0时,电机处于自由停止状态;当使能信号为1,且IN1和IN2为00或11时,电机处于制动状态,阻止电机转动。
3.2.1PWM调速原理
直流电机可以通过改变电机电枢电压接通时间与通电周期的比值即占空比(
/T)来控制电机的转速。
这种方法称为脉冲宽度调制即PWM控制[8]。
直流电机得到的电压波形如图3-3所示。
图3-3PWM控制波形图
电压平均值描述为:
,
(3.2.1)
——通电时间;
T——周期;
——占空比;
由3.2.1式可知。
当电源电压不变的情况下,电枢端电压取决于占空比的大小,改变占空比就可以改变端电压的平均值。
从而达到调速的目的。
3.2.2L298工作原理
L298是双H高电压大电流功率集成电路。
直接采用TTL逻辑电平控制。
可以驱动继电器、直流电动机、步迸电动机等电感性负载[9]。
在此电路中(如图3-2)L298连接保护电路根据单片机提供的逻辑电压对电机进行驱动。
具体驱动方式如下:
当使能端为高电平时,输人端1N1(IN3)为高电平信号,IN2(IN4)为低电平信号时,电机正转;输人端IN1(IN3)为低电平信号,IN2(IN4)为高电平信号时,电机反转;IN1(IN3)与IN2(IN4)相同时,电机快速停止。
当使能端为低电平时,电动机停止转动。
3.3循迹探测电路
循迹探
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