毕业论文智能循迹避障小车Word格式.docx
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指导教师:
丁汝春
论文完成日期:
2016年5月
郑重声明
本人的毕业论文是在指导老师丁汝春的指导下独立撰写并完成的。
毕业论文没有剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范和侵权行为,如果有此现象发生,本人愿意承担由此产生的各种后果,直至法律责任;
并可通过网络接受公众的查询。
特此郑重声明。
毕业论文作者(签名):
郭凯军
自动寻迹、避障智能小车设计
学生:
XX(指导教师:
XX)
(淮南师范学院电气信息工程学院)
摘要:
智能小车是移动式机器人的重要组成部分,本设计通过实时检测各个模块传感器的输入信号,利用红外对管检测黑线实现寻迹,通过光电传感器实现避障,采用存储空间较大的AT89C51作为主控制芯片,小车电机驱动采用L298N芯片,根据内置的程序分别控制小车左右两个直流电机运转,实现小车自动识别路线,能较有效的控制其在碰上障碍物时能转弯角度及寻迹行驶。
且添加可声控模块,实现对小车的声音控制。
本设计结构简单,较容易实现,在一定程度上体现了智能化的科技。
关键词:
智能小车;
AT89C51;
光电传感器;
L298N
DesignofsmartcarforAutomatictracking,obstacleavoidance
Student:
XXX(FacultyAdviser:
XXX)
(CollegeofelectricalandInformationEngineering,HuainanNormalUniversity)
Abstract:
Intelligentvehicleisanimportantpartofmobilerobot,thedesignofeachmodulethroughtheinputsignalreal-timedetectionsensor,thedetectionlinetorealizetracingbyusinginfrared,photoelectricsensortoachieveobstacleavoidance,uselargestoragespaceAT89C51asthemaincontrolchip,motorvehicledriverusingL298Nchip,respectively,tocontrolthecarabouttwoDCmotorwithbuilt-inprocedures,toachieveautomaticcaridentificationroute,canthehitobstaclescanturnangleandtracingrunningeffectivelycontrolled.Andaddsoundcontrolmodule,therealizationofthevoicecontrolcar.Thedesignhassimplestructure,easyrealization,toacertainextentintelligenttechnology.
Keywords:
Smartcar;
AT89C51;
Photoelectricsensor;
L298N
1绪论
1.1课题研究的背景
从工业革命开始,人们就开始了机器人的研究发展,近一个世纪机器人在机械领域,电力电子,冶金,交通,航空航天,国防事业等多方面得到了迅猛的发展。
智能化机器人的不断发展,使得人们的生活方式也得到了不断的改善。
人们在不断探讨、改造、认识自然的过程中,制造能替代人劳动的机器一直是人类的梦想。
目前,在不断改进生产技术,不断提高自动化技术的环境下,智能车的发展得到了空前的发展,且已在众多行业中得到广泛应用,智能车及相关产品的开发已日渐成熟。
而且,在世界经济多元化的环境下,很多国家都在积极开展研究和开发智能车。
在二十世纪高新技术不断发展的时代,移动机器人是成为机器人技术的一个重要分支[1]。
从1966年开始,斯坦福研究院NilsNilssen和charlesRosen等人经过6年的研究,终于开发出一种自主式的移动机器人,且完成了机器人系统的自主推理、规划和控制。
自此时以来,从无到有的移动机器人产生了,伴随着智能车数量的不断增加,移动机器人越来越受到人们的关注,且人类的生活水平也得到了一个提升。
一个拥有感知环境、规划决策,自动驾驶等功能的综合系统,构成了今天的智能车。
它集中地运用了计算机、传感、信息、通信、导航及白动控制等技术[2],是典型的高新技术综合体。
在原有车辆系统的基础上,智能车添加了一些高新智能技术设备,如
1)用于完成来自外部传感器所获取的道路信息的预处理、分析、识别等工作的计算机处理系统;
2)传感器,用来获得道路实时状况信息的智能车眼睛;
随着微电子技术的不断发展,单片机不但集成程度越来越高,已可以在一块芯片上同时集成CPU、存储器、定时器/计数器、并行和串行接口、A/D转换器、D/A转换器等多种电路,而且体积越来越小,功耗越来越低,这就很容易将计算机技术与测量控制技术结合,组成智能化测量控制系统[3]。
这种技术促使机器人技术也有了突飞猛进的发展,目前的机器人技术发展异常迅速,已经出现了各种各式的用于各种用途的机器人了,机器人的设计与制造已经不是很高难度的事情了,已经具有普及性了。
通过构建智能小车系统,培养设计并实现自动控制系统的能力。
在实践的过程中,熟悉以单片机为核心控制芯片,设计小车的检测、驱动和显示等外围电路,采用算法实现小车的智能控制。
灵活的运用所学的相关学科的理论知识,结合实际电路设计的具体实现方法,达到理论和实际的统一。
在此过程中,加深对理论知识的理解和认识。
且该设计具有实际意义,可以应用于考古、机器人、娱乐等许多方面。
尤其是在玩具机器人研究方面具有很好的发展前景[4]。
所以本设计与实际相结合,现实意义很强境感知、规划决策、自动行驶等功能于一体的综合系统——它集中地运用了计算机、传感、信息、通讯、导航、人工智能及自动控制等技术,是典型的高新技术综合体。
1.2课题研究的主要内容
其实智能车,就是一个机器人,其可以分为三大结构:
传感器检测、机械执行、中央处理器。
智能车通过感知导引线和障碍物,可以实现自动循迹、避障等功能,且可以通过一套完整的控制策略,改善小车的行驶状况,达到更加稳定的状态。
要完成上述的功能设计,传感检测部分可以采用能够感知清晰的图像的摄像头,或者选用人们常用的红外传感器来感测路况。
而智能小车的机械部分,可以采用四轮车(带有舵机)、或者三轮车(前轮为万向轮),电机则只需使用直流电机即可。
对于主控芯片CPU,我们选择简单易用的51单片机或高级复杂额ARM等芯片,通过配合软件编程,可以很好的实现自动寻迹、避障的功能。
2系统方案确定及主要元件的选择
2.1系统方案确定
本次设计的智能小车实现的基本功能如下:
v实时检测路径,并按照指定路线行驶;
v实时检测障碍物,并躲过继续行驶;
v通过声音传感器,来对小车实现声控;
为此以AT89C51为主控芯片,主要包括避障模块、电源模块、声控模块、电机驱动模块等,系统框图如图2.3所示。
通过寻迹及避障传感器来采集周围环境信息来反馈给CPU,通过主控的处理,来控制电机的运转,从而实现寻迹与避障,达到智能行驶。
且本设计添加了声控效果,通过声音传感器来对小车发出指令,让其行驶与停止。
为了能够更好地完成本次设计任务,我们采用三轮车,其前轮驱动,前轮左右两边各用一个电机驱动,调制前面两个轮子的转速起停从而达到控制转向的目的,后轮是万象轮,起支撑的作用,并通过软件程序控制,与硬件架构相结合,从而实线自动寻迹、避障的功能。
图2.1系统总体框
2.2主要元件的选择
2.2.1主控器
按照题目要求,控制器主要用于控制电机,通过相关传感器对路面的轨迹信息进行处理,并将处理信号传输给控制器,然后控制器做出相应的处理,实现电机的前进和后退,保证在允许范围内实线寻迹避障。
方案一:
可以采用ARM为系统的控制器,优点是该系统功能强大,片上外设集成度搞密度高,提高了稳定性,系统的处理速度也很高,适合作为大规模实时系统的控制核心。
而小车的行进速度不可能太高,那么对系统处理信息的要求也就不会太高。
若采用该方案,必将在控制上遇到许许多多不必要增加的难题。
方案二:
使用51单片机作为整个智能车系统的核心。
用其控制智能小车,既可以实现预期的性能指标,又能很好的操作改善小车的运行环境,且简单易上手。
对于我们的控制系统,核心主要在于如何实现小车的自动控制,对于这点,单片机就拥有很强的优势——控制简单、方便、快捷,单片机足以应对我们设计需求[5]。
51单片机算术运算功能强,软件编程灵活、自由度大,功耗低、体积小、技术成熟,且价格低廉。
综合考虑,本设计选择选用AT89C51单片机做控制器。
2.2.2供电单元
采用单电源供电,通过单电源同时对单片机和直流电机进行供电,此方案的优点是,减少机身的重量,操作简单,其缺点是,这样会使单片机的波动变大,影响单片机的性能,稳定性比较弱。
采用双电源供电,通过两个独立的电源分别对单片机和直流电机进行供电,此方案的优点是,减少波动,稳定性比较好,可以让小车更好的运作起。
2.2.3驱动电机选择
采用直流电机,优点在于硬件电路设计简单。
当外加额定直流电压时,转速几乎相等,调速性能较好,且性价比高。
对于小车的行驶,能够很好的控制。
采用步进电机,步进电机可以实现精确的转角输出,只要施加合适的脉冲序列,电机可以按照人们的预定的速度或方向进行连续的转动,便于控速,但是软件程序的编写较直流电机稍显复杂。
表2.1电机性能对比
对比项
直流电机
步进电机
调速性能
较好
较差
位置控制精度
好
控制难易程度
简单
较难
价格
低
中
综合考虑,本智能车设计决定采用直流电机作为智能车的动力电机。
2.2.4电机驱动器
如果电机的开启和关闭控制通过继电器的来控制的话,该方案的优点是电路较简单的[6],但响应速度很慢,且易损坏,使用寿命短,可靠性不是很高。
采用电阻网络或数字电位器调节电动机的分压,从而达到分压的目的。
但
数字电阻元件比较昂贵,且电阻网络实现的调速很有限。
更主要的问题在于一般的电动机电阻很小,但电流很大,分压不仅回降低效率,而且实现很困难。
方案三:
采用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。
线性型驱动的电路结构和原理简单,加速能力强,采用由达林顿管组成的H型桥式电路(如图2.2)。
用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态下,精确调整电动机转速,这是一种普遍使用的PWM技术。
该电路由于在饱和截止模式下工作,效率很高,H桥电路保证速度和方向的简单控制。
图2.2H型桥式电路
H桥电路的调速特性好,且调速范围宽,过载能力强,且能承受频繁的负载冲击,还可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转。
因此决定采用使用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。
2.2.5传感器
本设计外围传感部分采集包括三大部分:
寻迹部分,声音部分,避障部分。
寻迹采用红外对管ST188,其采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体组成,采用非接触式检测方式,且检测距离可调范围
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- 毕业论文 智能 循迹避障 小车