信息工程小车的自动控制系统.docx
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信息工程小车的自动控制系统.docx
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信息工程小车的自动控制系统
本科生毕业论文(设计)
中文题目小车的自动控制系统
英文题目Smartcarautomaticcontrolsystem
学生姓名班级学号
学院通信工程学院
专业信息工程
指导教师职称
学士学位论文(设计)承诺书
本人郑重承诺:
所呈交的学士学位毕业论文(设计),是本人在指导教师的指导下,独立进行实验、设计、调研等工作基础上取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外,本论文(设计)不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的作品成果。
对本人实验或设计中做出重要贡献的个人或集体,均已在文中以明确的方式注明。
本人完全意识到本承诺书的法律结果由本人承担。
学士学位论文(设计)作者签名:
年月日
摘要
智能小车,也被称为机器人小车,进一步发展为无人驾驶小车,是一个自动的车辆,它能够满足人类了传统汽车的运输能力,同时也承载了现代发达技术实现自动控制。
作为智能汽车,它能够感知其环境和导航,无需人工输入。
机器人小车主要作为原型存在,但很可能在不久的将来变得更加广泛。
本系统使用了小车作为模型,选用MSP430F169单片机为主控器,外部链接L298N型驱动芯片驱动,由高速电机配复试减速箱做动力驱动,灵活控制小车的前进与后退,完成自动控制的功能,利用直流电机完成小车监控运动系统的前进、后退、加速、减速和转弯等功能,实现精确定位的目的,再加上使用传感器来实现超声测距这个功能;使用红外对管来完成小车自动寻迹的探测功能;使用光敏二极管来完成光敏测速的功能。
再加上直流电机、单片机等器件的相互联系,完成了小车的智能探测运动的功能,实现了躲避障碍、自动循轨、速度距离计算的功能。
该系统以可靠的硬件设备和软件设计为基础,实现了小车在行进和检测过和探测过程中的精确控制。
整个系统的电路结构简单,稳定性准确度强。
关键词msp430单片机传感器直流电机光敏二极管
ABSTRACT
Smartcar,alsoknownasroboticcars,furtherdevelopmentofdriverlesscarisanautomaticvehicle,itisabletosatisfyhumanconventionalautomobiletransportcapacity,butalsocarriesthemodernadvancedtechnologytoachieveautomaticcontrol.Asasmartcar,itisabletoperceivetheirenvironmentandnavigation,withouthumaninput.Mainlyexistsasaprototyperobotcar,butitislikelyinthenearfuturetobecomemorewidespread.
Thesystemusesthecarasamodel,thechoiceofMSP430F169microcontroller-basedcontroller,externallinksL298Ndriverchiptypedrivenbyahighspeedmotorwithgearboxdoretestpowered,flexiblecontrolthecarforwardandbackward,completeautomaticcontrolfunctions,theuseofDCmotorcompletemotionsystemmonitoringthecarforward,backward,acceleration,decelerationandcorneringcapabilities,toachievethepurposeofprecisepositioning,coupledwiththeuseofultrasonicrangingsensorstoachievethisfunction;usinginfraredtubetocompletethecarautomaticallytracingthedetectionfunction;usingphotosensitivespeedphotodiodetocompletethefunction.PlustheDCmotor,microcontrollerandotherdevicesinterconnectedtocompletethecarintelligentmotiondetectionfunction,toachieveobstacleavoidance,automatictracking,speed,distancecalculationfunction.Thesystemisbasedonreliablehardwareandsoftwaredesignbasedonrealizationofthecarintheroadanddetectandprecisecontrolofthedetectionprocess.Simplecircuitstructureofthesystem,stability,strengthaccuracy.
KeywordsMsp430microcontrollerSensorDCmotorPhotodiode
第一章背景和意义
1.1智能小车的背景
随着各个行业的生产技术不断提高,如今人们已经把智能汽车技术广泛应用,车辆的自动化已经在汽车生产公司,物流运输公司等有所运用。
智能车辆技术的研究和开发已经成为各大国家大学研究所等机构的研究重点。
智能小车,也被称为机器人汽车,进一步发展为无人驾驶或自驾车,是一个自动的车辆,它能够满足人类了传统汽车的运输能力,同时也承载了现代发达技术实现自动控制。
作为智能汽车,它能够感知其环境和导航,无需人工输入。
机器人汽车主要作为原型存在,但很可能在不久的将来变得更加广泛。
智能车辆感知其周围的雷达,激光雷达,GPS,计算机视觉等技术。
先进的控制系统分析感官信息来识别相应的导航路径,以及障碍和相关标牌。
一些智能车基于感官输入,更新他们的地图,让他们找到自己的方式,行驶于未知的环境。
自2000年代后期,智能车辆技术已经有了显着的进步。
众多大公司和研究机构的工作原型已经开发自主车型,包括谷歌、大陆汽车系统公司、博世、日产、丰田、奥迪和牛津大学。
2011年6月,内华达州通过一项法律,关于智能汽车的操作是第一个在美国管辖。
内华达州法律2012年3月1日开始生效,并且于2012年5月,内华达州机动车辆管理部门发出的第一个智能车许可证。
智能车辆的优点:
较少交通碰撞,由于一个自动控制系统的更高的可靠性,并减少了反应时间,相对于人力驱动更加准确速度。
提高道路通行能力,减少交通拥堵,能够根据需要减少安全缺口和能力,以更好地管理交通流量。
导航系统,在例如救灾车辆赶往现场的时刻能够提供最近最方便的行驶路线。
辅助驾驶系统,指的是利用智能感知系统所获得的信息进行处理从而进行决策规划,帮助驾驶员提出驾驶倡议,甚至可以智能的部分帮助驾驶员进行车辆控制操作。
主要包含:
巡航控制系统、车辆追踪系统准确停车系统以及精确机动系统。
多种渠道应用,在公园等旅游景点已经使用了载客方便流通量的智能电瓶车。
也许能够减少物理路标,智能汽车可以得到必要的通信电子体征,实现自动识别。
提高燃油效率。
1.2课题研究的目的和意义
现在,全世界上的很多知名院校及研究所都在努力的研制设施开发针对各个方向的自动控制系统。
世界各国在智能小型车领域进行了很多探索,己经应用于各个领域,在探测和军事领域运用开发特别多。
这几年来,我国也开展了很多开发工作,来满足不同用途的需要。
在20世纪80年代,一个愿景引导下奔驰设计了机器人面包车,设计恩斯特和他的团队在德国慕尼黑慕尼黑联邦国防军大学,实现转换39英里公里街道上没有交通。
随后,欧洲委员会开始资助800万欧洲委员会ECEUREKA普罗米修斯项目1987年至1995年的自主车。
在1994年,双胞胎机器人车辆鞋面和Vita-2戴姆勒奔驰和恩斯特的开车超过620公里在巴黎三车道的高速公路转换在标准的交通繁忙时,速度可达转换81英里每小时公里,尽管半自主地有人类的干预。
他们展示了自主驾驶的免费车道,车队行驶,变更车道,通过其他半自动汽车。
到了2013年,2014年奔驰S级将可以选择自动转向,制动,加速,停车,车道引导,避免事故的发生,和疲劳驾驶检测,在城市交通和公路速度可达转换124MI公里每小时
在2013年,2014年宝马i3将自主转向,加速和制动,在堵车高达转换25英里公里每小时。
到2014年,沃尔沃预计车辆可以自主高达转换31英里公里每小时,预计使用在交通繁忙。
奥迪计划到2015年,车辆可以自主转向,加速和制动以较低的速度,如在堵车。
到2015年,凯迪拉克计划车辆“超级巡航”:
自主转向,制动和行车指南。
到2015年,预计日产汽车自主转向,制动,行车指南,油门,换档,并在法律允许的,自助停车空置乘客后退出。
到2018年,谷歌预计将发布其自主的汽车技术。
到2020年,沃尔沃预计无事故车,和“公路列车”,个别车由司机在铅车辆引导。
到2020年,通用汽车,日产,奥迪和宝马都希望无人驾驶汽车。
本智能小车是作为机器人的发展应用。
小车能够进行沿黑线行驶,还可以进行自觉地躲开障碍物,发觉周围的引导线路和不明物体。
运用单片机的能力来设计完成这个小车智能制控系统,运用智能算法实现小车的智能循轨并设计小车的监控、驱动和小车的外部电路。
使用直流电机,慢慢的学习和了解相关知识,连接实际电路的设计和在过程中遇到的问题加以解决,在设计之后实现自己的设计。
在实现过程中加强了对自动控制系统的深入理解。
1.3本设计的内容
1,路面检测规划、精确定位的分析与实现;
2,直流电机驱动模块的电路,以及相应的驱动程序;
3,自动寻轨功能系统的选择与实现;
4,复位电路模块;
5,循线轨迹,速度距离检测功能电路及程序;
6,实现小车的智能化探测,完成距离与速度检测、避障的功能
第二章方案设计与论证
根据设想,确定如下方案,在智能小车的现有知识上,增加检测黑线器,能够在小车运行的时候监控小车的速度,行进情况道路情况等信息。
再使用单片机接收处理再输出信号和数据,小车被单片机的这些数据信号控制行进方向速度调控,实现智能控制。
在沿着黑线进行自动循轨,躲避障碍等智能化功能,人们在控制过程中使用容易,简单易懂,而且还很精确,对不同环境和系统的适应力非常高。
2.1主控系统
方案一:
采用各类数字电路来组成小车的控制系统,对外围避障信号,本方案电路复杂,灵活性不高,效率低,不利于小车智能化的扩展,对各路信号处理也比较困难。
方案二:
选用MSP430F169单片机为主控器,外部链接L298N型驱动芯片驱动,由高速电机配复试减速箱做动力驱动,灵活控制小车的前进与后退,在复试减速箱的齿轮上配上双光栅测速可以及时把采集到的小车运行数据送给单片机分析,随时控制他的运行状态。
由红外对管来检测信号,让MSP430F169单片机控制小车左右轮的旋转方向来实现车的拐弯,及自动寻迹。
总的来说,所有模块都是以MSP430F169单片机为平台,建立间接通信,实现小车的智能性功能。
比较以上两种方案的优缺点,方案二简洁、灵活、可扩展性好,能达到题目的设计要求,因此采用方案二来实现系统。
系统框图如图2-1
图2-1系统框图
根据设计要求,我认为此设计属于多输入量的复杂程序控制问题。
据此,拟定了下面两种方案并综合的进行了比较论证,具体如下,
关于使用超低功耗微处理器MSP430F169的方案
方案一:
选取STC51单片机来成为主要的控制器。
STC51单片机的特点是操作简单,它可以在空闲和掉电两种不同的模式下工作,当处于掉电模式的状态外部晶振停止振动,同时CPU、定时器串行口全部停止工作。
基于考虑到51单片机只有32个IO口,而且只有3组定时器,2个外部中断IO口,比较缺少,所以我们放弃此方案。
方案二:
这一次,我们选择了AVR单片机作为主控制器。
AVR单片机是一个高速嵌入式微控制器,其中有1MIPS/MHz的高速运算处理能力,因为有一个锁锁位加密技术,所以我们不能被破解,但在安全位单片机,片单元深没有看到,用电子显微镜。
当看门狗定时器的安全保护,也出现同期相比更成熟的51系列,AVR系列单片机的接口功能更强大,片内资源较为丰富。
方案三:
选取MSP430F169单片机作为主控制器。
MSP430F169属于多功能超低功耗混合信号处理器,功耗非常低,且具有丰富的外围模块:
48kflash,2048BRAM;8通道12bitA/D;双12bitD/A;DMA;48个I/O口;16自动避障功能,自动寻轨的功能(按路面的黑色轨道行驶),计算并显示所走的路程和行走的时间同时显示速度和超声波测距位WDT;1个16位Timer_A(3个捕获比较寄存器);1个16位Timer_B(7个捕获/比较寄存器);2个USART接口;I2C;MPY;比较器_A;温度传感器。
此外,他还低电压供电:
1.8~3.3V;16精简指令结构;125ns指令周期;在线编程等。
选型理由:
1,由于系统需要进行A/D转换和数据运算处理,如果采用传统的微处理器8051单片机,则需要在外部扩展A/D转换模块,所以导致电路复杂化,而且很难达到较高的精准度。
所以在此使用MSP430F169多功能超低功耗混合信号处理器就能解决以上的问题,MSP430F169内置8通道12bit高精度A/D,电路简单易懂,且精准度很高;
2,MSP430F169内置256BFlashMemory能够方便的保存重要数据,特色是突然停电不丢失;
3,在此系统中,所需要的数据接口比较多,而MSP430F169刚好拥有较丰富的I/O口资源,无需在外部进行扩展。
综上所述我选取了多功能超低功耗混合信号处理器MSP430F169。
2.2电机驱动模块
方案一:
选用L293D驱动。
L293D器件是单片集成的高电压,大电流的四通道驱动器设计接受标准DTL或TTL逻辑电平驱动感性负载(如继电器solenoides,直流和步进电机)和开关电源晶体管。
使用,或更多,以满足整体设计,大小,薪酬也更适合本系统的不足,该电路的缺点是功率较低;
方案二:
选用L298N驱动芯片。
L298N芯片内部包含4通道逻辑驱动电路可以驱动两个二相电机,也能够驱动一个四相电机,输出电压高达50V,可以直接通过电源来调节输出电压,能够直接使用,提供信号单片机IO口,随着其输出电流增大,功率也会增大,电路简单,使用更方便;
方案三:
脉冲信号经74LS14反相后进入9014,经9014放大后控制光电开关,光电隔离,功率晶体管TIP122将脉冲信号驱动步进电机的电压和电流放大,方法很简单,但电路较为麻烦,电路板的生产和小车装配工序衔接总是会遇到一些实际的问题。
选型理由:
综合以上分析,出于功率和稳定性的考虑,我们选用L298N芯片,其特点是输入端可以与单片机直接相联,从而很方便地受单片机控制,只需改变输入端的逻辑电平,就可以实现电机正转与反转,有很好的稳定性。
一个智能电动小车整体的运行性能,首先取决于它的电池系统和电机驱动系统,本系统选用的是L298N驱动芯片,L298N可接收标准TTL逻辑电平信号Vss,Vss可接4.5~7V电压4脚Vs接电源电压,Vs电压范围VIH为+2.5~46V。
输入电源可达2.5A,可驱动电感性负载。
1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻,形成电流传感信号。
5,7,10,12脚输入控制电平,控制电机的正反转。
ENA,ENB接控制使能端,控制电机的停转。
L298N工作电路图如图2-2
图2-2L298N工作电路图
图2-3L298N
2.2循迹模块
方案一:
使用光电传感器,设计电路,合理摆放位置,运用传感器的功能测量计算。
但是做出来效果其实并没有达到理想效果,这是因为传感器对于小车的行进环境需求是很大的,在不平稳的路面或者有光线干扰等干扰的存在下,小车无法平稳的行驶,就很容易造成误差,同时传感器也较为昂贵抗损坏性也不高,有可能颠簸两下就坏了。
所以不采用。
方案二:
用2个红外对管寻迹,放在小车的左侧和右侧,优点对管少,电路简单,但是只有两个红外对管的情况对于稍微的偏移或者些微现象容易出现寻迹不准的现象。
方案三:
用4个红外对管寻迹,优点4个对管形成两组寻迹系统,相对于方案二,更加精确,4个红外管保证了多个方向的能正确的检测到,直线路段准确度很高,解决了当一组对管出现失误后无法正常寻迹的问题。
使过程更加精确。
选型理由:
这个选取的关键是在于红外对管的采取数量问题,所以在方案中只凭自己的想象来完成并没有什么可靠的依据,于是我就先在一个方块盒子上面放置了红外对管进行小型的试验。
在进行不同环境,不同角度,不同速度的测试过程中,我发现了其实红外对管的检测范围是有限的,经常会遇到一些盲区,导致没有检测到障碍物,而且就想方案三所说的,当设备发生故障的时候,较少的红外对管就导致实验功能无法实现了,所以我觉得4个红外对管还是较为合理的。
通过以上三个方案的优缺点比较,结合小车的性能要求,我们最终选择方案三。
2.3避障模块
避障模块的原理跟循轨的原理是一样的,都是利用红外对管来完成检测的功能,但是红外对管放在哪里是个问题。
如果把红外对管放在小车的中间部分,这样做的好处是保证了红外对管的稳定性,不容易受到外界条件的干扰。
但是这样做的缺点是,红外对管的视野比较小,在探测地区会有很多盲点,这样就无法使实验变得精确,然而避障模块的目的就是在遇到障碍物的时候能够及时做出判断和调节,所以我不采用这种做法。
接下来我把红外对管放在小车的前段一个后端一个,一共使用了两个红外对管,这样我感觉精确值可以达到了最大化,但是这样做的缺点是,使用两组红外对管的性价比其实并不高,很多时候前端的红外对管和后端的红外对管都会同时检测到障碍物的存在,所以我就突发奇想,只使用一个红外对管,放在了小车的右侧,这样做了实验。
结果我发现,用一个放在小车右侧的红外对管可以良好的检测到前后方向和右侧的障碍物信息,性价比要比两个红外对管要高一些,同时也能满足自动避障这样一个功能,但是有个缺点是小车左侧的障碍物可能检测不到。
然而,在小车正常行进的时候,最大的障碍物是处于小车前后方向的,而左右两侧的障碍物其实并无大碍,所以左后我选择了这种放在小车右侧的方法来实现避障功能。
由于在红外对管检测到了障碍物的同时要发出信号,进而单片机也要作出判断,再来进行调节,这是需要有一个反应时间的,在这段反应时间内,小车需要完成转向来调节自己不被障碍物撞上,所以,我们需要给小车减速来延长这段调整的时间。
所以我就防止了一个三级减速齿轮在直流电机和车轮之间,在减速的时刻,有可能倒是小车不不平稳,所以为了保证小车自身的稳定性,我选择吧小车的底盘减低,加强稳定性,同时把电动机和电池部分放在小车的的后方,这是靠近驱动的地方,同时就保证了更加稳定的效果.。
2.4超声波测距的选择与论证
方案一:
选用红外测距,跟小车的循迹避障的原理一样,红外测距的优点是采用红外对管器件简单、操作容易,缺点是红外对管的发光较为分散,导致精确度不准,稍微远一点精确度也会大打折扣。
方案二:
激光测距。
通过测量激光从发射到返回之间的时间来计算距离,激光测距的精确度是毋庸置疑的,但是在实验中激光对人的伤害还是不容小视的,如果不小心眼睛知识了激光就会照成很严重的危险,而且激光设施相对于其他设施也比较昂贵。
方案三:
使用超声波测距,超声波在空气中的传播速度为340m/s,超声测距使用的是超声波,抗环境干扰能力非常强,而且速度也不是很慢、方便、计算简单、易于做到实时控制,可以在较差的环境中使用。
选型理由:
综上所述,比较了以上观点,考虑到了也许智能小车所处的实验环境可能能会很恶劣,故我们选择方案三。
利用超声波指向性强,能量消耗缓慢,以使小车及时获取距障碍物的距离信息(距离和方向)实现测距避障功能。
而且在后期的实验中,我发现了红外对管的抗干扰性真的不好,在做避障模块的时候同时使用了4个红外对管才达到对近距离的避障检测,而且在一些特殊角度的障碍物的出现,红外对管并不能范围性的发出光源并且接收。
相对于恶劣的环境来说,超声波就会好一些,根据这些我就选择了方案三来实现超声波测距的方案。
第三章硬件设计
3.1自动寻迹
采用光电传感器进行寻迹,利用红外线在不同物体表面有不同的反射性质的特点,在智能小车行驶过程中红外发射管不间断地向地面发射红外光,当红外光遇到白色纸质地面时发生漫反射,反射光被装在小车上的红外接收管接收,就会输出低电平。
如果光发射到了黑线上面,红外光被吸收,不会产生反射,接收管接受不到红外光,电平拉高,通过处理器比较,当传感器检测到黑线,比较器输出高电平。
检测到白色输出低电平,再通过单片机来判断小车是否偏离引导线,如果偏离就马上复位,光电传感采用ST168。
我使用了4个红外对管进行试验,正常实验的时候3个红外对管进行运作,当有仪器故障的时候剩下的一个红外对管就会接替他们来保证继续工作。
循迹功能模块
完成小车自动循轨的功能。
自动循轨功能指的是小车行驶路线是沿着在白纸上的黑线行进的。
这个设计的原理是:
在光线照射下白纸与白纸上的黑线对光的反射系数不一样,白纸反射光能力强,黑线反射能力较弱,这样就可以通过光感器件通过判断光的强弱再确定黑线的位置。
在这次设计中我采用了红外探测法来完成这项功能。
因为这种方法模块简单,容易实现,方便而且廉价。
红外探测法指的是,在小车上放置红外光的发射和接收设置。
由于红外线在白纸和黑线上面反射情况是不一样的,红外线在白纸上漫反射,反射的光会被接收装置接收;而红外光会被黑线吸收,不会被接收设备接收到。
使用lm393比较器来分辨高低电平,当传感器检测到黑线,比较器输出高电平;检测到白色输出低电平,再通过单片机来判断小车是否偏离引导线,如果偏离就马上复位,也有将模拟量转化为开关量的功能,容易信号处理,完成对信号的检测,这样单片机就可以通过接收的信号得知小车是否沿着黑线行驶进而做出调节。
完成自动循轨的功能。
红外探测器的分辨距离比较短,这是一个缺点,但也可以最大不能超过3cm这个数据来调控小车的行进速度,并无坏处。
小车的避障原理也相似。
电路图如图3-1
图3-1自动寻迹原理图
具体设计:
我拿取两个检测器平行放置,为了能使小车行进转动的功能,左右转动都能够调节,这样能更准确的控制小车沿黑线行驶。
小车行进的时候,通过单片机的程序来控制方向,如果小车偏离了黑线,那么另一个方向的探测头会因为红外线被黑线吸收而发出信号。
单片机接收到信号,来进行调节,使其相反方向运动,至不被黑线吸收,这样就保持了小车沿着轨迹运动。
为了能让小车在恶劣的环境下能够实现自动循轨,我在实验中选则了能调节灵敏度的可调电阻。
这样可以根据不同环境所造成的影响,手动的调节电阻的大小,能有效的减少恶劣环境所造成的影响。
为了接受红外线的精确度得到提高,我把接受对管放在
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