智能遥控避障小车毕业设计.docx
- 文档编号:26735261
- 上传时间:2023-06-22
- 格式:DOCX
- 页数:43
- 大小:2.26MB
智能遥控避障小车毕业设计.docx
《智能遥控避障小车毕业设计.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《智能遥控避障小车毕业设计.docx(43页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
智能遥控避障小车毕业设计
基于激光传感器和嵌入式系统
的移动机器人
作者姓名臧少刚
专业测控08-1
指导教师姓名孙凯
专业技术职务讲师
目录
摘要
“飞思卡尔杯”全国大学生智能汽车邀请赛属教育部主办的全国五大竞赛之一,其专业知识涉及控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等诸多学科。
根据大赛的技术要求,设计制作了智能车控制系统。
在整个智能车控制系统中,如何准确地识别道路及实时地对智能车的方向进行控制是整个控制系统的关键。
本文首先对智能车的硬件进行设计,其次对系统的软件部分进行设计,整个系统涉及车模机械结构调整以及传感器电路设计及与信号处理。
通过软件与硬件的搭配,实现避障的功能和远程控制的功能。
关键字:
智能车传感器嵌入式
Abstract
FreescaleCupNationalUndergraduateSmartCarCompetitionissponsoredbytheNationalMinistryofEducation,oneofthefivecontests,theirprofessionalknowledgerelatedtocontrol,patternrecognition,sensortechnology,automotiveelectronics,electrical,computer,machineryandmanyotherdisciplines.Accordingtothetechnicalrequirementsofthecontest,wedesigntheintelligentvehiclecontrolsystem.Intheentirecontrolsystemofthesmartcar,howtoaccuratelyidentifytheroadandreal-timecontrolthedirectionoftheSmartCaristhekeytothewholecontrolsystem.
Thispaperfirstintroducesthehardwareofthesmartcar.Thesecondpartofthesystemissoftwaredesign.Theentiresystemisinvolvedinmechanicalmodelsofstructuraladjustmentandthesensorcircuitdesign.Throughthesoftwareandhardwarecollocation,realizethefunctionofobstacleavoidanceandthefunctionofremotecontrol.
Keyword:
intelligentcar;Sensors;Embedded;Remotecontr
第一章绪论
1.1选题背景
物质生活的提高,使人们更加注重和谐与健康,本来危险系数极高但人们却习以为常的工作,如今也少有人参与,因为如今的人们已找到了代替他们参与人类难以到达的位置的智能设备,当然,设备必须具有一定的智能性,能够独立的判断所处环境的所有有用信息,并加以判断,予以归类,寻找最合适的位置,捕捉最难得最珍贵最具实时性的信息,然后进行实时反馈,让我们可以更加客观地采取判断,不至于因环境的变化或者不适应等各种外界因素影响我们的主管意识,可以说,这种智能设备的出现,一定程度上解放了人类的劳动力,既如此,我们就更应继续从事这方面的学习与研究,充分发挥这一领域给社会带来的益端.
目前最为前沿的就是仿生机器人,但比之稍简单的就是智能车,因为它无需判断各种平衡的因素,更具稳定性和实用性,在此基础上赋予它一定的感知、判断和交互能力,同样可以做出与人类能力相及甚至超越人类极限的事情。
工业上,这种机器人已经应用于各种行业,目前所要追求的目标就是更加的小巧与低成本,更大的实用性。
1.2主要内容及研究意义
智能车即轮式移动机器人,是一种集环境感知、决策规划、自动行驶等功能于一体的综合智能系统,智能车集中地运用了自动控制、模式识别、传感器技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科的知识[1]。
随着控制技术、计算机技术和信息技术的发展,智能车在工业生产和日常生活中已经扮演了非常重要的角色。
近年来,智能车在野外、道路、现代物流及柔性制造系统中都有广泛运用,已成为人工智能领域研究和发展的热点。
目前,智能车领域的研究已经能够在具有一定标记的道路上为司机提供辅助驾驶系统甚至实现无人驾驶,这些智能车的设计通常依靠特定道路标记完成识别,通过推理判断模仿人工驾驶进行操作[2]。
本文所述智能车就是一种自动导引小车,能够在给定的区域内沿着轨迹自动进行行进。
1953年,美国BarrettElectric公司制造了世界上第1台采用埋线电磁感应方式跟踪路径的自动导向车,也被称作“无人驾驶牵引车”(automatedguidedvehicle,简称AGV)。
这些自动导向车主要用于自动化仓贮系统和柔性装配系统的物料运输[3]。
20世纪60年代和70年代初,AGV仍采用这种导向方式。
但是,20世纪70年代中期,具有载货功能的AGV在欧洲得到了应用并被引入到美国。
这些自动导向车主要用于自动化仓储系统和柔性专配系统的物料运输。
在20世纪70年代和80年代初,“智能车”的应用领域扩大而且工作条件也变得多样化,因此,新的导向方式和技术得到了更广泛的研究与开发[4]。
自动导向无轨行走车辆常用蓄电池作为动力源,它是机电一体化的典型[5]。
AGV技术在汽车工业上有着广泛的用途,欧洲和美、日等国的汽车生产工业在80年代就开始大量使用AGV技术,现已成为比较成熟的技术。
智能车有着极为广泛的应用前景[6]。
结合传感器技术和自动驾驶技术可以实现汽车的自适巡航并把车开得开得又快又稳、安全可靠;汽车夜间行驶时,如果装上红外摄像头,就能实现夜晚汽车的安全辅助驾驶;他也可以工作在仓库、码头、工厂或危险、有毒、有害的工作环境里,此外他还能担当起无人值守的巡逻监视、物料的运输、消防灭火等任务。
在普通家庭轿车消费中,智能车的研发也是有价值的,比如雾天能见度差,人工驾驶经常发生碰撞,如果用上这种设备,激光雷达会自动探测前方的障碍物,电脑会控制车辆自动停下来撞车就不会发生了。
对于历史而言,解放和发展劳动力永远是人们提出的自私却又可行的目标,这其中就包括人身安全的保证,在人类无法到达或者危险性极高的环境下,能够自行潜入并获取我们所需要的信息,最理想的就是能够自发的进行简单的处理,但是这种设想的实现却有着很大的难度。
比如说这种机器人小车的运行,车子一旦研制出来,就应成批量生产,也就是外形无法随着环境的改变而改变,这就给机器人小车的制造产生了困难,比如说摩擦系数、软硬程度、空气阻力、倾斜度、行走空间等等各种无法预料的因素,只有生产一种小巧、灵活多变的探测设备,才能够真正的实现人力的替代;当然除了环境的多变性,还有车子整体的性能和承载外界不良因素的力度,要采集信息的强弱与收发的干扰等等。
无疑,四个或者更多轮子的车型机器人要比人形的机器人稳定的多,控制也更为简单,体积更加小巧,所以,目前世界各大探测公司都在研发这种机器人,比较实用且有代表性的是GE的探测小车,能够将外界采集的各种影像采集并进行处理和保存,然后完整的反馈回来,具有工业上的可行性。
1.3系统框架及整体设计思路
智能车系统采用飞思卡尔的16位微控制器MC9S12XS128单片机作为核心控制单元用于智能车系统的控制。
在选定智能车系统采用光电传感器方案后,智能车的位置信号由车体前方的光电传感器采集,经MC9S12XS128MCU的I/O口输入后,用于智能车的运动控制决策,同时内部PWM模块发出PWM波,控制舵机转弯,同时驱动直流电机对智能车进行加速和减速控制,最终使智能车能够自主行驶,并自觉绕开前方障碍。
第二章系统硬件设计
在小车的整体设计中,采用红外信号作收发模块,让小车具有识别功能;MC9S12XS128作为处理器,判断有误障碍物,并给与舵机相应命令,绕开障碍达到避障功能。
机械上独特的设计,让小车在保证简单的情况下尽量的美观!
下面将对智能避障车整体系统进行详细讲述!
2.1电源系统
整体结构图:
图2-2电机驱动板
智能避障车的动力电源采用飞思卡尔比赛专用电源,负荷电压7.8V左右,在充电结束后会有一定的上浮,升至8.1V左右,对于小车的马达,可以直接使用,期间曾试过变压后给马达供电,但是效果不是很好,经常导致变压块发热现象严重,后采用电源直接供电,这个直接供电当然也是通过下面将要介绍的这个模块予以驱动。
这个驱动是用场效应管搭建H桥来驱动电机,因为场效应管具有内阻小、开关速度快等优点,并且方便加散热片。
场效应管是电压驱动器件,只要栅极电压稍高一点就能使管子导通。
本模块电路输入电压5-15V,最大输出电流理论上74A。
如图所示,从正面看,CD4011的14脚接VDD(7.2V左右),7脚接GND,要接上拉电阻,否则可能会出现逻辑混乱。
下图就是电机驱动的电路原理图:
图2-3电机驱动电路原理图
图2-4电源引脚
显然,电源这对于小车的激光收发模块无疑是不能使用的,这就需要进行变压输出,降低至5V稳定输出,采用最简单的稳压模块LM7805,作为核心板的电源,78**系列的稳压集成块的极限输入电压是36V,最低输入电压比输出电压高3-4V。
还要考虑输出与输入间压差带来的功率损耗,所以一般输入为9-15V之间,适合我所用的7.8V直流电源,同时再独立接另一个LM7805作为激光管的电源,这样可以避免激光管启动时的高功率干扰到核心板的电平信号;由于在允许电压范围内,电压越大,舵机响应速度越快,因此采用6V电压给舵机供电,由LM7806为主要芯片的6V稳压电路,完全可以满足舵机对电压和电流的要求,因此选用此电路作为舵机的供电电源。
具体5V和6V供电电路接线图2-5所示:
图2-5电源原理图
由于在智能车运行过程中阻力的变化频繁,这种阻力可能由于加速制动剧烈,也可能由于拐向带来的力矩方向变化造成的阻力,因此电池负载变化剧烈,输出电压也剧烈变化,且幅度很大,所以在电池端多加了滤波电容,予以补偿。
2.2智能车的眼睛:
激光收发模块
说起激光传感器,相信大家都不陌生,下面先介绍下感应障碍物的原理:
图2-6激光头
由发射管发射一定波长的红光,经障碍物反射到接收管。
由于在远近不同距离上反射回的光强度不同,在远处的大部分光线都被吸收或者散射掉了,而障碍物上可以反射回大部分光线,所以接收到的反射光强不一样,由障碍物反射回来的大量光线直接导致接收三极管导通,而由远处(空旷处为无限远)反射回来的光线不能导致接收三极管导通,信号输入到单片机中便是高电平和低电平,这样就可以将有无障碍物区分开来。
但是一个好的激光传感器,多少会存在不稳定现象其实不稳定,很大的因素就是发射出来的激光信号频率,不是接收管最佳的接收管的最佳频率。
尽管激光接收频率可以用芯片编程序,输出PWM信号驱动,但是那样的抗干扰能力欠佳,既然要做又知道哪里出的问题,那就尽量改善嘛!
一个好的调制管,使用效果明显有改进,究其原因,半导体光电元件的频率特性是指它们的输出信号与调制光频变化的关系,当光敏电阻受到脉冲照射时,光电流达到其稳态值;当光突然消失时,光电流变为零,这就是激光收发模块的基本原理。
我所使用的调制管根据下拉电阻的不同能够产生140KHZ-205KHZ方波信号,经过信号发到驱动激光发射管,理论上接收管在频率180KHZ—205KHZ左右的频率下接收能力最强,我的接收管发射管实测频率为180KHZ,另外配一个聚光透镜,增强接收管对反射光的吸收。
当然,要对准焦点能够增强接收管接收效果和抗干扰能力!
图2-7接收管及原理图
在焊接激光模块的电路时,要注意的事项很多,激光发射器的供电电压应在4.5-5.5V,由于我的电源模块相互独立,因此避免了各种电路同时上电造成的电压波动,经过测试,能够保证激光发射器的电压在5.0±0.2V,也就保证了激光管的长使用寿命。
同时,由于激光发射器的特殊工作原理,具有静电敏感性,使用过程中要做好ESD,尽量避免人体接触和带静电物体接触激光管,避免静电伤害,否则容易出现发光效率降低甚至不工作等现象,解决办法是:
1.焊接前先洗手,摸一下暖气片,释放人体静电;
2.电烙铁接地,每次用之前释放静电;
3.坚持室内操作,避免日光直接照射激光接收芯片(多次试车,尽管楼道狭小,仍然坚持室内)。
4.每次试跑,注意极性不能戒饭,电压一定不超过5.5V(予以保证),电流不能大于50mA(予以保证)。
图2-8调制管及原理图
如图所示,电压经调制管调制给与激光头,产生所需调频光信号,电路搭建时一定要注意保证限流电阻大于65欧姆,这样才能给予激光头足够的保护作用,但是不能过大,这样产生的激光信号将会很弱,影响小车前瞻的距离,直接影响小车对障碍物的判断时间,严重时,小车将会无法躲开障碍物。
调制激光信号产生后,下面就是由接收管来接收我们的特定光信号,然后判断前方、左前方或者右前方是否有障碍物,也就是起到了眼睛的作用。
当然,这其中曾走过很多的弯路,比如说激光头焊接时,因为焊接技术不达标,造成激光头烧坏,理论上焊接时电烙铁与激光引脚的解除时间应不多于10s.
为了增强对障碍物的敏感度,也就是增加对反射光线的吸收率,我在原来的接收管上增加了一个透镜,这样做有两个目的:
1.
增强对反射光线的吸收;
2.利用透镜只能接收前方光线、阻隔侧面光线的功能,减小外接漫反射光线对接收管的影响。
如图2-9,是我采用的透镜:
图2-9聚光透镜
固定时,透镜的焦点与激光发射然后反射回来的光线不在同一直线上,造成透镜不但没有发挥出聚光的作用,却将室内外的干扰光线连同激光信号一起屏蔽了,但是在这过程中,我却学习到很多课本上无法获得也无从想象的东西。
在进行激光发射与接收的时候,曾如右图外接LED指示灯,用于测试小车激光发射与接收是否故障,这让故障的检测更加直观。
2.3智能车核心处理器
在所有的前期准备结束后,我已经获得了小车前方是否有障碍物的信号,下面就是要对这个信号进行判断、处理,我采用的是飞思卡尔半导体公司的MC9S12XS128单片机,是一个16位处理器,总体上分为三个模块:
IO模块(带有中断)、脉冲宽度调制模块(主要针对舵机)和定时器模块。
其中,大部分I/O引脚可由相应的寄存器位来配置选择数据方向、驱动能力,使能上拉或下拉式装置。
当用作通用IO口时,所有的端口都有数据寄存器和数据方向寄存器。
由于小车最大的难点在于转向的控制,所以下面主要介绍所用到的最多的模块。
图2-10最小系统版引脚图
XS128具有XS128具有8位8通道的PWM,相邻的两个通道可以级联组成16位的通道。
XS128具有8位8通道的PWM,相邻的两个通道可以级联组成16位的通道。
下面是脉冲调制模块的几种功能:
PWME:
PWM通道使能寄存器。
PWMEx=1将立即使能该通道PWM波形输出。
若两个通道级联组成一个16位通道,则低位通道(通道数大的)的使能寄存器成为该级联通道的使能寄存器,高位通道(通道数小的)的使能寄存器和高位的波形输出是无效的。
PWMPOL:
PWM极性寄存器。
PPOLx=1,则该通道的周期初始输出为高电平,达到占空比后变为低电平;相反,若PPOLx=0,则初始输出为低电平,达到占空比后变为高电平。
PWMCLK:
PWM时钟源选择寄存器。
0、1、4、5通道,PCLKx=0使用ClockA,PCLKx=1使用ClockSA;2、3、6、7通道,PCLKx=0使用ClockB,PCLKx=1使用ClockSB。
PWMPRCLK:
PWM预分频时钟源选择寄存器。
PWMPERx:
PWM通道周期寄存器,每个通道都有一个独立的8位周期寄存器,它的值将间接决定该通道的PWM波形周期。
该寄存器采用双缓冲器设计,即写入的新值不立即生效,直到本次有效周期结束或者计数器寄存器清零或者该通道被禁止。
读该寄存器将返回最近一次写入的值(不一定是当前生效的值)。
复位将重置值为0xFF。
下面是如何由周期寄存器的值计算最终PWM输出波形的周期与频率方法:
左对齐输出:
(CAEx=0)
PWMxPeriod=Clock(A,B,SA,orSB)*PWMPERx
PWMxFrequency=Clock(A,B,SA,orSB)/PWMPERx
中心对齐输出:
(CAEx=1)
PWMxPeriod=Clock(A,B,SA,orSB)*(2*PWMPERx)
PWMxFrequency=Clock(A,B,SA,orSB)/(2*PWMPERx)
ClockA、ClockB由下面的PWMPRCLK设置:
表2-1
表2-2
PWMDTYx:
PWM占空寄存器。
每个通道都有一个独立的8位占空寄存器,它的值将间接决定该通道的PWM波形占空比。
该寄存器采用双缓冲器设计,即写入的新值不立即生效,直到本次有效周期结束或者计数器寄存器清零或者该通道被禁止。
读该寄存器将返回最近一次写入的值(不一定是当前生效的值)。
复位将重置值为0xFF。
下面是如何由占空寄存器的值计算最终PWM输出波形的占空比的方法:
Polarity=0(PPOLx=0)
DutyCycle=[(PWMPERx-PWMDTYx)/PWMPERx]*100%
Polarity=1(PPOLx=1)
DutyCycle=[PWMDTYx/PWMPERx]*100%
定时器模块由1个增强的可编程预分频器驱动的可编程计数器、8个输入捕捉/输出比较通道和1个脉冲累加器组成。
定时器模块一共有8个引脚,其中脉冲累加器与第7号通道的引脚是共用的。
其中:
TCNT:
定时器计数寄存器。
TSCR1:
定时器系统控制寄存器1。
TTOV:
定时器溢出时触发寄存器。
TCTL1/TCTL2:
定时器控制寄存器1/2。
PR2、PR1、PR0三位决定了定时器预分频比。
表2-3
PTPSR:
精确定时器预分频器选择寄存器。
若TSCR1中的PRNT=1,PTPSR的值将决定主定时器预分频比。
表:
2-4
图2-11为处理器电路板:
图2-11系统板外观
2.4智能车动力部分——马达
驱动电机采用直流伺服电机,在此我选用的是RS-380SH型号的伺服电机,这是因为直流伺服电机具有优良的速度控制性能,它输出较大的转矩,直接拖动负载运行,同时它又受控制信号的直接控制进行转速调节。
在很多方面有优越性,具体来说,它具有以下优点:
(1)具有较大的转矩,以克服传动装置的摩擦转矩和负载转矩。
(2)调速范围宽,高精度,机械特性及调节特性线性好,且运行速度平稳。
图2-12电机外观
(3)具有快速响应能力,可以适应复杂的速度变化。
(4)电机的负载特性硬,有较大的过载能力,确保运行速度不受负载冲击的影响。
(5)可以长时间地处于停转状态而不会烧毁电机,一般电机不能长时间运行于停转状态,电机长时间停转时,稳定温升不超过允许值时输出的最大堵转转矩称为连续堵转转矩,相应的电枢电流为连续堵转电流。
下图为该伺服电机的结构图。
图2-13电机参数
图2-14是此伺服电机的性能曲线。
图2-14电机性能曲线
由于小车的马达全速转动时,速度过快,激光收发的距离又过短,所以,如果小车满功率运行,势必难以躲开障碍物,因此,必须给小车限速,这就用到了刚才介绍的PWM模块,让处理器给予马达一占空比较低的信号,这个过程可以理解为小车的功率受占空比所限制,因此达不到满功率,所以只能以与占空比相对应的速度行进。
表2-5RS380-ST/3545技术指标
NoLoad
无负载
MaxEfficiency
最大效率(64.6%)
MaxOutput
最大功率(26.68W)
Stall
停止
Current
电流
Speed
转速
Current
电流
Speed
转速
Torque
扭矩
Current
电流
Speed
转速
Torque
扭矩
Current
电流
Torque
扭矩
A
rpm
A
rpm
g·cm
A
rpm
g·cm
A
g·cm
0
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 智能 遥控 小车 毕业设计
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)