基于单片机的自主循迹电动小车设计.docx
- 文档编号:4667633
- 上传时间:2022-12-07
- 格式:DOCX
- 页数:35
- 大小:489.83KB
基于单片机的自主循迹电动小车设计.docx
《基于单片机的自主循迹电动小车设计.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于单片机的自主循迹电动小车设计.docx(35页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
基于单片机的自主循迹电动小车设计
毕业设计(论文)
学院名称
学院名称
专业名称
专业名称
学生学号
学生学号
学生姓名
学生姓名
指导教师
教授姓名
助理指导老师
老师姓名
202年月
基于单片机的自主循迹电动小车设计
摘要
随着电子技术与软件技术的飞速发展,智能作为现代的新发明,是以后的发展方向,它可以按照预先设定的模式在一个环境里自动的运作,不需要人为的管理,可应用于科学勘探等用途。
智能系统开发技术已经成为了最热门的技术之一。
智能小车就是其中的一个体现。
本次设计的智能小车采用模块化设计方法,整个平台以AT80C51单片机为检测和控制核心,通过红外传感器,实现小车的自适应循迹、避障等功能。
在没有人为干预的情况下,智能小车能够自主运行,稳定地跟踪轨迹。
智能车的驱动采用直流电机,并采用PWM实现直流电机的调速,设计把路径识别以及直流驱动电机控制准确地结合在一起,使小车能够快速、平稳的行驶。
本设计对智能车的循迹及速度控制等进行了研究。
关键词:
智能小车;光电传感器;单片机;自主循迹
DesignoftheAutomaticPathRecognitionforIntelligenceVehiclebasedonMCU
ABSTRACT
Withtherapiddevelopmentofsoftwaretechnologyandelectronictechnology,smartasamoderninvention,isthefuturedevelopmentdirection,itcaninaccordancewithsetmodelinanenvironmentwhereautomaticoperation,noneedmanualmanagement.Thedevelopmentofmodernsciencehasplayedaroleinpromoting.Thedevelopmentofintelligentsystemhasbecomeoneofthemostpopulartechnology..Thedesignofthesmartcar,theplatformmainlyusesat80c51microcontrollerasthecoreofdetectionandcontrolofthecar,theuseofthephotoelectricsensorinorbitidentificationapplicationsandintelligentvehiclecontrolsoftwareandhardwaredesign.TheintelligentcarsystemthroughtheMCUreceivesacomputercommandcontrolthesmartcartrack,withnohumanintervention.Itcanrunautonomously,stabletrajectorytracking.SmartcarisdrivenbytheisDCmotor,andthePWMtocontrolthespeedofDCmotorisrealized,thepathidentificationandDCdrivemotorcontrolaccuratetogether,allowingthecartofastandstablerunning.Thedesignofintelligentvehicleautonomoustrackingandspeedcontrolarestudied.
Keywords:
IntelligentVehicle;Photoelectricsensor;MCU;Automaticpathrecognition
1绪论
1.1选题背景
目前,智能车辆是一个新型的交叉学科领域,从广义上来讲,智能车辆属于室外移动智能机器人的一种。
对于这种智能技术的研究与开发,可以追述到20世纪50年代初美国Electronics公司研究设计开发出的世界上第一台自动引导车辆,严格意义上说,这是一台移动机器人[1]。
之后以美国为首,英国、德国、日本等许多国家都开始积极地对智能车辆进行研究。
时至今日,世界很多国家都对智能车辆技术的研究开发做出了巨大贡献,为此投入了大量的人力、物力,智能车辆技术也取得了突破性进展。
并得到越来越多的关注。
1.1.1智能车辆概念
智能车辆被称为轮式移动机器人,是一个综合的智能系统[2],也是典型的高新技术的综合体。
当遇到道路障碍时它具有自动识别、自动报警、自动制动、自动保持安全距离等功能[3]。
智能车辆在遇到复杂道路的情况,能准确自动地操纵驾驶车辆躲掉障碍物并按着预定的道路行进。
在普通车辆的基础上,智能车辆增加了一些智能化技术设备:
计算机处理系统、摄像机、传感器设备。
1.1.2课题研究的意义
智能车辆提升了普通汽车的安全性、舒适性、适应性,也是目前大多数国家重点发展的智能交通系统ITS(IntelligentTransportationSystem)中的一个重要组成部分,智能车辆技术的研究推动了所涉及学科与技术的发展,也为世界汽车产业与高新技术产业提供了发展空间。
随着科学技术水平的提高,智能技术也日益成熟,也得到了更多人的认可。
如今,它已经应用到很多方面:
一、智能车辆在智能运输系统ITS上的应用
这是智能车辆最典型的应用,推动了智能车辆技术的发展。
智能车辆准确自动的操纵汽车极大影响了社会的发展,例如:
(1)减轻驾驶员的工作量;
(2)适应复杂恶劣的天气条件,减少恶性交通事故的发生;
(3)切实提高道路网络的利用率,为改进道路提供新的解决途径;
(4)有利于缓解交通状况,减轻交通拥挤与交通阻塞;
(5)降低燃油消耗量,减少雾霾,环保。
二、智能车辆在军事领域的应用
在将来的军事战争中,智能车辆可以代替人员在较危险的区域进行工作,可有效地避免人员伤亡,提高执行任务的效率和安全性[4]。
另外,军用智能车辆主要有五种功能:
(l)侦察、监视和目标搜索;
(2)城市地形的军事行动;
(3)爆炸等危险物处理;
(4)反雷战;
(5)巡逻。
可见,智能车辆在军事领域的应用非常广泛[5]。
三、智能车辆在社会生活中的应用
在一些发达国家,智能车辆早己广泛应用于医疗服务、商场超市服务、家庭服务等生活领域。
某些应用更是有望在今后两三年内实现商业化,并进入普通家庭[6]。
因此,研究设计一种智能和高效率的智能小车控制系统具有重要的实际意义及科学价值。
1.2智能车辆研究现状
一些发达国家对智能车辆技术的研究已有很多年,尤其是以欧美为首,它们已经有相对成熟的经验。
1.2.1国外智能车辆研究现状
国外对智能车辆的研究时间比较长。
它的发展可以分为三个阶段:
第一阶段是20世纪50年代。
1954年美国BarrettElectronics公司研制出世界上第一台自主引导车系统AGVS(AutomatedGuideVehicleSystem)。
它可以实现无人驾驶。
第二阶段从80年代中后期开始,世界上一些发达国家开始对智能车辆进行研究,并取得了重要的成果。
1986年,普罗米修斯项目开展于欧洲,对智能车辆技术这一领域进行研究。
1995年,美国成立了国家自动高速公路系统联盟,致力于实现智能车辆的智能与实用化。
第三阶段从90年代开始,对智能车辆的研究更加系统、更加深入并且规模更大。
最为突出的是,美国卡内基•梅隆大学力机器人研究所一共完成了NavLab系列(NavLab1~NavLab10)的10台自主车的研究。
1.2.2国内智能车辆研究现状
我国对智能车辆的研究晚于国外,智能技术还不成熟,而且不少研究还处于在针对某单项技术研究的阶段。
例如:
(1)20世纪80年代,沈阳自动化研究所首先采用地下埋线式的导航技术,开始了我国的自动引导车辆的研究。
(2)上世纪90年代中期,清华大学也研究过一种可以通过图像识别来实现自动导航的智能车辆。
(3)国防科技大学也对图像视觉导航技术的智能车辆进行过研究。
(4)国防科技大学与中国第一汽车集团公司合作研制成功我国第一辆自主驾驶汽车,其总体技术已达到世界领先水平。
(5)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,该车装有摄像机、激光雷达、陀螺惯导定位等传感器。
近些年来,通过对ITS技术、设备的研究,我国已形成一支ITS技术研究开发的队伍。
随着我国经济水平的日渐提高,也为智能车辆的研究发展提供了动力。
本设计要结合实际并在某些方面,对智能车辆进行深人的研究,为它的发展及实际应用打下坚实的基础[7]。
1.3本课题研究内容
本课题主要针对智能车辆自动导航技术、行车位置探测技术、行车速度、距离检测技术等问题进行研究。
本课题研究的内容为综合运用单片机、传感器、电机控制等相关知识和技能,以单片机为控制核心,完成智能电动小车的自动循迹控制,实现了车道线作为导航路径的自动导航:
(1)电动车从起跑线出发,沿规定的车道引导线行驶,在车道线下埋有三块宽度为15cm的正方形薄铁片,小车在行驶过程中检测到薄铁片时立即发出声音指示信息,并实时存储、显示检测到的薄铁片数目以及薄铁片中心线至起跑线的距离。
(2)当检测到第三块薄铁片时电动车自主停车,停车后并发出断续的声光信息,并显示电动车全程行驶时间及距离。
在本课题的研究设计过程中,主要完成了以下内容:
1.了解智能小车自主循迹控制手段并进行选择,制定控制方案。
2.根据要求设计电动小车总体组成框图。
3.完成控制系统各硬件模块的设计。
4.系统软件流程图设计。
本设计说明书主要内容如下:
第一章:
绪论,介绍本设计的选题背景以及未来的发展前景。
第二章:
系统的设计,论证各个模块所要选择的方案。
第三章:
系统硬件的设计,说明各个模块中使用的芯片以及完成各个模块的硬件的部分的电路设计。
第四章:
系统工作流程图及部分系统软件设计。
2系统设计
2.1设计要求
本设计要求综合运用单片机、传感器、电机控制等相关知识和技能,以单片机为控制核心,完成电动小车的自动循迹控制,使电动小车沿规定的路线行驶:
(1)电动车从起跑线出发,沿规定的引导线行驶,在引导线下埋有三块宽度为15cm的正方形薄铁片,小车在行驶中检测到薄铁片时立即发出声音指示信息,并实时存储、显示检测到的薄铁片数目以及薄铁片中心线至起跑线的距离。
(2)当检测到第三块薄铁片时电动车停车,停车后发出断续的声音信息,并显示电动车全程行驶时间及距离。
2.2总体设计方案
本设计采用模块化设计方法,利用红外放射传感器检测行车轨迹,实时控制小车沿着黑线轨迹走;利用感金属的接近开关来感知铁块,使小车遇到铁块时发出信号,执行指定的操作。
本系统由以AT80C51单片机为控制核心的主控电路、轨迹检测电路、金属检测电路、距离检测电路、电机运转控制电路、计时、显示及报警电路等模块组成。
系统中小车的启动、转弯、停止等运动控制均由单片机完成;三个检测模块分别完成黑白轨迹检测,预埋金属薄片探测,小车行驶距离检测等工作,并将测量数据传送至单片机;单片机对测量数据进行分析处理,并将结果显示在显示器上,同时发出必要的报警提示及电机控制信息,实现小车的智能化控制。
本系统硬件电路设计简单,各类功能易于实现,系统具有高度的灵活性、智能化、人性化特点。
可以满足系统的设计要求。
系统总体框图如图2.1所示。
2.3模块方案的分析与论证
2.3.1车体设计
制定了左右两轮分别驱动,前方向轮转向的方案。
即左右轮分别用两个速度和力矩基本相同的直流电机进行驱动,车体首部装一个方向轮。
在安装时保证两个驱动电机同轴。
当小车前进时,左右两驱动轮与前方向轮形成了三点结构。
这种结构使得小车在前进时比较平稳,可以避免出现后轮过低而使左右两驱动轮驱动力不够的情况。
对于车架材料的选择铝合金。
用有铝合金做的车架比塑料车架更加牢固,比铁制小车更轻便,美观。
2.3.2电机驱动系统
单片机
80C51
声光信息报警
电机运转控制
时间显示、里程显示
里程
金属检测
轨迹检测
距离检测
时间计时
里程
图2.1系统总体框图
采用MCU为主要的控制芯片,采用L298N对两个轮上的直流电机进行驱动,通过对直流电机的调速和反馈环节可以实现稳定的速度。
MCU反应快,能符合和适应更高要求的系统。
电路不复杂,功能强大。
不光能提升系统的功能,而且会降低方案的成本费用。
2.3.3检测方案模块
1.金属探测方案
方案一:
使用探测线圈和探测仪构成的金属探测器此类金属探测器利用探测线圈产生的交变磁场在接近金属材料时产生微弱变化这一原理,将变化信号放大处理进而实现探测金属的目的.该种探测器结构复杂。
方案二:
使用电感式接近开关。
它本身就是理想的传感器。
如果有金属靠近它的测量部位,它可以立即发出动作信号。
选取该传感器,精准度高、处理方便、稳定。
因此,本设计中采用方案二。
2.行车距离检测方案
方案一:
通过测试小车的速度,在行驶过程中时间与其乘积即为行驶的距离。
这种方法受影响于电池的参数不同、道路的材料不同等原因,缺点较多。
故不宜采用。
方案二:
在后轮内侧均匀距离贴上M个小磁钢,在车厢上装有霍尔开关元件。
测量车轮的速度,因为在速度很低的情况下车轮和地面紧密接触,如果轮子的周长是C,霍尔开关元件输出脉冲数目等于N,通过N×C/M就能求出行车路程。
只要小磁钢被贴上的地方非常准确,霍尔开关器件安装的比较稳定,测量效果通常比较理想、准确。
通过以上两种方法的优缺点以及小车的结构系统原理考虑,这次设计使用了第二种方案。
3.行车轨迹检测方案
方案一:
用光敏电阻组成光敏探测器。
光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变化。
当光线照射到白线上面时,光线反射强烈,光线照射到黑线上面时,光线反射较弱。
因此光敏电阻在白线和黑线上方时,阻值会发生明显的变化。
将阻值的变化值经过比较器就可以输出高低电平。
但是这种方案受光照影响很大,不能稳定的工作。
方案二:
采用RPR220型光电管。
它属于反射型光电检测器,该发射器属于红外发光二极管,接收器是带有三个电极的晶体管,即光电三极管,该元件检测比较精确。
RPR220具有如下特点:
(1)灵敏度比较高。
(2)可减小离散光给检测带来的问题。
(3)体积小、结构紧密。
如果发光二极管出来的光被反射回来,通过与门限电压作比较,输出高低电平,改变门限电压大小就能改变传感器部分的灵敏度。
操作简单,工作性能稳定。
综合以上两种方案的优缺点和小车的机构性能,本设计采用了方案二。
2.3.4显示电路模块
在LCD上显示里程和时间。
液晶显示屏(LCD)具有轻薄、短小、耗电低,无辐射危险,平面直角显示及影像稳定不闪烁,可视面积大,画面效果好,分辨率高,抗干扰能力强等特点。
LCD液晶屏显示,硬件的连接虽有一些不简单,可是在单片机和整个系统中省下了很多资源。
2.3.5电机模块
本系统为智能电动小车,对于电动车来说,其驱动轮的驱动电机的选择十分重要,由于本设计实现对路径的准确定位与精确测量,因此采用直流减速电动机。
直流减速电动机转动力矩大,体积小,质量轻,装配简单,使用方便。
由于其内部由高速电动机提供原始动力,带动变速齿轮组,可以产生较大扭力。
本设计用软件实现电机调速,能够较好的满足系统的要求。
2.3.6时间计时模块
本设计中,CPU有很大的工作量,需要进行大量的运算和检测,所以,计时这部分要在单片机的外部进行。
由于系统对时间的要求无需十分的精确(即精确到秒),所以故采用DS12887作为本设计的计时芯片,该芯片能够自动计时,并自动更新中断,CPU接收到中断后从DS12887内读取时间之后进行处理,很大程度上降低了CPU的工作量,同时DS12887片内还含易非失性RAM,可以起到对CPU片内RAM的扩展。
DS12887还能够输出频率可调的方波并且与声光报警电路相连,从而简化了硬件电路。
3系统硬件设计
3.1系统总体构成
本系统由主控制器模块、检测系统模块、直流电动机及其驱动模块、电源模块、时间计时模块、声光报警模块、LCD显示电路模块构成。
3.2主控制器模块的硬件设计以及原理图
主控制器模块主要用于各个传感器的接收和辨认、控制电动小车电动机的动作、控制显示行车里程和运行时间信号等。
本设计采用AT80C51单片机作为的主控制模块的核心控制元件,完成电动车的起停、左转、右转控制,同时监测由路面检测模块、金属探测模块和里程测量模块发出的感应信号,实时显示小车运行状态。
3.2.1单片机AT80C51
单片机也称为单片微控制器,它的主要结构是把微型计算机的主要功能器件CPU、输入口、输出口、存储器、中断系统等全部集中在一个半导体芯片上。
单片机结构上的设计,在硬件、指令系统及I/O能力等方面都有独到之处,具有较强而有效的控制功能。
当外加所需的输入、输出设备,就可组成实用的单片机应用系统[8]。
1.AT80C51芯片
AT80C51也称为单片机。
它使用ATMEL高密度非易失存储器技术制作,有良好兼容性。
AT80C51也是一种高能的微控制器,为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价格低廉的方案。
其引脚图如图3.1所示。
2.定时器
AT80C51单片机内部有两个16位可编程定时器/计数器,记为T0和T1。
它既可以当定时器用也可以当计数器用。
定时器/计数器由计数器TH和TL构成。
作为定时器使用则计数频率等于f/12,而且每一个机器周期要加上1[9]。
图3.1AT80C51引脚图
特殊功能寄存器TMOD的格式不同也致使AT80C51单片机的定时器/计数器不同的工作形式,TCON寄存器用来操纵定时器/计时器的开启与停止。
无论何时,只要有溢出生成,就会给CPU发送中断申请。
利用寄存的溢出来触发中断,根据单片机的晶振的频率就能计算出确定的时间了。
TCON与TMOD在定时器中起到了重要作用。
TCON是控制定时器的启动与停止。
TMOD是设置定时器的模式。
如果要使AT80C51的定时器/计数器作正常的工作,首先需对其作初始化的编程处理。
一般AT80C51的定时器/计数器的初始化编程可以通过下面的操作实现:
(1)即给方式控制寄存器TMOD写入控制字。
(2)算出定时或计数的初始值,再把它写进TH和TL中。
(3)根据需要对中断控制寄存器IE置初值,决定是否开放定时器中断。
(4)将运行控制寄存器(TCON)的TR0或TR1置“1”,开启定时器/计数器。
此过程中,需对定时/计时器赋上初始值,通过特定式子可以算出。
计数器是应用加法计数,当溢出时会产生中断,所以计数模值不等于需要的初始值。
如果M为计数器最大计数值,因为工作方式异同,所以M也随之变化。
那么初值X:
(1)计数方式:
X=M-要求的计数值 (3.1)
(2)定时方式:
X=M-
(3.2)
3.外部中断
外部中断:
对某个中央处理机而言,它的外部非通道式装置所引起的中断称为外部中断。
51单片机的外部中断有两种触发方式可选:
电平触发和边沿触发。
选择电平触发时,单片机在每个机器周期检查中断源口线,检测到低电平,即置位中断请求标志,向CPU请求中断。
选择边沿触发方式时,单片机在上一个机器周期检测到中断源口线为高电平,下一个机器周期检测到低电平,即置位中断标志,请求中断。
3.2.2主控模块AT80C51的系统设计
单片机AT80C51与显示电路、计时电路、金属探测电路和速度检测电路相连接。
同时,金属探测电路与速度检测电路为信号输入,显示电路为信号输出。
因为要使单片机引脚的操纵更简便,可以把它的全部引脚靠插口来引出。
P2为10K大小电阻排,P3为LCD液晶显示屏的接口和DS12887的数据口;金属传感器发出的信号从T0进入单片机中;速度传感器发出的信号从T1进入单片机中。
由单片机的P0.0~P0.7口读取和输出显示信号,用P2.0~P2.5作为控制电机转动的输出信号,P1.4口、P1.5口、P2.6口是作为控制LCD液晶显示屏的控制端,P2.7作计时芯片DS12887的控制端,单片机的总系统如图3.2所示。
图3.2单片机AT80C51设计统图
单片机AT80C51用来接收路面检测、金属检测、速度检测电路产生的传感信号,完成控制电动机的起停,左转、右转,液晶显示等功能,左右轨迹检测光电传感器输出信号分别接入单片机的P1.0口与P1.1口,单片机可以通过输入的信息进行计算,做出判断,控制电机的运转及显示器的显示。
3.3传感器模块硬件设计
本设计中使用的传感器为光电传感器、金属传感器、霍尔传感器,其中两个轨迹检测光电传感器连接方式都相同,通过与非门和反向器后连接到单片机的INT0端,原理如下图3.3所示。
在这种连接方式下,CPU通过查询方式判断传感器的状态,为了能够节省CPU时间,在这里采用硬件中断和软件查询方式。
如果其中的一个传感器检测到了有信号并且输出为低电平,INT0端向单片机提出中断,单片机响应中断后,并且对Pl.0口和P1.l口进行查询,查找变为低电平的引脚,从而才能确定为从哪个传感器发出的信号,进而进入相应的处理程序。
图3.3传感器总图
3.3.1轨迹检测硬件电路
1.轨迹检测的原理
设计课题要求电动小车沿黑线轨道行驶,在行驶的途中不能超出轨道轨迹。
所以在小车行驶过程中要时时检测是否脱离黑线轨道。
轨迹检测模块使用红外光电传感器来识别路面黑白两种不同的状态。
当红外光照射在白色路面时,传感器可以接收到反射的红外光,产生电信号输出,电信号大小与所吸收的光子数成比例,并且只有一定波长范围内红外光才能产生电信号,因此传感器的输出受外界环境的影响小,抗干扰能力强。
当红外光照射在黑色轨迹上时,传感器没有电信号输出。
这次设计的方案使用2个光电传感器,把它们固定到电动小车底盘下面。
表3.12个传感器状态真值表
传感器编号
电动车状态
1号传感器
2号传感器
正常行驶
1
1
左偏
0
1
右偏
1
0
从表3.1中可以看出,采用2个传感器检测路面黑线时,当1号传感器为0,2号的传感器是1,那表明小车车体往左方向偏移,控制右边的电动机反转,然后小车往右偏转又开始按规定的轨迹行进。
当1号传感器为1,2号传感器为0时,就代表电动小车向右偏移,左侧的电动机反转,然后小车向左转动重新回到轨道上来。
2.路面检测的电路图
采用红外光电传感器的反射原理,即没有检测到黑线时,红外线会经过地面反射回去,由敏感元件接收并输出一个信号,而如果检测到黑线,红外线会被黑线吸收不能反射回来,敏感元件接收不到红外线就会输出另一个信号。
从而起到检测黑线的目的。
两个路面传感器电路图如图3.4所示。
(a)1号传感器的电路图
(b)2号传感器的电路图
图3.4 路面检测传感器电路图
3.3.2金属块探测模块原理及电路设计
1.金属块探测模块原理
金属探测模块主要用于轨道中金属的探测。
金属为导体,当受到时变电磁场的作用时内部就会形成电涡流。
故在这次设计中使用的电涡流式传感器对金属块进行检验。
电涡流式金属传感器是依据磁场理论进行工作的。
该器件的检测部分是通过空心线圈组成的。
如果有振荡电流经过线圈,
- 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:
- 基于 单片机 自主 电动 小车 设计