语音智能小车循迹避障寻光部分的设计.docx

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语音智能小车循迹避障寻光部分的设计

摘要

智能小车其实是一种小型化机器人，它通过执行特定的程序来完成不同的功能。

由于靠程序来运行，智能小车的智能化程度非常高，可以在无人管理的情况下连续完成一系列复杂的任务，而且智能小车功能多样，只需要下载不同的程序就可以完成特定任务，调试简单，这使得智能小车在诸如科学研究、地质勘探、危险搜索、智能救援、汽车避障、货物运输等许多领域中应用广泛。

本设计中，采用51单片机作为小车控制的核心，实现小车的循迹、避障、寻光、加减速和语音控制等功能。

小车系统主要由避障模块、循迹模块、测速模块、显示模块、寻光模块、电机驱动模块、语音模块和电源模块组成。

小车采用模式切换的方式来执行不同的功能；采用四组红外发射对管和电压比较器实现循迹功能；采用超声波和舵机模块实现避障功能；采用四组光敏二极管实现寻光功能；采用PWM调速原理实现小车加减速功能；采用四组数码管来显示小车的速度或距离。

语音控制是本设计的亮点之一，此功能的实现要基于带有语音播报和控制功能的SPCE061A单片机，通过初始化、训练、识别几个步骤后，就能实现小车前进、倒退、左拐、右拐和停车五个语音功能。

本次设计出的智能小车集各种常见功能于一身，是一个功能齐全，性能先进的多功能语音智能车。

关键词：

智能小车，SPCE061A，单片机，循迹，避障，寻光，语音控制

ABSTRACT

Smartcarisactuallyakindofminiaturerobot,whichcancompletedifferentfunctionsbyperformingaparticularprogram.Becauseit’runningisbasedonprogram,theintelligentdegreeofintelligentcarsisveryhigh,seriesofcomplextaskcanbedonecontinuouslyinthecaseofunattended,andsmartcarhaslowproductioncost,simplecircuitstructure,convenientdebugging。

Theseadvantagesmakethesmartcarwidelyused，suchasscientificresearch,geologicalexploration,dangeroussearch,intelligentaid,carobstacleavoidance,transportationandmanyotherfields.Inthisdesign,the51SCMisusedasthecoreofthecarcontroltorealizethecartracking,obstacleavoidance,lightsearching,accelerationanddecelerationofspeed,andvoicecontrol.Carsystemismainlycomposedofobstacleavoidancemodule,trackingmodule,Speedmeasuringmodulemodule,displaymodule,opticalmodule,motordrivemodule,voicemoduleandpowermodule.Thecarperformsdifferentfunctionswiththemethodofmodeswitches；Cartrackingisrealizedbyusingfourgroupsofinfraredemissionoftubefunction；Carobstacleavoidancefunctionisrealizedbyusingultrasoni；Lightsearchingfunctionisrealizedbyusingfourgroupsofphotosensitivediode；PWMspeedregulationprinciplewasadoptedtorealizetheaccelerationanddecelerationofspeed；Usingfourdigitaltubetodisplaythecarspeedordistance；Voicecontrolisoneofthehighlightsofthisdesign,whichisrealizedbasedonSPCE061Awithspeechandcontrolfunction.throughtheinitialization,trainingandrecognitionseveralsteps,wecanrealizetheforward,backward,left,rightfourvoicefunction.Thedesignofintelligentcarhavingvariouscommonfunctionsinone,isafullyfunctional,performanceadvancedmulti-functionvoiceintelligentcar.

Keywords:

intelligentcar，SPCE061A，racking，obstacleavoidance，lightsearching，voicecontrol

1绪论

1.1智能小车概述

智能小车是一个集成了多种功能的综合系统，能感知周边环境的变化，主动做出决策并实现自动驾驶，广泛应用于自动控制和自动驾驶领域。

智能车的功能实现运用了多种技术，融合了多学科知识，如模拟电子技术、数字电子技术、单片机技术、计算机技术、通信技术、传感器技术、导航技术、人工智能技术，这些知识的融合最终造就了性能先进的智能小车。

在毕业设计以及各种竞赛中，都经常采用智能小车作为题目，这些题目为学生提供了开发智力、培养兴趣的广阔平台，不仅可以培养学生的创新能力和独立解决问题的能力，还能锻炼学生的团队合作精神和责任心。

飞思卡尔是一项在各大高校中有广泛影响力的比赛，该赛事中，也采用了智能小车的题目。

这类比赛只要求参赛者实现循迹功能，但不限定使用哪种方式实现这一功能，所以选手们有多种选择，他们选择的方案会在比赛中一比高下，经过不断地改进方案，每种实现方案都会使小车的性能得到很大提升。

在毕业设计中，设计者设计的小车往往只能完成循迹、避障、寻光、语音控制中的某一项功能，这样就限制了小车的功能，不能充分发挥学生的想象力和创造能力。

我们设计的智能车就考虑到了这个问题，在设计中就想到把各种常见功能集中在一起，让智能车成为真正意义上的智能车。

我们设计的小车可以完成循迹、避障、寻光、语音控制以及加减速五大功能，当然在此基础上还可以拓展出更多实用的功能。

1.2智能小车研究意义

进入21世纪，随着我国科学技术的迅速发展，智能化和自动化技术得到广泛普及，各种各样的高新技术也应用到智能小车和机器人的设计制造中，技术的突破使得智能车步入了发展的快车道。

提高生产技术的需要对自动化技术提出了更高的要求，这意味着要开发出智能化水平更高的智能车产品以及其延伸产品以适应不同领域的要求。

目前，已有许多功能多样、性能先进、设计前卫的智能车产品，它们的广泛应用一定会为各行各业带来新的生机。

智能小车融合了多学科知识，这些知识涉及到传感器、计算机、单片机、软件、通信等领域。

智能小车要能轻松应对各种复杂的路况，能自动感知路面的情况并自主的做出决策，设法避开障碍物，向目标区域前进，当然还可以给智能小车安装导航定位系统，实时控制智能车的位置。

智能小车的研究意义非凡，因为它可以作为一个平台，为更复杂的智能车辆的研究提供充分的技术准备。

未来的汽车将是十分智能的，在无人驾驶的情况下就能实现自动驾驶，这样，人们在驾驶车辆时，如果出现驾驶疲劳或疏忽大意的情况，自动驾驶功能就能自动接管车辆，让汽车安全平稳的行驶到目的地，人们的生命安全就有了保证，可见智能小车的研究是有重大意义的。

汽车业的发展日新月异，人们对智能汽车的关注度也越来越高，各国都在积极开展智能车的研发，以期在智能车研究中领跑世界，尽早开发出实用安全的智能汽车，抢占市场先机。

智能车作为智能机器人的一个分支，其研究成果将直接推动机器人的研究工作，尤其是对移动机器人的研究。

移动机器人运用了传感器、移动通信等很多高科技技术，使得移动机器人能自主判断，自动推理和自动决断。

对智能小车的研究可以为智能车辆和机器人的研究提供技术支撑，各国都不惜投入大量人力物力去开展丰富多彩的智能小车项目。

全国电子竞赛和各高校开展的各种竞赛和设计中都可以见到智能小车的身影，这些题目不仅可以让学生将各个学科的知识整合起来，达到学以致用的目的，又能为智能小车的研究提供宝贵的经验和技术。

由此，我们可以看出，智能小车的研究意义是巨大的。

1.3国内外智能车的研究现状

智能车的发展大致经历了以下几个阶段：

第一阶段：

上世纪中叶，智能车的研究才刚刚起步。

1954年美国一家公司首先开发出了一种引导系统，这种系统实际上是一个运货平台，可以在固定线路上自动驾驶。

由于它具备了智能车的基本特征即自动驾驶，所以可以把它看做智能小车的雏形。

很显然，对这套系统的研究将提高货物运输的自动化水平。

刚开始时，这套系统仅仅应用于仓库货物的自动运输，这就限制了它的使用范围，该系统在计算机技术得到广泛发展之后才在各领域中咱露头角并最终大展身手。

第二阶段：

80年代起，世界上几个发达国家对智能车的研究取得了实质性进展，攻克了了许多技术难题，这标志着智能车的时代即将到来。

欧洲启动了很多研究项目，在当时智能车的研究上走在了世界前列。

美国也在该领域进行了多年的研究，自动高速路联盟就是其成果之一，它的出现为智能车的可行性研究提供了有力的平台，因此让智能车进入了实用化普及的快车道。

在亚洲，日本在该领域的研究处于领先地位。

二十世纪末，日本成立了巡航和驾驶协会，以便能更好的研究智能车的导航性能，这个协会的诞生促进了日本智能车研究的迅速发展，带动了汽车工业的整体大跨步发展。

80年代中期，智能车的设计研发形成了一股席卷全世界的巨大力量，世界各大研究机构和汽车公司都竞相参开智能车研发竞赛，这促使智能车技术迅猛发展，日益成熟。

第三阶段：

90年代以来，智能车时代才真正到来，对智能车的深入系统研究开始大规模展开。

不得不提的是，美国卡内基-梅陇大学机器人研究所研发出名为Navlab系列的智能车，性能十分先进，设计理念也很独到，当时给很多人不小的震撼。

相比于国外，我国对智能车的研究起步是比较迟的，在上世纪80年代才刚刚认识到智能车研究的重要性，而且那时开展的多数研究都比较单一，主要是对单一技术的研究。

虽然我国的整体研究步伐与发达国家相比还有很大差距，在技术上还有很多难题难以解决，但是我国取得的成绩也是值得肯定的，这些成果主要有：

一汽集团公司和国科大联手，于2003年推出了我国第一辆智能车，它是一辆自主驾驶的轿车。

这辆轿车在高速路上正常行驶时，性能十分出色，最高速度可达170km/h。

在前方有车时能实现自主超车，可见智能化程度不容小觑，其各方面性能和指标已经达到甚至超过世界一流水平。

上海交通大学综合使用汽车控制理论和动力学理论建立模型设计出了一辆汽车模型，该模型十分智能，在弯道上行驶时，根据对弯道测量得到的数据，就可以知道弯道的弯曲程度，进而计算出方向盘所需的的转向角，实现车辆完美转弯，继续向前行驶。

吉林大学设计的智能车更加先进，该车装有CCD感光器件，能实时识别地面的状况，实现自主驾驶。

车辆由图像处理、自动避障、动力输出和制动系统几个主要模块组成，无论是直线道路还是崎岖道路，该车均能轻松驾驭，车速高达20km/h。

我国在智能车的研究上还有很长的路要走，也要面对很多困难，但是近年来的研究让我们看到了希望，充分发挥自主创新能力，我国的智能车在性能和可靠性上都有长足的进步，有望在不远的将来赶超发达国家。

1.4设计要求和设计思路

1.4.1设计要求

设计要求：

设计出一辆基于单片机的智能小车，要求小车能完成循迹、避障、寻光、语音控制和加减速等基本功能。

在避障模块下，小车能显示距离障碍物的距离，在其他模式下，小车能显示实时行驶速度。

1.4.2设计思路

1.鉴于单片机的中断系统和I/O口数量有限，本设计采用模式切换方式实现各个功能，模式1-5分别实现避障、语音、寻光、循迹和加减速功能。

2.利用四组红外发射对管和集成的中控板来完成循迹功能。

3.采用超声波和舵机模块实现避障功能，舵机采用PWM控制。

4.采用光敏二极管寻找光源。

5.采用槽型光电传感器实时测量小车的行驶速度。

6.采用PWM控制小车的速度，实现自动加减速功能。

7.采用基于动态扫描方式的四位数码管显示模式和速度以及距离参量。

8.采用SPCE061A自带的语处理功能进行语音播报和语音控制功能。

注：

本人主要负责设计循迹、避障、寻光、加减速四个功能。

语音控制功能和主要软件设计由其他组员负责完成，这部分内容在本论文中只做简要介绍。

2方案选择

2.1任务分析

本设计要求小车完成循迹、避障、寻光、语音控制功能，各功能之间能顺畅切换。

现在进一步明确任务。

循迹模式：

小车能以一定速度平稳的沿铺有黑带的椭圆形路线行进。

四组红外发射对管获取黑白路面的基本信息，经过电压比较器比较，输出一个电平给单片机，单片机通过执行相应的循迹程序，对信息做出处理，之后对四个电机发出控制信号，及时调整小车方向，达到控制小车沿着椭圆形路径行驶的功能。

避障模式：

小车要能及时检测到前方障碍物，并能有效的绕开障碍物继续行驶，不能触碰到障碍物。

舵机控制超声波发射接收模块的转向，舵机采用PWM控制方式，超声波模块把反应距离量的信号送给单片机，单片机可以计算出距离，并根据避障程序处理距离信息。

当正前方检测到障碍物距离小于某一给定值时，舵机左转，之后右转，带动超声波模块转向以测量左右两侧障碍物距离，并对左右距离进行比较，小车向距离量较大的一侧转弯，如果两侧距离都小于给定值，小车倒退一定距离并再次检测。

寻光模式：

小车能检测到附近光源的存在，并在光源的引导下做出前进，左拐，右拐的运动。

小车前方安装四只光敏管，呈弧形排列，四组光敏管检测到的信息通过中控板反馈给单片机，单片机通过调用寻光程序对信息进行处理。

当只有中间的光敏管检测到光源时，单片机发出指令，小车前进；只有两边的光敏管检测到光源时，单片机发出指令，小车左转或右转以跟踪光源，这样，小车在光源的引导下就能自动跟踪光源。

加减速模式：

小车的速度调制采用PWM方式，通过一个减速度参量，每隔一定时间让该变量自动增加或减少，就可以改变PWM信号的占空比，从而改变小车的速度量级。

小车能在直线路段上自动加速行驶，速度达到最大时，能自动加速行驶，直到停止，一定时间后再次加速运动。

小车的加速减速过程依次进行，这是此模式下小车的运动特点。

语音模式：

基于SPCE061A的强大语音功能，小车训练成功后，就能识别训练者的声音。

通过将采集到的语音信息和语音库中的信息进行对比，构建模型，模型构建成功后，便能按着训练者发出的语音命令，做出前进、倒退、左拐、右拐以及停车五个语音控制功能。

2.2系统总框图

根据设计任务要求，该设计以单片机为主控模块，其他功能模块为辅助模块，单片机通过中断或查询的方式采集各个模块的信息，通过执行相应的程序来处理信息，最后向各模块发出控制指令，控制各模块完成相应的功能。

系统的总体框图如图2.2所示：

图2.2系统总框图

2.3方案选择依据

2.3.1循迹模块

方案一：

采用红外对管

把几只红外对管等间距安装在小车前下方，小车红外对管能发射并接受红外信号，而颜色接近白色和黑色的路面对红外光的吸收效果不同，因此，如果制作一个宽度适当的黑色路径，小车行驶过程中，根据单片机收到的各路对管的信号，就能判断小车处在路径的位置，继而控制小车方向，完成循迹任务。

优点：

电路设计相对简单，检测信息速度快 ，成本低 ，体积小，结构紧凑，塑料透镜可以提高灵敏度，调理电路简单，工作性能稳定。

缺点：

检测精度不高，检测范围窄，对外界自然光敏感。

方案二：

采用CCD感光元件

通过对智能小车配备CCD摄像机，传感器和车载电脑，可以将小车行驶路径周边环境的数据资料下载到计算机中，组成数据库。

小车在行驶过程中，将相机捕捉到的图像数据送给单片机，由图像处理软件进行处理，再与图像数据库中的资料进行比对，就能对小车定位，继而对小车下一步的行驶路径做出调整，顺利完成循迹功能。

小车并不需要下载相应的路径程序来实现循迹，而是将实时监测环境数据，实时调整运行方向，这也使得小车有很高的灵活性。

各种功能强大的图像采集和处理芯片发展迅猛，这意味着，安装这些芯片的智能小车的功能也将越来越强大。

优点：

检测前瞻距离远 ，检测范围宽，检测道路参数多，能对路面信息进行准确完备的反应。

缺点：

电路相对设计复杂，检测信息更新速度慢，软件处理数据较多，有一定的延迟时间，单片机负担重。

综上所述，CCD感光元件虽然比较精确，但对处理器要求很高，这就要求配置性能卓越的计算机，这对于一个小型设计来说并不是适合的选择。

而红外对管价格便宜，容易获得，且稳定性好，故选择方案一。

2.3.2避障模块

方案一：

超声波避障

利用PWM控制原理，让单片机产生一个40kHz矩形波信号，再由超声波发射器向某一方向发射这种调制好的超声波，在发射的同时单片机开始计时，超声波碰到障碍物返回，超声波模块接受到反射回来的信号就向单片机发出信息，单片机停止计时。

根据时差，就可以得出小车距障碍物的距离，即：

S=VT/2（其中V是波速，T是时差）。

优点：

夜间能继续工作，可以测量多种颜色和形状的目标，分辨率高。

缺点：

测量范围狭窄，需要安装舵机控制方向，不能直接计算出距离量，要通过查询来计算距离，处理速度相对较慢。

方案二：

采用激光雷达

激光发射激光束，对目标区域进行快速扫描，激光束遇到障碍物信号就会返回,回波信号被激光接收端接受并经放大器放大，输入到系统进行分析、处理，就可以得到探测区域的像。

设激光在整个传播过程中耗时为t,由公式L=（c*t）/2（其中c是光速，t是时差）就可得出距离。

优点：

夜间不受自然光的影响,也不受天气、季节变化的影响。

缺点：

价格昂贵，受飞尘影响较大。

超声波传感器测距原理简单，价格便宜，适应于小范围测量，因此适合安装在小车上。

激光雷达价格昂贵，算法复杂。

故在能完成设计要求的基础上，我们选用方案一。

2.3.3寻光模块

方案一：

采用光敏二极管

采用光敏二极管实现寻光功能，将光敏二极管排列成弧形，安装在小车前方。

一般可用四组光敏管就能很好的完成任务，其中两只安装在小车正前方，另外两只分别安装在小车左前方和右前方。

当小车前方检测到光源时，小车将直线行进；当小车左前方检测到光源时，小车将左拐以跟踪光源；当小车右前方检测到光源时，小车将右拐以跟踪光源。

优点：

电路设计简单，反应速度快，反应灵敏，探头不需要移动。

缺点：

精确度较差，容易受自然光的干扰，算法复杂。

方案二：

采用光电池

利用感光元件对小车周边光强实时监测，光电池的输出电压与环境光强成正比，光线强时输出电压较高，光线减弱时，输出电压也随之减小。

在小车前方安装两块光电池就可以判断光源的位置，并对光源进行持续的测量跟踪。

基本原理为：

1.光源位于左方时，左边光电池输出电平将大于右边的输出量，单片机发出左转指令，小车应左转；

2.光源位于右方时，右边光电池输出电平将大于左边的输出量，单片机发出右转指令，小车应右转； 

3.当两边光电池输出电平相等时，说明光源位于小车正前方，单片机发出前进指令，小车前进。

优点：

反应迅速，灵敏度高。

缺点：

电路复杂，价格昂贵，受光源影响大。

综上，考虑到寻光模块的性价比和可靠性都比较高，我们选择方案一。

2.3.4显示模块

方案一：

用LCD显示。

优点：

有较小的辐射，可以显示复杂的内容，显示效果好，画面稳定。

缺点：

刷新效率低，耗能比LED大，不能在低温下工作，有可视范围限制。

方案二：

用LED显示。

优点：

成本低，性价比高，亮度高

缺点：

不能显示复杂图形，如汉字，显示内容受限。

对于本课题的要求，只需要显示速度、距离这些数字量，我们选择LED显示就可以实现功能，且LED显示内容不多，低功耗，显示画面稳定不闪烁，硬件电路设计简单。

故选择方案二。

2.3.5测速模块

方案一：

采用光敏元件

光敏元件是用来测速的常用元件，它和能在不同时间隔断光信号的码盘配套使用。

码盘上有许多小孔，与小车转动轮连接，光敏器件发出的光通过码盘的孔照射到光敏元件上，光敏管导通，输出一个低电平给单片机。

当光信号被阻挡时，光敏管接受不到光信号，管子截止，输出一个高电平给单片机。

码盘随车轮转动一周，光敏管导通的次数等于码盘开孔的数量，根据测得的高电平个数，由公式v=N/M*S/T（其中N为高电平个数，M为码盘开孔数，S为小车车轮周长,T为小车运行时间）就可以计算出小车行驶速度。

优点：

灵敏度高，原理简单，算法简单，测量实时性好，反应速度快。

缺点：

容易受外界光源干扰，可靠性较差。

方案二：

 采用霍尔传感器 

霍尔传感器测速是利用电磁感应原理来测速的，它的输出电平可以很好的兼容TTL电平。

在小车转轴上安装一个表面有很多小磁钢的圆盘，分辨率的高低将取决于磁钢数目。

霍尔开关安装在圆盘附近，随着圆盘的旋转，小磁钢正对霍尔开关时，霍尔开关输出的信号将达到最大值，根据这些峰值的个数就可以得出小车速度。

优点:

电路结构简单，容易安装，体积小，可靠性高，使用寿命长。

缺点：

不能线性输出，互换性差，受温度影响大。

由于两种方案原理不同，但测速算法大致相同，应该都是不错的选择。

选择方案一即可实现。

3硬件介绍与设计

3.1主模块

3.1.151系列单片机开发板

本设计除语音功能采用凌阳SPCE061A单片机实现外，其他功能均采用51系列单片机实现，为了使用更多的集成功能，我们采用了51系列单片机开发板，板子的基本构造和功能如图3.1.1所示。

单片机开发板是供用户学习和实验的一体化器件，功能多样，可以反复下载程序，性价比高。

开发板控制器的心脏基于51单片机内核STC89C52单片机，除了主控芯片外，开发板集成许多其他模块，如四位数码管、蜂鸣器、蓝牙无线通信模块、温度传感器、电源模块、一体红外接收模块、按键模块等。

单片机开发板不仅可以供用户学习使用，也可以使用板上的某一模块作为硬件模块，实现某一具体的功能。

51单片机开发板提供了功能强大的模块，可以实现丰富多样的功能，可以帮助学习者通过一系列小实验加深对单片机汇编语言、C语言的学习，深入了解单片机的结构和各模块之间的联系。

开发板采用USB接口供电，供电电压低，具有低电压复位功能，板上所有的I/O口都单独引出。

用汇编语言和C语言都可以编程，汇编语言是低级语言，编程过程复杂，程序可读性差，所以我们的设计都用C语言编程。

下载程序时，直接用STC公司提供的下载线和下载软件，开发板与计算机USB接口直接相连，下载过程简单，只需要进行简单的设置即可进行下载。

图3.