避障小車課程設(shè)計(jì)報(bào)告書

1、1. 緒論21. 1課題背景21.2 課題的目的和意義21.3 設(shè)計(jì)要求21. 4主要技術(shù)指標(biāo)32. 設(shè)計(jì)方案32. 1總體方案概述32.2系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)方案32.3電機(jī)模塊42.4超聲波模塊52.5整體效果圖73. 設(shè)計(jì)思路73.1學(xué)習(xí)熟悉基本模塊驅(qū)動(dòng)73.2總體方案93.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)與測距的結(jié)合方法93.4系統(tǒng)軟件流程圖103. 5存在的問題及解決辦法114. 設(shè)計(jì)結(jié)果及質(zhì)量評價(jià)115. 原件清單126. 應(yīng)用前景127. 心得體會(huì)12附錄一參考文獻(xiàn)14附錄二程序代碼及注釋151. 緒論11課題背景機(jī)器人是先進(jìn)制造技術(shù)和自動(dòng)化裝備的典型代表，是人造機(jī)器的“終極”形式。它涉及 到機(jī)械、電子、

2、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、人工智能、傳感器、通訊與網(wǎng)絡(luò)等多個(gè)學(xué)科和領(lǐng)域，是 多種高新技術(shù)發(fā)展成果的綜合集成，因此它的發(fā)展與眾多學(xué)科發(fā)展密切相關(guān)，代表了高科技 發(fā)展的前沿。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展人們發(fā)明了各式各樣的具有感知，決策，行動(dòng)和交互能力的機(jī) 器人，自第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人誕生以來，機(jī)黠人的發(fā)展已經(jīng)遍及機(jī)械、電子、冶金、交通、宇 航、國防等多個(gè)領(lǐng)域。近年來機(jī)器人的智能水平不斷提高，并且迅速地改變著人們的生活方 式，隨著它在人類生活領(lǐng)域中的應(yīng)用不斷擴(kuò)大，將會(huì)給人們的生產(chǎn)生活帶來了巨大的影響。在國外機(jī)器人的發(fā)展有如下趨勢。一方面機(jī)器人在制造業(yè)應(yīng)用的圍越來越廣闊，其標(biāo) 準(zhǔn)化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的程度越來越

3、高，功能也越來越強(qiáng)，并向著技術(shù)和裝備成 套化的方向發(fā)展；另一方面，機(jī)器人向著非制造業(yè)應(yīng)用以及微小型方向發(fā)展，如表演型機(jī) 器人，服務(wù)機(jī)型器人，機(jī)器人玩具等。國外研究機(jī)構(gòu)正試圖將機(jī)器人應(yīng)用于人類活動(dòng)的各 個(gè)領(lǐng)域。在我國機(jī)器人主要應(yīng)用于工業(yè)制造領(lǐng)域，我國工業(yè)機(jī)器人現(xiàn)在的總裝機(jī)量約為120000 臺(tái)，其中國產(chǎn)機(jī)器人占有量約為1/3,即40000多臺(tái)。與世界機(jī)器人總裝機(jī)臺(tái)數(shù)7500萬臺(tái) 相比，中國總裝機(jī)量僅占萬分之十六對中國這樣一個(gè)擁有13億人口的大國來說，僅在 機(jī)器人數(shù)量上就和發(fā)達(dá)國家有著很明顯的差距。因此大力發(fā)展我國的機(jī)器人事業(yè)刻不容緩。智能小車可以理解為機(jī)器人的一種特例，它是一種能夠通過編程手段完

4、成特定任務(wù)的小 型化機(jī)器人。與普遍意義上的機(jī)黠人相比智能小車制作成本低廉，電路結(jié)構(gòu)簡單，程序調(diào)試 方便，具有很強(qiáng)的趣味性，為此其深受廣大機(jī)器人愛好者以及高校學(xué)生的喜愛。全國大學(xué)生 電子設(shè)計(jì)競賽每年都設(shè)有智能小車類的題目，由此可見國家對高校機(jī)器人研究工作的重視程 度。1. 2課題的目的和意義本題目設(shè)計(jì)的是具有自動(dòng)避障功能的智能小車，其設(shè)計(jì)思想與一些日常生活迫切需要 的機(jī)器人（如測距機(jī)器人，搜索機(jī)器人，管道探傷機(jī)器人）類似。由于采用了超聲波傳感 器，它不受光照強(qiáng)弱和能見度的影響，能耗低，靈敏度高，即使在較復(fù)雜的環(huán)境也可以工 作。智能小車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用了模塊化的設(shè)計(jì)方法，電路結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便，有很

5、大的 擴(kuò)展空間，稍加改動(dòng)便可應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)生活中，也可作為高校學(xué)生以及廣大機(jī)器人愛好 者學(xué)習(xí)研究使用。13設(shè)計(jì)要求1. 小車可以檢測到前方障礙物2. 小車可以自動(dòng)躲避障礙物3. 小車能夠顯示距障礙物的距離1.4主要技術(shù)指標(biāo)工作電壓：5V工作電流：30mA典型，50mA最大 工作頻率：3& 5KHz最大探測距離：1.8 m最小探測距離：3 cm輸入觸發(fā)器：上升沿觸發(fā) 回波脈沖：正TTL高電平脈沖寬度下一次測量的延時(shí)：20 ms2. 設(shè)計(jì)方案2. 1總體方案概述本小車使用一臺(tái)AT89S51單片機(jī)作為主控芯片，它通過超聲波測距來獲取小車距離障礙 物的距離，并且用數(shù)碼管實(shí)時(shí)的顯示出來，在小車與障礙物的

6、距離小于安全距離（用軟件設(shè) 定）時(shí)，小車會(huì)發(fā)出“在距您車前方x （數(shù)碼顯示的實(shí)時(shí)距離）米的地方有一障礙物，請您 注意避讓”的語音提示，并且拐彎，以避開障礙物，同時(shí)會(huì)點(diǎn)亮相應(yīng)側(cè)邊的發(fā)光二極管作為 提示信號(hào)。在避開障礙物后，小車會(huì)沿直線前進(jìn)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的簡易智能小車分為幾個(gè)模塊：單片機(jī)控制系統(tǒng)、超聲波路面檢測系統(tǒng)、前 進(jìn)、轉(zhuǎn)彎控制電機(jī)以及方向指示燈系統(tǒng)。它們之間的相互關(guān)系如下圖1所示。超聲波測距單片機(jī)系統(tǒng) 二 電機(jī)圖1智能小車簡要原理框架圖2.2系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)采用了模塊化的設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)硬件電路由超聲波避障模塊，單片 機(jī)最小系統(tǒng)模塊，顯示模塊，電源模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)以及聲光報(bào)警

7、模塊，電源模塊七部分組成， 各模塊即可組合聯(lián)調(diào)也可單獨(dú)使用。如圖2所示為智能小車硬件設(shè)計(jì)方框圖。圖2智能小車硬件設(shè)計(jì)方框圖2.3電機(jī)模塊P1_O控制右邊的伺服電機(jī)，P1J控制左邊的伺服電機(jī)如下圖3。圖3電機(jī)引腳連接圖控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)速的是高電平持續(xù)的時(shí)間。高電平持續(xù)時(shí)間為1.5ms （零速度點(diǎn)）時(shí)，電機(jī)靜止（標(biāo)定以后），如圖4。圖4電機(jī)轉(zhuǎn)速為零的控制信號(hào)時(shí)序圖注：標(biāo)定方法：通過發(fā)送一個(gè)校準(zhǔn)信號(hào)到伺服電機(jī)，連續(xù)旅轉(zhuǎn)伺服電機(jī)的零位信號(hào)為L5mso如果電機(jī)還沒有進(jìn)行零點(diǎn)標(biāo)定，如圖3所示，用螺絲刀輕輕調(diào)節(jié)馬達(dá)上的電位器, 直到馬達(dá)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。圖5伺服電機(jī)的標(biāo)定高電平持續(xù)時(shí)間為1.3ms時(shí)，電機(jī)順時(shí)針全速旋

8、轉(zhuǎn)，如圖6。Vdd (5V)Vss (OV)1.3 ms 20 ms圖6 1.3ms的控制脈沖序列使電機(jī)逆時(shí)針全速旋轉(zhuǎn) 高電平持續(xù)時(shí)間l7ms時(shí)，電機(jī)逆時(shí)針?biāo)俾棉D(zhuǎn)，如圖7。Vdd (5V)Vss (0V)20 ms圖7 1.7ms的控制脈沖序列使電機(jī)順時(shí)針全速旋轉(zhuǎn) 高電平持續(xù)時(shí)間越靠近零速度點(diǎn)，速度越小.遠(yuǎn)離零點(diǎn)越大速度越大。 通過控制脈沖序列，可以實(shí)現(xiàn)小車的加速、減速、原地轉(zhuǎn)彎、繞軸族轉(zhuǎn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等 一系列的運(yùn)行動(dòng)作。2.4超聲波模塊VCC 接+5V.GND 接 VSS, SIG 接 P15,如圖 8。Host DeviceInput Trigger Pulsetou 丁2 ps (min

9、), 5 ps typicalPING) SensorEcho HoldofftwoLDorr750 psBurst FrequencyteURST200 ps 40 kHzEcho Return Pulse Minimum115 MSEcho Retum Pulse Maximum18 5 msDelay before next measuremerd200 ps圖9超聲波模塊時(shí)序工作圖VddV58ooooo nnnnn d 口口 uuuuu ooooa ODDO ooooa OOODO nnnnn ODD 口 OUQU 口OODDQ DODO匚I li OCT nnn圖8超聲波模塊超聲波是

10、一種振動(dòng)頻率高于聲波的機(jī)核波，由換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生宸動(dòng)產(chǎn)生, 在碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射回波，超聲波傳感器就是根據(jù)超聲波在物體界 面上反射的反射、散射特性檢測物體的存在與否。超聲波模塊可以提供無接觸的測量，從3厘米到L8米的距離測量，可以用來辨別障礙 物。5vOvSonar TX如圖9所示，從SIG管腳輸出觸發(fā)脈沖Tout后，模塊自動(dòng)發(fā)射8個(gè)40kHz的超聲波， 緊接著把SIG置高電平，直到收到回聲后才把SIG置低，如果超時(shí)，則模塊自動(dòng)復(fù)位。模塊工作頻率：3& 5KHz,即工作周期約26ms,而整個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)一次測量的時(shí)間圍為 tout+1ho 1 doff+t in,約為

11、 0. 8ms 到 19. 3ms 0距離distance=time*Cair/2,其中Cair為超聲波在空氣中的傳播速度，由于受空氣溫 度影響,Cair=331.5+0. 6*Tc；SIG的脈沖寬度即為超聲波發(fā)射和接收的時(shí)間差time,圍115us 到18. 5mso將數(shù)據(jù)代入計(jì)算出distance的圍恰好在3cm到18叭滿足技術(shù)指標(biāo)。2.5整體效果圖圖10整體效果圖3. 設(shè)計(jì)思路3.1學(xué)習(xí)熟悉基本模塊驅(qū)動(dòng)(1)實(shí)現(xiàn)小車前進(jìn)、繞軸旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)等基礎(chǔ)運(yùn)行動(dòng)作。 /*小車前進(jìn)*/void forward()int j;for (j=0；j20；j+)re=l；delay nus(1300):re=0；

12、delay nus (20000):le=l；delay nus (1700):le=0；delay_nus(20000)； /*小車原地右轉(zhuǎn)90度*/ void right90()int j;for(j=0；j17；j+)re=l；delay nus(l640):re=0；delay nus(20000):le=l；delay nus(1700);le=0；delay nus(20000)； /*小車原地左轉(zhuǎn)90度*/void left90()(int j;for(j=0；j17; j+)re=l；delay nus(1300)；re=0；delay nus(20000):le=l；dela

13、y nus(1360):le=0；delay nus(20000):/*小車原地轉(zhuǎn)180度*/ void right 180()int j;for(j=0；j30；j+)re=l；delay nus(1300)；re=0；delay nus(20000)；le=l；delay nus(1360):le=O；delay nus(20000):(2)超聲波傳感器驅(qū)動(dòng)的測距子程序。 void getx(unsigned char a) TH0=TL0=0；if (a)Sin=0；Sin=l；delay nus(10)；Sin=0；while(Sin)； while(!Sin)；TRO二1；while

14、(Sin);TRO二0；LTime=TL0；HTime-THO；Time=HT ime*256+LTime；Dis=Time/(2*29)；3-2總體方案釆用狀態(tài)機(jī)模型，定義state為前行狀態(tài)，state二2為左轉(zhuǎn)狀態(tài)，兩狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件為 distance滿足一定壁障圍，所以測距程序宜嵌入兩狀態(tài)中編寫，如圖9。另外測距后進(jìn)行顯 示，可以嵌入測距程序。圖11整體方案一狀態(tài)機(jī)模型3.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)與測距的結(jié)合方法考慮到電機(jī)是靠高電平驅(qū)動(dòng)的，低電平的時(shí)間對于驅(qū)動(dòng)電機(jī)是無用的，可以用定時(shí)器控制低電平時(shí)間，讓測距程序插入電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序的低電平時(shí)間（取代延時(shí)函數(shù)），從而節(jié)約了 單片機(jī)等待時(shí)間，使單片機(jī)在這段低電

15、平時(shí)間執(zhí)行完測距程序后可以執(zhí)行其他程序（在最后 擴(kuò)展顯示模塊程序時(shí)，確實(shí)發(fā)現(xiàn)了這樣做的方便之處）。這里超聲波模塊實(shí)現(xiàn)一次測距的時(shí) 間圍約為0.8ms到19. 3ms,所以不妨設(shè)置定時(shí)器定時(shí)30ms。測距程序插入電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序的另一好處是可實(shí)現(xiàn)小角度動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)壁障，而不是旋轉(zhuǎn)固定角度。 另外，定時(shí)器控制固定的低電平時(shí)間有利于小車的穩(wěn)定運(yùn)行。因?yàn)槿舨贿@樣（即低電平時(shí)間 二固定的延時(shí)+不確定的測距時(shí)間），在壁障距離以外時(shí)，小車則會(huì)因?yàn)檎系K物的越來越近而 速度越來越快，無法輸出穩(wěn)定的速度。具體時(shí)序圖如下（這里能體現(xiàn)一個(gè)周期的運(yùn)行）：30mstlPIOsonar_d etec t/SIG01 1圖12電機(jī)驅(qū)

16、動(dòng)與測距結(jié)合時(shí)序圖 圖13程序流程圖本設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，由主程序定時(shí)子程序、電工及控制子程序（前進(jìn)、 原地左轉(zhuǎn)、原地右轉(zhuǎn)）、測距子程序構(gòu)成。主程序流程圖如圖13所示。其中：避障中斷服務(wù) 子程序完成對超聲波探測器產(chǎn)生的外部中斷進(jìn)行處理，如果超出預(yù)定的危險(xiǎn)距離就左轉(zhuǎn)進(jìn)行 避障。35存在的問題及解決辦法程序編寫完畢后，小車無法啟動(dòng)，經(jīng)最終排查認(rèn)為，小車電機(jī)需要先輸入多個(gè)脈沖來幫 助小車啟動(dòng)，我將這段程序稱為過渡段。添加過渡段后，拿起小車，輪子能按規(guī)定動(dòng)作運(yùn)行，但一放到地上，就出現(xiàn)無法運(yùn)行或運(yùn) 行一小段就停止的現(xiàn)象，這說明電機(jī)負(fù)載能力有限，應(yīng)有意識(shí)增大電機(jī)高電平時(shí)間，增加驅(qū) 動(dòng)力。另外，四個(gè)

17、階段的銜接過程都出現(xiàn)過輪子突然停止轉(zhuǎn)動(dòng)的情況，其中在前進(jìn)與向左轉(zhuǎn)狀 態(tài)切換時(shí)最易出現(xiàn)該情況。可能是電機(jī)在不同轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速的突然變化，外加小車的重量作為 負(fù)載，導(dǎo)致電機(jī)無常運(yùn)行。指導(dǎo)方法是盡量在每個(gè)階段讓輪子的速度變化不很明顯，平滑過 渡。經(jīng)過多次調(diào)試，修改數(shù)據(jù)，得到較好的壁障效果。修改數(shù)據(jù)如表1表1調(diào)試數(shù)據(jù)表狀態(tài)state運(yùn)行階段過渡段脈沖個(gè)數(shù)i脈沖高電平時(shí) 間脈沖間隔時(shí)間/ms左輪右輪1:前進(jìn)過渡段516001400運(yùn)行段30ms160014002：左轉(zhuǎn)過渡段5014501450運(yùn)行段30ms14501450注:過渡段脈沖間隔為20ms4. 設(shè)計(jì)結(jié)果及質(zhì)量評價(jià)小車在比較平坦的地面運(yùn)行良好。根據(jù)

18、具體實(shí)際情況，數(shù)據(jù)表中的一些數(shù)據(jù)可以適當(dāng)修改：左轉(zhuǎn)過渡段脈沖個(gè)數(shù)和兩輪轉(zhuǎn)速共同決定旋轉(zhuǎn)的最小角度（數(shù)學(xué)公式不予推導(dǎo)）。 理論上希望兩個(gè)過渡段脈沖個(gè)數(shù)越少越好，這樣可以提高小車行進(jìn)過程中的探測分辨率; 但是實(shí)際上過渡段脈沖個(gè)數(shù)減少到一定程度將導(dǎo)致小車難以啟動(dòng)。所以這兩點(diǎn)需要根據(jù)情況 折中考慮。注意每個(gè)階段向下一階段轉(zhuǎn)換的過程盡量保證車輪轉(zhuǎn)動(dòng)情況改變不是很大，否則可能導(dǎo) 致程序運(yùn)行過程中輪子突然停止。考慮到僅僅是壁障需要，我將程序僅設(shè)置了左轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)角可在小車運(yùn)行時(shí)自行調(diào)整，這樣 避免了右轉(zhuǎn)程序的編寫。但是如果遇到了狹窄的道路，由于小車長度尺寸和寬度尺寸的限制， 小車大角度左轉(zhuǎn)可能難以進(jìn)行。所以改進(jìn)方

19、案就是編寫一段小車左右探測而且角度可自行調(diào) 節(jié)的智能程序。最后階段將調(diào)試好的小車從平滑的瓷磚地面換成尋跡賽道地面（泡沫感），在小車狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)出現(xiàn)了輪子突然停止現(xiàn)象，可見小車電機(jī)高電平時(shí)間還要考慮運(yùn)行的地面條件。5. 原件清單序號(hào)元件名稱元件數(shù)董拱數(shù)1AT89S51單片機(jī)U112電源插座J11PWR6V3電阻RPR2210k Q4晶振Y1111.0592MHz5電機(jī)接口P1,P22排針6超聲波模塊接口P51排針7揚(yáng)聲器接口P41排針6. 應(yīng)用前景本智能小車系統(tǒng)最誘人的前景就是可用于未來的智能汽車上了。當(dāng)駕駛員因疏忽或打瞌 睡時(shí)這樣的智能汽車的設(shè)計(jì)就能體現(xiàn)出它的作用。如果汽車偏離車道或距障礙物小于

20、安全距 稱時(shí)，汽車就會(huì)發(fā)出報(bào)警，提醒駕駛員注意，如果駕駛員沒有及時(shí)作出反應(yīng)，汽車就會(huì)自動(dòng) 減速或?？坑诼愤?。這樣的小車還可以用于月球探測等的無人探月車，幫助我們傳達(dá)月球上更多的信息，讓 我們更加的了解月球，為將來登月做好充分準(zhǔn)備。這樣的小車在科學(xué)考察探測車上也有廣闊的應(yīng)用前景。在科學(xué)考察中，有許多很危險(xiǎn)且 人們無法涉足的地方，這時(shí)，智能科學(xué)考察車就能夠派上用場，在它上面裝上攝像機(jī)，代替 人們進(jìn)行許多無法進(jìn)行的工作。7. 心得體會(huì)在大學(xué)的學(xué)習(xí)生活中，課程設(shè)計(jì)是不可缺少的一部分。在課程設(shè)計(jì)期間可以 把在學(xué)校學(xué)到的專業(yè)知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中。在理論與實(shí)踐相結(jié)合的時(shí)候，能夠更 快更好的體會(huì)到理論的精髓所在

21、，體會(huì)到理論與實(shí)踐的區(qū)別。從而鞏固自己所學(xué) 的知識(shí)，增強(qiáng)發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力。從而做到理論與實(shí)際的融 會(huì)貫通。課程設(shè)計(jì)是學(xué)生大學(xué)學(xué)習(xí)很重要的實(shí)踐環(huán)節(jié)。課程設(shè)計(jì)是每一個(gè)大學(xué)畢 業(yè)生必的必修課，它不僅讓我們學(xué)到了很多在課堂上根本就學(xué)不到的知識(shí)，還使 我們開闊了視野，增長了見識(shí)，為我們以后更好把所學(xué)的知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際工作中 打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。通過生產(chǎn)課程設(shè)計(jì)使我更深入地接觸專業(yè)知識(shí)。課程設(shè)計(jì)對我們來說不是一個(gè)陌生的詞語，但與以往的認(rèn)識(shí)課程設(shè)計(jì)不同的 是，這次是真正地用自己的雙手來將課本上學(xué)到的知識(shí)付諸于實(shí)踐，用自己的耳 朵去聆聽課堂上學(xué)不到的東西，用自己的嘴去詢問老師不懂的問題。這對于我們

22、 即將步入社會(huì)的大三學(xué)生來說是至關(guān)重要、不可或缺的一個(gè)環(huán)節(jié)。通過這次 課程設(shè)計(jì)，通過實(shí)踐，使我學(xué)到了很多實(shí)踐知識(shí)。所謂實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo) 準(zhǔn)，要想把一件事情做好，光是看理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，自己動(dòng)手往往能達(dá)到 事半功倍的效果，這些往往是我們在學(xué)校很少有機(jī)會(huì)接觸，或者很少注意的，但 又是十分重要基礎(chǔ)的知識(shí)。我堅(jiān)信此次的認(rèn)識(shí)課程設(shè)計(jì)，所獲得的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對我 終身有益，在我今后的學(xué)習(xí)中以至于今后的工作中都將不斷的得到驗(yàn)證，我會(huì)不 斷的理解和體會(huì)課程設(shè)計(jì)中所得到的知識(shí)，在未來的學(xué)習(xí)和工作中，利用他們或 是學(xué)習(xí)或是創(chuàng)造，充分展示自我的個(gè)人價(jià)值和人生價(jià)值，為實(shí)現(xiàn)自我的理想和光 明的前程努力。附錄一參考文獻(xiàn)1 超聲波說明書 28015-PING-V1.6,詳見.parallax.2 毅剛.喜元、宇單片機(jī)原理及應(yīng)用（第二版）髙等教育2009附錄二程序代碼及注釋#include sbit re = P0； sbit le = Pl； sbit Sin = P5； unsigned int Dis； unsigned i