智能循跡避障小車論文設(shè)計(jì)

1、智能循跡避障小車論文設(shè)計(jì)Document number【SA*ATC-SA6UT-SA180SAB-SAA9.岳陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（2012 屆）題 目岳陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院業(yè)電子信息工程技術(shù)09-012112劉春云譚正龍班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師上交日期目錄摘要3第一章緒論3智能小車的意義和作用3智能小車的現(xiàn)狀4第二章方案設(shè)計(jì)與論證 5車體設(shè)計(jì) 5電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊5循跡模塊 6避障模塊 7機(jī)械系統(tǒng) 7電源模塊 8第三章硬件設(shè)計(jì)8總體設(shè)計(jì) 8驅(qū)動(dòng)電路 9信號(hào)檢測(cè)模塊10主控電路 11第四章軟件設(shè)計(jì) 12主程序模塊12電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序12循跡模塊13避障模塊15第五章制作安裝與調(diào)試 18結(jié)束語(yǔ)18

2、致謝19參考文獻(xiàn)19摘 要：利用紅外對(duì)管檢測(cè)黑線，以STC89C52單片機(jī)為控制芯片控制電動(dòng)小汽車的速 度及轉(zhuǎn)向，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循跡避障的功能。其中小車驅(qū)動(dòng)III L298N驅(qū)動(dòng)電路完成，速 度山單片機(jī)控制。本系統(tǒng)釆用存儲(chǔ)空間較大的AT89C52作為主控制芯片，電動(dòng)車電機(jī) 驅(qū)動(dòng)采用L298N芯片；結(jié)合GP2A25光電開(kāi)關(guān)，能較有效的控制其在特定位置轉(zhuǎn)彎角度 及行駛出錯(cuò)處理；采用LD-5461AS數(shù)碼管來(lái)顯示系統(tǒng)分階段運(yùn)行的時(shí)間，能夠較準(zhǔn)確 較清晰地顯示兩個(gè)數(shù)碼管位的顯示，三者的結(jié)合使電動(dòng)車更加智能化，自動(dòng)化，可視 化。該系統(tǒng)無(wú)論在結(jié)構(gòu)和技術(shù)上都具有較好的科學(xué)性。關(guān)鍵詞：智能小車；STC89C52

3、單片機(jī)；L298N；超聲波傳感器；紅外對(duì)管第一章緒論智能小車的意義和作用自第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人誕生以來(lái)，機(jī)器人的發(fā)展已經(jīng)遍及機(jī)械、電子、冶金、交 通、寧航、國(guó)防等領(lǐng)域。近年來(lái)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。人們?cè)诓粩嗵接?、改造、認(rèn)識(shí)自然的過(guò)程中，制造能替代人勞動(dòng)的機(jī)器 一直是人類的夢(mèng)想。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的感覺(jué)傳感器種類越來(lái)越多，其中視覺(jué)傳感器成為 自動(dòng)行走和駕駛的重要部件。視覺(jué)的典型應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)樽灾魇街悄軐?dǎo)航系統(tǒng)，對(duì)于視覺(jué) 的各種技術(shù)而言圖像處理技術(shù)已相當(dāng)發(fā)達(dá)，而基于圖像的理解技術(shù)還很落后，機(jī)器視 覺(jué)需要通過(guò)大量的運(yùn)算也只能識(shí)別一些結(jié)構(gòu)化環(huán)境簡(jiǎn)單的LI標(biāo)。視覺(jué)傳

4、感器的核心器 件是攝像管或CCD, LI前的CCD已能做到自動(dòng)聚焦。但CCD傳感器的價(jià)格、體積和使用 方式上并不占優(yōu)勢(shì)，因此在不要求清晰圖像只需要粗略感覺(jué)的系統(tǒng)中考慮使用接近覺(jué) 傳感器是一種實(shí)用有效的方法。機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)引功能和避障功能就必須要感知導(dǎo)引線和障礙物，感知導(dǎo)引 線相當(dāng)給機(jī)器人一個(gè)視覺(jué)功能。避障控制系統(tǒng)是基于自動(dòng)導(dǎo)引小車(AVGauto-guide vehicle)系統(tǒng)，基于它的智能小車實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別路線，判斷并自動(dòng)避開(kāi)障礙，選擇正 確的行進(jìn)路線。使用傳感器感知路線和障礙并作出判斷和相應(yīng)的執(zhí)行動(dòng)作。該智能小車可以作為機(jī)器人的典型代表。它可以分為三大組成部分：傳感器檢測(cè) 部分、執(zhí)行部

5、分、CPU。機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障功能，還可以擴(kuò)展循跡等功能，感知導(dǎo) 引線和障礙物?？梢詫?shí)現(xiàn)小車自動(dòng)識(shí)別路線，選擇正確的行進(jìn)路線，并檢測(cè)到障礙物 自動(dòng)躲避?；谏鲜鲆?，傳感檢測(cè)部分考慮到小車一般不需要感知清晰的圖像，只 要求粗略感知即可，所以可以舍棄昂貴的CCD傳感器而考慮使用價(jià)廉物美的紅外反射式 傳感器來(lái)充當(dāng)。智能小車的執(zhí)行部分，是由直流電機(jī)來(lái)充當(dāng)?shù)?，主要控制小車的行進(jìn) 方向和速度。單片機(jī)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)一般有兩種方案：第一，勿需占用單片機(jī)資源，直 接選擇有PWM功能的單片機(jī)，這樣可以實(shí)現(xiàn)精確調(diào)速；第二，可以山軟件模擬PWM輸出 調(diào)制，需要占用單片機(jī)資源，難以精確調(diào)速，但單片機(jī)型號(hào)的選擇余地較大

6、?？紤]到 實(shí)際情況，本文選擇第二種方案。CPU使用STC89C52單片機(jī)，配合軟件編程實(shí)現(xiàn)。智能小車的現(xiàn)狀現(xiàn)智能小車發(fā)展很快，從智能玩具到其它各行業(yè)都有實(shí)質(zhì)成果。其基本可實(shí)現(xiàn)循 跡、避障、檢測(cè)貼片、尋光入庫(kù)、避崖等基本功能，這兒節(jié)的電子設(shè)計(jì)大賽智能小車 乂在向聲控系統(tǒng)發(fā)展。比較出名的飛思卡爾智能小車更是走在前列。我此次的設(shè)計(jì)主 要實(shí)現(xiàn)循跡避障這兩個(gè)功能。第二章方案設(shè)計(jì)與論證車體設(shè)計(jì)方案1:自己制作電動(dòng)車。一般的說(shuō)來(lái)，自己制作的車體比較粗糙，對(duì)于白色基板 上的道路面行駛，車身重量以及平衡都要有精確的測(cè)量，而且也要控制好小車行駛的 路線和轉(zhuǎn)彎的力矩及角度，這些都比較難良好地實(shí)現(xiàn)。方案2：購(gòu)買玩具電

7、動(dòng)車。購(gòu)買的玩具電動(dòng)車具有組裝完整的車架車輪。我們可以 保留左右兩輪轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)軸，并改換轉(zhuǎn)軸力矩大的電機(jī)來(lái)精確調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)彎角度，采取保留后 方向輪，并使用直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的方案。玩具電動(dòng)車具有如下優(yōu)點(diǎn)：首先，這種玩 具電動(dòng)車山于裝配緊湊，使得各種所需電路的安裝十分方便，看起來(lái)也比較美觀。其 次，玩具電動(dòng)車是依靠電機(jī)與相關(guān)齒輪一起驅(qū)動(dòng)，能適應(yīng)題LI中小車準(zhǔn)確前進(jìn)、后 退、轉(zhuǎn)彎的要求，而且這種電動(dòng)車一般都價(jià)格適中?；谝陨戏治?，我們選擇了方案二電機(jī)模塊方案1:釆用步進(jìn)電機(jī)作為該系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。由于其轉(zhuǎn)過(guò)的角度可以精確的定 位，可以實(shí)現(xiàn)小車前進(jìn)路程和位置的精確定位。雖然采用步進(jìn)電機(jī)有諸多優(yōu)點(diǎn)，步進(jìn) 電機(jī)的輸

8、出力矩較低，隨轉(zhuǎn)速的升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降，其轉(zhuǎn)速較 低，不適用于小車等有一定速度要求的系統(tǒng)。經(jīng)綜合比較考慮，我們放棄了此方案。方案2：直流電機(jī)：直流電機(jī)的控制方法比較簡(jiǎn)單，只需給電機(jī)的兩根控制線加 上適當(dāng)?shù)碾妷杭纯墒闺姍C(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，電壓越高則電機(jī)轉(zhuǎn)速越高。對(duì)于直流電機(jī)的速度 調(diào)節(jié)，可以采用改變電壓的方法，也可采用PWM調(diào)速方法。PWM調(diào)速就是使加在直流電 機(jī)兩端的電壓為方波形式，通過(guò)改變方波的占空比實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)?；谝陨戏治?，我們選擇了方案二，使用直流電機(jī)作為電動(dòng)車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊方案1：采用SM6135W電機(jī)遙控驅(qū)動(dòng)模塊。SM6135W是專為遙控車設(shè)計(jì)的大規(guī)模集

9、 成電路。能實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、向右、向左、加速五個(gè)功能，但是其采用的是編碼輸入 控制，而不是電平控制，這樣在程序中實(shí)現(xiàn)比較麻煩，而且該電機(jī)模塊價(jià)格比較高。方案2：采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N。L298N為單塊集成電路，高電壓，高電 流，四通道驅(qū)動(dòng)，可直接的對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，無(wú)須隔離電路。通過(guò)單片機(jī)的I/O輸入 改變芯片控制端的電平，即可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)，停止的操作，非常方便，亦能滿 足直流減速電機(jī)的大電流要求。調(diào)試時(shí)在依照上表，用程序輸入對(duì)應(yīng)的碼值，能夠?qū)?現(xiàn)對(duì)應(yīng)的動(dòng)作。表1是其使能、輸入引腳和輸出引腳的邏輯關(guān)系。采用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機(jī)。線性型驅(qū)動(dòng)的電路結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，加速

10、能力 強(qiáng)，釆用山達(dá)林頓管組成的H型橋式電路（如圖。用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之工作在占 空比可調(diào)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)下，精確調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。這種電路山于工作在管子的飽和截止 模式下，效率非常高，H型橋式電路保證了簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制，電子管的開(kāi) 關(guān)速度很快，穩(wěn)定性也極強(qiáng)，是一種廣泛采用的PWM調(diào)速技術(shù)?，F(xiàn)市面上有很多此種 芯片，我選用了 L298N（如圖。這種調(diào)速方式有調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范用廣、過(guò)載能力大，能承受頻 繁的負(fù)載沖擊，還可以實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)級(jí)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。因此決定釆用 使用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機(jī)。表1 L298N的引腳和輸出引腳的邏輯關(guān)系U1K基于以

11、上分析，我們選擇了方案二，用L298N來(lái)做為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片。EN A (B)INI (IN3)IN2 (IN4)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況HHL正傳HLH反轉(zhuǎn)HINI (IN3IN2 (IN4)快速停止LXX停止（表1） L298N的引腳和輸出引腳的邏葺關(guān)系圖H橋式電路圖 LN298N4.尋跡傳感器模塊方案1：采用發(fā)光二極管+光敏電阻，該方案缺點(diǎn)：易受到外界光源的干擾，有時(shí) 棋至檢測(cè)不到黑線，主要是因?yàn)榭梢?jiàn)光的反射效果跟地表的平坦程度、地表材料的反 射情況均對(duì)檢測(cè)效果產(chǎn)生直接影響?？朔巳秉c(diǎn)的方法：釆用超高亮度的發(fā)光二極管 能降低一定的干擾，但這乂會(huì)增加檢測(cè)系統(tǒng)的功耗。方案2：脈沖調(diào)制的反射式紅外發(fā)射接收器

12、。山于采用帶有交流分量的調(diào)制信號(hào)， 則可大幅度減少外界的干擾；此外紅外發(fā)射接收管的工作電流取決于平均電流，如果 采用占空比小的調(diào)制信號(hào)，在平均電流不變的情況下，瞬時(shí)電流很大（50100mA） （ST-188允許的最大輸入電流為50mA），則大大提高了信噪比。此種測(cè)試方案反應(yīng)速 度大約在5uso方案3：采JIJCCD傳感器，此種方法雖然能對(duì)路面信息進(jìn)行準(zhǔn)確完備的反應(yīng)，但它 存在信息處理滿，實(shí)時(shí)性差等缺點(diǎn)，因此若采用CCD傳感器，無(wú)疑會(huì)加重單片機(jī)的處 理負(fù)擔(dān)，不利于實(shí)現(xiàn)更好的控制策略。根據(jù)以上分析我們釆用方案25.控制器模塊方案1：選用一片CPLD （如EPM7128LC84-15）作為系統(tǒng)的核心

13、部件，實(shí)現(xiàn)控 制與處理的功能。CPLD具有速度快、編程容易、資源豐富、開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，可利 用VHDL語(yǔ)言進(jìn)行編寫開(kāi)發(fā)。但CPLD在控制上較單片機(jī)有較大的劣勢(shì)。同時(shí)，CPLD的 處理速度非常快，而小車的行進(jìn)速度不可能太高，那么對(duì)系統(tǒng)處理信息的要求也就不 會(huì)太高，在這一點(diǎn)上，MCU就已經(jīng)可以勝任了。若采用該方案，必將在控制上遇到許許 多多不必要增加的難題。為此，我們不采用該種方案，進(jìn)而提出了第二種設(shè)想。方案2：采用AT89S52作為主控制芯片，該芯片有足夠的存儲(chǔ)空間，可以方便的在 線ISP下載程序，能夠滿足該系統(tǒng)軟件的需要，該芯片提供了兩個(gè)計(jì)數(shù)器中斷，對(duì)于 本作品系統(tǒng)已經(jīng)足夠，采用該芯片可以比較靈活的選擇各個(gè)模塊控制芯片，能夠準(zhǔn)確 的計(jì)算出時(shí)間，有很好的實(shí)時(shí)性?；谝陨戏治?，我們選擇了方案二，釆用AT89S52作為電動(dòng)車的主控制芯片。6.電源模塊在本系統(tǒng)中，需要用到的電源有單片機(jī)的5V, L298N芯片的電源5V和電機(jī)的電源 7-15Vo所以需要對(duì)電源的提供必須正確和穩(wěn)定可靠。方案1：用9V的鋅電源給前、后輪電機(jī)供電，然后使