智能循跡避障小車研發(fā)設(shè)計(jì)與制作

1、選題智能避障小車的設(shè)計(jì)與制作院系電子系專業(yè)電子信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)生姓名指導(dǎo)教師張賀東本選題的意義：避障尋跡小車可以通過自動(dòng)感知引導(dǎo)線以及躲避障礙物在工作當(dāng)中取代人力運(yùn)輸,節(jié)省人力以及本錢.智能車輛是一個(gè)運(yùn)用計(jì)算機(jī)、傳感、信息、通信、導(dǎo)航、人工智能及自動(dòng)限制等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知、規(guī)劃決策和自動(dòng)行駛為一體的高新技術(shù)綜合體.它在軍事、民用和科學(xué)研究等方面已獲得了應(yīng)用,對解決道路交通平安提供了一種新的途徑.隨著汽車工業(yè)的迅速開展,關(guān)于汽車的研究也就越來越受人關(guān)注.電子設(shè)計(jì)涉及到多個(gè)學(xué)科,機(jī)械電子、傳感器技術(shù)、自動(dòng)限制技術(shù)、人工智能限制、計(jì)算機(jī)與通信技術(shù)等等,是眾多領(lǐng)域的高科技.電子設(shè)計(jì)技術(shù),它是一個(gè)國家

2、高科技實(shí)例的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn),可見其研究意義很大.工作原理：避障尋跡小車是通過紅外探頭以及尋跡模塊感知外圍狀況,將所感知到的數(shù)據(jù)以1、0的信號(hào)形式返回給單片機(jī),然后再通過單片機(jī)針對不同的情況進(jìn)行限制,從而實(shí)現(xiàn)避障尋跡的功能.研究內(nèi)容：在現(xiàn)有電動(dòng)車框架的根底上,加裝紅外探頭以及尋跡模塊,實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)車的運(yùn)行狀況,運(yùn)行路線的實(shí)時(shí)測量,并將測量數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)進(jìn)行處理,然后由單片機(jī)根據(jù)所檢測的各種數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)車的智能限制,即自動(dòng)避障、自動(dòng)尋跡等功能.在有軌跡的地方小車能夠沿軌道行駛,當(dāng)遇到障礙的時(shí)候就自動(dòng)轉(zhuǎn)入避障模塊.這種方案能實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)限制,限制靈活、可靠,精度高,可滿足對系統(tǒng)的各

3、項(xiàng)要求.研究方法、手段及步驟：1、循跡限制模塊采用AT89C52R作為限制核心.STC89c52RC單片機(jī)本錢低、性能高,超強(qiáng)抗干擾電源、復(fù)位電路都經(jīng)過特殊處理,每個(gè)I/O口接有二極管鉗位保護(hù),超低功耗,無法解密,低EMI電磁干擾,而且與傳統(tǒng)8051單片機(jī)程序兼容,硬件無需改動(dòng),支持ISP在系統(tǒng)編程及IAP在應(yīng)用編程技術(shù).2、避障模塊采用三個(gè)紅外探頭,分別置于車的前、左、右放向.當(dāng)檢測到前方有障礙物的時(shí)候?qū)⑿畔⒎错懙絾纹瑱C(jī),單片機(jī)再通過返回信息進(jìn)行限制.3、電機(jī)模塊采用直流電機(jī).直流電機(jī)的限制方法比擬簡單,只需給電機(jī)的兩根限制線加上適當(dāng)?shù)碾妷杭纯墒闺姍C(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來,電壓越高那么電機(jī)轉(zhuǎn)速越高.對于直

4、流電機(jī)的速度調(diào)節(jié),可以采用調(diào)節(jié)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)兩端的電壓為方形波形,通過改變方形的占空比實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié).4、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用專用芯片L298N作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片.L298N是一個(gè)具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動(dòng)芯片,它響應(yīng)頻率高,一片L298N可以分別限制兩個(gè)直流電機(jī),而且還帶有限制使能端.用該芯片作為電機(jī)驅(qū)動(dòng),驅(qū)動(dòng)水平大,操作方便,穩(wěn)定性好,性能優(yōu)良.參考文獻(xiàn)1?新編MCS-51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)第3版?張毅剛編著哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社2021年04月?C語言程序設(shè)計(jì)第三版?譚浩強(qiáng)編著清華大學(xué)出版社2005年07月3學(xué)位論文：佚名?智能小車設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

5、?單片機(jī)C語言編程與實(shí)例?趙亮、侯國銳編著人民郵電出版社2003年9月5YamatoI,etal1NewconversionsystemforUPSusinghighfre2quencylinkJ1IEEEPESCZ1988210-320.本設(shè)計(jì)是一種基于單片機(jī)限制的簡易自動(dòng)尋跡小車系統(tǒng),包括小車系統(tǒng)構(gòu)成軟硬件設(shè)計(jì)方法.小車以AT89C52為限制核心,利用車前三個(gè)紅外探頭檢測周圍信息,以及循跡模塊對路面黑色軌跡進(jìn)行檢測,并將路面檢測信號(hào)反響給單片機(jī).單片機(jī)對采集到的信號(hào)予以分析判斷,及時(shí)限制驅(qū)動(dòng)電機(jī)以調(diào)整小車轉(zhuǎn)向,從而使小車能夠自動(dòng)避障和沿著黑色軌跡自動(dòng)行駛,實(shí)現(xiàn)小車自動(dòng)避障尋跡的目的.關(guān)鍵詞

6、：AT89C51；直流電機(jī)；紅外探頭；循跡模塊AbstractThedesignisbasedonsinglechipmicrocomputercontrolautomatictracingsystem,includingsystemhardwareandsoftwaredesignmethodofcar.ThecartakesAT89C52asthecontrolcore,usingthefrontthreeinfraredprobedetectionofperipheralinformation,andtrackingmoduleonpavementblacklocusweredetect

7、ed,andthepavementdetectionsignalfeedbacktothemicrocontroller.Singlechipsignalgivestheanalysisjudgment,tocontrolthedrivemotortoadjustthecarsteering,sothatthecarcanautomaticallyavoidobstaclesandalongtheblackpathautomaticdriving,realizeautomaticobstacleavoidancetracingpurposes.Keywords:AT89C51;infrared

8、sensor;trackingmodulem4第一章前言9本選題的意義9智能小車的開展現(xiàn)狀及未來趨勢10智能小車的研究意義10第二章尋跡避障小車工作原理11壁障尋跡小車工作原理11限制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)11AT98c52單片機(jī)12紅外探頭避障模塊.12尋跡模塊.14電源模塊.14電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊.14第三章硬件設(shè)計(jì)16總體設(shè)計(jì)16驅(qū)動(dòng)電路17信號(hào)檢測模塊18主控電路19第四章軟件設(shè)計(jì)21主程序框圖：21耳跡模塊程序設(shè)計(jì)22尋跡程序框圖及其真值*22避障模塊程序設(shè)計(jì)23避障框圖及其真值23結(jié)束語25致謝26附錄一硬件原理圖27附錄二程序清單29參考文獻(xiàn)34第一章前言本選題的意義自第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人誕生以來

9、,機(jī)器人的開展已經(jīng)普及機(jī)械、電子、冶金、交通、宇航、國防等領(lǐng)域.近年來機(jī)器人的智能水平不斷提升,并且迅速地改變著人們的生活方式.人們在不斷探討、改造、熟悉自然的過程中,制造能替代人勞動(dòng)的機(jī)器一直是人類的夢想.隨著科學(xué)技術(shù)的開展,機(jī)器人的感覺傳感器種類越來越多,其中視覺傳感器成為自動(dòng)行走和駕駛的重要部件.視覺的典型應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)樽灾魇街悄軐?dǎo)航系統(tǒng),對于視覺的各種技術(shù)而言圖像處理技術(shù)已相當(dāng)興旺,而基于圖像的理解技術(shù)還很落后,機(jī)器視覺需要通過大量的運(yùn)算也只能識(shí)別一些結(jié)構(gòu)化環(huán)境簡單的目標(biāo).視覺傳感器的核心器件是攝像管或CCD,目前的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,

10、因此在不要求清楚圖像只需要粗略感覺的系統(tǒng)中考慮使用接近覺傳感器是一種實(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)視覺功能.避障限制系統(tǒng)是基于自動(dòng)導(dǎo)引小車(AVG一auto-guidevehicle)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局部：傳感器檢測局部、執(zhí)行局部、CPUo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.可以實(shí)現(xiàn)小車自動(dòng)識(shí)別路線,選擇正確的行進(jìn)路線,并

11、檢測到障礙物自動(dòng)躲避.基于上述要求,傳感檢測局部考慮到小車一般不需要感知清楚的圖像,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充當(dāng).智能小車的執(zhí)行局部,是由直流電機(jī)來充當(dāng)?shù)?主要限制小車的行進(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,可以由軟件模擬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.考慮到實(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).智能小車的開展現(xiàn)狀及未來趨勢現(xiàn)智能小車開展很快,從智

12、能玩具到其它各行業(yè)都有實(shí)質(zhì)成果.其根本可實(shí)現(xiàn)循跡、避障、檢測貼片、尋光入庫、避崖等根本功能,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)開展.比擬知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.智能小車的研究意義隨著我國科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,智能化和自動(dòng)化技術(shù)越來越普及,各種高科技也廣泛應(yīng)用于智能小車和機(jī)器人玩具制造領(lǐng)域,使智能機(jī)器人越來越多樣化.智能小車是一個(gè)多種高新技術(shù)的集成體,它融合了機(jī)械、電子、傳感器、計(jì)算機(jī)硬件、軟件、人工智能等許多學(xué)科的知識(shí),涉及到當(dāng)今許多前沿領(lǐng)域的技術(shù).而智能電動(dòng)車正是智能機(jī)器人的一種,具有不可估量的實(shí)際意義.其避障尋跡技術(shù)的研究可以帶來交通運(yùn)

13、輸?shù)木薮蟾母?也為車輛的自主導(dǎo)航水平的實(shí)現(xiàn)和無人自動(dòng)駕駛車輛的實(shí)現(xiàn)提供了重要技術(shù).第二章尋跡避障小車工作原理壁障尋跡小車工作原理工作原理：避障尋跡小車是通過紅外探頭以及尋跡模塊感知外圍狀況,將所感知到的數(shù)據(jù)以1、0的信號(hào)形式返回給單片機(jī),然后再通過單片機(jī)針對不同的情況進(jìn)行限制,從而實(shí)現(xiàn)避障尋跡的功能.限制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖2-1主控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1、主限制電路模塊：用AT89c52單片機(jī)2、紅外檢測模塊：紅外探頭傳感器3、尋跡模塊：紅外對管傳感器4、電源模塊：雙路開關(guān)電源5、電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊:電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N、兩個(gè)直流電機(jī)2.2.1 AT98C52單片機(jī)圖2-2AT89C52電路圖采用單片機(jī)作為整

14、個(gè)系統(tǒng)的核心,用其限制行進(jìn)中的小車,以實(shí)現(xiàn)其既定的性能指標(biāo).充分分析我們的系統(tǒng),其關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)小車的自動(dòng)限制,而在這一點(diǎn)上,單片機(jī)就顯現(xiàn)出來它的優(yōu)勢一一限制簡單、方便、快捷.這樣一來,單片機(jī)就可以充分發(fā)揮其資源豐富、有較為強(qiáng)大的限制功能及可位尋址操作功能、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn).因此,這種方案是一種較為理想的方案.2.2.2 紅外探頭避障模塊采用三只紅外探頭分別置于小車的前端兩側(cè)以及正前端放向,對小車與障礙物相對距離和方位能作出較為準(zhǔn)確的判別和及時(shí)反響,再向沒有檢測都障礙物的一方行走.射管接電源(a)發(fā)射器圖3-4紅外避障原理2.2.3 尋跡模塊采用五只紅外對管,一只置于軌道中間,四只置于軌道外側(cè),當(dāng)

15、小車脫離軌道時(shí),即當(dāng)置于中間的一只光電開關(guān)脫離軌道時(shí),等待外面任一只檢測到黑線后,做出相應(yīng)的轉(zhuǎn)向調(diào)整,直到中間的光電開關(guān)重新檢測到黑線即回到軌道,假設(shè)外面兩只紅外對管檢測到黑線,那么向反方向轉(zhuǎn)彎,再恢復(fù)正向行駛.圖2-5紅外避障原理2.2.4 電源模塊采用8支電池雙電源分別給單片機(jī)與電機(jī)供電可解決方案二的問題且能讓小車完成其功能.2.2.5 電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊采用功率三極管作為功率放大器的輸出限制直流電機(jī).線性型驅(qū)動(dòng)的電路結(jié)構(gòu)和原理簡單,加速水平強(qiáng),采用由達(dá)林頓管組成的H型橋式電路如圖.用單片機(jī)限制達(dá)林頓管使之_L作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)下,精確調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速.這種電路由于工作在管子的飽和截止模式

16、下,效率非常高,H型橋式電路保證了簡單的實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的限制,電子管的開關(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).現(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)速范圍廣、過載水平大,能承受頻繁的負(fù)教沖擊,還可以實(shí)現(xiàn)頻繁的無級快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn).因此決定采用使用功率三極管作為功率放大器的輸出限制直流電機(jī).圖2-6H橋式電路圖27L298N第三章硬件設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)智能小車采用前輪驅(qū)動(dòng),前輪左右兩邊各用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng),調(diào)制前面兩個(gè)輪子的轉(zhuǎn)速起停從而到達(dá)限制轉(zhuǎn)向的目的,后輪是萬象輪,起支撐的作用.將循跡對管裝在車體下的前端,一開始小車自動(dòng)開

17、始尋跡功能,當(dāng)搜索不到黑線的時(shí)候就自動(dòng)進(jìn)入壁障模式,知道再次搜索到黑線.圖3-1主板設(shè)計(jì)框圖驅(qū)動(dòng)電路電機(jī)驅(qū)動(dòng)一般采用H橋式驅(qū)動(dòng)電路,L298N內(nèi)部集成了H橋式驅(qū)動(dòng)電路,從而可以采用L298N電路來驅(qū)動(dòng)電機(jī).通過單片機(jī)給予L298N電路PWM信號(hào)來控制小車的速度,起停.其引腳、驅(qū)動(dòng)原理圖如下列圖：散熱片與8腳連通圖3-2L298N引腳圖圖3-3電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖信號(hào)檢測模塊小車循跡原理是小車在畫有黑線的白紙路面上行駛,由于黑線和白紙對光線的反射系數(shù)不同,可根據(jù)接收到的反射光的強(qiáng)弱來判斷道路一黑線.筆者在該模塊中利用了簡單、應(yīng)用也比擬普遍的檢測方法一一紅外探測法.紅外探測法,即利用紅外線在不同顏色的物

18、理外表具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn).在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光,當(dāng)紅外光遇到白色地面時(shí)發(fā)生漫發(fā)射,反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線那么紅外光被吸收,那么小車上的接收管接收不到信號(hào),再通過LM324作比擬器來采集上下電平,從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的檢測.避障亦是此原理.圖3-4循跡原理圖主控電路本模塊主要是對采集信號(hào)進(jìn)行分析,同時(shí)給出PWM波限制電機(jī)速度,起停.以及再檢測到障礙報(bào)警等作用.其電路圖如圖.rzvcc|vcc巫PHK2P)3W4PO5R)6內(nèi)3EAALEP3四P2?P26msP24P2?P22P21P2O還也？f22a7XifeC2十C3十取出陰2AVCCVCC1Hwda25QRJIK11.】P1J23P134JPl.45P136川7AL18JCT9IK吻10P3.111吻12P3313PK1I171一X7AL火.41493J】516四：IImi218XT虹H7G勵(lì)20n1？345?TQ123456fplmmplplplplm網(wǎng)巧門r3p3MI3mI3IIALl