智能小車跟隨系統(tǒng)的設(shè)計與制作

1、本科畢業(yè)論文(設(shè)計)題目： 智能小車跟隨系統(tǒng)的設(shè)計和制作 學(xué)院： 物理和電子科學(xué)學(xué)院 班級： 姓名： 指導(dǎo)老師： 職稱： 完成日期： 年 月 日14 / 19智能小車跟隨系統(tǒng)的設(shè)計和制作 摘要:現(xiàn)在，小車跟隨系統(tǒng)正處于研發(fā)和試用階段，它有著多方面的優(yōu)勢：一方面,充分利用現(xiàn)有的道路資源，有效緩解交通堵塞；另一方面，可以大幅提高駕駛的平安性，削減交通事故的發(fā)生。因而推廣和應(yīng)用小車跟隨系統(tǒng)已經(jīng)成為解決交通問題的一個重要途徑。本文的主要探討工作是設(shè)計和制作智能小車跟隨系統(tǒng)，整個系統(tǒng)包括硬件及軟件兩個部分。硬件部分包括限制電路，藍牙通信電路，路徑循跡電路，電源驅(qū)動電路，電機驅(qū)動電路等。軟件部分主要包括通

2、過編程使得小車按設(shè)定路徑實現(xiàn)前進，左拐，右拐，加速，減速，并在小車前進的過程中不斷調(diào)整小車所在位置等功能。本文是以電動小車為基礎(chǔ)，增加紅外傳感器，藍牙等。利用傳感器來有效地確定小車前進路徑、小車所在位置等信息。單片機接收并處理傳感器所產(chǎn)生的信號并加以肯定的算法來推斷兩個小車的狀態(tài)及其相互間距。最終通過藍牙來進行小車間的通信，從而限制兩個小車加、減速度來使得小車間距相對恒定。該智能小車跟隨系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)的功能有：自動循跡；保持車距；緊急停車等。關(guān)鍵詞：智能小車跟隨系統(tǒng)；藍牙通信；單片機；軟件設(shè)計目 錄1 引言11.1 探討背景及意義11.2 智能車輛探討現(xiàn)狀11.3 探討內(nèi)容12 功能分析22.1

3、 主控模塊22.2 循跡模塊32.3 電機驅(qū)動模塊32.4 電源模塊32.5 通信模塊33 硬件設(shè)計33.1 主控硬件設(shè)計43.2 循跡硬件的設(shè)計43.3 驅(qū)動硬件設(shè)計53.4 電源硬件設(shè)計53.5 藍牙通信串口硬件設(shè)計63.6 本章總結(jié)64 軟件的設(shè)計和實現(xiàn)64.1 概述64.2 軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計74.3 主要模塊的實現(xiàn)84.3.1循跡流程圖84.3.2 電機驅(qū)動流程圖84.3.3 位置推斷流程圖104.3.4 藍牙通信流程圖114.4 本章小結(jié)115 系統(tǒng)功能測試115.1 系統(tǒng)功能測試125.2 測試結(jié)果分析136 結(jié)論和展望136.1 結(jié)論136.2 展望13參考文獻14致謝151 引言

4、1.1 探討背景及意義隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市的人口不斷增加，從而城市的交通壓力也越來越大。在中國的一些大中型城市，由于嚴(yán)峻的堵車問題，上、下班路途中所消耗的時間可能會長達數(shù)個小時。此外，近些年來，交通事故頻繁發(fā)生，這已經(jīng)危害到了很多人的生命和財產(chǎn)。因此，想要解決交通問題已經(jīng)不能僅僅依靠交通管理部門，更須要從科技的角度來解決這一問題。幸運的是，在最近幾年傳感器、單片機技術(shù)突飛猛進，受此影響，智能小車跟隨技術(shù)正在逐步從可能轉(zhuǎn)為現(xiàn)實。智能小車跟隨技術(shù)是指通過車載傳感系統(tǒng)感知道路環(huán)境，通過現(xiàn)代通信技術(shù)使車間進行通信，同時加以肯定的算法分析，使得后車緊跟前車行駛。這一特點使得它具有如下優(yōu)點：首先，充分

5、利用道路資源，削減堵車事務(wù)發(fā)生的概率。此外，它還能夠在行駛過程中探測可能發(fā)生危急事故，由于計算機有著比人腦更快的反應(yīng)速度，從而能夠避開交通事故的發(fā)生。1.2 智能車輛探討現(xiàn)狀智能車輛的發(fā)展過程可以分為以下三個階段：第一階段：20世紀(jì)50年頭。在這一時期，人們剛剛起先接觸探討智能車輛。盡管這一時期的智能小車系統(tǒng)僅能在一個固定的軌道上運行，自動化水平比較低，但已經(jīng)符合智能車輛的基本要求。其次階段：80年頭中后期。在這一階段，隨著計算機的應(yīng)用和傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，智能車的探討有了較大的進展，尤其在一些發(fā)達國家，取得了巨大的進步，促使智能車輛不斷深化各個好用領(lǐng)域。第三階段：90年頭至今，智能車輛的探

6、討取得了更快的發(fā)展。尤其是近些年來，隨著各個國家在智能車輛的探討之中投入的人力、財力不斷加大，智能小車的發(fā)展越來越快。如今，智能車輛已經(jīng)不僅僅局限于科學(xué)探討和工廠運用，它也不斷地走入了很多人的日常生活中。1.3 探討內(nèi)容本設(shè)計是基本AT89S52單片機的，通過藍牙使兩個智能電動車相互通信來組成智能小車跟隨系統(tǒng)。設(shè)計的主要內(nèi)容是對電動車進行硬件電路和軟件的設(shè)計。其中硬件電路主要包括限制電路，藍牙通信電路，路徑循跡電路，電源驅(qū)動電路，電機驅(qū)動電路等。其中，AT89S52單片機作為每個小車的限制核心，限制著電動車的各個模塊正常工作，并通過編程使得小車依據(jù)預(yù)定路徑實現(xiàn)前進，左拐，右拐，緊急停車，加速，

7、減速等功能。本設(shè)計是以電動小車為基礎(chǔ)，增加紅外傳感器，藍牙等。利用傳感器來有效地確定小車前進路徑、小車所在位置等信息。單片機接收并處理傳感器所產(chǎn)生的信號并加以肯定的算法來推斷各個小車的狀態(tài)及其相互間距。最終通過藍牙來進行小車間的通信，從而限制各個小車加、減速度來使得小車間距相對恒定。綜上所述，本設(shè)計中整個系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)簡潔，性能相對較高。主要采納如下技術(shù)：首先是選擇適當(dāng)?shù)膫鞲衅?。利用傳感器來實時監(jiān)測小車位置并傳送給單片機，單片機依據(jù)傳感器所傳回的信息來限制小車的兩個電機運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)循跡行走功能。其次，利用藍牙設(shè)備在兩個小車之間進行通信，由其中一個小車的單片機來推斷兩小車的相對位置，從而產(chǎn)生限制指令

8、，來變更小車的行駛速度。2 功能分析依據(jù)設(shè)計內(nèi)容的要求，采納基于單片機的限制方式，運用藍牙設(shè)備進行通信。圖2-1為系統(tǒng)框圖。圖2-1 系統(tǒng)框圖2.1 主控模塊目前，具有人工智能的電子產(chǎn)品、設(shè)備通常采納的限制器都是單片機?，F(xiàn)在市場上的單片機廠商很多，單片機種類也不盡相同，功能更是各具特色。本文設(shè)計的是一個相對簡潔的限制系統(tǒng)，無需采納一些特別功能的單片機。因此，依據(jù)實際條件，最終選擇在兩輛小車上各搭載一片ATMEL公司的AT89S52芯片作為每個小車的主控器件。圖2-2為AT89S52限制原理圖。 圖2-2 AT89S52限制原理圖2.2 循跡模塊循跡裝置類型選擇：采納集成QTI傳感器DM-S53

9、401，它是一種通過光電接收管來探測其下表面反射光強度的傳感器。依據(jù)反射光強度的不同，從而導(dǎo)致傳感器輸出的變更。由于它的體積較小、具有日光過濾器，因而在小車中運用性能較好。 循跡硬件數(shù)目選擇：采納4路QTI傳感器循跡。在小車行駛過程中，依據(jù)軌道的設(shè)計，小車會遇到直行或左、右拐彎的路段，因而可以運用中間2路來推斷小車和直行道的相對位置，而用外側(cè)2路來推斷小車是否在拐彎路段。因此，4路循跡可以完成任務(wù)的要求，且設(shè)備數(shù)目最少。2.3 電機驅(qū)動模塊電機選擇：采納直流伺服電機，它主要通過接收脈沖來運轉(zhuǎn)。相比于步進電機，直流伺服電機有著肯定的優(yōu)勢：精度更高，克服了步進電機中的失步問題；高速性能好；抗過載實

10、力強；運行穩(wěn)定；反應(yīng)時間短；發(fā)熱和噪聲都有著明顯的降低。2.4 電源模塊電源選擇：采納干電池組加移動電源共同供電，即在采納4節(jié)1.5V干電池通過穩(wěn)壓單元降至5V后給單片機及其他設(shè)備（如傳感器、電機等）供電的基礎(chǔ)上，增加一個移動電源同時供電。一方面，可以保證小車電壓穩(wěn)定，設(shè)備正常運行而不會斷電。另一方面，也不像蓄電池所占體積那么大，安裝相對簡潔。2.5 通信模塊通信設(shè)備選擇：采納藍牙裝置進行通信。盡管相比紅外通信，它的成本相對較高。但其有著諸多特有的優(yōu)點：通信距離相對較長，一般在10米左右，且可以轉(zhuǎn)彎，不用對準(zhǔn)。傳輸速度快，且可以加密，更加平安。3 硬件設(shè)計3.1 主控硬件設(shè)計對于每個小車而言，

11、主控電路的核心器件為AT89S52單片機，通過此單片機來限制小車完成預(yù)料的功能。其中，小車的啟動、復(fù)位、斷電都須要手動開關(guān)來限制。由QTI循跡模塊組成的循跡電路進行實時監(jiān)測，不斷推斷小車的位置，并將檢測到的信息發(fā)回給單片機，單片機經(jīng)過運算后，發(fā)送PWM波給電機，從而限制小車速度、啟停、轉(zhuǎn)彎、直線行駛等。除此之外，兩個小車的單片機還都須要連接一個藍牙設(shè)備，用于在兩個單片機之間傳遞信息。系統(tǒng)框圖如圖3-1所示。 圖3-1 主控電路連接圖3.2 循跡硬件的設(shè)計由于本設(shè)計在循跡模塊中采納的是集成的QTI循跡模塊，故循跡裝置內(nèi)部電路無需再重新設(shè)計，僅需將集成的QTI循跡模塊正確連入AT89S52單片機中

12、集可。詳細(xì)電路連接圖見圖3-2。圖3-2 QTI設(shè)備連接圖3.3 驅(qū)動硬件設(shè)計電機選擇：采納直流伺服電機。伺服電機具有如下特點：它在接收到一個PWM波形脈沖時就會旋轉(zhuǎn)肯定的角度，通過不斷接收脈沖就可以使得小車持續(xù)運動。對于本設(shè)計所選用的電機而言，當(dāng)接收到的脈沖是高電平持續(xù)時間為1.5ms而低電平持續(xù)時間是20ms時，電機不發(fā)生轉(zhuǎn)動；當(dāng)?shù)碗娖匠ｉg保持不變，高電平持續(xù)時間越接近1.7ms時，電機順時針轉(zhuǎn)速越快，在1.7ms時，電機順時針旋轉(zhuǎn)速度達到最大；反之，高電平持續(xù)時間越接近1.3ms時，電機逆時針轉(zhuǎn)速越快，在1.3ms時，電機逆時針旋轉(zhuǎn)速度達到最大。在小車運行過程中，單片機AT89S52通過

13、P1.1和P1.2口發(fā)送脈沖波形來分別限制左右電機運轉(zhuǎn)，即將左右電機分別和P1.1和P1.2口相連即可。3.4 電源硬件設(shè)計本系統(tǒng)中的單片機所需的供電電壓為+5V工作電壓，而電路板的設(shè)計是采納6-9V的直流電輸入，再通過穩(wěn)壓芯片來為單片機輸入5V的工作電壓。每節(jié)干電池所供應(yīng)的電壓為1.5V，采納4節(jié)干電池串聯(lián)后可以得到直流電輸入口所要求的最小電壓6V。因此，選擇4節(jié)干電池串聯(lián)后接入單片機的供電口。此外，由于干電池所供電壓并不穩(wěn)定，簡潔造成小車傳感器、藍牙等設(shè)備的掉電，從而影響小車的正常工作，故再額外通過USB-ISP線將輸出為5V的移動電源連接至小車的ISP下載口即可。3.5 藍牙通信串口硬件

14、設(shè)計本系統(tǒng)中兩輛小車須要在肯定狀況下進行通信，因而須要運用一個近距離的無線通信裝置。在本設(shè)計中，選用藍牙通信裝置HC-05來實現(xiàn)此功能。HC-05的引腳原理圖如如圖3-3所示。圖3-3 藍牙引腳原理圖此藍牙在配對勝利后的運用方法和串口的運用方法一樣，故同樣是將藍牙接口TXD、RXD分別連至單片機的P3.0、P3.1口，VCC接高電平，GND接地即可正常運用。3.6 本章總結(jié) 本章主要分析了小車實現(xiàn)各個功能所需的硬件設(shè)備，硬件選擇，硬件設(shè)備連接等問題，主要包括主控硬件、循跡硬件、驅(qū)動硬件、電源硬件、藍牙硬件等，通過對硬件的分析和設(shè)計，為小車能正常運行做好的硬件方面的打算工作。4 軟件的設(shè)計和實現(xiàn)

15、4.1 概述在基于單片機的系統(tǒng)設(shè)計中，除了要對系統(tǒng)硬件進行設(shè)計外，還要對系統(tǒng)的軟件進行設(shè)計。在本設(shè)計之中，大量的執(zhí)行工作須要對程序進行設(shè)計，這一工作對于系統(tǒng)而言尤為重要。在編寫程序時，要留意一下幾點要求：1. 實時性，即軟件反應(yīng)、執(zhí)行速度快。2. 程序簡練，即要求既要完成目標(biāo)，又要以最簡潔的方式表述出來。3. 程序的敏捷性和可拓展性，即程序擁有較強的適應(yīng)實力，在功能須要拓展時可以便利的修改。4. 牢靠性，即在系統(tǒng)運行過程中因為軟件方面的故障而造成的系統(tǒng)錯誤盡可能的少。此外，在用C語言進行程序設(shè)計時，詳細(xì)步驟如下：1. 明確要求，確定軟件所要實現(xiàn)的功能。2. 分析詳細(xì)問題，建立數(shù)學(xué)模型。3. 繪

16、制出各個程序模塊的流程圖。4. 將各個程序組合在一起，構(gòu)成一個完整的程序。最終，在程序設(shè)計的過程中，應(yīng)留意一下幾點要求：1. 各個功能、模塊盡量層次化。2. 存儲空間合理，節(jié)約內(nèi)存。3. 軟件流程要合理，軟件布局要清楚。4.2 軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計在本設(shè)計中，軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計采納了模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計，將整個系統(tǒng)分成五大模塊，包括主程序模塊、循跡程序模塊、電機程序模塊、藍牙通信程序模塊、位置推斷程序模塊等，依次設(shè)計系統(tǒng)整體軟件結(jié)構(gòu)和各個模塊的軟件結(jié)構(gòu)，最終再將其匯總成為一個完整系統(tǒng)。系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)圖如圖4-1所示。 圖4-1系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖4.3 主要模塊的實現(xiàn)4.3.1循跡流程圖循跡流程圖如圖4-2所示。

17、 圖4-2循跡流程圖小車在啟動后會干脆進入循跡路段，正常直行狀況下，有且只有中間兩路QTI裝置(中左和中右)將能夠探測到黑線。而在執(zhí)行前進過程中，會因為一些因素而造成略微偏離軌道，此時，小車的中間兩路QTI裝置可能將會存在其中一路脫離黑線。此時，則應(yīng)向單片機發(fā)出調(diào)整指令，變更小車的行駛狀態(tài)，使其回來黑線中心行駛。當(dāng)小車來到拐彎路段時，外部兩個QTI裝置(左和右)將會探測到黑線，表明小車來到拐彎路段，則應(yīng)向單片機發(fā)出調(diào)整指令，變更小車的行駛狀態(tài)，使其完成拐彎任務(wù)。而當(dāng)小車到達定位處時，四路QTI循跡裝置將全部探測到黑線，此時則應(yīng)向單片機發(fā)出計數(shù)自加指令后使小車接著向前行駛。4.3.2 電機驅(qū)動流

18、程圖電機驅(qū)動流程圖如4-3所示。圖4-3電機驅(qū)動功能流程圖 在兩個小車進行通信時，依據(jù)預(yù)期，隨著兩個小車的位置變更，兩個小車的行駛速度也應(yīng)當(dāng)隨之變更。在此設(shè)計中，整個軌道共有8個定位點。對于小車A，速度變更是從檢測到定位點時起先的，所以小車A的驅(qū)動流程圖應(yīng)從檢測到定位點起先。而對于小車B，速度變更是在中斷中產(chǎn)生的，所以小車B的驅(qū)動流程圖應(yīng)從中斷中起先。此外，本設(shè)計的要求是使小車B跟隨小車A行駛，使得小車A和小車B的距離始終保持在大約等于兩個定位點間的距離。因此，想要確定兩個小車的速度，首先要計算兩個小車距離。本設(shè)計是通過計算兩小車共檢測到的定位點數(shù)之差來推斷兩個小車的距離。當(dāng)兩個小車所探測到的

19、定位點數(shù)相差為1，表示兩車距離適中，驅(qū)動電機使兩車都快速行駛；當(dāng)兩個小車探測到的定位點數(shù)相同，表示兩車距離過近，驅(qū)動電機使前車快速行駛而后車慢速行駛，從而拉大兩車間距；而當(dāng)兩個小車所探測到的定位點數(shù)相差大于1，表示兩車距離過遠，驅(qū)動電機使前車慢速行駛而后車快速行駛，以此來縮短兩車距離。另外，前車發(fā)生故障時，應(yīng)使得后車在和其距離過近時自動停車，防止出現(xiàn)兩車相撞的狀況。4.3.3 位置推斷流程圖 位置推斷流程圖如圖4-4所示。圖4-4 位置推斷流程圖本設(shè)計中，兩個小車須要構(gòu)成一個協(xié)作的系統(tǒng)平臺，因此，須要不斷地推斷自己的位置。在此設(shè)計中，在完整軌道中平均選擇了8個定位點，在小車途經(jīng)這8個定位點時，

20、單片機選擇一個變量來計算小車在行駛過程中所經(jīng)過的總點數(shù)，從而來大致推斷小車的所在位置。當(dāng)計數(shù)達到8時，表示小車已經(jīng)運行了一整圈回到動身點，故計數(shù)清零。軌道圖如圖4-5所示。圖4-5 軌道圖4.3.4 藍牙通信流程圖在本設(shè)計中，兩個小車要通過相互協(xié)作來構(gòu)成一個智能小車系統(tǒng)，因此，在小車運行過程中，兩小車須要在必要的時刻相互通信并發(fā)送指令。在此系統(tǒng)中，小車A為整個系統(tǒng)的中樞，一切信息要在小車A的單片機中進行運算處理，再將限制吩咐由小車A發(fā)出。藍牙通信流程圖如圖4-6所示。圖4-6 藍牙通信流程圖4.4 本章小結(jié)本章首先介紹了針對軟件設(shè)計的要求、過程等留意事項，然后系統(tǒng)的介紹了針對本設(shè)計的軟件結(jié)構(gòu)各

21、個模塊的設(shè)計方案、思路，并列出了各個主要模塊的設(shè)計流程圖。5 系統(tǒng)功能測試在完成系統(tǒng)的設(shè)計和制作后，必須要對所設(shè)計的系統(tǒng)進行測試。通過測試，檢測須要單片機所完成的功能是否能夠?qū)崿F(xiàn)。5.1 系統(tǒng)功能測試 測試過程中，首先依次對各個小車進行單獨的模塊功能測試，然后再進行整個系統(tǒng)的功能測試。即首先分別對小車A、小車B進行單獨循跡功能的測試，查看小車A、B的性能。然后再將小車A、B通過藍牙連接相互通信，測試整個系統(tǒng)的性能。小車A循跡功能單獨測試，結(jié)果如表5-1所示。表5-1 小車A循跡測試結(jié)果12345678第一圈完成完成完成完成卡頓完成完成完成其次圈完成卡頓完成完成完成完成完成完成第三圈完成完成完成

22、完成完成完成完成完成第四圈完成完成完成完成卡頓完成完成完成第五圈卡頓完成完成完成完成完成完成完成小車B循跡功能單獨測試，結(jié)果如表5-2所示。表5-2 小車B循跡測試結(jié)果12345678第一圈完成完成完成完成卡頓完成完成完成其次圈完成完成完成完成完成完成完成完成第三圈完成完成完成完成完成完成完成完成第四圈完成完成完成完成完成完成完成完成第五圈完成完成完成完成完成完成完成完成系統(tǒng)性能測試，結(jié)果如表5-3所示。表5-3 系統(tǒng)功能測試結(jié)果第一圈運行正常其次圈運行正常第三圈小車A在定位點3處連續(xù)探測到2次定位標(biāo)記，造成出錯第四圈運行正常第五圈運行正常5.2 測試結(jié)果分析小車A在運行過程中，由于傳感器、電

23、機等設(shè)備問題，有時會造成中途卡頓，導(dǎo)致小車無法正常運行，但總體結(jié)果基本正確，不影響試驗結(jié)果。小車B和小車A相比，運行較為流暢，基本可以正常運行，很少會出現(xiàn)故障，達到預(yù)期目標(biāo)。在整個系統(tǒng)協(xié)調(diào)運行時，除了小車間或發(fā)生的卡頓意外，基本不會造成其他故障，基本可以達到預(yù)期的效果?？傮w而言，主要是由于傳感器并不精確，在室內(nèi)光線、太陽光等燈光的影響下，間或會導(dǎo)致運行出現(xiàn)故障。但從整體來看，基本功能都可以正常實現(xiàn)，不影響觀測結(jié)果，系統(tǒng)基本能夠正常運行。6 結(jié)論和展望6.1 結(jié)論在本設(shè)計中，A、B兩個小車的限制核心都選用的是AT89S52單片機，這使得小車具有較好的穩(wěn)定性和持續(xù)性。循跡裝置選擇的是體積小、功耗低

24、、應(yīng)用便利、集成度高的QTI傳感器DM-S53401。電機選擇的是兩輪獨立的直流伺服電機，通過限制兩個輪不同的轉(zhuǎn)速來變更方向。車間通信選擇的是藍牙通信裝置HC-05，它具有較高的牢靠性，可以保證兩車順當(dāng)?shù)耐瓿赏ㄐ殴δ?。在小車運行的過程中，利用QTI傳感器來實時監(jiān)測小車的路面信息，單片機接收并處理傳感器監(jiān)測到的信號，將運動限制指令發(fā)送給電機，使得小車正常行駛。此外，兩個小車還通過藍牙裝置進行車間通信，并依據(jù)兩車的狀態(tài)調(diào)整小車的運動狀況。該系統(tǒng)最終能夠完成的功能有：循跡、變速、保持兩車間距穩(wěn)定、緊急停車。6.2 展望本智能小車系統(tǒng)最主要的前景是運用到無人駕駛汽車上。一方面，可以通過小車系統(tǒng)的車間通信規(guī)劃行車路徑，充分利用現(xiàn)有的道路資源，提高道路利用率，削減堵車事務(wù)的發(fā)生；另一方面，還通過安裝各種傳感器感知路面狀況來避開交通事故的發(fā)生。參考文獻：1 李建忠.單片機原理及應(yīng)用.其次版，西安電子科技高校出版社，2008.22 李曉瑩.傳感器和測試技術(shù).高等教化出版社，2005.13 禹帆.藍牙技術(shù).清華高校出版