智能避障小車課程設(shè)計(jì)報(bào)告

第頁共18頁課程設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)題目:院系:專業(yè):學(xué)生:學(xué)號(hào):指導(dǎo)老師:日期：目錄第1章引言………….………………...…...3第2章總體方案………………...42.1需求分析……………42.2總體分析……………42.3方案確定……………4第3章硬件方案……………...…………63.1車體設(shè)計(jì)……………..63.2主控制器模塊………..63.3電源模塊……………..63.4電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊………..63.5點(diǎn)機(jī)模塊……………..83.6壁障模塊……………..83.7最終方案……………..8第4章硬件實(shí)現(xiàn)及單元電路設(shè)計(jì)………….……….84.1主控模塊……………..84.2電源設(shè)計(jì)……………..94.3驅(qū)動(dòng)電路……………..10第5章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案………………..…….…….115.1系統(tǒng)主程序流程圖…………………..125.2測(cè)距子程序流程圖………………….14第6章系統(tǒng)的安裝及調(diào)試…….….156.1安裝步驟……………..156.2電路的調(diào)試…………...15第7章心得與總結(jié)……………….…………….……….16第8章問題補(bǔ)充……………...……...…..16附錄一整機(jī)電路圖……….17附錄二實(shí)物圖…………….17第一章引言隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，關(guān)于汽車的研究也越來越受到人們的關(guān)注。智能汽車概念的提出給汽車產(chǎn)業(yè)帶來機(jī)遇也帶了挑戰(zhàn)。汽車的智能化必將是未來汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，在這樣的背景下，我們開展了基于超聲波和紅外線的智能小車的避障研究。超聲波作為智能車避障的一種重要手段，以其避障實(shí)現(xiàn)方便，計(jì)算簡(jiǎn)單，易于做到實(shí)時(shí)控制，測(cè)量精度也能達(dá)到實(shí)用的要求，在未來汽車智能化進(jìn)程中必將得到廣泛應(yīng)用。我國作為一個(gè)世界大國，在高科技領(lǐng)域也必須占據(jù)一席之地，未來汽車的智能化是汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展必然的，在這種情況下研究超聲波紅外在智能車避障上的應(yīng)用具有深遠(yuǎn)意義，這將對(duì)我國未來智能汽車的研究在世界高科技領(lǐng)域占據(jù)領(lǐng)先地位具有重要作用。針對(duì)一種基于超聲波和紅外傳感器的避障小車，通過對(duì)整體方案、電路、算法、調(diào)試、車輛參數(shù)的介紹，詳盡地闡述小車通過傳感器系統(tǒng)感知外界環(huán)境和自身狀態(tài),在復(fù)雜的環(huán)境中自主移動(dòng)并完成相應(yīng)的任務(wù)。超聲波和紅外傳感器以其獨(dú)有的特征而被青睞。本文利用超聲波傳感器對(duì)障礙物進(jìn)行定位從而使機(jī)器人順利到達(dá)繞過障礙物的目標(biāo)。該智能小車系統(tǒng)涉及直流電機(jī)控制技術(shù)、路徑識(shí)別、傳感技術(shù)、電子設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)等多個(gè)學(xué)科，磨練我們的知識(shí)融合和實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)。摘要:智能作為現(xiàn)代的新發(fā)明，是以后的發(fā)展方向，他可以按照預(yù)先設(shè)定的模式在一個(gè)環(huán)境里自動(dòng)的運(yùn)作，不需要人為的管理，可應(yīng)用于科學(xué)勘探用途。本設(shè)計(jì)中智能小車采用STC89C52單片機(jī)作為檢測(cè)和控制的核心，實(shí)現(xiàn)智能小車的智能控制，包括紅外避障、超聲波避障等功能。驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用直流減速電機(jī)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)由L298N驅(qū)動(dòng)電路完成。關(guān)鍵詞智能小車；單片機(jī)；超聲波；紅外線；避障第二章總體方案基于項(xiàng)目的功能特性以及我們的設(shè)計(jì)目的，我們選擇Cortex-M0作為本課程設(shè)計(jì)的控制器，它能夠很好的實(shí)現(xiàn)該課題設(shè)計(jì)的要求；我們使用L298來驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)；我們使用三端穩(wěn)壓集成電路7805、7812做成的穩(wěn)壓電源作為電機(jī)、H橋的工作電源;我們使用74HC164是串行輸入,并行輸出的8位移位寄存器做成的鍵盤顯示板結(jié)合M0的SPI模塊實(shí)現(xiàn)了人機(jī)對(duì)話的功能模塊。本章主要簡(jiǎn)要地介紹系統(tǒng)總體方案的選定和總體設(shè)計(jì)思路，在后面的章節(jié)中將整個(gè)系統(tǒng)分為機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制模塊、控制算法等三部分對(duì)智能車控制系統(tǒng)進(jìn)行深入的介紹分析。2.1需求分析設(shè)計(jì)一種基于超聲波和紅外避障礙的小車移動(dòng)平臺(tái)，借助超聲波和紅外傳感器的使用滿足在一定的復(fù)雜的環(huán)境中自主避障任務(wù),使小車可以走出幾個(gè)彎道的迷宮。2.2總體設(shè)計(jì)通過學(xué)習(xí)和研究相關(guān)技術(shù)資料了解到，超聲波測(cè)距模塊是系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊之一，超聲波測(cè)距方案的好壞，直接關(guān)系到最終性能的優(yōu)劣，因此確定超聲波測(cè)距模塊的方法是決定系統(tǒng)總體方案的關(guān)鍵。避障模塊采用超聲波傳感器的使用檢測(cè)前面有不可穿越的障礙時(shí),便避過障礙;優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格相對(duì)便宜，在滿足系統(tǒng)的要求下具有較高的精度，能很好判斷是否有不可穿越的障礙;紅外傳感器雖然不能測(cè)距,但是當(dāng)有障礙物時(shí),它能夠反映在電平的變化,而且更廉價(jià)易得，適合簡(jiǎn)單的避障。2.3方案確定系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)作為核心控制單元用于智能車系統(tǒng)的控制,小車車頭正中間超聲波傳感器檢測(cè)前方障礙物，用于判斷是否需要轉(zhuǎn)彎，左右兩邊各有一個(gè)紅外線避障頭，用于檢測(cè)跑道兩邊的墻，防止小車碰到墻壁。系統(tǒng)總體的設(shè)計(jì)方框圖如圖1所示。紅外模塊超聲波模塊STC89C52主控模塊7805電源L298電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊圖1系統(tǒng)總體方框圖根據(jù)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，系統(tǒng)包括以下模塊：STC89C52主控模塊、L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊、超聲波測(cè)距避障模塊、紅外避障模塊等。各模塊的作用如下：STC89C52主控模塊，作為整個(gè)智能小車的“大腦”，將發(fā)送采集超聲波等傳感器的信號(hào)，根據(jù)控制算法做出控制決策，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)等等完成對(duì)智能車的控制。電源模塊，為整個(gè)系統(tǒng)提供合適而又穩(wěn)定的電源;電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)完成智能車的加減速控制和轉(zhuǎn)向控制;超聲波測(cè)距避障模塊,負(fù)責(zé)測(cè)距和前方避障功能;紅外避障模塊,則能夠達(dá)到避障功能。第三章硬件方案根據(jù)總體方案設(shè)計(jì)，對(duì)硬件結(jié)構(gòu)的要求是：簡(jiǎn)單而高效，在不斷的嘗試后確定了以下的設(shè)計(jì)方案:3.1.1車體設(shè)計(jì)買現(xiàn)成的車模。經(jīng)過反復(fù)考慮論證，我們制定了買左右兩輪分別驅(qū)動(dòng)，后萬向輪轉(zhuǎn)向的車模方案。即左右輪分別用兩個(gè)轉(zhuǎn)速和力矩基本完全相同的直流減速電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，后裝一個(gè)萬向輪。這樣，當(dāng)兩個(gè)直流電機(jī)轉(zhuǎn)向相反同時(shí)轉(zhuǎn)速相同時(shí)就可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車的原地旋轉(zhuǎn)，由此可以輕松的實(shí)現(xiàn)小車坐標(biāo)不變的90度和180度的轉(zhuǎn)彎。3.1.2主控制器模塊采用STC89C52單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，用其控制行進(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)控制，而在這一點(diǎn)上，單片機(jī)就顯現(xiàn)出來它的優(yōu)勢(shì)——控制簡(jiǎn)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)大的控制功能及可位尋址操作功能、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。51單片機(jī)具有功能強(qiáng)大的位操作指令，I/O口均可按位尋址，程序空間多達(dá)8K，對(duì)于本設(shè)計(jì)也綽綽有余，更可貴的是51單片機(jī)價(jià)格非常低廉。3.1.3電源模塊采用6節(jié)1.5V干電池共9V做電源，經(jīng)過7805的電壓變換后為單片機(jī)，傳感器供電。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證小車工作時(shí)，單片機(jī)、傳感器的工作電壓穩(wěn)定能夠滿足系統(tǒng)的要求，而且電池更換方便。3.1.4電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊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，加速能力強(qiáng)，采用由達(dá)林頓管組成的H型橋式電路（圖3）。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2)，L298N是一個(gè)具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動(dòng)芯片，它相應(yīng)頻率高，一片L298N驅(qū)動(dòng)芯片，它相應(yīng)頻率高，一片L298N可以分別控制兩個(gè)直流電機(jī)，而且還帶有控制使能端。用該芯片作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。圖2L298N圖33.1.5電機(jī)模塊本系統(tǒng)為智能電動(dòng)車，對(duì)于電動(dòng)車來說，其驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇就顯得十分重要。所以我采用直流減速電機(jī)（圖在附錄2）。直流減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大，體積小，重量輕，裝配簡(jiǎn)單，使用方便。由于其內(nèi)部由高速電動(dòng)機(jī)提供原始動(dòng)力，帶動(dòng)變速（減速）齒輪組，可以產(chǎn)生大扭力。能夠較好的滿足系統(tǒng)的要求。3.1.6避障模塊采用超波模塊加紅外光電開關(guān)（圖在附錄2）組合在一起避障考慮到本系統(tǒng)需要檢測(cè)障礙物的距離，避開障礙物，為了使用方便、系統(tǒng)穩(wěn)定性、便于操作和調(diào)試。3.2最終方案經(jīng)過反復(fù)論證，我們最終確定了如下方案：車模用兩驅(qū)車模采用STC89S52單片機(jī)作為主控制器。用6節(jié)干電池供電。用超聲波模塊加紅外光電開關(guān)進(jìn)行避障。L298N作為直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片。第四章硬件實(shí)現(xiàn)及單元電路設(shè)計(jì)4.1主控制模塊主控制最小系統(tǒng)電路如圖4所示。圖44.2電源設(shè)計(jì)電源部分的設(shè)計(jì)主要采用7805芯片，使用7805芯片搭建的電路的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、實(shí)用，并且完全能夠滿足壁障小車單片機(jī)控制系統(tǒng)和L298N芯片的邏輯供電的供電需要。7805芯片有3個(gè)引腳，分別為輸入IN端、輸出OUT端和接地GND端，通常情況下可以提供1.5A的電流，在散熱足夠的情況下可以提供大于1.5A的電流。7805芯片的輸入電壓可以為9V、12V、15V不等，輸出電壓穩(wěn)定在5V，正負(fù)誤差不超過0.2V。7805芯片如圖5。基于這樣的情況再結(jié)合電機(jī)的工作電壓，選取了9V電源作為7805的輸入電源，搭建的電源部分電路如圖6.圖57805芯片圖64.3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。其引腳圖如7，驅(qū)動(dòng)原理圖如圖8。圖圖7L298N引腳圖圖8電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路第5章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案該方案的編程思路是先確定主程序，之后根據(jù)各硬件電路功能來設(shè)計(jì)子程序模塊，最后再將各模塊嵌入主程序中。這樣編程結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由于子程序模塊與硬件電路一一對(duì)應(yīng)，所以調(diào)試起來十分方便。本設(shè)計(jì)軟件方框圖如圖9示。超超聲波避障子程序電機(jī)驅(qū)動(dòng)子程序躲避障礙子程序避障功的智能小車主程序紅外線避障子程序圖95.1系統(tǒng)主程序流程圖如圖10為系統(tǒng)主程序流程圖。開始初始化檢測(cè)前方有障礙？避開障礙小車前進(jìn)再次檢測(cè)轉(zhuǎn)彎YN圖105.2測(cè)距子程序流程圖如圖11示為超聲波測(cè)距子程序流程圖開始開始發(fā)射超聲波脈沖等待反射超聲波計(jì)算距離單片機(jī)處比較避障圖11主程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行初始化之后，超聲波測(cè)距程序設(shè)置定時(shí)器T0為16位定時(shí)器，開中斷允許位EA。之后調(diào)用超聲波發(fā)射子程序送出一個(gè)超聲波脈沖，為了避免信號(hào)直接耦合干擾需要延時(shí)0.1ms在開外部中斷接收返回的超聲波信號(hào)（這也就是超聲波測(cè)距會(huì)有一個(gè)最小可測(cè)距離的原因）。由于系統(tǒng)采用的是12M晶振，計(jì)數(shù)器每計(jì)一個(gè)數(shù)就是一微秒，當(dāng)主程序檢測(cè)到接收成功標(biāo)志位后，將計(jì)數(shù)器T0中的數(shù)按公式4-1計(jì)算d=(c*t)/2=172*T0/10000………公式4-1在室溫下測(cè)試聲速為344m/s，超聲波每發(fā)射，接收一次所走距離為被測(cè)距離L的2倍如圖12，L便是被測(cè)物體和超聲波傳感器之間的距離，式中T0為計(jì)數(shù)器T0中的計(jì)數(shù)值。圖12聲波測(cè)距原理示意圖測(cè)出距離后結(jié)果將以十進(jìn)制BCD碼方式送往LED顯示，與此同時(shí)送入累加器A與安全距離進(jìn)行比較，若判定前方有障礙物則執(zhí)行避障操作，等待上述過程結(jié)束，然后再發(fā)射超聲波脈沖重復(fù)測(cè)量過程。本設(shè)計(jì)中智能小車的回轉(zhuǎn)半徑為40cm,設(shè)定的安全距離為25cm，由于程序設(shè)計(jì)小車每次都向右側(cè)避障，所以小車能夠完成避障操作的條件是測(cè)試環(huán)境障礙物的間距大于1m，這樣小車才可以正常工作。第六章系統(tǒng)的安裝與調(diào)試6.1安裝步驟1.檢查元件的好壞按電路圖買好元件后首先檢查買回元件的好壞，按各元件的檢測(cè)方法分別進(jìn)行檢測(cè)，一定要仔細(xì)認(rèn)真。而且要認(rèn)真核對(duì)原理圖是否一致，在檢查好后才可上件、焊件，防止出現(xiàn)錯(cuò)誤焊件后不便改正。2.放置、焊接各元件按原理圖的位置放置各元件，在放置過程中要先放置、焊接較低的元件，后焊較高的和要求較高的元件。特別是容易損壞的元件要后焊，在焊集成芯片時(shí)連續(xù)焊接時(shí)間不要超過10s，注意芯片的安裝方向。6.2電路的調(diào)試首先燒入電機(jī)控制小程序，控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，停止均正常。說明電機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路無誤。然后加入避障子程序，小車運(yùn)轉(zhuǎn)正常時(shí)，調(diào)節(jié)超聲波模塊靈敏度使達(dá)到理想效果。在調(diào)試程序時(shí)，發(fā)現(xiàn)有的指令用的不正確，導(dǎo)致電路功能不能完全實(shí)現(xiàn)，另外軟件程序中的延時(shí)有的過長、