智能循跡避障小車方案設(shè)計(jì)書(shū)

-.z智能循跡避障小車摘要：本設(shè)計(jì)是一種基于單片機(jī)控制的簡(jiǎn)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STC89C52單片機(jī)為控制核心,用L298N驅(qū)動(dòng)小車的兩個(gè)直流電動(dòng)機(jī)，用單片機(jī)產(chǎn)生PWM波，控制小車速度。利用紅外對(duì)管對(duì)路面黑色軌跡和障礙物進(jìn)展檢測(cè),并將路面檢測(cè)信號(hào)反響給單片機(jī)。單片機(jī)對(duì)采集到的信號(hào)予以分析判斷,及時(shí)控制驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)以調(diào)整小車轉(zhuǎn)向,從而使小車能夠避開(kāi)障礙物沿著黑色軌跡自動(dòng)行駛,實(shí)現(xiàn)小車自動(dòng)尋跡的目的。關(guān)鍵詞：智能小車；STC89C52單片機(jī)；L298N；紅外對(duì)管Intelligenttrackingandobstacle-avoidcarLiBo,Qi*iao-long(ElectricalEngineeringCollege,LongdongUniversity,Qingyang745000,Gansu,China)Abstract：Thisdesignisakindofautomatictracingbasedonsingle-chipmicroputercontrolsystemused,includingtrolleysystemshardwareandsoftwaredesignmethod.CarSTC89C52singlechipmicroputertocontrolthecore,L298NdrivingtwoDCmotorsforcar,monolithicintegratedcircuitPWMwave,controllingcarspeed.Usinginfra-redtubeblacktrackanddetectobstaclesonpavementandpavementdetectionsignalbacktotheMCU.MCUonthecollectedsignalsanalysis,controldriveDCmotorstoadjustthecarturninginatimelymanner,soastoenablethecartoavoidtheobstaclesalongtheblackpathautomatically,achievethepurposeofcarautomatictracing.Keywords:SmartCar;STC89C52MCU;L298N;InfraredEmittingDiode1.引言22.方案設(shè)計(jì)與論證22.1主控系統(tǒng)22.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊32.3循跡模塊42.4避障模塊52.5機(jī)械系統(tǒng)62.6電源模塊63.硬件設(shè)計(jì)63.1總體設(shè)計(jì)63.2驅(qū)動(dòng)電路〔參考文獻(xiàn)[4]〕73.3信號(hào)檢測(cè)模塊83.4主控電路94.軟件設(shè)計(jì)104.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序104.3循跡模塊11P0_0=!P0_0;12P0_1=!P0_1;134.4避障模塊135.制作安裝與調(diào)試175.1PCB的設(shè)計(jì)制作與安裝17完畢語(yǔ)17參考文獻(xiàn)181.引言隨著機(jī)械自動(dòng)化的不斷開(kāi)展，人們?cè)谏畹母鱾€(gè)方面都希望能夠利用自動(dòng)化的操作來(lái)提高工作效率，使生產(chǎn)開(kāi)展能夠得到不斷的提高。近來(lái)在軌跡跟蹤方面的話題研究不斷引起人們的更多關(guān)注，國(guó)內(nèi)外更是開(kāi)展了一系列的智能軌跡跟蹤系統(tǒng)的競(jìng)賽活動(dòng)。在實(shí)際應(yīng)用中，具有智能化的機(jī)器人在人們無(wú)法觸及的工作場(chǎng)合下更是大顯身手，如各種軍事機(jī)器人、勘探機(jī)器人等。和我們?nèi)粘Ｉ罡鼮榻咏挠懈鞣N醫(yī)療機(jī)器人、汽車自動(dòng)泊位系統(tǒng)、自動(dòng)駕駛系統(tǒng)等等。軌跡跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在機(jī)器人領(lǐng)域有著重要的地位，可以說(shuō)是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)智能化的一個(gè)重要指標(biāo)。任何一個(gè)機(jī)器人想要實(shí)現(xiàn)智能化就必須能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)外部環(huán)境的自我感知判斷并作出相應(yīng)反響，最終完成人們布置的任務(wù)。本設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)軌跡跟蹤問(wèn)題的分析，制作了一輛能夠自動(dòng)跟蹤地面上的黑色軌跡的小車。2.方案設(shè)計(jì)與論證根據(jù)要求，確定如下方案：在現(xiàn)有玩具電動(dòng)車的根底上，加裝光電檢測(cè)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車的速度、位置、運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)測(cè)量，并將測(cè)量數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)進(jìn)展處理，然后由單片機(jī)根據(jù)所檢測(cè)的各種數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車的智能控制。這種方案能實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)展實(shí)時(shí)控制，控制靈活、可靠，精度高，可滿足對(duì)系統(tǒng)的各項(xiàng)要求。2.1主控系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，我認(rèn)為此設(shè)計(jì)屬于多輸入量的復(fù)雜程序控制問(wèn)題。據(jù)此，擬定了以下兩種方案并進(jìn)展了綜合的比擬論證，具體如下：方案一：選用一片CPLD〔如EPM7128LC84-15〕作為系統(tǒng)的核心部件，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)展編寫開(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?？欤≤嚨男羞M(jìn)速度不可能太高，則對(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。假設(shè)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。方案二：采用單片機(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(lái)它的優(yōu)勢(shì)——控制簡(jiǎn)單、方便、快捷。這樣一來(lái)，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)。因此，這種方案是一種較為理想的方案。針對(duì)本設(shè)計(jì)特點(diǎn)——多開(kāi)關(guān)量輸入的復(fù)雜程序控制系統(tǒng)，需要擅長(zhǎng)處理多開(kāi)關(guān)量的標(biāo)準(zhǔn)單片機(jī)，而不能用精簡(jiǎn)I/O口和程序存儲(chǔ)器的小體積單片機(jī)，D/A、A/D功能也不必選用。根據(jù)這些分析,我選定了P89C51RA單片機(jī)作為本設(shè)計(jì)的主控裝置，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。在綜合考慮了傳感器、兩部電機(jī)的驅(qū)動(dòng)等諸多因素后，我們決定采用一片單片機(jī)，充分利用STC89C52單片機(jī)的資源。2.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊方案一：采用繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)的開(kāi)或關(guān)進(jìn)展控制,通過(guò)開(kāi)關(guān)的切換對(duì)小車的速度進(jìn)展調(diào)整.此方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡(jiǎn)單,缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時(shí)間慢,易損壞,壽命較短,可靠性不高。方案二：采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的分壓，從而到達(dá)分壓的目的。但電阻網(wǎng)絡(luò)只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價(jià)格比擬昂貴。更主要的問(wèn)題在于一般的電動(dòng)機(jī)電阻很小，但電流很大，分壓不僅回降低效率，而且實(shí)現(xiàn)很困難。方案三：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)的電路構(gòu)造和原理簡(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(如圖2.1)。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，準(zhǔn)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(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2.2)。這種調(diào)速方式有調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速*圍廣、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)。因此決定采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)。圖2.1H橋式電路圖2.2L2.3循跡模塊方案一：采用簡(jiǎn)易光電傳感器結(jié)合外圍電路探測(cè)，但實(shí)際效果并不理想，對(duì)行駛過(guò)程中的穩(wěn)定性要求很高，且誤測(cè)幾率較大、易受光線環(huán)境和路面介質(zhì)影響。在使用過(guò)程極易出現(xiàn)問(wèn)題，而且容易因?yàn)樵摬考斐烧麄€(gè)系統(tǒng)的不穩(wěn)定。故最終未采用該方案。方案二：采用兩只紅外對(duì)管(如圖2.3)，分別置于小車車身前軌道的兩側(cè)，根據(jù)兩只光電開(kāi)關(guān)承受到白線與黑線的情況來(lái)控制小車轉(zhuǎn)向來(lái)調(diào)整車向，測(cè)試說(shuō)明，只要合理安裝好兩只光電開(kāi)關(guān)的位置就可以很好的實(shí)現(xiàn)循跡的功能。(參考文獻(xiàn)[3])方案三：采用三只紅外對(duì)管，一只置于軌道中間，兩只置于軌道外側(cè)，當(dāng)小車脫離軌道時(shí)，即當(dāng)置于中間的一只光電開(kāi)關(guān)脫離軌道時(shí)，等待外面任一只檢測(cè)到黑線后，做出相應(yīng)的轉(zhuǎn)向調(diào)整，直到中間的光電開(kāi)關(guān)重新檢測(cè)到黑線〔即回到軌道〕再恢復(fù)正向行駛?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)說(shuō)明，小車在尋跡過(guò)程中有一定的左右搖擺不定，雖然可以正確的循跡但其本錢與穩(wěn)定性都次與第二種方案。通過(guò)比擬，我選取第二種方案來(lái)實(shí)現(xiàn)循跡。圖2.3紅外對(duì)管2.4避障模塊方案一：采用一只紅外對(duì)管置于小車中央。其安裝簡(jiǎn)易，也可以檢測(cè)到障礙物的存在，但難以確定小車在水平方向上是否會(huì)與障礙物相撞，也不易讓小車做出準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)向反響。方案二：采用二只紅外對(duì)管分別置于小車的前端兩側(cè)，方向與小車前進(jìn)方向平行，對(duì)小車與障礙物相對(duì)距離和方位能作出較為準(zhǔn)確的判別和及時(shí)反響。但此方案過(guò)于依賴硬件、本錢較高、缺乏創(chuàng)造性，而且置于小車左方的紅外對(duì)管用到的幾率很小，所以最終未采用。方案三：采用一只紅外對(duì)管置于小車右側(cè)。通過(guò)測(cè)試此種方案就能很好的實(shí)現(xiàn)小車避開(kāi)障礙物，且充分的利用資源而不浪費(fèi)。(參考文獻(xiàn)[3])通過(guò)比擬我采用方案三。2.5機(jī)械系統(tǒng)此題目要求小車的機(jī)械系統(tǒng)穩(wěn)定、靈活、簡(jiǎn)單，而三輪運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)具備以上特點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)局部：由于玩具汽車的直流電機(jī)功率較小，而小車上裝有電池、電機(jī)、電子器件等，使得電機(jī)負(fù)擔(dān)較重。為使小車能夠順利啟動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，在直流電機(jī)和輪車軸之間加裝了三級(jí)減速齒輪。電池的安裝：將電池放置在車體的電機(jī)前后位置，降低車體重心，提高穩(wěn)定性，同時(shí)可增加驅(qū)動(dòng)輪的抓地力，減小輪子空轉(zhuǎn)所引起的誤差。簡(jiǎn)單，而三輪運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)具備以上特點(diǎn)。2.6電源模塊方案一：采用實(shí)驗(yàn)室有線電源通過(guò)穩(wěn)壓芯片供電，其優(yōu)點(diǎn)是可穩(wěn)定的提供5V電壓，但占用資源過(guò)大。方案二：采用4支1.5V電池單電源供電，但6V的電壓太小不能同時(shí)給單片機(jī)與與電機(jī)供電。方案三：采用8支1.5V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(wèn)題且能讓小車完成其功能。所以，我選擇了方案三來(lái)實(shí)現(xiàn)供電。3.硬件設(shè)計(jì)3.1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)控制轉(zhuǎn)向的目的，后輪是萬(wàn)象輪，起支撐的作用。將循跡光電對(duì)管分別裝在車體下的左右。當(dāng)車身下左邊的傳感器檢測(cè)到黑線時(shí)，主控芯片控制左輪電機(jī)停頓，車向左修正，當(dāng)車身下右邊傳感器檢測(cè)到黑線時(shí)，主控芯片控制右輪電機(jī)停頓，車向右修正。避障的原理和循線一樣，在車身右邊裝一個(gè)光電對(duì)管，當(dāng)其檢測(cè)到障礙物時(shí)，主控芯片給出信號(hào)報(bào)警并控制車子倒退,轉(zhuǎn)向，從而避開(kāi)障礙物。主板設(shè)計(jì)框圖如圖3.1，所需原件清單如表3.1。StcStc89c52循跡紅外對(duì)管時(shí)鐘電路復(fù)位電路報(bào)警電路電機(jī)驅(qū)動(dòng)避障紅外對(duì)管圖3.1主板設(shè)計(jì)框圖表3.1元件清單元件數(shù)量元件數(shù)量元件數(shù)量直流電機(jī)2只電阻假設(shè)干集成電路芯片假設(shè)干單片機(jī)1塊二極管假設(shè)干電容假設(shè)干紅外對(duì)管3只蜂鳴器1只電位器假設(shè)干12M晶振1只杜邦線假設(shè)干玩具小車1個(gè)排針假設(shè)干3.2驅(qū)動(dòng)電路〔參考文獻(xiàn)[4]〕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(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。通過(guò)單片機(jī)給予L298N電路PWM信號(hào)來(lái)控制小車的速度，起停。其引腳圖如3.2，驅(qū)動(dòng)原理圖如圖3.3。圖3.2L298N引腳圖圖3.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路3.3信號(hào)檢測(cè)模塊小車循跡原理是小車在畫(huà)有黑線的白紙“路面〞上行駛，由于黑線和白紙對(duì)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(lái)判斷“道路〞—黑線。筆者在該模塊中利用了簡(jiǎn)單、應(yīng)用也比擬普遍的檢測(cè)方法——紅外探測(cè)法。

紅外探測(cè)法，即利用紅外線在不同顏色的物理外表具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn)。在小車行駛過(guò)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；如果遇到黑線則紅外光被吸收，則小車上的接收管接收不到信號(hào)，再通過(guò)LM324作比擬器來(lái)采集上下電平，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的檢測(cè)。避障亦是此原理。電路圖如圖3.4。市面上有很多紅外傳感器，在這里我選用TCRT5000型光電對(duì)管。圖3.4循跡原理圖3.4主控電路本模塊主要是對(duì)采集信號(hào)進(jìn)展分析，同時(shí)給出PWM波控制電機(jī)速度，起停。以及再檢測(cè)到障礙報(bào)警等作用。其電路圖如圖5。圖3.5主控電路4.軟件設(shè)計(jì)4.1主程序框圖：圖4.1主程序框圖啟動(dòng)循跡是否檢測(cè)到停頓線停頓是否檢測(cè)到障礙圖4.1主程序框圖啟動(dòng)循跡是否檢測(cè)到停頓線停頓是否檢測(cè)到障礙NY避障YN4.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序voidgoahead(){s1=1;s2=0;s3=1;s4=0;}voidgoback(){s1=0;s2=1;s3=0;s4=1;}voidturnleft(){s3=1;s4=0;}voidturnright(){s1=1;s2=0;}voidstop(){en1=0;en2=0;}4.3循跡模塊循跡框圖：開(kāi)場(chǎng)前進(jìn)開(kāi)場(chǎng)前進(jìn)掃描I/O口，是否檢測(cè)到黑線Y左邊右邊左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)N圖4.2循跡框圖循跡程序：void*unji(){if((left_red==1)&(right_red==1)){en1=1;en2=1;goahead();delay(150);en1=0;en2=0;delay(50);}elseif((left_red==0)&(right_red==1)){en1=0;en2=1; P0_0=!P0_0;turnleft();delay(150);en1=1;en2=0;delay(50);}elseif((left_red==1)&(right_red==0)){en1=1;en2=0;P0_1=!P0_1;turnright();delay(150);en1=0;en2=1;delay(50);}else{stop();} }4.4避障模塊避障框圖：開(kāi)場(chǎng)后退一點(diǎn)，報(bào)警開(kāi)場(chǎng)后退一點(diǎn)，報(bào)警后退左轉(zhuǎn)前進(jìn)右轉(zhuǎn)Y左轉(zhuǎn)是否檢測(cè)到障礙前進(jìn)N圖4.3避障框圖避障程序：voidbizhang(){en1=1;en2=1;goback();mid_red=0;baojing();goback();for(i=0;i<8;i++){en1=1;en2=1;delay(150);en1=0;en2=0;delay(50);}stop();delay(10);turnleft();for(i=0;i<11;i++){en1=0;en2=1;delay(130); en2=0;delay(50);}stop();delay(10);goahead();for(i=0;i<22;i++){en1=1;en2=1;delay(130);en1=0;en2=0; delay(50);}stop();delay(10);turnright();for(i=0;i<18;i++){en1=1;en2=0;delay(130);en1=0;delay(50);}*un:if((left_red==1)&(right_red==0)){loop:turnleft();en1=0;en2=1;delay(30);turnright();en1=1;delay(50);en1=0;delay(50);en2=0;delay(50);if((left_red==1)&(right_red==1)){;}else{gotoloop;}}else{en1=1;en2=1;goahead();delay(80);en1=0;en2=0;delay(50);goto*un;}}5.制作安裝與調(diào)試5.1PCB的設(shè)計(jì)制作與安裝采用D*P2004繪制原理圖與PCB板，布線的過(guò)程中必須注意焊盤的大小與銅線的寬度。我選取的焊盤內(nèi)徑為0.8mm,外徑2mm；銅線寬1mm。從做板的情況來(lái)看根本到達(dá)制作得要求。采用螺絲將循跡板安裝在車頭，主板與電機(jī)驅(qū)動(dòng)安裝在車尾。5．2小車調(diào)試通過(guò)改變循跡板滑動(dòng)變阻器器的大小來(lái)調(diào)試紅外對(duì)管的靈敏度，通過(guò)改變延時(shí)程序來(lái)改變速度的大小。下表為小車運(yùn)行的情況：表5.1小車調(diào)試情況小車運(yùn)行次數(shù)成功循跡次數(shù)成功避障次數(shù)111221332442554完畢語(yǔ)整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心，利用了多種傳感器，將軟件和硬件相結(jié)合。本系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)如下功能：〔1