智能循跡避障小車論文設(shè)計(jì)

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1、岳陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （2012屆） 題 目 學(xué) 院 岳陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 專 業(yè) 電子信息工程技術(shù) 班 級 09-01 學(xué) 號 200923042112 學(xué)生姓名 劉春云 指導(dǎo)教師 譚正龍 上交日期 目錄 摘要…………………………………………………………………………………

2、……3 第一章 緒 論……………………………………………………………………………3 1.1智能小車的意義和作用 ……………………………………………………………3 1.2智能小車的現(xiàn)狀 ……………………………………………………………………4 第二章 方案設(shè)計(jì)與論證 ………………………………………………………………5 2.1 車體設(shè)計(jì) …………………………………………………………………………5 2.2 電機(jī)驅(qū)動模塊………………………………………………………………………5 2.3 循跡模塊 …………………………………………………………………………6 2.4 避障模塊 ……………………

3、……………………………………………………7 2.5 機(jī)械系統(tǒng) …………………………………………………………………………7 2.6電源模塊 …………………………………………………………………………8 第三章 硬件設(shè)計(jì) ………………………………………………………………………8 3.1總體設(shè)計(jì) …………………………………………………………………………8 3.2驅(qū)動電路 …………………………………………………………………………9 3.3信號檢測模塊………………………………………………………………………10 3.4主控電路 …………………………………………………………………………11 第

4、四章 軟件設(shè)計(jì) ……………………………………………………………………12 4.1主程序模塊…………………………………………………………………………12 4.2電機(jī)驅(qū)動程序………………………………………………………………………12 4.3循跡模塊……………………………………………………………………………13 4.4避障模塊……………………………………………………………………………15 第五章 制作安裝與調(diào)試 ………………………………………………………………18 結(jié)束語……………………………………………………………………………………18 致謝………………………………………………………

5、………………………………19 參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………………………19 摘　要：利用紅外對管檢測黑線,以STC89C52單片機(jī)為控制芯片控制電動小汽車的速度及轉(zhuǎn)向，從而實(shí)現(xiàn)自動循跡避障的功能。其中小車驅(qū)動由L298N驅(qū)動電路完成，速度由單片機(jī)控制。本系統(tǒng)采用存儲空間較大的AT89C52作為主控制芯片，電動車電機(jī)驅(qū)動采用L298N芯片；結(jié)合GP2A25光電開關(guān)，能較有效的控制其在特定位置轉(zhuǎn)彎角度及行駛出錯處理；采用LD-5461AS數(shù)碼管來顯示系統(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數(shù)碼管位的顯示，三者的結(jié)合使電動車更

6、加智能化，自動化，可視化。該系統(tǒng)無論在結(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單片機(jī)； L298N；超聲波傳感器；紅外對管 第一章 緒論 1.1智能小車的意義和作用 自第一臺工業(yè)機(jī)器人誕生以來，機(jī)器人的發(fā)展已經(jīng)遍及機(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高，并且迅速地改變著人們的生活方式。人們在不斷探討、改造、認(rèn)識自然的過程中，制造能替代人勞動的機(jī)器一直是人類的夢想。 隨著科學(xué)技

7、術(shù)的發(fā)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)發(fā)達(dá)，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，因此在不要求清晰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)器人一個視覺功能。避障控制系統(tǒng)是基于自動導(dǎo)引小車（

8、AVG—auto-guide vehicle）系統(tǒng)，基于它的智能小車實(shí)現(xiàn)自動識別路線，判斷并自動避開障礙，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：傳感器檢測部分、執(zhí)行部分、CPU。機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)自動避障功能，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)小車自動識別路線，選擇正確的行進(jìn)路線，并檢測到障礙物自動躲避?；谏鲜鲆螅瑐鞲袡z測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充當(dāng)。智能小車的執(zhí)行部分，是由直流電

9、機(jī)來充當(dāng)?shù)模饕刂菩≤嚨男羞M(jìn)方向和速度。單片機(jī)驅(qū)動直流電機(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)型號的選擇余地較大?？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)。 1.2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、檢測貼片、尋光入庫、避崖等基本功能，這幾節(jié)的電子設(shè)計(jì)大賽智能小車又在向聲控系統(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

10、這兩個功能。 第二章 方案設(shè)計(jì)與論證 2.1.車體設(shè)計(jì) 　　方案1：自己制作電動車。一般的說來，自己制作的車體比較粗糙，對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：購買玩具電動車。購買的玩具電動車具有組裝完整的車架車輪。我們可以保留左右兩輪轉(zhuǎn)動動軸，并改換轉(zhuǎn)軸力矩大的電機(jī)來精確調(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)動的方案。玩具電動車具有如下優(yōu)點(diǎn)：首先

11、，這種玩具電動車由于裝配緊湊，使得各種所需電路的安裝十分方便，看起來也比較美觀。其次，玩具電動車是依靠電機(jī)與相關(guān)齒輪一起驅(qū)動，能適應(yīng)題目中小車準(zhǔn)確前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎的要求，而且這種電動車一般都價(jià)格適中。 　　基于以上分析，我們選擇了方案二 2.2．電機(jī)模塊 　　方案1：采用步進(jìn)電機(jī)作為該系統(tǒng)的驅(qū)動電機(jī)。由于其轉(zhuǎn)過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)

12、：直流電機(jī)的控制方法比較簡單，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)動起來，電壓越高則電機(jī)轉(zhuǎn)速越高。對于直流電機(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，通過改變方波的占空比實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。 　　基于以上分析，我們選擇了方案二，使用直流電機(jī)作為電動車的驅(qū)動電機(jī)。 2.3.電機(jī)驅(qū)動模塊 　　方案 1：采用SM6135W電機(jī)遙控驅(qū)動模塊。SM6135W是專為遙控車設(shè)計(jì)的大規(guī)模集成電路。能實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、向右、向左、加速五個功能，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

13、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)動芯片L298N。L298N為單塊集成電路，高電壓，高電流，四通道驅(qū)動，可直接的對電機(jī)進(jìn)行控制，無須隔離電路。通過單片機(jī)的I/O輸入改變芯片控制端的電平，即可以對電機(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，用程序輸入對應(yīng)的碼值，能夠?qū)崿F(xiàn)對應(yīng)的動作。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)動的電路結(jié)構(gòu)和原理簡單，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)的開關(guān)狀態(tài)下，精確

14、調(diào)整電動機(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2.2)。 這種調(diào)速方式有調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過載能力大，能承受頻繁的負(fù)載沖擊，還可以實(shí)現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉(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)。 表1 L298N的引腳和輸出引腳的邏輯關(guān)系 　基于以上分析，我們選擇了方案二，用L298N來做為電機(jī)的驅(qū)動芯片。 EN A（B） IN1

15、（IN3） IN2（IN4） 電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況 H H L 正傳 H L H 反轉(zhuǎn) H IN1（IN3 IN2（IN4） 快速停止 L X X 停止 （表1） L298N的引腳和輸出引腳的邏輯關(guān)系 圖2.1 H橋式電路 圖2.2 LN298N 　　4．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)甚至檢測不到黑線，主要是因?yàn)榭梢姽獾姆瓷湫Ч乇淼钠教钩潭?、地表材料的反射情況均對檢測效果產(chǎn)生直接影響?？朔巳秉c(diǎn)的方法：采用超高亮度的發(fā)光二極管能降低一定的干擾，但這又會增加檢測系統(tǒng)的功耗。

16、 　　方案2：脈沖調(diào)制的反射式紅外發(fā)射接收器。由于采用帶有交流分量的調(diào)制信號，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，在平均電流不變的情況下，瞬時(shí)電流很大（50～100mA）（ST-188允許的最大輸入電流為50mA），則大大提高了信噪比。此種測試方案反應(yīng)速度大約在5us。 　　方案3：采用CCD傳感器，此種方法雖然能對路面信息進(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，無疑會加重單片機(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)以上分析我們采用方案2 　　5．控制器模塊

17、 　　方案1：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、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，可利用VHDL語言進(jìn)行編寫開發(fā)。但CPLD在控制上較單片機(jī)有較大的劣勢。同時(shí)，CPLD的處理速度非?？?，而小車的行進(jìn)速度不可能太高，那么對系統(tǒng)處理信息的要求也就不會太高，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空間，可以方便的在線ISP下載程序，能夠滿足該系統(tǒng)軟件

18、的需要，該芯片提供了兩個計(jì)數(shù)器中斷，對于本作品系統(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。 　　基于以上分析，我們選擇了方案 二，采用AT89S52作為電動車的主控制芯片。 　　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—15V。所以需要對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，然后使用7805穩(wěn)壓管來把高電壓穩(wěn)成5V分別給單片機(jī)和電機(jī)驅(qū)動芯片供電。這種接法比較簡單，但小車的電路功耗過大會導(dǎo)致后輪電機(jī)動力不足。 　　方案2：采用雙電源。為了確保單片機(jī)控制部分和后輪電機(jī)驅(qū)動的部分的電壓不會互相影響，要把單片機(jī)的供電和驅(qū)動電路分開來，，即：用6節(jié)干電池7.2V來驅(qū)動電機(jī)芯片，然后用7805穩(wěn)壓管來穩(wěn)成5V供給單片機(jī)，后輪電機(jī)的電源用3V供電，這樣有助于消除電機(jī)干擾，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 　　基于以上分析，我們選擇了方案二。