智能循跡避障小車論文設(shè)計(jì)學(xué)術(shù)參考

岳陽(yáng)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(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 專 業(yè) 電子信息工程技術(shù) 班 級(jí) 09-01 學(xué) 號(hào) 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3第一章 緒 論31.1智能小車的意義和作用 31.2智能小車的現(xiàn)狀 4第二章 方案設(shè)計(jì)與論證 52.1 車體設(shè)計(jì)52.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊52.3 循跡模塊62.4 避障模塊72.5 機(jī)械系統(tǒng)72.6電源模塊8第三章 硬件設(shè)計(jì) 83.1總體設(shè)計(jì)83.2驅(qū)動(dòng)電路93.3信號(hào)檢測(cè)模塊103.4主控電路11第四章 軟件設(shè)計(jì)124.1主程序模塊124.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序124.3循跡模塊134.4避障模塊15第五章 制作安裝與調(diào)試 18結(jié)束語(yǔ)18致謝19參考文獻(xiàn)19摘要：利用紅外對(duì)管檢測(cè)黑線,以STC89C52單片機(jī)為控制芯片控制電動(dòng)小汽車的速度及轉(zhuǎn)向，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循跡避障的功能。其中小車驅(qū)動(dòng)由L298N驅(qū)動(dòng)電路完成，速度由單片機(jī)控制。本系統(tǒng)采用存儲(chǔ)空間較大的AT89C52作為主控制芯片，電動(dòng)車電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(cuò)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(gè)數(shù)碼管位的顯示，三者的結(jié)合使電動(dòng)車更加智能化，自動(dòng)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(duì)管 第一章 緒論 1.1智能小車的意義和作用 自第一臺(tái)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(guó)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?cè)诓粩嗵接?、改造、認(rèn)識(shí)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(mèng)想。隨著科學(xué)技術(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(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(duì)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(shí)別一些結(jié)構(gòu)化環(huán)境簡(jiǎn)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(shì)，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(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。避障控制系統(tǒng)是基于自動(dòng)導(dǎo)引小車（AVGauto-guide vehicle）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部分：傳感器檢測(cè)部分、執(zhí)行部分、CPU。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?？梢詫?shí)現(xiàn)小車自動(dòng)識(shí)別路線，選擇正確的行進(jìn)路線，并檢測(cè)到障礙物自動(dòng)躲避?；谏鲜鲆螅瑐鞲袡z測(cè)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，是由直流電機(jī)來充當(dāng)?shù)?，主要控制小車的行進(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?？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(cè)貼片、尋光入庫(kù)、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)循跡避障這兩個(gè)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(dòng)車。一般的說來，自己制作的車體比較粗糙，對(duì)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(cè)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(gòu)買玩具電動(dòng)車。購(gòu)買的玩具電動(dòng)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(dòng)動(dòng)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(dòng)的方案。玩具電動(dòng)車具有如下優(yōu)點(diǎn)：首先，這種玩具電動(dòng)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(dòng)車是依靠電機(jī)與相關(guān)齒輪一起驅(qū)動(dòng)，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(dòng)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(dòng)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(huì)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)：直流電機(jī)的控制方法比較簡(jiǎn)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(dòng)起來，電壓越高則電機(jī)轉(zhuǎn)速越高。對(duì)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(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)?；谝陨戏治?，我們選擇了方案二，使用直流電機(jī)作為電動(dòng)車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。2.3.電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊方案 1：采用SM6135W電機(jī)遙控驅(qū)動(dòng)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(gè)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(dòng)芯片L298N。L298N為單塊集成電路，高電壓，高電流，四通道驅(qū)動(dòng)，可直接的對(duì)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(duì)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(duì)應(yīng)的碼值，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)應(yīng)的動(dòng)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(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(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)?，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(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)。 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(dòng)芯片。EN A（B）IN1（IN3）IN2（IN4）電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況HHL正傳HLH反轉(zhuǎn)HIN1（IN3IN2（IN4）快速停止LXX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 LN298N4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(cè)不到黑線，主要是因?yàn)榭梢姽獾姆瓷湫Ч乇淼钠教钩潭取⒌乇聿牧系姆瓷淝闆r均對(duì)檢測(cè)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(huì)增加檢測(cè)系統(tǒng)的功耗。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(hào)，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(hào)，在平均電流不變的情況下，瞬時(shí)電流很大（50100mA）（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(cè)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(duì)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(huì)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25控制器模塊方案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(yǔ)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(shì)。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(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。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(chǔ)空間，可以方便的在線ISP下載程序，能夠滿足該系統(tǒng)軟件的需要，該芯片提供了兩個(gè)計(jì)數(shù)器中斷，對(duì)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(gè)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?；谝陨戏治觯覀冞x擇了方案二，采用AT89S52作為電動(dòng)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715V。所以需要對(duì)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(dòng)芯片供電。這種接法比較簡(jiǎn)單，但小車的電路功耗過大會(huì)導(dǎo)致后輪電機(jī)動(dòng)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(dòng)的部分的電壓不會(huì)互相影響，要把單片機(jī)的供電和驅(qū)動(dòng)電路分開來，即：用6節(jié)干電池7.2V來驅(qū)動(dòng)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?；谝陨戏治?，我們選擇了方案二。9優(yōu)質(zhì)+材料