智能循跡避障小車論文設(shè)計(jì)說(shuō)明書

1、專業(yè)資料目錄摘要 2ABSTRACT 2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 3第二章方案設(shè)計(jì)與論證 42.1主控系統(tǒng) 42.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊42.3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)19word完美格式智能循跡避障小車肖維物理與電子信息學(xué)院電子信息工程專業(yè)2006級(jí)9班 指導(dǎo)教師：劉漢奎摘 要

2、：利用紅外對(duì)管檢測(cè)黑線與障礙物，并以STC89C5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)輸出的PW波控制。關(guān)鍵詞：智能小車；STC89C5單片機(jī)；L298N；紅外對(duì)管In tellige nt track ing and obstacle-avoid carXiao WeiSchool of Physics and Electro nic In formatio n. Grade 2006 Class9 ,ln structor:Liu Han kuiAbstract : Based infrared det

3、ection of black lines and the road obstacles, and use a STC89C52 MCU as the con trolli ng core for the speed and direct ion, A electronic drived, which can automatic track and avoid the obstacle, wasdesigned and fabricated. In which, the car is drived by the L298N circuit, its speed iscon trolled by

4、 the output PWM sig nal from the STC89C52.Keywords: Smart Car; STC89C52 MCU; L298N; I nfrared Emitti ng Diode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(lái)，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(lái)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(lái)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

5、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專感器的價(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(AVG auto-guidevehicle )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

6、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CC專感器而考慮使用價(jià)廉物美的紅外反射式傳感器 來(lái)充當(dāng)。智能小車的執(zhí)行部分，是由直流電機(jī)來(lái)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(dòng)直流電機(jī)一般有兩種方案： 第一，勿

7、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PWI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。CPUS用STC89C5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)與論證根據(jù)要求，確定如下方案：在現(xiàn)有玩具電動(dòng)車的基礎(chǔ)上，加

8、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)行處理，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)行實(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)雜程序控制問題。據(jù)此，擬定了以F兩種方案并進(jìn)行了綜合的比較論證，具體如下:方案一:選用一片CPLD(如EPM7128LC84-1)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CPLDS控制上較單片機(jī)有較

9、大的劣勢(shì)。 同時(shí)，CPLD勺處理速度非?？?， 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， MCI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。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)一一控制簡(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)

10、特點(diǎn)一一多開關(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 P89C51RAI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STC89C5單片機(jī)的資源。2.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制，通過開關(guān)的切換對(duì)小車的速度進(jìn)行調(diào)整. 此方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)

11、是繼電器的響應(yīng)時(shí)間慢，易損壞，壽命較短，可靠性 不咼。萬(wàn)案一: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，從而達(dá)到分壓的目的。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)格比較昂貴。更主要的問題在于一般的電動(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。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

12、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(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)。0138550850圖2.1 H橋式電路圖 2.2 L298N2.3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。在使用過程極易出現(xiàn)問題，而且容易因?yàn)槿f(wàn)案二：該部件造成整個(gè)系統(tǒng)的不穩(wěn)

13、定。故最終未米用該方案。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 關(guān)接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)試表明，只要合理安裝好兩 只光電開關(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）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)表明，小車在尋跡過程中有一定的左右搖擺不定，雖然可以正確的循跡但其成本與 穩(wěn)定性都次與第二種方案。通過比較，我選取第二種方案來(lái)實(shí)

14、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，也不易讓小車做出精確的轉(zhuǎn)向反應(yīng)。萬(wàn)案一：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)反應(yīng)。但此方案過于依賴硬件、成 本較高、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， 所以最終未采用采用一只紅外對(duì)管置于小車右側(cè)。通過測(cè)試此種方案就能很好的實(shí)現(xiàn)小車避開障礙 物，且充分的利用資源而不浪費(fèi)。（參考文獻(xiàn)3） 通過比較我采用方案三。2.5機(jī)械系統(tǒng)本題目要求小

15、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)部分：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，但占用資源過大。萬(wàn)案一: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

16、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。第三章硬件設(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) 速起停從而達(dá)到控制轉(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)停止, 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)停止，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，從而避開障礙物。3.1.1主板

17、設(shè)計(jì)框圖如圖3.1，所需原件清單如表3.1 o循跡紅外對(duì)管避障紅外復(fù)位電路J1對(duì)管時(shí)鐘電路Stc89c521報(bào)警電路1電機(jī)驅(qū)動(dòng)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只電阻若干集成電路-H- UL心片若干單片機(jī)1塊二極管若干電容若干紅外對(duì)管3只蜂鳴器1只電位器若干12M晶振1只杜邦線若干玩具小車1個(gè)排針若干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)。通過單片機(jī)給予 L298N電路PW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。CURRENT SE

18、NSING OUTPUT 4OUTPUTSINPUT 4ENABLE DINPUT 3LOGIC SLJPFLV VOLTAGE VstGNDINPUT 2ENABLE AINPUT 1SUPPLY VOLTAGE VsOUTPUT?OUTPUT 1LUHFCENT SENSING A散熱片與8腳連通圖3.2 L298N引腳圖Parti Port? Port 3PqtU、I+C4o.ur1OO|1FlOOnF14Mot PF-P5嚴(yán)嚴(yán)I4-圖3.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路IH1vssIN 2vsIK3IB4OUT1OUT2EH kC0T3EN BOUT4ISEW AGNUISEN EL2S8N3.3信號(hào)檢

19、測(cè)模塊小車循跡原理是小車在畫有黑線的白紙“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”一黑線。筆者在該模塊 中利用了簡(jiǎn)單、應(yīng)用也比較普遍的檢測(cè)方法一一紅外探測(cè)法。紅外探測(cè)法，即利用紅外線在不同顏色的物理表面具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn)。在 小車行駛過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LM324作比較器來(lái)采集高低電平，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 TCRT500型光

20、電對(duì)管。圖3.4循跡原理圖3.4主控電路PWM波控制電機(jī)速度，起停。以及再本模塊主要是對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行分析，同時(shí)給出 檢測(cè)到障礙報(bào)警等作用。其電路圖如圖 5。4.1主程序框圖:第四章軟件設(shè)計(jì)停止圖4.1主程序框圖4.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序void goahead() s1=1;s2=0;s3=1;s4=0;void goback()s1=0;s2=1;s3=0;s4=1;void turnleft()s3=1;s4=0;void turnright()s1=1;s2=0;void stop()en 1=0;en 2=0;巡航程序：void xun ji()if(left_red=1)&(right_re

21、d=1)en 1=1;en 2=1;goahead();delay(150);en 1=0;en 2=0;delay(50);else if(left_red=0)&(right_red=1)en 1=0;en 2=1;PO_O=!PO_O;turnleft();delay(150);en 1=1;en 2=0;delay(50);else if(left_red=1)&(right_red=O)en 1=1;en 2=0;P0_1= !P0_1;turnright();delay(150);en 1=0;en 2=1;delay(50);elsestop();第五章制作安裝與調(diào)試5.1 PC

22、B的設(shè)計(jì)制作與安裝采用99se繪制原理圖與PCB板,布線的過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)看基本達(dá)到制作得 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結(jié)束語(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）自動(dòng)沿預(yù)設(shè)軌道行駛小車在行駛過程中，能夠自動(dòng)檢測(cè)預(yù)先設(shè)好的軌道，實(shí)現(xiàn)直 道和弧形軌道的前進(jìn)。若有偏離，能夠自動(dòng)糾正，返回到預(yù)設(shè)軌道上來(lái)。（2）當(dāng)小車探測(cè)到前進(jìn)前方的障礙物時(shí)，可以自動(dòng)報(bào)警調(diào)整，躲避障礙物，從無(wú)障礙 區(qū)通過。小車通過障礙區(qū)后，能夠自動(dòng)循跡（3）自動(dòng)檢測(cè)停車線并自動(dòng)停車。從運(yùn)行情況來(lái)看循跡的效果