智能循跡避障小車論文設計

1、智能循跡避障小車論文設計Document number【SA*ATC-SA6UT-SA180SAB-SAA9.岳陽職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設計（2012 屆）題 目岳陽職業(yè)技術(shù)學院業(yè)電子信息工程技術(shù)09-012112劉春云譚正龍班 級 學 號 學生姓名 指導教師上交日期目錄摘要3第一章緒論3智能小車的意義和作用3智能小車的現(xiàn)狀4第二章方案設計與論證 5車體設計 5電機驅(qū)動模塊5循跡模塊 6避障模塊 7機械系統(tǒng) 7電源模塊 8第三章硬件設計8總體設計 8驅(qū)動電路 9信號檢測模塊10主控電路 11第四章軟件設計 12主程序模塊12電機驅(qū)動程序12循跡模塊13避障模塊15第五章制作安裝與調(diào)試 18結(jié)束語18

2、致謝19參考文獻19摘 要：利用紅外對管檢測黑線，以STC89C52單片機為控制芯片控制電動小汽車的速 度及轉(zhuǎn)向，從而實現(xiàn)自動循跡避障的功能。其中小車驅(qū)動III L298N驅(qū)動電路完成，速 度山單片機控制。本系統(tǒng)釆用存儲空間較大的AT89C52作為主控制芯片，電動車電機 驅(qū)動采用L298N芯片；結(jié)合GP2A25光電開關，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)分階段運行的時間，能夠較準確 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性。關鍵詞：智能小車；STC89C52

3、單片機；L298N；超聲波傳感器；紅外對管第一章緒論智能小車的意義和作用自第一臺工業(yè)機器人誕生以來，機器人的發(fā)展已經(jīng)遍及機械、電子、冶金、交 通、寧航、國防等領域。近年來機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、認識自然的過程中，制造能替代人勞動的機器 一直是人類的夢想。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，機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。視覺的典型應用領域為自主式智能導航系統(tǒng)，對于視覺 的各種技術(shù)而言圖像處理技術(shù)已相當發(fā)達，而基于圖像的理解技術(shù)還很落后，機器視 覺需要通過大量的運算也只能識別一些結(jié)構(gòu)化環(huán)境簡單的LI標。視覺傳

4、感器的核心器 件是攝像管或CCD, LI前的CCD已能做到自動聚焦。但CCD傳感器的價格、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 傳感器是一種實用有效的方法。機器人要實現(xiàn)自動導引功能和避障功能就必須要感知導引線和障礙物，感知導引 線相當給機器人一個視覺功能。避障控制系統(tǒng)是基于自動導引小車(AVGauto-guide vehicle)系統(tǒng)，基于它的智能小車實現(xiàn)自動識別路線，判斷并自動避開障礙，選擇正 確的行進路線。使用傳感器感知路線和障礙并作出判斷和相應的執(zhí)行動作。該智能小車可以作為機器人的典型代表。它可以分為三大組成部分：傳感器檢測 部分、執(zhí)行部

5、分、CPU。機器人要實現(xiàn)自動避障功能，還可以擴展循跡等功能，感知導 引線和障礙物?？梢詫崿F(xiàn)小車自動識別路線，選擇正確的行進路線，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廉物美的紅外反射式 傳感器來充當。智能小車的執(zhí)行部分，是由直流電機來充當?shù)?，主要控制小車的行進 方向和速度。單片機驅(qū)動直流電機一般有兩種方案：第一，勿需占用單片機資源，直 接選擇有PWM功能的單片機，這樣可以實現(xiàn)精確調(diào)速；第二，可以山軟件模擬PWM輸出 調(diào)制，需要占用單片機資源，難以精確調(diào)速，但單片機型號的選擇余地較大

6、?？紤]到 實際情況，本文選擇第二種方案。CPU使用STC89C52單片機，配合軟件編程實現(xiàn)。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)都有實質(zhì)成果。其基本可實現(xiàn)循 跡、避障、檢測貼片、尋光入庫、避崖等基本功能，這兒節(jié)的電子設計大賽智能小車 乂在向聲控系統(tǒng)發(fā)展。比較出名的飛思卡爾智能小車更是走在前列。我此次的設計主 要實現(xiàn)循跡避障這兩個功能。第二章方案設計與論證車體設計方案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現(xiàn)。方案2：購買玩具電

7、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，并使用直流電機進行驅(qū)動的方案。玩具電動車具有如下優(yōu)點：首先，這種玩 具電動車山于裝配緊湊，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與相關齒輪一起驅(qū)動，能適應題LI中小車準確前進、后 退、轉(zhuǎn)彎的要求，而且這種電動車一般都價格適中?；谝陨戏治觯覀冞x擇了方案二電機模塊方案1:釆用步進電機作為該系統(tǒng)的驅(qū)動電機。由于其轉(zhuǎn)過的角度可以精確的定 位，可以實現(xiàn)小車前進路程和位置的精確定位。雖然采用步進電機有諸多優(yōu)點，步進 電機的輸

8、出力矩較低，隨轉(zhuǎn)速的升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降，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：直流電機的控制方法比較簡單，只需給電機的兩根控制線加 上適當?shù)碾妷杭纯墒闺姍C轉(zhuǎn)動起來，電壓越高則電機轉(zhuǎn)速越高。對于直流電機的速度 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 機兩端的電壓為方波形式，通過改變方波的占空比實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)?；谝陨戏治?，我們選擇了方案二，使用直流電機作為電動車的驅(qū)動電機。電機驅(qū)動模塊方案1：采用SM6135W電機遙控驅(qū)動模塊。SM6135W是專為遙控車設計的大規(guī)模集

9、 成電路。能實現(xiàn)前進、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，這樣在程序中實現(xiàn)比較麻煩，而且該電機模塊價格比較高。方案2：采用電機驅(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，可直接的對電機進行控制，無須隔離電路。通過單片機的I/O輸入 改變芯片控制端的電平，即可以對電機進行正反轉(zhuǎn)，停止的操作，非常方便，亦能滿 足直流減速電機的大電流要求。調(diào)試時在依照上表，用程序輸入對應的碼值，能夠?qū)?現(xiàn)對應的動作。表1是其使能、輸入引腳和輸出引腳的邏輯關系。采用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機。線性型驅(qū)動的電路結(jié)構(gòu)和原理簡單，加速

10、能力 強，釆用山達林頓管組成的H型橋式電路（如圖。用單片機控制達林頓管使之工作在占 空比可調(diào)的開關狀態(tài)下，精確調(diào)整電動機轉(zhuǎn)速。這種電路山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現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制，電子管的開 關速度很快，穩(wěn)定性也極強，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。這種調(diào)速方式有調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范用廣、過載能力大，能承受頻 繁的負載沖擊，還可以實現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)等優(yōu)點。因此決定釆用 使用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機。表1 L298N的引腳和輸出引腳的邏輯關系U1K基于以

11、上分析，我們選擇了方案二，用L298N來做為電機的驅(qū)動芯片。EN A (B)INI (IN3)IN2 (IN4)電機運轉(zhuǎn)情況HHL正傳HLH反轉(zhuǎn)HINI (IN3IN2 (IN4)快速停止LXX停止（表1） L298N的引腳和輸出引腳的邏葺關系圖H橋式電路圖 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：易受到外界光源的干擾，有時 棋至檢測不到黑線，主要是因為可見光的反射效果跟地表的平坦程度、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的方法：釆用超高亮度的發(fā)光二極管 能降低一定的干擾，但這乂會增加檢測系統(tǒng)的功耗。方案2：脈沖調(diào)制的反射式紅外發(fā)射接收器

12、。山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。此種測試方案反應速 度大約在5uso方案3：采JIJCCD傳感器，此種方法雖然能對路面信息進行準確完備的反應，但它 存在信息處理滿，實時性差等缺點，因此若采用CCD傳感器，無疑會加重單片機的處 理負擔，不利于實現(xiàn)更好的控制策略。根據(jù)以上分析我們釆用方案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

13、部件，實現(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，可利 用VHDL語言進行編寫開發(fā)。但CPLD在控制上較單片機有較大的劣勢。同時，CPLD的 處理速度非?？?，而小車的行進速度不可能太高，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，進而提出了第二種設想。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)軟件的需要，該芯片提供了兩個計數(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，能夠準確 的計算出時間，有很好的實時性?；谝陨戏治觯覀冞x擇了方案二，釆用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的5V, L298N芯片的電源5V和電機的電源 7-15Vo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、后輪電機供電，然后使