創(chuàng)新訓(xùn)練：自動(dòng)避障小車

1、工程編號(hào)： “大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練方案工程申報(bào)書工程名稱： 自動(dòng)避障小車 負(fù) 責(zé) 人： 張強(qiáng) 學(xué)院名稱： 汽車與交通學(xué)院 專 業(yè)： 能源與動(dòng)力工程 學(xué) 號(hào)： 1402050214 聯(lián)系 ：填表日期： 2021/10/5 沈陽(yáng)理工大學(xué) 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院 制填表須知一、工程申請(qǐng)表要按照?沈陽(yáng)理工大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練方案工程實(shí)施管理方法?的相關(guān)要求，逐項(xiàng)認(rèn)真填寫，填寫內(nèi)容必須實(shí)事求是，表達(dá)明確嚴(yán)謹(jǐn)。二、工程申請(qǐng)表填寫內(nèi)容應(yīng)言簡(jiǎn)意賅，思路清晰，論證充分，一律用計(jì)算機(jī)輸入打印，填寫中如欄目篇幅不夠，可自行加頁(yè)。表格中正文字體應(yīng)為小四號(hào)宋體，22磅行距，需簽字局部由相關(guān)人員以黑色鋼筆或水

2、筆簽名。三、工程申請(qǐng)表由工程負(fù)責(zé)人填寫，由工程負(fù)責(zé)人所在學(xué)院組織專家評(píng)審后，簽署意見(jiàn)，再由各學(xué)院按照要求匯總后統(tǒng)一上報(bào)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院。四、除封皮外，學(xué)院名稱均需簡(jiǎn)寫 如經(jīng)管、機(jī)械、信息、材料、環(huán)化、汽車、裝備、外語(yǔ)、理學(xué)、藝術(shù)。四、本申請(qǐng)表一式兩份，均用A4紙雙面打印，于左側(cè)裝訂成冊(cè)。五、填表如有不明事宜，請(qǐng)與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院辦公室聯(lián)系，地點(diǎn)：機(jī)關(guān)樓西側(cè)322，聯(lián)系 ：24686257。工程名稱自動(dòng)避障小車工程類型創(chuàng)新訓(xùn)練所屬一級(jí)學(xué)科能源與動(dòng)力工程研究起止時(shí)間2021 年 11 月至 2021 年 10月申請(qǐng)經(jīng)費(fèi)(元)自付156負(fù)責(zé)人姓 名張強(qiáng)學(xué)號(hào)1402050214目前成績(jī)平均績(jī)點(diǎn)3.00所在學(xué)院

3、汽車與交通學(xué)院E-mail1273353705qq 項(xiàng)目成員姓名學(xué)院學(xué)號(hào)目前成績(jī)績(jī)點(diǎn)聯(lián)系 E-mail張強(qiáng)汽車與交通學(xué)00157340812751273353705qq -指導(dǎo)教師姓名-學(xué)院-職稱-聯(lián)系 -工程來(lái)源 學(xué)生自選，學(xué)生的積累和興趣 學(xué)生自選，教師的科研工程 教師幫選，教師的科研工程 一、 工程背景及研究意義同類研究工作國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與存在的問(wèn)題等1. 現(xiàn)狀及開展方向:在現(xiàn)代社會(huì)中，智能控制廣泛應(yīng)用在工廠生產(chǎn)、航空航天、現(xiàn)代軍事及其日常生活當(dāng)中。從普通的玩具機(jī)器人到工業(yè)控制機(jī)器人，從能夠炒菜的機(jī)器人到可以進(jìn)行太空探測(cè)的機(jī)器人，可以預(yù)見(jiàn)今后智能機(jī)器人的應(yīng)用將更

4、加廣泛。隨著人們物質(zhì)生活水平的提高，汽車已越來(lái)越普及，但交通事故也隨之增加，危及了人們的財(cái)產(chǎn)及生命平安。與此同時(shí)，隨著科學(xué)技術(shù)的開展，探險(xiǎn)、排爆等危險(xiǎn)場(chǎng)合工作的機(jī)器人，以及自動(dòng)化生產(chǎn)運(yùn)輸小車的應(yīng)用也日益廣泛。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速開展和生產(chǎn)系統(tǒng)規(guī)模日益增大，導(dǎo)致了機(jī)器人的控制對(duì)象、控制器以及控制任務(wù)和目的的日益復(fù)雜化，傳統(tǒng)機(jī)器人控制面臨許多新問(wèn)題1，主要有：計(jì)算復(fù)雜性的急劇增加；精確建模的困難越來(lái)越大；輸入信息多樣化和數(shù)據(jù)量的顯著增加；大量的非確定性因素；多層次多目標(biāo)的控制要求。用傳統(tǒng)的以精確建模和數(shù)值計(jì)算為根底的控制理論和方法，將整個(gè)系統(tǒng)置于固定的控制算法和模型框架下，靈活性和應(yīng)變能力較差。

5、所以難以解決上述遇到的問(wèn)題?；谏鲜鰡?wèn)題，控制科學(xué)界多年來(lái)一直在探索著新的方法，尋求更加符合實(shí)際的開展軌跡。人工智能學(xué)科新的進(jìn)展給人們帶來(lái)了希望。由于得益于計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)和智能信息處理的高速開展，智能控制逐漸形成一門學(xué)科，給予機(jī)器人的研究創(chuàng)造了良好的理論根底設(shè)計(jì)制作的智能小車是對(duì)輪式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式的一個(gè)實(shí)現(xiàn)。研究輪式機(jī)器人自動(dòng)躲避障礙的技術(shù)。而實(shí)時(shí)采集傳感器信號(hào)，智能分析外部環(huán)境、路徑信息，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)方向控制及速度調(diào)節(jié)，是智能小車控制的主要特點(diǎn)，其設(shè)計(jì)內(nèi)容涵蓋機(jī)械、汽車、電子、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、傳感器技術(shù)等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)領(lǐng)域。作為一門新興的綜合技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于工廠自動(dòng)料車、固定場(chǎng)地搬運(yùn)車等技術(shù)

6、領(lǐng)域，具有良好的應(yīng)用前景。2. 系統(tǒng)研究的意義:研究制作的智能小車用以實(shí)現(xiàn)最精簡(jiǎn)的智能機(jī)器人移動(dòng)系統(tǒng)，著重于對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的研究設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)小車穩(wěn)定、可靠、高效、智能的運(yùn)動(dòng)模式，突破環(huán)境因素對(duì)機(jī)器人應(yīng)用的限制，使其能夠運(yùn)用在更廣泛的工作環(huán)境中,并以系統(tǒng)化設(shè)計(jì)完成小車的智能控制。工業(yè)生產(chǎn)、生活的自動(dòng)化都離不開智能化的機(jī)器人,譬如:人們對(duì)未知空間的探索,對(duì)單調(diào)工作的替代,在危險(xiǎn)環(huán)境中的操作等都需借助于智能化的行走、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。智能車作為最常用的行走機(jī)構(gòu)在工業(yè)生產(chǎn)與生活中得到了廣泛的應(yīng)用。智能車輛是一個(gè)集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、自動(dòng)行駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)它集中地運(yùn)用了計(jì)算機(jī)、傳感、信息、通訊、導(dǎo)航、人工智

7、能及自動(dòng)控制等技術(shù)是典型的高新技術(shù)綜合體具有實(shí)際意義，該設(shè)計(jì)可以應(yīng)用于考古、機(jī)器人、醫(yī)療器械等許多方面。在考古方面也應(yīng)用到了傳感器進(jìn)行檢測(cè)，還可以應(yīng)用于無(wú)人駕駛機(jī)動(dòng)車，無(wú)人工廠、倉(cāng)庫(kù)、效勞機(jī)器人等領(lǐng)域,本設(shè)計(jì)與實(shí)際相結(jié)合，現(xiàn)實(shí)意義很強(qiáng)。二、研究?jī)?nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題1. 系統(tǒng)研究的內(nèi)容:要求采用AT89C51作為主控芯片，在普通玩具車的根底上安裝紅外光電開關(guān)傳感器，以AT89C51彈片機(jī)為控制中心進(jìn)行信號(hào)處理和電機(jī)控制，采用液晶顯示，傳感器將外界物理信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)送單片機(jī)進(jìn)行處理。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障。2. 擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題：通過(guò)各種傳感器控制小車前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎等運(yùn)動(dòng)，到達(dá)自動(dòng)避障行駛，同時(shí)液晶顯示屏顯

8、示小車此時(shí)運(yùn)行狀態(tài)(速度，距離)，是智能移動(dòng)機(jī)器人實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)表達(dá)。二、 工程創(chuàng)新之處1. 電路主體：采用AT89C51作為主控芯片，通過(guò)對(duì)AT89C51進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)對(duì)外圍電路元件實(shí)現(xiàn)智能控制。本設(shè)計(jì)是以AT89C51單片機(jī)為控制核心的智能小車，主要分為5個(gè)模塊。如圖3.1所示，分別是：電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，避障電路，測(cè)速測(cè)距電路，穩(wěn)壓電源電路。顯示電路。89C51顯示電路測(cè)速測(cè)距電路電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路避障電路電源電路圖3.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖驅(qū)動(dòng)電路：主要是控制兩個(gè)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，以到達(dá)小車的左、右轉(zhuǎn)，使小車到達(dá)自動(dòng)行駛；避障電路：是小車躲避障礙的環(huán)境信息采集電路，主要通過(guò)紅外傳感器到達(dá)小車自動(dòng)避障功能；測(cè)速

9、測(cè)距電路：是通過(guò)紅外對(duì)管產(chǎn)生的一系列脈沖并利用單片機(jī)計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，通過(guò)計(jì)算得出速度及距離；顯示電路：主要顯示小車行駛途中即時(shí)的路程及速度：電源電路：由于小車的驅(qū)動(dòng)電壓和控制電壓不同，穩(wěn)壓電源就可以分別滿足這兩方面的電源要求。2. 避障電路的設(shè)計(jì)：本次設(shè)計(jì)就采用了集成式的紅外光電開關(guān)E3F-DS10C4 為小車的避障傳感器。E3F-DS10C4接收頭的黃色線為信號(hào)線，綠色線為地線，紅色線為電源線，首先將其電源線接好；因?yàn)榇藗鞲衅鲗?shí)質(zhì)上是一個(gè)光電開關(guān)，不需要再加任何放大電路，所以當(dāng)探頭在未探到障礙時(shí)，黃色的信號(hào)線上存在一定的電壓，當(dāng)有障礙時(shí)，信號(hào)線上的電壓為零。傳感器所用的電壓是小車的控制電壓，

10、+5V左右，而信號(hào)線的輸出為零和+3.6V的電壓，不能直接接在單片機(jī)的IO口，在傳感器的電源線和信號(hào)線之間接10K上拉電阻。這樣就到達(dá)了當(dāng)有障礙時(shí)就輸出5V的高電平，否那么就是低電平。開始我們使用一個(gè)8050NPN三極管作為傳感器的求非的開關(guān)電路，但由于在傳感器和開關(guān)電路共地的時(shí)候，傳感器的輸出始終為低電平，不與其工作方式一致。兩個(gè)傳感器分別安裝在小車的左右兩側(cè)。當(dāng)任何一個(gè)傳感器碰到障礙而輸出高電平傳送個(gè)單片機(jī)。單片時(shí)機(jī)對(duì)應(yīng)不同側(cè)的傳感器的信號(hào)而執(zhí)行相應(yīng)的避障程序。假設(shè)左側(cè)傳感器發(fā)出信號(hào)，單片機(jī)那么在小車前進(jìn)時(shí)立即停止，并執(zhí)行右轉(zhuǎn)的中斷程序。避障模塊的原理圖：四、工程進(jìn)度安排查閱資料、選題、自

11、主設(shè)計(jì)工程研究方案、開題報(bào)告、實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、處理與分析、研制開發(fā)、填寫結(jié)題表、撰寫研究論文和總結(jié)報(bào)告、參加結(jié)題辯論和成果推廣等1. 按照預(yù)期功能設(shè)計(jì)電路:一預(yù)期功能實(shí)現(xiàn)電路：1.驅(qū)動(dòng)電路：主要是控制兩個(gè)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，以到達(dá)小車的左、右轉(zhuǎn)，使小車到達(dá)自動(dòng)行駛；2.避障電路：是小車躲避障礙的環(huán)境信息采集電路，主要通過(guò)紅外傳感器到達(dá)小車自動(dòng)避障功能；3.測(cè)速測(cè)距電路：是通過(guò)紅外對(duì)管產(chǎn)生的一系列脈沖并利用單片機(jī)計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，通過(guò)計(jì)算得出速度及距離；4.顯示電路：主要顯示小車行駛途中即時(shí)的路程及速度：電源電路：由于小車的驅(qū)動(dòng)電壓和控制電壓不同，穩(wěn)壓電源就可以分別滿足這兩方面的電源要求。二總電路原理

12、圖見(jiàn)下:2. 購(gòu)置元器件小車套件，萬(wàn)用板，液晶1602，驅(qū)動(dòng)模塊，杜邦線公對(duì)公、母對(duì)母、公對(duì)母，電烙鐵，焊錫絲，51程序下載器，E3F-DS10C4，AT89C51，電源18650等。設(shè)備需要：220V電源，插座，插排，螺絲刀等。3. 連接電路:用烙鐵和焊錫以及導(dǎo)線和杜邦線進(jìn)行電路連接4. 按照預(yù)期功能設(shè)計(jì)程序：采用keil軟件用c語(yǔ)言進(jìn)行編程，編程時(shí)需查閱電路中各個(gè)硬件的中文說(shuō)明手冊(cè)。局部程序?qū)嵗缦拢盒≤囼?qū)動(dòng)及避障代碼：#include<reg51.h>#define uint unsigned int#define uchar unsigned charsbit P1_0=P

13、10;sbit P1_1=P11;sbit P1_2=P12;sbit P1_3=P13;sbit P1_4=P14;sbit P1_5=P15;uint i,j,number=0;void delay(unsigned char i) uchar j,k; for(;i>0;i-) for(j=15;j>0;j-) for(k=10;k>0;k-); /大約0.1的周期。void PWM_creat()P1_4=0;P1_5=0; delay(150);P1_4=1;delay(5);P1_5=1;delay(100);void int0_metal() interrupt

14、 0 using 0 /紅外避障 EA=0; P1_0=1; P1_1=0; P1_2=0; P1_3=0; PWM_creat(); delay(1500); EA=1;void int1_metal() interrupt 2 using 1 EA=0; P1_0=0; P1_1=0; P1_2=1; P1_3=0; PWM_creat(); delay(1500); EA=1;void main() P1=0xff; IT0=0; IT1=0; EX0=1; EX1=1; EA=1; while(1) P1_0=1; P1_1=0; P1_2=1; P1_3=0; PWM_creat()

15、; 5. 程序燒錄與調(diào)試：程序燒錄:首先將編號(hào)的程序用keil軟件進(jìn)行編譯生成hex文件，然后用USB-232轉(zhuǎn)TTL電平的轉(zhuǎn)串口下載器用stc-isp-15xx-v6.85H軟件進(jìn)行燒錄。調(diào)試:一調(diào)試目的：系統(tǒng)調(diào)試是整個(gè)設(shè)計(jì)中最難，也是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，影響到整個(gè)設(shè)計(jì)的成功與否，所以做好系統(tǒng)的調(diào)試是理所當(dāng)然的。任何一個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都不是一次能夠完成的，都要經(jīng)過(guò)反復(fù)的修改才能最終應(yīng)用于實(shí)際中。對(duì)于硬件電路而言，首先，在理論上沒(méi)有問(wèn)題的電路，有可能在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，就是說(shuō)，理論上可行，實(shí)際中不可行；其次，在焊電路板的過(guò)程中，有可能會(huì)出現(xiàn)虛焊等。這些都要經(jīng)過(guò)調(diào)試后才能解決。所以說(shuō)，調(diào)試就是為了使系

16、統(tǒng)更加完善，并能應(yīng)用于實(shí)際。二調(diào)試過(guò)程：1.驅(qū)動(dòng)電路調(diào)試：焊接完驅(qū)動(dòng)電路后，首先使用較低的驅(qū)動(dòng)電壓進(jìn)行測(cè)試，以防止電壓過(guò)高而損壞L298N。在未安裝單片機(jī)的情況下，在單片機(jī)底座相應(yīng)于控制驅(qū)動(dòng)電路的IO口的前4位接入不同電平高電平和低電平。然后測(cè)試L298N四個(gè)輸出口的電壓，得到相應(yīng)的電壓。在以上都能完成的情況下，將單片機(jī)安裝在底座上。寫入一個(gè)簡(jiǎn)單的程序，置P1.1口為高電平，即讓小車保持前進(jìn)的狀態(tài)。翻開電源后，小車能正常的行駛。之后分別置P1.0、P1.2、P1.3為高電平，測(cè)試小車是否正確平穩(wěn)的運(yùn)行。2.避障電路調(diào)試：紅外傳感器使用的電源為小車的控制電源，即5V電壓。但傳感器輸出電壓較低，不

17、能滿足單片機(jī)要求，所以在信號(hào)線與電源線之間接上拉電阻，使信號(hào)線電壓升高。到達(dá)完成躲避障礙的硬件要求。3.顯示電路調(diào)試：P0口在使用時(shí)必須上拉電阻，開始時(shí)接10K的上拉電阻，但液晶顯示亮度不夠，經(jīng)分析是由于小車單片機(jī)外圍電路較多，電源功率缺乏，所以改用10K電阻作為1k口上拉電阻，之后效果較好。在測(cè)試LCD是否正常時(shí)，假設(shè)顯示器沒(méi)有顯示，此時(shí)應(yīng)寫傳送數(shù)據(jù)的測(cè)試程序，查看單片機(jī)的數(shù)據(jù)是否傳至LCD。4.測(cè)速測(cè)距電路調(diào)試：測(cè)速測(cè)距原理主要是利用車輪上的齒通過(guò)紅外采樣器進(jìn)行處理，當(dāng)遇到齒時(shí)為低電平，沒(méi)有遇到齒時(shí)為高電平，由于紅外采樣器遇到齒時(shí)的電平為+2.6V，沒(méi)有遇到齒時(shí)電平為+3.4V，這種電平是

18、滿足不了單片機(jī)高，低電平的需求，在調(diào)試過(guò)程中只有通過(guò)比擬，放大來(lái)滿足這種要求，本次采用LM358來(lái)達(dá)成需求。5.電源電路調(diào)試：電源電路在焊接完之后能夠很好的穩(wěn)定電路的控制電壓，但在接入兩個(gè)電機(jī)和三個(gè)傳感器后，由于負(fù)載大而使7805穩(wěn)壓芯片溫度升高。超過(guò)了7805在不加裝任何散熱片的額定工作溫度，因此安裝一個(gè)較小的散熱片便解決了此問(wèn)題。三系統(tǒng)測(cè)試:調(diào)試后的智能小車根本完成了預(yù)期的要求和功能，測(cè)試結(jié)果下表： 路程測(cè)試表理論路程m實(shí)際路程m誤差%10.,964%21.933.5%32.903.33%43.873.25%54.853%65.832.83%76.822.57%87.812.38%紅外檢測(cè)距離為40cm，當(dāng)在檢測(cè)范圍內(nèi)檢測(cè)到障礙物，電平變?yōu)楦唠娖?，觸發(fā)中斷，左輪停轉(zhuǎn)，右輪轉(zhuǎn)動(dòng)，或左輪轉(zhuǎn)動(dòng)，右輪停轉(zhuǎn)，完成轉(zhuǎn)彎功能，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障。五、工程經(jīng)費(fèi)預(yù)算如材料費(fèi)、資料費(fèi)、版面費(fèi)、專利費(fèi)、調(diào)研費(fèi)等所有材料加上工具大概在300元以內(nèi)，如果有工具那么大概150元左右。資料可以問(wèn)芯片的賣家要，所以無(wú)需花費(fèi)任何費(fèi)用。編程軟件