創(chuàng)新訓(xùn)練：自動避障小車

1、項目編號： “大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃”項目申報書項目名稱： 自動避障小車 負 責(zé) 人： 張強 學(xué)院名稱： 汽車與交通學(xué)院 專 業(yè)： 能源與動力工程 學(xué) 號： 1402050214 聯(lián)系電話：填表日期： 2015/10/5 沈陽理工大學(xué) 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院 制填表須知一、項目申請表要按照沈陽理工大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目實施管理辦法的相關(guān)要求，逐項認真填寫，填寫內(nèi)容必須實事求是，表達明確嚴謹。二、項目申請表填寫內(nèi)容應(yīng)言簡意賅，思路清晰，論證充分，一律用計算機輸入打印，填寫中如欄目篇幅不夠，可自行加頁。表格中正文字體應(yīng)為小四號宋體，22磅行距，需簽字部分由相關(guān)人員以黑色鋼筆或水

2、筆簽名。三、項目申請表由項目負責(zé)人填寫，由項目負責(zé)人所在學(xué)院組織專家評審后，簽署意見，再由各學(xué)院按照要求匯總后統(tǒng)一上報創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院。四、除封皮外，學(xué)院名稱均需簡寫 如經(jīng)管、機械、信息、材料、環(huán)化、汽車、裝備、外語、理學(xué)、藝術(shù)。四、本申請表一式兩份，均用A4紙雙面打印，于左側(cè)裝訂成冊。五、填表如有不明事宜，請與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院辦公室聯(lián)系，地點：機關(guān)樓西側(cè)322，聯(lián)系電話：24686257。項目名稱自動避障小車項目類型創(chuàng)新訓(xùn)練所屬一級學(xué)科能源與動力工程研究起止時間2014 年 11 月至 2015 年 10月申請經(jīng)費(元)自付156負責(zé)人姓 名張強學(xué)號1402050214目前成績平均績點3.00所在學(xué)

3、院汽車與交通學(xué)院E-mail1273353705項目成員姓名學(xué)院學(xué)號目前成績績點聯(lián)系電話E-mail張強汽車與交通學(xué)00157340812751273353705-指導(dǎo)教師姓名-學(xué)院-職稱-聯(lián)系電話-項目來源 學(xué)生自選，學(xué)生的積累和興趣 學(xué)生自選，教師的科研項目 教師幫選，教師的科研項目 一、 項目背景及研究意義（同類研究工作國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與存在的問題等）1. 現(xiàn)狀及發(fā)展方向:在現(xiàn)代社會中，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中。從普通的玩具機器人到工業(yè)控制機器人，從能夠炒菜的機器人到可以進行太空探測的機器人，可以預(yù)見今后智能機器人的應(yīng)用將更加

4、廣泛。隨著人們物質(zhì)生活水平的提高，汽車已越來越普及，但交通事故也隨之增加，危及了人們的財產(chǎn)及生命安全。與此同時，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，探險、排爆等危險場合工作的機器人，以及自動化生產(chǎn)運輸小車的應(yīng)用也日益廣泛。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展和生產(chǎn)系統(tǒng)規(guī)模日益增大，導(dǎo)致了機器人的控制對象、控制器以及控制任務(wù)和目的的日益復(fù)雜化，傳統(tǒng)機器人控制面臨許多新問題1，主要有：計算復(fù)雜性的急劇增加；精確建模的困難越來越大；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；多層次多目標的控制要求。用傳統(tǒng)的以精確建模和數(shù)值計算為基礎(chǔ)的控制理論和方法，將整個系統(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。所

5、以難以解決上述遇到的問題?；谏鲜鰡栴}，控制科學(xué)界多年來一直在探索著新的方法，尋求更加符合實際的發(fā)展軌跡。人工智能學(xué)科新的進展給人們帶來了希望。由于得益于計算機科學(xué)技術(shù)和智能信息處理的高速發(fā)展，智能控制逐漸形成一門學(xué)科，給予機器人的研究創(chuàng)造了良好的理論基礎(chǔ)設(shè)計制作的智能小車是對輪式機器人運動方式的一個實現(xiàn)。研究輪式機器人自動躲避障礙的技術(shù)。而實時采集傳感器信號，智能分析外部環(huán)境、路徑信息，自動實現(xiàn)方向控制及速度調(diào)節(jié)，是智能小車控制的主要特點，其設(shè)計內(nèi)容涵蓋機械、汽車、電子、自動控制、計算機、傳感器技術(shù)等多個學(xué)科的知識領(lǐng)域。作為一門新興的綜合技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于工廠自動料車、固定場地搬運車等技術(shù)領(lǐng)

6、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現(xiàn)最精簡的智能機器人移動系統(tǒng)，著重于對機器人運動的研究設(shè)計。實現(xiàn)小車穩(wěn)定、可靠、高效、智能的運動模式，突破環(huán)境因素對機器人應(yīng)用的限制，使其能夠運用在更廣泛的工作環(huán)境中,并以系統(tǒng)化設(shè)計完成小車的智能控制。工業(yè)生產(chǎn)、生活的自動化都離不開智能化的機器人,譬如:人們對未知空間的探索,對單調(diào)工作的替代,在危險環(huán)境中的操作等都需借助于智能化的行走、運動機構(gòu)。智能車作為最常用的行走機構(gòu)在工業(yè)生產(chǎn)與生活中得到了廣泛的應(yīng)用。智能車輛是一個集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、自動行駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)它集中地運用了計算機、傳感、信息、通訊、導(dǎo)航、人工智能

7、及自動控制等技術(shù)是典型的高新技術(shù)綜合體具有實際意義，該設(shè)計可以應(yīng)用于考古、機器人、醫(yī)療器械等許多方面。在考古方面也應(yīng)用到了傳感器進行檢測，還可以應(yīng)用于無人駕駛機動車，無人工廠、倉庫、服務(wù)機器人等領(lǐng)域,本設(shè)計與實際相結(jié)合，現(xiàn)實意義很強。二、研究內(nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問題1. 系統(tǒng)研究的內(nèi)容:要求采用AT89C51作為主控芯片，在普通玩具車的基礎(chǔ)上安裝紅外光電開關(guān)傳感器，以AT89C51彈片機為控制中心進行信號處理和電機控制，采用液晶顯示，傳感器將外界物理信號轉(zhuǎn)換成電信號送單片機進行處理。實現(xiàn)自動避障。2. 擬解決的關(guān)鍵問題：通過各種傳感器控制小車前進、轉(zhuǎn)彎等運動，達到自動避障行駛，同時液晶顯示屏顯示

8、小車此時運行狀態(tài)(速度，距離)，是智能移動機器人實際應(yīng)用的一個體現(xiàn)。二、 項目創(chuàng)新之處1. 電路主體：采用AT89C51作為主控芯片，通過對AT89C51進行編程實現(xiàn)對外圍電路元件實現(xiàn)智能控制。本設(shè)計是以AT89C51單片機為控制核心的智能小車，主要分為5個模塊。如圖3.1所示，分別是：電機驅(qū)動電路，避障電路，測速測距電路，穩(wěn)壓電源電路。顯示電路。89C51顯示電路測速測距電路電機驅(qū)動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)動電路：主要是控制兩個電機的運動，以達到小車的左、右轉(zhuǎn)，使小車達到自動行駛；避障電路：是小車躲避障礙的環(huán)境信息采集電路，主要通過紅外傳感器達到小車自動避障功能；測速測

9、距電路：是通過紅外對管產(chǎn)生的一系列脈沖并利用單片機計數(shù)器進行計數(shù)，通過計算得出速度及距離；顯示電路：主要顯示小車行駛途中即時的路程及速度：電源電路：由于小車的驅(qū)動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：本次設(shè)計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線，綠色線為地線，紅色線為電源線，首先將其電源線接好；因為此傳感器實質(zhì)上是一個光電開關(guān)，不需要再加任何放大電路，所以當探頭在未探到障礙時，黃色的信號線上存在一定的電壓，當有障礙時，信號線上的電壓為零。傳感器所用的電壓是小車的控制電壓，+

10、5V左右，而信號線的輸出為零和+3.6V的電壓，不能直接接在單片機的IO口，在傳感器的電源線和信號線之間接10K上拉電阻。這樣就達到了當有障礙時就輸出5V的高電平，否則就是低電平。開始我們使用一個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)電路共地的時候，傳感器的輸出始終為低電平，不與其工作方式一致。兩個傳感器分別安裝在小車的左右兩側(cè)。當任何一個傳感器碰到障礙而輸出高電平傳送個單片機。單片機會對應(yīng)不同側(cè)的傳感器的信號而執(zhí)行相應(yīng)的避障程序。若左側(cè)傳感器發(fā)出信號，單片機則在小車前進時立即停止，并執(zhí)行右轉(zhuǎn)的中斷程序。避障模塊的原理圖：四、項目進度安排（查閱資料、選題、自主設(shè)計

11、項目研究方案、開題報告、實驗研究、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、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)報告、參加結(jié)題答辯和成果推廣等）1. 按照預(yù)期功能設(shè)計電路:（一）預(yù)期功能實現(xiàn)電路：1.驅(qū)動電路：主要是控制兩個電機的運動，以達到小車的左、右轉(zhuǎn)，使小車達到自動行駛；2.避障電路：是小車躲避障礙的環(huán)境信息采集電路，主要通過紅外傳感器達到小車自動避障功能；3.測速測距電路：是通過紅外對管產(chǎn)生的一系列脈沖并利用單片機計數(shù)器進行計數(shù)，通過計算得出速度及距離；4.顯示電路：主要顯示小車行駛途中即時的路程及速度：電源電路：由于小車的驅(qū)動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

12、原理圖見下:2. 購買元器件小車套件，萬用板，液晶1602，驅(qū)動模塊，杜邦線（公對公、母對母、公對母），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)線和杜邦線進行電路連接4. 按照預(yù)期功能設(shè)計程序：采用keil軟件用c語言進行編程，編程時需查閱電路中各個硬件的中文說明手冊。部分程序?qū)嵗缦拢盒≤囼?qū)動及避障代碼：#include#define uint unsigned int#define uchar unsigned charsbit P1_0=P10;sbit P1_

13、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(;i0;i-) for(j=15;j0;j-) for(k=10;k0;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 0 using 0 /紅外避障 EA=0;

14、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(); 5. 程序燒錄與調(diào)試：程序燒錄:首先將編號

15、的程序用keil軟件進行編譯生成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軟件進行燒錄。調(diào)試:（一）調(diào)試目的：系統(tǒng)調(diào)試是整個設(shè)計中最難，也是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，影響到整個設(shè)計的成功與否，所以做好系統(tǒng)的調(diào)試是理所當然的。任何一個系統(tǒng)的設(shè)計都不是一次能夠完成的，都要經(jīng)過反復(fù)的修改才能最終應(yīng)用于實際中。對于硬件電路而言，首先，在理論上沒有問題的電路，有可能在實際應(yīng)用中會出現(xiàn)問題，就是說，理論上可行，實際中不可行；其次，在焊電路板的過程中，有可能會出現(xiàn)虛焊等。這些都要經(jīng)過調(diào)試后才能解決。所以說，調(diào)試就是為了使系統(tǒng)更加完善，并能應(yīng)用于實際。（二）調(diào)試過程

16、：1.驅(qū)動電路調(diào)試：焊接完驅(qū)動電路后，首先使用較低的驅(qū)動電壓進行測試，以防止電壓過高而損壞L298N。在未安裝單片機的情況下，在單片機底座相應(yīng)于控制驅(qū)動電路的IO口的前4位接入不同電平（高電平和低電平）。然后測試L298N四個輸出口的電壓，得到相應(yīng)的電壓。在以上都能完成的情況下，將單片機安裝在底座上。寫入一個簡單的程序，置P1.1口為高電平，即讓小車保持前進的狀態(tài)。打開電源后，小車能正常的行駛。之后分別置P1.0、P1.2、P1.3為高電平，測試小車是否正確平穩(wěn)的運行。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，不能滿足單片機要求，所以在信號線與電

17、源線之間接上拉電阻，使信號線電壓升高。達到完成躲避障礙的硬件要求。3.顯示電路調(diào)試：P0口在使用時必須上拉電阻，開始時接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外圍電路較多，電源功率不足，所以改用10K電阻作為1k口上拉電阻，之后效果較好。在測試LCD是否正常時，若顯示器沒有顯示，此時應(yīng)寫傳送數(shù)據(jù)的測試程序，查看單片機的數(shù)據(jù)是否傳至LCD。4.測速測距電路調(diào)試：測速測距原理主要是利用車輪上的齒通過紅外采樣器進行處理，當遇到齒時為低電平，沒有遇到齒時為高電平，由于紅外采樣器遇到齒時的電平為+2.6V，沒有遇到齒時電平為+3.4V，這種電平是滿足不了單片機高，低電平的需求，在調(diào)

18、試過程中只有通過比較，放大來滿足這種要求，本次采用LM358來達成需求。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，但在接入兩個電機和三個傳感器后，由于負載大而使7805穩(wěn)壓芯片溫度升高。超過了7805在不加裝任何散熱片的額定工作溫度，因此安裝一個較小的散熱片便解決了此問題。（三）系統(tǒng)測試:調(diào)試后的智能小車基本完成了預(yù)期的要求和功能，測試結(jié)果下表： 路程測試表理論路程（m）實際路程（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%紅外檢測距離為40cm，當在檢測范圍內(nèi)檢測到障礙物，電平變?yōu)楦唠娖?，觸發(fā)中斷，左輪停轉(zhuǎn)，右輪轉(zhuǎn)動，或左輪轉(zhuǎn)動，右輪停轉(zhuǎn)，完成轉(zhuǎn)彎功能，實現(xiàn)自動避障。五、項目經(jīng)費預(yù)算（如材料費、資料費、版面費、專利費、調(diào)研費等）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。資料可以問芯片的賣家要，所以無需花費任何費用。編程軟件可以向一些大