自動(dòng)導(dǎo)航小車避障的研究設(shè)計(jì)

濰坊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）PAGEPAGE20目錄第一章前言 11.1機(jī)器人簡(jiǎn)介 11.1.1機(jī)器人的發(fā)展階段 11.1.2機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成 21.2自動(dòng)導(dǎo)航小車的避障設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù) 21.2.1結(jié)構(gòu)及其優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù) 21.2.2傳感器技術(shù) 21.3選題的背景和意義 3第二章系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 42.1系統(tǒng)主要任務(wù) 42.1.1控制系統(tǒng)要求 42.1.2方案選擇 42.2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 52.2.1系統(tǒng)組成 52.2.2系統(tǒng)工作原理 5第三章系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 63.1單片機(jī)89C51 63.2電源設(shè)計(jì) 73.3紅外傳感器電路設(shè)計(jì) 83.3.1供電電路設(shè)計(jì) 83.3.2傳感器網(wǎng)絡(luò)與單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì) 103.4電機(jī)閉環(huán)控制電路設(shè)計(jì) 113.4.1直流電動(dòng)機(jī)的脈沖調(diào)壓調(diào)速原理 113.4.2控制電路PWM發(fā)生器 123.4.3速度反饋環(huán)節(jié)設(shè)計(jì) 14第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 174.1軟件設(shè)計(jì) 174.2初始化設(shè)計(jì) 184.3紅外傳感器網(wǎng)絡(luò)信息采集 194.4電機(jī)速度控制 20第五章結(jié)束語 22參考文獻(xiàn) 23致謝 24摘要：自動(dòng)導(dǎo)航小車是指借助超聲波、紅外線等傳感器設(shè)備對(duì)小車周圍的環(huán)境進(jìn)行探測(cè)，并且利用工程機(jī)對(duì)傳感器設(shè)施所探測(cè)到的障礙物有關(guān)信息進(jìn)行處理，使自動(dòng)導(dǎo)航小車能夠其躲避障礙物安全行駛。設(shè)計(jì)出一種反應(yīng)快，適應(yīng)能力強(qiáng)的控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航小車避障的關(guān)鍵。本設(shè)計(jì)提出了一種簡(jiǎn)單實(shí)用的智能小車避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，采用89C51單片機(jī)作為主控芯片，電機(jī)作為執(zhí)行元件，紅外傳感器作為檢測(cè)元件。系統(tǒng)由主控模塊、紅外傳感器探測(cè)模塊、車體框架、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、穩(wěn)壓模塊及電源組成。其中主控模塊是整個(gè)系統(tǒng)的最關(guān)鍵部位，系統(tǒng)由單片機(jī)通過I/O口控制各個(gè)模塊。通過以上方案完成小車避障系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)，成功實(shí)現(xiàn)了小車躲避障礙物的功能。關(guān)鍵詞：自動(dòng)導(dǎo)航小車；避障系統(tǒng)；紅外線傳感器；單片機(jī)ABSTRACT:Theautomaticguidedvehicleisdetectedwithultrasonic,infraredsensordeviceonthecararoundtheenvironment,informationabouttheobstaclesandtheuseofengineeringmachineofthesensordetectedprocessingfacilities,makeAGVcanavoidobstaclesafely.Designakindofquickresponse,strongabilityofadaptivecontrolsystemisthekeytorealizethenavigationvehicleobstacleavoidance.Thispaperputsforwardadesignmethodofintelligentvehicleobstacleavoidancesystemissimpleandpracticalinthedesign,using89C51microcontrollerasthemaincontrolchip,motorastheactuator,infraredsensorasthedetectingelement.Thesystemconsistsofmaincontrolmodule,theinfraredsensordetectionmodule,vehicleframe,motordrivemodule,avehicleframe,andpowersupply.Themaincontrolmoduleisthekeypartofthewholesystem,thesystemiscomposedofasinglechipcomputerthroughtheI/Oportcontrolmodule.Completethesoft,hardwaredesignofobstacleavoidancesystem.Throughtheaboveprogram,thesuccessfulimplementationofthecartoavoidobstaclesfunction.KEYWORDS:AutomaticNavigationVehicle;ObstacleAvoidanceSystem;InfraredSensor;MCU第一章前言1.1機(jī)器人簡(jiǎn)介機(jī)器人（Robot）是自動(dòng)執(zhí)行人們?yōu)槠渲付ǖ墓ぷ鳈C(jī)器設(shè)備。它既可以執(zhí)行事先為它編寫好的程序，又可以按照人們的指揮，進(jìn)行實(shí)時(shí)性工作。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，人們賦予它人工智能，使它能夠協(xié)助或取代人類的工作，進(jìn)行探測(cè)，救援等危險(xiǎn)的工作。機(jī)器人是一項(xiàng)快速發(fā)展的前沿科學(xué)，它具有綜合性強(qiáng)的特點(diǎn)。它涉及到機(jī)械工程學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、電氣工程學(xué)、計(jì)算機(jī)、電子工程學(xué)、自動(dòng)控制工程學(xué)、人工智能、傳感器、機(jī)器視覺、模式識(shí)別與導(dǎo)航、仿生學(xué)和多種智能模擬技術(shù)，受到了廣泛重視。21世紀(jì)以來，隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異，在各個(gè)領(lǐng)域機(jī)器人都得到了廣泛應(yīng)用，遍及農(nóng)業(yè)、工業(yè)、制造業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域。自動(dòng)導(dǎo)航小車是機(jī)器人的一類，通過這次對(duì)小車的避障系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)，從而加深對(duì)多門技術(shù)綜合運(yùn)用掌握。1.1.1機(jī)器人的發(fā)展階段機(jī)器人的發(fā)展史并不長(zhǎng)，開始于1959年，美國(guó)英格伯格和德沃爾制造出世界上第一臺(tái)應(yīng)用于工業(yè)的機(jī)器人。機(jī)器人的發(fā)展大致經(jīng)歷了三個(gè)主要的階段，即三個(gè)時(shí)代。第一代為簡(jiǎn)單的個(gè)體機(jī)器人，第二代為群體的勞動(dòng)機(jī)器人，第三代為類似人類智能的機(jī)器人，它的未來機(jī)器人發(fā)展的主要方向。第一代機(jī)器人便是英格伯格和德沃爾所制造的工業(yè)機(jī)器人，需要人操作機(jī)械手，把當(dāng)前的任務(wù)完成一遍，才能讓機(jī)器人的按照人們的指令，重復(fù)完成任務(wù)。第二代機(jī)器人自20世紀(jì)70年代以來有了較大發(fā)展，這個(gè)階段是機(jī)器人對(duì)外界環(huán)境實(shí)用階段，并開始普及。第三代機(jī)器人是具有人工智能的機(jī)器人，它不但擁有對(duì)外界環(huán)境的感知能力，還擁有自己獨(dú)立的邏輯判斷能力，從而完成更加復(fù)雜的任務(wù)。例如智能機(jī)器人在未知區(qū)域探時(shí)，通過自身的探測(cè)裝置獲取外界環(huán)境信息，通過這些數(shù)據(jù)的分析，做出相應(yīng)的行動(dòng)。今天，機(jī)器人趨向高度的智能化，應(yīng)用到各行各業(yè)。1.1.2機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成機(jī)器人主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置、檢測(cè)裝置和控制系統(tǒng)和復(fù)雜機(jī)械等組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)，即為機(jī)器人本體，包括機(jī)器人的基座、腰部、臂部、腕部、手部和行走部等。驅(qū)動(dòng)裝置，是驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)，依照中央控制系統(tǒng)發(fā)出的控制指令，依靠動(dòng)力元件使機(jī)器人工作。檢測(cè)裝置，是檢測(cè)器人的當(dāng)前運(yùn)動(dòng)及運(yùn)行情況，根據(jù)控制系統(tǒng)的需要進(jìn)行反饋，與預(yù)先設(shè)定好的信息對(duì)比后，控制系統(tǒng)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)做出具體調(diào)整方案，從而保證機(jī)器人能夠按照人們的意愿完成任務(wù)?？刂葡到y(tǒng)，它的控制方式有集中式控制方式和分散（級(jí)）式控制。集中式控制方式，即由一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)完成對(duì)機(jī)器人的全部控制。分散（級(jí)）式控制，即使用兩臺(tái)或兩臺(tái)以上微機(jī)來分擔(dān)機(jī)器人的控制[1]。1.2自動(dòng)導(dǎo)航小車的避障設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)當(dāng)下自動(dòng)導(dǎo)航小車正向著智能化和多樣化方向發(fā)展，受到了國(guó)內(nèi)外的廣泛重視。自動(dòng)導(dǎo)航小車不單擁有簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)功能，還具有路徑規(guī)劃、環(huán)境感知、邏輯判斷等智能行為，因此是一個(gè)組成結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜的系統(tǒng)。自動(dòng)導(dǎo)航小車的避障設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下的兩個(gè)個(gè)方面。1.2.1結(jié)構(gòu)及其優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)根據(jù)實(shí)際環(huán)境的需要，對(duì)自動(dòng)導(dǎo)航小車的車體結(jié)構(gòu)形式的進(jìn)行設(shè)計(jì)。應(yīng)當(dāng)結(jié)合自動(dòng)導(dǎo)航小車在不同領(lǐng)域和場(chǎng)合的具體應(yīng)用，進(jìn)行創(chuàng)造性的設(shè)想，設(shè)計(jì)能適應(yīng)不同工作環(huán)境的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。1.2.2傳感器技術(shù)隨著傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，傳感器功能種類越來越多、性能越來越好。一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能強(qiáng)大的機(jī)器人通常配置溫度、視覺和距離傳感器等。伴隨著傳感器的增多，收集到的信息量也大大增加，各傳感器收集到的信息在空間、時(shí)間、表達(dá)方式上都不一定相同，應(yīng)用范圍也不一樣，這樣就對(duì)信息處理能力要求非常高。因此為了協(xié)調(diào)各傳感器之間工作，多傳感器控制系統(tǒng)要求擁有相應(yīng)的綜合性強(qiáng)的信息處理能力。1.3選題的背景和意義最近幾年來，我國(guó)對(duì)機(jī)器人的研發(fā)設(shè)計(jì)取得了豐富的科技成果，一些前沿技術(shù)及高效率的控制方法被引入到自動(dòng)導(dǎo)航小車研究設(shè)計(jì)中。機(jī)器人學(xué)的一個(gè)重要分支就是移動(dòng)機(jī)器人，智能程度最高的機(jī)器人便是能夠依照環(huán)境變化進(jìn)行自身邏輯判斷移動(dòng)的機(jī)器人，是移動(dòng)機(jī)器人的重要發(fā)展方向。它具有個(gè)體規(guī)劃、適應(yīng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)，機(jī)器人可以在沒有人參與的條件下，而且無需對(duì)周圍環(huán)境有任何要求和改變的條件下，自行的完成人們規(guī)定的移動(dòng)任務(wù)。例如，自動(dòng)搬運(yùn)貨物，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的貨物運(yùn)送。因此移動(dòng)機(jī)器人受到了各國(guó)的廣泛重視。

第二章系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)主要任務(wù)系統(tǒng)的主要任務(wù)就是讓智能導(dǎo)航小車在行進(jìn)的過程中，能夠自動(dòng)探測(cè)車存在的障礙物并采取有效的躲避措施，實(shí)現(xiàn)安全行駛。2.1.1控制系統(tǒng)要求控制系統(tǒng)要滿足下面4個(gè)要求：對(duì)車體周圍的環(huán)境探測(cè)并且獲得障礙物存在信息。實(shí)時(shí)性要求，即根據(jù)實(shí)際情況立即做出相應(yīng)判斷。驅(qū)動(dòng)電機(jī)穩(wěn)速運(yùn)行要求。控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定。2.1.2方案選擇傳感器的選擇：自動(dòng)導(dǎo)航小車對(duì)周圍環(huán)境信息采集的關(guān)鍵在于傳感器，因此傳感器的選擇直接影響到了小車控制系統(tǒng)的判斷。選擇傳感器原則主要有兩個(gè)：基于環(huán)境優(yōu)化原則和基于任務(wù)原則。主控制器的選擇：將微處理器、一定容量的RAM和ROM以及I/O接口、定時(shí)器等電路集成在一塊芯片上，構(gòu)成的單片微型計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱單片機(jī)。自動(dòng)導(dǎo)航小車的控制系統(tǒng)采用89C51單片機(jī)作為主要控制器，結(jié)構(gòu)由紅外傳感器、直流電機(jī)閉環(huán)控制電路等部分組成，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障功能。2.2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.2.1系統(tǒng)組成圖2.1系統(tǒng)組成2.2.2系統(tǒng)工作原理在小車的左側(cè)、右側(cè)和正前方分別安裝傳感器。當(dāng)小車的左側(cè)傳感器探測(cè)到有障礙物時(shí)，立即向單片機(jī)傳送信號(hào)，單片機(jī)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行處理，隨后控制直流電機(jī)，車子右輪減速，左輪加速，從而使小車向右轉(zhuǎn)彎；依照同樣原理，當(dāng)小車的右側(cè)傳感器探測(cè)到有障礙物時(shí)，小車向左轉(zhuǎn)彎；當(dāng)正前方亦或全部的傳感器都探測(cè)到有障礙物時(shí)，車子向后轉(zhuǎn)彎，避開繞行。

第三章系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1單片機(jī)89C5189C51有一個(gè)可編程的全雙工串行通信接口，它可用作UART，也可用作同步移位寄存器。其幀格式可以有8位、10位、或11位，并能設(shè)置各種波特率，給使用帶來極大的靈活性。89C51通過引腳RXD與外界進(jìn)行通信。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化示意圖如圖3.1所示。圖中有兩個(gè)物理上獨(dú)立的接收、發(fā)送緩沖器SBUF，他們占用同一地址99H，可同時(shí)發(fā)送、接收數(shù)據(jù)。發(fā)送緩沖器只能寫入，不能讀出；接收緩沖器只能讀出，不能寫入。圖3.189C51引腳圖串行發(fā)送與接收的速率與位移時(shí)鐘同步。89C51用定時(shí)器T1作為串行通信的波特率發(fā)生器，T1溢出率經(jīng)2分頻（或不分頻）后，又經(jīng)16分頻作為串行發(fā)送或接收的位移脈沖。位移脈沖的速率即是波特率。從圖中可以看出，接收器是雙緩沖結(jié)構(gòu)，在前一個(gè)字節(jié)被從接收緩沖器SBUF讀出之前，第二個(gè)字節(jié)即開始被接收（串行輸入至移位寄存器），但是，在第二個(gè)字節(jié)接收完畢而前一個(gè)字節(jié)CPU未讀取時(shí)，會(huì)丟失前一個(gè)字節(jié)。串行口的發(fā)送和接收都是以特殊功能寄存器SBUF的名義進(jìn)行讀寫的。當(dāng)向SBUF發(fā)“寫”命令時(shí)（執(zhí)行“MOVSBUF，A”指令），即是向發(fā)送緩沖器SBUF裝載并開始由TXD引腳向外發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，發(fā)送完便使發(fā)送中斷標(biāo)志位TI=1。在滿足串行口接收中斷標(biāo)志位RJ（SCON.0）=0的條件下，置允許接收位REN（SCON.4）=1就會(huì)接收一幀數(shù)據(jù)進(jìn)入位移寄存器，并裝載到接收SBUF中，同時(shí)使RI=1.當(dāng)發(fā)讀SBUF命令時(shí)（執(zhí)行“MOVA，SBUF”指令），便由接收緩沖器（SBUF）取出信息通過89C51內(nèi)部總線送CPU。對(duì)于發(fā)送緩沖器，因?yàn)榘l(fā)送時(shí)CPU是主動(dòng)的，不會(huì)產(chǎn)生重疊錯(cuò)誤，一般不需要用雙緩沖器結(jié)構(gòu)來保持最大的傳送速率[2]。復(fù)位電路在單片機(jī)使用過程中是非常重要的，為了可以完成單片機(jī)的初始化以及在死機(jī)的狀態(tài)下重啟單片機(jī)，我們使用的是12MH晶振。3.2電源設(shè)計(jì)電源設(shè)計(jì)：（1）運(yùn)算放大器一般使用+15V的直流電壓源；（2）數(shù)字集成電路器件一般使用+5V直流電壓源；（3）直流電動(dòng)機(jī)采用+12V直流電壓源。因此，以上均采用+24V直流蓄電池作為電壓源，通過集成穩(wěn)壓器得到相應(yīng)電壓電源。78XX進(jìn)行變換得到的直流電壓源抗干擾性強(qiáng)的特點(diǎn)。采用78系列集成穩(wěn)壓器進(jìn)行電壓變換的基本電路如圖3.2所示：圖3.2電壓轉(zhuǎn)換基本電路圖其中+15V電壓源通過7815穩(wěn)壓器得到；+12V電壓源通過7812穩(wěn)壓器得到；+5V電壓源通過7805穩(wěn)壓器得到。使用該變換電路應(yīng)注意下面的三個(gè)方面：（1）通過在輸入端添加一個(gè)0.33μF的電容Cin，防止產(chǎn)生自振激蕩。（2）通過在輸出端要接一個(gè)1μF以上的電容Cout，防止因?yàn)樨?fù)載電流變化時(shí)引起Uout有較大波動(dòng)。（3）輸入和輸出間的電壓差值應(yīng)大于2V，從而保證才輸出電壓的穩(wěn)定。但是不能過大，否則會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)壓器功耗增大造成產(chǎn)熱過多，一般取3V～5V，并且要添加散熱片。3.3紅外傳感器電路設(shè)計(jì)3.3.1供電電路設(shè)計(jì)自動(dòng)導(dǎo)航小車采用紅外傳感器：紅外接近開關(guān)TXO5D。它的基本參數(shù)為：工作電壓：5～12V，極限電壓：15V；工作電流：5～20mA，極限電流：30mA；檢測(cè)距離：0～120cm，檢測(cè)距離與工作電壓有關(guān)，電壓越大，檢測(cè)距離越遠(yuǎn)[9]。通過調(diào)節(jié)工作電壓，來調(diào)整傳感器檢測(cè)距離。設(shè)計(jì)電路圖如圖3.3所示：圖3.3供電電路圖中的CW117/217/317系列為三端可調(diào)正輸出電壓集成穩(wěn)壓器，它的基本輸出電壓為1.25V～37V，輸出電流可達(dá)1.5A。在圖中的電路里，采用1.25V的基準(zhǔn)電壓，圖中UO的表達(dá)式為：Uo=1.25×（1+R2/R1）+50×10-6×R2（3-1）通過以上的電路設(shè)計(jì)，傳感器在檢測(cè)到障礙物時(shí)輸出高電平，沒有障礙物時(shí)輸出低電平。輸出高電平的大小與工作電壓有關(guān)，設(shè)計(jì)電路圖3.4以確保輸出高電平的穩(wěn)定。圖3.4電路圖當(dāng)傳感器檢測(cè)到有障礙物時(shí)輸出為高電平，數(shù)值接近VCC，一般取+5V反之輸出低電平，數(shù)值接近0V。3.3.2傳感器網(wǎng)絡(luò)與單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì)TXO5D輸出量為開關(guān)量，即可為高電平或低電平。由于微處理器I/O口數(shù)量限制，雖然可以一次性將8個(gè)開關(guān)量組成的一個(gè)8位數(shù)據(jù)讀入，但是由于微處理器I/O口數(shù)量有限，這8個(gè)開關(guān)量不能單獨(dú)占有一個(gè)8位的I/O口，可以通過采用復(fù)用的方式解決這一問題。方法是當(dāng)需要讀取環(huán)境信息時(shí)占據(jù)I/O口，不需要時(shí)釋放I/O口，即隔離處理開關(guān)量。本次采用的方法將開關(guān)量鎖存，使用的器件是74LS343數(shù)字邏輯電路。其電路圖如圖3.5。圖3.5電路圖74LS343的工作狀況如下表所示：表3-174LS343工作狀態(tài)DnLE/OEQnHHLHLHLLXLLQ0XXHZ根據(jù)上表所示，將引腳LE和/OE分別設(shè)為高電平和低電平，設(shè)定一定的延時(shí)時(shí)間后，紅外傳感器組的當(dāng)前狀態(tài)就是輸出端的狀態(tài)。在這個(gè)時(shí)候，微處理器就可以讀取狀態(tài)數(shù)據(jù)，或等將LE置為低電平后再讀取也可以。讀取完畢后，為了釋放I/O口，將/OE引腳置為高電平[4]。3.4電機(jī)閉環(huán)控制電路設(shè)計(jì)將能實(shí)現(xiàn)直流電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的電機(jī)稱為直流電機(jī)（D.C.machine）。直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)有定子和轉(zhuǎn)子，兩者之間有一定的空隙。定子由有機(jī)座、主磁極、換向磁極、前后端蓋和刷架等。其中主磁極是產(chǎn)生直流電機(jī)氣隙磁場(chǎng)的主要部件，由永磁體或帶有直流勵(lì)磁繞組的疊片鐵心構(gòu)成。直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子則由電樞、換向器（又稱整流子）和轉(zhuǎn)軸等部件構(gòu)成。其中電樞由電樞鐵心和電樞繞組兩部分組成。電樞鐵心由硅鋼片疊成，在其外圓處均勻分布著齒槽，電樞繞組則嵌置于這些槽中。換向器是一種機(jī)械整流部件。由換向片疊成圓筒形后，以金屬夾件或塑料成型為一個(gè)整體。各換向片間互相絕緣。換向器質(zhì)量對(duì)運(yùn)行可靠性有很大影響。直流電機(jī)具有起動(dòng)和調(diào)速性能好，調(diào)速范圍廣平滑，過載能力較強(qiáng)，受電磁干擾影響小的優(yōu)點(diǎn)。3.4.1直流電動(dòng)機(jī)的脈沖調(diào)壓調(diào)速原理驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)需要半導(dǎo)體功率器件進(jìn)行功率放大。在對(duì)直流電動(dòng)機(jī)電樞的控制和驅(qū)動(dòng)中，我們采用開關(guān)驅(qū)動(dòng)方式對(duì)直流電機(jī)電樞進(jìn)行控制和驅(qū)動(dòng)，這是絕大數(shù)直流電機(jī)的控制方法。開關(guān)驅(qū)動(dòng)方式的基本原理是半導(dǎo)體器件工作在開關(guān)狀態(tài)，通過脈沖調(diào)制PWM來控制電動(dòng)機(jī)電樞電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)速[5]。原理圖如下3.6（a）所示：圖3.6原理圖電樞兩端的電壓波形如圖（b）所示，分別對(duì)應(yīng)高低電平。3.4.2控制電路PWM發(fā)生器因?yàn)?9C51單片機(jī)內(nèi)部沒有脈寬發(fā)生器，所以需要另外設(shè)計(jì)脈寬發(fā)生器。為了產(chǎn)生脈寬調(diào)制波使用8253計(jì)數(shù)器。工作方式有兩種模式:（1）模式一模式一輸出的是脈沖寬度可設(shè)定的單拍負(fù)脈沖信號(hào)。設(shè)定好了工作方式和相應(yīng)參數(shù)后，初始輸出值為高電平，其計(jì)數(shù)定時(shí)波形如圖3.7所示。圖3.7計(jì)數(shù)定時(shí)波形（2）模式二模式二可以產(chǎn)生負(fù)脈沖信號(hào)，并且保持連續(xù)，通過脈沖發(fā)生器模式。其計(jì)數(shù)定時(shí)波形如圖3.8所示。圖3.8計(jì)數(shù)定時(shí)波形為了得到一個(gè)簡(jiǎn)單的脈沖調(diào)制發(fā)生器，將電路如圖3.9連接，模式一和模式二分別設(shè)置為8253的計(jì)數(shù)器1和計(jì)數(shù)器0。圖3.9脈沖調(diào)制發(fā)生器3.4.3速度反饋環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)在這個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)中，我們選用的是集電極開路輸出的E6B2–CWZ6C旋轉(zhuǎn)編碼器，其基本參數(shù)：分辨率600P/R；最高響應(yīng)頻率100kHz；電氣最高響應(yīng)轉(zhuǎn)速為10000r/min[12]。速度測(cè)量電路設(shè)計(jì)是速度反饋環(huán)節(jié)的關(guān)鍵，旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出形式圖見下圖3.10。圖3.10旋轉(zhuǎn)編碼器輸出形式在圖中，三極管的發(fā)射極通過電阻分壓變?yōu)?V，導(dǎo)致三極管導(dǎo)通時(shí)其自身電流很小，對(duì)電路的后續(xù)操作非常不利。為了從輸出端得到幅度高低明顯的電壓信號(hào)，將輸出端連接到接到+5V直流電源上，這一問題就解決了[10]。本系統(tǒng)采用硬件電路直接判斷方式解決了電機(jī)轉(zhuǎn)向的問題，依靠指示燈的顏色不同標(biāo)記小車的運(yùn)動(dòng)方向。其原理圖為3.11，對(duì)應(yīng)其工作波形如圖3.12和3.13。圖3.11原理圖圖3.12工作波形圖圖3.13工作波形圖

第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)依照軟件的設(shè)計(jì)的基本流程，現(xiàn)將軟件設(shè)計(jì)按照如下步驟進(jìn)行操作：（1）分析軟件運(yùn)行環(huán)境，明確設(shè)計(jì)目的及需求；（2）設(shè)計(jì)出基本輪廓；(3)對(duì)軟件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)；（4）針對(duì)軟件個(gè)部分進(jìn)行編碼；（5）測(cè)試軟件穩(wěn)定性，并調(diào)試。4.1軟件設(shè)計(jì)在分析系統(tǒng)軟件運(yùn)行環(huán)境，明確軟件設(shè)計(jì)目的時(shí)，對(duì)軟件的運(yùn)行環(huán)境和需求進(jìn)行討論，明確系統(tǒng)軟件的總體設(shè)計(jì)輪廓。系統(tǒng)運(yùn)行后，軟件要進(jìn)行初始化，若需要對(duì)初始參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，即對(duì)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行設(shè)定；如果不用設(shè)定現(xiàn)有運(yùn)行參數(shù)，則直接將數(shù)據(jù)傳遞到電機(jī)控制器。PWM中所需要的技術(shù)初值需要在電機(jī)控制器接收到數(shù)據(jù)后計(jì)算得出，然后再通過計(jì)數(shù)器輸出PWM來控制直流電機(jī)的運(yùn)行。中央控制器89C51操作紅外傳感器對(duì)周圍障礙物信息進(jìn)行探測(cè)，確認(rèn)障礙物信息后，依照之前設(shè)計(jì)好的算法做出行動(dòng)指令，將接下來的動(dòng)作指令送達(dá)給電機(jī)控制器，小車隨即做出相應(yīng)動(dòng)作從而避開障礙物。系統(tǒng)的運(yùn)行過程中如若發(fā)生故障，則設(shè)計(jì)警報(bào)器，提示小車故障[13]。根據(jù)以上對(duì)系統(tǒng)軟件流程與模塊的分析，軟件結(jié)構(gòu)層次如圖所示。圖4.1軟件結(jié)構(gòu)層次4.2初始化設(shè)計(jì)初始化設(shè)計(jì)可以分為兩部分：一部分是以負(fù)責(zé)信息獲取及處理的中央微處理器為主，另一部分以電機(jī)控制器為主。初始化的基本任務(wù)是設(shè)定運(yùn)行參數(shù)和波特率。運(yùn)行參數(shù)和波特率分別是指電機(jī)最初的運(yùn)行速度和定時(shí)/計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)初值和工作方式。系統(tǒng)初始化后，自動(dòng)導(dǎo)航小車就能夠依照設(shè)定好速度行駛起來，并能夠自動(dòng)避障。初始化流程圖如圖4.2所示。圖4.2初始化流程圖4.3紅外傳感器網(wǎng)絡(luò)信息采集紅外傳感器網(wǎng)絡(luò)輸出的信息為一組開關(guān)量，已由外部硬件轉(zhuǎn)換為一個(gè)8位的數(shù)據(jù)，微處理器讀取該數(shù)據(jù)就可以知道各個(gè)紅外傳感器的輸出狀態(tài)，開辟單一存儲(chǔ)單元即可。這里命名74LS373的兩種狀態(tài)，即開通狀態(tài)：置引腳LE為邏輯高電平，/OE為低電平，此時(shí)輸出跟隨輸入狀態(tài)；關(guān)斷狀態(tài)：置引腳LE為邏輯低電平，/OE為低電平，此時(shí)輸出狀態(tài)保持，與輸入狀態(tài)無關(guān)。其采集流程見圖4.3。圖4.3采集流程圖4.4電機(jī)速度控制當(dāng)中央控制器向電機(jī)控制器送達(dá)行動(dòng)指令后，計(jì)數(shù)器8253便開始工作，輸出PWM信號(hào)，其頻率是一定的，電機(jī)便運(yùn)轉(zhuǎn)起來驅(qū)動(dòng)導(dǎo)航小車行駛。在小車運(yùn)行過程中，控制器以一定的時(shí)間間隔對(duì)小車的運(yùn)行速度進(jìn)行測(cè)量。如果與設(shè)定的規(guī)定速度有差別，求得速度偏差，通過改變PWM的輸出狀態(tài)，調(diào)整小車的行駛速度。流程圖如圖4.4所示。圖4.4流程圖

第五章結(jié)束語本文通過對(duì)自動(dòng)導(dǎo)航小車避障的研究設(shè)計(jì)，成功提出了一種簡(jiǎn)單小車避障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，該設(shè)計(jì)方法采用89C51單片機(jī)作為避障系統(tǒng)的中央控制器，直流電機(jī)作為執(zhí)行元件，紅外傳感器作為障礙物檢測(cè)元件，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)航小車躲避障礙物。自動(dòng)導(dǎo)航小車的避障系統(tǒng)是一個(gè)比較基本的機(jī)器人移動(dòng)系統(tǒng)，很多高端智能機(jī)器人的自動(dòng)導(dǎo)航行駛系統(tǒng)都是依此而設(shè)計(jì)的，我們還可以再次基礎(chǔ)上對(duì)小車增加更多的功能。例如增加語音識(shí)別功能，讓小車能夠按照人們的聲音指令進(jìn)行行駛。再比如讓其可以探測(cè)或?qū)ふ姨囟ǖ男盘?hào)源，例如聲源，熱源，磁場(chǎng)等，這樣就可以使其進(jìn)入人類不能涉入的惡劣環(huán)境完成探險(xiǎn)或搜救任務(wù)。本系統(tǒng)仍有不足有待提高：（1）環(huán)境信息采集不完全。由于受傳感器限制，自動(dòng)導(dǎo)航小車對(duì)障礙物的探測(cè)以