自動避障避險小車的設(shè)計

學士學位論文自動避障避險小車的設(shè)計姓名：學號：指導教師：院系（部所）專業(yè)：完成日期：摘要本系統(tǒng)以STC12C5A60S2單片機為控制核心，充分利用了自動檢測技術(shù)、光電傳感技術(shù)和MOS管H橋電機驅(qū)動電路，并在系統(tǒng)供電電路上進行了創(chuàng)新設(shè)計，取得了較好的效果。通過光電對管傳感器自動檢測黑色標志線，單片機利用PID算法對數(shù)據(jù)進行整合處理得到相應的控制信息，輸出對應的PWM信號到MOS管H橋電機驅(qū)動中進而控制直流電機，實現(xiàn)車輛的實時智能控制。光電開關(guān)采集車與障礙物的距離，智能化處理車輛避障避險的自動控制?！娟P(guān)鍵字】STC12C5A60S2；PC機；MOS管H橋電路；避障避險AbstractThissystemSTC12C5A60S2microcontrollercore,takefulladvantageoftheautomaticdetectiontechnology,opticalsensingtechnologyandMOStransistorH-bridgemotordrivecircuitandthesystempowersupplycircuitinnovativedesign,andachievedgoodresults.Automaticdetectionbyphotoelectricsensorblackmarkonthetubeline,singlechipintegratedPIDalgorithmfordataprocessingcontrolinformationcorrespondingoutputPWMsignalcorrespondingtoaMOStransistorH-bridgemotordriverthencontroltheDCmotortoachievereal-timeintelligentcontrolofthevehicle.Photoelectricswitchcollectedfromthecarandtheobstacle,obstacleavoidancehedgingvehicleintelligentprocessingautomaticcontrol.【Keywords】STC12C5A60S2;PC;H-bridgedrivercircuitofMOS;Avoidancehedging目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"第1章緒論 1\o"CurrentDocument"1.1課題研究的意義 1\o"CurrentDocument"1.2課題研究的背景 11.3課題研究的主要內(nèi)容 2\o"CurrentDocument"第2章系統(tǒng)方案設(shè)計與論證 3\o"CurrentDocument"2.1系統(tǒng)總體框架 32.2單片機的選擇 3\o"CurrentDocument"2.3電源模塊的選擇 4\o"CurrentDocument"2.4電機驅(qū)動模塊的選擇 4\o"CurrentDocument"2.5整流降壓模塊的選擇 5\o"CurrentDocument"2.6尋跡模塊的選擇 5\o"CurrentDocument"2.7避障模塊的選擇 6\o"CurrentDocument"第3章硬件電路設(shè)計與實現(xiàn) 7\o"CurrentDocument"3.1CPU性能介紹 7\o"CurrentDocument"3.2MOS管H橋電機驅(qū)動模塊 7\o"CurrentDocument"3.3整流升壓模塊 83.4整流降壓模塊 9\o"CurrentDocument"第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計及實現(xiàn) 10\o"CurrentDocument"4.1主程序框圖 10\o"CurrentDocument"4.2光電傳感器采集處理信息 11\o"CurrentDocument"4.3避障避險流程 12參考文獻 13附錄 14\o"CurrentDocument"附錄I系統(tǒng)原理圖 14附錄II光電傳感器電路圖 15附錄III整流升壓模塊原理圖 15\o"CurrentDocument"附錄IV實物圖片 16\o"CurrentDocument"附錄V部分程序 17致 謝 23第1章緒論1.1課題研究的意義自第一臺工業(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、宇航、國防等領(lǐng)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(lǐng)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)境簡單的目標。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(AVG—auto-guidevehicle)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。1.2課題研究的背景國外智能車輛的研究歷史較長，始于上世紀50年代，它的發(fā)展歷程大致可分為三個階段：第一階段：20世紀50年代是智能車輛研究的初始階段。早期研制該系統(tǒng)的目的是為了提高倉庫運輸?shù)淖詣踊?，應用領(lǐng)域僅局限于倉庫內(nèi)的物品運輸，但它卻具有了智能車輛最基本的特征即無人駕駛。隨著計算機的應用和傳感器技術(shù)的發(fā)展，智能車輛的研究不斷得到新的發(fā)展。第二階段：從80年代中后期，師姐主要發(fā)達國家對智能車輛開展了卓有成就的研究。進入80年代中期，設(shè)計和制造智能車輛的浪潮席卷了全世界，一大批世界著名的公司開始研究智能車輛平臺。帶三階段：從90年代開始至今，智能車輛進入了深入、系統(tǒng)、大規(guī)模的研究階段。最為突出的是，美國卡內(nèi)基—梅隆大學機器人研究所一共完成了Navlab系列的自主車的研究，取得了顯著成就。相比與國外，我國開展智能車技術(shù)方面的研究起步較晚，始于20世紀80年代，而且大多數(shù)研究尚處于針對某個單項技術(shù)研究的階段。中國第一汽車集團和國防科技大學機電工程與自動化學院于2003年研制成功了我國第一輛自主駕駛轎車。上海交通大學應用現(xiàn)代控制理論設(shè)計出了一種自動駕駛汽車模型，該模型在汽車系統(tǒng)的動力學建模的基礎(chǔ)之上，設(shè)計了自動駕駛的專項系統(tǒng)，它能根據(jù)的彎曲變化程度實時的計算出車輛的轉(zhuǎn)向盤角度，控制車輛按照預設(shè)道路行駛。智能車輛研究也是智能交通系統(tǒng)ITS的關(guān)鍵技術(shù)。目前，國能許多高校和科研院所都在進行ITS關(guān)鍵技術(shù)、設(shè)備的研究，隨著ITS研究的興起，我國已經(jīng)形成了一支ITS技術(shù)研究開發(fā)的專業(yè)技術(shù)隊伍。1.3課題研究的主要內(nèi)容其實智能車，就是一個機器人，其可以分為三大結(jié)構(gòu)：傳感器檢測、機械執(zhí)行、中央處理器。智能車通過感知導引線和障礙物，可以實現(xiàn)自動循跡、避障等功能，且可以通過一套完整的控制策略，改善小車的行駛狀況，達到更加穩(wěn)定的狀態(tài)。要完成上述的功能設(shè)計，傳感檢測部分可以采用能夠感知清晰的圖像的攝像頭，或者選用人們常用的光電對管傳感器來感測路況。而智能小車的機械部分，可以采用四輪車（帶有舵機）、或者三輪車（前輪為萬向輪），電機則只需使用直流電機即可。對于主控芯片CPU,我們選擇簡單易用的51單片機或高級復雜額ARM等芯片，通過配合軟件編程，可以很好的實現(xiàn)自動尋跡、避障的功能。第2章系統(tǒng)方案設(shè)計與論證2.1系統(tǒng)總體框架智能避障避險小車自動控制系統(tǒng)以STC12C5A60S2單片機為核心控制器，通過光電對管采集信息并傳送給STC12C5A60S2單片機，單片機利用PID算法對信息進行處理，輸出4路PWM波通過MOS管H橋電機驅(qū)動控制4個電機，實現(xiàn)電動小車的智能行駛。單片機通過光電對管、光電開關(guān)采集信息，利用PID算法處理數(shù)據(jù)，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，帶動小車智能行駛，小車的行駛又不斷更新采集到的信息到單片機上，從而實現(xiàn)小車會車自動控制。圖1.智能避障避險小車控制簡圖為了較好的實現(xiàn)系統(tǒng)各個監(jiān)測模塊的功能和彼此之間的配合銜接，并且考慮到整個系統(tǒng)的實現(xiàn)難易程度，以及性價比，對系統(tǒng)各個模塊做了幾個方案并對其進行了設(shè)計與對比論證，具體論證如下：2.2單片機的選擇方案一：采用現(xiàn)在比較通用的51系列單片機。此系列單片機是8位機，處理速度較慢，I/O資源較少，程序存儲空間小，沒有控制PWM的寄存器，對電機控制不方便。而且其最小系統(tǒng)的外圍電路都要自己設(shè)計和制作，使用起來不方便。方案二：可編程邏輯器件CPLD,它具有編程靈活、集成度高、設(shè)計開發(fā)周期短、適用范圍寬、開發(fā)工具先進、設(shè)計制造成本低、標準產(chǎn)品無需測試等特點，可實現(xiàn)較大規(guī)模的電路設(shè)計。但是，該器件主要依賴于軟件設(shè)計，缺少硬件的配合，致使程序設(shè)計復雜，難以使用，運算速度太快。CPLD同樣難以滿足本設(shè)計的需要［1。］方案三：STC的一些芯片完全兼容MCS-51,新增兩級中斷優(yōu)先級，多一個外中斷，內(nèi)置EEPROM，512B內(nèi)存等。速度快8~12倍，2路PWM,抗干擾強。具有與8051兼容的高速CIP-51內(nèi)核，與MCS-51指令集完全兼容，片內(nèi)集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬、數(shù)字外設(shè)及其他功能部件；內(nèi)置FLASH程序存儲器、內(nèi)部RAM。片上1/O口資源豐富，拓展功能齊全。結(jié)合題目的要求，STC單片機的特點與實際的需求，本系統(tǒng)選用方案三STC單片機作為主控芯片，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的調(diào)節(jié)控制。2.3電源模塊的選擇方案一：使用干電池。干電池價格便宜，隨處可買來使用，使用過程輕松無需護理。但是，因其內(nèi)阻相對較大，所以放電電壓特性較軟，也導致其輸出電流能力不及蓄電池。方案二：使用蓄電池。蓄電池一次性投資大，但多次使用可以彰顯其經(jīng)濟性，供電時內(nèi)阻小，電流電壓特性硬。比較以上兩種方案，方案二更好，使用7.2V蓄電池電壓更加穩(wěn)定，有利于智能小車的行駛。2.4電機驅(qū)動模塊的選擇方案一：采用L298電機驅(qū)動模塊。L298內(nèi)部就是8個功率管加驅(qū)動電路，使用起來電路簡單。L298內(nèi)置兩個H橋，每個H橋提供1A的額定工作電流和最大3A的峰值電流。方案二：采用三極管H橋驅(qū)動。采用三極管NPN8050和PNP8550組成的H橋電路作為驅(qū)動器驅(qū)動直流電機。方案三：采用MOS管H橋驅(qū)動。采用MOS管LM3205和LM4905組成的H橋電路作為驅(qū)動器驅(qū)動直流電機。MOS管是壓控元件，具有輸入阻抗大，所以對電壓源的負載輕。開關(guān)速度快、無二次擊穿現(xiàn)象等特點，滿足高速開關(guān)動作需求。比較以上三種方案，方案一的不足之處在于L298電機驅(qū)動模塊的驅(qū)動馬達較小，單端驅(qū)動方式性能比較差。方案二晶體管本身有導通電阻，在通過大電流時會明顯發(fā)熱，如果沒有散熱措施會很容易燒毀，這樣就會限制電路功率的增加。方案三MOS管的導通電阻值比普通三極管低，允許流過更大的電流，而且MOS管都內(nèi)置有反向二極管來保護管子本身。所以，采用方案三MOS管連接H橋不但效率可以提高，電路也可以簡化。2.5整流降壓模塊的選擇方案一：采用三端固定式集成穩(wěn)壓模塊7805.此模塊是串聯(lián)型穩(wěn)壓電源，噪音小，壓差大，紋波較小，當該穩(wěn)壓器輸入電壓為5.6V時，輸出電壓為5.0V，功耗為4.5W，功耗大，需要加散熱片。輸出電壓精度低。方案二：采用開關(guān)型穩(wěn)壓模塊2596.此模塊是降壓型電源管理單片集成電路，能夠輸出3A的驅(qū)動電流，同時具有很好的線性和負載調(diào)節(jié)特性。內(nèi)部集成頻率補償和固定頻率發(fā)生器。壓差較小，紋波大，IC的發(fā)熱量小。輸出電壓的誤差可以保證在的范圍內(nèi)，振蕩頻率誤差在的范圍內(nèi)。方案比較與選擇：方案一采用7805壓差大，雖然最小壓差為2V，7.2V電池電源降壓到5V時，輸出電壓不穩(wěn)，效率很低。功耗太大，對于用電池供電的小車來說無疑是對電能的浪費，大大減小了電池的可供電時間。方案二采用LM2596芯片很容易的解決了使用7805芯片帶來的不足之處，其壓差小、功耗低、輸出電壓穩(wěn)定、散熱小等特點。所以，采用方案二更加合理。2.6尋跡模塊的選擇方案一：小車循跡，我們通常采用紅外檢測的方法，紅外檢測法是通過黑線和白色對紅外線的吸收效果不同，當紅外光線射到白色底板時，會發(fā)生漫反射反射到智能車的接受管上，而射到黑線則會被吸收不會產(chǎn)生發(fā)射，智能車紅外接收管就接收不到。故整個智能車通過紅外接收管是否接收到紅外線來判斷黑線和白線的［11］，從而實現(xiàn)循跡。但需要主要的是，紅外傳感器的檢測距離有限，一般在3cm之內(nèi)。紅外光電傳感器由1個紅外發(fā)射管（發(fā)射器）和1個光電二極管（接收器）所構(gòu)成。本次設(shè)計，紅外光電傳感器我們采用是的ST188，其是由發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管構(gòu)成，它使用的非接觸式檢測方式，且檢測距離范圍較大，一般為4~13mm。方案二：采用OV7620數(shù)字攝像頭，內(nèi)置10位雙通道A/D轉(zhuǎn)換器，輸出8位圖像數(shù)據(jù)具有自動增益和自動白平衡控制，能進行亮度、對比度、飽和度、Y校正等多種調(diào)節(jié)功能;其視頻時序產(chǎn)生電路可產(chǎn)生行同步、場同步、混合視頻同步等多種同步信號和像素時鐘等多種時序信號;數(shù)字攝像頭采集到的數(shù)字信號，用于處理道路情況，16.67ms采集一幅畫面，但是價格較貴，采集一次時間較長，數(shù)據(jù)量太大對CPU占用嚴重。比較以上兩種方案，方案一更適合小車實現(xiàn)尋跡。2.7避障模塊的選擇方案一：采用光電開關(guān)。能結(jié)合單片機的工作主頻精確監(jiān)測到人員的通過量，經(jīng)濟實用，并且監(jiān)測距離適中，電氣特性相對穩(wěn)定，性價比較高，其檢測距離可以根據(jù)我們的需要進行調(diào)節(jié)。此傳感器探測距離遠，抗干擾性強，且價格低廉，容易使用，已在機器人行業(yè)中得到廣泛應用。方案二：采用超聲波傳感器。超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。超聲波對液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應。因此超聲波檢測廣泛應用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學等方面。由于智能避障避險小車對距離長度信息的采集相對比較固定，光電開關(guān)控制比較方便，且價格低廉。而超聲波傳感器，采集數(shù)據(jù)時間相對較長且短距離采集數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較差。所以，方案一更適合課題的設(shè)計。第3章硬件電路設(shè)計與實現(xiàn)CPU性能介紹STC12C5A60S2系列單片機是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機器周期（1T）的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換（250K/S），針對電機控制，強干擾場合。MOS管H橋電機驅(qū)動模塊MOS管H橋電路用于驅(qū)動電機并控制電機正反轉(zhuǎn)。如下圖，它由2個P型場效應管Q1、Q2與2個N型場效應管Q3、Q4組成。所以，它也叫P-NMOS管H橋電路。橋臂上的4個場效應管相當于四個開關(guān)，P型管在柵極為低電平時導通，高電平時關(guān)閉；N型管在柵極為高電平時導通，低電平時關(guān)閉。場效應管是電壓控制型元件，柵極通過的電流幾乎為“零”。正因為這個特點，在連接好下圖電路后，控制臂PP3_OUT置高電平（U=VCC）、控制臂PP2_OUT置低電平（U=0）時,Q1、Q4關(guān)閉,Q2、Q3導通,電機左端低電平，右端高電平，所以電流沿箭頭方向流動。設(shè)為電機正轉(zhuǎn)?？刂票跴P3_OUT置低電平、控制臂PP2_OUT置高電平時，Q2、Q3關(guān)閉，Q1、Q4導通，電機左端高電平，右端低電平，所以電流沿箭頭方向流動。設(shè)為電機反轉(zhuǎn)。從而實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)，MOS管H橋電機驅(qū)動模塊電路如圖3-2所示：圖3-2MOS管H橋電機驅(qū)動模塊電路圖3.3整流升壓模塊系統(tǒng)由蓄電池供電，電池電壓的穩(wěn)定性不是很好，要實現(xiàn)對直流電機的精確控制，首先要控制直流電機的電壓穩(wěn)定，采用LM2577芯片的升壓電路，把7.2V蓄電池升壓為8V直流電壓供給直流電機。整流升壓模塊電路圖如圖3-3所示：圖3-3圖3-3整流升壓模塊電路圖3.4整流降壓模塊系統(tǒng)由蓄電池供電，電池電壓為7.2V,而單片機、光電開關(guān)、光電對管都需要5V供電，所以需要降壓模塊把電池電壓，降為可為單片機、光電開關(guān)、光電對管供電的5V電壓。整流降壓模塊電路如圖3-所示：圖3-4整流降壓模塊電路4.1主程序框圖第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計及實現(xiàn)開始否是否到達終點是對檢測到的信息進行場地化處理結(jié)束初始化定時器1模擬PWM啟動電機、光電傳感器圖4-1主程序流程圖4.2光電傳感器采集處理信息圖4-2光電傳感器采集處理信息流程圖4.3避障避險流程圖4-3避障避險程序控制流程圖參考文獻高峰.單片微型計算機原理與接口技術(shù)[M].北京：北京科學出版社,2011.08.郭天祥《新概念51單片機C語言教程》電子工業(yè)出版社楊欣《電子設(shè)計從零開始（第二版）》清華大學出版社童詩白、華成英.《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》[M].高等教育出版社.2000年.⑸譚浩強《C語言程序設(shè)計（第二版）》清華大學出版社,1999.12附錄附錄I系統(tǒng)原理圖附錄II光電傳感器電路圖附錄III整流升壓模塊原理圖附錄IV實物圖片附錄V部分程序#include<STC12C5A60s2.h>#defineuintunsignedint#defineucharunsignedchar/* 定時器1模擬PWM */sbitPWM_0=P2"4;sbitPWM_1=P2"5;sbitPWM_2=P2飛；sbitPWM_3=P2"7;ucharPWM_ON0,PWM_ON1,PWM_ON2,PWM_ON3;ucharcount0,count1,count2,count3;voidtime1_init(); //定時器1初始化voidpwm_init(); //模擬PWM放在定時器1中使用voiddianji_zuo(ucharaa,ucharpwm);voiddianji_you(ucharaa,ucharpwm);/*************************************************************//* STC12C單片機定時器1初始化*//*************************************************************/voidtime1_init(){AUXR|=T1x12; //定時器1改為不分頻TMOD|=0X10; //啟動定時器1TH1=(65536-500)/256;TL1=(65536-500)%256;EA=1;ET1=1;TR1=1;/*************************************************************//* STC12C單片機定時器1模擬PWM *//*************************************************************/voidpwm_init(){if(count0==PWM_ON0)//第一路PWM_0=1;count0++;if(count0==100){if(PWM_ON0!=0)PWM_0=0;count0=0;}// PWM_ON1 //if(count1==PWM_ON1)//第二路PWM_1=1;count1++;if(count1==100){if(PWM_ON1!=0)PWM_1=0;count1=0;}// PWM_ON2 //if(count2==PWM_ON2)//第三路PWM_2=1;count2++;if(count2==100){if(PWM_ON2!=0)PWM_2=0;count2=0;}// PWM_ON3 //if(count3==PWM_ON3)//第四路PWM_3=1;count3++;if(count3==100){if(PWM_ON3!=0)PWM_3=0;count3=0;}// //}/*************************************************************//*左電機控制/**//*************************************************************/voiddianji_zuo(ucharaa,ucharpwm){if(aa==0) //左電機停止車右拐//1前進PWM_ON1=0;PWM_ON0=0;}if(aa==1)//左電機前進{PWM_ON1=pwm;PWM_ON0=0;}if(aa==2)//左電機后退{PWM_ON1=0;PWM_ON0=pwm;}}/*************************************************************//*右電機控制