智能循跡避障小車畢業(yè)論文

摘要 2 2 31.1智能小車的意義和作用 31.2智能小車的現(xiàn)狀 3第二章方案設(shè)計(jì)與論證 42.1主控系統(tǒng) 42.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 42.3循跡模塊 62.4避障模塊 72.5機(jī)械系統(tǒng) 72.6電源模塊 8第三章硬件設(shè)計(jì) 83.1總體設(shè)計(jì) 83.2驅(qū)動(dòng)電路 93.3信號(hào)檢測(cè)模塊 3.4主控電路 第四章軟件設(shè)計(jì) 4.1主程序模塊 4.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序 4.3循跡模塊 4.4避障模塊 第五章制作安裝與調(diào)試 結(jié)束語(yǔ) 致謝 參考文獻(xiàn) 智能循跡避障小車摘要：利用紅外對(duì)管檢測(cè)黑線與障礙物，并以STC89C52單片機(jī)為控制芯片控制電動(dòng)小汽車的速度及轉(zhuǎn)向，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循跡避障的功能。其中小車驅(qū)動(dòng)由L298N驅(qū)動(dòng)電路完成，速度由單片機(jī)輸出的PWM波控制。SchoolofPhysicsandElectronicInformation,Grade2006Class9,Instructor:LiuHankui第一章緒論隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的感覺傳感器種類越來越多，其中視覺傳感器成為白動(dòng)行走和駕駛的重要部件。視覺的典型應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)樽灾魇奖赌軐?dǎo)航系統(tǒng)，對(duì)于視覺的各種技術(shù)而言圖像處理技術(shù)已相當(dāng)發(fā)達(dá)，而基于圖像的理解技術(shù)還很落后，機(jī)器視覺需要通過大量的運(yùn)算也只能識(shí)別一些結(jié)構(gòu)化環(huán)境簡(jiǎn)單的目標(biāo)。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(dòng)聚焦。但CCD傳感器的價(jià)格、體積和使用方式上并不占優(yōu)勢(shì)，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(shí)用有效的方法。機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)引功能和避障功能就必須要感知導(dǎo)引線和障礙物，感知導(dǎo)引線相當(dāng)給機(jī)器人一個(gè)視覺功能。避障控制系統(tǒng)是基于白動(dòng)導(dǎo)引小車(AVG—auto-guidevehicle)系統(tǒng)，基于它的智能小車實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別路線，判斷并自動(dòng)避開障礙，選擇正確的行進(jìn)路線。使用傳感器感知路線和障礙并作出判斷和相應(yīng)的執(zhí)行動(dòng)作。執(zhí)行部分、CPU。機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障功能，還可以擴(kuò)展循跡等功能，感知導(dǎo)引線和障礙物?？梢詫?shí)現(xiàn)小車自動(dòng)識(shí)別路線，選擇正確的行進(jìn)路線，并檢測(cè)到障礙物自動(dòng)躲避。基所以可以舍棄昂貴的CCD傳感器而考慮使用價(jià)廉物美的紅外反射式傳感器來充當(dāng)。智能小車的執(zhí)行部分，是由直流電機(jī)來充當(dāng)?shù)?，主要控制小車的行進(jìn)方向和速度。單片機(jī)驅(qū)動(dòng)直樣可以實(shí)現(xiàn)精確調(diào)速；第二，可以由軟件模擬PWM輸出調(diào)制，需要占用單片機(jī)資源，難1.2智能小車的現(xiàn)狀障、檢測(cè)貼片、尋光入庫(kù)、避崖等基本功能，這幾節(jié)的電子設(shè)計(jì)大賽智能小車又在向聲控系統(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(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)循跡避障這兩個(gè)功能。第二章方案設(shè)計(jì)與論證2.1主控系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，我認(rèn)為此設(shè)計(jì)屬于多輸入量的復(fù)雜程序控制問題。據(jù)此，擬定了以下兩種方案并進(jìn)行了綜合的比較論證，具體如下：方案一：選用一片CPLD(如EPM7128LC84-15)作為系統(tǒng)的核心部件實(shí)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(diǎn)，可利用VHDL語(yǔ)言進(jìn)行編我們不采用該種方案，進(jìn)而提出了第二種設(shè)想。充分分析我們的系統(tǒng)，其關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)小車的自動(dòng)控制，而在這一點(diǎn)上，單片機(jī)就顯現(xiàn)出來它的優(yōu)勢(shì)一一控制簡(jiǎn)單、方便、快捷。這樣一來，單片機(jī)就可以充分發(fā)揮其資源豐富、有較為強(qiáng)人的控制功能及可位尋址操作功能、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。因此，這種方案是一種較利用STC89C52單片機(jī)的資源。方案一：案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時(shí)間慢，易損壞，壽命較短，可靠性不高。方案二PWM2米用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的分壓，從而達(dá)到分壓的口的。但電阻網(wǎng)絡(luò)只PWM2阻很小，但電流很大，分壓不僅回降低效率，而且實(shí)現(xiàn)很困難。方案三：采用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機(jī)。線性型驅(qū)動(dòng)的電路結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，加速能力強(qiáng)，采用由達(dá)林頓管組成的Ⅱ型橋式電路(如圖2·1)o用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使Z工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)下，精確調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高，Ⅱ型橋式電路保證了簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制，電子管的開關(guān)速度很快，穩(wěn)定性也極強(qiáng)，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2.2)。這種調(diào)速方式有調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過載能力大，能承受頻繁的負(fù)載沖擊，還可以實(shí)現(xiàn)頻繁的無級(jí)快速后動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。因此決定采用使用功率圖2.1H橋式電路2.3循跡模塊采用簡(jiǎn)易光電傳感器結(jié)合外圍電路探測(cè)，但實(shí)際效果并不理想，對(duì)行駛過程中的穩(wěn)定方案二采用兩只紅外對(duì)管(如圖2.3),分別置于小車車身前軌道的兩側(cè)，根據(jù)兩只光電開關(guān)接受到白線與黑線的情況來控制小車轉(zhuǎn)向來調(diào)整車向，測(cè)試表明，只要合理安裝好兩只光電開關(guān)的位置就可以很好的實(shí)現(xiàn)循跡的功能。(參考文獻(xiàn)(3))方案三：置于中間的一只光電開關(guān)脫離軌道時(shí)，等待外面任一只檢測(cè)到黑線后，做出相應(yīng)的轉(zhuǎn)向調(diào)整，育到中間的光電開關(guān)重新檢測(cè)到黑線(即回到軌道)再恢復(fù)正向行駛?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明，小車在尋跡過程中有一定的左右搖擺不定，雖然可以正確的循跡但其成本與穩(wěn)定性都次與第二種方案。圖2.3紅外對(duì)管2.4避障模塊方案一采用一只紅外對(duì)管置于小車中央。其安裝簡(jiǎn)易，也可以檢測(cè)到障礙物的存在，但難以三：且充分的利用資源而不浪費(fèi)。(參考文獻(xiàn)[3])本題FI要求小車的機(jī)械系統(tǒng)穩(wěn)定、靈活、簡(jiǎn)單，而三輪運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)具備以上特點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)部分：由于玩具汽車的直流電機(jī)功率較小，而小車上裝有電池、電機(jī)、電子器件2.6電源模塊方案一：采用實(shí)驗(yàn)室有線電源通過穩(wěn)壓芯片供電，其優(yōu)點(diǎn)是可穩(wěn)定的提供5V電壓，但占用資源過大。案三：采用8支1.5V電池雙電源分別給單片機(jī)與電機(jī)供電可解決方案二的問題且能讓小車完成其功能。所以，我選擇了方案三來實(shí)現(xiàn)供電。第三章硬件設(shè)計(jì)智能小車采用前輪驅(qū)動(dòng)，前輪左右兩邊各用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，調(diào)制前面兩個(gè)輪子的轉(zhuǎn)速起停從而達(dá)到控制轉(zhuǎn)向的目的，后輪是萬象輪，起支撐的作用。將循跡光電對(duì)管分別裝在修正，當(dāng)車身下右邊傳感器檢測(cè)到黑線時(shí)，主控芯片控制右輪電機(jī)停止，車向右修正。避障的原理和循線一樣，在車身右邊裝一個(gè)光電對(duì)管，當(dāng)其檢測(cè)到障礙物時(shí)，主控芯片給出信號(hào)報(bào)警并控制車子倒退，轉(zhuǎn)向，從而避開障礙物。3.1.1主板設(shè)計(jì)框圖如圖3.1,所需原件清單如表3.1。圖3.1主板設(shè)計(jì)框圖避障紅外對(duì)管報(bào)警電路元件數(shù)量元件數(shù)量元件數(shù)量直流電機(jī)2只電阻若干集成電路芯片若干單片機(jī)1塊二極管若干電容若干紅外對(duì)管3只蜂鳴器電位器若干12M晶振杜邦線若干玩具小車1個(gè)排針若干3.2驅(qū)動(dòng)電路(參考文獻(xiàn)[4])電機(jī)驅(qū)動(dòng)一般采用H橋式驅(qū)動(dòng)電路，L298N內(nèi)部集成了H橋式驅(qū)動(dòng)電路，從而可以采用L298N電路來驅(qū)動(dòng)電機(jī)。通過單片機(jī)給予L298N電路PWM信號(hào)來控制小車的速度，起如圖3.3。SUPPLYVOLTAGEVs散熱片與8腳連通圖3.2L298N引腳圖~fC5IOOHF0.ljiF(Poit4二>8IH11N2IN3ruAVCOUT1OUT2OUT4T<FMAGNDL298N93BMMotorAMMotor3.3信號(hào)檢測(cè)模塊小車循跡原理是小車在畫有黑線的口紙“路面”上行駛，由于黑線和口紙對(duì)光線的反射系數(shù)不同，可根據(jù)接收到的反射光的強(qiáng)弱來判斷“道路”一黑線。筆者在該模塊中利用了簡(jiǎn)單、應(yīng)用也比較普遍的檢測(cè)方法一一紅外探測(cè)法。紅外探測(cè)法，即利用紅外線在不同顏色的物理表面具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn)。在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到口色地面時(shí)發(fā)生漫發(fā)射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，則小車上的接收管接收不到信號(hào)，再通過LM324作比較器來采集高低電平，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的檢測(cè)。避障亦是此原理。電路圖如圖3.4。市面上有很多紅外傳感器，在這里我選用TCRT5000型光電對(duì)管。kiki3=圖3.4循跡原理圖高意微一●23高意微一●23本模塊主要是對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行分析，同時(shí)給出PWM波控制電機(jī)速度，起停。以及再P8II蹄恐恩007風(fēng)ED272bP25P21Vwc-P3心事56HesdeC;Heder222uF215tR2NN3FHade22224222012245D17D30311Ⅱ2341x34g75gsldi率ldiB00P01B02P03P0SB06P07ALEP27P26P2SP24P23wcP22wcP21P201Hasde3P7一23CB2P10P10p1D13D14D16D12D30D3156789D32D33D34D35D36DHedr20R0P12P134PMP33HGNDM圖3.5主控電路第四章軟件設(shè)計(jì)4.1主程序框圖：后動(dòng)1循跡1是否檢測(cè)到停止線是否檢測(cè)避障￥?停止圖4.1主程序框圖4.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序voidgoback)sl=0;enl=0;4.3循跡模塊掃描I/O口，是否檢洲到里線左轉(zhuǎn)左邊右右轉(zhuǎn)開始圖4.2循跡框圖delay(150);delay(50);elseif((left_red==O)&(right_red==1)){P0_0=!P0_0;turnleft();delay(150);delay(50);elseif((left_red==1)&(right_red=O))P01=!P01;turnright();delay(150);delay(50);4.4避障模塊開始點(diǎn)，報(bào)警-口-右轉(zhuǎn)N前進(jìn)V左轉(zhuǎn)圖4.3避障框圖enl=1:en2=1;goback();midred=0;goback();en2=0;delay(50);stop();delay(10);turnleft();for(i=0;i<11;i++){enl=0;en2=1;delay(130);en2=0;delay(50);stop();delay(10);goahead();for(i=0;i<22;i++){enl=1;en2=1;delay(130);en2=0;delay(50);stop();delay(1O);turnright();}xun:if((left_red==1)&(right_red==O)){if((left_red==1)&(right_red{{enl=1;en2=1;goahead();delay(80);enl=0;en2=0;第五章制作安裝與調(diào)試5.1PCB的設(shè)計(jì)制作與安裝采用DXP2004繪制原理圖與PCB板，布線的過程中必須注意焊盤的人小與銅線的寬度。我選取的焊盤內(nèi)徑為0.8mm,外徑2mm;銅線寬1mm。從做板的情況來看基本達(dá)到制作得要求。采用螺絲將循跡板安裝在車頭，主板與電機(jī)5.2小車調(diào)試通過改變循跡板滑動(dòng)變阻器器的大小來調(diào)試紅外對(duì)管的靈敏度，通過改變延時(shí)程序來改變速度的大小。下表為小車運(yùn)行的情況：小車運(yùn)行次數(shù)成功循跡次數(shù)成功避障次數(shù)11221332442554結(jié)束語(yǔ)實(shí)現(xiàn)如下功能：和弧形軌道的前進(jìn)。若有偏離，能夠自動(dòng)糾正，返回到預(yù)設(shè)軌道上來。從運(yùn)行情況來看循跡的效果比較好，避障的效果不是很好，我認(rèn)為是由于屯源不能穩(wěn)定而是的小車的速度不好控制，這也是我這次設(shè)計(jì)最大的誤區(qū)，沒有選取穩(wěn)定的電源。我相信如果實(shí)驗(yàn)條件和時(shí)間的允許下我肯定能解決這一問題。通過本次設(shè)計(jì)我掌握了很多以前不熟練的東西，認(rèn)識(shí)了很多以前不熟悉得東西，使我致謝本設(shè)計(jì)能夠順利完成，還承蒙劉老師以及身邊的很多同學(xué)的指導(dǎo)和幫助。在設(shè)計(jì)過程中，劉老師給予了悉心的指導(dǎo)，最重要的是給了我解