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1、 天津工業(yè)大學 畢業(yè)論文 機器人自動尋跡避障系統(tǒng)設計 姓 名 任 浩 學 院 電氣工程與自動化學院 專 業(yè) 自動化 指導教師 修春波 職 稱 副教授 2013年6月3日 附表1 天津工業(yè)大學畢業(yè)論文任務書 題目 機器人自動尋跡避障系統(tǒng)設計 學生姓名 任 浩 學院

2、名稱 電氣工程與自動化學院 專業(yè)班級 自動化094 課題類型 實際課題 課題意義 隨著人類探索活動的不斷發(fā)展，促使了機器人的誕生。機器人可以代替人類完成許多高強度、高難度的工作，也可代替人類完成那些在惡劣環(huán)境中，甚至是危險致命環(huán)境中的特殊工作，因此具有廣泛的應用前景。 本次研究的主要內容是一種基于單片機控制的自動尋跡避障小車的設計，該車以單片機為控制核心，利用傳感器對前方障礙物信息及路面信息進行采集，并將障礙物檢測信號和路面檢測信號反饋給單片機。單片機對采集到的信號予以分析判斷，及時控制驅動電機以調整小車轉向，從而使小車能夠避開障礙物，沿著預定軌道自動行駛，實現(xiàn)小車自動尋跡避障

3、的目的。 任務與進度要求 2013.3.7-2013.3.30 查閱與本課題相關課題的資料，熟悉本課題的原理 2013.3.31-2013.4.25 完成本課題系統(tǒng)方案的整體設計 2013.4.26-2013.5.10 完成本系統(tǒng)的硬件設計及調試 2013.5.11-2013.6.05 完成對畢業(yè)論文的撰寫 2013.6.5-2013.6.8 通過畢業(yè)答辯 主要參考文獻 [1]胡海峰，史忠科，徐德文.智能汽車發(fā)展研究[J].計算機應用研究.2004，5(6)：20~23. [2]章小兵，宋愛

4、國.地面移動機器人研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢.機器人技術與應用.2005，15(4): 19~23. [3]Sharma U K, Davis L S. Road following by an autonomous vehicle using range data[J]. IEEE Transactions on Robotics and Automation，1988, 6(8): 515-523. [4]徐國華，譚民.移動機器人的發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢[J].機器人技術與應用.2001,8(7):7~ 14. [5]馮建農，柳明，吳捷.自主移動機器人智能導航研究進展[J].機器人.1997，1

5、9(10): 468~478. 起止日期 2013.3.7-2013.6.8 備注 院長 教研室主任 指導教師 畢業(yè)論文開題報告表 附表2 2013 年 3月 10 日 姓名 任 浩 學院 電氣工程與自動化學院 專業(yè) 自動化 班級 自動化094 題目 機器人自動尋跡避障系統(tǒng)設計 指導教師 修春波 一、與本課題有關的國內外研究情況、課題研究的主要內容、目的和意義： 隨

6、著社會生產和科學的發(fā)展，智能機器人的研究越來越受到社會各界的廣泛重視。 而智能機器人研究的主要內容就是機器人的尋跡與避障。機器人自動尋跡避障系統(tǒng)一般可劃分為信號檢測部分和控制部分，信號檢測部分包括軌道檢測、障礙物檢測以及速度檢測控制部分包括驅動控制、制動控制和轉向控制。 本次研究的主要內容是一種基于單片機控制的自動尋跡避障小車的設計，該車以單片機為控制核心，利用傳感器對前方障礙物信息及路面信息進行采集，并將障礙物檢測信號和路面檢測信號反饋給單片機。單片機對采集到的信號予以分析判斷，及時控制驅動電機以調整小車轉向，從而使小車能夠避開障礙物，沿著預定軌道自動行駛，實現(xiàn)小車自動尋跡避障

7、的目的。 隨著智能機器人技術的快速發(fā)展，智能機器人在家務勞動、患者看護、警務服務、家庭娛樂和辦公室事物等各項服務工作中得到廣泛的應用。 二、進度及預期結果： 起止日期 主要內容 預期結果 3.7-3.30 3.31-4.25 4.26-5.10 5.11-6.5 6.6-6.8 查找資料。查閱相關課題的資料 軟硬件設計。對本課題要求的軟硬件進行設計 軟硬件調試。對以設計好的軟硬件進行調試 撰寫畢業(yè)論文 畢業(yè)答辯 初步了解有關本課題的研究內容。 初步完成軟硬件設計 完成軟硬件調試 完成畢業(yè)論文 通過畢

8、業(yè)答辯 完成課題的現(xiàn)有條件 已具備完成本課題的軟硬件設施 審查意見 指導教師： 年 月 日 學院意見 主管領導： 年 月 日 附表5 天津工業(yè)大學本科畢業(yè)論文評閱表 （論文類） 題目 機器人自動尋跡避障系統(tǒng)設計 學生姓名 任 浩 學生班級 自動化094 指導教師姓名 修春波 評審項目 指標 滿分 評分 選題 能體現(xiàn)本專業(yè)培養(yǎng)目標，使學生得到較全面訓練。題目大小、難度適中，學生工作量飽滿，經努力能完成。 10

9、 題目與生產、科研等實際問題結合緊密。 10 課題調研、 文獻檢索 能獨立查閱文獻以及從事其他形式的調研，能較好地理解課題任務并提出實施方案；有分析整理各類信息，從中獲取新知識的能力。 15 論文撰寫 結構嚴謹，理論、觀點、概念表達準確、清晰。 10 文字通順，用語正確，基本無錯別字和病句，圖表清楚，書寫格式符合規(guī)范。 10 外文應用 能正確引用外文文獻，翻譯準確，文字流暢。 5 論文水平 論文論點正確，論點與論據(jù)協(xié)調一致，論據(jù)充分支持論點，論證過程有說服力。 15 有必要的數(shù)據(jù)、資料支持，數(shù)據(jù)、資料翔實可靠，得出的結論有可驗性。

10、15 論文有獨到見解或有一定實用價值。 10 合計 100 意見及建議： 評閱人簽名： 年 月 日 附表7： 天津工業(yè)大學畢業(yè)論文成績考核表 學生姓名 任 浩 學院名稱 電氣工程與自動化學院 專業(yè)班級 自動化094 題目 機器人自動尋跡避障系統(tǒng)設計 1．畢業(yè)設計（論文）指導教師評語及成績： 成績： 指導教師簽字： 年 月 日 2．

11、畢業(yè)設計（論文）答辯委員會評語及成績： 成績： 答辯主席（或組長）簽字： 年 月 日 3．畢業(yè)設計（論文）總成績： a.指導教師 給定成績 b.評閱教師 給定成績 c.畢業(yè)答辯成績 總成績 (a0.5+b0.2+c0.3) 摘 要 隨著現(xiàn)代交通的發(fā)展及科學技術的提高，人們的生活水平也在發(fā)生重大的變化，同時私家車的數(shù)量也在逐步增加，且汽車技術也在日益提高，并越來越趨向于智能化。但伴隨著的卻是道路的擁擠與交通事故的頻繁發(fā)生，這嚴重的影響了人的生命安全。有資料顯示，

12、導致追尾、相撞等此類交通事故發(fā)生的主要因為是兩車之間的距離太近造成的。為了解決在兩車距離問題上盡量避免或減少此類交通事故的發(fā)生，本課題提出了采用傳感器技術來研究分析智能小車的尋跡避障系統(tǒng)。 本文的目的是采用傳感器來設計小車尋跡避障系統(tǒng)。首先在研究課題的國內外情況下，對小車尋跡避障系統(tǒng)的設計方案進行論證，其中主要對系統(tǒng)檢測和電機驅動方面進行了詳細的論證。同時對系統(tǒng)采用的單片機控制與整個系統(tǒng)各模塊的方案進行了說明。其次，本文完成了對智能小車的主體部分，即硬件部分進行了詳細的設計。硬件部分包括:系統(tǒng)主控制部分、驅動單元部分、小車躲避障礙物單元設計、小車尋跡單元設計與電機控制電路設計等。最后

13、，在完成軟硬件設計后，對系統(tǒng)進行測試，其中主要是測試方法的應用與測試的結果的分析。 關鍵詞：單片機；尋跡避障；傳感器；電子技術 ABSTRACT With the development of modern transportation and the advancement of science and technology, also the standard of people’s living is in the event of major changes，at the same time number of private cars is also steadil

14、y increasing, and increasingly intelligent. But it is accompanied by the road of the congestion and accidents occur frequently, this has serious implications for the safety of their lives. There is a show that result in rear collision, such as car accidents, mainly because it is the distance between

15、 two vehicles too close. In order to solve the problems of distance on the cars to avoid or minimize such traffic accidents, the subject matter presented in sensor technology is also research and analysis of the Smart car evasive system. The purpose of this thesis is to use sensors to design car tr

16、acing and obstacle avoidance system. First in research situations at home and abroad, design the programme for demonstration of tracing and obstacle avoidance system, mainly on detection the motor drive system for the detailed argument. At the same time describes the programme of each module and the

17、 system as a whole. Secondly, completed the main part of the smart car , hardware design of parts in detail. Hardware part includes: System main control part, drive unit part, the car to avoid obstacles, car tracing unit design and motor control circuit design, etc. Finally, after completes the soft

18、ware and hardware design, carries on the test to the system, in which mainly is tests the method the application and the test result analysis. Key words：Single chip microcomputer；tracking and obstacle avoidance；sensor；Electronic technology 目 錄 第一章 緒論 1 1.1 本課題的研究背景及意義 1 1.2 國內外研究現(xiàn)狀 1 1.3 本

19、論文主要的研究內容和論文結構 3 第二章 智能小車控制系統(tǒng)的總體設計分析 5 2.1系統(tǒng)方案設計 5 2.2檢測系統(tǒng)論證 5 2.3電機驅動系統(tǒng) 10 2.4單片機控制電路系統(tǒng) 11 2.5PWM控制原理 11 2.6系統(tǒng)各模塊選擇 12 第三章 智能小車控制系統(tǒng)硬件設計 13 3.1主控單元設計 13 3.2驅動單元設計 15 3.3尋跡模塊設計 19 3.4避障模塊設計 21 3.5電源模塊 27 第四章 智能小車控制系統(tǒng)軟件設計 29 4.1系統(tǒng)控制流程 29 4.2算法設計 31 4.3測距子程序 33 第五章 系統(tǒng)調試與測試 35 5.1系

20、統(tǒng)調試 35 5.2系統(tǒng)測試 35 5.3最終成果 36 第六章 結論 39 參考文獻 40 附錄 一 外文翻譯（英文） 41 附錄 二 外文翻譯（中文） 46 謝 辭 49 天津工業(yè)大學2013屆本科生畢業(yè)論文 第一章 緒論 1.1 本課題的研究背景及意義 隨著人類探索活動的不斷發(fā)展，促使了機器人的誕生。機器人可以代替人類完成許多高強度、高難度的工作，也可代替人類完成那些在惡劣環(huán)境中，甚至是危險致命環(huán)境中的特殊工作，因此具有廣泛的應用前景。 智能車，又稱為輪式機器人，它是以輪子作為移動設備、實現(xiàn)自主行駛的移動機器人。智能車是一種基于計算機技

21、術、電子技術、傳感器技術、信息融合技術、通信技術、網絡技術、導航技術、智能控制技術及自動化控制技術等發(fā)展起來的現(xiàn)代智能控制系統(tǒng)，是一個集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、自主行駛與行為控制等功能于一體的高技術綜合系統(tǒng)，它可以在復雜環(huán)境下，通過計算機控制調節(jié)行駛方向、控制啟停、實現(xiàn)速度的自主控制等[12]。目前，智能車在各個領域都具有廣泛的應用前景，如它可以代替人類對零部件、線路板等類似產品進行檢測;可以為顧客提供導購幫助;可以幫助殘疾人改善生活質量和生活自由度;可以用于水下、太空及遠程的服務與探測;可以完成在各種惡劣環(huán)境下的貨物搬運以及系統(tǒng)維護和監(jiān)測等工作;可以代替人類在危險地帶完成軍事任務;可以幫助人類完

22、成地質勘探;可以改善道路交通安全，提高道路網絡利用率，降低能源消耗等等[3]。 目前，隨著計算機網絡的日益普及，無線遙控技術結合網絡控制技術將成為遠距離控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。PC遠程遙控與可視化跟蹤技術因其潛在的應用受到了日益關注，因而，基于PC控制的智能小車循跡系統(tǒng)的研究具有良好的潛在的實用價值。 1.2 國內外研究現(xiàn)狀 1.2.1 國外智能移動機器人的研究 在國外，人們對移動機器人的研究開始于20世紀60年代。美國斯坦福研究院在1966年至1972年間成功研制出了名為Shakey的地面自主移動機器人，標志著機器人研究的開始[4]。隨著計算機與傳感技術的發(fā)展，移動機器人的研究進

23、入了小高潮，美國和歐洲的一些制造廠家對地面移動機器人進行尺寸與結構標準化，并大量研究與制造，推動了移動機器人的迅速發(fā)展。進入20世紀80年代以后，在美國國防部高級研究計劃局(DARPA)投資6億美元制定了地面無人作戰(zhàn)的戰(zhàn)略計劃并對此立項，此計劃全面推動了一些學校與科研單位進行地面移動機器人中有關視覺與體系結構的研究發(fā)展[5]。例如1982年FMC公司研制的具有任務與路徑規(guī)劃的智能車，其跟蹤車速可達19km/h避障車速8km/h[6]。美國Maryland大學在1983~1995年之間研究的基于視覺導航的軍用無人偵察越野車輛(ALV )，以及后來的空間機器人計劃;日本通產省組織的極限環(huán)境下作業(yè)的

24、機器人計劃;歐洲尤里卡中的機器人計劃等[7-9]。 Martin Marietta公司于1986年研制的實現(xiàn)非結構化道路跟蹤、避障以及三維地形圖的確立等功能于一體的智能車ALVin[10]。從開始到這段時間，主要是基于學術角度對地面移動機器人的體系結構以及視覺信息處理進行研究并實驗驗證。此時期的研究帶動了各個國家進行移動機器人的研究與開發(fā)，為人類研制智能機器人積累了豐富的經驗與技術[11]。 從1990年開始，對機器人控制技術與現(xiàn)實環(huán)境中的規(guī)劃技術更深層研究的同時，移動機器人開始向實用化進軍，開拓其在每個領域的應用市場。美國NASA成功研制出了“索杰納”—火星探測機器人，并于1997

25、年登上火星，在此基礎上研究與設計了Rocky7機器人，并在Lavic湖的巖溶流上和干枯的湖床上驗證成功，主要用于火星上長距離探險[12];另外NASA還研制了八足行走機器人“丹蒂11 "。德國成功研制了一種輪椅機器人，并在烏爾姆市中心車站的客流高峰期的環(huán)境和1998年漢諾威工業(yè)商品博覽會的展覽大廳環(huán)境中進行了實地現(xiàn)場表演，其表現(xiàn)出了其它現(xiàn)存的輪椅機器人或移動機器人所不可比的性能[13]。在DARPA的資助下，佐治亞理工研究可城市搜索與拯救機器人;卡內基梅隆大學研究了用于城市排爆機器人Yoder，以及1998年研制完成的穿越美國大陸的無人駕駛汽車Navlab 11;美國噴氣推進實驗室研制成功的完

26、成城市戰(zhàn)術偵察任務的戰(zhàn)術偵察移動機器人Urbie[14]。在 2004年，美國的火星車“勇氣”號和“機遇”號登上火星，并且圓滿完成了預期的探索任務，它代表著當前世界上移動機器人的最高水平[15]。 2007年11月，日本東京早稻田大學研究人員推出了新型仿人型機器人“Twenty –one”，它功能齊備，靈活性高，活動范圍大，可以全方向移動自如地為人類服務，是一種復雜的能夠和人類和諧共生的機器人，它是目前世界上最智能的機器人[16]。 目前，在復雜多變的真實環(huán)境下，要求機器人全自動地完成高度自主化以及非結構化的任務還是一個很大的難題，因此，毫無疑問遠程操作的半自動機器人將成為今后的發(fā)展

27、趨勢，先進的遠程操作技術是將來必需的[17]。 1.2.2 國內智能移動機器人的研究 在我國，移動機器人的研究“七五”才剛剛開始起步，國家“八六三”計劃中的遙控駕駛防核化偵察車的立項確定，標志著移動機器人研究的開始。經過這些年的研究，取得了一定的成果[17`18]。上海交通大學于1991年研制的JTUWM系列的四足移動機器人，基于模糊控制與神經網絡控制，實現(xiàn)了機器人對角線的動態(tài)行走。清華大學于1994年實現(xiàn)了基于地圖的全局路徑規(guī)劃和自動駕駛功能的智能移動機器人并且通過了鑒定;之后又設計了一款四足移動機器人，可以實現(xiàn)上下坡的行走以及避障等功能，自主的應對復雜的道路環(huán)境。國防科技大學研制的全自

28、主無人駕駛機器人。中國科學院于2003年成功研制的AGV和防爆機器人以及自行研發(fā)的全方位移動式機器人視覺導航系統(tǒng)。香港城市大學設計與研究的自動導航車和服務機器人。華中科技大學于2005年研制出的肢體移動機器人，基于模塊化多足爬行實現(xiàn)了腿臂功能融合。哈爾濱工業(yè)大學于1996年研制成功的導游機器人，此后2007年又研制出一種可以自主避障、自由行走，甚至可以與人簡單對話的新型智能服務機器人等。 目前，國內高智能性和自主性移動機器人的研發(fā)沒有形成系統(tǒng)，基本上是各個大學、研究院根據(jù)國外的研究狀況，或是為了培養(yǎng)學生興趣而進行的一些零散的研究。例如現(xiàn)在國內比較權威的中國機器人大賽，它集高技術、娛樂

29、和比賽于一體，推出各種機器人比賽，如機器人足球、機器人舞蹈、機器人相撲、機器人投籃等，主要是為人們尤其是學生了解和關注人工智能和智能機器人科學與技術的發(fā)展搭建一座橋梁。另外起源于韓國的全國大學生“飛思卡爾杯”智能車大賽，在我國2006年開始舉辦至今，它是在飛思卡爾半導體公司資助下舉辦的以HCS 12單片機為核心的大學生課外科技競賽，競賽在規(guī)定的模型汽車平臺上，使用飛思卡爾半導體公司的8位、16位微控制器，制作一個能自主識別道路的模型汽車，按照規(guī)定路線行進，以完成時間最短者為優(yōu)勝。主要是培養(yǎng)學生知識融合和實踐動手能力。因此，在國內機器人技術發(fā)展與完善的同時，研究具有實用價值的遠程控制的高智能性移

30、動機器人將是今后的發(fā)展趨勢。 1.3 本論文主要的研究內容和論文結構 1.3.1 研究內容 本文的研究工作為基于AT89C51單片機自主控制與檢測的智能循跡避障小車，設計要求小車通過紅外光電傳感器檢測路面黑色路徑信息，并把該信息傳給單片機，單片機通過對信息的處理下達指令控制電機的轉速，從而確保小車沿黑色路徑行駛，達到循跡的目的。并且通過超聲波傳感器檢測前方障礙物，單片機根據(jù)該信息下達停止指令并報警。 1.3.2 論文結構 全文一共分成五個章節(jié)，各章節(jié)的主要內容如下所示: 第一章緒論。闡明了課題的研究背景與研究意義，說明了在理論與應用方面的價值，概要介紹了與智能車相關

31、的移動機器人的國內外研究現(xiàn)狀，最后介紹了本論文的主要內容與結構。 第二章智能小車控制系統(tǒng)總體設計。介紹了智能小車控制系統(tǒng)的總體設計及其硬件部分與軟件部分的基本構成，主要闡述了系統(tǒng)各個模塊的主要功能，最后簡要說明了該系統(tǒng)的主要特點。 第三章智能小車控制系統(tǒng)的硬件設計。介紹了系統(tǒng)硬件的總體結構，詳細討論了包括電源管理模塊、循線檢測模塊、速度檢測模塊、電動機驅動模塊、障礙物檢測及聲光報警模塊的硬件電路設計等內容，搭建了智能小車的硬件平臺。 第四章智能小車控制系統(tǒng)的軟件設計及實驗結果。概要介紹了系統(tǒng)軟件的總體設計及軟件開發(fā)環(huán)境，重點探討了軟件系統(tǒng)中以下幾個功能模塊:路徑識

32、別與方向控制算法、車速模糊控制與PID檢測算法。最后給出了基于AT89C51單片機自主控制的智能循跡避障小車的整車試驗結果。 第五章工作總結。對本智能小車控制系統(tǒng)進行了總結與評價。 47 第二章 智能小車控制系統(tǒng)的總體設計分析 2.1系統(tǒng)方案設計 本智能小車具有自動循跡避障功能，小車在運行時能夠自動沿黑色路徑行駛，并且在遇到障礙物是能夠自動停止并聲光報警。因此本智能小車系統(tǒng)可分為電源管理模塊、循線檢測模塊、速度檢測模塊、電動機驅動模塊、障礙物檢測及聲光報警模塊。 單片機 AT89C51 電源管理模塊 障礙物檢測及聲光報警模塊 循線檢測模塊 速度檢測模

33、塊 電機驅動模塊 圖2-1 系統(tǒng)總體設計框圖 2.2檢測系統(tǒng)論證 2.2.1循線檢測系統(tǒng) 循跡檢測常用到傳感器。根據(jù)小車功能的要求有兩種方案，一種是使用紅外光電傳感器，另一種是使用CCD傳感器。這兩種方案都可以達到小車循跡要求，目前使用最為普遍的循跡檢測方法是紅外探測法。兩種方案的主要區(qū)別是使用的傳感器不同。具體區(qū)別見表2-l 。 表2-1 循跡檢測傳感器對比 紅外光電傳感器 CCD傳感器 受外界干擾程度 小 較小 實時性 好 差 對主控芯片要求 較低 較高 成本 較低 高 從上表中可以很明顯的看出，紅外傳感器相

34、對于CCD傳感器來說，在實時性和對主控芯片的要求方面都比CCD傳感器要好?；谶@些優(yōu)勢以及處于成本的考慮，本設計采用紅外光電傳感器放在小車底部，距地面高度合適，可以達到很好的檢測效果。 紅外光電傳感器由發(fā)射器和接受器組成。當小車在行駛時由發(fā)射器發(fā)射光線接收器接受反射的光線。 本系統(tǒng)采用單排傳感器作為循線系統(tǒng)的信號采集。目前，大多智能車采用單排傳感器的道路檢測方式。雖然這種方式獲取的道路信息較少，對智能車的狀態(tài)和道路的狀況都不能很好的區(qū)別，造成控制上的麻煩，但是由于本小車行駛在道路已知的情況下，處于成本等方面的考慮，所以使用單排傳感器。傳感器布局圖如圖2-2，圖中僅以接受管示意傳感器的位置。

35、 P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 圖2-2 傳感器陣列布局 本小車在行駛時有6種道路識別模式，運行情況及真值表表2-2所示。 表2-2 小車運行狀態(tài)真值表 P00 P01 P02 P03 運行狀態(tài) 1 0 0 1 直行 0 0 1 1 左轉彎 0 1 1 1 左急轉彎 1 1 0 0 右轉彎 1 1 1 0 右急轉彎 0 0 0 0 停車 2.2.2障礙物檢測系統(tǒng) 根據(jù)題目功能的要求，小車在循跡行駛過程中要能準確的避開途中遇到的障礙物，因此對檢測距離有一定要

36、求。又考慮到在測障過程中小車車速及避障反應堆小車速度的限制，小車應在距障礙物10M的范圍內做出反應，這樣才能在順利停車避免撞擊障礙物。否則，如果范圍太大，則可能產生障礙物的判斷失誤;范圍過小又很容易造成車身撞上障礙物。障礙物檢測可以有多種方法:紅外光檢測、超聲波檢測、甚至機械接觸。這些方法都有各自的優(yōu)缺點。常用的有紅外檢測和超聲波檢測。兩種方案的區(qū)別見表2-3。 表2-3 障礙物檢測系統(tǒng)方案對比 紅外檢測 超聲波檢測 檢測距離 4~10m 0.10~3.00m 精確度 1m 20mm 受外界環(huán)境干擾度 易受外界環(huán)境干擾 不易受外界環(huán)境干擾 硬件電路 尺寸小，安

37、裝簡便 稍復雜，安裝簡便 成本 8元左右 6元左右 從上表可以看出，相對紅外檢測，超聲波檢測距離遠，不易受外界環(huán)境干擾，由于小車需要在行駛過程中檢測障礙物，顛簸，光照方面可能會對檢測產生影響。所以需要選擇穩(wěn)定性較好的，故本設計選擇超聲波檢測。如圖2-3所示。 圖2-3 超聲波檢測電路 由物理學知，聲波屬于彈性機械波，按振動頻率的不同，分為次聲波(小于20 Hz)，聲波(20 Hz~20 KHz)及超聲波(20 KHz以上)。由于超聲波反射能力很強，而且波長也遠比一般的平面反射物表面粗糙度大，所以通常對堅硬物質表面都能反射，利用這一特性，可以將超聲波用于物體定位。

38、超聲波定位技術最r.來源于仿生學。人們發(fā)現(xiàn)蝙蝠等一些無目視能力的生物能將人耳聽不到的聲波發(fā)射出去。超聲波遇其它動物或障礙物時被反射。蝙蝠根據(jù)反射回來的超聲波強弱以及超聲波反射的時間間隔長短來判斷前方物體的位置。受這一靈感啟發(fā)，人們設計了各種各樣的超聲波定位裝置。這里使用的測量方法是“回波法”，其基本原理如圖2-4。 反射波 圖2-4 超聲波測距原理圖 超聲波測距是借助于超聲脈沖回波渡越時間法來實現(xiàn)的。設超聲波脈沖由傳感器發(fā)出到接收所經歷的時間為t，超聲波在空氣中

39、的傳播速度為c，則從傳感器到目標物體的距離D可用下式求出 D = ct /2 (2-1) 系統(tǒng)框圖如圖2-5所示。 定時器 控制 計算 傳輸 調制 計時 40K振蕩 增益放大 超聲波發(fā)射 超聲波接收 圖2-5 超聲波測距原理框圖 基本原理：經發(fā)射器發(fā)射出長約6m m，頻率為40KHZ的超聲波信號。此信號被物體反射回來由接收頭接收，接收頭實質上是一種壓電效應的換能器。它接收到信號后產生mV級的微弱電壓信號。 2.3電機驅動系統(tǒng) 直流電機和步進電機都可以用于

40、小車驅動。故有兩種方案。 方案一:使用直流電機，加上適當減速比的減速器。直流電機具有良好的調速性能，控制起來也比較簡單。直流電機只要通上直流電源就可連續(xù)不斷的轉動，調節(jié)電壓的大小就可以改變電機的速度。直流電機的驅動電路實際上就是一個功率放大器。常用的驅動方式是PWM方式，即脈沖寬度調制方式。此方法性能較好，電路和控制都比較簡單。 方案二:使用步進電機。步進電機具有良好的控制性能。當給步進電機輸入一個電脈沖信號時，步進電機的輸出軸就轉動一個角度，因此可以實現(xiàn)精確的位置控制。與直流電機不同，要使步進電機連續(xù)的轉動，需要連續(xù)不斷的輸入點脈沖信號，轉速的大小由外加的脈沖頻率決定。去而且其轉

41、動不受電壓波動和負載變化的影響，也不受溫度、氣壓等環(huán)境因素的影響，僅與控制脈沖有關。但步進電機的驅動相對較復雜，要由控制器和功率放大器組成。具體差別見表2-4。 表2-4 電機控制方式對比 直流電機 步進電機 調速性能 較好 較差 位置控制精度 較差 好 驅動 簡單 復雜 穩(wěn)定性 較好 好，僅與控制脈沖有關 由上表可以看出步進電機和直流電機都有各自的優(yōu)點。步進電機能進行精確的位置控制，但驅動電路麻煩，鑒于本設計中小車的位置控制不要求十分精確，直流電機即可滿足小車要求的精度。且直流電機易于控制，驅動電路十分簡單。 2.4單片機控制電路系統(tǒng) 此部分是整

42、個小車運行的核心部分，起著控制小車所有運行狀態(tài)的作用。控制的方法有很多，大部分都采用單片機控制。單片機要完成電機控制、循線控制、避障控制等工作。本設計中小車的主控采用我們最為熟悉的AT89C51單片機。雖然這款單片機本身沒有PWM模塊，但若采用本身有PWM模塊的單片機就會產生資源浪費。我們可以通過軟件編程產生PWM，既能充分利用可用資源，又不浪費，且能很好的滿足題目要求。 采用單片機作為整個系統(tǒng)的核心，用其控制行進中的小車，以實現(xiàn)其既定的性能指標。充分分析我們的系統(tǒng)，其關鍵在于實現(xiàn)小車的自動控制，而在這一點上，單片機就顯現(xiàn)出來它的優(yōu)勢—控制簡單、方便、快捷。這樣一來，單片機就可以充分發(fā)揮其資

43、源豐富、有較為強大的控制功能及可位尋址操作功能、價格低廉等優(yōu)點。因此，這種方案是一種較為理想的方案。 2.5PWM控制原理 PWM（Pulse Width Modulation）控制就是對脈沖的寬度進行調制的技術，即通過對一系列脈沖的寬度進行調制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。PWM控制技術在逆變電路中的應用最為廣泛，對逆變電路的影響也最為深刻，現(xiàn)在大量應用的逆變電路中，絕大部分都是PWM型逆變電路。 面積等效原理是PWM控制技術的重要理論基礎。 原理內容：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。沖量即指窄脈沖的面積。 效果基本相同，

44、是指環(huán)節(jié)的輸出響應波形基本相同。如果把各輸出波形用傅里葉變換分析，則其低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。 脈沖寬度調制（PWM）是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比被調制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。PWM信號仍然是數(shù)字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復脈沖序列被加到模擬負載上去的。通的時候即是直流供電被加到負載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進行編碼。 2.6系統(tǒng)各模塊選擇 (

45、1)控制器模塊：采用單片機AT89C51作為小車運動的控制核心; (2)尋線前進模塊：采用FS-359E反射性光電探測轉感器來進行信號采集; (3)障礙物檢測躲避模塊：采用HC-SR04超聲波傳感激 (4)小車電機驅動模塊：采用了L298N電機驅動芯片控制電機; (5)電源模塊：采用12V電池組經7805穩(wěn)壓后作為單片機等的電源; 第三章 智能小車控制系統(tǒng)硬件設計 3.1主控單元設計 3.1.1AT89C51單片機的特性及引腳功能 AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱

46、單片機。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。 1、主要特性： CPU與MCS-51 兼容；4K字節(jié)可編程FLASH存儲器(壽命：1000寫/擦循環(huán))；全靜態(tài)工作：0Hz-24KHz；三級程序存儲器保密鎖定；128*8位內部RAM；32條可編程I/O線；兩個16位定時器/計數(shù)器；6個中斷源；可編程串行通道；低功耗的閑置和掉電模式；片內振蕩器和時鐘電路 2、AT89C51單片機的管

47、腳功能 采用HMOS制造工藝的MCS-51單片機都采用40管腳雙列直插式封裝；而采用CHMOS制造工藝的80C51/80C31,除采用40腳雙列式直插式封裝外，還有用方形的封裝方式。如圖3-1所示為AT89C51單片機管腳圖。 圖3-1 AT89C51引腳圖 各管腳功能說明如下： VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗

48、時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。 P1口：P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。 P2口：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存

49、儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3口：P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL），P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： P3.0 RXD（串行輸入口） P3.1 TXD（

50、串行輸出口） P3.2 /INT0（外部中斷0） P3.3 /INT1（外部中斷1） P3.4 T0（記時器0外部輸入） P3.5 T1（記時器1外部輸入） P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。 ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的

51、1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。 PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。 EA/VPP：當EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內部程序存儲器。注意加密

52、方式1時，EA將內部鎖定為RESET；當EA端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 3.1.2CPU管腳分配及功能 在設計中，將單片機的資源分配如下：P1.3-P1.6作為電機驅動芯片L298N的四個輸入口；P2.0和P2.1作為避障模塊的超聲波傳感器HC-SR04的輸入和輸出口；P2.2-P2.7作為循跡模塊的接入口，其中P2.2-P2.4為控制左端電機，P2.5-P2.7控制右端電機。定時器1產生PWM波控

53、制電機轉速。 3.2驅動單元設計 在各類機電系統(tǒng)中.由于直流電機具有良好的起動、制動和調速性能。直流調速技術已廣泛運用于工業(yè)、航天領域的各個方面。最常用的直流調速技術是脈寬調制(PWM)直流調速技術.它具有調速精度高、響應速度快、調速范圍寬和耗損低等特點。本文在研究單片機PWM方法調速直流電機和電機驅動芯片L298N的基礎之上，對單片機的電機驅動電路進行了一點優(yōu)化設計。 3.2.1驅動芯片L298N L298N足SGS公司生產的直流電機驅動集成電路，比較常見的是15腳Multiwatt封裝的L298N(如圖3-2所示)。 圖3-2 L298N實物圖及其引腳分布 可

54、以直接驅動兩路3-16V 直流電機，并提供了5V 輸出接口（輸入最低只要6V），可以給5V 單片機電路系統(tǒng)供電（低紋波系數(shù)）,支持3.3V MCUARM 控制，可以方便的控制直流電機速度和方向，也可以控制2 相步進電機，5 線4 相步進電機。 L298N 雙H 橋直流電機驅動芯片，驅動部分端子供電范圍Vs在＋5V～＋16V之間 ，如需要板內取電，則供電范圍Vs在+6V～+16V。驅動部分峰值電流Io為2A，邏輯部分端子供電范圍Vss 在＋5V～＋7V（可板內取電＋5V）之間， 邏輯部分工作電流范圍:0～36mA，控制信號輸入電壓范圍（IN1 IN2 IN3 IN4）為低電平：－0.3V≤V

55、in≤1.5V，高電平：2.3V≤Vin≤Vss，使能信號輸入電壓范圍（ENA ENB）低電平為－0.3≤Vin≤1.5V（控制信號無效）高電平為2.3V≤Vin≤Vss（控制信號有效）最大功耗為20W（溫度T＝75℃時），存儲溫度為－25℃～＋130℃，驅動板尺寸為55mm*45mm*33mm(帶固定銅柱和散熱片高度)，其他擴展還有控制方向指示燈、邏輯部分板內取電接口。 L298N內含兩個H橋。如圖3-3所示。 圖3-3 L298N內部邏輯圖 之所以得名“H橋式驅動電路”是因為它的形狀和大寫字母“H”非常相似。以單個H為例，4個三極管組成了H橋的4條邊。而電機則是的H橋中連

56、接兩邊的橋梁。要想使電機運轉，必須得使斜對角的兩個三極管同時導通。例如，當Q1管和Q4管兩管導通時，電流就從電源的正極經Q1管從左到右流過電機，然后再經Q4回到電源的負極。這樣流向的電流將驅動電機沿順時針方向轉動。 當另一對三極管Q2和Q3導通時，電流就從右至左流過電機，從而驅動電機沿另一方向轉動。 3.2.2驅動電路設計 在設計中驅動芯片L298N的四個輸入端分別接單片機的P1.3-P1.6口，P1.3和P1.4控制左輪，P1.5和P1.6控制右輪。驅動電路如圖3-5所示。 圖3-5 驅動電路 由三極管Q9, Q10, Q11, Q12構成H橋驅動電路，控制著幾個管子的

57、通 斷就可以控制直流電機的正轉、反轉。當P0.0高電平、P0.1低電平時，Q9和 Q11導通，電機正轉，具有良好的抗干擾性能，反之，電機反轉;當左輪前進，右輪后退時，車子便右拐彎，反之左拐彎。 由I/O的脈沖來控制H橋中三極管的通斷，從而來控制直流電機的前進、 后退、左轉和右轉的動作，具體如下表3-1. 表3-1 直流電機動作狀態(tài) P1.6 P1.5 P1.4 P1.3 狀態(tài) 1 0 0 1 前行 0 1 1 0 后退 1 0 1 0 左轉 0 1 0 1 右轉 從上表可以看出電機的運轉狀態(tài)完全由單片機輸入電平的高低來決定。這

58、樣通過程序控制是小車運行。 本設計采用普通直流電機，通過控制脈沖占空比算法，實現(xiàn)對小車速度的控制。這種調速方式有調速特性優(yōu)良、調整平滑、調速范圍廣、帶載能力大，能承受頻繁的負載沖擊，還可以實現(xiàn)頻繁的快速啟動、制動和反轉等優(yōu)點。具體程序如下： void pwmdi ()interrupt 1 { if(flag) { PWM=0; x=65535*u; TH0=x/256; TL0=x%256; flag=0; } else { PWM=1; x=65535*(1.0-u); TH0=x/256; TL0=x

59、%256; flag=1;} } 此程序實現(xiàn)由單片機產生PWM波，并且通過控制PWM波占空比的方法控制電機的轉速，從而達到控制電機行駛的目的。 3.3尋跡模塊設計 路徑識別模塊是智能小車控制系統(tǒng)的關鍵部分，它是智能小車的“眼睛”，其準確識別出路徑信息，為路徑跟蹤提供準確的參數(shù)依據(jù)，完成小車高質量的自循跡功能。在本次設計中，小車行駛的道路環(huán)境是黑色路徑和白色的地面背景，只要小車的“眼睛”能判別黑白兩種顏色，就能正確識別出黑色路徑。 3.3.1光電檢測電路設計 光電傳感器布局的有效性和合理性直接影響小車“眼睛”的“視力”，它影響小車對道路環(huán)境的判斷以及小車將要執(zhí)行動作的控制，對

60、智能小車快速穩(wěn)定的行駛有重要作用。智能小車傳感器的布局主要解決的是路徑信息檢測的精度和前瞻性兩個問題。常用的布局方式有一字型布局，M型布局和活動式布局。其中一字型布局是最常用的一種方式，各個光電傳感器排列成一條直線，保證了縱向的一致，而使控制主要集中在橫向上，如圖3-6。 圖3-6 一字型傳感器布局 在一字排列中，兩相鄰傳感器采用的是非等距排列，以使輸入和輸出逼近線性關系。它的理論依據(jù)是等角度分布原則:即先確定一合適的定點，從定點依次等角度畫射線，射線與傳感器水平線相交的位置即為傳感器的位置。這種方式能夠更連貫、準確地檢測出路徑信息，控制程序算法簡單，小車運行穩(wěn)定、自然平滑、更連

61、貫。 從理論上光電傳感器的數(shù)量越多，分辨率就越高，轉角控制精度就越高，但考慮到太多的光電傳感器會消耗大量的電量和增加小車的重量，設計時最終使用了4只反射式紅外光電傳感器一字型非均勻的分布在一窄長的條形電路板上。。 在本智能小車控制系統(tǒng)中，選用的傳感器件型號為FS-359E的反射紅外尤甩對管，它有四個端口，包含一只紅外發(fā)射管和一只紅外接收管，外層有一深色玻璃套，可以有效濾除環(huán)境光及照相機散光燈等對光電管的干擾，因此無須在電路中對光電管的信號進行調制、濾波、接收電路的設計，簡化了電路的設計。光電傳感器檢測電路如圖3-7。 圖3-7 光電檢測電路 當光電管檢測到白色路面時，車前

62、方的光電傳感器中的發(fā)射管發(fā)射紅外線信號，經接收管接收，由于白色反光強，接收管接收到大量紅外信號，導致光敏三極管導通，輸出端輸出較低的電壓信號;當光電管檢測到黑線時，由于黑色對光吸收強，接收管接收到較少的紅外信號，光敏三極管截止，集電極在上拉電阻的作用下輸出較高的電壓信號。將檢測的信號直接送到單片機的A/D口，采用軟件設置電壓閡值，進行數(shù)字化處理，判斷高低電平。當檢測到的信號為高電平時，表明小車檢測到黑色的導引線，反之，表明小車檢測到白色地面，從而實現(xiàn)了檢測黑線路徑的功能。 3.4避障模塊設計 3.4.1超聲波傳感器 超聲傳感器的種類很多，目前使用最多、最廣泛的就是壓電式超聲波傳感

63、器。本文所選用的是深圳市捷深科技有限公司生產的壓電式收發(fā)分體超聲波傳感器 HC-SR04，其工作原理如下所釋。 (1)采用IO 口TRIG 觸發(fā)測距，給最少10us 的高電平信呈。 (2)模塊自動發(fā)送8 個40khz 的方波，自動檢測是否有信號返回； (3)有信號返回，通過IO 口ECHO 輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。測試距離=(高電平時間聲速(340M/S))/2; HC-SR04超聲波測距模塊可提供 2cm-400cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可達高到 3mm；模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。如圖3-8所示。 圖3-8 超聲

64、波傳感器實物圖 VCC 供5V電源， GND 為地線，TRIG 觸發(fā)控制信號輸入，ECHO 回響信號輸出等四個接口端。 電氣參數(shù)如下所示。 電氣參數(shù) HC-SR04超聲波模塊 工作電壓DC 5 V 工作電流15mA 工作頻率40kHz 最遠射程4m 最近射程2cm 測量角度15 度 輸入觸發(fā)信號10uS 的TTL 脈沖 輸出回響信號輸出TTL 電平信號，與射程成比例 規(guī)格尺寸452015mm 具體實物尺寸如圖3-9。 圖3-9 HC-SR04實物尺寸 3.4.2超聲波測距原理 聲波幅值檢測法、相位檢測法和渡越時間法(Time-of-Flight

65、 TOF)是超聲測距所經常使用的方法。本論文采用的是渡越時間法。因為聲波幅值檢測法在不同反射物體的反射率不同，也就是容易受反射介質的影響;而相位檢測法檢測范圍較小，所以，現(xiàn)在超聲測距使用最普遍的方法是渡越時間法。 超聲傳感器的工作原理如下:首先將40KHz的脈沖電信號引入超聲波傳感器，再通過諧振片和壓電陶瓷激勵器將電能轉換成機械振動，超聲振動信號通過發(fā)射器向四面八方發(fā)射出去。發(fā)射出的超聲波在空中直線傳播，遇到障礙物后發(fā)生反射反應。超聲波接收器收到障礙物反射后的超聲波以后，內部的諧振片被迫諧振，再通過聲電轉換作用將聲能轉換為電脈沖信號進行處理，例如檢波、放大，最后驅動后續(xù)電路工作。渡越時間法計

66、算公式為d=c*4t/2，其中c為超聲波波速，4t就是發(fā)射的超聲波與其遇到障礙物后產生的回波之間的時間差。在使用超聲波測距時，如果外界環(huán)境溫度變化不大，測量精度不高的情況下，一般認為聲速是恒定不變的;但如果測量精度要求很高，則應通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ? 3.4.3超聲波電路設計 根據(jù)上文介紹，超聲測距系統(tǒng)的核心外圍部件是微機控制、超聲波發(fā)送器和接收器，而且據(jù)文獻介紹，超聲波傳感器發(fā)出的超聲波頻率采用40kHz，此時的聲壓能級及靈敏度最大，具有較好的傳播性能。因此超聲測距原理本論文的超聲測距系統(tǒng)框圖如圖3-10所示。 圖3-10 超聲波測距系統(tǒng)框圖 （1） 超聲波發(fā)射電路 超聲波發(fā)射電路具體電路圖如圖3-11所示。 圖3-11 40K方波發(fā)射原理圖及調制信號波形 上圖主要用于產生超聲波，即通過為超聲換能器提供所需激勵信號，并通過控制脈沖的引入達到控制超聲換能器的目的。其中啟動發(fā)射器的激勵脈沖不能過多和過少，過少則超聲波容易在傳播過程中發(fā)生衰減，檢測性能下降，過多則發(fā)射波容易與其遇到障礙物后返回的接