智能循迹避障小车-论文设计(1)

精心整理岳阳职业技术学院毕业设计（2012届）题目学院岳阳职业技术学院专业电子信息工程技术班级09-01学号学生姓名刘春云指导教师谭正龙上交日期目录摘要………………………………………………………………………………………3第一章绪论……………………………………………………………………………31.1智能小车的意义和作用……………………………………………………………31.2智能小车的现状……………………………………………………………………4第二章方案设计与论证………………………………………………………………52.1车体设计…………………………………………………………………………5精心整理2.2电机驱动模块………………………………………………………………………52.3循迹模块…………………………………………………………………………62.4避障模块…………………………………………………………………………72.5机械系统…………………………………………………………………………72.6电源模块…………………………………………………………………………8第三章硬件设计………………………………………………………………………83.1总体设计…………………………………………………………………………83.2驱动电路…………………………………………………………………………93.3信号检测模块………………………………………………………………………103.4主控电路…………………………………………………………………………11第四章软件设计……………………………………………………………………124.1主程序模块…………………………………………………………………………124.2电机驱动程序………………………………………………………………………124.3循迹模块……………………………………………………………………………134.4避障模块……………………………………………………………………………15第五章制作安装与调试………………………………………………………………18结束语……………………………………………………………………………………18致谢………………………………………………………………………………………19参考文献…………………………………………………………………………………19摘要：利用红外对管检测黑线,以STC89C52单片机为控制芯片控制电动小汽车的速度及转向，从而实现自动循迹避障的功能。其中小车驱动由L298N驱动电路完成，速度由单片机控制。本系统采用存储空间较大的AT89C52作为主控制芯片，电动车电机驱动采用L298N芯片；结合GP2A25光电开关，能较有效的控制其在特定位置转弯角度及行驶出错处理；采用LD-5461AS数码管来显示系统分阶段运行的时间，能够较准确较清晰地显示两个数码管位的显示，三者的结合使电动车更加智能化，自动化，可视化。该系统无论在结构和技术上都具有较好的科学性。关键词：智能小车；STC89C52单片机；L298N；超声波传感器；红外对管第一章绪论1.1智能小车的意义和作用自第一台工业机器人诞生以来，机器人的发展已经遍及机械、电子、冶金、交通、宇航、国防等领域。近年来机器人的智能水平不断提高，并且迅速地改变着人们的生活方式。人们在不断探讨、改造、认识自然的过程中，制造能替代人劳动的机器一直是人类的梦想。随着科学技术的发展，机器人的感觉传感器种类越来越多，其中视觉传感器成为自动行走和驾驶的重要部件。视觉的典型应用领域为自主式智能导航系统，对于视觉的各种技术而言图像处理技术已相当发达，而基于图像的理解技术还很落后，机器视觉需要通过大量的运算也只能识别一些结构化环境简单的目标。视觉传感器的核心器件是摄像管或CCD，目前的CCD已能做到自动聚焦。但精心整理CCD传感器的价格、体积和使用方式上并不占优势，因此在不要求清晰图像只需要粗略感觉的系统中考虑使用接近觉传感器是一种实用有效的方法。机器人要实现自动导引功能和避障功能就必须要感知导引线和障碍物，感知导引线相当给机器人一个视觉功能。避障控制系统是基于自动导引小车（AVG—auto-guidevehicle）系统，基于它的智能小车实现自动识别路线，判断并自动避开障碍，选择正确的行进路线。使用传感器感知路线和障碍并作出判断和相应的执行动作。该智能小车可以作为机器人的典型代表。它可以分为三大组成部分：传感器检测部分、执行部分、CPU。机器人要实现自动避障功能，还可以扩展循迹等功能，感知导引线和障碍物。可以实现小车自动识别路线，选择正确的行进路线，并检测到障碍物自动躲避。基于上述要求，传感检测部分考虑到小车一般不需要感知清晰的图像，只要求粗略感知即可，所以可以舍弃昂贵的CCD传感器而考虑使用价廉物美的红外反射式传感器来充当。智能小车的执行部分，是由直流电机来充当的，主要控制小车的行进方向和速度。单片机驱动直流电机一般有两种方案：第一，勿需占用单片机资源，直接选择有PWM功能的单片机，这样可以实现精确调速；第二，可以由软件模拟PWM输出调制，需要占用单片机资源，难以精确调速，但单片机型号的选择余地较大。考虑到实际情况，本文选择第二种方案。CPU使用STC89C52单片机，配合软件编程实现。1.2智能小车的现状现智能小车发展很快，从智能玩具到其它各行业都有实质成果。其基本可实现循迹、避障、检测贴片、寻光入库、避崖等基本功能，这几节的电子设计大赛智能小车又在向声控系统发展。比较出名的飞思卡尔智能小车更是走在前列。我此次的设计主要实现循迹避障这两个功能。第二章方案设计与论证2.1.车体设计方案1：自己制作电动车。一般的说来，自己制作的车体比较粗糙，对于白色基板上的道路面行驶，车身重量以及平衡都要有精确的测量，而且也要控制好小车行驶的路线和转弯的力矩及角度，这些都比较难良好地实现。方案2：购买玩具电动车。购买的玩具电动车具有组装完整的车架车轮。我们可以保留左右两轮转动动轴，并改换转轴力矩大的电机来精确调节转弯角度，采取保留后方向轮，并使用直流电机进行驱动的方案。玩具电动车具有如下优点：首先，这种玩具电动车由于装配紧凑，使得各种所需电路的安装十分方便，看起来也比较美观。其次，玩具电动车是依靠电机与相关齿轮一起驱动，能适应题目中小车准确前进、后退、转弯的要求，而且这种电动车一般都价格适中。基于以上分析，我们选择了方案二2.2．电机模块方案1：采用步进电机作为该系统的驱动电机。由于其转过的角度可以精确的定位，可以实现小车前进路程和位置的精确定位。虽然采用步进电机有诸多优点，步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，其转速较低，不适用于小车等有一定速度要求的系统。经综合比较考虑，我们放弃了此方案。方案2：直流电机：直流电机的控制方法比较简单，只需给电机的两根控制线加上适当的电压即可使电机转动起来，电压越高则电机转速越高。对于直流电机的速度调节，可以采用改变电压的方法，也可采用PWM调速方法。PWM调速就是使加在直流电机两端的电压为方波形式，通过改变方波的占空比实现对电机转速的调节。精心整理基于以上分析，我们选择了方案二，使用直流电机作为电动车的驱动电机。2.3.电机驱动模块方案1：采用SM6135W电机遥控驱动模块。SM6135W是专为遥控车设计的大规模集成电路。能实现前进、后退、向右、向左、加速五个功能，但是其采用的是编码输入控制，而不是电平控制，这样在程序中实现比较麻烦，而且该电机模块价格比较高。方案2：采用电机驱动芯片L298N。L298N为单块集成电路，高电压，高电流，四通道驱动，可直接的对电机进行控制，无须隔离电路。通过单片机的I/O输入改变芯片控制端的电平，即可以对电机进行正反转，停止的操作，非常方便，亦能满足直流减速电机的大电流要求。调试时在依照上表，用程序输入对应的码值，能够实现对应的动作。表1是其使能、输入引脚和输出引脚的逻辑关系。采用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。线性型驱动的电路结构和原理简单，加速能力强，采用由达林顿管组成的H型桥式电路(如图2.1)。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态下，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高，H型桥式电路保证了简单的实现转速和方向的控制，电子管的开关速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的PWM调速技术。现市面上有很多此种芯片，我选用了L298N(如图2.2)。这种调速方式有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，能承受频繁的负载冲击，还可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转等优点。因此决定采用使用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。表1L298N的引脚和输出引脚的逻辑关系基于以上分析，我们选择了方案二，用L298N来做为电机的驱动芯片。ENA（B）IN1（IN3）IN2（IN4）电机运转情况HHL正传HLH反转HIN1（IN3IN2（IN4）快速停止LXX停止（表1）L298N的引脚和输出引脚的逻辑关系图2.1H桥式电路图2.2LN298N4．寻迹传感器模块方案1：采用发光二极管+光敏电阻，该方案缺点：易受到外界光源的干扰，有时甚至检测不到黑线，主要是因为可见光的反射效果跟地表的平坦程度、地表材料的反射情况均对检测效果产生直接影响。克服此缺点的方法：采用超高亮度的发光二极管能降低一定的干扰，但这又会增加检测系统的功耗。方案2：脉冲调制的反射式红外发射接收器。由于采用带有交流分量的调制信号，则可大幅度减少外界的干扰；此外红外发射接收管的工作电流取决于平均电流，如果采用占空比小的调制信号，在平均电流不变的情况下，瞬时电流很大（50～100mA）（ST-188允许的最大输入电流为50mA），则大大提高了信噪比。此种测试方案反应速度大约在5us。方案3：采用CCD传感器，此种方法虽然能对路面信息进行准确完备的反应，但它存在信息处理满，实时性差等缺点，因此若采用CCD传感器，无疑会加重单片机的处理负担，不利于实现更好的控制策略。根据以上分析我们采用方案25．控制器模块精心整理方案1：选用一片CPLD（如EPM7128LC84-15）作为系统的核心部件，实现控制与处理的功能。CPLD具有速度快、编程容易、资源丰富、开发周期短等优点，可利用VHDL语言进行编写开发。但CPLD在控制上较单片机有较大的劣势。同时，CPLD的处理速度非常快，而小车的行进速度不可能太高，那么对系统处理信息的要求也就不会太高，在这一点上，MCU就已经可以胜任了。若采用该方案，必将在控制上遇到许许多多不必要增加的难题。为此，我们不采用该种方案，进而提出了第二种设想。方案2：采用AT89S52作为主控制芯片，该芯片有足够的存储空间，可以方便的在线ISP下载程序，能够满足该系统软件的需要，该芯片提供了两个计数器中断，对于本作品系统已经足够，采用该芯片可以比较灵活的选择各个模块控制芯片，能够准确的计算出时间，有很好的实时性。基于以上分析，我们选择了方案二，采用AT89S52作为电动车的主控制芯片。6．电源模块在本系统中，需要用到的电源有单片机的5V，L298N芯片的电源5V和电机的电源7—15V。所以需要对电源的提供必须正确和稳定可靠。方案1：用9V的锌电源给前、后轮电机供电，然后使用7805稳压管来把高电压稳成5V分别给单片机和电机驱动芯片供电。这种接法比较简单，但小车的电路功耗过大会导致后轮电机动力不足。方案2：采用双电源。为了确保单片机控制部分和后轮电机驱动的部分的电压不会互相影响，要把单片机的供电和驱动电路分开来，，即：用6节干电池7.2V来驱动电机芯片，然后用7805稳压管来稳成5V供给单片机，后轮电机的电源用3V供电，这样有助于消除电机干扰，提高系统的稳定性。基于以上分析，我们选择了方案二。