智能循迹避障小车设计分析解析.docx
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智能循迹避障小车设计分析解析
毕业设计（论文）
课题名称智能循迹避障小车设计
学生姓名XXX
学号00000000000000
系、年级专业XXXXXXXXXXXXXXXXXXX
指导教师XXX
职称讲师
2016年5月18日
摘要
自从首个工业智能设施诞生以来，智能设施的发展已经扩展到了包括机器、刻板、电子、冶金、交通、宇航、国防等产业领域。
近年来智能设施水平迅速上升，大大的改变了大多数人类的生活方式。
在人类的智能化技术不断飞速进步的过程中，能够取代手动的机器人在更加人性化的同时也越来越智能化。
本文主要讨论了基于单片机的智能循迹避障小车的设计。
智能自动循迹制导系统在驱动电路的基础上，实现自动跟踪汽车导线，而智能避障是使用红外传感器测距系统来实现功能来规避障碍。
智能寻光避障小车是一种采用了多种传感器，以单片机为核心，电力马达驱动和自动控制为技术，根据程序预先确定的模式，而不是人工管理来实现避障导航的自动跟踪高新技术。
这项技术已广泛应用于智能无人驾驶、智能机器人、全自动工厂等许多领域。
这个设计使用STC89C52单片机[1]作为小车的智能核心，使用红外传感器对智能小车跟踪模块识别引导线跟踪，收集模拟信号并将信号转换成为数字信号，使用C语言编写程序，设计的电路结构简单，易于实现，时效性高。
关键词：
智能化；单片机最小系统；传感器；驱动电路
ABSTRACT
Fromthefirstlevelofindustrialintelligentfacilitiessincebirth,thedevelopmentofintelligentfacilitieshasbeenbroadenedtoincludemachinery,electronics,metallurgy,transportation,aerospace,defenseandotherfields.Intelligentfacilitieslevelrisinginrecentyears,andrapidly,significantlychangedthewaypeoplelive.Peopleintheprocessofthinking,improvement,learningandintelligenceofreplacethemanualmachineismoreandmore.
Thispapermainlydiscussestheintelligenttrackingbasedonsinglechipmicrocomputercontrolprocessoftheobstacleavoidancecar.Intelligentautomatictrackingisbasedonthedrivingcircuitoftheguidancesystem,toachieveautomatictrackingcarline;obstacleavoidanceistheuseofinfraredsensorrangingsystemtorealizethefunctiontoevadeobstacles.Intelligenttrackingobstacleavoidancecarisausedifferentsensor,motordriveforpowerandautomaticcontroltechnologytorealizeaccordingtotheprocedurespredeterminedmode,notbyartificialmanagementcanrealizetheautomatictrackingofobstacleavoidancenavigationofhighandnewtechnology.Thetechnologyhasbeenwidelyusedinunmannedintelligentunmannedline,intelligentrobotandsoonmanyfields.
Usinginfraredsensorsforcartrackingmoduletoidentifytheguidelinetracking,collectinganalogsignalandconvertsthesignalintodigitalsignal;UsingClanguagetowritetheprogram,thedesignofthecircuitstructureissimple,easytoimplement,timelinessishigh.
Keywords:
Intelligent;Singlechipmicrocomputerminimumsystem;TheSensor;Drivercircuit
目录
第1章绪论1
1.1智能小车的发展近况与趋势1
1.2课题研究的目的及意义1
1.3课题研究的主要内容2
第2章方案设计3
2.1系统概述3
2.2硬件模块方案3
2.3软件模块方案5
第3章硬件设计6
3.1电源模块6
3.2核心控制模块6
3.3循迹模块7
3.4避障模块8
3.5无线遥控模块9
3.6电机驱动模块10
3.7拓展模块13
第4章软件模块15
4.1循迹程序模块15
4.2避障程序模块16
4.3无线遥控程序模块17
4.4寻光拓展程序模块18
4.5驱动电机程序模块19
第5章系统测试与分析20
5.1硬件调试20
5.2软件调试21
总结22
参考文献：
23
附录24
致谢25
第1章绪论
1.1智能小车的发展近况与趋势
1.1.1智能小车的发展近况
现阶段智能汽车的发展十分的迅速，从智能玩具到其他各行各业都有实质性的结果[1]。
基本可以实现跟踪和避障测试、光学信息存储等日常生活中基本能够涵盖到的功能，智能汽车的电子设计竞赛中的声音控制系统开发以及人工智能化是近几年中一个非常大的侧重点。
1.1.2智能小车的发展趋势
现今的智能小车的科技含量已经非常的高了，目前在研究和发展阶段的中，各种外部的传感器构成，使得小车能够通过感官系统外部环境的信息采集来进行精密的描绘外部环境的变化[2]。
智能循迹小车能根据环境的转变，依靠其本身内置的程序模块知识库，在很多十分复杂多变的场景中依旧能够完成所制定的功能模块，并具有一定的决策和适应能力、自我学习能力和自我组织的能力[3]。
为了让智能小车能更加完善的完成预订的功能模块，在应该所具有较高的智能化和普遍的应用化技术研究，另一方面也应该探讨多类传感器信息融合技术的发展，以获得小车途径中周围环境更准确，更全面的信息。
1.2课题研究的目的及意义
1.2.1课题研究目的
智能化机器人的不断涌现和此技术的迅速发展，使得传统的生产发生了根本的改变，让人类的生产方式从繁重且机械式劳动进入到了机械与自动化智能的新时代。
机器人技术是科学研究领域的一个极重要的焦点[4]。
机器人研究集物理力学、电子、机械工程、计算机科学和自动控制为一个有机整体，是一个综合性十分强的全面化学科。
1.2.2课题研究意义
伴随着社会的飞速发展，科学技术水平的提高，人们都希望创造一种能够代替人类来完成部分的危险或者其他的要求且拥有高等精度的工具，于是便诞生出了智能化学科。
现在所涌现出来的智能小车都发展的非常迅速，从智能化玩具到其他的各行各业都有了很大且实质性的效果。
可以实现基本的跟踪循迹、避障、寻光进库、规避悬崖等功能，部分电子设计大赛的智能汽车的重点都在在语音控制系统开发上有了非常大的偏移。
1.3课题研究的主要内容
包括距离感应器在内的机器人传感器，使得自动化行驶成为一个机器人的重要组成部分。
视觉传感器的典型应用领域就是自主智能导航系统，因为各种不同的视觉图像处理技术的发展，机器视觉技术和基于图像理解技术，需要通过大量的作业就可以知道一些简单的结构化的环境目标[6]。
核心的设备是一个自动化场效应管或视觉感光传感器，视觉感光传感器已经能够基本的实现自动化对焦。
但是视觉感光传感器的价格昂贵，使用得其在某些方面的优势是非常微弱的，所以在不需要一个非常清晰的图像而只需要粗略感觉下，自动化场效应管传感器的使用系统被认为是一个最为实用和有效的选择方法。
机器人要达成独立导向引导效果以及避障的功能模块，就必须要规范和感知障碍，这就需要给予智能化设备一个十分精准的视觉引导线性函数。
智能避障控制系统是基于自动化智能引导车辆系统（AVG-自动引导车辆），在此系统实现自动识别的基础上，让我们的智能汽车能够自动避开障碍，并且选择正确的行驶道路[5]。
使用一个优秀可行的传感器以及一个接近完美无重大问题的函数算法是小车能够作出正确的判断和相应的步骤的一个至关重要的点。
智能汽车已经可以说成为了智能机器人的一个十分典型的重要代表。
它可以在结构上大致的分为三个部分：
传感器检测部分、执行部分和中央智能处理器。
机器人如果基本达成了自动避让障碍物的效果模块，还能够将此功能应用到感知轨道、远离干扰物等其他方面。
第2章方案设计
2.1系统概述
根据实际的所需要求，所以使用以下解决方案：
基于现有的电动智能化玩具汽车，配备基础并精准的光电传感器，实现电动智能小汽车的运行速度、位置都能够进行实时检测，将数据传输到单片机中进行处理，然后根据所检测到的不同的测试数据，反馈到单片机以实现智能控制此智能化电动小汽车。
这个方案可以实现在进行实时运动的过程中同时使得电气控制具有灵活、可靠、精度高的特点[6]。
由单片机作为整个系统的控制核心来控制的汽车性能指标。
一个完整的分析系统，关键是要意识到汽车的自动控制，在这一点上，单片机将显示其优势，其控制方便简单，迅速快捷。
因此，可以充分利用其丰富的资源和更加强大的控制功能，可以解决其他控制核心出现的操作功能，价格等缺点。
2.2硬件模块方案
2.2.1硬件模块系统结构
使用简洁明了的系统设计方案。
在智能循迹模块中，使用红外感应以及高精度光电二极管来判断所设置路径，并进行跟踪功能的工作；在智能避障模块中，使用超声波测距模块检测前方障碍。
在获得传感器数据后，然后再由单片机通过IO口控制驱动模块改变两个直流电机的工作状态,最终实现自动跟踪。
如图2.1所示：
图2.1智能循迹小车控制系统结构框图
2.2.2各模块功能概述
整体模块可以分为以下几个部分：
核心控制模块：
使用STC89C52单片机芯片作为主要控制单元。
此单片机优点十分的多，也是我们在大学时使用频率最高的一款单片机型号，因为其所具有的操作简便，成本低廉，抗干扰能力十分强的特点而受到广大电子技术者的喜爱。
循迹模块：
使用了红外传感器，因为其的信号稳定性以及波形制式等原因，可以有效的减少外界的干扰因素所带来的影响。
信号采集部分相当于是智能循迹避障小车的眼睛，黑色引导线的识别和执行的高电平和低信号传送到控制单元中，控制驱动模块和单片机指令生成控制两个直流电机的工作状态,完成自动跟踪。
避障模块：
采用反射式超声波测距换能器，只要有物体反射超声波时就能有信号输入，再将接受信号的计时器值减去发送信号时计数器的值，就可以得出小车至所测量到的干扰物的距离。
将此距离信息发送给核心控制模块，单片机将会根据程序设定使小车的行驶发生偏移，从而达到规避干扰物的目的。
红外遥控模块：
采红外模块分为一个红外接受元器件与一个红外发射元器件（即红外遥控器），通过红外发射元器件发射对应频率的红外接受元器件中。
使得红外接受元器件的信号发生改变，再将这个信号传送到单片机中，单片机开始输出控制指令，从而实现红外控制。
驱动模块：
采取电机驱动芯片L293D作为智能循迹避障小车的驱动。
这是一款具备有稳定的H桥电机驱动系统的智能化芯片。
L293D能够同时对两个直流电机进行控制。
L293D可以使用外部核心进行控制，也可以使用单片机控制软件,满足各种复杂的电路。
此外，L293D驱动的功率较大，可以根据不同的输入电压和输出电压的大小和功率选择不同的负载能力[7]。
直流电机：
分为左右两个直流电机。
相比异步电动机，直流电机的控制方法更为简单，只需要添加适当的电压电就可以使电机旋转，在正常工作电压范围内，电压越高直流电机的旋转速度越快。
电源模块：
由四节的1.5V的干电池作为电源。
2.3软件模块方案
现今，52系列单片机编程所使用的主要语言有两种即汇编语言和C语言。
汇编语言是最接近机器语言，也是真正的面向对象的一种机器语言。
它广泛的应用于程序相关的系统硬件，如访问I/O端口，中断处理程序等等，是最快速和最具有效力的语言之一，在有一定的空间和时间需求的情况下使用汇编语言程序是最好的选择，但汇编语言也有其自身的缺点与局限性，如项目开发周期长，浮点运算处理缓慢，复杂的和糟糕的应用程序的可移植性等等。
在程序设计过程中，设计C语言的思想是：
模块化编程思想。
在很多时候为了有效地完成任务，该语言将任务分为几个相互独立但仍然有着一定连接的一些个模块。
这些模块中，每一个模块的任务相对简单，其模块对外部数据交换也相对轻松，易于编写，容易检测，易于阅读和维护。
而且C语音编程的可移植性强，便于更多的人来进行修改和编写。
具体流程图如下图2.2所示：
图2.2系统主程序流程图
第3章硬件设计
3.1电源模块
电源模块只需所有器件采用统一的一种单一电源（即4节AA电池）。
这样供电简单快捷、电压稳定，成本低廉。
3.2核心控制模块
本次设计中所采用的控制中心为STC89C52RC。
该模块主要分为供电部分、晶振电路部分、复位电路部分、下载接口部分、控制部分五大块。
其中供电部分给予单片机电源能量动力；晶振电路部分相当于是单片机的心脏，给予单片机一个稳定的时钟，让单片机能够在此时钟的基础上制造一定的时序；复位电路部分是将单片机进行初始化的过程中所需要的，在本次设计中并未使用；下载接口是用来给单片机进行程序下载的；控制核心即单片机，相当于是人类的大脑，整个设计的控制中心。
具体输入输出口配置如图3.1所示：
图3.1单片机系统简单原理图
3.3循迹模块
红外感应器的传输方式因为其抗干扰能力强、发射功率十分的巨大，已普遍应用于智能化生产[8]。
红外感应器根据其工作形式的不同大体上可以分为主动红外探测器和被动红外探测器，这两种工作模式都是通过光的阴影以及光学方法如反射、折射来检测对象至目标的位置。
被动红外探测器本身是不发射光源的，它只能被动的利用其他光源，通过接受目标其所被发现的特殊性特征光谱辐射来测量并探测物体本身至目标的位置、温度或红外成像。
此工作模式下电机驱动系统十分的方便迅速，不过同时其功能精准性以及模块抗干扰能力也相对来说比较差，主动红外探测器由于其调制模式的连接通信问题，可以解决了交换耦合直流放大器漂移问题，这样就可以大大的提高探测精度。
与此同时，大部分的时间信号干扰由于环境光直流或低频分量可以用所预先设计的过滤器加以隔离开来，所以抗干扰能力十分的强大，缺点是具有相对被动红外探测器来说更为复杂的系统。
具体原理图如图3.2所示。
图3.2循迹模块设计原理图
根据方案选择采用了被动式红外循迹检测方法，这种方法根据使用所发射信号的在具有差异的对象的不同光谱中有不同的曲射特性，智能小汽车在地面中驾驶的连续过程中不断的发射一定的特征红外感光光线，特征红外感光光线漫反射在地板上的白光再转换为反射光，被安装在小车底部的红外自动接收管；而我们预先设置好的黑色引导线会将特征红外感光光线吸收，不可能会让一个自动红外接收管所接收到。
根据核心控制模块所接收到的信号反馈来实现对引导线的距离以及小车的前进方向进行调整。
红外探测器探测范围也是有一定局限性的，一般来说是不会超过3厘米的。
但由于我们是将红外探测器安装在小车底部，从地面近距离的漫反射到传感器的距离十分的近，所以在此设计中红外探测器的使用是足以实现跟踪功能的。
3.4避障模块
本次设计中采用的是反射式超声波测距换能器，相比红外传感器，反射式超声波测距换能器的设计模块系统更加简单方便，同时因为其超声波的特性，在不同的介质中传输速度更为稳定，而红外避障模块的整体设计更为复杂，抗干扰能力也相对反射式超声波测距换能器来说更差，所以使用反射式超声波测距换能器更为合适。
原理图如图3.3所示。
超声波测距的原理是利用单片机持续的输出一个频率为40KHZ的输出触发电平信号，将之前所发出的输出触发电平信号通过三角针输入至超声波测距模块，再通过发射器的一个方向发射超声波，超声波测距模块在单片机软件定时器时钟电路的开始时刻开始进行计数计时。
超声波在空气中进行传播，遇到障碍物之后将会在进行返回[9]。
超声波测距模块接收到遇到障碍之后返回的反射波之后，接收到回波信号之后生成的响应将会反馈到单片机，在这个时候单片机就会立即停止计时。
如下图是超声波模块的电路原理图，由于超声波的传播速度为已知，故可以根据计时器开始记录的时间，以及遇到一个障碍物之后返回时单片机收到的反馈时间就可以计算的距离。
为使得超声波模块能够更加的精确，故将其独立设置一个电源模块，下图3.4为超声波模块电源原理图。
图3.3超声波模块原理图
图3.4超声波模块电源原理图
3.5无线遥控模块
无线遥控模块根据方案论证是使用红外遥控来实现的。
一般来说常用的红外遥控系统通常是由一个红外发射器件（即红外电子遥控器）以及红外接受两个模块构成的，使用已经高度集成的专业编码芯片运行程序所需的指令。
放射模块一般都包括有：
外设键盘矩阵、编码调制解读器、红外发送器件等，而接受部分包括光电数模放大稳压器件、解码电路、解调电路等部分构成的。
具体流程图如图3.5所示。
图3.5红外无线遥控系统示意图
在红外发射器（即遥控器）发射红外信号时，首先得根据信号的不同选择相应的矩阵按键，根据命令的不同，所需的按键遥控编码也是不相同的。
其具体的波形图如图3.6所示。
图3.6红外遥控解码波形图
红外接受器件可以选择使用集成了光电放大器一级红外接收器于一体的红外接受器件，不在需要外加任何的外部器件。
十分的简洁方便。
且能够正常的完成由接受到的红外信号到转换为数字信号的过程中的所有工作，同时体型相当的小巧，相应的电路也更加简单。
3.6电机驱动模块
3.6.1直流驱动电机的原理
直流驱动电机是根据一个稳定的直流稳压电源的能量输入，再根据输入的电压以及所设置的电路来输出不同机械能的机械。
如下图所示为常用的驱动电机原理内部设计图。
一般来说我们称呼这个电路为“H桥驱动电路”，因为此电路的整体外形像是英文中的大写字母的“H”[10]。
一共有四个稳压电源的三极管环绕在驱动电机的四周。
要使得驱动电动机能够正常的工作,必须要让所处与对角线上的两对稳压三极管同时导通。
根据所需要求的不同，在不同的条件下稳压三极管的传导电流的方向可变，可以是从左到右穿过电动机，也可以是从右到左穿过驱动电动机。
根据传导电流方向的不同从而控制驱动电机的转向。
如下图3.7所示。
图3.7“H”桥驱动电路原理图
如上所述，要使得驱动电动机能够正常的工作，必须要让所处与对角线上的两对稳压三极管同时导通。
举个例子：
当左上角的稳压三极管与处于其对角线的右下角稳压三极管同时进行工作，这个时候电机的电流就会从电源的正极经过左上角稳压三极管从左至右穿过我们的驱动电机，之后再经过右下角稳压三极管回到驱动电机电源的负极，此时电机将会向右偏移。
这种状态下，驱动电机将会顺时针转动。
同理当左下角稳压三极管与处于其对角线的右上角稳压三极管同时导通，这个时候电机的电流就会从电源的负极经过左下角稳压三极管从右至左穿过我们的驱动电机，之后再经过右上角稳压三极管回到驱动电机电源的正极。
这种状态下，驱动电机将会逆时针转动。
3.6.2直流电机驱动电路
在本次设计中，直接使用封装好的电机驱动电路，即使用电机驱动芯片L293D。
如下图3.8为L293D的电路图：
图3.8L293D电路图
可以看出此芯片其内部电路就是H桥驱动电路。
下图3.9为L293D的引脚图：
图3.9L293D引脚图
相比于普通的直流驱动电机电路，使用L293D芯片是通过控制脉冲负载比算法来实现速度控制。
这种方式具有更加良好的调速特性、平和调整速度、可调速度更大、装载能力也更加强大。
由于在本次设计中，驱动电机是靠单片机来控制的。
所以说我们最终是靠单片机的I/O的脉冲来控制H桥中稳压三极管的导通与短路，从而控制直流驱动电机封装L293D进行左转、右转、前进或后退等不同的指令。
下表为L293D芯片的四个输出口在不同的导通情况下所执行的状态指令。
其中“1”指此I/O口输出高电平，“0”指此I/O口输出低电平。
out1
out2
out3
out4
状态
1
0
0
1
前行
0
1
1
0
后退
1
0
1
0
左转
0
1
0
1
右转
根据如上所示的原理即设计，便可得出如图3.10所示的电路原理图。
图3.10电机驱动模块原理图
3.7拓展模块
在本次设计中，除了必要的循迹功能模块以及避障功能模块外，还加入了一些可拓展模块。
此类模块功能更为复杂，所以完成难度更高。
3.7.1智能寻光模块
智能寻光模块中，寻光性的收集信息来源是使用光敏电阻的电气特性，将电压比较器的原始信号和处理信号输入到单片机中，利用此信号就能够对光线的强弱进行比较，从而得出光强的多少来完成相应的模块功能。
利用软件程序来代替冗长的硬件原理模块，这样还可以使系统更加的灵活，使系统硬件更加的简洁，更容易实现各种各样的功能[11]。
使用光敏电阻的电气特性寻光有两种方法：
采用光敏二极管的感光特性来实现对光源的检测，在这种方法下，二极管响应快，制作十分简洁，同时用到的材料还环保，但是一般灵敏度比光敏电阻低，而且稳定性差；而利用光敏电阻的高灵敏感光特性，除了所得到的信号具有光谱特性一致性等优点以外，在外部环境十分恶劣的情况下，也能够十分稳定的保持其功能模块的可靠性；即使是在完全黑暗的环境里，它的电阻值依旧很高，而当其受到光线照射时，其电阻成线性函数关系改变。
下图3.11为智能寻光拓展模块原理图。
图3.11智能寻光拓展模块原理图
在此模块中使用的电压比较器是否适合是寻光模块是否能够运行，运行结果是否精准的重点，在本次设计中我使用的是电压比较器LM393。
如下图3.12为LM393电压比较器内部结构图。
图3.12LM393内部结构图
它可与光敏二极管的输入端相连，接收由电阻值变化产生的光，将模拟信号转换为输入电压比较器的输入电压，该电压信号的变化与电压比较器的反相输入端的基准电压相比，电压比较器的输出电压高于电压比较器的输出电压，这个时候同相电压将会大于反向侧电压，当相同的相电压小于反向电压时，电压比较器的输出端将输出一个低电平电压，并且将电压信号发送给单片机。
从而能够实现寻光的目的[12]。
下图3.13中为电压比较器的引脚图。
图3.13LM393电压比较器引脚图
第4章软件模块
4.1循迹程序模块
智能循迹模块流程图如下图4.1所示
升级会员 