创新训练自动避障小车.docx
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创新训练自动避障小车
项目编号：
“大学生创新训练计划”
项目申报书
项目名称：
自动避障小车
负责人：
张强
学院名称：
汽车与交通学院
专业：
能源与动力工程
学号：
1402050214
联系电话：
填表日期：
2015/10/5
沈阳理工大学创新创业学院制
填 表 须 知
一、项目申请表要按照《沈阳理工大学大学生创新创业训练计划项目实施管理办法》的相关要求，逐项认真填写，填写内容必须实事求是，表达明确严谨。
二、项目申请表填写内容应言简意赅，思路清晰，论证充分，一律用计算机输入打印，填写中如栏目篇幅不够，可自行加页。
表格中正文字体应为小四号宋体，22磅行距，需签字部分由相关人员以黑色钢笔或水笔签名。
三、项目申请表由项目负责人填写，由项目负责人所在学院组织专家评审后，签署意见，再由各学院按照要求汇总后统一上报创新创业学院。
四、除封皮外，学院名称均需简写如经管、机械、信息、材料、环化、汽车、装备、外语、理学、艺术。
四、本申请表一式两份，均用A4纸双面打印，于左侧装订成册。
五、填表如有不明事宜，请与创新创业学院办公室联系，地点：
机关楼西侧322，联系电话：
24686257。
项目名称
自动避障小车
项目类型
创新训练
所属一级学科
能源与动力工程
研究起止时间
2014年11月至2015年10月
申请经费（元）
自付156
负
责
人
姓名
张强
学号
1402050214
目前成绩平均绩点
3.00
所在学院
汽车与交通学院
E-mail
项
目
成
员
姓名
学院
学号
目前成绩绩点
联系电话
E-mail
张强
汽车与交通学院
1402050214
3.00
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指导教师
姓名
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学院
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职称
-
联系电话
-
项目来源
√学生自选，学生的积累和兴趣□学生自选，教师的科研项目
□教师帮选，教师的科研项目
一、项目背景及研究意义（同类研究工作国内外研究现状与存在的问题等）
1.现状及发展方向:
在现代社会中，智能控制广泛应用在工厂生产、航空航天、现代军事及其日常生活当中。
从普通的玩具机器人到工业控制机器人，从能够炒菜的机器人到可以进行太空探测的机器人，可以预见今后智能机器人的应用将更加广泛。
随着人们物质生活水平的提高，汽车已越来越普及，但交通事故也随之增加，危及了人们的财产及生命安全。
与此同时，随着科学技术的发展，探险、排爆等危险场合工作的机器人，以及自动化生产运输小车的应用也日益广泛。
随着现代科学技术的迅速发展和生产系统规模日益增大，导致了机器人的控制对象、控制器以及控制任务和目的的日益复杂化，传统机器人控制面临许多新问题[1]，主要有：
计算复杂性的急剧增加；精确建模的困难越来越大；输入信息多样化和数据量的显著增加；大量的非确定性因素；多层次多目标的控制要求。
用传统的以精确建模和数值计算为基础的控制理论和方法，将整个系统置于固定的控制算法和模型框架下，灵活性和应变能力较差。
所以难以解决上述遇到的问题。
基于上述问题，控制科学界多年来一直在探索着新的方法，寻求更加符合实际的发展轨迹。
人工智能学科新的进展给人们带来了希望。
由于得益于计算机科学技术和智能信息处理的高速发展，智能控制逐渐形成一门学科，给予机器人的研究创造了良好的理论基础
设计制作的智能小车是对轮式机器人运动方式的一个实现。
研究轮式机器人自动躲避障碍的技术。
而实时采集传感器信号，智能分析外部环境、路径信息，自动实现方向控制及速度调节，是智能小车控制的主要特点，其设计内容涵盖机械、汽车、电子、自动控制、计算机、传感器技术等多个学科的知识领域。
作为一门新兴的综合技术，可广泛应用于工厂自动料车、固定场地搬运车等技术领域，具有良好的应用前景。
2.系统研究的意义:
研究制作的智能小车用以实现最精简的智能机器人移动系统，着重于对机器人运动的研究设计。
实现小车稳定、可靠、高效、智能的运动模式，突破环境因素对机器人应用的限制，使其能够运用在更广泛的工作环境中,并以系统化设计完成小车的智能控制。
工业生产、生活的自动化都离不开智能化的机器人,譬如:
人们对未知空间的探索,对单调工作的替代,在危险环境中的操作等都需借助于智能化的行走、运动机构。
智能车作为最常用的行走机构在工业生产与生活中得到了广泛的应用。
智能车辆是一个集环境感知、规划决策、自动行驶等功能于一体的综合系统——它集中地运用了计算机、传感、信息、通讯、导航、人工智能及自动控制等技术——是典型的高新技术综合体具有实际意义，该设计可以应用于考古、机器人、医疗器械等许多方面。
在考古方面也应用到了传感器进行检测，还可以应用于无人驾驶机动车，无人工厂、仓库、服务机器人等领域,本设计与实际相结合，现实意义很强。
二、研究内容和拟解决的关键问题
1.系统研究的内容:
要求采用AT89C51作为主控芯片，在普通玩具车的基础上安装红外光电开关传感器，以AT89C51弹片机为控制中心进行信号处理和电机控制，采用液晶显示，传感器将外界物理信号转换成电信号送单片机进行处理。
实现自动避障。
2.拟解决的关键问题：
通过各种传感器控制小车前进、转弯等运动，达到自动避障行驶，同时液晶显示屏显示小车此时运行状态（速度，距离），是智能移动机器人实际应用的一个体现。
二、项目创新之处
1.电路主体：
采用AT89C51作为主控芯片，通过对AT89C51进行编程实现对外围电路元件实现智能控制。
本设计是以AT89C51单片机为控制核心的智能小车，主要分为5个模块。
如图3.1所示，分别是：
电机驱动电路，避障电路，测速测距电路，稳压电源电路。
显示电路。
图3.1系统硬件结构图
驱动电路：
主要是控制两个电机的运动，以达到小车的左、右转，使小车达到自动行驶；
避障电路：
是小车躲避障碍的环境信息采集电路，主要通过红外传感器达到小车自动避障功能；
测速测距电路：
是通过红外对管产生的一系列脉冲并利用单片机计数器进行计数，通过计算得出速度及距离；
显示电路：
主要显示小车行驶途中即时的路程及速度：
电源电路：
由于小车的驱动电压和控制电压不同，稳压电源就可以分别满足这两方面的电源要求。
2.避障电路的设计：
本次设计就采用了集成式的红外光电开关E3F-DS10C4为小车的避障传感器。
E3F-DS10C4接收头的黄色线为信号线，绿色线为地线，红色线为电源线，首先将其电源线接好；因为此传感器实质上是一个光电开关，不需要再加任何放大电路，所以当探头在未探到障碍时，黄色的信号线上存在一定的电压，当有障碍时，信号线上的电压为零。
传感器所用的电压是小车的控制电压，+5V左右，而信号线的输出为零和+3.6V的电压，不能直接接在单片机的IO口，在传感器的电源线和信号线之间接10K上拉电阻。
这样就达到了当有障碍时就输出5V的高电平，否则就是低电平。
开始我们使用一个8050NPN三极管作为传感器的求非的开关电路，但由于在传感器和开关电路共地的时候，传感器的输出始终为低电平，不与其工作方式一致。
两个传感器分别安装在小车的左右两侧。
当任何一个传感器碰到障碍而输出高电平传送个单片机。
单片机会对应不同侧的传感器的信号而执行相应的避障程序。
若左侧传感器发出信号，单片机则在小车前进时立即停止，并执行右转的中断程序。
避障模块的原理图：
四、项目进度安排（查阅资料、选题、自主设计项目研究方案、开题报告、实验研究、数据统计、处理与分析、研制开发、填写结题表、撰写研究论文和总结报告、参加结题答辩和成果推广等）
1.按照预期功能设计电路:
（一）预期功能实现电路：
1.驱动电路：
主要是控制两个电机的运动，以达到小车的左、右转，使小车达到自动行驶；
2.避障电路：
是小车躲避障碍的环境信息采集电路，主要通过红外传感器达到小车自动避障功能；
3.测速测距电路：
是通过红外对管产生的一系列脉冲并利用单片机计数器进行计数，通过计算得出速度及距离；
4.显示电路：
主要显示小车行驶途中即时的路程及速度：
电源电路：
由于小车的驱动电压和控制电压不同，稳压电源就可以分别满足这两方面的电源要求。
（二）总电路原理图见下:
2.购买元器件
小车套件，万用板，液晶1602，驱动模块，杜邦线（公对公、母对母、公对母），电烙铁，焊锡丝，51程序下载器，E3F-DS10C4，AT89C51，电源18650等。
设备需要：
220V电源，插座，插排，螺丝刀等。
3.连接电路:
用烙铁和焊锡以及导线和杜邦线进行电路连接
4.按照预期功能设计程序：
采用keil软件用c语言进行编程，编程时需查阅电路中各个硬件的中文说明手册。
部分程序实例如下：
小车驱动及避障代码：
#include
#defineuintunsignedint
#defineucharunsignedchar
sbitP1_0=P1^0;
sbitP1_1=P1^1;
sbitP1_2=P1^2;
sbitP1_3=P1^3;
sbitP1_4=P1^4;
sbitP1_5=P1^5;
uinti,j,number=0;
voiddelay（unsignedchari）
{ucharj,k;
for（;i>0;i--）
for（j=15;j>0;j--）
for（k=10;k>0;k--）;//大约0.1的周期。
}
voidPWM_creat（）
{
P1_4=0;P1_5=0;
delay（150）;
P1_4=1;
delay（5）;
P1_5=1;
delay（100）;
}
voidint0_metal（）interrupt0using0//红外避障
{
EA=0;
P1_0=1;
P1_1=0;
P1_2=0;
P1_3=0;
PWM_creat（）;
delay（1500）;
EA=1;
}
voidint1_metal（）interrupt2using1
{
EA=0;
P1_0=0;
P1_1=0;
P1_2=1;
P1_3=0;
PWM_creat（）;
delay（1500）;
EA=1;
}
voidmain（）
{
P1=0xff;
IT0=0;
IT1=0;
EX0=1;
EX1=1;
EA=1;
while
（1）
{
P1_0=1;
P1_1=0;
P1_2=1;
P1_3=0;
PWM_creat（）;
}
}
5.程序烧录与调试：
程序烧录:
首先将编号的程序用keil软件进行编译生成hex文件，然后用USB-232转TTL电平的转串口下载器用stc-isp-15xx-v6.85H软件进行烧录。
调试:
（一）调试目的：
系统调试是整个设计中最难，也是最关键的环节，影响到整个设计的成功与否，所以做好系统的调试是理所当然的。
任何一个系统的设计都不是一次能够完成的，都要经过反复的修改才能最终应用于实际中。
对于硬件电路而言，首先，在理论上没有问题的电路，有可能在实际应用中会出现问题，就是说，理论上可行，实际中不可行；其次，在焊电路板的过程中，有可能会出现虚焊等。
这些都要经过调试后才能解决。
所以说，调试就是为了使系统更加完善，并能应用于实际。
（二）调试过程：
1.驱动电路调试：
焊接完驱动电路后，首先使用较低的驱动电压进行测试，以防止电压过高而损坏L298N。
在未安装单片机的情况下，在单片机底座相应于控制驱动电路的IO口的前4位接入不同电平（高电平和低电平）。
然后测试L298N四个输出口的电压，得到相应的电压。
在以上都能完成的情况下，将单片机安装在底座上。
写入一个简单的程序，置P1.1口为高电平，即让小车保持前进的状态。
打开电源后，小车能正常的行驶。
之后分别置P1.0、P1.2、P1.3为高电平，测试小车是否正确平稳的运行。
2.避障电路调试：
红外传感器使用的电源为小车的控制电源，即5V电压。
但传感器输出电压较低，不能满足单片机要求，所以在信号线与电源线之间接上拉电阻，使信号线电压升高。
达到完成躲避障碍的硬件要求。
3.显示电路调试：
P0口在使用时必须上拉电阻，开始时接10K的上拉电阻，但液晶显示亮度不够，经分析是由于小车单片机外围电路较多，电源功率不足，所以改用10K电阻作为1k口上拉电阻，之后效果较好。
在测试LCD是否正常时，若显示器没有显示，此时应写传送数据的测试程序，查看单片机的数据是否传至LCD。
4.测速测距电路调试：
测速测距原理主要是利用车轮上的齿通过红外采样器进行处理，当遇到齿时为低电平，没有遇到齿时为高电平，由于红外采样器遇到齿时的电平为+2.6V，没有遇到齿时电平为+3.4V，这种电平是满足不了单片机高，低电平的需求，在调试过程中只有通过比较，放大来满足这种要求，本次采用LM358来达成需求。
5.电源电路调试：
电源电路在焊接完之后能够很好的稳定电路的控制电压，但在接入两个电机和三个传感器后，由于负载大而使7805稳压芯片温度升高。
超过了7805在不加装任何散热片的额定工作温度，因此安装一个较小的散热片便解决了此问题。
（三）系统测试:
调试后的智能小车基本完成了预期的要求和功能，测试结果下表：
路程测试表
理论路程（m）
实际路程（m）
误差（%）
1
0.,96
4%
2
1.93
3.5%
3
2.90
3.33%
4
3.87
3.25%
5
4.85
3%
6
5.83
2.83%
7
6.82
2.57%
8
7.81
2.38%
红外检测距离为40cm，当在检测范围内检测到障碍物，电平变为高电平，触发中断，左轮停转，右轮转动，或左轮转动，右轮停转，完成转弯功能，实现自动避障。
五、项目经费预算（如材料费、资料费、版面费、专利费、调研费等）
所有材料加上工具大概在300元以内，如果有工具那么大概150元左右。
资料可以问芯片的卖家要，所以无需花费任何费用。
编程软件可以向一些大学的单片机爱好者们索要破解版，所以购买软件的花销。
六、预期研究成果（如项目鉴定、学术论文、申请专利、获奖、推广应用等）
智能小车可以实现自动避障即为本研究的最终成果。
希望这一技术未来可以应用到正常车辆上，这样可以大大减少交通事故的发生，保护人们的人身安全。
另外单片机现在的微型化和功能多样化一日千里的发展，应该可以更有效率的控制更多的传感器，相信未来的汽车可以越来越智能化。
七、指导教师意见（从项目学科性、前沿性、可行性、研究性、可操作性和成效性加以评价）
指导教师签字：
年 月 日
八、学院大学生创新创业训练计划领导小组意见
组长签字：
学院（盖章） 年 月 日
九、创新创业学院意见
签章：
年 月 日
升级会员 