毕业设计-基于单片机的红外传感器的自动寻迹智能小车设计.doc

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东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）第81页

毕业设计（论文）

基于红外传感器的自动寻迹智能小车设计

系别

专业

班级学号

姓名

指导教师

基于红外传感器的自动寻迹智能小车设计

摘要

介绍了一种自动寻迹智能车的设计,研究了采用红外反射式光电传感器作为路径采集模块实现自动寻迹的软硬件设计方法。

系统采用Freescale16位单片机MC9S12DG128为核心控制器,利用12个红外光电传感器构成的光电传感器阵列采集路面信息,单片机获得传感器采集的路面信息和车速信息,经过分析后控制智能车的舵机转向,同时对直流电机进行调速,从而实现智能车沿给定的黑线快速平稳地行驶。

介绍了光电传感器的寻迹原理,讨论了光电传感器排列方法、布局等对寻迹结果的影响及速度和转向控制的PID算法的研究和参数整定。

关键字：

光电传感器，寻迹，路径识别，PWM，PID

Designofautonomoustracingsmartcarbasedoninfraredsensors

Author:

XueChangliang

Tutor:

GuDeying

Abstract

Adesignofautonomoustracingsysteminintelligentvehicleisintroduced.ThesoftwareandhardwaredesignmethodwhichrealizestheautonomoustracingusingtheinfraredReflectivephotoelectricsensorsasthepathrecognitionmoduleisresearched.ThesystememploysFreescaleHCSseries16bitsingle-chipmicrocomputerMC9SDG128asitsmaincontrollerandanarrayofphotoelectricsensorsforrecognizingthepathinformation.Single-chipMicrocomputerenergizesthePWMsignaltosteerandcontrolthespeedoftheDCelectricmotoraccordingtotheanalysisofthepathandspeedinformationfromsensors.Consequently,thisintelligentvehiclecantracktheblack-guide-lineautomaticallyandmoveforwardfollowingthelinequicklyandsmoothly.Theautonomoustracingprincipleofphotoelectricsensorispresented.Theeffectsofsensors’arraymethod,overallarrangementontheautonomoustracearediscussed.AndtheuseofPIDalgorithminspeedandsteeringcontrol.

Keywords:

photoelectricsensor,autonomoustracing,pathrecognition,PWM,PID

目录

第1章绪论 1

1.1课题的研究背景 1

1.2国内外智能车的研究现状 1

1.3本文内容及结构安排 3

第2章红外传感器的寻迹原理及布局对寻迹的影响 4

2.1红外传感器寻迹原理 4

2.2传感器布局对路径识别的影响 6

2.2.1布局相关参数 6

2.2.2一字型与八字型布局研究 6

第3章智能车机械结构的调整 9

3.1赛车参数 9

3.2舵机安装方式调整 10

3.3前轮定位 10

3.3.1主销后倾角 10

3.3.2主销内倾角 11

3.3.3前轮外倾角 12

3.3.4前轮前束 13

3.4重心位置 13

3.5齿轮传动间距调整 14

3.6后轮差速机构调整 14

第4章系统硬件设计 15

4.1S12控制核心 16

4.2电源管理模块 17

4.2.1单片机稳压电源电路设计 17

4.2.2舵机电源模块设计 19

4.3电机驱动模块 20

4.4速度检测模块 23

4.5路径识别模块 25

第5章系统软件设计 27

5.1系统的模块化结构 28

5.1.1时钟初始化 28

5.1.2串口初始化 28

5.1.3AD初始化 29

5.1.4PWM初始化 30

5.2路径信息处理 32

5.3数字滤波算法 33

5.4小车控制算法 35

5.4.1PID算法 37

5.4.2舵机控制 39

5.4.3电机控制 39

第6章系统调试 40

6.1开发调试工具 40

6.2无线调试模块 42

6.3拨码开关调试 42

6.4试验结果分析 42

结论 44

致谢 45

参考文献 46

附录 47

附录A硬件原理图 47

附录B程序源代码 49

附录CSortingoutPIDcontrollerdifferences 69

第1章绪论

1.1课题的研究背景

汽车工业发展已有100多年的历史。

1953年，世界上第一台无人驾驶牵引车诞生，这是一部采用埋线电磁感应方式跟踪路径的自动导向车。

20世纪80年代以来，智能控制理论与技术在交通运输工程中越来越多的被应用，在这一背景下，智能汽车的概念应运而生。

智能车即轮式移动机器人,是一种集环境感知、决策规划、自动行驶等功能于一体的综合智能系统,智能车集中地运用了自动控制、模式识别、传感器技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科的知识。

随着控制技术、计算机技术和信息技术的发展,智能车在工业生产和日常生活中已经扮演了非常重要的角色,近年来,智能车在野外、道路、现代物流及柔性制造系统中都有广泛运用,已成为人工智能领域研究和发展的热点。

目前,智能车领域的研究已经能够在具有一定标记的道路上为司机提供辅助驾驶系统甚至实现无人驾驶,这些智能车的设计通常依靠特定道路标记完成识别,通过推理判断模仿人工驾驶进行操作[1]。

1.2国内外智能车的研究现状

智能汽车是一种高新技术密集型的新型汽车，是今后的主流汽车产品。

而研究智能汽车所必需的理论与技术支持大部分已经基本具备。

正是基于这一点，国际上正在形成智能汽车研究、设计、开发、竞赛的热潮。

美国是世界上对智能汽车最为关注的国家。

美国交通部已开始一项五年计划，投入3500万美元，与通用汽车公司合作开发一种前后防撞系统。

同时，美国俄亥俄州立大学和加州大学以及其他一些研究机构正在进行全自动车辆的研制和改进工作。

CMU大学的NabLab5实验智能车是由Potiac运动跑车改装而成的，装有便携式计算机、摄像头、GPS全球定位系统、雷达和其他辅助设备。

1995年6月，NabLab5进行了横穿美国的NHAA（NoHandsAcrossAmerica），从宾州的匹茨堡到加州的圣地亚哥，行程4587km，其中自主驾驶部分占98.2%。

美国移动导航子系统（MNA）能计算出最佳行驶路径，还能不断地接收现场的最新交通状况，给出连续更新的指向，让车辆始终沿着理想的路径向前行驶。

此外，美国还将智能汽车的研究用于军事上，美国国防部采用无人车去执行危险地带的巡逻任务，目前正在进行第三代军用智能汽车的研究，称为DemoⅢ，能满足有路和无路条件下的车辆自动驾驶。

在此基础上，美国国防部与民间的大学、企业和发明家联合开展了全球领先的智能汽车竞赛。

2007年11月，美国第三届智能汽车大赛在加利福尼亚州维克托尔举行。

参赛的无人驾驶车俩的头顶有旋转的激光器，两边还有转动的照相机，内部安装有电脑装置。

这些无人驾驶的汽车完全由电脑控制，利用卫星导航、摄像、雷达和激光，人工智能系统可判断出汽车的位置和方向，随后将指令传输到负责驾驶车辆的系统，丝毫不受人的干涉，用传感器策划和选择它们的路线。

参赛的无人驾驶智能汽车沿着附近的公路飞奔。

欧洲开发基金资助进行驾驶员监测、道路环境的感知、视觉增强、前车距控制以及传感器融合方面的研究。

同时，欧洲的一些国家正试验智能速度适应（IntelligentSpeedAdaptation，ISA）作为提高车辆安全性的手段，其构想是通过路边标志信息或卫星定位信息以及车载数字地图进行车辆导航，并自动控制车辆速度。

实验结果表明，采用该系统能使交通事故减少20%。

德国慕尼黑联邦国防大学与奔驰汽车公司合作研制开发了VaMP试验车，它是由一辆豪华型的奔驰500SEL改装而成，视觉系统主要包括道路检测与跟踪RDT和障碍物检测与跟踪ODT两个模块。

在整个试验中，系统行使了1600公里，其中95%的部分是自动驾驶的。

目前在日本，夜视和后视报警系统已应用在某些汽车上，三菱公司和尼桑公司已发布其近期可使用的防撞设备，前方防撞和车道偏离有望在1～2年内实现。

本田公司、尼桑公司和丰田公司也在各自先进安全性车辆计划中发展行车安全子系统，它们包括：

车道定位系统、前车距离控制系统、自动控制系统、障碍物报警系统、驾驶员打盹报警系统和夜间行人报警系统等。

日本智能公路（SmartWay）计划中，提出车辆上采用诸如：

车道保持、十字路口防撞、行人避让和车距保持等Ⅳ项技术。

2003年日本将开始实施一个示范计划，到2015年将在日本全国范围内实施SmartWay计划。

韩国借助于本国当前蓬勃发展的汽车工业，致力于全新的智能汽车技术在年轻一代中的跨越式发展，在全国率先开展了大学智能汽车竞赛。

每年韩国大约有100余支队伍参赛，该项赛事得到了众多高校和大学生的欢迎，也逐渐得到了企业的关注[2]。

国内智能汽车的研究也不断发展。

清华大学汽车研究所是国内最早成立的主要从事智能汽车及智能交通的研究单位之一，在汽车导航、主动避撞、车载微机等方面进行了广泛而深入的研究。

清华智能车THMR-V采用分层递阶的体系结构,基于以大网通信,集成有CCD、摄像机、激光雷达、磁罗盘-光码盘、GPS等多种传感器,并建立了相应的方向、油门、刹车三个自动控制系统。

基于扩充转移网络（ATN）的道路理解技术和基于混合模糊逻辑的控制方法,实现了车道线自动跟踪的平均车速为100km/h,最高车速达到150km/h。

清华智能车THMR-V课题组在车道线自动跟踪技术研究方面处于国内领先,达到国际先进的水平。

上海市“智能汽车车内自主导航系统”的一种样车，2000年7月19日通过市