智能感应小车的设计与实现.docx
《智能感应小车的设计与实现.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《智能感应小车的设计与实现.docx（33页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
智能感应小车的设计与实现
智能感应小车的设计与实现
摘要：
智能小车由于外接了传感器，可以在很大程度上实现感知、思维和效应方面模拟人的行为，而且也可以通过我们的操作去改变它原本的行为。
他是结合人工智能的试验，可以全面考察人工智能各个领域的技术，研究两者之间的关系。
更重要的一点是它可以代替人在有害环境中进行作业。
在未来对于从事危险工作、航空考察、深海探测等方面都能做出巨大贡献。
本课题结合实际应用设计和实现了一款具有蓝牙控制、WIFI控制、循迹行走、红外避障和超声波避障功能的智能感应小车。
论文首先介绍了当前国内外的背景以及发展趋势，并且对系统硬件部分进行简单的说明。
其次对红外传感器、蓝牙外接模块、WIFI模块、超声波传感器的工作原理和电路图进行分析，最终根据实际将红外传感器、超声波传感器、WIFI模块和蓝牙模块应用到智能小车的设计与开发中，开发出了一款具有特色的智能小车。
关键词：
红外避障，人体感应，WIFI控制，蓝牙控制，超声波避障
第1章绪论
1.1研究背景和意义
随着电子技术、计算机技术和制造技术的飞速发展，数码相机、DVD、洗衣机、汽车等消费类产品越来越呈现机电一体化、智能化、小型化等趋势。
智能化作为现代社会的新产物，是以后的发展方向，它可以按照预先设定的模式在一个特定的环境里自动的运作，无需人为管理，便可以完成预期所要达到的或是更高的目标。
智能小车，也称轮式机器人，是一种以汽车电子为背景，涵盖控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多科学的科技创意设计，通常主要由路径识别、速度采集、角度控制及车速控制等模块组成。
一般而言，智能车系统要求小车在白色的场地上，通过控制小车的转向角和车速，使小车能自动地沿着一条任意给定的黑色带状引导线行驶。
本次课题设计以此为背景，设计一种简易的运动小车，运用直流电机对小车进行速度和正反向的运动控制，通过单片机来控制直流电机的工作，从而实现对整个小车系统的运动控制。
智能小车的研究、开发和应用涉及传感技术、电气技术、电气控制技术、智能控制等学科，智能控制技术是一门跨科学的综合性技术，当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。
智能作为现代社会的新产物，是以后的发展方向，它可以按照预先设定的模块在一个特定的环境里自动的运行，可运用于科学勘探等用途，无需人为的管理，便可以完成预期所要达到的或者更高的目标。
智能机器人正在代替人们完成这些任务，凡不宜有人直接承担的任务，均可由智能机器人代替，可以适应不同环境，不受温度、湿度等条件的影响，完成危险地段，人类无法介入等特殊情况下的任务，智能小车就是其中的一个体现。
对于智能小车研究还可以从以下方向展开：
在小车上装摄像头进行实时视频监控采集，通过无线传给远端的主机，主机可以发送命令给小车，执行相应的动作等等。
还可以扩展其他的模块。
就可以广泛的应用于科学研究、地址勘探、危险搜索、智能救援等。
1.2课题研究方法和内容
1.2.1研究方法
智能感应小车的实现必需拥有能胜任的运动系统、可靠的导航系统、精确的感知能力。
它必需具备自主性、交互性以及适应性。
自主性是指智能感应小车能根据对路面黑线的检测根据规定的路线实现循迹行走；交互性是指小车与环境、小车与人之间获取信息、处理和理解并且执行命令；适应性是指小车可以通过感应器了解周围的环境，实现避障。
该控制电路主要由一片单片机组成。
STC89C52RC主要实现对路面黑线是检测，以纠正小车的行走方向；以及控制小车的匀速行驶。
主要运用STC89C52RC的知识，模电的相关知识和了解红外传感器、超声波传感器、人体红外传感器的工作原理。
1.2.2研究内容
1.循迹行走的研究：
对小车如何循迹进行介绍，由于小车是根据传感器来确定方向，所以行走的过程中选择的可能不是最佳路线，所以设计黑线通过循迹来规划小车的行走路线，让小车自主检测黑线执行循迹行走。
2.红外感应避障的研究：
小车通过超声波传感器/红外传感器探测障碍物，根据指令调整小车行进路径，避开障碍物后可以继续行走。
3.蓝牙控制的研究：
用电脑连接蓝牙，通过键盘控制小车的前进、后退、转弯行走。
4.WIFI控制研究：
小车上搭载WiFi模块，手机配网后通过微信无线遥控小车的运动。
1.3论文结构安排
本论文一共分为五个部分，具体内容安排如下：
第1章：
绪论。
主要介绍智能感应小车的研究背景以及对其的开发意义和对系统的主要现实应用场景进行介绍。
第2章：
实现智能感应小车所需的相关技术，开发工具以及开发环境的介绍。
第3章：
智能感应小车的需求分析。
根据用户需求和各个功能模块进行分析介绍。
第4章：
智能感应小车系统设计。
介绍数据库的总体设计、硬件设计以及设计原则。
确立关系模型，在此基础上确保系统功能的实现。
第5章：
智能感应小车系统的实现。
介绍实现的功能、实现的方法、思路和所用技巧以及对应的技术工具和外接传感器模块等。
第6章：
智能感应小车的系统测试。
详细介绍系统测试的目的和测试所需的设备以及环境搭建。
对系统的测试流程、功能测试、非功能测试和测试总结的呈现。
最后，对本课题进行总结。
第2章智能感应小车的实现条件
2.1相关技术
1.蓝牙控制：
支持设备短距离通信的无线电技术，在本实验中用作蓝牙遥控，实现手机与智能感应小车之间的无线信息交换。
2.WIFI控制：
无线遥控技术，根据传输的控制指令信号控制小车实现作业。
3.红外感应避障：
通过斯密特触发器缓冲，推动三极管和红外发光管来发射已经调制的红外线，控制小车车头左右红外发光管轮流发射信号，探测障碍物。
4.超声波避障：
超声波是一种高于20kHz的声波，并且指向性更强。
声波在发射过程中遇到物体会反射，并且可以由已知的速度检测出于障碍物之间的距离，探测到物体后单片机会根据指令对小车行进做出合理调整，实现避障功能。
5.红外循迹：
循迹是指在地面探测黑线行走，由于地板对光线的反射系数不同，利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质特点，可以根据接收到的反射光的强弱来判断“道路”。
单片机就是否收到反射回来的红外光为依据来确定黑线的位置，并且调整电机转向来改变小车的行进路径。
2.2开发工具和开发环境
1.KeilC51编译软件，用于编译调试代码，并且生成.hex文件
2.STC-ISP程序烧录工具，用于将编译成功后的.hex文件烧录到单片机上
3.Windows10系统
4.障碍物地形，用于实现避障
5.黑线地形布置，用于实现循迹行走
第3章智能感应小车的需求分析
3.1总体目标
实现蓝牙控制、WIFI控制、循迹行走和避障功能，并且保障智能感应小车具备自主性、交互性和适应性。
对用户的操作即时作出反应并且正常执行，特定地形能够实现自主避障行走，循迹行走等功能。
3.2总体需求分析
设计一种基于超声波感应避障和红外避障的小车移动平台，外接蓝牙和WIFI模块实现智能感应小车与人之间获取信息、处理和理解并且执行命令；借助超声波和红外模块，智能感应小车通过与环境之间的交互并且实现循迹、避障任务。
3.3用户需求分析
操作者：
可以使用手机通过蓝牙连接智能感应小车从而操控小车的行为；可以通过WIFI连接使用手机进行远程操控；布置特定的黑线地形，小车根据黑线实现循迹行走；布置特定的障碍地形，小车检测障碍物后实现避障行走。
图3.1智能感应小车系统用例图
蓝牙控制模块用例规约如下：
表3.1蓝牙模块控制用例
用例编号
用例名称
蓝牙模块控制
功能描述
通过蓝牙连接操控智能小车
执行者
操作者
前置条件
蓝牙正常通电；小车接线正确；蓝牙控制程序烧录成功
后置条件
智能感应小车成功执行相关的动作
涉众利益
操作者
基本路径
1.手机蓝牙控制
1.1为小车接上P7的六根线以及J3的两根线和两根电源线。
1.2为小车插上蓝牙设备，蓝牙提示灯闪烁。
1.3手机进入设置-蓝牙，添加蓝牙BT04-A，输入配对码1234，成功配对BT04-A。
1.4打开蓝牙控制程序，点击打开蓝牙，点击搜索蓝牙设备后会自动获取已经配对的蓝牙设备，点击连接，会显示成功连接设备，蓝牙提示灯常亮，可正常操作。
1.5使用软件正常控制小车的行动。
扩展
1.接线失败，重新按照接线图的引脚进行正确的接线。
2.无法搜索到蓝牙设备，首先重新检查蓝牙模块的插入是否正确，如果蓝牙插入正确可以根据测压仪查看小车电池的电压是否在7.2V——8.2V之间，检查配对码是否输入错误。
备注
电源电压正常
WIFI控制模块用例规约如下：
表3.2WIFI控制模块用例
用例编号
用例名称
WIFI控制模块
功能描述
通过WIFI连接操控智能小车
执行者
操作者
前置条件
WIFI正常通电；小车连线正确；WIFI程序烧录成功
后置条件
智能感应小车成功执行相关的动作
涉众利益
操作者
基本路径
1.正确为小车接线，P7的六根线以及J3的两根线和两根电源线。
2.烧录WIFI控制程序。
3.用电脑配置一个2.4G的热点，用手机连接该2.4G热点。
4.长按WIFI模块上的G键5秒，待WIFI指示灯闪烁即可。
5.进入微信小程序连接2.4G的热点，配置设备并且绑定设备，成功后进入当前设备。
6.实现对智能感应小车的控制。
扩展
1.接线失败，重新按照接线图的引脚进行正确的接线。
2.长按G键后WIFI不闪烁，重启开关再重复操作即可。
3.无法添加2.4G热点时，检查网络试试，或者直接用手机开热点连接（大部分手机热点为2.4G，具体需看手机本身的配置）
4.如果在配置过程中显示连接失败，但是WIFI指示灯由闪烁变为熄灭，则此时已经是配网成功，可以点击“跳过此步骤”进行下一步操作。
备注
电源电压正常
循迹行走模块用例规约如下：
表3.3循迹行走模块用例
用例编号
用例名称
避障模块
功能描述
通过红外/超声波检测地形后实现避障行走
执行者
智能感应小车
前置条件
小车连线正确；避障程序烧录成功
后置条件
智能感应小车成功避开障碍物行走
涉众利益
操作者
基本路径
1.正确为小车接线，P7的六根线，J3的两根线，P4的四根线以及两根电源线。
2.烧录循迹程序。
3.布置好黑线地形，调节红外信号指示灯，使的小车探测到黑线时可以循迹行走。
4.保持电池电压正常。
5.小车成功循迹行走。
扩展
1.接线失败，重新按照接线图的引脚进行正确的接线。
2.探测黑线时要调节信号灯在探测其他颜色是不亮，探测到黑线时亮中间两个感应灯，这样就可以实现循迹。
3.程序成功烧录并且正确调节红外信号灯后小车任然无法实现循迹行走，检查电压检测器，确保电压保持在7.2V到8.2V之间，若电压不够充满电在重复以上操作即可。
备注
电源电压正常
避障模块用例规约如下：
表3.4避障模块用例
用例编号
用例名称
避障模块
功能描述
通过超声波/红外感应实现避障
执行者
智能感应小车
前置条件
小车连线正确；循迹程序烧录成功;红外感应调节正常
后置条件
智能感应小车成功躲开障碍物行走
涉众利益
操作者
基本路径
1.红外感应避障
1.1正确为小车接线，P7的六根线，J3的两根线，P4的四根线以及两根电源线。
1.2将小车的红外感应灯对着墙壁，旋转调节螺旋进行感应灯调节，避免太近距离地与障碍物接触。
1.3烧录红外感应避障程序。
1.4保持电池电压正常。
1.5按下K4按键。
1.6小车成功实现避障行走
2.超声波避障
2.1正确为小车接线，P7的六根线，J3的两根线，P4的四根线、两根电源线、超声波模块接在J2上并且装上LCD1602液晶屏。
2.2在J2处装上超声波模块。
2.3烧录超声波避障程序。
2.4保持电池电压正常。
2.5按下K4按键。
2.6小车成功实现避障行走。
扩展
1.接线失败，重新按照接线图的引脚进行正确的接线。
2.程序成功烧录并且正确调节红外信号灯后小车任然无法实现避障行走，继续调节红外感应灯。
3.程序成功烧录并且正确外接超声波模块，仍然无法实现避障行走，检查电压检测器，确保电压保持在7.2V到8.2V之间，若电压不够充满电在重复以上操作即可；若还是不行则产生波模块有故障。
备注
电源电压正常
3.4功能性需求分析
本系统反应了智能感应小车与人之间、智能感应小车与环境之间的关系。
具体的功能模块图如下：
图3.2智能感应小车系统功能模块图
本系统的主要功能模块如下：
1.蓝牙控制模块：
可以通过蓝牙连接智能感应小车从而操控小车的行为。
2.WIFI控制模块：
可以通过WIFI连接使用手机进行远程操控。
3.避障模块：
通过超声波/红外传感器检测当前小车所处环境，可以在设定的安全通过距离内向前行驶，在检测到障碍物时按照设定的旋转角度，由单片机控制舵机更改行驶方向实现转弯，并且进一步判断前方有无障碍物，无障碍物的情况下再次判定前方通道是否大于最小的行驶距离，以此实现避障功能。
4.循迹模块：
通过红外探头检测地形，探测到黑线可以根据黑线的轨迹行走。
第4章
智能感应小车的系统设计
4.1总体设计
图4.1系统总体框架图
根据上图可以看出本系统主要有六大板块，分别是蓝牙控制模块、WIFI控制模块、超声波避障模块、红外感应模块、电机驱动模块以及电源模块。
本系统采用STC89C52RC单片机作为核心控制单元用于智能车系统的控制，智能感应小车车头正中间的超声波传感器检测前方障碍物，用于判断是否需要转弯，车体左右两边各有一个红外避障头，用于检测跑道两边的墙，防止小车碰到墙壁。
本实验是为了实现超声波避障、红外避障、循迹行进、蓝牙控制和WIFI控制等功能，从而为一些危险作业甚至是人类无法探寻的区域进行探测并能且回馈数据。
4.2硬件设计
智能感应小车的尺寸：
表4.1智能小车尺寸
长
宽
高
19cm
15.5cm
8cm
图4.2智能感应小车整体外形
本系统硬件组成分为两部分：
1.小车底板
车头的左右各分有一个红外避障可调节电阻、红外避障探头、红外感应信号灯、轨迹探头、循迹探头和车轮，并且安装一个测压器用于测量电池电压，避免损坏电池烧坏芯片。
车底安装一个电池盒、一个万向轮和两个强磁碳刷减速步进电机。
图4.3小车底板外形
图4.4底板原理图
2.单片机开发板
蓝牙/WIFI模块接口、32位I/O口、USB程序下载接口、电机驱动模块、红外发射管、蜂鸣器等等。
图4.551单片机开发板
4.2.1主控制模块
本系统采用STC89C52RC单片机作为系统的核心模块来控制小车的行为轨迹，以此来实现所有预期功能。
智能感应小车的重点在于小车通过对环境的探测实现自主控制，而此芯片功耗较低并且具有高性能的CMOS8位微控制器，同时具备8K字节系统可编程Flash存储器，操作简单快捷更能适应我们系统。
并且其内带4K字节EEPROM存储空间，可直接用串口下载程序，更能方便我们进行调试和编程实现指令。
图4.6STC89C52RC芯片
4.2.2电源模块
采用两节LC1450001300mAh3.7V的电池作为电源为小车供电。
在多次测试是发现此电池可以满足小车的正常运行，并且电池更容易更换和充电，更方便我们的操作和调试。
4.2.3电机模块
为了实现低速行驶时可以保持高转矩特性和瞬时过载耐磨性，而选用了两个强磁碳刷减速步进电机。
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。
在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。
这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。
使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。
图4.7电机模块原理图
4.4流程图设计
4.4.1蓝牙控制模块流程
1.手机蓝牙控制
1.1为小车接上P7的六根线以及J3的两根线和两根电源线。
1.2为小车插上蓝牙设备，蓝牙提示灯闪烁。
1.3手机进入设置-蓝牙，添加蓝牙BT04-A，输入配对码1234，成功配对BT04-A。
1.4打开蓝牙控制程序，点击打开蓝牙，点击搜索蓝牙设备后会自动获取已经配对的蓝牙设备，点击连接，会显示成功连接设备，蓝牙提示灯常亮，可正常操作。
1.5使用软件正常控制小车的行动。
图4.8手机蓝牙控制流程图
4.4.2WIFI控制模块流程
1.正确为小车接线，P7的六根线以及J3的两根线和两根电源线。
2.烧录WIFI控制程序。
3.用电脑配置一个2.4G的热点，用手机连接该2.4G热点。
4.长按WIFI模块上的G键5秒，待WIFI指示灯闪烁即可。
5.进入微信小程序连接2.4G的热点，配置设备并且绑定设备，成功后进入当前设备。
6.实现对智能感应机器人的控制。
图4.9WIFI控制模块流程图
4.4.3循迹行走模块流程
1.正确为小车接线，P7的六根线，J3的两根线，P4的四根线以及两根电源线。
2.烧录循迹程序。
3.布置好黑线地形，调节红外信号指示灯，使的小车探测到黑线时可以循迹行走。
4.保持电池电压正常。
5.小车成功循迹行走。
图4.10循迹行走模块流程图
4.4.4避障模块流程
1.红外感应避障
1.1正确为小车接线，P7的六根线，J3的两根线，P4的四根线以及两根电源线。
1.2将小车的红外感应灯对着墙壁，旋转调节螺旋进行感应灯调节，避免太近距离地与障碍物接触。
1.3烧录红外感应避障程序。
1.4保持电池电压正常。
1.5按下K4按键。
1.6小车成功实现避障行走。
图4.11红外避障模块流程图
2.超声波避障
2.1正确为小车接线，P7的六根线，J3的两根线，P4的四根线以及两根电源线。
2.2在J2处装上超声波模块。
2.3烧录超声波避障程序。
2.4保持电池电压正常。
2.5按下K4按键。
2.6小车成功实现避障行走。
图4.12超声波避障模块流程图
第5章
智能感应小车系统实现
本章将从系统代码开发角度详细论述智能感应小车蓝牙控制、WIFI控制、循迹行走和避障等模块的具体实现过程。
5.1蓝牙控制模块的实现
蓝牙控制模块需要外接蓝牙设备并且为小车接上P7的六根线以及J3的两根线和两根电源线，再通过手机连接小车的蓝牙后通过APP实现对小车的控制。
包括小车前进、后退、左右旋转、鸣笛等功能。
APP界面：
图5.1蓝牙控制app
所用工具：
Keil5、STC-ISP（V6.85）
所用控件：
蓝牙模块和超声波模块
核心代码：
主函数：
图5.2蓝牙控制主函数
5.2WIFI控制模块的实现
WIFI模块控制需要将P7的六根线以及J3的两根线和两根电源线接好，再通过手机连接电脑开放的2.4G网络添加小车的WIFI设备，最后进入控制台实现远程操控小车前后左右行驶、左摇、右摇、鸣笛等操作。
控制台界面：
图5.3控制台页面
所用工具：
Keil5、STC-ISP（V6.85）
所用控件：
WIFI模块
核心代码：
右电机调速：
图5.4WIFI模块右电机调速
5.3循迹行走模块的实现
循迹行走板块小车通过调节红外感应信号灯和红外探头检测到黑线地形，当左边红外探头检测到白色区域，右边红外探头检测到黑线时，步进电机向右转；当左边红外探头检测到黑线，右边红外探头检测到白色区域时，步进电机向左转；当左右红外探头同时检测到黑线时向前直行；当左右红外探头检测到白色区域时小车停止行走，以此来实现循迹行走功能。
所用工具：
Keil5、STC-ISP（V6.85）、黑线
所用控件：
循迹红外传感器模块
核心代码：
1.按键扫描函数
图5.5循迹行走按键扫描函数
2.主函数
图5.6循迹行走主函数
5.4避障模块的实现
5.4.1红外避障模块的实现
红外避障模块通过小车车头左右两个红外避障探头和红外信号感应灯的调节探测左右两边的障碍物并且快速做出反应更改行进方向，实现在复杂地形的避障行走。
所用工具：
Keil5、STC-ISP（V6.85）
所用控件：
避障红外传感器模块
核心代码：
主函数：
图5.7红外避障主函数
5.4.2超声波避障模块的实现
超声波避障模块通过小车车头正前方的超声波传感器探测前方出现的障碍物并且配合红外探头探测左右路况，然后转动车轮一定的角度更改行进方向，实现在复杂地形的避障行走。
所用工具：
Keil5、STC-ISP（V6.85）
所用控件：
超声波传感器模块、循迹红外传感器模块、避障红外传感器
核心代码：
避障部分：
图5.8超声波避障函数
第6章智能感应小车系统测试
6.1系统测试
6.1.1系统测试的目的
1.检测本系统硬件和软件是否能够正常运行。
2.检测是否能满足所有用户需求。
3.避免用户使用时出现致命bug。
6.1.2系统测试所需环境及设备
1.外界环境：
黑线地形、障碍物地形。
2.设备：
小车完整车体、杜邦线、WIFI模块、蓝牙模块、超声波传感器、安卓手机、笔记本电脑或者可以开放2.4G热点的手机。
6.1.3本系统概测试流程
1.系统测试计划：
根据系统的需求分析对四个功能模块进行功能测试和非功能测试。
2.系统的测试用例：
系统测试用例的设计是根据不同的外部环境，距离、空间和地形对智能小车的蓝牙控制模块、WIFI控制模块、循迹行走模块以及避障行走模块进行功能测试。
以检验小车的可执行范围和控制边界值，更好地规范用户的使用。
表6.1系统测试用例
功能模块
用例编号
前置条件
设定操作
预期效果
蓝牙控制模块
2.1.1
手机正常连接小车蓝牙
在小车5米距离控制小车
成功控制小车
2.1.2
手机正常连接小车蓝牙
在小车8米距离控制小车
成功控制小车
2.1.3
手机正常连接小车蓝牙
在小车10米距离控制小车
成功控制小车
WIFI控制模块
2.2.1
手机成功绑定小车WIFI设备
与小车在同一个房间内控制小车
成功控制小车
2.2.2
手机成功绑定小车WIFI设备
在房子外面控制小车
成功控制小车
2.2.3
手机成功绑定小车WIFI设备
隔着三层楼高度控制小车
成功控制小车
循迹行进模块
2.3.1
调节红外信号灯检测黑线时亮灯，检测白线时灭灯
将小车置于四个连续转弯的黑线地形上启动
成功按照循迹行走
2.3.2
调节红外信号灯检测黑线时亮灯，检测白线时灭灯
将小车置于不连续的黑线地形上启动
行走一段距离后遇到不是黑线的地形停止行进
红外避障模块
2.4.1
设定左右交错的障碍地形
将小车置于地面，启动小车
遇到障碍物立刻做出反应躲避障碍物行走
2.4.2
设定密闭环绕的障碍地形
将小车置于地面，启动小车
遇到障碍物立刻做出反应躲避障碍物行走
超声波避障模块
2.5.1
设定左右交错的障碍地形
将小车置于地面，启动小车
遇到障碍物立刻调整角度躲避障碍物行走
2.5.2
设定U型障碍地形
将小车置于地面，启动小车
遇到障碍物立刻调整角度躲避障碍物行走
6.2系统的功能测试
6.2.1蓝牙控制功能测试
表6.2蓝牙控制功能测试
功能测试
成功次数
失败次数
测试
升级会员 