自动循迹避障救援小车系统.docx
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自动循迹避障救援小车系统
编号：
毕业设计说明书
题目：
救援小车
学院：
机电工程学院
专业：
机械设计制造及其自动化
学生姓名：
学号：
指导教师：
职称：
副教授
题目类型：
理论研究实验研究☑工程设计工程技术研究软件开发
2012年5月20日
摘要
自动循迹避障小车在工业和生产上都有广泛运用，为了培养大学生对循迹避障的运用，循迹避障机器人最近几年一直是各类全国大学生机电类比赛的主要题目。
而本次题目要求小车能根据外部环境的变化而做出智能的判断并成功执行题目要求的循迹、避障和发现目标的任务。
本设计采用单片机控制技术为核心，通过对各类传感器的合理运用以达到设计要求。
本系统主要由单片机、红外传感器、光电接近开关、直流电机、稳压芯片组成。
系统采用可充电电池作为总电源，并通过稳压芯片进行稳压分别对各部分电路进行供电。
其中系统的数据采集部分采用5组红外对管对地面信息进行数据收集，并且再利用两组光电接近开关对障碍物进行数据的收集；然后将收集到的外部数据信息传输到单片机上根据程序进行相应的数据处理，从而使小车系统能准确、快速地采集处理外部环境信息并反馈到小车系统执行部分去。
最后根据单片机对外部信息的处理结果对两个直流电机进行控制从而实现小车根据外部环境自动进行循迹、避障、发现目标的操作；并通过单片机对蜂鸣器和LED的控制实现光电报警。
整个系统的电路机构简单，可靠性好。
并且本救援小车系统具有执行效率高、反应快速和低成本等优点。
根据小车调试运行情况来说，本次设计能很好地根据外部环境的变化执行预定任务。
关键词：
救援小车；L298N；红外对管；STC89C52；直流电机；光电开关
Abstract
Automatictrackingobstacleavoidanceforcarindustryandproduction,widelyused,inordertodeveloptheuseofcollegestudentsonthetrackingofobstacleavoidance,tracking,obstacleavoidancerobotinrecentyearshasbeenthemainsubjectofthevarioustypesofNationalCollegeStudentsofmachineryandelectronicgame.Thesubjectcarchangesintheexternalenvironmentandtomakeintelligentjudgmentsandthesuccessfulimplementationofthesubjectrequirementstracking,obstacleavoidance,andfoundthetargettask.
Thisdesignusesasingle-chipcontroltechnologyasthecore,throughtherationaluseofvarioustypesofsensorstomeetthedesignrequirements.Thesystemmainlyconsistsofthemicrocontroller,infraredsensors,photoelectricproximityswitches,DCmotors,voltageregulatorchip.Thesystemusesarechargeablebatteryasthetotalpowersupplyvoltageregulatorandtheregulatorchiponthepartofthecircuitpowersupply.Thesystemincludesdataacquisitionpartofgroupofinfraredtubesonthegroundinformationdatacollection,anduseoftwosetsofphotoelectricproximityswitchontheobstaclestodatacollection;thencollectedfromtheexternaldatatransmissiontotheMCUaccordingtotheproceduresthecorrespondingdataprocessing,sothatthecarsystemcanaccuratelyandquicklycollectingandprocessingtheexternalenvironmentforinformationandfeedbacktotheoperativeparttogotothecarsystem.ThelasttwoDCmotorcontrolinordertoachievethecarisautomaticallycarriedoutaccordingtotheexternalenvironment,tracking,obstacleavoidance,foundthattheoperationofthetarget;andphotoelectricalarmbuzzerandLEDcontrolbythemicrocontrolleraccordingtotheresultsofsingle-chipprocessingofexternalinformation.
Circuitbodyofthewholesystemissimpleandgoodreliability.Andtherescuevehiclesystemwithhighefficiencyintheimplementation,fastresponseandlowcostadvantages.Fordebuggingandrunningunderthecar,thedesignchangesintheexternalenvironmentperformtheintendedtask.
Keywords:
Rescuecar;L298N;nfraredEmittingDiode;STC89C52;DCmotor；Photoelectricswitch
引言
随着科技的发展，机器人的运用和发展已经遍及机械，冶金，电子，交通，宇航，国防等领域。
随着科技的发展，机器人的智能水平也在不断发展着，并且在不断的影响着人们的生活方式。
人们探索，发展机器人技术的最终梦想是能制造出替代人们劳动并且从各方面服务人们生活的机器人，并且坚信着未来这个梦想会慢慢实现的。
随着科学技术的发展和现实生产的需求，机器人的种类也越来越多，而作为机器人中重要的感觉器传感器的种类也随之越来越多，机器人中的传感器就相当于人的感觉器官，是机器人自动行动和智能完成任务的重要部件。
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经相当发达，而基于图像的理解技术还很落后，机器的视觉要通过大量的运算才能识别一些简单的目标。
就目前而言视觉传感器的核心器件是摄像管或CCD，目前的CCD已经能自动聚焦，但从价格，使用方式等各方面而言在机器人运用中CCD并不占优势。
因此在只要求粗略感觉的机器人运用中使用普通传感器无论从编程还是价格上更有优势。
作为机器人的核心技术是CPU和软件系统的执行效率和智能化程度，经过人们不断的开发和积累并随着科技和嵌入式系统的不断发展优化，现在的机器人已经具有了很大程度的智能，并且能初步具有自主学习能力，在这方面日本做的比较好，已经能生产用于生活实用的智能机器人。
同时在开发机器人的同时开发出来的技术有很多也在不断被用于生活生产的各方面。
本次设计的机器人要实现自动导引和避障功能就必须要感知导引线和障碍物，就相当也要给机器人一个视觉功能。
循迹避障系统是救援小车的智能系统，使小车能根据传感器收集到的外部环境数据实现自动识别路线，判断并自动避开障碍物，选择正确的进行路线，并根据传感器收集到的信息完成任务。
作为循迹小车，可以分为三大组成部分：
传感器检测部分，执行部分，CPU。
小车要实现自动循迹，自动避障等功能，要能感知引导线和障碍物。
实现小车自动寻线，选择正确的路线，并在检测到障碍物时能自动避障。
基于上述要求，小车传感器就不要求有清晰的图像，只要求能粗略感知。
因此可考虑红外反射式传感器。
在小车执行部分，由直流电机来充当，主要控制小车的行进速度和转向。
单片机驱动直流电机有两种方案：
第一，不占用单片机资源，选择带有PWM功能的单片机；第二，通过程序，模拟PWM输出调剂，占用一定的资源，但单片机型号比较多，利于应用。
所以考虑实际情况，本次选择第二种方案。
CPU选用国产的stc12C5A60S2就已经能很好完成任务了。
现智能小车发展很快，从智能玩具到各行各业到有运用。
其基本上功能有循迹，避障，检测，入库等。
随着传感器的发展和嵌入式技术的发展，智能小车已经获得越来越多的人工智能，并且智能小车的体积也越来越小，功能趋于集成化，智能化。
在人工智能方面做的比较好的是日本方面，并且有很多技术运用到了实际生活生产中了。
就智能小车现状来说，虽然说运用的并不是十分多但生产中还是扮演着很重要的角色，并在一些危险工作地方一定程度上代替人的工作，去完成危险繁琐重复的工作。
1方案的设计与论证
根据要求，确定如下方案：
在现有玩具车的基础上，加装红外光电检测器。
通过传感器实现对电动车的速度、位置、运行状况的实时测量，并将测量数据传送至单片机进行处理，然后由单片机根据所检测的各种数据执行预先编写好的程序以应对外部环境变化以实现对电动车的智能控制完成在相对复杂的环境下的任务。
这种方案能实现对电动车的运动状态进行实时控制，控制灵活、可靠，精度高，可满足对系统的各项要求。
1.1小车车体结构
方案一：
四轮式。
利用现成的玩具车，现在市场上有完整的车模购买，能直接拿来就可以用，能减小小车的制造时间和整个小车的制造复杂程度。
小车四个轮全部采用独立驱动轮，采用四轮独立驱动虽然在控制方面比较复杂但是在路况比较复杂和要进行各种转向时比较容易做到精确操作和转向快速的特点，四轮使小车具有无可比拟的行进平稳性。
方案二：
三轮式。
三轮式是小车常用的车体结构，后轮用两轮独立驱动，前轮用万向轮构成辅助轮，机构组成简单，可任意旋转，容易控制。
小车前进的时候左右驱动轮和万向轮，构成三点结构，小车相对平稳，为防止小车重心偏移，车前的万向轮起到支撑的作用。
针对本次要求，从简单，易制做和执行任务速度等的角度出发，选择方案二，车体采用现成三轮式车模，具有容易控制，编程简单的优点。
1.2主控系统
根据小车的设计要求，认为本次设计属于多输入量的复杂程序控制问题。
考虑到对数据的处理速度和单片机所提供的片内内存和I/O接口等综合性能，据此，拟定了以下三种方案并进行了综合的比较论证：
方案一：
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。
另外，考虑对VHDL语言的不熟悉，若采用该方案，必须得学习VHDL语言，并且在控制上遇到许许多多不必要增加的难题。
为此，本设计不采用该种方案，进而提出了第二种设想。
方案二：
采用Atmel公司的ATmaga32L单片机作为主控制器。
ATmaga32L是一个低功耗，高性能的8位单片机，片内含32k空间的可反复擦些100,000次的Flash只读存储器，具有2Kbytes的随机存取数据存储器（RAM），32个IO口，2个8位可编程定时计数器，1个16位可编程定时计数器，四通道PWM，内置8路10位ADC。
且maga系列的单片机可以在线编程、调试，方便地实现程序的下载与整机的调试。
但考虑到我们对ATmaga32L的不熟悉，在编程和运用时会遇到很多不必要的麻烦，并且ATmaga32L相当于本设计要求来说有相当一部分性能没发挥出来，造成浪费，还有就是价格比普通51单片机贵挺多的。
为此，本设计不采用该种方案，进而提出了第三种设想。
方案三：
采用普通51单片机作为整个系统的核心，用其控制行进中的小车，以实现其既定的性能指标。
充分分析我们的系统，其关键在于实现小车的自动控制，而在这一点上，单片机就显现出来它的优势——控制简单、方便、快捷。
这样一来，单片机就可以充分发挥其资源丰富、有较为强大的控制功能及可位寻址操作功能、价格低廉等优点。
因此，这种方案是一种较为理想的方案。
针对本设计特点：
多开关量输入的控制系统，需要擅长处理多开关量的标准单片机，而不能用精简I/O口和程序存储器的小体积单片机。
根据这些分析,我选定了单片机作为本设计的主控装置，51单片机具有功能强大的位操作指令，I/O口均可按位寻址，程序空间多达8K，对于本设计也足够了，更主要的是stc12C5A60S2单片机价格非常低廉。
综合考虑后，决定采用stc12C5A60S2单片机作为主控芯片。
1.3电机模块
本系统为智能电动车，对于电动车来说，其驱动轮的驱动电机的选择就显得十分重要。
由于本实验要实现对路径的准确定位和精确测量并考虑电机相应速度，综合考虑了一下两种方案。
方案一：
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，并被大多数对转动经典要求高的设备运用所以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，但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，并且步进电机的价格比较贵，从性价比方面来说比较低。
经综合比较考虑，本设计放弃了此方案。
方案二：
采用直流减速电机。
直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便，在市场方面容易采购到合适的直流电机，不容易受型号的限制，并且价格比步进电机便宜。
而对于直流电机的速度控制我们可以通过软编程的方法可以很好的控制直流电机的转动，使之处在我们需要的状态下。
由于其内部由高速电动机提供原始动力，带动变速（减速）齿轮组，可以产生较大扭力。
我们所选用的直流电机减速比为1：
74，减速后电机的转速为100r/min。
我们的车轮直径为6cm，因此小车的最大速度可以达到
V=2πr·v=2*3.14*0.03*100/60=0.314m/s
能够较好的满足系统的要求，因此小车电机选择了此方案。
1.4电机驱动模块
方案一：
采用电阻网络或数字电位器调节电动机的分压，从而达到分压的目的。
但电阻网络只能实现有级调速，调速范围比较狭窄，而且数字电阻的元器件价格比较昂贵。
更主要的问题在于一般的电动机电阻很小，但电流很大，分压不仅会降低效率，而且实现很困难。
方案二：
对于直流电机采用分立元件构成驱动电路。
由分立元件构成电机驱动电路，结构简单，价格低廉，在实际应用中应用广泛。
但是这种电路工作性能不够稳定，造成电机速度波动大，不利于电机的控制，容易造成小车碰到障碍物和增加小车的不可靠性。
方案三：
采用专用芯片L298N作为电机驱动芯片。
L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它相应频率高，一片L298N可以分别控制两个直流电机，而且还带有控制使能端。
用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良且市场上容易购买得到，在实际应用中应用广泛技术也非常成熟。
本次设计选用方案三，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、制动和反转等优点并且功耗低。
因此决定使用1个功率三极管L298N作为功率放大器的输出控制2个直流电机，以达到电路的简单化和控制的简单有效性。
由L298组成的H桥电路，电机平均功率满足如下关系
（1）
其中P为电机的平均功率，
为电动机全速运转功率。
A为脉宽，可见，电机的平均功率与脉宽成正比。
小车行驶后其平均功率
（2）
单片机发出脉冲信号的比即可决定PWM放大器输出的电压平均值的大小。
表1-1为L298驱动电机控制方式表，可以通过下表配合软件编程可以很好的实现对小车的有效控制。
表1-1L298驱动电机控制方式
IN1
IN2
OUT1
OUT2
方式
1
1
10
10
前进
1
1
01
01
后退
1
1
10
01
掉头
0
0
00
00
停止
1.5电源模块
从小车的体积，重量和功耗等方面综合考虑，为使小车体积小行动灵活动力充足，本系统决定采用电池供电，本设计考虑了如下几种方案为系统供电。
方案一：
采用6节1.5V干电池供电，电压达到9V，经7812稳压后给支流电机供电，然后将9V电压再次降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。
但干电池电量有限，使用大量的干电池给系统调试带来很大的不便，同时会使的小车的体积变的过于庞大和比较重，显的很笨重不利于小车的灵活性使电机的负载增加。
同时因为小车的耗电量比较大，用干电池供电费用比较大。
但却具有容易获得，更换电池方便的特点。
方案二：
采用3节4.2V可充电式锂电池串联共12.6V给直流电机供电，经过7812的电压变换后给支流电机供电，然后将12V电压再次降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。
锂电池的电量比较足质量轻体积小，并且可以充电，重复利用，时比较理想的供电源。
因此，这种方案比较可行。
但锂电池的价格过于昂贵，使用锂电池会大大超出我们的预算，因此，放弃了这种方案。
方案三：
采用12V蓄电池为直流电机供电，将12V电压降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。
蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能。
虽然蓄电池的体积过于庞大，在小型电动车上使用极为不方便，但由于我们的车体设计时留出了足够的空间，并且蓄电池的价格比较低可以重复充电利用，实用起来也比较方便。
综上考虑，电源模块选择了方案一。
1.6稳压模块
方案一：
采用两片7812将电压稳压至12V后给直流电机供电，然后采用一片7809将电压稳定至9V，最后经7805将电压稳至5V，给单片机系统和其他芯片供电，但7809和7805压降过大，使7809和7805消耗的功率过大，导致7809和7805发热量过大，因此，稳压模块放弃了这种方案。
方案二：
采用两片LM2596将电压稳压至12V后给直流电机供电，LM2596系列是美国国家半导体公司生产的3A电流输出降压开关型集成稳压芯片，它内含固定频率振荡器（150KHZ），和基准稳压器（1.23v），并具有完善的保护电路：
电流限制、热关断电路等。
利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。
对单片机供电时采用L7805CV将电压稳至5V，用L7805CV组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。
L7805CV的输出电流最大可至3A，完全满足系统要求。
综上考虑，稳压模块设计选择了方案二。
1.7循迹传感器模块
传感器对于本设计小车来说就相当于眼睛，是系统和外界联系的关键部件，可以说是智能小车的运行的基础。
所以选择合适的传感器对于本设计来说很重要，合适的传感器能使小车达到高的分辨率，提高小车适应外部环境转变的能力，有利于小车的控制精度，以便快速准确的完成任务。
方案一：
采用简易光电传感器结合外围电路探测，虽然说电路简单制作方便但实际效果并不理想，对行驶过程中的稳定性要求比较高，且易受光线环境和路面介质影响，而智能小车的基本要求是能不断适应变化的环境，所以要求传感部分要有较高的稳定性，以准确获取必要的信息。
并且该传感器方法在使用过程很容易出现问题，而且容易因为该部件造成整个系统的不稳定，不能满足小车的稳定性要求。
方案二：
采用两只红外对管，分别置于小车车身前轨道的两侧，根据两只红外光电开关接受到白线与黑线的情况来控制小车转向来调整车向，如果左边的传感器检测到黑线小车就向右转，同理右边的检测的黑线时一样。
只要合理安装好两只光电开关的位置就可以很好的实现循迹的功能。
该电路具有结构简单调试容易等特点但却无法检测黑线上的情况不满足本设计的要求。
方案三：
用光敏电阻组成光敏探测器。
光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变化。
当光线照射到白线上面时，光线发射强烈，光线照射到黑线上面时，光线发射较弱。
因此光敏电阻在白线和黑线上方时，阻值会发生明显的变化。
将阻值的变化值经过比较器就可以输出高低电平。
但光敏电阻受环境光线影响太大，容易产生错误信息，且要运用比较器进行高低电平比较会增加电路的设计复杂程度，增加小车系统的功耗。
方案四：
采用五只红外对管，三只置于轨道中间，两只置于轨道外侧，当小车脱离轨道时，即当置于中间的三个红外对管中的一只红外对管脱离轨道时，等待外面任一只检测到黑线后，做出相应的转向调整，直到中间的红外对管重新回到轨道并检测到黑线再恢复正向行驶。
虽然小车在寻迹过程中有一定的左右摇摆不定并且小车行进速度较慢，并且成本和稳定性相对于方案二都较次，但方案三能检测黑线上的白点，虽说该方案有诸多缺点但却能配合软件设计完成本小车设计的基本要求。
根据本设计要求，循迹传感器模块用方案四的。
1.8避障模块
避障和循迹传感器一样都是小车的基本，好的避障传感器能准确的识别障碍物，为小车系统提供优质的外部环境数据，以实现小车快速精准躲避障碍物，另外传感器的安装方式也影响着传感器的工作效率和编写程序的工作量和复杂程度。
为此为小车提供了三种方案如下。
方案一：
红外对管采用一只红外对管置于小车中央。
虽然电路设计和安装简易，也可以检测到前方的障碍物，并通过软件可以做出躲避行为但很难确保小车在水平方向上是否会与障碍物相撞，也不容易让小车做出精确快速的转向反应并且很难控制小车避过未知大小的障碍物，达不到自动避障回到黑线上，所以该方案并不符合设计要求。
方案二：
采用二个红外对管置于小车的前端左右两侧，方向与小车前进方向相同，对小车与障碍物相对距离和方位能作出较为准确的判别和及时反应。
此方案过于依赖硬件、缺乏创造性，而且置于小车左方的红外对管用到的几率很小。
体现不出设计的最优化。
方案三：
采用一只光电开关置于小车中央，一个可调光电传感器装在小车右侧，这样不但能测试到小车前方的障碍物，并可以用于测试到小车右侧的障碍物并通过调整测试距离保持小车与障碍物之间的距离，通过程序的优化小车可以智能的识别障碍物大小并选择合适的路线绕过障碍物回到循迹线上。
通过测试此种方案就能很好的实现小车避开障碍物，且充分的利用资源而不浪费。
能从各方面优化设计和电路的简易化并使程序编写的复杂程度有所降低。
通过比较选方案三比较容易实现小车的要求。
2硬件设计
2.1总体设计思路和方案的确定
救援
升级会员 