基于电磁寻迹的智能竞速小车系统设计docx.docx
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基于电磁寻迹的智能竞速小车系统设计docx
摘要
AGV是自动导引运输车（AutomatedGuidedVehicle）的英文缩写。
是指装备有电磁或光学等自动导引装置，能够沿规定的导引路径行驶，具有安全保护以及各种移载功能的运输车，AGV属于轮式移动机器人（WMR――WheeledMobileRobot）的范畴。
智能寻迹基于自动引导机器人系统，可以实现小车自动识别路线。
智能寻迹小车运用传感器、单片机、电机驱动及自动控制等技术实现，管理时自动寻迹导航。
该技术已经应用于无人驾驶机动车、无人工厂、仓库、服务机器人等多种领域。
本文给出了基于电磁寻迹的智能竞速小车控制方法。
该设计采用AT89S51单片机作为小车的控制核心，以电磁传感器作为小车的寻迹模块识别地面铺设通有交变电流的引导线，通过采集信号并将信号转换为单片机可识别的数字信号，利用驱动芯片L298N构成双H桥控制直流电机，实现寻迹功能，仿真结果表明本设计的电路结构简单，容易实现，可靠性高。
关键词：
单片机最小系统；驱动电路；自动寻迹
TheDesignofIntelligentCarSystemBasedonElectromagneticTracingRacing
Abstract
AGVistheabbreviationforGuidedVehicle（Automated）..Isequippedwithelectromagneticoropticalhomingdevicestoalongtheprovisionsoftheguidanceroute,withsafetyprotectionandloadingfunctionoftransportvehicle,AGVbelongstothecategoryofthewheeledmobilerobot（WMR-wheeledmobilerobot.
Automatictracingisusedtomakethecarindentifyrouteautomatically,andchoosingtherightroute,basedontheautomaticguiderobotsystem.Intelligenttracingelectrictrolleyisanadvancedtechnologytorealizeautomatictracingnavigation.Itisoutofhumanmanagementbutunderthedesignedmodethatuseoftheuseofatransducer,singlechip,motordriveandautomaticcontrol.Thistechnologyhasbeenappliedinunmannedvehicle,unmannedfactory,warehouse,servicerobotandmanyotherfields.
Thispaperdiscussestheintelligenttracingelectrictrolleycontrolprocess.DuringthedesignofIntelligenttracingelectrictrolley,AT89S51singleclipisusedasthecontrolcore;atthesametimeelectromagneticsensorsasthecartracingmoduletoidentifythegroundlaidofalternatingcurrentonguideline,whichusedasthecartracingmodule,itcangatherthesignalandtransferitintodigitalsignalthatcanberecognizedbysinglechip.AndthedriverchipL298NconstitutethedoubleHbridgeconstituteofdrivingchipL298Ncancontroldirectcurrentmotor.AmongwhichthesoftwaresystemisusingCprogram.Inanutshell,thedesignofthecircuithastheadvantagesofsimplestructure,easyimplementation,andhighreliability.
Keywords:
singlechipmicrocomputer;drivingcircuit;automatictracing;
第1章绪论
1.1智能寻迹竞速小车概述
智能寻迹小车又被称为AutomatedGuidedVehicle，简称AGV，是二十世纪五十年代研发出来的新型智能搬运机器人[1]。
智能寻迹小车是指装备如电磁，光学或其他自动引导装置，可以沿设定的引导路径行驶，安全的运输车[2]。
工业应用中采用充电蓄电池为主要的动力来源，可通过电脑程序来控制其选择运动轨迹以及其它动作，也可把电磁轨道黏贴在地板上来确定其行进路线，无人搬运车通过电磁轨道所带来的讯息进行移动与动作，无需驾驶员操作，将货物或物料自动从起始点运送到目的地[3]。
AGV的另一个特点是高度自动化和高智能化，可以根据仓储货位要求、生产工艺流程等改变而灵活改变行驶路径，而且改变运行路径的费用与传统的输送带和传送线相比非常低廉[4]。
智能寻迹小车一般配有装卸机构，可与其他物流设备自动接口，实现货物装卸与搬运的全自动化过程。
此外，它依靠蓄电池提供动力，还有清洁生产、运行过程中无噪音、无污染的特点，可用在工作环境清洁的地方[5]。
1.1.1发展历程
随着社会的不断发展，科技水平的不断提高，人们希望创造出一种代替人做一些非常危险或要求精度很高的其他事情的工具，于是就诞生了机器人这门学科[6]。
世界上第一台机器人诞生于1959年，迄今为止已经有50多年的历史，同时机器人技术也取得了飞速的发展和进步，现在已发展成一门包含：
机械、电子、计算机、自动控制、信号处理，传感器等多种类学科为一体的高端、精确、尖端技术[7]。
智能寻迹竞速小车共经历了三代技术创新变革：
第一代是可编程的示教再现型，不装在任何传感器，只采用简单的开关控制，通过编程来设置小车的路径与运动参数，在工作过程中，不能根据环境的变化而改变自身的运动轨迹。
第二代是支持离线编程且具有一定感知和适应环境能力型的，这类小车具有简单的传感器，可以感觉到自身的运动位置，速度等其他物理量，电路是一个闭环反馈的控制系统，能适应一定的外部环境变化。
第三代是智能的，目前在研究和发展阶段，以多种外部传感器构成感官系统，通过采集外部的环境信息，精确的描述外部环境的变化。
智能小车能独立完成任务，有其自身的知识基础，多信息处理系统，在结构化和半结构化的工作环境中，根据环境变化做出决策，有一定的适应能力，自我学习能力和自我组织能力。
为了让寻迹小车能独立工作，一方面应具有较高的智慧和更广泛的应用，研究各种新机传感器，另一方面，也掌握多个多类传感器信息融合的技术，这样寻迹小车可以更准确，更全面的获得所处环境的信息[8]。
1.1.2寻迹分类
（1）电磁感应式
电磁感应式引导一般在地面上，沿预定路径埋电线，当高频电流通过导线，电线周围产生电磁场流动，寻迹小车上安装两个对称的电磁感应传感器，他们收到的电磁信号差异可以反映小车偏离导线的程度[9]。
智能小车的自动化控制系统基于偏差值以控制车辆的转向，连续的动态闭环控制设置能够保证智能寻迹小车对设定路径的稳定自动跟踪[10]。
在目前商业用途中，特别是大型和中型小车，绝大多数都采用电磁感应导航[11]。
（2）激光式
激光式是安装有可旋转的激光扫描器的智能寻迹小车。
激光式小车可安装在墙壁或有高反射激光定位标志的支柱上或者途径上运行，寻迹小车依靠激光扫描器发射激光束，然后接受四周定为标志反射回的激光束，车载计算机，计算出当前车辆的位置和运动方向，通过内置的数字地图和校准位置相比，以实现自动处理[12]。
目前，这种小车的应用比较广泛。
基于同样的原理，如果激光扫描仪被红外线发射器或超声波发射取代，激光制导的智能寻迹小车可以转变为红外引导和超声引导[13]。
（3）视觉式
视觉引导式是发展迅速和比较成熟的一种，这种小车配有CCD摄像机，传感器和车载电脑，在车载计算机设置有它欲行驶路径周围环境图像数库。
在小车行驶过程中，相机得到的图像与图像数库进行比较，以确定当前位置和车辆周围的图像信息，并对驾驶下一步作出决定。
这种小车不需要设置任何人工物理路径，所以在理论上具有灵活性，在计算机图像采集，存储和处理技术飞速发展的今天，它的实用性越来越强[14]。
1.1.3应用领域
（1）制造业
在制造业的生产中智能小车大显身手，它能快速，精确，灵活的完成材料的运送任务，是由多台智能小车组成的物流运输处理系统，与多人工搬运系统比较来说更灵活，运输路线可以根据生产过程及时调整，使一条生产线生产是十几个产品，大大提高了生产的灵活性，企业的竞争力。
在1974年瑞典的沃尔沃卡尔玛的汽车组装厂，提高了运输系统的灵活性，使用以智能小车为载运工具的装配线，使用后，减少了20%的装配时间、减少了29%的组装错误，减少了57%投资资金回收时间以及减少了5%的员工费用。
目前，在汽车主要的生产厂家智能小车已被广泛运用。
近年来，基于计算机的现代集成制造系统的基础搬运工具，智能小车已经深入到机械加工，家电制造，微电子制造，烟草等行业，生产业和加工业已成为智能小车使用最广泛的领域[15]。
（2）仓储业
据调查美国南卡罗来纳州的公司是第一批把智能小车应用到仓库的，来实现出入库货物的自动处理。
至今为止世界上已有更多的厂家把大型或是小型的智能车用在仓库中。
中国的海尔集团在2000年就把九台智能小车投产到自己的仓库区，形成一个灵活的智能自动数据库处理系统，轻松的完成了每天至少33500的储存和装卸货物的任务[16]。
（3）邮局、图书馆、港口码头和机场
在邮局，图书馆，码头和机场候机楼等人口密集的公共场所，存在着大量的物品的运送工作，充满不定性和动态性强的特点，搬运过程也很单一。
智能车有着可并行工作、自动化、智能化和处理灵活的特点，可以很好地满足这些场合的的运输要求。
83年的瑞典某邮局，88年的日本东京某邮局，90年的上海邮政相继开始使用智能搬运小车等等[17]。
（4）烟草、医药、化工、食品
对于处理一些需要在清洁、安全、无排放污染等其他特殊环境要求的产品生产，如烟草、制药、食品、化工等产品时应该考虑到智能车的应用。
在全国许多的卷烟企业，如青岛颐中集团、玉溪红塔集团、红河卷烟厂、淮阴卷烟厂，应用激光引导式智能小车完成托盘货物的搬运工作[18]。
（5）危险场所和特种行业
智能小车不仅在生活生产方面有绝对的优势，在军事方面也有以智能小车为基础的自动驾驶和检测功能的设备，可用于战场侦查和扫雷，英国军方正在开发侦察系统，它具有地雷探测、销毁和路线验证能力自动型侦察车。
在钢铁厂，小车负责炉料运输，大大降低了工人们的劳动强度。
在核电厂的核储存地点使用智能小车，以避免辐射的危险，并且它可在黑暗环境中，准确、可靠的运输物料[19]。
1.2本章小结
本章主要介绍了智能寻迹竞速小车的概念，它的特点以及小车的发展历程、寻迹分类、应用领域等。
第2章智能寻迹竞速小车总体设计方案
2.1整体设计方案
本设计是由51单片机AT89S51接收信号，通过计算占空比产生出对应的PWM信号输出和控制信号输出两路信号，其中一路信号控制L298的使能和方向，另一路PWM波形送L298控制直流电机的速度。
在直流电机中安装霍尔测速传感器，把速度信号传送到AT89S51并进行定时计数，计算出直流电机每分钟的转速，并送LED显示。
2.1.1设计方案
本设计是基于电磁传感器的寻迹智能车，我们在地面铺设通有交变电流的引导线就会在引导线周围产生交变电流的磁场，从而通过检测此磁场引导车辆行驶。
电磁场作为引导智能小车的优点主要体现在磁场信号具有很好强的环境适应能力，不受光线、温度、湿度等环境因素的影响。
鉴于电磁场是矢量场，具有方向性。
对于不同的传感器和传感器的不同摆放方式，探测到的电磁场也是有所不同的。
通过对道路传感器所采集的数据进行分析处理并以车模后轮码盘所采集的数据，来判断小车的方位、姿态、速度等，进而控制小车前轮舵机的摆角和后轮驱动电机的速度，使小车在最短的时间内完成任务。
我们使用单片机作为系统的控制核心，用它来进行信号采样、数据传输等动作，并产生PWM波控制舵机和电机[20]。
2.1.2系统组成
数码显示模块
舵机模块
电机驱动模块
单片机
电源模块
探测轨迹模块
的等等
图2-1智能寻迹竞速小车系统组成
2.2方案论证
2.2.1控制器选择
方案一：
以ATC89S51单片机为核心的控制电路，利用模块化的设计方案，运用传感器检测电路，实现小车在行驶中自动寻迹、躲避障碍物的功能。
并将寻迹过程中遇障次数等数据传至单片机进行处理，然后由单片机根据所检测数据实现对电动小车的智能化控制。
方案二：
智能小车的控制系统是利用各类数字电路组成的。
采用数字电路对外围探测轨迹信号，避障信号进行处理。
但对输入输出都是模拟量的小装置，如果采用数字化方案，则要先用A/D转换器和D/A转换器实现数字量与模拟量之间的转换。
因此，如果这样的话必然带来高成本、电路复杂等缺点。
因此，本方案灵活性不高，效率低，不利于电动小车智能化的扩展。
同时，对各路信号处理也比较困难。
方案三：
freescale系列单片机采用哈佛结构和流 水线指令结构，在许多领域内都表现出低成本，高性能的的特点，它的体系结构为产品的开发节省了大量时间。
此外freescale提供了多种集成模块和总线 接口，可以在不同的系统中更灵活的发挥作用。
具有的特点如：
可靠性高，抗干扰性强，低功耗，多种引脚数和封装选择等等
由于本设计是基于电磁寻迹的，所以为了能够检测到相应的电磁迹并能寻迹移动，主要通过避障传感器和舵机组合来实现，方案基本固定。
需要选择的主要是如何完成小车的寻迹路线，方案及功能相对简单，综合以上三种方案选择方案一。
2.2.2驱动器选择
（1）电机选择
目前接触到的电机一种是直流电机另一种是异步电机，异步电机操作编程比较繁琐，使用环境不太符合，直流电机的控制方法比异步电机简单，只要给电机两条控制线加上适当的电压就能使电机转动，在正常工作电压范围内电压越高直流电机转速越高。
直流电机调速方法分为两种：
一种是调压调速，另一种是PWM调速。
PWM调速就是使加在直流电机两端的电压波形为矩形波，改变矩形波的占空比就能实现电压的改变，从而实现电机转速的改变。
所以选择直流电机[21]。
（2）驱动器选择
方案一：
MC-2205型无刷直流电机驱动器，该驱动器适合驱动小型无刷直流电机。
因为选用新式PWM调制技术，使电机运转速度高、振动小、噪声低、运行平稳。
驱动器采用闭环控制，响应速度高快，控制精度高，启动扭矩大，但是驱动电压要在DC24V-DC36V
方案二：
LMD18200是专用于直流电动机驱动的H桥组件。
在同一个芯片上集成有CMOS控制电路和DMOS功率器件，运用它可以与主处理器、电机和增量型编码器组成一个完整的运动控制系统。
LMD18200广泛应用于机器人、打印机和各种自动化控制领域。
工作电压高达55V，拥有良好的抗干扰性。
方案三：
L298N为电机驱动芯片。
L298N是一个具有高电压、大电流、响应频率高的全桥驱动芯片，一片L298N能够分别控制两个直流电机，同时具有控制使能端。
L298N电机驱动芯片驱动能力强、稳定性好、操作方便，性能优良。
L298N的使能端可以外接电平控制，也可以利用单片机进行软件控制，满足各种复杂电路的需求。
另外，其驱动功力较大，能够根据输入电压的大小输出不同的电压和频率，解决了负载能力不够的问题。
综上所述，鉴于以上三种方案的比较，方案三比较符合本设计需要。
2.3本章小结
本章主要包括设计方案、系统组成、方案论证三个部分，设计方案主要是对于整个毕业论文内容的概括，系统组成划分了整个系统的组成部分，方案论证主要是对系统各个组成部分所选的器件进行论证，在比较中选出对基于电磁寻迹的智能竞速小车系统设计最适合的。
本章方案论证对主要的芯片进行选择，控制器选用的是AT89C51，驱动器选择的是L298芯片。
第3章智能寻迹竞速小车系统硬件设计
3.1单片机最小系统模块
单片机最小系统就是单片机正常工作并发挥其功能时所必须的组成部分，也可理解为单片机是用最少的元件组成可以工作的系统。
对51系列单片机来说，最小系统一般包括：
单片机、复位电路、时钟电路、输入/输出接口设备等。
MCS51软件设计主要由串行显示和逻辑控制两部分组成。
串行显示这种显示方法不占用单片机串口资源，其优点是保留的单片机串口可以做为和主机通讯（或现场总线）的接口，同时又可节省采用并行显示电路设计时大量的外围接口芯片，是一种非常实用的静态显示电路设计方法，同时也能满足需要的逻辑控制要求[22]。
单片机最小系统如图3-1所示。
图3-1单片机最小系统
1、AT89S51单片机引脚说明
引脚功能
MCS-51是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片，引脚分布请参照图3-1，单片机引脚图：
P0.0~P0.7 P0口8位双向口线（在引脚的39~32号）。
P1.0~P1.7 P1口8位双向口线（在引脚的1~8号）。
P2.0~P2.7 P2口8位双向口线（在引脚的21~28号）。
P3.0~P3.7 P2口8位双向口线（在引脚的10~17号）[23]。
这4个I/O口具有不完全相同的功能。
P0口有三个功能：
（1）外部扩展存储器时，当做数据总线
（2）外部扩展存储器时，当作地址总线
（3）不扩展时，可以用做一般的I/O使用，但是内部没有上拉电阻，作为输入或输出时应该在外部接上上拉电阻。
P1口功能：
只做I/O口使用，其内部有上拉电阻。
P2口有两个功能：
（1）扩展外部存储器时，当作地址总线使用
（2）做一般I/O口使用，其内部有上拉电阻；
P3口有两个功能：
除了作为I/O使用外（其内部有上拉电阻），还有一些由特殊寄存器设置的特殊功能，具体的功能请参考我们后面的引脚说明。
上拉电阻：
当作为输入时，上拉电阻将其电位拉高，若输入为低电平则可提供电流源；所以如果P0口如果作为输入时，处在高阻抗状态，只有外接一个上拉电阻才能有效。
具有内部EPROM的单片机芯片（例如8751），为写入程序需提供专门的编程脉冲和编程电源，这些信号也是由信号引脚的形式提供的，即：
编程脉冲：
30脚（ALE/PROG）
编程电压（25V）：
31脚（EA/Vpp） 接触过工业设备的兄弟可能会看到有些印刷线路板上会有一个电池，这个电池是干什么用的呢？
这就是单片机的备用电源，当外接电源下降到下限值时，备用电源就会经第二功能的方式由第9脚（即RST/VPD）引入，以保护内部RAM中的信息不会丢失。
ALE/PROG地址锁存控制信号：
在系统扩展时，ALE用于控制把P0口的输出低8位地址送锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。
（在后面关于扩展的课程中我们就会看到8051扩展 EEPROM电路，在图中ALE与74LS373锁存器的G相连接，当CPU对外部进行存取时，用以锁住地址的低位地址，即P0口输出。
ALE有可能是高电平也有可能是低电平，当ALE是高电平时，允许地址锁存信号，当访问外部存储器时，ALE信号负跳变（即由正变负）将P0口上低8位地址信号送入锁存器。
当ALE是低电平时，P0口上的内容和锁存器输出一致。
关于锁存器的内容，我们稍后也会介绍。
在没有访问外部存储器期间，ALE以1/6振荡周期频率输出（即6分频），当访问外部存储器以1/12振荡周期输出（12分频）。
从这里我们可以看到，当系统没有进行扩展时ALE会以1/6振荡周期的固定频率输出，因此可以做为外部时钟，或者外部定时脉冲使用。
PORG为编程脉冲的输入端：
在单片机的内部结构及其组成中，8051单片机内部有一个4KB或8KB的程序存储器（ROM），ROM的作用就是用来存放用户需要执行的程序的，把编写好的程序存入进这个ROM中的方法实际上是通过编程脉冲输入才能写进去的，这个脉冲的输入端口就是PROG。
PSEN为外部程序存储器读选通信号：
在读外部ROM时PSEN低电平有效，以实现外部ROM单元的读操作。
（1）内部ROM读取时，PSEN不动作；
（2）外部ROM读取时，在每个机器周期会动作两次；
（3）外部RAM读取时，两个PSEN脉冲被跳过不会输出；
（4）外接ROM时，与ROM的OE脚相接。
EA/VPP访问和程序存储器控制信号：
（1）接高电平时：
CPU读取内部程序存储器（ROM）
扩展外部ROM：
当读取内部程序存储器超过0FFFH（8051）1FFFH（8052）时自动读取外部ROM。
（2）接低电平时：
CPU读取外部程序存储器（ROM）。
在前面的学习中我们已知道，8031单片机内部是没有ROM的，那么在应用8031单片机时，这个脚是一直接低电平的。
（3）8751烧写内部EPROM时，利用此脚输入21V的烧写电压。
2、时钟电路
在AT89S51单片机的内部有一个用于组成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是放大器的输入端和输出端。
时钟分别可以由内部方式产生或外部方式产生。
在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。
定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。
从XTAL1接入，如图3-2所示。
由外部时钟信号经过二分频触发后作为外部时钟电路输入的，所以对外部时钟信号的占空比没有要求[24]。
本设计采用的是12MHZ无源晶振和2个22pF电容，因此获得得一个机器周期是1微秒。
晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号，而两个电容是起到并联谐振的作用，如果没有电容，振荡电路会因为没有回路而停振，电路不能正常工作。
图3-2时钟电路
3、复位电路
复位电路的作用：
在上电或复位过程中，控制CPU的复位状态。
在单片机工作过程中让CPU保持复位状态，而不是一上电或复位完成就继续工作，为了防止CPU发出错误的指令、执行有误操作，也可以提高电磁的兼容性能。
本设计使用的89系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。
施密特触发电路是一种波形整形电路，当任何波形的信号进入电路时，输出在正、负饱和之间跳动，产生方波或脉波输出。
与比较器不同，施密特触发电路由两个临界电压形成一个滞后区，可以防止在滞后范围内
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