智能小车控制系统的设计分析.docx

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智能小车控制系统的设计分析

摘要

随着自动控制技术的迅速发展，自动化技术已广泛应用于国计民生的各行各业。

智能汽车就是自动化技术发展的重要成果之一。

本文介绍了智能小车的研究设计背景与现状及其各个工作模块的工作原理、硬件及软件设计。

本设计中的自动循迹模块采用光电传感器循迹方法，选用RPR220型红外一体式发射接收管作为光电传感器，通过三组光电传感器识别小车的运行姿态。

避障模块利用超声波测距传感器，超声波发射部分的换能器选用TCT40-16T，接收部分选用TCT40-16R，在小车的左前右分别安装一组测距传感器实现避障功能。

设计遥控模块对小车进行启停及加减速控制，通过光电编码实现对小车的测速功能。

设计显示模块从而实时了解小车的运行状态。

选用包含Ｈ桥的L298Ｎ模块，利用PWM驱动小车行驶。

关键字：

循迹，避障，遥控，显示，测速，PWM驱动

ABSTRACT

Withtherapiddevelopmentofautomaticcontroltechnology,automationtechnologyhasbeenwidelyusedinvariousindustriesofthenationaleconomyandthepeople’slivelihood.Smartcarisoneoftheimportantresultsofthedevelopmentofautomationtechnology.Thisarticledescribesthedesignbackgroundandcurrentsituationoftheintelligentcarandtheworkingprinciple,hardwareandsoftwaredesignofthecar’smodules.

Theautomatictrackingofthisdesignusesphotoelectricsensortrackingmethod,andwechooseRPR220asthephotoelectricsensor,whichintegratetheinfraredtransmittingandreceivingtubes,threesetsofphotoelectricsensordistinguishthecar’srunningposture.Obstacleavoidancemoduleutilizesultrasonicdistancesensor.WechooseTCT40-16TastheemittingportionoftheultrasonictransducerandTCT40-16Rasthereceivingportion.Threedistancemeasuringsensorsarerespectivelyfixedonthefront,leftandrightofthecartoachievetheobstacleavoidancefunction.Designremotecontroltocontrolthestart，stop，accelerationanddecelerationofthecar,andweutilizetheoptical-electricityencodertorealizethecar’sspeedmeasuringfunction.Designthedisplaymoduletoknowthereal-timeofthecar.ChoosetheL298NmodulewhichcontainstheH-bridgeandutilizethePWMtodrivetheintelligentcarrunning.

KEYWORDS:

tracking,obstacleavoidance,remotecontrol,display,speedmeasurement,PWMdriving

1绪论

1.1设计背景与意义

2003年6月，“勇气”号火星探测漫游者飞船和漫游车，由DeltaⅡ发射飞往了炽热的红色星————火星。

7个月后，“勇气”号飞船在火星表面着陆。

勇气号漫游车在火星上自主移动，成功抵达了古谢夫环形山。

美国宇航局科学家和工程师事先设计了一系列硬指标作为判断漫游车探测计划是否成功的依据。

按照规定漫游车至少工作90个小时，在火星上行驶总里程至少达到600米，至少造访8个不同地点，必须拍下周围环境的立体和彩色全景照片。

“勇气”号是迄今为止美国发射的最尖端的火星探测装置，其顶部的桅杆式结构上装有全景照相机及具有红外探测能力的微型热辐射分光计。

“勇气”号成功实现了集通信、拍摄和计算等功能与一身。

漫游车能够在火星上自主行驶，当火星车发现值得探测的目标它会驱动六个轮子向目标行驶，在检测到前方的障碍后，漫游车能够自动避开并寻找到达目标的最佳路径。

类似于漫游车，以轮子作为移动机构、能够实现自主行驶的机器人，我们通常称之为智能小车或轮式机器人。

智能小车同传统的遥控机器人不同。

遥控机器人需要人为的实时操控小车的启动、转向、加减速及停止；智能小车通过计算机编程实现其对循迹、避障、加减速的自主控制。

如前文所述火星漫游车就是智能小车的一种，其依靠自主导航软件实现在一定道路条件下的自主行驶，成功完成任务。

智能小车是集环境感知、规划决策、自主行驶等功能于一身的综合系统，集中运用了计算机、传感器、电机、通信、人工智能及自动控制等技术，是典型的高新技术综合体。

同时，在面对当今世界全球化、信息化发展趋势，传统的交通技术和手段已不适应经济社会发展的要求。

智能交通系统是交通事业发展的必然选择，是交通事业的一场革命。

通过先进的信息技术、通信技术、控制技术、传感技术、计算器技术和系统综合技术有效的集成和应用，使人、车、路之间的相互作用关系以新的方式呈现，从而实现实时、准确、高效、安全、节能的目标。

其中无人驾驶将成为智能交通的重要分支。

因此，智能小车不仅在航空航天方面得到广泛应用，还将在智能交通领域展现其巨大的研究设计价值与意义。

1.2当前国内外的研究设计现状及成果

1.2.1国外研究现状及成果

20世纪90年代，以研制高水平的环境信息传感器和信息处理技术，适应性强的移动机器人控制技术，真实环境下的规划技术为标志，展开了移动机器人更高层次的研究。

随着技术的进步，移动机器入开始在更现实的基础上，开拓各个应用领域，向实用化前进。

1997年牛津大学机器人研究小组采用分布式滤波及局部智能控制代理的系统模式，利用卡尔曼滤波方法融合来自摄像机、激光测距、声纳的数据信息，设计出了在已知或未知的工厂环境下工作的移动机器人。

美国国家航空和宇宙航行局（NASA）资助研制的八足行走机器人。

“丹蒂Ⅱ”，作为能实现远程探险的高性能移动机器人，于1994年在斯珀火山的火山口进行了成功的表演。

美国NASA研制的火星探测机器人“sojourner”于1997年登上火星，验证了自主移动机器人在火星表面运动和进行科学试验的可行性。

2003年，美国NASA又派出两个火星着陆器，这两个着陆器上各带勇气号和机遇号火星漫游者，到火星上采集数据．在任务期间，“勇气”创造了日行27.5米的纪录，打破了“sojourner”97年创下的日行7米的记录；“机遇”号也已成功地在火星上进行了多种科学实验。

后来，美国宇航局又在研究另一种新型的火星探测器——火星科学实验室（MSL），是一种适用于所有地形的多用途机器人，执行任务。

德国研制了一种轮椅机器人，并在乌尔姆市中心车站的客流高峰期的环境中和1998年汉诺威工业商品展览会大厅环境中进行了超过36小时的考验，所表现出的性能是其它现存的轮椅机器人和移动机器人所不可比的。

此外，在足球机器人方面，自从1996年成功地举行了第一次世界机器人足球赛以来，现在一年一度的世界机器人足球赛已经吸引了越来越多的团体参加，极大地推进了多移动机器人技术的研究，成为研究和验证人工智能成果的实验床。

为促进无人驾驶车辆的研发，从2004年起，美国国防部高级研究项目局（DARPA）开始举办机器车挑战大赛（GrandChallenge）。

该大赛对促进智能车辆技术交流与创新起到很大激励作用。

在2005年的第二届比赛中，主办方只在赛前2小时提供一张光盘，上面提供了比赛路线上2935个“路点”的方位与海拔等详细资料。

整个赛道有急转弯、隧道、路口还有山路，比赛要求参赛车辆能够自主完成全部路程。

最终斯坦福大学的“斯坦利”，获得了第1名。

具有6个奔腾M处理器的电脑完成“斯坦利”的所有程序的处理。

车辆移动时，4个激光传感器、一个雷达系统、一组立体摄像头和一个单眼视觉系统感知周围的环境。

2006年德国举办了欧洲陆地机器人竞赛（EuropeanLandRobotTrial，简称（ELROB））,德国的参赛车“途锐”取得了冠军。

该车通过影像处理寻找道路，周围景物被处理成3D影像。

该车由光学定向与测距系统对收集的信息进行导航决策，分析哪里是行人哪里是树木。

“途锐”自主行驶了90%的赛程，不过在通过关键十字路口时还是靠手动驾驶。

1.2.2我国研究现状及成果

在国内，从“七五”开始，我国的移动机器人研究开始起步，经过多年来的发展，已经取得了一定的成绩。

清华大学智能移动机器人于1994年通过鉴定。

涉及到五个方面的关键技术：

基于地图的全局路径规划技术研究；基于传感器信息的局部路径规划技术研究；路径规划的仿真技术研究；传感技术、信息融合技术研究；智能移动机器人的设计和实现。

香港城市大学智能设计、自动化及制造研究中心的自动导航车和服务机器人。

中国科学院沈阳自动化研究所得AGV和防暴机器人。

中国科学院自动化所自行设计、制造的全方位移动式机器人视觉导航系统。

在足球机器人研究方面，我国主要在仿真比赛的研究比较早，早起国内的参赛队伍一般都是参加RoboCup仿真组比赛，研究内容主要集中在策略开发方面以及仿真足球机器人。

在RoboCup比赛项目上，清华大学和中国科学技术大学代表了国内最高水平。

中国科学技术大学是国内最早开展RoboCup工作的单位，第一个闯入了世界杯16强。

清华大学则后来居上，哈尔滨工业大学开发研制的Mirosot软件仿真平台在国内得到了很好的应用。

可以说，我们国家在RoboCup仿真比赛中已居于世界前列。

在“飞思卡尔”比赛方面，我国于2006年8月举办第一届“飞思卡尔”杯全国智能车竞赛，当时吸引了来自全国50所高校的112支代表队的参与。

在2007年的第二届智能车竞赛中，来自全国26个省（自治区）、直辖市的130余所院校的242支队伍分为5个赛区进行角逐，比赛场面空前激烈。

值得一提的是安徽理工大学在2011年第六届全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛全国总决赛中获得了全国一等奖，已达国内先进水平。

即将于2013年下半年发射的“嫦娥三号”将实现我国首次月面遥操作控制，将通过月球车对月球进行地面行驶和勘察，实现我国首次对地外天体的直接探测。

“嫦娥三号”携带的月面巡视器，将在无轨道的情况下完成相应的科学任务，实现月球表面探测。

月球遥操作控制是实现该次任务的关键技术，在我国尚属首次应用。

该技术的基础蓝本就是北京飞控中心的谢圆博士的博士论文——《月球车在遥操作中的任务规划技术》。

谢圆博士在该文中论及了月面综合环境建模方法、巡视器任务层路径规划方法以及巡视器基于路径的规划方法。

自主移动机器人的研究虽取得了很大的进展，但是对于复杂的应用，仍不能令人满意，依然存在较大研究设计空间。

1.3本设计的内容及结构

1.3.1设计内容

在本设计中采用87C51单片机作为主控制芯片。

整个控制系统的框图设计如图1-1所示。

图1-1小车的控制框图

通过控制左右驱动的电机转速来控制小车的转向：

若小车向左偏离轨道，则发出控制信号使左轮速度加大，从而使小车按所需向右偏转；若小车向右偏离轨道，则发出相反的控制信号，使小车向右偏转到所需的行驶姿态。

对于智能小车所在轨道的具体位置，可以通过光电检测传感器检测相关信号传送给87C51单片机，单片机通过计算分析判断小车是否正行驶在正常的轨道。

若不偏离轨道，在正常行驶，反之则发出相应的控制命令，实时调整其行驶姿态。

针对小车在轨道上遇到的障碍，如何顺利避开问题。

可以通过超声波测距传感器来测定前方有无障碍，以及判断是何种障碍。

在小车的前方、左方、右方各装一个超声波测距传感器，分别检测各自方向是否有障碍：

若检测到前方、右方有障碍，小车向左转90度；若检测到前方、左方有障碍，小车向右转90度；若检测到前方、左方、右方均有障碍，则小车转180度。

如此小车可以实现检测轨道上的障碍并顺利绕开。

具体流程可参见图1-2。

图1-2小车避障程序流程图

为了实时了解小车的运动状况，诸如速度、是否处于加减速及启停状态，可以通过光电编码盘检测小车的速度等运行状态，通过单片机传送给数码显示管，便可实时反映小车运动状态。

设计五个数码显示管，显示小车的运行状态。

自左向右，第一个数码管显示智能小车的启停状态：

运行显示1，停止显示0；第二个显示小车的加减速状态：

加速显示1，减速显示2；第三、四、五个一起显示小车的运行速度，一位有效数字，单位为m/s。

。

在小车正在轨道正常运行时，若要改变小车运行状态，可以在小车上安装一个遥控信号的接受器，接受从其他地方传送过来的控制信号，实时改变小车运行状态。

如若要使小车加速，操作者可以通过遥控器发出加速信号，通过红外光信号传送给信号接收器，信号接收器接收信号后，将信号传送给主控制芯片87C51单片机。

单片机通过逻辑分析，发出相应的命令给左右轮驱动，驱动电机运转。

1.3.2本文结构

本文利用第一章简要介绍智能小车的研究背景、研究意义、研究现状及本文的架构，从而对智能小车的各方面有个清晰的了解，以便在今后的本设计中有清晰明了的设计脉络。

第二章对本设计所用到的相关原理做简要回顾与介绍。

其中介绍了智能小车利用光电传感器的自动循迹原理、利用超声波的测距避障原理、光电编码盘的测速原理、遥控操纵原理及小车的H桥驱动原理。

通过对各个模块的工作原理有个清晰的了解和认识，为第三章的硬件电路奠定基础。

第三章介绍各个模块的硬件电路图。

第四章设计整个控制系统的软件程序。

2智能小车控制系统的设计原理

2.1智能小车自动循迹原理

智能小车要想在沿着给定的轨道顺利运行，就必须有相应的自动循迹硬件电路及相关软件程序。

小车的运动轨道上画有白线和黑线，小车可以通过光电传感器检测小车与轨道上黑白线的相对位置，即检测小车是否在所期待的轨道正常运行。

下面就其循迹原理及相应传感器工作原理做简要介绍。

2.1.1小车循迹原理

在智能小车的控制系统中，小车有多种循迹方法。

常用的有摄像头循迹和光电传感器循迹。

所谓的摄像头循迹，就是通过摄像头采集小车的路径信息，并传送至控制系统中，从而达到循迹的目的。

摄像头循迹，可以获取大量的图像信息，可以全面完整的掌握路径信息，可以进行较远距离的预测和识别图像复杂的路面，而且具有较强的抗干扰能力，但存在硬件电路复杂，信息处理量大等缺点，及如何对摄像头记录的图像进行分割和识别，加快处理速度等难点。

而光电传感器结构简单，成本低廉，免去了繁杂的图像处理工作，反应灵敏，响应时间低，便于近距离路面情况的检测，但其所获取的路面信息较摄像头传感器而不够全面，只能对路面的情况做简单的黑白检测，检测距离有限，而且很容易受到诸多干扰的影响，抗干扰能力较差，背景光源，器件之间的差异传感器高度位置的差异等都将造成对其干扰。

在本设计中，赛道只有黑白两种颜色，小车只要能检测黑白两种颜色即可采集到准确的路面信息。

因此经过综合权衡决定在本设计中选择能克服上述缺点、且价格低廉、结构简单的光电传感器作为路面信息采集元件来实现小车的自动循迹。

光电传感器主要是利用光照射在不同物质上发生不同物理反应的原理设计而成。

发光器发出的红外光或者可见光照射在白线上，发生漫反射，大部分照射在白线上的光被反射到装在智能小车的接收器上；当发出的光照射在黑线上时，黑线吸收发光器发出的光，由此判断小车的行驶方向，达到自动循迹的目的。

在本设计中，小车的轨道设计成以白线为基底黑线为轨迹的轨道。

使用三个光电传感器间隔一定距离且并排安装在小车的底部。

将小车的循迹分成四种状态：

当三个传感器都检测到黑线时，小车在跑道正上方，小车全速运行；当有一个传感器偏出黑线，小车处于微偏状态，将一个电机速度不变，另一个电机速度调快，纠正运行状态直至三个传感器均检测到黑线；当同侧两个传感器偏出黑线时，小车处于较大偏离状态，将一个电机速度调慢，另一个电机速度调快，纠正运行状态直至正常运行；当三个传感器均偏出黑线时，小车处于很大偏离状态，将一个电机速度降为零，另一个电机全速运行，校正行驶路径直至三个光电传感器均处于黑线上方。

校正流程如图2-1所示。

图2-1小车循迹流程图

2.1.2光电传感器工作原理

光电传感器是通过把光强度的变化转变成电信号的变化来实现控制的。

一般的光电传感器由三大部分组成：

发光器、光接收器和检测电路

发光器对准发光目标（光接收器或者是某种反光物质）发射光束，发射的光束一般来自半导体光源，如：

发光二极管、激光二极管或红外发射二极管。

光接收器接收发光器发出的光（或者反光物质反射回来的光）。

常用的光接收器一般有：

光电二极管、光电三极管及光电池。

为了增强光电传感器的检测灵敏度及精确度，可以再接收器的前面装一个光学元件，如：

透镜、光圈等。

光接收器接检测到的光信号转换成相应的电信号，电信号传递给给相应的检测电路和滤波电路，从而提供正确的有效信号。

2.1.3光电传感器的常用类型

1槽型光电传感器

所谓的槽型光电传感器就是把一个光发射器和一个接收器面对面地组装于一个凹槽的两侧。

正常工作状态下，发光器能够在在驱动电路的工作下发出红外光或者是可见光，光接收器是用来接收发光器所发出的光的。

若发光器与接收器之间没有遮挡物，即槽内无障碍，发光器发出的光可以被接收器接收；反之则不能。

当接收器不能接收到发光器发出的光时，相应的光电开关便动作。

该种传感器能检测的距离很小，一般只有数厘米。

2对射型光电传感器

为了使检测距离增大，可以将发光器和接收器分开组装在相距较远的两个物体上，这就是对射型光电传感器。

对射式光电传感器可以检测较远的距离，一般能达到数米甚至数十米的距离。

使用时将发光器和接收器固定在检测物通过的路径的两侧，检测物通过该光电传感器时，检测物挡住发光器发出的光，接收器检测不到光信号，做出相应的开关动作。

3反光型光电传感器

反光型光电传感器把发光器和接收器装入同一个装置，在其前方固定一块反光板，利用反射原理完成光电控制。

一般情况发光器发出的光可以被光接收器接收，但当传感器与反光板之间有不透光的障碍物时，由反光板反射回来的光就不能被光接收器接收，光电开光就做出相应的动作，输出一个开关控制信号。

4扩散型光电传感器

扩散型光电传感器内装有一个发光器和一个光接收器。

但前面没有挡光板，正常情况光接收器不能检测到发光器发出的光；若发光器前方有障碍物时，发光器发出的光照在障碍物上发生漫反射，将部分光发射回来，由光接收器接收。

光接收器接收到反射回来的光信号，输出一个相应的开关信号。

2.2超声波测距避障原理

智能小车在指定轨道上可能会遇到各种设定的障碍物，因此需要设计相应的避障系统来使小车能够顺利绕开轨道上的各种未知障碍。

从而达到小车智能避障的目的。

超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，器频率超过20KHZ。

超声波的振荡分为横向振荡和纵向振荡两种。

超声波可以在气体、液体及固体中传播，传播速度不等，而且受环境温度变化，常温下声速在空气中的传播速度随温度每升高1

增加0.18%；在水中常温下温度每变化1

，声速变化0.3%。

声速在一些介质中的传播速度表2-1所示。

表2-1超声波在不同各种常见介质中的传播速度

介质

速度（m/s）

介质

速度（m/s）

空气（15

）

340

海水

1531

空气（25

）

346

铜（棒）

3750

软木

500

大理石

3810

蒸馏水（25

）

1497

铝（棒）

5000

煤油（25

）

1324

铁（棒）

5200

超声波有折射和反射现象，而且在传播过程中存在衰减现象，利用超声波的折射和反射特性，可以做成各式各样的超声波传感器。

结合不同的电路，可以制成超声波仪器及装置，在工业生产、航空航天等领域获得了极为广泛的应用。

制造超声波的材料主要是压电晶体。

压电晶体制成的传感器是一种可逆传感器，即不仅可以将施加在其上的电能转化成机械振荡而产生超声波，而且当它接收到超声波时，亦可转换成电能。

故利用压电晶体既可以做超声波发生器，发出超声波，还可以做超声波接收器，检测反射回来的超声波。

由锆钛酸铅或钛酸钡等压电陶瓷材料做成换能器。

通过一定的电路给换能器加一个时间极短的电压脉冲，换能器便将电脉冲转变为超音频的机械振动以超声波的形式在空气中传播，若超声波探测仪的前方有障碍物时，超声波会被障碍物反射回来。

由于换能器是可逆的，将接收到反射回来的机械振动转换为电压脉冲。

用计时电路测定超声波在液体中的来回时间，便可以计算出障碍物距离换能器的距离。

下面介绍三种计算距离的方法：

1忽略车速及环境温度估算距离

当小车速度不是太大时，由于声速在室温下的传播速度在340m/s左右，远远大于小车的形式速度，则从小车上的超声波发射器发出机械振动到接收器接收机械振动时间t很短，在时间t内，小车形式的距离较小。

此时便可忽略小车的行驶速度，即相比于声速，小车相对地面几乎为静止状态。

示意图如图2-2所示。

图2-2忽略车速的测距示意图

若声速取为340m/s。

则此时换能器与障碍物之间的距离s可由式（2-1）求得。

（2-1）

2考虑车速忽略环境温度较为精确的测距算法

当小车的速度较大时，从换能器发出机械波到接收器接收到反射机械波这段时间t内，小车形式了一段不可忽略的距离。

则若想得到较为精确的距离，则不得不考虑小车行驶速度对测距结果的影响，测距示意图如图2-3所示。

图2-3考虑车速的测速示意图

考虑车速对小车行驶路程的影响时，又需分小车是匀速运动与加速运动。

当小车是匀速运动时，小车的行驶速度可由测速模块将测得速度输送给单片机，相关测速原理详见2.3节。

假设测速模块测得速度为

，声速仍不考虑环境温度影响，令

。

设小车在时间t内行驶的路程为

，换能器接收机械波时与障碍物相距

。

有相关运动学知识可得如下关系：

（2-2）

（2-3）

（2-4）

（2-5）

由式（2-2）、（2-3）、（2-4）、（2-5）可以计算得：

（2-6）

当小车加速运动时，由于换能器发出机械波到接收机械波之间时间t较小，速度变化不是很大，可以根据换能器发出机械波时的速度

和换能器接收机械波时的速度

估算出在时间t内，小车运行的平均速度为：

（2-7）

则换能器接收到机械波时与障碍物之间的距离

可由式（2-8）求得

（2-8）

在小车匀速运动情况下，

=

=

。

故式（2-8）也可用于匀速运动时的距离测算

3考虑车速及环境温度的精确测距算法

超声波在空气中传播时，传播速度会受到环境温度影响。

由前文