毕业论文智能循迹避障小车.docx

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毕业论文智能循迹避障小车

黄冈师范学院

本科生毕业论文

题目:

基于51单片机的循迹避障小车的设计

专业班级：

电子信息工程2012级02班

学号：

201222240208

学生姓名：

郭凯军

指导教师：

丁汝春

论文完成日期:

2016年5月

郑重声明

本人的毕业论文是在指导老师丁汝春的指导下独立撰写并完成的。

毕业论文没有剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范和侵权行为，如果有此现象发生，本人愿意承担由此产生的各种后果，直至法律责任；并可通过网络接受公众的查询。

特此郑重声明。

毕业论文作者（签名）：

郭凯军

自动寻迹、避障智能小车设计

学生：

XX（指导教师：

XX）

（淮南师范学院电气信息工程学院）

摘要:

智能小车是移动式机器人的重要组成部分，本设计通过实时检测各个模块传感器的输入信号，利用红外对管检测黑线实现寻迹,通过光电传感器实现避障，采用存储空间较大的AT89C51作为主控制芯片，小车电机驱动采用L298N芯片，根据内置的程序分别控制小车左右两个直流电机运转，实现小车自动识别路线，能较有效的控制其在碰上障碍物时能转弯角度及寻迹行驶。

且添加可声控模块，实现对小车的声音控制。

本设计结构简单，较容易实现，在一定程度上体现了智能化的科技。

关键词：

智能小车；AT89C51；光电传感器；L298N

DesignofsmartcarforAutomatictracking,obstacleavoidance

Student:

XXX（FacultyAdviser：

XXX）

（CollegeofelectricalandInformationEngineering,HuainanNormalUniversity）

Abstract:

Intelligentvehicleisanimportantpartofmobilerobot,thedesignofeachmodulethroughtheinputsignalreal-timedetectionsensor,thedetectionlinetorealizetracingbyusinginfrared,photoelectricsensortoachieveobstacleavoidance,uselargestoragespaceAT89C51asthemaincontrolchip,motorvehicledriverusingL298Nchip,respectively,tocontrolthecarabouttwoDCmotorwithbuilt-inprocedures,toachieveautomaticcaridentificationroute,canthehitobstaclescanturnangleandtracingrunningeffectivelycontrolled.Andaddsoundcontrolmodule,therealizationofthevoicecontrolcar.Thedesignhassimplestructure,easyrealization,toacertainextentintelligenttechnology.

Keywords:

Smartcar;AT89C51;Photoelectricsensor;L298N

1绪论

1.1课题研究的背景

从工业革命开始，人们就开始了机器人的研究发展，近一个世纪机器人在机械领域，电力电子，冶金，交通，航空航天，国防事业等多方面得到了迅猛的发展。

智能化机器人的不断发展，使得人们的生活方式也得到了不断的改善。

人们在不断探讨、改造、认识自然的过程中，制造能替代人劳动的机器一直是人类的梦想。

目前，在不断改进生产技术，不断提高自动化技术的环境下，智能车的发展得到了空前的发展，且已在众多行业中得到广泛应用，智能车及相关产品的开发已日渐成熟。

而且，在世界经济多元化的环境下，很多国家都在积极开展研究和开发智能车。

在二十世纪高新技术不断发展的时代，移动机器人是成为机器人技术的一个重要分支[1]。

从1966年开始，斯坦福研究院NilsNilssen和charlesRosen等人经过6年的研究，终于开发出一种自主式的移动机器人，且完成了机器人系统的自主推理、规划和控制。

自此时以来，从无到有的移动机器人产生了，伴随着智能车数量的不断增加，移动机器人越来越受到人们的关注，且人类的生活水平也得到了一个提升。

一个拥有感知环境、规划决策，自动驾驶等功能的综合系统，构成了今天的智能车。

它集中地运用了计算机、传感、信息、通信、导航及白动控制等技术[2]，是典型的高新技术综合体。

在原有车辆系统的基础上，智能车添加了一些高新智能技术设备，如

1）用于完成来自外部传感器所获取的道路信息的预处理、分析、识别等工作的计算机处理系统;

2）传感器，用来获得道路实时状况信息的智能车眼睛;

随着微电子技术的不断发展，单片机不但集成程度越来越高，已可以在一块芯片上同时集成CPU、存储器、定时器／计数器、并行和串行接口、A／D转换器、D／A转换器等多种电路，而且体积越来越小，功耗越来越低，这就很容易将计算机技术与测量控制技术结合，组成智能化测量控制系统[3]。

这种技术促使机器人技术也有了突飞猛进的发展，目前的机器人技术发展异常迅速，已经出现了各种各式的用于各种用途的机器人了，机器人的设计与制造已经不是很高难度的事情了，已经具有普及性了。

通过构建智能小车系统，培养设计并实现自动控制系统的能力。

在实践的过程中，熟悉以单片机为核心控制芯片，设计小车的检测、驱动和显示等外围电路，采用算法实现小车的智能控制。

灵活的运用所学的相关学科的理论知识，结合实际电路设计的具体实现方法，达到理论和实际的统一。

在此过程中，加深对理论知识的理解和认识。

且该设计具有实际意义，可以应用于考古、机器人、娱乐等许多方面。

尤其是在玩具机器人研究方面具有很好的发展前景[4]。

所以本设计与实际相结合，现实意义很强境感知、规划决策、自动行驶等功能于一体的综合系统——它集中地运用了计算机、传感、信息、通讯、导航、人工智能及自动控制等技术，是典型的高新技术综合体。

1.2课题研究的主要内容

其实智能车，就是一个机器人，其可以分为三大结构：

传感器检测、机械执行、中央处理器。

智能车通过感知导引线和障碍物，可以实现自动循迹、避障等功能，且可以通过一套完整的控制策略，改善小车的行驶状况，达到更加稳定的状态。

要完成上述的功能设计，传感检测部分可以采用能够感知清晰的图像的摄像头，或者选用人们常用的红外传感器来感测路况。

而智能小车的机械部分，可以采用四轮车（带有舵机）、或者三轮车（前轮为万向轮），电机则只需使用直流电机即可。

对于主控芯片CPU，我们选择简单易用的51单片机或高级复杂额ARM等芯片，通过配合软件编程，可以很好的实现自动寻迹、避障的功能。

2系统方案确定及主要元件的选择

2.1系统方案确定

本次设计的智能小车实现的基本功能如下：

v实时检测路径，并按照指定路线行驶；

v实时检测障碍物，并躲过继续行驶；

v通过声音传感器，来对小车实现声控；

为此以AT89C51为主控芯片，主要包括避障模块、电源模块、声控模块、电机驱动模块等，系统框图如图2.3所示。

通过寻迹及避障传感器来采集周围环境信息来反馈给CPU，通过主控的处理，来控制电机的运转，从而实现寻迹与避障，达到智能行驶。

且本设计添加了声控效果，通过声音传感器来对小车发出指令，让其行驶与停止。

为了能够更好地完成本次设计任务，我们采用三轮车，其前轮驱动，前轮左右两边各用一个电机驱动，调制前面两个轮子的转速起停从而达到控制转向的目的，后轮是万象轮，起支撑的作用，并通过软件程序控制，与硬件架构相结合，从而实线自动寻迹、避障的功能。

图2.1系统总体框

2.2主要元件的选择

2.2.1主控器

按照题目要求，控制器主要用于控制电机，通过相关传感器对路面的轨迹信息进行处理，并将处理信号传输给控制器，然后控制器做出相应的处理，实现电机的前进和后退，保证在允许范围内实线寻迹避障。

方案一：

可以采用ARM为系统的控制器，优点是该系统功能强大，片上外设集成度搞密度高，提高了稳定性，系统的处理速度也很高，适合作为大规模实时系统的控制核心。

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。

若采用该方案，必将在控制上遇到许许多多不必要增加的难题。

方案二：

使用51单片机作为整个智能车系统的核心。

用其控制智能小车，既可以实现预期的性能指标，又能很好的操作改善小车的运行环境，且简单易上手。

对于我们的控制系统，核心主要在于如何实现小车的自动控制，对于这点，单片机就拥有很强的优势——控制简单、方便、快捷，单片机足以应对我们设计需求[5]。

51单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，功耗低、体积小、技术成熟，且价格低廉。

综合考虑，本设计选择选用AT89C51单片机做控制器。

2.2.2供电单元

方案一：

采用单电源供电，通过单电源同时对单片机和直流电机进行供电，此方案的优点是，减少机身的重量，操作简单，其缺点是，这样会使单片机的波动变大，影响单片机的性能，稳定性比较弱。

方案二：

采用双电源供电，通过两个独立的电源分别对单片机和直流电机进行供电，此方案的优点是，减少波动，稳定性比较好，可以让小车更好的运作起。

2.2.3驱动电机选择

方案一：

采用直流电机，优点在于硬件电路设计简单。

当外加额定直流电压时，转速几乎相等，调速性能较好，且性价比高。

对于小车的行驶，能够很好的控制。

方案二：

采用步进电机，步进电机可以实现精确的转角输出，只要施加合适的脉冲序列，电机可以按照人们的预定的速度或方向进行连续的转动，便于控速，但是软件程序的编写较直流电机稍显复杂。

表2.1电机性能对比

对比项

直流电机

步进电机

调速性能

较好

较差

位置控制精度

较差

好

控制难易程度

简单

较难

价格

低

中

综合考虑，本智能车设计决定采用直流电机作为智能车的动力电机。

2.2.4电机驱动器

方案一：

如果电机的开启和关闭控制通过继电器的来控制的话，该方案的优点是电路较简单的[6]，但响应速度很慢，且易损坏，使用寿命短，可靠性不是很高。

方案二：

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

数字电阻元件比较昂贵，且电阻网络实现的调速很有限。

更主要的问题在于一般的电动机电阻很小，但电流很大，分压不仅回降低效率，而且实现很困难。

方案三：

采用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。

线性型驱动的电路结构和原理简单，加速能力强，采用由达林顿管组成的H型桥式电路（如图2.2）。

用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态下，精确调整电动机转速，这是一种普遍使用的PWM技术。

该电路由于在饱和截止模式下工作，效率很高，H桥电路保证速度和方向的简单控制。

图2.2H型桥式电路

H桥电路的调速特性好，且调速范围宽，过载能力强，且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。

因此决定采用使用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。

2.2.5传感器

本设计外围传感部分采集包括三大部分：

寻迹部分，声音部分，避障部分。

寻迹采用红外对管ST188，其采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体组成，采用非接触式检测方式，且检测距离可调范围