基于安卓的智能避障小车的设计与实现大学论文.docx
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基于安卓的智能避障小车的设计与实现大学论文
基于安卓的智能避障小车设计与实现
摘要:
汽车是现代人生活必不可少的交通工具，其发展和运用大大加速了人类的生活节奏，也对其他工业发展起到推动作用。
汽车作为最终机械产品，其生产制造及应用与其他设计、生产工业密不可分，同时人类对汽车的需求促进汽车产业快速发展,汽车已经成为当代物质文明与进步的象征及文明形态的一种代表。
但随着汽车走进越来越多的家庭，交通拥挤的状况也越来越严重，交通事故频繁发生，其中由于追尾、倒车碰撞产生的事故则占据了很大比例。
在这种情况下，智能避障小车的设计将改善这一问题。
该系统的设计主要以STC89C52RC为核心控制器，结合了超声波模块、LCD1602显示屏模块、电机驱动模块、电源模块、蓝牙模块从而实现小车的智能化。
在采用的多模块基础上的设计了系统方案，最终经过软件和硬件相结合完成了多个模块的功能。
该系统实现避障的原理是由单片机通过定时器计算超声波发送到接收的时间再算出实测距离。
并且在LCD1602显示屏上将测得的数据显示出来，用户也可以按照显示的数据安全驾驶。
该系统具有成本低廉、易控制、工作可靠、测距准确度高、可读性强和流程清晰等优点。
基于安卓的智能避障小车不但可以用于需要测量距离参数的各种应用场合还可以用于一些娱乐场所、活动。
关键词：
STC89C52RC；LCD1602；超声波；蓝牙；
IntelligentObstacleAvoidanceCarDesignAndImplementationBasedOnTheAndroid
Abstract:
Carisanindispensablemeansoftransportformodernlife,anditsdevelopmentandusehavegreatlyacceleratedthepaceofhumanlife,butalsotopromoteotherindustrialdevelopment.Automobileasthefinalmechanicalproducts,itsmanufacturingandapplicationareclosedtootherdesignandproductionindustry.whilethehumandemandfortheautomobiletopromotetherapiddevelopmentoftheautomobileindustry,thecarhasbecomeasymbolofcontemporarymaterialcivilizationandprogressivesymbolofcivilizationandarepresentative.Nowadaysthecarhasenteredmoreandmorefamilies,meanwhiletrafficcongestionsituationismoreandmoreserious,frequenttrafficaccidents,whichduetorear-end,reversingcollisionaccidentsareaccountedforalargeproportion.Inthiscase,thedesignoftheintelligentbarrierwillimprovetheproblem.
ThesystemisdesignedmainlywithSTC89C52RCasthecorecontroller，combinedwiththeultrasonicmodule,LCD1602displaymodule,motordrivemodule,powermodule,Bluetoothmoduletoachievetheintelligentcar.Theuseofmulti-moduleisbasedonthedesignofthesystemprogram,andultimatelythecombinationofsoftwareandhardwareiscompletedthefunctionofmultiplemodules.Thesystemachievestheprincipleofobstacleavoidancebythemicrocontroller,whichcalculatestheultrasonictransmissiontothereceivingtimeandthencalculatethemeasureddistance.AndthemeasureddataisdisplayedontheLCD1602display,andtheusercansafelydriveaccordingtothedatadisplaying.Thesystemhastheadvantagesoflowcost,easycontrol,reliableoperation,highaccuracy,highreadabilityandclearprocess.BasedonAndrewsintelligentobstructioncarcannotonlymeasurethedistanceparametersofvariousapplicationsbutalsobeusedforsomeentertainment,activities.
Keywords:
STC89C52RC;LCD1602;UltrasonicObstacleAvoidance;TheBluetoothModule;
1绪论
1.1课题研究背景及意义
近几年来计算机、互联网的技术快速发展，智能化技术也在逐步深入和细化。
智能化产物的功能也在不停的完善，并且智能化机器人应用范围的扩展速度也相当的惊人，智能机器人[1]不光在我们日常中应用广泛，在国家安全，外星资源等领域得到了广泛的应用。
所以，智能机器不仅正在推动科学的发展，其同时在它的应用场所将带来更大的社会、经济效益。
由于在未来的生活中我们将大量应用智能化运输车、智能采矿车、智能清洁机器人等全自动化或半自动化机器人，加上当前智能化机器人的设计具有一定的参考意义，智能小车不但可以应用在日常的工作环境下，也可以作为娱乐产品丰富我们的生活。
智能化机器人，是一个集多种技术和功能于一体的多元化设计。
在避障小车的设计中选用了自动化控制技术、信息、传感处理技术、电子工程设计技术，计算机及人工智能技术等多种体系设计，是当前全球科学发展技术最重视的方向之一。
由于科学的不断进步人类创造了多样化的具有类似于人类处理事务的机器，从第一次工业革命至今，人类对机械的创造和发展已经完全覆盖于衣、食、住、行乃至娱乐领域。
二十世纪以来人类对机器人的智能水平不断的在提高，并且由于机器人的到来，我们的生活也在不断地变化，智能机器人的发展速度决定着我们生活变化的速度。
该智能避障系统的设计也是机器人的一个小领域，智能避障小车是一个功能简单，设计难度不高的设计，成本价格低廉。
市面上的智能小车相对来说功能多样化，成本价格相对较高。
智能避障小车系统虽说是其电路布局简单，程序调试方便，但具备很强的趣味性。
智能避障系统的关键技术依附于超声波测距模块，超声波技术具有以下四点优势：
在具体实施中方便、内部计算方便、容易控制、测量准确，这项技术由于能达到未来智能汽车的要求，所以在未来的智能汽车领域将有很好的前景。
在未来汽车一定会实现自动化，在这种情况下，探索超声波技术在智能小车上的使用将具有深远的意义。
该智能避障小车系统的智能小设计，它的灵感来源于生活、工作中急需的机器人。
因为利用了超声波技术，因此它不会受到光线的复杂因素影响，并且其消耗低，工作效率高，甚至能安排到环境较为严峻的地方工作。
该智能避障系统应用了模块化的设计方案，无论从电路还是调试都极为简单、方便，所以本设计还有很大的扩展，在日后的不断学习中，此设计的功能还可以不断拓展，智能避障小车的也可以作为喜爱机器人方面的学生的研究。
该智能避障小车的设计最为重要的目的便是将避障技术用在未来的汽车上。
在驾驶员困倦的情况或者不想驾驶的情况下，智能避障系统在自动驾驶的大系统下将派上用场。
当司机驾驶汽车有危险时，智能系统将发出警报，让司机注意驾驶，假如司机没有做出正确的操作，智能系统将启动尽最大的可能保护司机安全，降低交通事故的发生率。
国家每年都会举行大学生智能小车大赛，并且对全国好的设计给予丰厚的奖励，所以我国对智能汽车的研究还是很重视的。
智能汽车目前不仅在我国是研究的领域的重点，而且这还是全球科技研究的重要领域之一。
1.2国内外的研究现状
1.2.1国内研究现状
随着传感器和单片机控制技术的不断发展，非接触式检测技术已被广泛应用于多个领域。
目前，典型的非接触式测距方法有超声波测距、CCD[2]探测、雷达测距、激光测距等。
其中，CCD探测具有使用方便、无需信号发射源、同时获得大量的场景信息等特点，但视觉测距需要额外的计算开销。
雷达测距具有全天候工作，适合于恶劣的环境中进行短距离、高精度测距的优点，但容易受电磁波干扰。
激光测距具有高方向性、高单色性、高亮度、测量速度快等优势，尤其是对雨雾有一定的穿透能力，抗干扰能力强，但其成本高、数据处理复杂。
国内的早期测距仪是基于机械原理的，但随着世界的电子技术的发展，国内位移测距仪在各方面不甘落后，甚至在某一方面科技含量领先世界。
国内对超声波回报信号处理方法、新型超声波换能器研发、超声波发射脉冲选取等方面进行了大量理论分析与研究，并针对超声波测距的常见影响因素提出温度补偿、接收回路串入自动增益调节环节等提高超声波测距精度的措施。
随着科学技术的不断进步，超声波的应用也越来越广泛。
但就目前技术水平来说，人们利用超声波的技术还十分有限，因此，这是一个正在不断发展而又前景良好的技术。
目前，超声波测距系统可以广泛应用于建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控，如液位、井深、管道长度的测量、移动机器人定位和避障等领域。
与此同时对其的精度要求也越来越高，伴随着经济技术的发展，超声波测距应用的范围也会日益扩大。
1.2.2国外研究现状
国外测距仪表早期大多采用机械原理，但近年来随着电子技术的应用，逐步向机电一体化发展，并且总结了许多新的测量原理。
在传统原理中渗透了电子技术及微机技术，结构有了很大的改善，功能有了很大的提高。
从国外测距仪发展的技术动向看，当前国外测距仪新技术普遍应用，普遍采用电子设计自动化、计算机辅助测试、数字信号处理、专用集成电路及表面贴装技术等。
呈现出智能化测距仪、非接触式测量方式的测距仪、新原理的小型测距[3]。
超声波测距的原理是通过超声波发射装置发出超声波，根据接收器接到超声波时的时间差就可以知道距离了，这与雷达测距原理相似。
超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。
超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离（s），即：
s=340t/2。
1.3主要研究内容
智能小车分为两大主要模块该：
一是小车的避障模块，在该模块下系统通过提前设置安全距离，并将超声波模块测得的值采用LCD1602液晶显示屏显示，同时将值传输给单片机，当测得的值大于设置的安全距离是时，小车保持原有运动状态，当小于设置的安全距离是时，小车进入避障状态，实现智能避障；二是蓝牙控制模块，当小车与手机客户端通过蓝牙连接后，通过手机上的按键发送指令，经蓝牙传输到单片机上，实现对小车的远程控制。
1.4论文结构
该课题是超声波技术在汽车安全方面的运用，并设计完成一种基于安卓的智能避障小车系统，并从系统结构，软件系统，硬件系统，系统测试等方面进行了介绍，对智能避障系统进行了详尽的计划与技术的描述，大体如下。
第1章：
绪论。
介绍该系统的背景和意义，以及目前智能避障技术的现状。
第2章：
系统分析。
介绍了系统的可行性分析和需求分析。
第3章：
系统设计。
介绍该系统的系统构成和元件的选择，要实现性价比高，效果好。
第4章：
系统测试。
介绍了对该系统进行测试的目的，测试方案，测试过程。
第5章：
总结。
对系统进行总结和基于安卓的智能避障小车技术的展望。
2系统分析
2.1可行性分析
随着现代社会科学和技术的发展，汽车这一便捷的交通工具正为越来越多的人所使用，同时，交通事故发生的概率也更高了，相对产生的财产损失和人员伤害也不可避免。
显然，快速发展的交通工具在便利了生活的同时也产生了弊端。
通过调查和许多新闻数据参考，发生的交通事故中一大部分都是由于追尾、倒车产生的。
大多数驾驶员由于视觉盲区，没有及时发现并及时采取相应的措施或者是因为判断失误而操作导致事故伤害加重。
考虑到这些因素，人们开始对汽车安全方面加大了重视程度，比如安装安全气囊等，不过这些都是物理上的采取的减轻伤害的办法，并不能从根本上让这些事故得以解决，无法做到对于危险的预判以至于避免。
这样看来，智能避障小车是以主动式汽车辅助安全的装置有效地保障行车质量，让新手驾驶员和其他情况的驾驶员及乘客安心和放心。
所以这类汽车自动避障系统设计的产品在不久的将来将会有发展的很好而且应用很广泛。
该系统主要从技术可行性，经济可行性，法律可行性这三个方面来分析本次设计确实是切实可行的。
技术可行性。
该系统包含的技术方面如硬件的单片机、软件的keil、Eclipse都在大学期间开设过专业课以及相应的实验课，所以有着相应的技术基础。
51系列单片机有着性价比高、体积小、低功耗等优势。
通过keil软件编写C语言、通过Eclipse编写安卓在功能上、结构性、可读性、可维护性上都有明显优势。
所以在这些技术基础上，想要实现该系统的基本功能是可行的。
综上所述，基于安卓的智能避障小车系统在技术方面是可行的。
经济可行性。
该系统所需要的硬件部分采取的是51系列单片机、超声波模块、LCD1602显示屏以及按键和一部分所需电线都易购买且价格低廉。
软件部分在任意一台安装有keil、Eclipse软件的电脑上都可以完成。
且该系统实物操作简单，效率高，也不需要花费过多的人力、物力。
所以，基于安卓的智能避障小车系统在经济方面是可行的。
从法律方面来说，该系统的硬件部分和软件部分的设计都是由本人单独完成，本人对该系统所涉及的技术、文档内容、源程序代码都具有自主权，因此不用承担任何法律责任，也不触犯任何国家法律，并且没有侵犯任何公司的专利。
所以基于安卓的智能避障小车系统在法律方面也是可行的。
从以上三个方面分别论证了该系统设计的可行性，证明了该系统是一款非常可行的产品。
2.2需求分析
交通工具发展迅速，但是伴随的交通事故也频频发生。
所以如果能够在事故发生前，给驾驶员一个预判情况的报警，让其能提前采取一定的措施，对于交通事故的避免与减少是非常有效果的。
该系统就是在行车过程中给司机一个距离障碍物距离远近的一个数据感或者自动实现避障功能以用来减少汽车追尾、倒车盲区等事故的发生。
2.2.1系统需求
智能避障小车系统的设计目的就是为了让汽车在行驶过程中，对周围障碍物的距离有一个预判概念，减少事故发生。
因为在汽车上，司机的视野会存在一个盲区，司机无法判断盲区是否存在障碍物以及障碍物的距离，在这种情况下很容易导致事故的发生。
所以为了提高驾驶员的行车安全及行车质量，设计该系统是非常有意义的。
2.2.2用户需求
为了让用户直观的对车体与障碍物之间的距离有一个感觉，该系统需要设计一个能够精确测量距离，并能将距离通过直观的方式在LCD1602显示屏显示出来，让用户更方便的体验与使用该功能系统。
总体来说要给用户呈现简单易操作实用的系统，这样才能满足用户需求。
2.2.3功能需求
由用户需求的角度出发，该系统需要具备测量功能，测量功能的实现应该由超声波传感器来实现，以做到在满足用户使用需求的同时，还能体积小，成本少，便于广泛投入使用以及测量精确度高的设计目标。
该系统还需要具备用户可以自主设置装置的避障距离值，因为根据各种车的需求和不同用户的行车需求，安全距离的设置也是需要根据实际情况主动设计的和不可缺少的。
3系统设计
基于安卓的智能避障小车系统充分利用了超声波技术,计算机技术,蓝牙技术,可实现对汽车距离障碍物的测距，并自动避障服务或者进行警报，保护汽车及用户的安全。
其中超声波技术用于测距，计算机技术用于将测得的距离进行显示及判断是否在设定的安全距离之内，再将判断后做出的指令传送给驱动模块，蓝牙技术用于实现远程控制，增加汽车的娱乐性。
基于安卓的智能避障小车系统是智能汽车系统的一部分，由于目前对汽车要求的不断提高，汽车的安全也正在越来越智能化，系统化。
系统结构图如图1所示。
图1系统结构图
3.1STC89C52RC芯片的选择
STC89C52RC[5]是采用8051核的ISP（InSystemProgramming）在系统可编程芯片，最高工作时钟频率为80MHz，片内含8KBytes的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，具有在系统可编程（ISP）特性，配合PC端的控制程序即可将用户的程序代码下载进单片机内部，省去了购买通用编程器，而且速度更快。
STC89C52RC系列单片机是单时钟/机器周期（1T）的兼容8051内核单片机，是高速低功耗的新一代8051单片机，全新的流水线/精简指令集结构,内部集成MAX810[6]专用复位电路。
（1）本次选用的单片机引脚图如图2所示。
图2单片机引脚图
（2）STC89C52RC主要功能特性：
⏹8k可反复擦写（>1000次）FlashROM；
⏹兼容MCS51指令系统；
⏹32个双向I/O口；
⏹256x8bit内部RAM；
⏹3个16位可编程定时/计数器中断；
⏹时钟频率0-24MHz；
⏹2个串行中断；
⏹可编程UART串行通道；
⏹2个外部中断源；
⏹共8个中断源；
⏹2个读写中断口线；
⏹3级加密位；
⏹低功耗空闲和掉电模式；
⏹软件设置睡眠和唤醒功能。
3.2电机驱动模块
L289N[7]是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。
该芯片采用15脚封装。
主要特点是：
工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；额定功率25W。
内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。
使用L298N芯片驱动电机，该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机。
L289N驱动电路如图3所示。
图3L289N驱动电路图
电机
旋转方式
控制
端IN1
控制
端IN1
控制
端IN3
控制
端IN4
输入PWM信号改变脉宽可调速
M1
正转
高
低
/
/
高
/
反转
低
高
/
/
高
/
停止
低
低
/
/
高
/
M2
正转
/
/
高
低
/
高
反转
/
/
低
高
/
高
停止
低
低
/
/
/
高
L298N驱动直流电机控制方式，如表3.1所示。
表3.1L298N驱动直流电机控制方式
3.3超声波避障模块
3.3.1超声波简介
超声波技术是一门以物理、电子、机械、以及材料科学为基础的、各行各业都可使用的通用技术之一。
超声波技术是通过超声波的产生、传播以及接收的物理过程完成的。
该技术在国民经济中，对提高产品质量，保障生产安全和设备安全运作，降低生产成本，提高生产效率特别具有潜在能力。
因此，我国对超声波的研究特别活跃。
3.3.2超声波的三种形式
超声波在介质中可以产生三种形式的振荡波：
横波、纵波和表面波。
横波是质点振动方向垂直于传播方向的波；纵波是质点振动方向与传播方向一致的波；表面波是质点振动介于纵波和横波之间，沿表面传播的波。
横波只能在固体中传播，纵波能在固体液体中和气体中传播，表面波随深度的增加其衰减很快。
为了测量各种状态下的物理量多采用纵波形式的超声波。
3.3.3超声波的物理性质
（1）超声波的反射和折射
当超声波传播到两种特性阻抗不同介质的平面分界面上时，其中一部分超声波被反射回来，另一部分则透射过界面，在相邻介质内部继续传播。
这样的两种情况称之为超声波的反射和折射。
（2）超声波的衰减
超声波在一种介质中传播，其声压和声强按指数函数规律衰减。
3.3.4超声波对声场产生的作用
（1）机械作用
超声波传播过程中，会引起介质质点交替的压缩与伸张，构成了压力的变化，这种变化将引起机械效应。
超声波引起质点的运动，虽然位移和速度不大，但是与超声波振动的频率的平方成正比的质点的加速度却很大，有时足以达到破坏介质的程度。
（2）热学作用
如果超声波作用于介质时被介质所吸收，那么实际上就是有能量的吸收。
同时由于超声波的振动，使介质产生强烈的高频振荡并与介质相互摩擦产生热量，这种能量使介质温度升高。
3.3.5超声波模块流程图
自动避障功能选取的超声波测距模块用以测量智能小车与障碍物的距离，采用步进电机启动超声波模块，再通过程序的设定以实现小车的智
能避障功能。
该系统采用的避障模块使用HC-SR04，HC-SR04测距精确，HC-SR04性能稳定，测距精确，模块高精度，盲区小。
HC-SR04实物如图4所示。
图4HC-SR04实物图
HC-SR04超声波模块流程图如图5所示。
图5超声波模块流程图
HC-SR04主要参数：
工作电压：
DC---5V
静态电流：
小于2mA
电平输出：
高5V
电平输出：
底0V
感应角度：
不大于15度
探测距离：
2cm-450cm
高精度可达0.2cm
烧录完避障程序后，启动智能小车，在自动模式下小车按照烧录的程序运行，当智能小车遇到前方障碍物，系统将给步进电机发送指令给超声波传感器，从而得到与障碍物之间的距离值，判断此值大于设定的值时，智能车继续按照内部指令运行，判断此值小于设定的值时，单片机计算出左侧和右侧的距离，当左侧距离较近时，控制器驱动步进电机左轮正转，右轮反转，实现右转弯，反之实现左转，从而实现避障。
T40-16T/R的特性如下：
●标称频率（KHz）：
40KHz；
●探测距离（m）：
0.02-10；
●外径（mm）：
16；
●类别：
通用型；
3.3.6超声波模块工作原理及参数
超声波模块工作原理：
（1）采用I/O口TRIG触发测距，给至少10us的高电平信号;
（2）模块自动发
升级会员 