智能循迹避障小车Word格式文档下载.docx

1、利用红外对管检测黑线与障碍物，并以STC89C52单片机为控制芯片控制电动小汽车的速度及转向，从而实现自动循迹避障的功能。其中小车驱动由L298N驱动电路完成，速度由单片机输出的PWM波控制。关键词：智能小车；STC89C52单片机；L298N；红外对管2004年1月3日和1月24日肩负着人类探测火星使命的“勇气”号和“机遇”号在火星不同区域着陆，并于2004年4月5日和2004年4月26日相继通过所有“考核标准”。火星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；在检测到前进方向上的障碍后，火星车会去寻找可能的最佳路径。 据悉，中国的登月计划分三步进行：第一

2、步，发射太空实验室和寻找贵重元素的月球轨道飞行器；第二步，实现太空机器人登月；第三步，载人登月。随着“神舟”系列飞船和“嫦娥”月球探测卫星的成功发射，第一步接近成熟；第二步中太空机器人登月计划中的太空机器人应该能在月球上自主行驶，进行相关探测。因此对于我国来说，类似于美国“勇气”号和“机遇”号火星车的智能车技术研究也显得迫在眉睫。 目前，城市交通的安全问题己引起各国政府有关部门的高度重视和全民的关注，专家、学者在分析城市交通事故的原因时，普遍认为事故原因主要包括：人员素质、运输车辆、道路环境和管理法规等四个方面，而车辆性能的提高即研发高性能的智能汽车是其中很重要的一个环节。美国研究认为，包括智

3、能汽车研究在内的智能运输系统对国家社会经济和交通运输有着巨大的影响，其意义和价值在于：大量减少公路交通堵塞和拥挤，降低汽车的油耗，可使城市交通堵塞和拥挤造成的损失分别减少25-40左右，大大提高了公路交通的安全性及运输效率，促进了交通运输业的繁荣发展。通过智能汽车的进一步研究与发展，将使汽车变得“聪明”起来，从根本上改变现行汽车的信息采集处理、信息交换、行车导航与定位、车辆控制、汽车安全保证等技术方案与体系结构。驾驶智能汽车在很大程度上可减轻驾驶员的负担和提高交通安全性，若配合城市交通控制系统，实现合理分配交通流，实现交通顺畅，甚至可实现智能汽车 单片机智能循迹小车毕业论文 2 的自动驾驶。正

4、是基于上述优点，国际上正在形成包括智能汽车在内的智能车辆研究、设计与开发的热潮。 随着汽车工业的迅速发展，关于汽车的研究也就越来越受人关注。全国电子大赛几乎每次都有智能小车这方面的题目，全国各高校也都很重视该题目的研究。可见其研究意义很大。本设计就是在这样的背景下提出的。设计的智能小车能够实时显示速度、状态，具有自动寻迹功能。 本文基于单片机控制的设计思想,选用廉价的光电反射传感器,采用专用电机驱动芯片驱动电机,通过PWM调速,从而达到智能控制的目的,实现了小车的智能寻迹,整个系统功能全面在我国，吉林大学智能车辆课题组长期从事智能车辆自主导航机理及关键技术研究。中国第一汽车集团公司和国防科技大

5、学机电工程与自动化学院于2003年7月研制成功我国第一辆自主驾驶轿车。另外，我国清华大学、北京理工大学等单位也正在研发智能车辆。汽车自主驾驶技术是集模式识别、智能控制、计算机科学和汽车操纵动力等多门学科于一体的综合性技术，汽车自主驾驶功能水平的高低常被用来作为衡量一个国家控制技术水平的重要标准之一。智能车辆的相关技术，也将促进轮式机器人的研究。智能小车，也就是轮式机器人，最适合在那些人类无法工作的环境中工作，该技术可以应用于无人驾驶机动车，无人生产线，仓库，服务机器人等领域。以下列举了机器人的一些应用，所有这些用途正逐步渗入到工业和社会的各个层面：在产品检测方面，对零部件、线路板及其它类似产品

6、的检测是机器人比较常见的应用。一般说来，检测系统中还集成有其他一些设备，它们是视觉系统、X射线装置、超声波探测仪或其他类似仪器。在瓦斯、地压检测方面，瓦斯和冲击地压是井下作业中的两个不安全的自然因素，一旦发生突然事故，是相当危险和严重的。但瓦斯和冲击地压在形成突发事故之前，都会表现出种种迹象，如岩石破裂等。采用带有专用新型传感器的移动式机器人，连续监视采矿状态，以便及早发现事故突发的先兆，采取相应的预防措施。在智能轮椅领域，随着社会的发展和人类文明程度的提高，人们特别是残疾人愈来愈需要运用现代高新技术来改善他们的生活质量和生活自由度。智能轮椅主要有口令识别与语音合成、机器人自定位、动态随机避障

7、、多传感器信息融合、实时自适应导航控制等功能。在危险环境下，机器人非常适合在危险的环境中使用。在这些险恶的环境下工作，人类必需采取严密的保护措施。而机器人可以进入或穿过这些危险区域进行维护和探测工作，且不需要得到像对人一样的保护。在水下、太空及远程环境下，机器人也可以用于水下、太空及远程的服务和探测。虽然尚没有人被送往火星，但已有许多太空漫游车在火星登陆并对火星进行探测。如美国的“勇气”号和“机遇”号的主要任务是在火星上探水，它们已分别在其着陆区域附近找到火星上过去曾有过水的证据。 在智能车辆领域，智能小车自动行驶功能的研究将有助于智能车辆的研究。智能车辆驾驶任务的自动完成将给人类社会的进步带

8、来巨大的影响，例如能切实提高道路网络的利用率、降低车辆的燃油消耗量，尤其是在改进道路交通安全等方面提供了新的解决途径。 人类在认识自然、改造自然、推动社会进步的过程中，不断地创造出各种各样为人类服务的工具，其中许多具有划时代的意义。作为20世纪自动化领域的重大成就，机器人已经和人类社会的生产、生活密不可分。因此为了使智能小车工作在最佳状态，进一步研究及完善其速度和方向的控制是非常有必要的。 根据题目的要求，确定如下方案：在小车底盘上，加装光电传感器，实现对小车的速度、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实现对小电动车的智能控制。1.1智能小车的

9、背景智能小车作为现代的新发明，是以后的发展方向，他可以按照预先设定的模式在一个环境里自动的运作，不需要人为的管理，可应用于科学勘探等等的用途。智能小车能够实时显示时间、速度、里程，具有自动寻迹、寻光、避障功能，可程控行驶速度、准确定位停车，远程传输图像等功能。智能循迹小车是一种基于单片机控制的简易自动寻迹小车系统，包括小车系统构成软硬件设计方法。小车以AT89C51 为控制核心, 用单片机产生PWM波，控制小车速度。利用红外光电传感器对路面黑色轨迹进行检测,并将路面检测信号反馈给单片机。单片机对采集到的信号予以分析判断,及时控制驱动电机以调整小车转向,从而使小车能够沿着黑色轨迹自动行驶,实现小

10、车自动循迹寻迹的目的。其技术关键是单片机对传感器的控制及对其反馈信息处理后对电机的精确控制。我们在车身上安装了红外传感器，动作指示灯，以及反应小车运行时间的计时显示模块。小车的每一个动作都会有相应的指示灯。 1， 小车能够灵敏检测路面情况并做出准确的判断。 2， 小车采用前轮驱动，前轮左右两边各有一个电机驱动，通过调整前面两个轮子的转速启停而达到控制转向的目的，后轮是万向轮起支撑的作用，将循迹传感器装在车体的中间和左右轮前，当车身左边的传感器检测到黑线时，主控芯片控制左轮减速，车身向左修正。当车身右边的传感器检测到黑线时，主控芯片控制右轮减速，车身向右修正。从而实现循迹功能。 3，对的各个不同

11、的运动速度和方向，小车都有相应的指示灯显示。 4，小车能够自动记录运行时间，并利用数码管进行显示。 5，核心控制部分采用可在线编程的89S51单片机，可以在不增加系统硬件的情况下方便地对系统进行二次开发。具有很好的拓展功能1.2智能小车的现状现智能小车发展很快，从智能玩具到其它各行业都有实质成果。其基本可实现循迹、避障、检测贴片、寻光入库库、避崖等基本功能，这几节的电子设计大赛智能小车又在向声控系统发展。比较出名的飞思卡尔智能小车更是走在前列。本文介绍了一种基于51单片机的小车寻迹系统。该系统采用四组高灵敏度的光电对管，对路面黑色轨迹进行检测，并利用单片机产生PWM波，控制小车速度。测试结果表

12、明，该系统能够平稳跟踪给定的路径。整个系统基于普通玩具小车的机械结构，并利用了小车的底盘、前后轮电机及其自动复原装置，能够平稳跟踪路面黑色轨迹运行。第二章 设计方案2.1、设计任务要求：（1）车辆从起跑线出发，开始直线行走一段时间。当遇到黑线时，小车自动检测黑线并沿着黑线自动行进。黑线走完之后，直线行走。然后遇到障碍物，通过检测障碍物离自己的距离来判断自己是前进、后退还是左转、右转，最终达到绕过障碍物的目的。（2）小车能够自动记录，自动显示行驶时间，从而判断是否符合要求。（1602必须安装在小车上）。2.2 方案的选择（1）小车控制单元的选择主控部分是整个小车的大脑，是整个小车运行的核心部件，

13、起着控制小车所有运行状态的作用。通常选用单片机作为小车的核心控制单元，本文以STC公司的STC89c52单片机为例予以介绍。STC89c52是一款拥有8K RAM、32 个I/O 口的单片机，它还拥有丰富的处理功能，为小车的功能扩展提供了相当大的空间，只要按照该单片机的要求对其编制程序就可以实现很多不同的功能。此外，STC是国产单片机，价格便宜，性价比更高。（2）小车驱动单元的选择小车驱动电机一般不使用现成的玩具小车上的配套直流电机，而使用减速电机，因为其驱动力更强，优于普通直流电机。考虑到小车必须能够前进、倒退、停止，并能灵活转向，在左右两轮各装一个电机分别进行驱动。当左轮电机转速高于右轮电

14、机转速时小车向右转，反之则向左转。为了能控制车轮的转速，可以采取PWM调速法，即由单片机的IOB8、IOB9输出一系列频率固定的方波，再通过功率放大来驱动电机，在单片机中编程改变输出方波的占空比就可以改变加到电机上的平均电压，从而可以改变电机的转速。左右轮两个电机转速的配合就可以实现小车的前进、倒退、转弯等功能。用单片机控制电机的时候，需要加驱动电路，为电机提供足够大的驱动电流。使用不同的电机，其驱动电路也不同，我们应该根据实际需求选择合适的驱动电路，通常有以下几种方案：方案1：用三极管电流放大驱动电路。三极管是一种常见的电子元器件，价格便宜，也很实用。但是，它仅能驱动单个单片机并且要求所驱动

15、电流不大，而且用三极管搭建驱动电路也很麻烦。方案2：用电机的专用芯片来驱动电机。专用驱动芯片虽说价格稍微贵了一点，但是，专用芯片可同时操作多可电机，且电路连接简单，稳定性好。是一种比较好的驱动电路。考虑到电机的稳定性及便捷性，我们选择了L298芯片作为驱动电机的驱动电路。轨迹选择：方案一、使用简易光电传感器结合外围电路探测。光电传感器实际效果并不理想，对行驶过程中的稳定性要求很高，且误测几率较大、易受光线环境和路面介质影响。在使用过程极易出现问题，而且容易因为 该部件造成整个系统的不稳定。方案二、利用两只光电开关。分别置于轨道的两侧，根据其接受到白线的先后来控制小车转向来调整车向，但测试表明，

16、如果两只光电开关之间的距离很小，则约束了速度,如果着重于小车速度的提升，则随着车速的提升，则势必要求两只光电开关之间的距离加大，从而使得小车的行驶路线脱离轨道幅度较大，小车将无法快速完成准确的导向从而有可能导致寻迹失败。方案三、用四只光电开关。一只置于轨道中间，两只置于轨道外侧，当小车脱离轨道时，即当置于中间的一只光电开关脱离轨道时，等待外面任一只检测到黑线后，做出相应的转向调整，直到中间的光电开关重新检测到黑线（即回到轨道）再恢复正向行驶。现场实测表明，虽然小车在寻迹过程中有一定的左右摇摆（因为所购小车的内部结构决定了光电开光之间的距离到达不了精确计算值1厘米），但只要控制好行驶速度就可保证

17、车身基本上接近靠边行驶。综合循迹的准确性和行车的速度，我们选择了方案三。并采用了ST168光电管。因为ST168采用高发射功率红外光、电二极管和高灵敏光电晶体管组成，采用非接触式检测方式。ST168的检测距离很小，一般为815毫米，因为8毫米以下是它的检测盲区，而大于15毫米则很容易受干扰。经过多次测试、比较，发现把传感器安装在距离检测物表面10毫米时，检测效果最好。传感器的安装正确选择检测方法和传感器件是决定循迹效果的重要因素，而且正确的器件安装方法也是循迹电路好坏的一个重要因素。从简单、方便、可靠等角度出发，同时在底盘装设4个红外探测头，进行两级方向纠正控制，将大大提高其循迹的可靠性，具体

18、位置分布如图1所示。图中循迹传感器全部在一条直线上。其中X1与Y1为第一级方向控制传感器，X2与Y2为第二级方向控制传感器，并且黑线同一边的两个传感器之间的宽度不得大于黑线的宽度。小车前进时，始终保持（如图3中所示的行走轨迹黑线）在X1和Y1这两个第一级传感器之间，当小车偏离黑线时，第一级传感器就能检测到黑线，把检测的信号送给小车的处理、控制系统，控制系统发出信号对小车轨迹予以纠正。第二级方向探测器实际是第一级的后备保护，它的存在是考虑到小车由于惯性过大会依旧偏离轨道，再次对小车的运动进行纠正，从而提高了小车循迹的可靠性。图1红外探头的分布图显示模块选择采用LED显示，LED常见且价格便宜，但

19、是仅能显示数字和简单的字母，且外部电路比较复杂，需要专门的驱动电路实现。 采用LCD1602显示，1602是市面上价格适中的显示器件，不仅仅能显示数字还能显示字母和特殊符号，且支持背光解决了一半LCD显示不够清晰的问题，且有3.3低电压产品，更大的解决了功耗问题。方案三采用LCD12864显示，12864显示效果清晰，且可以显示更多信息，支持中文字库，有很好的人及交换功能，能显示更多更清楚的信息。但是12864显示器市场上价格比较昂贵，且功耗很大，在开背光的情况下耗电非常之大，不易于使用在移动设备上。方案选择使用LCD1602不仅价格适中，且功耗很低，用拥有较好的人机交互价值。且在此方案中仅显

20、示小车需要采集的数据即可，所以本系统采用了低功耗的1602显示器。2.3智能小车元件介绍 （1）正面图示 该系统采用四组高灵敏度的光电对管，对路面黑色轨迹进行检测，并利用单片机产生PWM波，控制小车速度。（2）尾轮安装 （3）尾轮固定板（确保焊接稳定）（4）电机固定（用螺丝刀跟钳子上好即可）（5）循迹传感器安装（注意正负极的焊接，切忌焊反）（6）单片机智能小车核心控制板（7）元件散图（8）电路板图示第三章 硬件设计1、如图单片机最小系统能够运行的必要条件是：（1）电源，（2）晶振电路，（3）复位电路。2、 LCD显示电路本次选用的1602液晶显示屏最主要的是显示小车运行时间。我们将1602的液

21、晶的D0D7数据口接到单片机的P0口；然后将读写选择端（R/W）直接接地；液晶显示对比度调节端（VO）接一个10K的电位器，最后与电源正极相连。3、 循迹模块：红外检测的方法4、 避障模块：采用红外光电避障。 该小车在前进的过程中能够检测到前方障碍并自动避开，达到避障的效果。利用位置器检测道路上的障碍，通过采集数据并处理后由单片机产生PWM波驱动直流电机对车进行转向和行动控制，控慢速行驶，以及自动停车四、软件设计1.主程序框图：0.2.循迹框图：=小车进入循迹模式后，即开始不停地扫描与探测器连接的单片机I/O口，一旦检测到某个I/O口有信号，即进入判断处理程序（switch）,先确定4个探测器

22、中的哪一个探测到了黑线，如果InfraredML（左面第一级传感器）或者InfraredSL（左面第二级传感器）探测到黑线，即小车左半部分压到黑线，车身向右偏出，此时应使小车向左转；如果是InfraredMR（右面第一级传感 器）或InfraredSR（右面第二级传感器）探测到了黑线，即车身右半部压住黑线，小车向左偏出了轨迹，则应使小车向右转。在经过了方向调整后，小车再继续向前行走，并继续探测黑线重复上述动作。由于第二级方向控制为第一级的后备，则两个等级间的转向力度必须相互配合。第二级通常是在超出第一级的控制范围的情况下发生作用，它也是最后一层保护，所以它必须要保证小车回到正确轨迹上来，则通常

23、使第二级转向力度大于第一级，即level2level1（level1、level2为小车转向力度，其大小通过改变单片机输出的占空比的大小来改变），具体数值在实地实验中得到。3.避障框图：4.单片机单元：五、制作安装与调试 该智能小车可以作为机器人的典型代表。它可以分为三大组成部分：传感器检测部分、执行部分、CPU。机器人要实现自动避障功能，还可以扩展循迹等功能，感知导引线和障碍物。可以实现小车自动识别路线，选择正确的行进路线，并检测到障碍物自动躲避。基于上述要求，传感检测部分考虑到小车一般不需要感知清晰的图像，只要求粗略感知即可，所以可以舍弃昂贵的CCD传感器而考虑使用价廉物美的红外反射式传感

24、器来充当。智能小车的执行部分，是由直流电机来充当的，主要控制小车的行进方向和速度。单片机驱动直流电机一般有两种方案：第一，勿需占用单片机资源，直接选择有PWM功能的单片机，这样可以实现精确调速；第二，可以由软件模拟PWM输出调制，需要占用单片机资源，难以精确调速，但单片机型号的选择余地较大。考虑到实际情况，本文选择第二种方案。CPU使用STC89C52单片机，配合软件编程实现。六发展前景智能小车的巡线和避障功能在生产生活中都有着广泛的用途。可以用在大的生产车间的物流系统中，按照预先设定的路线来传输货物自动躲避障碍功能从而使工作更加安全和效率更高。自第一台工业机器人诞生以来，机器人的发展已经遍及

25、机械、电子、冶金、交通、宇航、国防等领域。近年来机器人的智能水平不断提高，并且迅速地改变着人们的生活方式。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，智能小车可以作为机器人的典型代表。电子技术的飞速发展，对自动化要求越来越高，智能汽车检测并完成特殊的任务将成为以后的一个新的发展方向。在危险或不利于人工作业的环境下，利用智能小车替代人工作业完成特殊任务，避免人员伤亡，更可减少经济损失。在世界科学界和工业设计界中，国内智能车辆研究由于起步晚，以及经济条件的制约，在智能车辆研究领域与发达国家有一定的差距，目前开展这方面研究工作的主要包括一些大学和科研单位。随着汽车

26、工业的迅速发展，其与电子信息产业的融合速度也显著提高，汽车开始向电子化、多媒体化和智能化方向发展，使其不仅作为一种代步工具、同时能具有交通、娱乐、办公和通讯等多种功能。关于汽车的研究也就越来越受人关注。全国电子大赛和省内电子大赛几乎每次都有智能小车这方面的题目，全国各高校也都很重视该题目的研究，可见其研究意义很大。本设计就是在这样的背景下提出的，为了适应机电一体化的发展在汽车智能化方向的发展要求，提出简易智能小车的构想。目的在于：通过独立设计并制作一辆具有简单智能化的简易小车，获得项目整体设计的能力，并掌握多通道多样化传感器综合控制的方法，设计的智能电动小车能够具有循迹避障等功能。车辆导航的方

27、法，促进日本智能车辆的整体进步。进入80年代中期，设计和制造智能车辆的浪潮席卷了全世界，一大批世界著名的公司开始研制智能车辆平台。第三阶段：从90年代开始，智能车辆进入到了深入系统、大规模的研究阶段。最为突出的是，美国卡内基-梅陇大学机器人研究所一共完成了Navlab系列的自主车的研究，取得了显著的成就。目前，智能车辆的发展正处于第三阶段，这一阶段的研究成果代表了当前国外智能车辆的主要发展方向。 国内智能车辆的现状研究相比于国外，我国开展智能车辆技术方面的研究起步较晚，开始于20世纪80年代，而且大多数研究尚处于针对某个单项技术研究的阶段。虽然我国在智能车辆技术方面的研究总体上落后于发达国家，

28、并且存在一定的技术差距，但是我国也取得了一系列的成果，主要有：中国第一汽车集团公司和国防科技大学机电工程与自动化学院于2003年研制成功了我国第一辆自主驾驶轿车。该自主驾驶轿车的正常交通情况下的高速公路上，形式的最高稳定速度为为12km/h，最高峰值速度可达170km/h，并且具有超车功能，其总体技术性能和指标已经达到了世界先进水平。上海交通大学应用现代控制理论设计出了一种自动驾驶汽车模型，该模型在汽车系统的动力学建模的基础之上，设计了自动驾驶的专项系统，它能根据玩到的弯曲变化程度实时的计算出车辆的转向盘角度，控制车辆按照预设道路行驶。吉林大学设计并制造了一辆用CCD识别地面铺设的条状路标导航

29、的智能车辆，车辆由图像识别、行驶、转向、制动、避障和其他辅助系统组成。目前，该车可以稳定的跟踪直线、弧线、S型线等轨迹自动行驶，车速可达20km。在国家科工委和国家862计划的资助下，清华大学计算机系智能技术与系统国家重点实验室自1988年开始研制的THMR系列移动机器人取得了很大的成功。它兼有面向高速公路和一般道路的功能，目前已经能够在校园的非结构化道路环境下，进行道路跟踪和避障自主行驶。智能车辆研究也是智能交通系统ITS的关键技术。目前。国内的许多高校和科研院所都在进行ITS关键技术、设备的研究，随着ITS研究的兴起，我国已形成了一支ITS技术研究开发的专业技术队伍。并且各个交通、汽车企业

30、越来越加大了对ITS及智能车辆技术研发的投入，整个社会的关注程度在不断提高。交通部已将ITS研究列入“十五”科技发展计划和2010年长期规划。相信经过相关领域的共同努力，我国ITS及智能车辆的技术水平一定会得到很大的提高。智能小车采用前轮驱动，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。将循迹光电对管分别装在车体下的左右。当车身下左边的传感器检测到黑线时，主控芯片控制左轮电机停止，车向左修正，当车身下右边传感器检测到黑线时，主控芯片控制右轮电机停止，车向右修正。避障的原理和循线一样，在车身右边装一个光电对管，当其检测到障碍物时，主控芯片给出信号报警并控制车子倒退,转向，从而避开障碍物。拟解决的关键问题：（1）单片机最小系统与电机驱动电路的设计，以及电路板的焊制。（2） 循迹模块和避障模块程序的编写，以及软硬件的调制。六 作品总结这个避障循迹小车使我们自己设计硬件、自己编辑软件制作的。在制作的过程中，我们遇到了许多困难，在困难中也学到了许多知识，亦得到了许多乐趣。在这个过程中，我懂得了，遇到困难不要退缩，只有迎难而上，方能成就大事。同时，在学习的过程中，要注意细节。所谓