自动循迹小车系统 硬件设计开题报告Word下载.docx

1、指导教师 孙伟华 一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义1.1国内外研究动态当今世界，随着计算机技术、控制技术、信息技术的快速发展，工业的生产和管 理也都向着自动化、信息化、智能化方向发展。随着人们生活水平的提高，人们越来 越希望全智能化的生活，智能化的东西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，为工业生产或日常生活提供很大的便利。 在较大规模的实 际自动化生产线上，我们能看到物料配送机器人，它们不分昼夜“勤勤恳恳”地工作， 为批量化的流水线式的生产带来了极大的便利； 在一些医院中，我们能看到一些机器人护士，它们负责分担医生护士们的勤务工作，送递药物、食物

2、、亚麻布和实验试样 至病房，以及代替打扫卫生的阿姨取走垃圾等； 在一些大型的超市，我们能看到一些 商场导游机器人等等。这些机器人是一种能够自动按照给定路线 （通常是采用不同的 颜色或者一些信号标记来引导）进行移动的机器人，当生产现场环境十分恶劣或者许 多人工无法完成的搬运或者装卸时， 机器人却能够适应这样恶劣的环境， 他们运用传 感器、信号处理、电机驱动及自动控制技术来实现路面探测、障碍检测、信息反馈、 自动驾驶的综合体。基于现场和生活的实际需要，研究智能循迹小车的意义不言而 喻。自动循迹小车就是最简单的智能化产品， 通过单片机的控制，能够让其沿着固定 的轨道自动行驶，通过对其的扩展，可以充分

3、的应用在工厂自动化、军事领域、仓库 管理、自动停车系统、智能玩具或民用服务等诸多领域，例如在自动仓库、码头、搬 运、涂装等物流作业部门工作的物流小车就是在此基础上设计出来的。 而且通过对这个课题的学习，通过理论与实践的结合，能够让自己对单片机的了解和应用进一步加 深，另外，通过这次的设计，能够大大提高自己的动手能力，也更大的激发自己的兴 趣。国内外的研究概况：国外智能车辆的始于上世纪50年代，它的发展历程大致 可以分为以下三个阶段：第一阶段：1954年美国Barrett Electronic公司研究开发出了 世界上第一台自主引导车系统，该系统只是一个运行在固定路线上的拖车式运货平 台，但它却具

4、有了智能车辆最基本的特征无人驾驶。第二阶段：从 80年代中后期，在欧洲，普罗米修斯项目于1986年开始了在这个领域的探索，在美洲，美国于 1995 年成立了国家自动高速公路系统联盟，其目标之一就是研究发展智能车辆的可行性， 并促进智能车辆技术进入实用化，在亚洲，日本与 1996年成立了高速公路先进巡航/ 辅助驾驶演剧协会，主要目的是研制自动车辆导航的方法， 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

5、机器人研究所完成 了 Navlab系列的自主车的研究，取得了显著的成就。相比于国外，我国开展智能车辆技术方面的研究开始于 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，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于2003年研制成功了我国第一辆自主驾驶轿车；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，它能根据弯道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；清华大学计算机系智能技

6、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。1.2选题的依据及意义移动机器人是机器人领域的一个分支，他的研究始于 60年代末期，斯坦福研究 院（SRI）的Nits Nilssen和Charles Rosen等人，在1966年至1972年间研制出了名 为Shake的自主移动机器人。进入20世纪80年代以后，人们的研究方向逐渐转移到了面向实际应用的室内移 动机器人的研究，并形成了自主式移动机器人 AMR （Indoor Autonomous Mobi

7、le Robot） 概念。美国国防高级研究计划局（DARPA ）专门立项，制定了地面天人作战平台的 战略计划。从此在全世界掀开了全面研究室外移动机器人的序幕，如 DARPA的“战略计算机”计划中的自主地面车辆（ALV ）计划（1983-1990），能源部制定的为期 十年的机器人和智能系统计划（RIPS） （1986-1995），以及后来的太空机器人计划； 日本通产省组织的极限环境下作业的机器人计划； 欧洲尤里卡中的机器人计划等。初期的研究，主要从学术角度研究室外机器人的体系结构和信息处理， 并建立试验系统进行验证。虽然由于80年代对机器人的智能行为期望过高，导致室外机器人的研究 未达到预期的效

8、果，但却带动了相应技术的发展，为探讨人类研制智能机器人的途径 积累了经验。同时，也推动了其他国家对移动机器人的研究与开发。智能小车作为移动机器人的典型代表，目前国内外的许多大学都在积极投入人 力、财力进行开发。主要表现在大学生的各种大型的创新比赛，比如：亚洲广播电视 联盟亚太地区机器人大赛（ABU ROBCON ）、全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞 赛等众多重要竞赛都能很好的培养大学生对于机电一体化的兴趣与强化机电一体化 的相关知识。但很现实的状况是，国内不论是在机械还是电气领域，与国外的差距还 是很明显的，必须加倍努力，为逐步赶上国外先进水平并超过之而努力。智能小车， 是一个集环境感知、规

9、划决策，自动行驶等功能于一体的综合系统， 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。在移动机器人中，传感器起着举足轻重的作用。视觉、激光、红外、超声传感器 等都在实际系统中得到了广泛的应用。 其中，超声波传感器以其信息处理简单、 速度 快和价格低，被广泛用作移动机器人的测距传感器，以实现避障、定位、环境建模和 导航等功能。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

10、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MC9S12XS128单片机，配合软件编 程实现。该设计的实际意义是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

11、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。 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一一它集中 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一一是典型 的咼新技术综合体。二、研究的基本内容，拟解决的主要问题:系统研究的基本内容：本次设计主要设计了以单片机为核心的智能循迹小车，由自动循迹模块、电机驱 动模块、显示模快、无线通信模块组成。这是一个集自动控制、计算机技术、传感器 以及无线通信技术为一体的综合系统， 它具有自动识别、环境温湿度检测、障碍检测、 自动报警等功能，主要

12、特点是在道路情况较为复杂的情况下能够自动规避障碍， 操纵车辆按照预定的路线行驶。系统设计主要包含以下几个方面的内容：（1）本系统采用线性摄像头采集路径信息， 利用红外探测器扫描周围的障碍物，并 按照指定的路线行驶。（2） 运用基于红外线技术的全自动的人体感应模块以及温湿度检测模块， 实时地监 控周围环境的变化。（3）检测到异常情况时，可进行远程报警。（4）运用RF、GPRS通信技术实现单片机与PC机的无线通信。解决的问题：本系统的研究具有实际的意义：（1）探测危险、排除险情。在夜间无人值班的工厂，各种机器还在“兢兢业业”地 二十四小时不间断地劳作着，由于缺乏人力的监管，周围环境的温度、湿度不

13、符合机器实际的运行要求便非常容易产生故障，并造成较大的后果和经济损 失。如果能够较为灵活和经济地实现对周围环境的检测，对不符合机器运行要 求的环境因素加以控制，便可大大减少事故的发生；同时，在一些较为危险的 机器周围禁止有人员在周围活动，就必须在人物靠近时给出相应的警示， 避免 严重事故的发生。本智能小车能够在沿着指定的路线进行循迹，自身携带的温湿度传感器时刻检测着周围环境温度的变化，一旦检测到异常，及时向车间控制人员发送告警， 提醒其进行恶略环境的排除；配置人体感应模块，感应周围人员的活动情况， 在禁止人员活动的区域检测到人体便立即用蜂鸣器发出警示， 从而有效地避免了严重时态的发生。（2）在

14、办公室中，由于工作空间有限，许多人员往往在同一条过道上来回地走动， 难免会对过道周围正在工作的人员产生干扰。比如拿文件、倒水之类频繁的工 作，完全可以由机器人小车来完成。在一些医院中，我们能看到一些机器人护士，它们负责分担医生护士们的勤务 工作，送递药物、食物、亚麻布和实验试样至病房，以及代替打扫卫生的阿姨 取走垃圾等。本系统配置线性CCD传感器，由于黑色和白色对光线的反射系不同，线性 CCD 可根据反射光的强弱来判断“道路”一黑线的位置。小车便能按照地上任意用 颜色明显区别的线来循迹，便可以把规定的物品送至指定的位置停下， 待人把 物品取走后，再走到下一个指定的地点 （3）智能家居。可以用智

15、能小车进行家具、家用电器的远程控制，当然还可以控制 室温、窗户的打开、关闭等等。对这种小车的研究，将为未来环境探测技术上提供有力支持。三、研究步骤、方法及措施：3.1研究步骤（1）研究各个模块的基本问题。本系统由信息采集模块、单片机控制模块以及相应 的执行模块等几个基本模块组成。研究包含对传感器基础知识、单片机的原理、无线 通信原理以及电机特性等几个知识。（2）发现基本问题，及时参阅资料文献。从人类认识客观世界看，绝大多数研究都 不是孤立和断想的结果。注重文献检索和回顾会使研究者避免走许多弯路，也会使研 究本身具有更大的价值。（3）确定研究的分析方法。研究的分析方法一般指的是用定量的分析方法，

16、还是定 性的分析方法。比如主控系统的选择：根据设计要求，我认为此设计属于多输入量的复杂程序控制问题。据此，拟定了 以下两种方案并进行了综合的比较论证，具体有如下两种方案：1）采用PLC作为主控系统，PLC虽然性能稳定但是价格昂贵，为此，我们不采用 该种方案，进而提出了第二种设想。2）采用单片机作为整个系统的核心，用其控制行进中的小车，以实现其既定的 性能指标。充分分析我们的系统，其关键在于实现小车的自动控制，而在这一点上， 单片机就显现出来它的优势一一控制简单、方便、快捷。这样一来，单片机就可以充 分发挥其资源丰富、有较为强大的控制功能及可位寻址操作功能、价格低廉等优点。 因此，这种方案是一种

17、较为理想的方案。针对本设计特点一一多开关量输入的复杂程序控制系统， 需要擅长处理多开关量的标准单片机，而不能用精简I/O 口和程序存储器的小体积单片机。根据这些分析， 我选定了 MC9S12XS12单片机作为本设计的主控装置。单片机模块MC9S12XS1288片 机是Fresscale公司于2005年推出的HIC12系列的增强型产品，基于S12 CPU内核， 是总线频率为40MHz高速核。它由16位中央处理单元、128KB程序Flash、8KBRAM8KB数据Flash组成片内存储器，很好地适应了本系统的设计要求。（4） 进行数据的收集我们的数据收集主要通过实验法完成。 熟悉了基本模块，便开始

18、系统的搭建和 实验。实验的目是为了得到一个更加适合本系统的参数， 一般文献资料中的数 据只是我们作为参考的对象，要得到适合本系统的最佳参数，还是得通过持续 不断地实验。（5） 数据的处理和分析，得出结论。数据的处理主要是保证数据的准确性， 并将原始数据进行分类，识别出数据的 错误和遗漏。3.2研究方法（1） 实验法实验法是通过主支变革、控制研究对象来发现与确认事物间的因果联系的一种科研方 法。其主要特点是：第一、主动变革性。观察与调查都是在不干预研究对象的前提下 去认识研究对象，发现其中的问题。而实验却要求主动操纵实验条件， 人为地改变对 象的存在方式、变化过程，使它服从于科学认识的需要。第二

19、、控制性。科学实验要 求根据研究的需要，借助各种方法技术，减少或消除各种可能影响科学的无关因素的 干扰，在简化、纯化的状态下认识研究对象。第三，因果性。实验以发现、确认事物 之间的因果联系的有效工具和必要途径。（2） 经验总结法经验总结法是通过对实践活动中的具体情况， 进行归纳与分析，使之系统化、理论化, 上升为经验的一种方法。总结推广先进经验是人类历史上长期运用的较为行之有效的 领导方法之一。（3） 实证研究法实证研究法是科学实践研究的一种特殊形式。其依据现有的科学理论和实践的需要， 提出设计，利用科学仪器和设备，在自然条件下，通过有目的有步骤地操纵，根据观 察、记录、测定与此相伴随的现象的

20、变化来确定条件与现象之间的因果关系的活动。 主要目的在于说明各种自变量与某一个因变量的关系。四、研究工作进度:丿序号时间内容12015.3-4参考资料、了解各个模块的基本内容24.1-4.15外文翻译和文献综述34.16-4.30整理各模块基本问题，了解系统的组成45.1-5.5购买设计所需材料、元器件55.6-5.20组装、完成基本功能测试65.21-5.25收集数据、分析数据10五、主要参考文献:1罗志增，蒋静坪编著.循迹小车感觉与多信息融合 M.北京：机械工业出版社,2003:1-102蔡自兴编著.中国的智能循迹小车研究J. 莆田学院学报，2002,9（3）:36-393杨素行编著.模拟

21、电子技术基础简明教程第2版.高等教育出版社，2005:532-5474余孟尝编著数字电子技术基础简明教程.第2版.高等教育出版社.1999:1-3615康孝胜，王冰基于 MC9S1的智能车系统设计J.信息技术，2010,（ 02） : 24.6闫恒超，郭宇博，王欣.基于MC9S12XS12单片机直流电机控制J.科协论坛，2011, （10） :29-30.7艾宁，刘东，朱丽佳基于CCD摄像头的智能车路径识别及跟踪研究J.电子测量 技术，2009,（ 08） :77-80.六、指导教师审核意见:指导教师签字： 年月日七、系（教研室）评议意见:系（教研室）主任签字： 八、开题小组评审意见:开题小组负责人签字：九、学院领导审核意见：1 通过； 2 完善后通过； 3 未通过学院领导签字：