基于激光智能车的课程设计.docx

1、基于激光智能车的课程设计基于激光智能车的设计摘要：整个小车平台主要以51单片机为控制核心，通过无线遥控实现前进后退和转向行驶；通过红外线传感器,实现小车的自适应巡航、避障等功能。设计采用对比选择，模块独立，综合处理的研究方法。通过翻阅大量的相关文献资料，分析整理出有关信息，在此基础上列出不同的解决方案，结合实际情况对比方案优劣选出最优方案进行设计。将各个调试成功的模块结合到小车的车体上，结合程序，通过单片机的控制，将各模块有效整合在一起，达到所预期的目标，完成最终设计与制作，能使小车在一定的环境中智能化运转。关键词：智能;红外线传感器;自动寻迹;语音控制;综合处理Count With Moto

2、r Operation Control Switch Abstract：The whole car platform mainly by 51 single chip microcomputer as control core, through the wireless remote control to realize to drive forward backward and; Through infrared sensors, realize the small car adaptive cruise, obstacle avoidance, and other functions.In

3、dependent design USES contrast to choose, module, integrated processing methods. Browse through a large number of relevant literature, analysis and sorting out relevant information, on the basis of this list of different solutions, combined with actual situation compared to plan and select the optim

4、al design. Finally combine the modules of various debugging success on car body, combined with the program, through the single-chip microcomputer control, to effectively integrate various modules together, achieve the expected goals, complete the final design and production, can make the car intelli

5、gent operation in a certain environment.Key words: Intelligent;Infrared sensor; Automatic tracing;Voice control;Comprehensive treatment引言智能化作为现代社会的新产物，是以后发展的主要方向，可以让它按照预先设定的模式在一个特定的环境中自动的运作，无需人为的管理，便可以完成我们预期所要达到的或者更高的目标。智能车也就是轮式移动机器人，它是一种集环境感知、决策规划、自动行驶等功能于一体的综合智能系统，智能车集中地运用了自动控制、模式识别、传感器技术、汽车电子、电气、

6、计算机、机械等多个学科的知识1 。随着控制技术、计算机技术和信息技术的不断发展，智能车在工业生产和我们日常生活中已经扮演了非常重要的角色。近年来，智能车在野外、道路、现代物流及柔性制造系统中都有广泛的运用，已成为人工智能领域研究和发展的热点。目前，智能车领域的研究已经能够在具有一定标记的道路上为司机提供辅助驾驶系统甚至实现无人驾驶，这些智能车的设计通常依靠特定道路标记完成识别，通过推理判断模仿人工驾驶进行操作2。本文所述智能车就是一种自动导引小车,能够在特定的区域内沿着轨迹自动的行进。1953年，美国Barrett Electric公司制造了世界上第1台采用埋线电磁感应方式跟踪路径的自动导向车

7、，也被称作“无人驾驶牵引车”(automated guided vehicle，简称AGV)。这些自动导向车主要用于自动化仓贮系统和柔性装配系统的物料运输3。20世纪60年代和70年代初，AGV仍采用这种导向方式。但是，20世纪70年代中期，具有载货功能的AGV在欧洲得到了应用并被引入到美国。这些自动导向车主要用于自动化仓储系统和柔性专配系统的物料运输。在20世纪70年代和80年代初，“智能车”的应用领域扩大而且工作条件也变得多样化，因此，新的导向方式和技术得到了更广泛的研究与开发4。自动导向无轨行走车辆常用蓄电池作为动力源，它是机电一体化的典型5。AGV技术在汽车工业上有着广泛的用途，欧洲和

8、美、日等国的汽车生产工业在80年代就开始大量使用AGV技术，现已成为比较成熟的技术。智能车有着极为广泛的应用前景6。结合传感器技术和自动驾驶技术可以实现汽车的自适巡航并把车开得又快又稳、安全可靠；例如当汽车在夜间里行驶的时候，如果汽车装上了红外传感摄像头，这样就能实现了在夜晚的汽车安全驾驶；同样它也可以工作在高空外墙、码头、工厂实验室或易燃、易爆、有毒、有害的恶劣环境里，此外它还能承担起无人的巡逻、监视，物料的运输、厂房的消防灭火等危险任务。同样在日常行车驾驶中，智能车的研发也是有它独特的意义，好比在雾霾阴雨能见度差的天气下，人工驾驶往往会因为视野迷失而发生碰撞，若配置上了这样的传感器，激光传

9、感器雷达引擎会自动搜索检测前面的障碍物，当有危险时，电脑会自动的让汽车停下，那么事故就不会发生了。“飞思卡尔”杯全国大学生智能车大赛是由摩托罗拉旗下飞思卡尔公司赞助并由高等学校自动化专业教学指导委员会负责主办的全国性的赛事，旨在加强大学生的创新意识、团队合作精神和培养学生自主动手的创新能力。此项赛事专业知识涉及控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科，对学生的知识融合和动手能力的培养，以及对高等学校控制及汽车电子学科学术水平的提高，具有良好的推动作用7。首先，韩国借助于我国当前蓬勃发展的汽车工业，致力于全新的智能汽车技术在年轻一代中的跨越式发展，在全世界率先开展了大学生

10、智能汽车竞赛。从概念的引进到实验室研究的实现，再到现在高端领域，例如航天航空、军事、勘探等的应用，这一过程为智能化的全面发展奠定基石。智能化全面的发展是实现其对资源的合理充分利用的一个表现，以尽可能少的投入得到最大的收益，大大提高了工业生产的效率，实现现有工业生产水平从自动化向智能化升级的局面，实现当今智能化发展由高端向大众普及8。其次，以韩国大学生智能汽车竞赛为蓝本，我国也组织了自己国内大学生智能汽车竞赛，旨在加强大学生的实践、创新能力和团队合作精神的培养，也主办了每年一度的全国大学生智能汽车竞赛。随着飞思卡尔智能汽车大赛的影响力加大，全国各类学校踊跃参加此项赛事，场面也越来越壮观，技术上也

11、越来越成熟，各支队伍在技术上的创新也越来越多，对全国高校学子的各项能力发展起到很大的作用。全国大学生智能汽车竞赛已经举办了几届，比赛规模在不断扩大、比赛成绩不断提高、比赛的要求也越来越严格。通过比赛，促进了学校的全面素质教育，培养了大学生的自主动手创新能力、创新意识和团队合作精神，激发了大学生追求科学研究与探索的劲头，倡导理论联系实际、求真务实的学风和团队协作的人文精神，为培养优秀人才打下坚实的基础。1激光智能汽车系统分析与设计1.1设计思路本设计以智能化全面发展的普及与应用为目的，整体开发过程主要简单易懂，所选择的平台与各电子元件也相对恰当合理，无需花费过多的人力财力就能够达到预期所要求各功

12、能的实现，也符合课题研究的意义。设计的理论方案、分析方法及特色与创新点等可以为国内自动运输机器人、采矿勘探机器人、家用自动清洁机器人等自动半自动机器人的设计与普及有一定的参考意义。小车也可以作为玩具的发展对象，为中国玩具市场技术含量的缺乏进行一定的弥补，实现经济收益，形成商业价值。对学生的思维、动手能力以及总结论述等综合能力得到充分锻炼，有利于以后独立及全面的发展。设计主要以简易智能机器人为开发平台，选择通用、价廉的51单片机为控制平台，选择常见的电机模型车为机械平台，通过细化设计要求，结合传感器技术、电机控制技术、无线通信技术等相关知识从而实现小车的各种功能。1.2设计要求设计完成以由无线电

13、遥控、红外线对管的自动寻迹、红外线自动避障以及语音控制组成的硬件模块结合软件设计组成多功能智能小车，共同实现小车的前进倒退、转向行驶，自动寻迹导航，检测障碍物后停止和语音信号的控制等功能，实现智能控制，达到设计目标。以两直流电动机为主驱动，通过各类传感器件来采集各类信息，送入主控单元AT89C51单片机，处理数据后完成相应的动作，以达到智能控制。电机驱动电路采用高电压，高电流，四通道驱动的集成芯片L293D；避障采用红外线收发来完成，自动寻迹则采用红外线接收二极管完成；无线遥控则是采用带有PT2272解码的TDL-9915接收模块和带有PT2262编码的TDL9988-4发送模块完成，然而附加

14、功能的语音模块是以柱极式话筒脉冲波经过处理后完成的。最后由控制单元处理数据后通过汇编程序有序合理的将各模块信号整合在一起并完成相应动作，实现了智能控制，相当于简易机器人9。2系统主要硬件电路总体设计2.1系统论证方案与比较图2-1单片机控制系统原理框图通过收集的各硬件模块资料信息，对其进行有效的分析选择，最终选出最合理的设计方案方案一：采用各类数字电路来组成小车的控制系统，对外围避障信号，各路趋光信号进行处理等。本方案电路复杂，灵活性高，效率低，不利于小车智能化的扩展，对各路信号处理起来比较困难。方案二：采用AT89C51单片机来作为整机的控制核心单元。红外线探头选用的是市面上简单而且通用的发

15、射管与及接收头，经过单片机调制后发射。路线寻找采用的是红外线管对路面信号采集，送到单片机系统处理，同样也包括了无线遥控信号和语音控制信号。此系统相对比较灵活，可以采用软件方法来解决复杂的硬件电路部分，使系统硬件简洁化，各类功能易于实现，能很好地满足题目的要求10。比较以上两种方案的优缺点，方案二简洁、灵活、可扩展性好，能达到题目的设计要求，因此采用方案二来实现。本系统可由图2-1所示的几个部分组成，其中传感器的原理框图如图2-2所示控制信号输出信号图2-2传感器原理框图2.2单片机主机系统电路AT89C51单片机是51系列单片机的一个成员，是8051单片机的简化版。内部自带2K字节可编程FLA

16、SH存储器的低电压、高性能COMS八位微处理器，与Intel MCS-51系列单片机的指令和输出管脚相兼容。因为能够把多功能八位CPU和闪速存储器完美的结合在一个细小的芯片中，因此，AT89C51它所构成的单片机系统可以说是结构最简单、造价最便宜、工作效率最稳定的微控制处理系统，省去了外部的RAM、ROM和接口器件，减少了硬件开销，节省了成本，提高了系统的性价比。图2-3单片机主机系统图2.2.1时钟电路校单片机里存在的时钟信号主要用来停工单片机片内各种微操作的时间准，时钟信号一般只有两种电路形式获得到:内部振荡和外部振荡。例如我们所知道的MCS-51单片机，它的内部有一个用于构成振荡器的高增

17、益反向放大器，引脚XTALl和XTAL2分别是此放大电器的输入端和输出端，因为当采取内部方式时，电路简单，输出的时钟信号也比较稳定，在实际的使用也常采用这种方式，如图2-3所示在其外端口接上晶体振荡器(简称晶振)也就构成了内部振荡，片内高增益反向放大器和用作反馈元件的片外石英晶体可形成一个自激振荡器，而且它们能够输出振荡时钟脉冲信号。图2-3中的并联谐振电路为电容C2和C1和外接晶体，它们的作用是快速起振和稳定振荡频率、，因为它们的值均为30P左右，晶振频率则应选12MHz较为合适。2.2.2复位电路电路中的复位，目的在于初始化单片机内部的某些特殊功能寄存器，复位后CPU及系统各部件能够处于一

18、个确定的初始状态，并从确定的初始状态开始运行。通常的情况下，单片机主要是靠外电路来实现的复位功能的，例如在运行时，只要RST引脚上出现两个机器周期或者两个周期时间以上的高电平，系统即可引起复位，但如果RST引脚上一直为高电平，那么单片机就会一直循环复位状态。复位后的系统将输入/输出(1/0)端口寄存器置为FFH，堆栈指针SP置为07H, SBUF内置为不定值，其他的寄存器则会全部清0，不受复位不会影响内部RAM的状态，当系统上电时RAM的储存内容是不变的。复位操作存在着两种情形，也就是上电复位和手动(开关)复位。此系统为简单的上电复位方式。图2-3中R9和Cl结合为上电复位电路，其值R取为10

19、K, C取为22pF。如图2-4是上电复位及按钮复位的一种实用电路。图2-4复位电路2.3电机的论证与选择方案一：采用普通的直流电机。直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调整范围广，过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无数快速启动、制动和反转。方案二：采用步进电机。步进电机的一个显著特点是功耗高，且需有驱动口，如果负荷不超过步进电机所能提供的动态低值，就能够立即使步进电机启动或反转。另一个显著特点是转换精度高，正转反转控制灵活11。考虑到时间的限制，同时普通的直流电机电路设计相对简单且容易获得，所以在设计小车行走过程中采用选择方案一的现成的直流电机作为动力驱动。2.4模块方

20、案比较与选择2.4.1电机驱动方案比较与选择方案一：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过控制开关的切换速度实现对小车的速度进行调整。这个电路的优点是电路结构简单，其缺点是继电器的响应时间长，易损环，寿命短，可靠性不是很高。方案二：小车行走电路采用两对互补型晶体管8550（PNP）型和8050型（NPN）接成桥式电路。用AT89C51软件编程来控制各晶体管导通，分别对应电机的正转与反转，同时为了达到效果我将控制电路电源和电动机电源隔离开来，在桥式电路之前加了光电耦合器（U5B TP521-2），该电路的优点是电路简单，通过单片机的软件控制互补型晶体管的导通与截止，方便的调整电动机的运动状态。

21、缺点是当两个输入端都为高电平时，驱动电路的三极管同时导通，容易烧坏晶体管。方案三：（1）车库拦栅控制部分采用集成电路L298N和二极管IN5408组成的电路来作为驱动，其原理如同方案二，同样利用晶体管的导通与截止来驱动电机的转动。L298N内部包含有四通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器，即双全桥式驱动器存在二个H桥的高电压大电流，接收标准的TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。电流采样电阻器可以由1脚和15脚可单独引出连接，形成电流传感。因此对步进机来说，可以非常好的对其驱动。（2）采用驱动步进机专用芯片ULN2003A，该芯片电路简单，容易控制，但驱动力比较大。在

22、本次设计中的小车行走电路，由于继电器对设计中的种种限制，所以采用方案二中的8050和8550组成的桥电路。对车库拦栅控制部分，因为题目要求电机能够自如提起放下拦栅（重量比较重），因此我们采用驱动力比较大的L298N来驱动。图2-5电动机PWM驱动电路该电路的工作原理如下所示：电动机驱动由单片机两路输入，可分为四种情况讨论：（1）当A端输入为低电平、B端输入为高电平时，使Q1、Q4管截止，Q2、Q3管导通，电动机正转。 （2）当A端、B端输入都为高电平时，经过光电传输，使Q1、Q2、Q3、Q4管都截止，电动机不运转。 （3）当A端输入为高电平、B端输入为低电平时，使Q1、Q4管导通、Q2、Q3管

23、截止，电动机反转。（4）当A端、B端输入都为低电平，经过光电传输，使Q1、Q2、Q3、Q4管都导通，这在电路中是不允许出现的现象.考虑到电动机的启动时电流很大，而且电动机波动较大，容易造成电压不稳、等干扰，我运用了P521光耦集成块，将控制部分与电动机的驱动电路隔离开来，确保安全。2.4.2探测障碍物方案比较与选择主要实现小车的避障处理，当小车检测到前面有障碍物时，由单片机发出指令实现小车停止功能。方案一：采用超声波测距障碍。超声波测距模块利用其测距原理可以可靠地判断小车前方是否有障碍物，如果传感器接收到反射回来的超声波，则通过单片机来控制小车前进路线。但是超声波受环境影响较大，电路复杂，而且

24、地面对超声波的反射，会影响系统对障碍物的判断。方案二：采用红外对管的红外探测法，即发射的红外线在遇到不同颜色的物体表面时反射会不一样的特点，当小车行驶的过程中，不停地向地面发射红外线，当红外线遇到白色的地板时发生反射，反射的光则会被接收管接收；如果遇到黑线，则红外线会被对方吸收，小车上的接收管也就接收不到红外线12。由此过程来改变接收管的输出电压，单片机以电压的变化为依据来执行小车电机确定行走路线。外界对红外信号的干扰比较小，且易于实现，价格也比较便宜。通过比较以及材料够得的容易情况，选择了方案二中红外对管电路比较合理。在此模块中主要实现小车的避障处理，只是为了实现更好的避障效果（主要是距离问

25、题），所以采用了自制红外接发电路。本模块主要有两部分组成，38KHZ的红外发射模块和接收比较模块，采用38KHZ频率段是能有效的排除可见光的干扰，实现避障有效距离50CM左右，更好的完成对电机的控制。如图2-6 红外线避障电路原理图图2-6红外线避障电路原理图接通电源后，电容C被充电当2脚上升到2/3，使3脚为低电平，同时内部三极管T导通，此时电容C通过和T放电，下降，当下降到/3时，翻转为高电平。当放电结束时，T截止，通过、向电容C充电，上升到/3时，电路又翻转为低电平，如此周而复始，于是，在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波，由3脚输出，再通过三极管9013驱动后由发射管发出并由接收模块

26、接收实现单片机控制。2.5光源与显示2.5.1光源检测方案一：利用光敏电阻组成的电路。当光敏电阻检测到光源时，光敏电阻对是否接受到光源时会产生高低不同的信号脉冲，这样将信号传给单片机从而控制小车向光源行使到达车库13。方案二：利用红外发射、接收器组成的电路，具有可大幅度减少外界干扰，灵敏度高，信噪比强等优点,但是，电路复杂、调试难度大。另外，电动车进入车库后，要求小汽车能够立即停车，通过红外发射、接收器检测车库障碍物，然后通过单片机动作使电动车立即刹车。但容易车身压线，不符合题目要求。因此，不采用此方案。基于上述理论分析，选择方案一。设计中，在车头安装了两个光敏电阻，把电动车引到有光源的车库，

27、原理是这样的：当左边的光敏电阻检测到光源时，小车会往左转，当右边的光敏电阻检测到光源时，小车会往右转。加上其他传感器的信息采集，从而让小车准确如库，其电路原理图如图2-7所示。图2-7光源检测电路原理图2.5.2显示部分方案一：采用LED数码管显示小车行驶的时间和路程以及拦栅上升时间和高度，在本系统中要用到10只LED数码管进行动态显示即可达到要求。其优点是价格便宜，寿命长；缺点是只能显示09的数字和一些简单的字符，电路设计繁锁，且占用空间。方案二：采用LCD（12864）液晶显示，其优点是能显示更多的字符，工作电流比LED小，故其功耗低，且可以有良好的人机界面，直观，显示效果漂亮，体积小14

28、。综合考虑选择此方案。由于12864液晶不仅可以显示数字，而且可以显示汉字和图象，这样设计产生的效果非常直观，具有人性化设计。在本设计中采用12864作为显示部分，电路原理图如图2-8所示：图3-8显示、单片机最小系统模块的电路原理图2.5.3电源方案方案一：采用双电源供电。用两个电源分别给控制系统和电机系统供电，将两个系统完全隔离，利用光电耦合器传输信号，将电动机驱动所造成的干扰彻底消除，这样就提高了系统的稳定性。方案二：用单电源给电机系统供电，但是控制系统对电流需求量大，因为电机启动瞬间电流会很大，会造成控制系统电压不稳，干扰较大，严重时可能造成单片机系统掉电。综上所述，采用方案二且用5节

29、1.5V的干电磁组成7.5V的电源或使用蓄电池给电机系统供电，用1节9V的干电磁与7805组成输出恒为5V的电源给控制系统供电。本设计考虑到小车所能承受的压力有限，所以采用比较简单的由7805组成的电源对小车系统进行供电。2.5.4声音提示方案一：采用74LS04非门组成的普通电路，由单片机产生不同的频率信号来完成声音提示，此方案易于实现，成本也不高，能完成声音提示功能，可给人以提示的可懂性比较差。 方案二：采用ISD1420可分段录放音模块，能够给人以直观的提示，但IDS1420录放音模块价格比较高，也可以采用此方案来处理，但由于该芯片最大录音时间为20S，可读性比较好，具有人性化的操作，对

30、题目设计来说可能达不到要求。方案三：采用ISD2560 录放音模块，同样能够给人以直观的提示，价格也比较高，同时该芯片最大录音时间为60S，可读性很好，具有人性化的操作，可以满足题目要求。综上所述：方案一对一般的报警可以达到要求，但在设计中要求做到人性化的要求，因此放弃方案一，对方案二和方案三采用录音时间长的ISD2560来实现，这样更能保证设计的可靠性和有效性。此模块有三部分电路组成，可以独立地完成各自的功能，语音播放功能可以达到直观，具有人性化的服务。声光电路结构简单，主要用以报警提示。温度检测电路利用DS18B20温度传感器的特点，可以准确地检测到周围环境的温度。其原理图如图2-9所示。

31、图2-9声光、语音提示检测模块图2.6控制电路2.6.1拦栅控制电路电路主要是步进机驱动的电路，由于拦栅有一定的重量，所以驱动电动机的驱动力就必须大，因此可以采用驱动力大的专用芯片L298N来驱动。其原理图如图2-10所示。图3-10 拦栅控制电路2.6.2车速检测模块电路在车轴上固定安装一对红外对管，在车轮圆周上粘贴一段白纸条。当车轮转动时，遮光条通过红外对管，使其得到通断相间的高低电平信号。得到的信号经过由LM393组成的过压比较器，使输出电压规范到两个标准值，再发送至单片机分析处理，用以实现车速和薄铁片距离的计算。具体路如图2-11所示。在设计中，我们将红外对管安装在智能车的后轮上，由于

32、前轮要完成转弯的功能，如果将红外对管安装在前轮，转弯的灵活性就变差了，而且测的数据不够准确，因此装在车的后轮上。图2-11车速检测模块电路图2.6.3语音控制模块电路本模块为小车的附加功能模块，主要采用柱极式话筒接收声波信号，通过三极管放大电路放大信号，使信号经过电容和整流的二极管得到一个电压峰值为一伏特的脉冲信号，并经过74HC04取反后供单片机控制，从而实现语音控制。图2-12语音控制模块原理图其中图中P15为连接柱极式话筒的接口，P16为电源接口，R23的作用是调节话筒的灵敏度，C7则是用来滤除波形中的直流部分。中间电路为典型的三极管共e极放大电路，其放大倍数可以根据R24和R25来确定。但由于9013管的自身特性，使的其最大的放大电压为1伏，经过电容的整形形成直流电压输入