毕业论文智能循迹避障小车.docx

1、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

2、：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 Design of smart car for Auto

3、matic tracking,obstacle avoidanceStudent: XXX(Faculty Adviser：XXX)(College of electrical and Information Engineering, Huainan Normal University)Abstract:Intelligent vehicle is an important part of mobile robot, the design of each module through the input signal real-time detection sensor, the detect

4、ion line to realize tracing by using infrared, photoelectric sensor to achieve obstacle avoidance, use large storage space AT89C51 as the main control chip, motor vehicle driver using L298N chip, respectively, to control the car about two DC motor with built-in procedures, to achieve automatic car i

5、dentification route, can the hit obstacles can turn angle and tracing running effectively controlled. And add sound control module, the realization of the voice control car. The design has simple structure, easy realization, to a certain extent intelligent technology.Keywords: Smart car; AT89C51; Ph

6、otoelectric sensor; L298N1 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

7、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Nils Nilssen和charles Rosen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

8、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、AD 转换器、DA 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

9、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

10、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

11、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

12、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

13、：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

14、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

15、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2.2 H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