1 本科生畢業(yè)論文 (設計 )打印專用紙 目 錄 摘要 2 2 第一章 緒 論 3 能小車的意義和作用 3 能小車的現(xiàn)狀 3 第二章 方案設計與論證 4 控系統(tǒng) 4 機驅(qū)動模塊 4 跡模塊 6 障模塊 7 械系統(tǒng) 7 源模塊 8 第三章 硬件設計 8 體設計 8 動電路 9 號檢測模塊 10 控電路 11 第四章 軟件設計 12 程序模塊 12 機驅(qū)動程序 12 跡模塊 13 障模塊 15 第五章 制作安裝與調(diào)試 18 結束語 18 致謝 19 參考文獻 19 2 本科生畢業(yè)論文 (設計 )打印專用紙 智能循跡避障小車 肖維 物理與電子信息學院 電子信息工程專業(yè) 2006 級 9 班 指導教師：劉漢奎 摘 要 ： 利用紅外對管檢測黑線與障礙物，并以 而 實現(xiàn) 自動循跡避障的 功能 。其中小車 驅(qū)動由 速度 由 單片機 輸出的 制 。 關鍵詞 ： 智 能小車 ； 外對管 006 ,of a CU as A In is by 298N is by WM 3 本科生畢業(yè)論文 (設計 )打印專用紙 第一 章 緒論 能小車的意義和作用 自第一臺工業(yè)機器人誕生以來， 機器人的發(fā)展 已經(jīng)遍及機械、電子、冶金、交通、宇航、國防等領域。近年來機器人的智能水平不斷提高 ， 并且迅速地改變著人們的生活方式。 人們 在 不斷探討 、 改造 、 認識自然 的 過程中 ，制造能替代人勞動的機器一直是人類的夢想 。 隨著 科 學 技 術的 發(fā)展 ，機器人的感覺傳感器種類越來越多，其中視覺傳感器成為自動行走和駕駛的重要部件。視覺的典型應用領域為自主式智能導航系統(tǒng)，對于視覺的各種技術而言圖像處理技 術已相當發(fā)達，而基于圖像的理解技術還很落后，機器視覺需要通過大量的運算也只能識別一些結構化環(huán)境簡單的目標。視覺傳感器的核心器件是攝像管或 前的 能做到自動聚焦。但 感器的價格、體積和使用方式上并不占優(yōu)勢，因此在不要求清晰圖像只需要粗略感覺的系統(tǒng)中考慮使用接近覺傳感器是一種實用有效的方法。 機器人 要實現(xiàn)自動導引功能和避障功能就必須要感知導引線和障礙物 ，感知 導引線相 當 給 機器人 一個視覺功能 。 避障控制系統(tǒng)是基于自動導引小車（ 統(tǒng)，基于它的智能小車實現(xiàn) 自動識別路線，判斷并自動避開障礙，選擇正確的行進路線。使用傳感器感知路線和障礙并作出判斷和相應的執(zhí)行動作。 該智能小車可以作為機器人的典型代表。它可以分為三大組成部分：傳感器檢測部分、執(zhí)行部分、 器人要實現(xiàn)自動避障功能，還可以擴展循跡等功能，感知導引線和障礙物?？梢詫崿F(xiàn)小車自動識別路線，選擇正確的行進路線，并檢測到障礙物自動躲避。基于上述要求，傳感檢測部分考慮到小車一般不需要感知清晰的圖像，只要求粗略感知即可，所以可以舍棄昂貴的 能小車的執(zhí)行部 分，是由直流電機來充當?shù)?，主要控制小車的行進方向和速度。單片機驅(qū)動直流電機一般有兩種方案：第一，勿需占用單片機資源，直接選擇有 樣可以實現(xiàn)精確調(diào)速；第二，可以由軟件模擬 要占用單片機資源，難以精確調(diào)速，但單片機型號的選擇余地較大?？紤]到實際情況，本文選擇第二種方案。 合軟件編程實現(xiàn)。 現(xiàn)智能小車發(fā)展很快， 從智能玩具到其它各行業(yè)都有實質(zhì)成果 。其基本 可實現(xiàn)循跡、避障、檢測貼片、尋光入庫、避崖等基本功能，這幾節(jié)的電子設計大 賽智能小車又在 向聲控系統(tǒng)發(fā)展。比較出名的飛思卡爾智能小車更是走在前列。我此次的設計主要實現(xiàn)循跡避障這兩個功能。 4 本科生畢業(yè)論文 (設計 )打印專用紙 第二章 方案設計與論證 根據(jù) 要求，確定如下方案：在現(xiàn)有玩具電動車的基礎上，加裝光電檢測器，實現(xiàn)對電動車的速度、位置、運行狀況的實時測量，并將測量數(shù)據(jù)傳送至單片機進行處理，然后由單片機根據(jù)所檢測的各種數(shù)據(jù)實現(xiàn)對電動車的智能控制。這種方案能實現(xiàn)對電動車的運動狀態(tài)進行實時控制，控制靈活、可靠，精度高，可滿足對系統(tǒng)的各項要求。 控系統(tǒng) 根據(jù)設計要求，我認為此設計屬于多輸入量的復雜程序控制問 題。據(jù)此，擬定了以下兩種方案并進行了綜合的比較論證，具體如下： 方案一： 選用一片 為系統(tǒng)的核心部件，實現(xiàn)控制與處理的功能。 有速度快、編程容易、資源豐富、開發(fā)周期短等優(yōu)點，可利用 言進行編寫開發(fā)。但 控制上較單片機有較大的劣勢。同時， 處理速度非?？?，而小車的行進速度不可能太高，那么對系統(tǒng)處理信息的要求也就不會太高，在這一點上，已經(jīng)可以勝任了。若采用該方案，必將在控制上遇到許許多多不必要增加的難題。為此，我們不采用該種方案， 進而提出了第二種設想。 方案二： 采用單片機作為整個系統(tǒng)的核心，用其控制行進中的小車，以實現(xiàn)其既定的性能指標。充分分析我們的系統(tǒng)，其關鍵在于實現(xiàn)小車的自動控制，而在這一點上，單片機就顯現(xiàn)出來它的優(yōu)勢 控制簡單、方便、快捷。這樣一來，單片機就可以充分發(fā)揮其資源豐富、有較為強大的控制功能及可位尋址操作功能、價格低廉等優(yōu)點。因此，這種方案是一種較為理想的方案。 針對本設計特點 多 開關量輸入的復雜程序控制系統(tǒng)，需要擅長處理多開關量的標準單片機，而不能用精簡 I/O 口和程序存儲器的小體積單片機， D/A、 A/D 功能也 不必選用。根據(jù)這些分析 ,我選定了 片機作為本設計的主控裝置， 51 單片機具有功能強大的位操作指令， I/O 口均可按位尋址，程序空間多達 8K，對于本設計也綽綽有余，更可貴的是 51 單片機價格非常低廉。 在綜合考慮了傳感器、兩部電機的驅(qū)動等諸多因素后，我們決定采用一片單片機，充分利用 片機的資源。 機驅(qū)動模塊 方案一： 采用繼電器對電動機的開或關進行控制 ,通過開關的切換對小車的速度進行調(diào)整 缺點是繼電器的響應時間慢 ,易損壞 ,壽命較短 ,可靠性不高。 方案二： 5 本科生畢業(yè)論文 (設計 )打印專用紙 采用電阻網(wǎng)絡或數(shù)字電位器調(diào)節(jié)電動機的分壓，從而達到分壓的目的。但電阻網(wǎng)絡只能實現(xiàn)有級調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價格比較昂貴。更主要的問題在于一般的電動機電阻很小，但電流很大，分壓不僅回降低效率，而且實現(xiàn)很困難。 方案三： 采用 功率三極管作為功率放 大器的輸出控制直流電機。線性型驅(qū)動的電路結構和原理簡單， 加速能力強 ，采用由達林頓管組成的 H 型 橋式 電路 (如圖 用單片機控制達林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開關狀態(tài)下，精確調(diào)整電動機轉(zhuǎn)速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高 ， H 型 橋式電路 保 證了簡單的實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制 ， 電子管的開關速度很快，穩(wěn)定性也極強，是一種廣泛采用的 速技術。 現(xiàn)市面上有 很多 此種芯片 ，我選用了 圖 這種調(diào)速方式有調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過載能力大，能承受頻繁的負載沖擊，還可以實現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)等優(yōu)點。因此決定采用使用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機。 圖 橋式電路 6 本科生畢業(yè)論文 (設計 )打印專用紙 圖 298N 跡模塊 方案一 ： 采 用簡易光電傳感器結合外圍電路探測 ，但 實際效果并不理想，對行駛過程中的穩(wěn)定 性要求很高，且誤測幾率較大、易受光線環(huán)境和路面介質(zhì)影響。在使用過程極易出現(xiàn)問題，而且容易因為 該部件造成整個系統(tǒng)的不穩(wěn)定。故最終未采用該方案。 方案二 ： 采 用兩只 紅外對管 (如圖 分別置于 小車車身前 軌道的兩側(cè)，根據(jù) 兩只光電開關接受到白線 與黑線 的 情況來控制小車轉(zhuǎn)向來調(diào)整車向， 測試表明， 只要合理安裝好兩只光電開關的位置就可以很好的實現(xiàn)循跡的功能。 (參考文獻 3) 方案 三 ： 采 用三只 紅外對管 ， 一只置于軌道中間，兩只置于軌道外側(cè)，當小車脫離軌道時，即當置于中間的一只光電開關脫離軌道時，等待外面任一只檢測到黑 線后，做出相應的轉(zhuǎn)向調(diào)整，直到中間的光電開關重新檢測到黑線（即回到軌道）再恢復正向行駛?，F(xiàn)場實測表明，小車在尋跡過程中有一定的 左右搖擺不定 ， 雖然可以正確的循跡 但 其成本與穩(wěn)定性都次與第二種方案 。 通過比較，我選取第二種方案來實現(xiàn)循跡。 7 本科生畢業(yè)論文 (設計 )打印專用紙 圖 外對管 障模塊 方案一： 采用一只紅外對管置于小車中央。其 安裝簡易，也可以檢測到障礙物的存在，但難以確定小車在水平方向上是否會與障礙物相撞，也不易讓小車做出精確的轉(zhuǎn)向反應。 方案二 ： 采用 二只紅外 對管 分別置于小車的前端兩側(cè)，方向與小車前進方向平行，對小車與障礙物相對距離和方位能作出較為準確的判別和及時反應。但此方案過于依賴硬件、成本較高、缺乏創(chuàng)造性，而且置于小車左方的紅外 對管 用到的幾率很小，所以最終未采用。 方案三： 采用一只紅外 對管 置于小車右側(cè)。 通過測試此種方案就能很好的實現(xiàn)小車避開障礙物，且充分的利用資源而不浪費。 (參考文獻 3) 通過比較我 采用方案三。 械系統(tǒng) 本題目要求小車的機械系統(tǒng)穩(wěn)定 、 靈活 、簡單，而 三 輪運動系統(tǒng)具備以上特點。 驅(qū)動部分：由于玩具汽車的直流電機功率較小，而小車上裝有 電池、電機、電子器件等，使得電機負擔較重。為使小車能夠順利啟動，且運動平穩(wěn)，在直流電機和輪車軸之間加裝了三級減速齒輪。 電池的安裝：將電池放置在車體的電機前后位置，降低車體重心，提高穩(wěn)定性，同時可增加驅(qū)動輪的抓地力，減小輪子空轉(zhuǎn)所引起的誤差。簡單，而三輪運動系統(tǒng)具備以上特點。 源模塊 8 本科生畢業(yè)論文 (設計 )打印專用紙 方案一： 采用實驗室有線電源通過穩(wěn)壓芯片供電，其優(yōu)點是可穩(wěn)定的提供 5V 電壓，但占用資源過大。 方案二 ： 采用 4 支 池 單電源 供電，但 6V 的電壓太小不能同時給單片機與與電機供電。 方案三：采用 8 支 池 雙電源 分別 給單片機與電機供電可 解決方案二的問題且能讓小車完成其功能。 所以，我選擇了方案三來實現(xiàn)供電。 第三章 硬件設計 體設計 智能小車采用 前 輪驅(qū)動， 前 輪左右兩邊各用一個電機驅(qū)動，調(diào)制 前 面兩個輪子的轉(zhuǎn)速 起停 從而達到控制轉(zhuǎn)向的目的， 后 輪是萬象輪，起支撐的作用。將 循跡 光電 對管 分別裝在車體 下 的左右 。 當車 身下 左邊的傳感器檢測到黑線時，主控芯片控制左輪電機 停止 ，車向 左 修正，當車 身下 右邊傳感器檢測到黑線時，主控芯片控制右輪電機 停止 ，車向 右修正。 避障的原理和循線一樣，在車 身右邊 裝一個 光電對管 ，當 其檢測到障礙物時 ，主控芯片給出信號報警并控制車子倒退 ,轉(zhuǎn)向 ，從而避開障礙物。 板設計框圖 如圖 需原件清單如表 圖 板 設計 框圖 表 件清單 跡紅外對管 時鐘電路 復位電路 報警電路 電機驅(qū)動 避障紅外對管 9 本科生畢業(yè)論文 (設計 )打印專用紙 元件 數(shù)量 元件 數(shù)量 元件 數(shù)量 直流電機 2 只 電阻 若干 集成電路芯片 若干 單片機 1 塊 二極管 若干 電容 若干 紅外對管 3 只 蜂鳴器 1 只 電位器 若干 12M 晶振 1 只 杜邦線 若干 玩具小車 1 個 排針 若干 動電路 （參考文獻 4） 電機驅(qū)動一般采用 H 橋式驅(qū)動電路， 部集成 了 H 橋式驅(qū)動電路，從而可以采用 路 來 驅(qū)動電機 。 通過單片機給 予 路 號 來控制 小 車的速度 ，起停 。其引腳圖如 驅(qū)動原理圖如圖 圖 腳圖 10 本科生畢業(yè)論文 (設計 )打印專用紙 圖 機驅(qū)動電路 號檢測模塊 小車循跡原理 是 小車 在畫有黑線的白紙 “ 路面 ” 上行駛，由于黑線和白紙對光線的反射系數(shù)不同，可根據(jù)接收到的反射光的強弱來判斷 “ 道路 ” 黑線。筆者在該模塊中利用了簡單、應用也比較普遍的檢測方法 紅外探測法。 紅外探測法，即利用紅外線在不同顏色的物理表面具有 不同的反射性質(zhì)的特點。在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當紅外光遇到白色地面時發(fā)生漫發(fā)射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，則小車上的接收管接收不到信號 ，再通過 比較器來采集高低電平，從而實現(xiàn)信號的檢測。避障亦是此原理。 電路圖如圖 市面上有很多紅外傳感器，在這里我選用 光電對管。 圖 跡原理圖 11 本科生畢業(yè)論文 (設計 )打印專用紙 控電路 本 模塊主要是對采集信號進行分析，同時給出 控制電機速度，起停。以及再檢測到障礙報警等作用。其電路圖如 圖 5。 圖 控電路 12 本科生畢業(yè)論文 (設計 )打印專用紙 第四章 軟件設計 程序框圖 ： 圖 程序框圖 機驅(qū)動程序 ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; 啟動 循跡 是否檢測到停止線 停止 是否檢測到障礙 N Y 避障 Y N 13 本科生畢業(yè)論文 (設計 )打印專用紙 ; ; ; ; 跡 模塊 循跡框圖 ： 圖 跡框圖 循跡程序： 1)&(1) ; 開始 前進 掃描 I/O 口，是否檢測到黑線 Y 左邊 右邊 左轉(zhuǎn) 右轉(zhuǎn) N 14 本科生畢業(yè)論文 (設計 )打印專用紙 ; ; 50); ; ; 0); 0)&(1) ; ; ; 50); ; ; 0); 1)&(0) ; ; ; 50); ; ; 0); ; 15 本科生畢業(yè)論文 (設計 )打印專用紙 障 模塊 避障框圖 ： 圖 障框圖 避障程序： ; ; ; ; ; ; i=0;i8;i+) ; 開始 后退一點，報警 后退 左轉(zhuǎn) 前進 右轉(zhuǎn) Y 左轉(zhuǎn) 是否檢測到 障礙 前進 N 16 本科生畢業(yè)論文 (設計 )打印專用紙 ; 50); ; ; 0); ; 0); ; i=0;i11;i+) ; ; 30); ; 0); ; 0); ; i=0;i22;i+) ; ; 30); ; ; 0); ; 0); ; i=0;i18;i+) ; 17 本科生畢業(yè)論文 (設計 )打印專用紙 ; 30); ; 0); 1)&(0) ; ; ; 0); ; ; 0); ; 0); ; 0); 1)&(1) ; ; ; ; 0); ; ; 18 本科生畢業(yè)論文 (設計 )打印專用紙 0); 第五章 制作安裝與調(diào)試 設計制作與安裝 采用 制原理圖與 ，布線的過程中必須注意焊盤的大小與銅線的寬度。我選取的焊盤內(nèi)徑為 徑 2線寬 1做板的情況來看基本達到制作得要求。 采用螺絲將循跡板安裝在車頭，主板與電機驅(qū)動安裝在車尾。 5 2 小車調(diào)試 通過改變循跡板 滑動變阻器器的大小來調(diào)試紅外對管的靈敏度，通過改變延時程序來改變速度的大小。下表為小車運行的情況： 表 車調(diào)試情況 結束語 整個系統(tǒng)的設計以單片機為核心，利用了多種傳感器，將軟件和硬件相結合。本系統(tǒng)能實現(xiàn) 如下功能： （ 1） 自動沿預設軌道行駛小車在行駛過程中，能夠自動檢測預先設好的軌道，實現(xiàn)直道和弧形軌道的前進。若有偏離，能夠自動糾正，返回到預設軌道上來。 （ 2）當小車探測到前進前方的障礙物時，可以自動 報警