PAGEPAGE28哈爾濱工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）I-摘要在我國運輸行業(yè)中，貨物的運輸通常是通過人工勞動力來完成的。隨著時代的進步科技的發(fā)展，人們對運輸效率等的要求也隨之增加，無人化、智能化取代人工運輸已成必然趨勢。但由于各個企業(yè)的工作環(huán)境各不相同，對小車的功能、參數(shù)、精度的需求也是因企業(yè)而異。智能運輸需要小車能夠自動識別路徑、避障和定位等功能。智能化小車要實現(xiàn)道路探測、障礙物躲避、路徑顯示跟隨等幾項基礎的功能，小車避障功能和路徑顯示問題成為了近年來國內(nèi)外研究的熱點。本設計研究于STM32單片機智能小車的避障功能和路徑行走功能，利用圖像識別技術(shù)，實現(xiàn)對路徑的行走及顯示，障礙避障的要求。手機端通過Wifi功能控制小車、接收小車路徑信息并畫面顯示。關(guān)鍵詞：小車；路徑顯示；避障；手機

AbstractInvariousindustriesinChina,thetransportationofmaterialsisusuallydonemanually.Withtheincreasingdemandofmodernenterprisesforthetimeandworkefficiencyofmaterialtransportation,itisaninevitabletrendtouseintelligentcarinsteadofLabortorealizeintelligenttransportation.However,becausetheworkingenvironmentofeachenterpriseisdifferent,thedemandforthefunction,parametersandprecisionofthecarisalsodifferentfromtheenterprise.Therefore,enterprisesurgentlyneedtodevelopsuitablefortheirownproductionneedsofthehandlingofsmallcars.Inthedesignofindoorintelligentlightingpower-savingsystembasedonsinglechipmicrocomputer,thegroundisdetectedbymulti-channelreflectivephotoelectricsensorTCRT5000,thecollecteddataisinputintothecomparatorinparallel,andthenthedataisfedintothesinglechipmicrocomputer.WhenthehostcomputersendsacommandtotheZigBeemodule,theZigBeemodulesendsthecommandtothecontroldeviceforjudgment,andthecontroldevicessendinstructionstotheactiondevicetodrivethecartomove.Keywords:TrolleyPathdisplayBarrieravoidanceMobilephone

目錄TOC\o"1-3"\u摘要 IAbstract II第1章緒論 11.1課題來源 11.2目的意義 21.3國內(nèi)外發(fā)展趨勢 31.4主要研究內(nèi)容 3第2章小車方案設計 52.1系統(tǒng)功能 52.2系統(tǒng)器件選擇 62.2.1處理器模塊 62.2.2路徑檢測模塊 72.2.3驅(qū)動模塊 82.2.4電源模塊 92.2.5無線通信方案設計 92.2.6模型結(jié)構(gòu)設計 112.2.7避障檢測模塊 12本章小結(jié) 12第3章系統(tǒng)硬件設計 133.1系統(tǒng)硬件總體設計 133.1.1最小系統(tǒng)電路 133.1.2電源電路設計 133.2傳感器電路設計 143.2.1尋跡檢測電路 143.2.1尋跡比較電路 153.2.2避障檢測電路 153.4驅(qū)動電路設計 163.5無線模塊電路設計 17本章小結(jié) 17第4章系統(tǒng)軟件設計 184.1程序一般要求 184.2電機驅(qū)動程序設計 194.3循跡程序設計 204.5組網(wǎng)程序設計 22本章小結(jié) 23第5章系統(tǒng)測試 245.1系統(tǒng)調(diào)試及功能分析 245.2尋跡功能測試 265.3避障功能測試 265.4視頻功能測試 27本章小結(jié) 27結(jié)論 28致謝 錯誤!未定義書簽。參考文獻 錯誤!未定義書簽。附錄1譯文 錯誤!未定義書簽。附錄2英文參考資料 錯誤!未定義書簽。附錄3硬件原理圖 錯誤!未定義書簽。附錄4程序清單 錯誤!未定義書簽。第1章緒論1.1課題來源智能避障小車，也通常被人們稱為小型移動機器人，在現(xiàn)代生活中以汽車電子為模板，涉及計算機、控制、傳感技術(shù)、電子、電氣、計算機、機械等多種學科相互結(jié)合共同協(xié)作的產(chǎn)物，一般主要功能為路徑識別與路徑規(guī)劃、速度的測量、角度實時調(diào)整及車輛行駛速度等功能組成。此次研究的課題是設計一種能夠?qū)崟r多種傳感器信號、經(jīng)過特定算法對傳感器采集的數(shù)據(jù)進行分析，檢測外部環(huán)境以及規(guī)劃路徑信息、實現(xiàn)無人控制化，自動調(diào)整分析，小車可實現(xiàn)無人化管理。近年來隨著5G科技的發(fā)展，5G有著低延時和較大的帶寬，促使著無人技術(shù)的發(fā)展，為無人化駕駛帶來了可靠的網(wǎng)絡，無人化人工智能也隨之走進了生活，參與設計和制造機器人公司研究所已經(jīng)遍布全球，世界上一些大型的公司也都在積極參與研究移動機器人。本課題以現(xiàn)代汽車為背景，實現(xiàn)對整個工業(yè)現(xiàn)場的運輸載體的優(yōu)化。目前大多數(shù)公司現(xiàn)行的倉庫能很好的完成產(chǎn)品的正常出入庫及相關(guān)數(shù)據(jù)、信息的處理。但由于公司車間機臺數(shù)量較多、分布的位置不一。車間生產(chǎn)用于物流作業(yè)的主要設備是手工拖車，依靠人工來完成物料從倉庫到生產(chǎn)現(xiàn)場運輸。采用人工來完成物料運輸存在以下缺陷：1.人工成本高通過人工運輸?shù)姆绞綄⒋罅康娜肆ν度氲胶唵蔚奈锪铣鰩臁⑷霂?、運送上。不僅費時費力，也在無形中提高了企業(yè)的用人成本。2.安全隱患多通過人工運輸?shù)奈锪蠠o法定置定位，物料離開庫門后無法時時跟蹤，給處于特殊行業(yè)的印鈔公司增加了一道安全隱患。另一方面是個人對車體的把控能力不一，物料在車身移動時容易出現(xiàn)灑落、倒塌現(xiàn)象，傷人損物。因此，設計一款專門針對該企業(yè)物料運輸?shù)膶Ｓ迷O備，不僅在改善企業(yè)陳舊的物料運輸方式，提高企業(yè)的科技水平上有一定的幫助，還能提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。避障尋跡小車系統(tǒng)是涵蓋計算機、控制、傳感技術(shù)、電子、電氣、計算機、機械等多種學科相互結(jié)合共同協(xié)作的產(chǎn)物。隨著柔性制造產(chǎn)線產(chǎn)品的推出、自動化無人工廠和人機協(xié)作的推廣，小型移動機器人被人們廣泛應用在工廠內(nèi)部間的搬運、運輸、控制和制造系統(tǒng)，好處在于實現(xiàn)了不間斷，大大提高了工作的效率。1.2目的意義智能小車是現(xiàn)代科技進步下的新型作品，也是我們未來的發(fā)展的一個新的趨勢，其主要的作用是在于它可以按照我們預先設計好的軌跡進行自我運作，在運作的過程中無需人員參與，自主移動，在能量允許的情況下不間斷的工作，也可以超額完成我們所需要的工作，在現(xiàn)代社會中解放勞動力。其種類也有許多種：家庭清潔機器人、搬運機器人、碼垛機器人和自動運輸機器人等。智能避障小車是一種新型機器人，在傳統(tǒng)的工藝上加入單片機、傳感器、電機驅(qū)動模塊和攝像頭等實現(xiàn)自動化無人化操作。是一種高新技術(shù)的綜合體，也是人類智慧的一種體現(xiàn)?，F(xiàn)在在我國發(fā)展的過程中主要運用于軍事和民營企業(yè)，其主要的功能在于可以及時發(fā)現(xiàn)障礙物，并且多個傳感器等協(xié)調(diào)控制躲避障礙物。智能小車是現(xiàn)代科技進步下的新型作品，也是我們未來的發(fā)展的一個新的趨勢，其主要的作用是在于它可以按照我們預先設計好的軌跡進行自我運作，在運作的過程中無需人員參與，自主移動，在能量允許的情況下不間斷的工作。同時在一些大型的市場中其有存在的意義，另外在一些兒童玩具中也有很大的存在意義和空間，隨著計算機的進步，人們對編程、娛樂也有很大的進步空間，可以通過體積等迅速占領兒童市場，在產(chǎn)生經(jīng)濟利益的同時為我們祖國的青少年教育行業(yè)添磚加瓦，在現(xiàn)在的基礎中發(fā)展，也是未來發(fā)展中的方向，作為新一代汽車發(fā)展的方向，可以通過傳感器及時探測路面上的各類突發(fā)情況。小車在設計的過程中主要采用直流驅(qū)動電機作為小車動力的，直流電機在我國給類應用中也有很廣泛的應用，主要在控制、驅(qū)動、交通、運輸、軍事、醫(yī)療和航空等領域也有很廣泛的應用。隨著智能化的普及，電機的作用也越來越廣泛了，現(xiàn)在隨著電機的發(fā)展單片機也成為了其控制的原動力，單片機控制電機，通過電機驅(qū)動，增加電機的性能和實用性，單片機控制欲應用也是一門多學科配合，多學科融合的學科，通過不同的種類，達到不同的應用場景，以達到我們所需要的一個應用。1.3國內(nèi)外發(fā)展趨勢此次設計，前期主要的目的在于釋放了勞動力，利用不同的智能硬件達到無人化，通過傳感器檢測小車與障礙物之間的距離，確保在行駛的過程中減少錯誤，其中最主要的元器件是超聲波傳感器，超聲波傳感器會實時的發(fā)送信號，利用信號傳輸?shù)秸系K物會反射回來，然后經(jīng)過單片機處理后，利用一定的算法，達到合理避障，當小車距離物體距離小于40cm時，信號會加強，四個電機協(xié)調(diào)動作，控制小車進行移動轉(zhuǎn)彎，如果距離大于40cm時，小車沿著指定的軌跡移動。所以我們的研究主要在于簡便，利用不同裝置達到無人化，智能化，這也將是為我國今后的發(fā)展趨勢，也是我國的發(fā)展方向，將我國建設成為人才強國。國外在智能化和無人化等領域也開始大面積的研發(fā)，例如我們所熟知的先進國家美國和日本，發(fā)展中國家韓國，也有許多相關(guān)的企業(yè)，這些企業(yè)也有很多成熟的技術(shù)，這也就證明了數(shù)控技術(shù)是我們世界上的一個大勢所趨，以現(xiàn)在我們所熟知的機器人四大家族而言，ABB、發(fā)那科、庫喀和安川等已經(jīng)在世界各地擁有了很高的知名度，在我國工業(yè)教育行業(yè)已經(jīng)占有了很大的市場份額。而且在現(xiàn)在工業(yè)社會中也占比也越來越重，解決了社會中的大部分剩余勞動力。相比于國外現(xiàn)在的發(fā)展，我國還處于發(fā)展階段，但是也已經(jīng)有許多高校和研究所在積極開發(fā)和研究，開發(fā)一些數(shù)控自動化產(chǎn)品，利用不同的結(jié)構(gòu)，努力再將人口大國建設成為人才強國，例如北京航空航天研究的遨博協(xié)作機器人，協(xié)作機器人也成為人機協(xié)作，協(xié)作機器人現(xiàn)在是我國排名第一的國產(chǎn)機器人，也是我國自主研發(fā)的機器人，在生活應用中也有很大的應用場景，例如一些自動奶茶店，自動售貨店。1.4主要研究內(nèi)容在基于單片機的避障小車及路線顯示系統(tǒng)設計與實現(xiàn)上。本次設計分為下面幾個部分來設計。避障功能：主要是利用HC-SR04超聲波傳感器來進行路障檢測，通過信號的發(fā)送和接收來判斷路徑上障礙物的距離，判斷障礙物。路徑識別功能：反射式紅外光電傳感器進行路徑識別。路徑顯示功能：通過CCD攝像頭捕捉畫面，通過ESP8266wifi模塊連接電腦，電腦界面顯示畫面。數(shù)據(jù)處理功能：利用人們所熟知的STM3F106單片機處理為核心處理器協(xié)同多個傳感器共同工作。車輪驅(qū)動功能：四個L298N電機驅(qū)動模塊和電機進行車輪驅(qū)動，從而控制小車行駛。

第2章小車方案設計設計的第一步工作就是確定方案，它的確定為后續(xù)工作的開展提供了總體方向。方案的確定決定了小車運行的精確度，同時也決定了設計研發(fā)的成本，因此選擇符合設計需求的方案顯得尤為重要。2.1系統(tǒng)功能小車車體結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣、尋跡功能的準確性與機械結(jié)構(gòu)的設計密不可分，小車上的零部件的布局與車體結(jié)構(gòu)有一定的關(guān)系。硬件電路的布局不僅要考慮到整車的美觀性，還要方便小車的調(diào)試工作。小車整體結(jié)構(gòu)要美觀實用，布線要科學和整潔，各個單元的銜接要有一定順序。不能使小車的整體目視效果差，還影響后面的調(diào)試運行。系統(tǒng)硬件框圖如圖2-1所示。STM32STM32尋跡模塊按鍵模塊避障模塊驅(qū)動電路車輪Wifi模塊器電腦電源模塊攝像頭圖2-1系統(tǒng)硬件框圖此次設計的方式結(jié)構(gòu)簡單易于實現(xiàn)。車身、車輪、傳感器三個主要部件構(gòu)成了車體。車身主要包括上下兩層，兩層之間通過中間的銅柱相連，上層板置放電池和物料，下層板上面固定光電傳感器、尋跡傳感器、控制器和無線模塊。小車后面的驅(qū)動輪、直流電機和電磁鐵，前面的萬向輪與下層板下面固定。主要完成以下功能：1.利用傳感器進行障礙物判斷。2.利用傳感器進行路徑識別。3.捕捉畫面無線傳輸?shù)诫娔X并電腦顯示。4.通過單片機處理傳感器數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)。5.電機驅(qū)動模塊和電機進行車輪控制。這種小車是智能制造產(chǎn)業(yè)和自動化運輸中的組成部分也是其不可缺失的部分，具有高效和快捷等優(yōu)勢，還被運用于港頭貨物的運輸和封閉場景下的運輸?shù)刃袠I(yè)，尤其是對人員單一重復性路徑輸送貨物工作中。它的應用可以極大地提高生產(chǎn)自動化程度和生產(chǎn)效率。2.2系統(tǒng)器件選擇2.2.1處理器模塊現(xiàn)在，在現(xiàn)代社會中智能功能的產(chǎn)品其核心處理器一般采用單片機，它具有很高的集成度，體積小便于攜帶，可靠性相比于其他產(chǎn)品強，溫度的取值大，容易控制上手簡便，外部留有豐富的接口，相比于市場上的其他產(chǎn)品更加便宜，功能豐富展示性強及功耗較小等優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品性能，從而得到了大眾的認可，社會認可度高。它的產(chǎn)生促進了我國計算機系統(tǒng)的發(fā)展并且在社會的各個領域得到了廣泛的認可，已經(jīng)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、科研以及日常生活的各個領域廣泛實施，也成了我國在未來發(fā)展中前進的動力，科學發(fā)展是第一生產(chǎn)力，對各個行業(yè)產(chǎn)生了深遠的影響方案一：ArduinoDue是一塊基于AtmelSAM3X8ECPU的微控制器板.它是第一塊基于32位ARM核心的arduino.它有54個數(shù)字IO口（其中12個可用于PWM輸出），12個模擬輸入口，4路UART硬件串口,84MHz的時鐘頻率,一個USBOTG接口,兩路DAC（模數(shù)轉(zhuǎn)換），兩路TWI，一個電源插座，一個SPI接口，一個JTAG接口，一個復位按鍵和一個擦寫按鍵。芯片實物圖如圖2-2所示。圖2-2芯片實物圖方案二：此次設計選用ARM芯片是在基于Cortex-M3架構(gòu)內(nèi)核采用STM32系列核心處理器。STM32F系列微處理器是在Cortex-M3架構(gòu)上增加多項新型的架構(gòu)，具有良好的性能優(yōu)勢，功能耗損較少，體積小、集成度高，外部留有豐富的接口，便于拓展，還有復位電路，電壓檢測，電壓過低和過高時觸發(fā)功能，并且有免費的開發(fā)工具，可以減少成本，增加產(chǎn)品的認可度。STM32擁有先進的固件庫，固件庫中的函數(shù)豐富，并且為程序提供了許多使用易操作的函數(shù)，大大減少了程序編寫的時間，在編程時直接調(diào)用函數(shù)庫中的內(nèi)容，便可以直接訪問STM32的各個外設，通過固件庫可以很好的使用外部的外設。芯片實物圖如圖2-3所示。圖2-3芯片實物圖綜上所述，從開發(fā)難度和經(jīng)濟適用性角度考慮，選用STM3F103單片機處理傳感器數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)。2.2.2路徑檢測模塊檢測模塊主要是實現(xiàn)對路徑的檢測，現(xiàn)對多種檢測方案進行討論選擇。方案1：使用光電開關(guān)探測當小車附近有金屬探測體接近開關(guān)的感應區(qū)域的時候，會產(chǎn)生物理反應不出現(xiàn)火花和壓力等，準確的返回一個信息，通過處理返回的信息來測算出距離位置。螺紋需安裝操作簡便，內(nèi)置芯片能更靈敏地檢測物體。但是集成度不高，不適合作小車開發(fā)。因此故放棄這個方案。實物圖如圖2-4所示。圖2-4光電開關(guān)實物圖方案2：使用反射式紅外光電傳感器探測本次設計主要使用TCRT5000光電開關(guān)，主要探測下方黑線，黑線白地板具有不同的折射信息，左側(cè)點發(fā)送信息，右側(cè)探測點探測信息，根據(jù)信息數(shù)據(jù)的差異根據(jù)不同的算法，計算出偏離程度，根據(jù)偏離程度，適當調(diào)整小車行駛方向。光電開關(guān)實物圖如圖2-5所示。圖2-5反射式紅外光電傳感器實物圖2.2.3驅(qū)動模塊由于小車作為運送物料的載重式小車，對電機的輸出能力要求比較高。本設計通過四個電機驅(qū)動小車運動行駛，需要選擇一種驅(qū)動控制方案。方案一：過查找資料可知，對電流控制較好的方式一般采用晶閘管的直流斬波原理。晶閘管只工作在開關(guān)狀態(tài)，當開關(guān)導通時，電源可以通過晶閘管直接加到電機的兩端；當開關(guān)斷開時，電源與電機斷開，續(xù)流二極管對電機續(xù)流，直至結(jié)束。利用晶閘管生成PWM波，只需要在周期時間內(nèi)對晶閘管開關(guān)接通時間進行控制。輸出PWM波的有效值與高電平在周期時間內(nèi)的占空比有關(guān)，通過改變占空比的大小可實現(xiàn)PWM對電機速度的控制。缺點是電路結(jié)構(gòu)復雜，PWM波形產(chǎn)生設計比較繁瑣。所以放棄此方案。方案二：在該系統(tǒng)中，由于STM32控制芯片引腳輸出的電壓電流都比較小，無法滿足大功率直流電機對電壓和電流的需求，所以在此系統(tǒng)中需要借助直流電機驅(qū)動芯片LN298。芯片實物圖如圖2-6所示。圖2-6驅(qū)動芯片實物圖借助直流電機驅(qū)動芯片，直接驅(qū)動該系統(tǒng)中需要大功率才能工作的兩個電機。因為單片機是利用不同占空比條件下電機轉(zhuǎn)速不一樣的控制方式來實現(xiàn)對電機的控制(即PWM調(diào)速)，其調(diào)整的密度較大，所以要求驅(qū)動芯片能在高頻率下工作。通過對幾種使用頻率較高的驅(qū)動芯片進行選型，本設計采用的是內(nèi)含H橋型的電機驅(qū)動芯片LN298芯片。2.2.4電源模塊由于本設計中，小車需要自動按路徑行駛，電源供電補給方式要進行特殊設計，現(xiàn)對如下幾種方案進行討論。方案1：采用交流電經(jīng)直流穩(wěn)壓處理后供電采用交流電提供直流穩(wěn)壓電源，減少了小車的活動距離，減少了小車的性能，雖然可以提供的電源比較穩(wěn)定，但是相比于實用性有所虧損，對地形和危險地勢也有了限制。故放棄了這一方案。方案2：采用可充電蓄電池供電采用可充電蓄電池給小車的各個模塊供電，此次設計采用的是蓄電池LM2575穩(wěn)壓后供電。蓄電池的供電性能大大提升，但是由于蓄電池的重量比較大，增加了小車的負重，故放棄該方案。2.2.5無線通信方案設計隨著科技發(fā)展的步伐，短距離無線通信的廣泛應用，人們對價格有了新的認知，已經(jīng)無法接受高成本、安裝費勁的有線通信技術(shù)，所以現(xiàn)在市面上人們更愿意接受一些新興的無線通信技術(shù)。下面是幾種常見的無線通信技術(shù)：藍牙：藍牙是一種短距離無線傳輸技術(shù)，具有低成本的優(yōu)勢，現(xiàn)在的藍牙技術(shù)已經(jīng)被廣泛應用在電腦、手機、汽車等之間的通信。藍牙技術(shù)也有許多優(yōu)點，其主要的優(yōu)點在于傳輸速率比一般設備要高、藍牙對頻段使用是免費、因為距離的限制，安全性很高、每一個藍牙節(jié)點都很便宜。藍牙技術(shù)也有很多缺點，藍牙的缺點也很明顯，功耗相比于其他設備要高、組網(wǎng)能力低、相比于其他設備節(jié)點數(shù)量很少（只有8個）、每次聯(lián)網(wǎng)的速度很慢（約10s），這些缺點很大程度上制約了它的發(fā)展。紅外：是指在一定空間下通過光來傳遞信號，紅外線的波長一般介于750nm~1mm之間的電磁波。這也決定了紅外線感知障礙物時的性能，故而紅外對障礙物的衍射能力較差，不同的性能決定著紅外在模式上地點選擇上有著區(qū)分，所以紅外只能適用于近距離范圍內(nèi)的無線通信場合。紅外線也有很多優(yōu)點，有很多其他設備無法滿足的優(yōu)點，最主要的是在傳輸數(shù)據(jù)時，在信息傳輸時信息的傳輸速度是其他設備做不到的，根據(jù)性能與本身的性質(zhì)決定了紅外接口必須嚴格對接，根據(jù)性能與本身的性質(zhì)決定了相比于其他設備具有很高的可靠性和安全性。其缺點是通信距離相比于其他設備較短、在設備通信過程中不能隨便移動更不能有障礙物阻擋，對方向有較高的要求性、擴展性因為本身因素原因?qū)е聰U展性差。其特性決定了其只能應用于少量，短距離小結(jié)點的場合。Wi-Fi現(xiàn)在在我們生活中扮演的角色越來越重要了，人們在日常生活中也越來越離不開wifi，wifi就是利用固定的硬件在一定的區(qū)域產(chǎn)生一個可以連接互聯(lián)網(wǎng)的局域網(wǎng)。優(yōu)點在于組網(wǎng)容易，協(xié)議成熟，網(wǎng)絡覆蓋范圍大，缺點是成本較高，需要固定基礎設備或者模塊。而本次設計采用的STM32芯片是用于一個真正的片上系統(tǒng)。它能以非常低的成本建立起強大的網(wǎng)絡。因此選用wifi無線方式進行通信。幾種短距離無線技術(shù)的參數(shù)如表2-1所示。表2-1短距離無線技術(shù)參數(shù)比較項目藍牙紅外WIFI覆蓋距離10m5m50m網(wǎng)絡擴展性自動擴展無無功耗1mW-100mW10mW100mW復雜度復雜簡單非常復雜傳輸速率1Mb/s1.512Mb/s1-11Mb/s頻段2.4GHz38kHz2.4GHz網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)8無50聯(lián)網(wǎng)時間很長（10s）短3s成本低低較高選用ESP8266wifi模塊。ESP8266是由樂鑫公司開發(fā)的一款高性能UART-WiFi(串口-無線WiFi)模塊，支持AT指令，主頻高達80MHZ，模塊自帶TCP/IP協(xié)議棧B39)，且集成度高、兼容性好、功能強大。ESP8266芯片參數(shù)如下：內(nèi)部含有10bit高精度ADC采用TCP/IP協(xié)議棧；電壓的范圍：3.3V~5V；支持三種工作模式；靜默電壓:10uA；關(guān)斷電流：小于5uA；關(guān)機狀態(tài)下消耗功率很少。2ms之內(nèi)喚醒、連接并傳遞數(shù)據(jù)包；工作溫度范圍：-40C~125C。2.2.6模型結(jié)構(gòu)設計攝像頭主要分為兩種，主要有無線攝像頭與有線攝像頭，有線和無線各有有缺。有線的相比于無線信號好一點，在生活中會方便一點，為了保證設計圖像的清晰度，考慮使用有線攝像頭，所以本設計選擇了有線的視頻攝像頭。因為有線攝像頭比無線攝像頭更適用于本次設計。如圖2-8所示。圖2-8攝像頭實物圖模塊參數(shù)：1.產(chǎn)品外部尺寸約57X57X23mm左右，大大節(jié)省了產(chǎn)品的體積。2.電源電壓小，適用于多種場合（特別是智能小車/機器人的開發(fā)應用）3.4M-flash,64M-RAM(內(nèi)存更大，運行不卡）4.電流功耗：1.2W就可以啟動（這里不含加了攝像頭的功率）5.內(nèi)部含有系統(tǒng)自置電線，用于接收信號。6.每一個模塊在出廠時已經(jīng)做好了Openwrt固件，并卻對攝像頭的驅(qū)動進行了安裝。7.攝像頭參數(shù)：5V-0.2A，免驅(qū)USB接口，Mjpeg輸出模式，硬件像素100W。2.2.7避障檢測模塊本次設計選用超聲波傳感器是在小車行駛過程中來進行測量距離的。其工作的原理是發(fā)射一定頻率的信號，信號遇到障礙物反射、散射回來的信號，經(jīng)過一定的算法判斷距離，根據(jù)距離判斷前方是否有物體。超聲波擁有較強的方向性，信號根據(jù)直線進行傳播，并且穿透性較強，對信號的能量的判斷性也比較強。超聲波頻率的增加，導致其繞過障礙物能力不斷減弱以及反射能力逐漸增強。超聲波傳感器擁有許多特點，在距離測算上擁有很快的速度，處理信息的方式也比較簡單，反應速度迅速及時。價格也比較親民。所以在現(xiàn)代研究中常被應用于距離中主要存在于距離的測算，方向的應用中主要用于定位。利用超聲波測距傳感器測距具有如下優(yōu)點：(1)環(huán)境適應能力強。(2)對色彩、光照度不敏感。(3)探測速度快。(4)占空間小、價格便宜，數(shù)據(jù)處理簡單可靠，不容易損壞等優(yōu)點。本章小結(jié)本章首先根據(jù)小車系統(tǒng)的設計的功能，總結(jié)了系統(tǒng)需求，其次根據(jù)設計方案選擇本系統(tǒng)的各個模塊，比如選擇傳感器作為小車尋跡模塊，通過wifi模塊建立組網(wǎng)進行無線通信控制等，最后論證了視頻采集功能方案。

第3章系統(tǒng)硬件設計此次涉及可以實現(xiàn)小車自動行駛、避障、無線控制、視頻傳輸圖像畫面，能夠控制車輪轉(zhuǎn)動。對下位機控制系統(tǒng)硬件進行設計。3.1系統(tǒng)硬件總體設計3.1.1最小系統(tǒng)電路本研究中，主控制芯片采用的是ST公司的增強型Cortex-M3內(nèi)核系列微處理器STM32F103C8T6，其供電電壓為2.0~3.6V，最高頻率可達72MHz，擁有、20K的SRAM和128K的Flash，封裝形式采用LQFP64。系統(tǒng)主處理器部分硬件原理圖如圖3-1所示。圖3-1最小系統(tǒng)電路圖3.1.2電源電路設計本研究設計其核心芯片STM32F103C8T6工作電壓為2.0~3.6V，其他外接設備通常工作電壓為3.3V，所以此次的設計的電路為3.3系統(tǒng)通常用于一些危險無人地帶，交流電供給不便，根據(jù)需求的不同所以此次設計采用12V蓄電池作為電源。而基礎的硬件設備主要是3.3V電壓所以就需要我們將12V蓄電池作為電源轉(zhuǎn)換為3.3V，為了保證設備可以正常使用，減少過大的電流對設備的沖擊，因此需要將12V電壓轉(zhuǎn)換為5V電壓，然后將5V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V電壓，所以采用12V轉(zhuǎn)5V芯片，將電源引出5V電源，然后將5V電源轉(zhuǎn)換出3.3V電源。5V轉(zhuǎn)3.3V電路，利用市面上常見的調(diào)壓器。因為AMS1117系列芯片輸出電流最高可達800mA，并且具有良好的精確度，精確度能保持在±1%，具有良好的保護功能，不易損壞，成本較低。同時，也為了調(diào)試和使用，電源設計過程中將5V電壓和3.3V電壓利用插針引接出來。電路圖如圖3-2所示。圖3-2電源電路圖3.2傳感器電路設計3.2.1尋跡檢測電路系統(tǒng)能自動尋跡，小車就需要一雙“眼睛”能識別所鋪設的黑色軌道線。利用紅外檢測模塊對所鋪設的黑色軌道線進行檢測，檢測的信號經(jīng)過處理后傳遞給單片機，通過單片機的分析，控制輸出裝置，保證小車的正常運行。其中，4引腳接電源正極，3引腳接電源負極，2引腳為DO引腳接單片機，1引腳為AO口輸出為模擬信號，懸空。所以在設計過程中在小車的底板處安裝了三個相同的光電傳感器，用于檢測小車在行駛過程中的行駛方向的調(diào)整，在小車行駛過程中光電傳感器中的紅外發(fā)射二極管不間斷的發(fā)射信號，發(fā)射管發(fā)射信號會根據(jù)實時采集到的信息及時調(diào)整小車在行駛過程中的方向。尋跡傳感器檢測電路如圖3-3所示。圖3-3尋跡傳感器電路圖3.2.1尋跡比較電路多路傳感器的控制原理如下：當小車在前進方向向左偏離時，會出現(xiàn)左偏和左大偏兩種情況。第一種左偏，此時位于中間和右邊的傳感器同時檢測到黑色軌道線，左邊的傳感器只檢測到白色軌道路面。第二種左大偏，此時右側(cè)的傳感器單獨檢測到黑色軌道線，中間和左側(cè)的傳感器檢測到白色軌道路面。類似的情況同樣用于小車發(fā)生右偏離的情況。當小車到達終點時，因為終點信息的特殊性，左中右三個傳感器同時探到黑色軌道線。尋跡比較電路如圖3-4所示。圖3-4尋跡傳感器電路圖3.2.2避障檢測電路超聲波測距傳感器的工作原理解釋如下：(1)超聲波傳感器內(nèi)部首先拉低TRIG，緊接著會給一個高電平信號去觸發(fā)，通過觸發(fā)采集信息，根據(jù)信息得到下一步動作指令;(2)觸發(fā)后，超聲波測距傳感器會主動發(fā)射8個40KHZ的不失真的信號，然后自動探測被反射回來的信號;(3)假如探測到反射回來的信號，因此需要設備輸出一個特定的信號，根據(jù)特定的信號維持的時間等于傳感器發(fā)射超聲波與檢測到反射回來的超聲波的間隔時間。其中1引腳接GND，2引腳接Eccho回響信號輸出，3引腳接Trig觸發(fā)控制信號輸入，4引腳接VCC。電路圖如圖3-5所示。圖3-5避障傳感器電路圖3.4驅(qū)動電路設計在該系統(tǒng)中，由于STM32控制芯片引腳輸出的電壓電流都比較小，無法滿足大功率直流電機對電壓和電流的需求，所以在此系統(tǒng)中需要借助直流電機驅(qū)動芯片LN298。借助直流電機驅(qū)動芯片，直接驅(qū)動該系統(tǒng)中需要大功率才能工作的兩個電機。因為單片機是利用不同占空比條件下電機轉(zhuǎn)速不一樣的控制方式來實現(xiàn)對電機的控制(即PWM調(diào)速)，其調(diào)整的密度較大，所以要求驅(qū)動芯片能在高頻率下工作。通過對幾種使用頻率較高的驅(qū)動芯片進行選型，本設計采用的是內(nèi)含H橋型的電機驅(qū)動芯片LN298。借助直流電機驅(qū)動芯片，直接驅(qū)動該系統(tǒng)中需要大功率才能工作的兩個電機。因為單片機是利用不同占空比條件下電機轉(zhuǎn)速不一樣的控制方式來實現(xiàn)對電機的控制(即PWM調(diào)速)，其調(diào)整的密度較大，所以要求驅(qū)動芯片能在高頻率下工作。通過對幾種使用頻率較高的驅(qū)動芯片進行選型，本設計采用的是內(nèi)含H橋型的電機驅(qū)動芯片LN298。生產(chǎn)于SGS公司的LN298，因其內(nèi)含兩個Ｈ橋，故可以同時控制兩個電機。芯片各引腳接收標準TTL邏輯電平信號，最大輸出電壓為46Ｖ，最大輸出電流為2Ａ。比較小，無法滿足大功率直流電機對電壓和電流的需求，所以在此系統(tǒng)中需要借助直流電機驅(qū)動芯片LN298。電路圖如圖3-6所示。圖3-6驅(qū)動芯片電路圖3.5無線模塊電路設計WiFi通信模塊負責數(shù)據(jù)接收與轉(zhuǎn)發(fā)，本課題采用STM32F103微控制器模塊與ESP8266WiFi模塊連接，通過UART接口與微控制器模塊(MCU)連接，連接簡單易行。通過對ESP8266WiFi模塊的配置及控制，實現(xiàn)與上位機終端的連接及數(shù)據(jù)收發(fā)。ESP8266無線通信模塊硬件電路圖如圖3-7所示，主要由ESP8266WiFi模塊、模塊電源及外圍元器件構(gòu)成。圖3-7無線模塊電路圖本章小結(jié)本章首先對小車最小系統(tǒng)電路設計進行了分析，其次又介紹了各傳感器電路的設計和工作原理及引腳特性等。最后詳細介紹了驅(qū)動電路設計和無線通信模塊電路設計。

第4章系統(tǒng)軟件設計在此次涉及中，主要工作分為倆個部分，分別為硬件設計和軟件設計倆個方面，硬件主要是讓小車有一個良好的展現(xiàn)性能，但是軟件也就是通常所說的上位機也很重要。4.1程序基本要求每一個軟件在設計的過程中，應該主要先從主要的功能程序的主流程來時，一個高質(zhì)量的程序設計通常要求有較高的交互能力，較強的展示能力，根據(jù)用戶的實際體驗增加用戶的認可度。對軟件應用程序的要求大致可以包括以下幾個方面：1.硬件功能過程中的實時操作狀態(tài)。2.程序應該簡單易于操作3.每一個程序在設計過程中留有很好的擴展性，方便后續(xù)更新。4.程序具有很高的安全性。根據(jù)程序的不同，以及每個程序的應用方向也不相同，對程序的要求也不盡相同，具體的設計步驟為：1.明確軟件需求，確定軟件的界面。2.分析需求，建立合適的模型。3.根據(jù)前面的模型，建立合適的算法。4.根據(jù)需求，依照前面的準備，建立子程序與主程序流程圖。5.選擇合適的語言進行編程，利用簡單的語言，在程序的過程中減少代碼的數(shù)量，做到精簡，易于開發(fā)。6.最后將各個程序之間進行一個串聯(lián)，組合成為一個完整的程序。軟件在設計中有不同的控制種類，大體可分為兩類：數(shù)據(jù)處理和程序過程的控制。數(shù)據(jù)處理，將傳感器的信息進行匯總，利用算法，對不同信息進行一個簡單的處理，合理的展現(xiàn)。在進行軟件設計時，通常把整個控制分解成很多個部分，每一個小的部分叫做一個控制模塊。同常意義上的模塊就是我們的每一個子程序，每一個字程序負責不同的功能，達到最后的需求，就是通常意義上的模塊化設計法。此次設計的軟件就是利用模塊化算法設計的，有主程序模塊、點擊模塊、路徑檢測程序模塊等等。主程序流程圖如圖4-1所示。 圖4-1主程序流程圖 4.2電機驅(qū)動程序設計該部分主要實現(xiàn)的功能是：無障礙時車速的自動控制，根據(jù)具體路線控制小車電機的轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)方向，使小車在相應車速下或右轉(zhuǎn)，或左轉(zhuǎn)。從而實現(xiàn)繼續(xù)前進。電機驅(qū)動部分程序代碼如下：voidDelay_ms(uintxms){uinti,j;for(i=xms;i>0;i--)//i=xms即延時約xms毫秒for(j=110;j>0;j--);}電機驅(qū)動程序流程圖如圖4-2所示。圖4-2電機驅(qū)動程序流程圖4.3循跡程序設計此次設計的小車主要是在地面上尋找黑線，黑線徐地面有一個色差，通過色差的不同，發(fā)射與就收的光也不同來判定小車的運動軌跡。也被常稱為紅外探測法。????紅外探測法，就是利用每種顏色發(fā)射的性質(zhì)的特點來提出的，利用常見的物理知識解決生活中的問題，紅外線照射到地面后會反射回來，當白色地面會產(chǎn)生常說的漫反射，而黑線則會被傳感器解釋被接受管吸收，無法到達交互后，控制器調(diào)整小車位置。設計的基本思路是，先判斷小車的左右循跡，小車在行駛過程中路徑是否正確，如果正確小車繼續(xù)前進，如果錯誤，利用電力控制小車進行位置調(diào)整。然后判斷時候有障礙物，障礙物距離，有過有障礙物躲避，沒障礙物的情況下，小車按照黑線繼續(xù)行駛。小車的每次調(diào)整都是利用四個電機的轉(zhuǎn)速，工作狀態(tài)來進行的位置調(diào)整。循跡程序流程圖如圖4-3所示。圖4-3循跡程序流程圖部分代碼如下所示：voidControlCar(unsignedcharConType)//定義電機控制子程序{//EN1=1;//EN2=1;switch(ConType)//判斷用戶設定電機形式{case1://前進{ET0=1;EN1=0;EN2=0;IN1=1;IN3=1;LeftLed=1;RightLed=1;//小車前進break;}case2://后退{ET0=1;EN1=0;EN2=0;IN1=0;IN3=0;LeftLed=0;RightLed=0;break;}}4.5組網(wǎng)程序設計ESP8266通信模塊通常有三種工作模式ESP8266通信模塊支持三種模式，分別為:AP模式、STA模式和STA、AP模式，程序先初始化，然后還是運行，設備設置為STA模式，連接網(wǎng)絡，啟動鏈接，連接模式就可以進行數(shù)據(jù)的收發(fā)ESP8266模塊配置流程如圖4-4所示：圖4-4無線模塊配置圖下位機模塊中，ESP8266WiFi模塊采用透傳模式，與上位機終端之間進行數(shù)據(jù)傳輸，即ESP8266模塊的透明傳輸功能[291。透明傳輸功能的作用是：ESP8266模塊無論是發(fā)送的數(shù)據(jù)還是接收的數(shù)據(jù)，內(nèi)容完全一致，不進行任何處理，即數(shù)據(jù)可透明的在上位機與下位機之間雙向傳輸。當ESP8266模塊接收到并成功執(zhí)行STM32發(fā)送的指令后，它將立即返回響應指令“OK"。收到響應后，STM32將繼續(xù)發(fā)送下一個AT指令。如果執(zhí)行不成功,ESP8266模塊將以“error”響應。此時，STM32將再次發(fā)送該指令。如果連續(xù)發(fā)送三次指令都沒有得到“OK”響應，則重新設置ESP8266模塊，然后從第一條指令開始發(fā)送，直到成功執(zhí)行所有指令。本章小結(jié)本章節(jié)先介紹了在軟件設計中有哪些過程，在設計過程中的注意事項，其次對于單片機的自動控制有了清楚地認識，也對小車的程序有了明確的剖析，最后講解了主程序?qū)﹄姍C、循跡、貨物拾取等的流程圖和程序。最后介紹了上位機的開發(fā)要點。

第5章系統(tǒng)測試系統(tǒng)測試是一個系統(tǒng)成功的重要環(huán)節(jié)。硬件部分與軟件部分的設計與制作都已完成，需要檢測實物是否達到設計最初的想法與功能。并介紹了一些測試軟件