題目：智能小車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目錄13420第1章緒論 頁緒論選題目的和意義伴隨著機(jī)械自動(dòng)化日新月異的發(fā)展，越來越多的領(lǐng)域都開始接觸和使用自動(dòng)化技術(shù)，人們希望利用自動(dòng)化技術(shù)能夠帶來生產(chǎn)力和工作效率的提高。近些年來，人們對于小車智能化技術(shù)方面的研究越來越關(guān)注，更是在國內(nèi)外開展了很多關(guān)于智能小車控制系統(tǒng)方面的競賽和技術(shù)交流活動(dòng)。一方面是因?yàn)橹悄苄≤嚹侨諠u提高的智能水平，而且正在迅速地使人們的生活形式發(fā)生改變。而且人類從未停止過對自然的探索、認(rèn)識(shí)和改造，能夠創(chuàng)造出來幫助或代替人類勞動(dòng)的機(jī)器，一直都是人類夢寐以求的事情。另外一點(diǎn)是，汽車技術(shù)的發(fā)展十分迅速，汽車在人們生活中越來越普遍與常見，相關(guān)的研究也層出不窮。還有就是，因?yàn)樵陔娮釉O(shè)計(jì)相關(guān)的項(xiàng)目中，使得智能小車的字眼在學(xué)校學(xué)習(xí)中層出不窮，大學(xué)生們經(jīng)常會(huì)參加一些電子項(xiàng)目的比賽競賽，往往也會(huì)拿到小車類的題目設(shè)計(jì)，這說明全國各大高校對這類題目的研究亦是十分重視。由于智能化的產(chǎn)生，我們的生活發(fā)生了很大改變，它為我們提供了許多便利的同時(shí)，也可以作為一個(gè)我們今后發(fā)展的方向。對于智能而言，就是人們預(yù)先把所需的模式設(shè)定完成，在指定的環(huán)境里不用通過人為的操作和管理即可自動(dòng)地運(yùn)作。它還能夠根據(jù)人們的需要提前設(shè)置好模式并自動(dòng)地去運(yùn)作，使得這類智能玩具的具有了很好的可操作性和互通性。所以用戶們對它們很是喜愛。同時(shí)，智能化還可以被高危搜索、機(jī)器領(lǐng)域等許多方面所利用，尤其是在機(jī)器人開發(fā)上有著良好的發(fā)展前景。自從人類進(jìn)入了21世紀(jì)，由于科技水平的迅速發(fā)展以及對生活質(zhì)量的高要求，人們在汽車相關(guān)方面如舒適度和安全性等等的要求愈發(fā)強(qiáng)烈。各種新興的先進(jìn)技術(shù)，比如汽車自動(dòng)駕駛、汽車智能交通和車輛巡航技術(shù)等等都被應(yīng)用和研究，人類的科技在不斷進(jìn)步著。智能汽車的研究是非常必要的，它的發(fā)展可能在未來發(fā)揮決定性的作用。因此，智能汽車在當(dāng)前具有非常重要的研究意義，同時(shí)也具有不可估量的市場價(jià)值和廣闊的發(fā)展前景。這也是我們在未來能夠切身感受到的。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國外研究現(xiàn)狀在上個(gè)世紀(jì)50年代，對智能車輛的研究就已經(jīng)出現(xiàn)國外的國家中了，所以智能小車擁有著很長的研究歷史。在工業(yè)設(shè)計(jì)界和科學(xué)界中，世界各國擁有很多具有代表性的智能車輛的研發(fā)。就近代來說有三個(gè)國家可以代表智能小車研究的先進(jìn)技術(shù)。日本大阪大學(xué)的研究：大阪大學(xué)的Shirai實(shí)驗(yàn)室所研制的智能小車，擁有著很高的科技水平，可以說是亞洲的代表。小車采用了航位推測系統(tǒng)（DeadReckoningSystem），分別利用旋轉(zhuǎn)編碼器和電位計(jì)來獲取智能小車的轉(zhuǎn)向角，從而完成了智能小車的定位。德意志聯(lián)邦大學(xué)的研究：2017年，研究人員研制出了第一輛VaMoRs智能原型車輛。對于保證橫向和縱向的車輛控制，研究人員利用了機(jī)器視覺完美的解決了這個(gè)問題。并在之后以100km/h的速度在戶外高速公路上進(jìn)行了測試。2018年，德意志聯(lián)邦大學(xué)研制出了智能車輛維塔（VITA,7t），并在都靈的PROMRTHEUS項(xiàng)目第一次委員會(huì)會(huì)議上進(jìn)行了展示。智能車輛維塔（VITA,7t）能夠向指定車輛傳送相關(guān)駕駛信息，除此之外還能夠自動(dòng)行駛、停車。研發(fā)人員還研發(fā)出了一個(gè)具有極高穩(wěn)定性的雙目視覺系統(tǒng)UBM。同時(shí)在這兩種車輛上都配備了此視覺系統(tǒng)。荷蘭鹿特丹港口的研究：由于荷蘭的地理位置導(dǎo)致他貨物運(yùn)輸業(yè)十分發(fā)達(dá)，夠更好的提高貨運(yùn)效率，它們在貨物運(yùn)輸智能車輛方面進(jìn)行了深入的研究。荷蘭的Combiroad系統(tǒng)，是他們研究的代表技術(shù)。該系統(tǒng)利用一個(gè)光陣列傳感器去探測障礙，應(yīng)用了先進(jìn)的避障設(shè)計(jì)；同時(shí)采用磁性導(dǎo)航參照物在放在行駛的路面上，應(yīng)用了精準(zhǔn)的導(dǎo)航設(shè)計(jì)；最后使用無人駕駛車輛對貨物進(jìn)行來回的運(yùn)送。目前荷蘭南部正在考慮利用這種系統(tǒng)，提出了在現(xiàn)有公路旁新建一條特殊車道，并使用該系統(tǒng)把貨物運(yùn)往全國各地的工業(yè)設(shè)想。除了上文介紹的以外，作為亞洲的另一個(gè)代表，韓國朝鮮理工大學(xué)對智能車輛也有很多的研究。同樣的作為美洲地區(qū)的代表，美國的卡內(nèi)基梅隆大學(xué)和麻省理工學(xué)院，它們對智能車輛也有很深的研究。當(dāng)然了在歐洲智能車輛的研究得到了長足的發(fā)展，比如作為英國代表的英國國防部門，作為德國代表的奔馳汽車公司，同樣的斯特拉斯堡大學(xué)地球科學(xué)實(shí)驗(yàn)室與學(xué)校作為法國的代表。國內(nèi)研究現(xiàn)狀20世紀(jì)80年代開始，我國開展了關(guān)于智能車輛技術(shù)方面的研究，與國外相比，我國的研究起步較晚。因?yàn)閲铱傮w科技的落后，很多的研究還處在針對某個(gè)單項(xiàng)技術(shù)研究的階段。但是隨著國家科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，我們與國外發(fā)達(dá)國家就智能車輛技術(shù)方面研究的差距在一點(diǎn)點(diǎn)的縮小，同時(shí)我們也取得了一系列的成果：中國一汽集團(tuán)與國防科技大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，雙方經(jīng)過不懈的努力與刻苦研究，最終在2003年研制出來了擁有國際先進(jìn)技術(shù)的成果——我國第一輛自主駕駛轎車。這輛智能汽車的技術(shù)含量非常之高。這輛自主駕駛轎車具有自主超車功能，并能夠在高速公路上行駛，在道路狀況正常的情況下，轎車行駛的最高穩(wěn)定速度為13km/h，在李鄉(xiāng)長臺(tái)下，轎車行駛的極限速度是170km/h。這輛轎車的總體技術(shù)指標(biāo)和性能已經(jīng)達(dá)到了世界先進(jìn)水平。隨著國家科技的不斷發(fā)展，交通系統(tǒng)ITS技術(shù)出現(xiàn)了。我國對智能小車的研究越發(fā)看重，因此對交通系統(tǒng)ITS的研究因?yàn)樽兊檬种匾?。交通部已將ITS研究列入“十五”科技發(fā)展計(jì)劃和2010年長期規(guī)劃。但是對智能小車的研究依舊是重點(diǎn)。隨著智能小車研究的興起，中國逐漸形成了一支專業(yè)的對智能小車技術(shù)研究開發(fā)的技術(shù)隊(duì)伍。同時(shí)，國內(nèi)的許多高校和科研院也開始加大了對智能小車各種模塊、主要技術(shù)研究。而且各汽車和交通運(yùn)輸方面的企業(yè)投入了大量的研究經(jīng)費(fèi)，使得人們對智能小車和ITS技術(shù)的研發(fā)更加深入，使得社會(huì)各界都加大了對他的關(guān)注。相信經(jīng)過科研工作者們的不懈努力，我國智能小車的技術(shù)一定會(huì)得到快速的發(fā)展。不斷的提高，最終趕上甚至超過世界水平。系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容智能車采用單片機(jī)STC89C52作為控制芯片，采用超聲波避障模塊HC-SR04實(shí)現(xiàn)避障功能。紅外對管用于檢測黑線以實(shí)現(xiàn)跟蹤功能，L298N驅(qū)動(dòng)芯片用于控制小車電機(jī)的轉(zhuǎn)速。智能車采用單片機(jī)STC89C52作為控制芯片，采用超聲波避障模塊HC-SR04實(shí)現(xiàn)避障功能。紅外對管用于檢測黑線以實(shí)現(xiàn)跟蹤功能，L298N驅(qū)動(dòng)芯片用于控制小車電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。使用液晶顯示模塊完成顯示功能，另外采用藍(lán)牙無線模塊HC-05進(jìn)行小車的遙控。以下為幾種功能的具體解釋：1、自動(dòng)避障功能，當(dāng)車輛行駛在規(guī)定路徑上時(shí)，超聲波模塊測出前方物體與小車距離小于25cm，小車會(huì)立即做出躲避動(dòng)作，后轉(zhuǎn)躲避障礙。2、自動(dòng)循跡功能，即在預(yù)先布置的1㎡白色場地內(nèi)，設(shè)置1㎜寬的黑色路線，智能小車可以自動(dòng)沿著黑線行駛，同時(shí)能夠循著黑線進(jìn)行左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等動(dòng)作。3、遙控功能，即通過小車上的藍(lán)牙模塊與手機(jī)藍(lán)牙連接，并通過手機(jī)來控制小車的左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退、前進(jìn)、停止、鳴笛、開關(guān)大燈的動(dòng)作。4、調(diào)速功能，即小車通過單片機(jī)和驅(qū)動(dòng)芯片，在按鍵控制下可以進(jìn)行小車速度的調(diào)節(jié)。5、顯示功能，即小車能夠?qū)崟r(shí)顯示當(dāng)前小車所處于的模式，并在循跡避障模式下顯示與前方障礙物的距離。在藍(lán)牙無線控制下只顯示所處的模式?？傮w方案設(shè)計(jì)單片機(jī)STC89C52作為控制芯片，選擇超聲波避障模塊HC-SR04來實(shí)現(xiàn)避障功能，利用紅外對管對黑線進(jìn)行的檢測實(shí)現(xiàn)循跡功能，利用L298N驅(qū)動(dòng)芯片控制小車電機(jī)的轉(zhuǎn)速，利用液晶顯示模塊完成顯示功能，另外采用藍(lán)牙無線模塊HC-05進(jìn)行小車的遙控。主控制器模塊選擇就目前國內(nèi)外對智能小車的研究來看，對智能小車控制模塊的選擇有很多種，我們選擇了目前比較流行的3種控制方式來進(jìn)行比較說明，具體如下：方案一：采用可編程邏輯器件CPLD作為控制器。這種控制器用來控制智能小車太過富余，造成浪費(fèi)。CPLD擁有很高的系統(tǒng)處理速度，因?yàn)樗捎玫氖遣⑿械妮斎胼敵龇绞?，這使得他不適合作為智能小車的控制核心。智能小車的只有幾個(gè)芯片和模塊，很小很緊湊，而他適合大規(guī)模的控制系統(tǒng)。CPLD穩(wěn)定性高、集成度高、體積小巧、內(nèi)部資源（寄存器和外設(shè)功能）多、可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯功能。但是智能小車控制系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的處理能力要求不是特別高，同時(shí)也用不到復(fù)雜的邏輯功能。而且CPLD的經(jīng)濟(jì)成本比較高，綜合考慮我們放棄了此方案。方案二：采用數(shù)字信號(hào)處理器DSP作為控制器。相對來說這也是一種比較常用的控制器。DSP擁有高密度、重復(fù)運(yùn)算及大數(shù)據(jù)容量的信號(hào)處理能力，在便攜儀表、家用電器、航空、雷達(dá)等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。它不適合用在智能小車系統(tǒng)的控制上，因?yàn)楸鞠到y(tǒng)不需要高密度，重復(fù)運(yùn)算及大數(shù)據(jù)容量的信號(hào)處理，其他方面也沒有很高的要求。而且從經(jīng)濟(jì)方面來說我們也沒有選擇的必要，故放棄此方案。但是他的功耗高，內(nèi)部資源（寄存器和外設(shè)功能）比較少，成本高。相比較而言更適合工業(yè)控制。因此不選擇方案三。方案三：以單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心。通過對設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的了解，明白了系統(tǒng)的重要性在于對智能小車的控制和各類模塊的一齊使用。在這個(gè)方面單片機(jī)是很好的選擇，因?yàn)閱纹瑱C(jī)控制能力強(qiáng)、集成度高、體積小、可靠性好。同時(shí)單片機(jī)易擴(kuò)展、功耗低、電壓低、便于生產(chǎn)且便攜。本設(shè)計(jì)使用單片機(jī)為控制核心完全滿足，最主要的是成本低，有很高的性價(jià)比。通過對上述3種方案的分析比較，采用單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的核心更加合適。以為他便宜實(shí)用，性價(jià)比高。遙控控制模塊選擇根據(jù)目前國內(nèi)外在智能小車技術(shù)方面的研究，紅外遙控控制無線遙控控制兩種方式，是最常用的兩種方式。下面我們進(jìn)行詳細(xì)的方案比較，具體如下：方案一：選擇紅外遙控裝置作為小車的遙控控制方式。這種方式方便快捷但是缺點(diǎn)也明顯。紅外遙控是通過遙控發(fā)射器內(nèi)的編碼芯片將按鍵信息調(diào)制成一串0和1的二進(jìn)制代碼，代碼在發(fā)射器內(nèi)被轉(zhuǎn)化成光線，然后發(fā)出，最后被紅外接收裝置接收進(jìn)行解碼，再運(yùn)用單片機(jī)對解碼后的碼信息進(jìn)行識(shí)別，然后再根據(jù)不同的碼信息進(jìn)行不同的控制操作。方案二：選擇無線電遙控裝置作為小車的遙控控制器。這種方式十分簡單并無明顯缺點(diǎn)。無線電遙控是利用控制端比如手機(jī)電腦等，發(fā)出不同頻率的無線電波，這些信號(hào)被遠(yuǎn)方的接收設(shè)備接收后，經(jīng)過主控芯片的轉(zhuǎn)換，可以驅(qū)動(dòng)其他各種相應(yīng)的機(jī)械或者電子設(shè)備去完成相應(yīng)的操作。紅外遙控和無線遙控的區(qū)別非常明顯，各有各的長處，也各有各的壞處。紅外遙控器是用紅外線來傳送控制信號(hào)的，它在室內(nèi)的發(fā)射有效范圍大概在七米，且光線的方向性極強(qiáng)，傳播途中不能被阻擋；無線遙控器是用無線電波來傳送控制的信號(hào)的，他的優(yōu)點(diǎn)顯而易見，缺點(diǎn)相對于來說很少。他的控制沒有方向性，可以不面對面控制，控制距離比較遠(yuǎn)但是精度又很高，有效距離在幾厘米到幾米之間。以上兩種方案均可作為本設(shè)計(jì)的遙控控制器，但是藍(lán)牙通信穩(wěn)定性高，抗感染性強(qiáng)，藍(lán)牙通信不受方向和陽光的限制。綜上本設(shè)計(jì)采用方案二即無線遙控作為小車的遙控控制系統(tǒng)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊選擇智能小車一般都是靠電機(jī)來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的，而電機(jī)的種類多種多樣，我們主要選擇兩種電機(jī)的選擇方案來說明，具體如下：方案一：選擇直流電機(jī)作為小車的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。這種電機(jī)應(yīng)用的十分廣泛且很常見。直流電機(jī)是將直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的一種裝置，因?yàn)樗∏煞奖悖|(zhì)量輕，使用方便，轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大，所以其在一些小型的電動(dòng)裝置中的應(yīng)用較多。直流電機(jī)的運(yùn)行方式是這樣的：在它里面有圓形的磁體會(huì)產(chǎn)生磁場，當(dāng)給它轉(zhuǎn)子上的繞組通電時(shí)，通電線圈在磁場中便會(huì)產(chǎn)生洛倫茲力帶著線圈即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)通電線圈內(nèi)的磁場方向?qū)?huì)改變，所以繞組上的電流也要變換流向，在方向一直不變的洛倫茲力控制下電機(jī)將向順時(shí)針或逆時(shí)針持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。由H型橋式電路直接驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，通過軟件編程使單片機(jī)輸出不同占空比的PWM（脈寬調(diào)制信號(hào)）來控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)而控制小車的行駛速度。方案二：選擇步進(jìn)電機(jī)作為小車的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。這種電機(jī)的應(yīng)用并沒有那么的廣泛，只有存在特殊工作狀況下才有需要。步進(jìn)電機(jī)是將輸入端輸入的電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)子的角位移，因?yàn)槲灰平堑囊笫志?xì)，所以又可以實(shí)現(xiàn)精確定位。而電機(jī)的控制方面相對來說也更簡單。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢取決于脈沖信號(hào)的頻率、轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)取決于脈沖的個(gè)數(shù)，這種控制十分的精準(zhǔn)，且受到的影響較小，只有在超載的情況下才會(huì)影響其轉(zhuǎn)動(dòng)速度。也就是說，正常情況下的控制十分穩(wěn)定。當(dāng)給步進(jìn)電機(jī)輸入一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)的轉(zhuǎn)子則轉(zhuǎn)過一個(gè)角度，反之則亦然，當(dāng)給其加上連接不斷的脈沖波形則步進(jìn)電機(jī)就能持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)下去。經(jīng)過對直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行比較，步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速十分的的容易，同時(shí)步進(jìn)電機(jī)能實(shí)現(xiàn)精確定位停車有很強(qiáng)的止動(dòng)能力，其控制原理十分簡單。只要輸入不同頻率的脈沖信號(hào)就能控制小車的行駛速度；步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度是由脈沖信號(hào)控制的能夠?qū)崿F(xiàn)精確停車。所以在本設(shè)計(jì)中我們選用了步進(jìn)電機(jī)作為小車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。避障模塊選擇智能小車避障功能實(shí)現(xiàn)的方法有很多，但總得來說就是兩大類，一類是通過光的反射原理，另一類是通過聲波的反射原理。所以有以下兩張方案的比較，具體如下：方案一：采用紅外反射式光電傳感器，利用光的反射原理來檢測障礙物。障礙物檢測電路安裝在小車前部的中間及左右兩邊，來檢測小車前方的障礙物。其障礙檢測過程如下：紅外發(fā)光二極管發(fā)出紅外光，如果遇到小車前面的障礙物，紅外線就會(huì)被物體反射回來，被光敏三極管吸收此時(shí)光敏三極管導(dǎo)通，并在輸出端輸出一個(gè)信號(hào)，當(dāng)單片機(jī)接收到輸出的低電平信號(hào)后，開始控制驅(qū)動(dòng)電路，完成避障。當(dāng)前方什么都沒有時(shí)，發(fā)出的紅外線不被反射，光敏三極管截止，輸出高電平信號(hào)，小車?yán)^續(xù)向前行駛。方案二：采用超聲波原理來檢測小車前方的障礙。利用聲波的傳遞和可反射性，就像蝙蝠使用的回聲定位系統(tǒng)。其實(shí)超聲波模塊使用的正是這個(gè)原理。當(dāng)發(fā)射短發(fā)出聲波后，接收端接收聲波，通過發(fā)射和接收間的時(shí)間間隙來計(jì)算障礙物的位置。然后給單片機(jī)輸出不同的電平信號(hào)，同時(shí)單片機(jī)會(huì)控制驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行動(dòng)作。相比紅外避障，超聲波避障擁有很強(qiáng)的抗干擾能力，且探測距離更遠(yuǎn)，價(jià)格低廉又環(huán)保，所以我們選用超聲波模塊。循跡模塊選擇循跡模塊就目前來說都是利用紅外線的發(fā)射和接收原理，只選擇的器件不同而已，故有兩種選擇，具體如下：方案一：用紅外發(fā)射管和接收管自己制作光電對管尋跡傳感器。自己動(dòng)手組裝的元器件，比較經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，但是工藝上和穩(wěn)定性上令人擔(dān)心。紅外發(fā)射管發(fā)出紅外線，當(dāng)發(fā)射紅線時(shí)光電管不能與地面距離過近，有時(shí)會(huì)識(shí)別不出來。利用光的反射原理，對發(fā)出的光線進(jìn)行接收，比較反射光強(qiáng)的不同來進(jìn)行不同電平的輸出。從而利用主控制器來進(jìn)行動(dòng)作。雖然制作的模塊能夠工作，但是工作不夠穩(wěn)定，且容易受外界光線的影響。方案二：用RPR220型紅外對管。眾所周知紅外對管利用的同樣都是光線的反射。RPR220是一種一體化反射型光電探測器，其發(fā)射器是一個(gè)砷化鎵紅外發(fā)光二極管，而接收器是一個(gè)高靈敏度，硅平面光電三極管。他有很多的優(yōu)點(diǎn)，比如小巧、方便、精度好、可靠性高。當(dāng)二極管發(fā)出光并反射回來后，光電三極管接受光線，三極管導(dǎo)通輸出低電平。然后傳給控制芯片，進(jìn)行動(dòng)作。RPR220型光電對管工作性能十分穩(wěn)定，電路調(diào)試簡單。經(jīng)過比較分析，我們選擇使用RPR220型光電對管。液晶顯示模塊選擇根據(jù)題目的要求小車可以實(shí)時(shí)顯示距離等數(shù)據(jù)。主要有兩種方案來實(shí)現(xiàn)：方案一：使用共陽極數(shù)碼管和可編程的鍵盤接口芯片，經(jīng)過基本的設(shè)計(jì)，然后組成數(shù)據(jù)顯示模塊，組成模塊之后，進(jìn)行電路的連接，將接口芯片直接與單片機(jī)的I/O口相連，由主控芯片精準(zhǔn)控制數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)顯示。方案二：用LCD液晶顯示屏直接與單片機(jī)相連組成數(shù)據(jù)顯示電路。LCD液晶顯示屏可以大面積且完整的顯示內(nèi)容。液晶顯示屏中一個(gè)字符占據(jù)一個(gè)點(diǎn)陣字符位，排序十分的精確，彼此之間都有一定的規(guī)格，每位之間也有一個(gè)點(diǎn)距的間隔將字符隔開，他是專門用來顯示字符和數(shù)字的點(diǎn)陣型液晶模塊，行與行之間也有間隔。由于本設(shè)計(jì)需要顯示的數(shù)據(jù)較多，若用LED數(shù)碼管來顯示需多個(gè)數(shù)碼管才能滿足要求，這樣電路設(shè)計(jì)過于復(fù)雜，相反只用一個(gè)LCD液晶顯示屏即可顯示要求數(shù)據(jù)，所以選擇使用LCD液晶顯示屏來顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。電源模塊選擇電源是整個(gè)小車系統(tǒng)運(yùn)行的基本條件，也是小車的動(dòng)力來源，一切都要在有電源的前提下完成的。電源性能的好壞直接決定整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和性能。所以十分重要。由于步進(jìn)電機(jī)和單片機(jī)和其邏輯單元最大供電電壓不能超過5V，因此需設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電路。方案一：使用6節(jié)1.5V干電池串聯(lián)作為電源。且不能給電路中的任何元器件直接供電，然后經(jīng)過由LM7805穩(wěn)壓芯片構(gòu)成的穩(wěn)壓電路將電壓降至5V，電壓降下且穩(wěn)定后會(huì)給電機(jī)和單片機(jī)及其外圍邏輯電路供電。由于電池電量有限，所以需要使用大量的電池，而且數(shù)量較多的干電池重量也會(huì)較大，會(huì)給驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶來太大負(fù)擔(dān)，造成過量的負(fù)載。同時(shí)也占用了太大的空間，在體積較小的小車上使用太不方便，所以放棄了他。方案二：使用12V蓄電池作為電源，但是不能給任何器件直接供電，要經(jīng)過降壓電路，將電壓降至5V后給單片機(jī)及其外圍電路供電。雖然蓄電池具有較長的續(xù)航能力以及電壓輸出的值基本不怎么變化，但是因?yàn)樾铍姵氐捏w積和質(zhì)量過大，并不適合本設(shè)計(jì)的使用，所以我們并沒有使用蓄電池來供電。方案三：使用2節(jié)3.7V鋰電池串聯(lián)的方式作為電源，且不能給電路中的任何元器件直接供電，電源要經(jīng)過由穩(wěn)壓芯片構(gòu)成的穩(wěn)壓電路將電壓降至5V，然后為電機(jī)和單片機(jī)以及其外圍電路供電。方案三鋰電池的電量較足并且可以充電重復(fù)利用，更加環(huán)保經(jīng)濟(jì)，2節(jié)鋰電池重量和占用的空間都較小，顯而易見2節(jié)3.7V鋰電池更適合本設(shè)計(jì)，所以我們選擇鋰電池。智能小車車體的設(shè)計(jì)智能小車的設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)和各種模塊的選擇是重要的組成部分，但是車體的選擇也是必不可少的。所以我們做出了如下比較，具體如下：方案一：購買玩具電動(dòng)車。買回來之后我們要對其進(jìn)行拆解，選擇需要的部分。不過完整的玩具車對于我們來說缺點(diǎn)是十分明顯的，具體如下：第一，玩具電動(dòng)車是經(jīng)過他人設(shè)計(jì)的完整產(chǎn)品，車體結(jié)構(gòu)十分的緊湊，我們安裝各種傳感器十分不便；第二，玩具電動(dòng)車都是靠機(jī)械傳動(dòng)進(jìn)行的轉(zhuǎn)向，十分的不靈敏和機(jī)動(dòng)，而且前輪轉(zhuǎn)向，后輪驅(qū)動(dòng)，不容易實(shí)現(xiàn)小車原地旋轉(zhuǎn)和直角轉(zhuǎn)彎。第三，玩具電動(dòng)車的電機(jī)一般都是玩具直流電機(jī)，實(shí)現(xiàn)調(diào)速困難、負(fù)載低、空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速快、力矩小。最重要的是玩具電動(dòng)車的成本很高。方案二：夠買現(xiàn)成的車體模具。通過對本設(shè)計(jì)要求的分析與考慮，制定了購買車體模具的方案。小車的主體是一塊專為智能小車設(shè)計(jì)的板子，上面則是一塊主控制板，車體下方則是兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)連接到車體上，安裝在車體前方，后方車體下安裝一個(gè)萬向輪，有助于小車的轉(zhuǎn)彎和原地掉頭。經(jīng)過思考研究和比較，我們選擇購買完整的車體模具。方案的經(jīng)濟(jì)與環(huán)保分析和可持續(xù)性發(fā)展經(jīng)濟(jì)方面：本設(shè)計(jì)以單片機(jī)作為控制核心。因?yàn)閱纹瑱C(jī)成本低，且制做簡單、方便、快捷、價(jià)格低廉。避障模塊、尋跡模塊、顯示模塊、電機(jī)、車體的選擇，都是在符合設(shè)計(jì)要求的前提下選擇的最經(jīng)濟(jì)實(shí)惠元器件與模塊。環(huán)保方面本設(shè)計(jì)選用的模塊與器件材料都是環(huán)保型或者對環(huán)境危害小的，使用方便且可回收。電源采用鋰電池，相較于其他的電源十分的環(huán)保且對環(huán)境傷害極小且可回收。智能小車技術(shù)在未來會(huì)越來越得到重視，就目前來說，我國與國外的智能小車技術(shù)相比還有一定的差距。但是我國某些單項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了國際先進(jìn)水平。智能小車在以后必將與我們的生活息息相關(guān)，各行各業(yè)、各方各面都將應(yīng)用上智能小車技術(shù)。系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體框圖通過對系統(tǒng)的分析判斷，確定單片機(jī)STC89C52作為整個(gè)系統(tǒng)控制的中心。在原有車體的基礎(chǔ)上，加裝超聲波避障模塊、紅外循跡模塊，通過檢測把路面信息傳送給單片機(jī)。利用單片機(jī)對小車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和位置進(jìn)行實(shí)時(shí)的把控，然后通過單片機(jī)對檢測的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)對驅(qū)動(dòng)電路的智能控制。從而達(dá)到自動(dòng)循跡避障的目的。同時(shí)能夠單獨(dú)的進(jìn)行藍(lán)牙遙控。圖3-1總體設(shè)計(jì)框圖通過對系統(tǒng)原理的分析，該系統(tǒng)以單片機(jī)STC89C52為控制芯片，利用超聲波避障模塊HC-SR04完成小車對前方障礙物距離的檢測，利用紅外對管對黑線進(jìn)行檢測，利用L298N驅(qū)動(dòng)芯片控制小車的相應(yīng)動(dòng)作，另外采用藍(lán)牙無線模塊HC-05對小車前后左右的行駛以及鳴笛、車燈進(jìn)行控制。當(dāng)小車上的超聲波避障模塊HC-SR04檢測到前方障礙物與小車的距離小于25cm時(shí)，小車對障礙物進(jìn)行躲避；同時(shí)通過紅外對管的光電特性，當(dāng)左邊的紅外對管受光弱時(shí)，小車左轉(zhuǎn)；當(dāng)右邊的紅外對管受光弱時(shí)，小車右轉(zhuǎn)；當(dāng)中間的紅外對管受光弱時(shí)，小車直行。單片機(jī)的選擇主控制器模塊在整個(gè)系統(tǒng)中起著統(tǒng)籌的作用，需要檢測鍵盤，紅外傳感器等各種參數(shù)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)液晶顯示相關(guān)參數(shù)，在這里我們選用了宏晶公司的的STC89C52單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制核心。STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K字節(jié)系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。STC89C52使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但是做了很多的改進(jìn)使得芯片具有傳統(tǒng)的51單片機(jī)不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。如下表所示為單片機(jī)STC89C52的功能特性。表3-1主要功能特性兼容MCS51指令系統(tǒng)8K可反復(fù)擦寫FlashROM32個(gè)雙向I/O口256x8bit內(nèi)部RAM3個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)時(shí)器中斷時(shí)鐘頻率0～24MHz2個(gè)串行中斷可編程UART串行通道2個(gè)外部中斷源共6個(gè)中斷源2個(gè)外部中斷源3級(jí)加密位低功耗空間和掉電模式軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能最小系統(tǒng)電路如圖3-2所示。圖3-2最小系統(tǒng)電路避障電路的設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，智能小車需要對前方障礙物進(jìn)行檢測，并進(jìn)行測距，采用超聲波避障HC-SR04。超聲波模塊可提供2cm-400cm的非接觸式距離感測功能，測距精度非常的高，可以達(dá)高到3mm；模塊超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路組成。主要參數(shù)如下表所示。表3-2HC-SR04主要參數(shù)工作電流15mA感應(yīng)角度不大于15°工作電壓DC-5V探測距離2cm～400cm工作頻率40KHz精度可達(dá)0.2cm輸入觸發(fā)信號(hào)10μs的TTL脈沖輸出回響信號(hào)輸出TTL電平信號(hào)，與射程成比例基本工作原理：初始化時(shí)將trig和echo端口都置低，首先向trig發(fā)送至少10us的高電平脈沖(模塊自動(dòng)向外發(fā)送8個(gè)40K的方波),然后等待,捕捉echo端輸出上升沿，捕捉到上升沿的同時(shí)，打開定時(shí)器開始計(jì)時(shí),再次等待捕捉echo的下降沿，當(dāng)捕捉到下降沿，讀出計(jì)時(shí)器的時(shí)間，這就是超聲波在空氣中運(yùn)行的時(shí)間，按照測試距離=(高電平時(shí)間*聲速(340M/S))/2就可以算出超聲波到障礙物的距離。超聲波模塊上有Vcc、GND、TRIG、ECHO這四個(gè)引腳。接線如表3-3所示：表3-3管腳接線表VccDC5VTRIG控制端GND地線ECHO接收端TRIG接P3.2引腳,ECHO接P3.3引腳。電路連接如圖3-3所示。圖3-3避障電路循跡電路的設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，我們需要一個(gè)循跡模塊來對路線進(jìn)行檢測。循跡模塊使用的是紅外對管對光線強(qiáng)弱的一個(gè)判別。當(dāng)小車行駛在貼有黑線的白色地面上時(shí)，因?yàn)榘咨孛婧秃诰€對于光線的反射強(qiáng)度不同，紅外對管接收到的光強(qiáng)自然也不同。不同的光照強(qiáng)度在RPR220型光電對管中產(chǎn)生不同的電平，然后把采集到的不同電平送到LM339比較器進(jìn)行比較。最后把信息送到單片機(jī)中進(jìn)行下面的控制。市面上有很多紅外傳感器，在這里我選用RPR220型光電對管。電路圖如圖3-4所示。圖3-4循跡電路液晶顯示電路的設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，需要使用液晶顯示模塊對超聲波避障模塊測得的障礙物距離進(jìn)行顯示，同時(shí)還需要在按鍵控制之后對小車所處于的模式進(jìn)行顯示。因此顯示模塊我們采用LCD1602液晶顯示器。選擇完顯示模塊類型之后我們對他的原理進(jìn)行了了解。液晶顯示模塊的命令操作腳是RS、RW、EN，數(shù)據(jù)腳D0～D7，引腳的接口說明如表3-4。表3-4引腳接口說明表編號(hào)符號(hào)引腳說明編號(hào)符號(hào)引腳說明1GND電源地9D2數(shù)據(jù)2VCC電源正極10D3數(shù)據(jù)3VO液晶顯示偏壓11D4數(shù)據(jù)4RS數(shù)據(jù)/命令選擇12D5數(shù)據(jù)5R/W讀/寫選擇13D6數(shù)據(jù)6E使能信號(hào)14D7數(shù)據(jù)7D0數(shù)據(jù)15BLA背光源正極8D1數(shù)據(jù)16BLK背光源負(fù)極液晶顯示模塊的RS接單片機(jī)的P3.5腳，RW接P3.6腳，EN接P3.7腳。電路圖如圖3-5所示。DB0～DB7分別接單片機(jī)的P0～P7口。圖3-5顯示電路電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路的設(shè)計(jì)本智能小車的左右兩個(gè)車輪由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以通過改變PWM信號(hào)的占空比即可改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。但是單片機(jī)的I/O口輸出電流在10mA左右，無法直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，需要經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路放大后才能控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。兩組PWM波的輸出引腳P2.4、P2.5，分別接L298N的兩個(gè)使能端ENA、ENB。通過改變PWM信號(hào)的占空比來改變左、右輪電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。這樣就能控制回路正反交替導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)。4個(gè)輸入端IN1～I(xiàn)N4接單片機(jī)的I/O口P2.0～P2.3。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖3-6所示。圖3-6電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖3-7L298N實(shí)物L(fēng)298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。表格如下：表3-5L298N的特點(diǎn)特點(diǎn)說明工作電壓高最高工作電壓可達(dá)46V輸出電流大瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A內(nèi)含兩個(gè)H橋用來驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、繼電器、線圈等感性負(fù)載有兩個(gè)使能控制端在不受輸入信號(hào)影響的情況下允許或禁止器件工作有一個(gè)邏輯電源輸入端使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作可外接檢測電阻將變化量反饋給控制電路。下表為L298N的引腳功能。表3-6L298引腳功能表引腳符號(hào)功能115SENSINGASENSINGB此兩端與地連接電流檢測電阻，并向驅(qū)動(dòng)芯片反饋檢測到的信號(hào)23OUT1OUT2此兩腳是全橋式驅(qū)動(dòng)器A的兩個(gè)輸出端，用來連接負(fù)載4Vs電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源輸入端57IN1IN2輸入標(biāo)準(zhǔn)的TTL邏輯電平信號(hào)，用來控制全橋式驅(qū)動(dòng)器A的開關(guān)611ENABLEAENABLEB使能控制端.輸入標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)；低電平時(shí)全橋式驅(qū)動(dòng)器禁止工作。8GND接地端，芯片本身的散熱片與8腳相通9Vss邏輯控制部分的電源輸人端口1012IN3IN4輸入標(biāo)準(zhǔn)的TTL邏輯電平信號(hào)，用來控制全橋式驅(qū)動(dòng)器B的開關(guān)1314OUT3OUT4此兩腳是全橋式驅(qū)動(dòng)器B的兩個(gè)輸出端，用來連接負(fù)載下表為L298N的邏輯控制，其中C、D分別為IN1、IN2或IN3、IN4表3-7L298對直流電機(jī)控制的邏輯真值表輸入輸出Ven=HC=H；D=L正轉(zhuǎn)C=L；D=H反轉(zhuǎn)C=D制動(dòng)Ven=LC=＊；D=＊沒有輸出，電機(jī)不工作L代表著低電平，H代表著高電平，＊為不管是低電平還是高電平。智能小車報(bào)警電路的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的喇叭用蜂鳴器進(jìn)行代替，報(bào)警電路采用PNP型S8550三極管驅(qū)動(dòng)，當(dāng)藍(lán)牙芯片向單片機(jī)發(fā)出喇叭控制信號(hào)時(shí)，報(bào)警電路開始動(dòng)作，P06口輸出低電平時(shí)，三極管飽和導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲。當(dāng)單片機(jī)沒有接收到藍(lán)牙芯片的喇叭控制信號(hào)時(shí)，三極管截止，蜂鳴器停止報(bào)警。電路圖如圖3-7所示。圖3-8報(bào)警電路藍(lán)牙模塊電路的設(shè)計(jì)在本設(shè)計(jì)中，控制控制智能小車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)顯得尤其重要。操作人員可以通過觀察智能小車的運(yùn)動(dòng)情況，進(jìn)行指令操控。HC-05外部接線如圖3-9所示。圖3-9HC-05圖HC-05引出6個(gè)引腳，分別是TXD、RXD，這是藍(lán)牙模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收端，正負(fù)電源的兩端分別接VCC和GND，EN使能端、STATE狀態(tài)位。當(dāng)藍(lán)牙芯片和手機(jī)未聯(lián)機(jī)時(shí)LEDD7信號(hào)指示燈快閃，在連接過程中指示燈慢閃，當(dāng)聯(lián)機(jī)成功后信號(hào)指示燈兩閃一停。通過AT命令可以切換主機(jī)和從機(jī)模式，本設(shè)計(jì)藍(lán)牙模塊處于從機(jī)模式，該模式下手機(jī)與藍(lán)牙模塊配對成功后，可以作為全雙工串口使用。TXD和RXD串口腳分別和和單片機(jī)上的I/O口P3.0和P3.1直接連接。藍(lán)牙的控制信號(hào)通過串口和單片機(jī)進(jìn)行通信圖3-10HC-05外部接線圖工作原理：在VCC接入5V，由于單片機(jī)與藍(lán)牙模塊的工作電壓不同，所以單片機(jī)5V電源必須通過LDO降壓到3.3V后再給HC-O5供電，GND接地后。電阻R24和LED7燈組成的電源指示亮起。此時(shí)電路中的所有原器件都導(dǎo)通。開關(guān)S1和R19組成的復(fù)位電路，當(dāng)S1按下后，進(jìn)行芯片復(fù)位。電源電路的設(shè)計(jì)電源是一個(gè)設(shè)計(jì)不可或缺的一部分，不論是軟件還是硬件都需要電源來提供能量。而有時(shí)設(shè)計(jì)中需要使用不同的元器件或者傳感器，但是他們的工作電壓有可能不同，這時(shí)就需要穩(wěn)壓和降壓芯片，完成對電路電壓的改變和穩(wěn)定輸出。使用7805芯片搭建的電源電路簡單、實(shí)用，只要懂得基本電源知識(shí)就可以搭建，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，這對使用者來說是十分重要的，所以他十分安全、可靠。而且選擇7805芯片十分的經(jīng)濟(jì)。結(jié)合以上的優(yōu)點(diǎn)，電源完全能夠滿足智能小車控制系統(tǒng)和L298N芯片的用電需求。通常情況下7805芯片可以提供1.5A的電流，不過在極限理想的工作狀態(tài)下可以提供大于1.5A的電流，但是一般達(dá)不到這種工作狀態(tài)。7805芯片可以接多種輸入電壓，可以是9V、12V或者15V輸出電壓穩(wěn)定在5V，正負(fù)誤差不超過0.2V?；谶@樣的情況再結(jié)合電機(jī)的工作電壓，選取了6節(jié)干電池9V作為7805的輸入電源，搭建的電源部分電路如圖3-11所示。7805芯片有3個(gè)引腳，分別為輸入IN端、輸出OUT端和接地GND端。圖3-11電源電路系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體程序流程圖通過對第三章系統(tǒng)硬件電路的介紹，我們完成了對系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。軟件方面十分的重要，沒有程序小車也只是一個(gè)框架而已。軟件設(shè)計(jì)中包括主程序、避障子程序、循跡子程序等。圖4-1系統(tǒng)總體軟件流程圖按下電源鍵，小車進(jìn)入循跡避障模式，利用超聲波避障模塊HC-SR04完成小車對前方障礙物距離的檢測，利用紅外對管對黑線進(jìn)行檢測，利用L298N驅(qū)動(dòng)芯片控制小車的相應(yīng)動(dòng)作，另外采用藍(lán)牙無線模塊HC-05對小車前后左右的行駛以及鳴笛、車燈進(jìn)行控制。當(dāng)小車上的超聲波避障模塊HC-SR04檢測到前方障礙物與小車的距離小于25cm時(shí)，小車對障礙物進(jìn)行躲避，向后旋轉(zhuǎn)180度；當(dāng)小車左邊的光電對管檢測到黑線時(shí)，小車向左偏轉(zhuǎn)；當(dāng)小車右邊的光電對管檢測到黑線時(shí)，小車向右偏轉(zhuǎn)。循跡避障子程序流程圖按下按鍵，接通電源后，液晶顯示模塊和超聲波模塊初始化，然后開始工作。流程圖如圖4-2所示。超聲波模塊開始監(jiān)測前方是否有障礙物且距離是多少，然后在，液晶顯示屏上顯示距離。循跡模塊工作，并在黑線上循跡行駛，并根據(jù)對黑線的檢測調(diào)整位置。同時(shí)超聲波模塊對前方障礙物進(jìn)行檢測，有障礙物且距離小于25cm，小車立即進(jìn)行躲避；如果沒有則繼續(xù)行駛。圖4-2循跡避障子程序流程圖遙控子程序流程圖按下電源鍵小車開啟，按下模式切換鍵智，小車進(jìn)入藍(lán)牙遙控模式，主控芯片，通過串口接收到藍(lán)牙模塊HC-05的控制數(shù)據(jù)后控制小車的相應(yīng)動(dòng)作。先初始化單片機(jī)的串口，和手機(jī)藍(lán)牙配對，讀出藍(lán)牙遙控控制信號(hào)。判斷是否對智能小車的方向（前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)）進(jìn)行控制和發(fā)出對蜂鳴器報(bào)警和大燈開關(guān)的控制信號(hào)。圖4-3遙控子程序流程圖智能小車的控制策略研究控制策略的概述現(xiàn)代在工業(yè)控制的設(shè)計(jì)中對設(shè)計(jì)目標(biāo)的指標(biāo)要求越來越高。以PID為核心的傳統(tǒng)控制裝置在不確定環(huán)境下變得越來越復(fù)雜和控制，難以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的要求。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)水平的快速發(fā)展不斷提高，一系列新型的控制方式逐漸的被人們掌握。人們從數(shù)學(xué)、控制理論、工程實(shí)踐等多種角度不一樣的方面對控制進(jìn)行相應(yīng)的研究，并且在一定的程度上取得了很大的突破，例如在工業(yè)控制中成功的實(shí)現(xiàn)了新的控制應(yīng)用，新的控制策略，以前傳統(tǒng)的控制已成為一個(gè)不受歡迎的領(lǐng)域，取而代之的是新的控制領(lǐng)域。在工程領(lǐng)域的應(yīng)用中新型的主要控制策略有：模糊控制、魯棒控制、模糊自適應(yīng)控制、預(yù)測控制、神經(jīng)網(wǎng)路控制以及遺傳算法。自適應(yīng)控制是控制目標(biāo)特性的變化、移動(dòng)和環(huán)境干擾系統(tǒng)對其造成的影響，并且其基本思想通過在線運(yùn)行逐步減少和消滅。宏觀上是通過測量實(shí)時(shí)誤差信號(hào)和實(shí)際系統(tǒng)的底部特性持續(xù)學(xué)習(xí)、存儲(chǔ)并與其相對應(yīng)地協(xié)調(diào)的動(dòng)態(tài)過程。從另外一個(gè)角度應(yīng)用角度出發(fā)來看就是考察各種自我適應(yīng)系統(tǒng)，可以大致歸納為兩種類型：自適應(yīng)控制和自校正控制。PID控制的原理PID控制憑借其本身的結(jié)構(gòu)原理簡單、魯棒特性高，物理意義明確等一系列優(yōu)勢被廣泛的應(yīng)用在大多數(shù)帶有反饋控制系統(tǒng)中，這也使得PID控制系統(tǒng)成為通用性最好的一種傳統(tǒng)的工業(yè)控制方式，其使用的頻率在傳統(tǒng)的工業(yè)控制中也是最頻繁的一種控制之一。PID控制器是由三種控制器共同組成的，這三種控制器分別為：P比例控制器、I積分控制器和D微分控制器。PID系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示，因?yàn)檫@種控制器也是一種線性控制器，所以能夠據(jù)系統(tǒng)的給定量和反饋信號(hào)進(jìn)行相對應(yīng)的比較構(gòu)成控制偏差，再將偏差按一定的比例、積分和微分三種運(yùn)算方法進(jìn)行求和計(jì)算從而得出控制量，最后完成對系統(tǒng)被控量的PID控制，將這種控制方式稱為PID控制器。圖4-4PID控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)PID控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)1、PID控制系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)如下：(1)PID控制器實(shí)現(xiàn)的過程簡單快捷，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理簡單易懂，是一種通用性很強(qiáng)的控制器。(2)魯棒特性較強(qiáng)。2、主要缺點(diǎn)有：(1)因?yàn)镻ID控制的算法的非常的簡單所以PID控制不適應(yīng)于多輸入多輸出的控制系統(tǒng)，只能適用于單輸入單輸出的控制系統(tǒng)。在處理一些大的時(shí)滯系統(tǒng)、一些開環(huán)系統(tǒng)和不穩(wěn)定等難控對象時(shí)，只建立一個(gè)PID控制器無法實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求，只有通過多個(gè)以上的控制器結(jié)合控制才能式設(shè)計(jì)的控制效果達(dá)到較好的程度。(2)PID控制器結(jié)構(gòu)簡單，常規(guī)的控制器不能夠?qū)崿F(xiàn)對目標(biāo)紫的跟蹤和抑制擾動(dòng)量的要求。PID算法反饋控制直流電機(jī)的軟件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的智能小車控制連接直線和弧線的軌跡?？刂扑惴?，通過改變發(fā)動(dòng)機(jī)的方向，允許您保存有關(guān)軌跡的信息。在智能小車中軸的齒輪，所以水平移動(dòng)小車是零。這個(gè)設(shè)計(jì)智能小車采用自動(dòng)控制系統(tǒng)。自動(dòng)控制有三種主要的開環(huán)控制方式，反饋控制和重組。而反饋控制在系統(tǒng)中最常用e自動(dòng)控制，用于此項(xiàng)目。在開發(fā)智能小車自動(dòng)控制算法時(shí)，使用了PID控制算法，基礎(chǔ)反饋，控制速度和轉(zhuǎn)向架。所謂的PID控制是對e（t）偏移的成比例、積分和微分變化的控制模式，包括三個(gè)測量、比較和執(zhí)行組成部分，通過比較所獲得的變量與預(yù)期值并糾正響應(yīng)由于簡單而有效的控制一般不影響系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，因此可以確保系統(tǒng)運(yùn)行的相對穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能的有效改善，因此，PID控制系統(tǒng)的原理圖4-5所示。圖4-5模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖下式為調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律：式中：稱為比例增益;稱為積分時(shí)間常數(shù);稱為微分時(shí)間常數(shù)。在DDC系統(tǒng)中，模擬控制器由計(jì)算機(jī)代替，軟件完成控制法則的應(yīng)用?？梢钥闯?，系統(tǒng)中數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)基本上是計(jì)算機(jī)算法的設(shè)計(jì)。由于計(jì)算機(jī)無法直接計(jì)算連續(xù)控制公式，因此只能識(shí)別數(shù)值。因此，在DDC系統(tǒng)中首先要設(shè)計(jì)離散化算法。數(shù)控算法可分為位置類型（4-1）和增量PID控制（4-2）兩種類型的PID控制。(4-1)(4-2)式中：T為釆樣周期，應(yīng)使T足夠小，才能保證系統(tǒng)有一定的精度;e(k)為系統(tǒng)第k次釆樣時(shí)刻的偏差值;e(k-1)為系統(tǒng)第(k-1)次采樣時(shí)刻的偏差值；k為釆樣序號(hào)，k=0,1,2…；稱為積分時(shí)間常數(shù);稱為微分時(shí)間常數(shù)；比例增益；積分系數(shù)；微分系數(shù)。本設(shè)計(jì)采用增量型PID控制算法作為智能小車的控制方法?？刂剖疽鈭D如圖4-6所示。圖4-6增量型PID控制示意圖在計(jì)算中可將其化簡為以下的形式在上式中：系統(tǒng)的框圖如圖4-7所示，本設(shè)計(jì)中下車的速度控制通過直流電機(jī)模塊轉(zhuǎn)化的脈沖調(diào)制信號(hào)用來調(diào)節(jié)，通過PID控制算法將接收到的信息經(jīng)系統(tǒng)運(yùn)算輸出PWM信號(hào)，控制小車電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)PID控制算法利用電機(jī)反饋的信號(hào)作為參數(shù)，執(zhí)行下一節(jié)拍的PID控制計(jì)算。圖4-7小車控制系統(tǒng)對速度控制的系統(tǒng)框圖由于在PID算法中、、等參數(shù)可能都設(shè)置為小數(shù)，因此在設(shè)計(jì)該部分程序時(shí)使用C語言，設(shè)置一個(gè)結(jié)構(gòu)體變量存儲(chǔ)PID的偏差值，可以使程序更加簡潔且調(diào)用方便。設(shè)置初始化PWM輸出為最大輸出，并且可以根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求來自行設(shè)定脈沖計(jì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值。其程序設(shè)計(jì)流程如圖4-8所示。圖4-6PID程序設(shè)計(jì)流程圖設(shè)置寄存器e(k)、e(k-1)與e(k-2)，用來放置第k次、（k-1)次和（k-2)次的標(biāo)準(zhǔn)值與測量值比較的偏差。每次PID計(jì)算的測試結(jié)果的相應(yīng)值都被移入相應(yīng)的寄存器中，輸出的u(k)經(jīng)過換算設(shè)置為0和1之間，對應(yīng)為脈沖調(diào)制信號(hào)。實(shí)物制作與調(diào)試實(shí)物制作由于黑線檢測系統(tǒng)要放在車體的前端，所以要單獨(dú)制作黑線檢測系統(tǒng)的電路板，并通過排線連接主控板進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。黑線檢測系統(tǒng)中的5個(gè)光電對管，彼此之間以一定的距離直線連接，提高對黑線檢測的準(zhǔn)確性。因?yàn)楣怆妼艿臋z測距離在2cm之內(nèi)，所以檢測系統(tǒng)應(yīng)安裝在車體的前端且貼近地面。超聲波模塊前不能有遮擋且應(yīng)處于前方，所以超聲波模塊安裝在車體前端，且在最高位置。液晶顯示模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、主控模塊都安裝在車體上，左右輪電機(jī)與電源接口分別用排線與主控板連接。電源是6節(jié)1.5V的干電池串聯(lián)，提供9V電源。1、安裝控制板和底板，如圖5-1所示。圖5-1安裝控制板和底板2、組裝左右兩個(gè)電機(jī)，如圖5-2所示。圖5-2組裝電機(jī)3、安裝車輪，如圖5-3所示。圖5-3安裝車輪4、安裝避障模塊，如圖5-4所示。圖5-4安裝避障模塊5、安裝尋跡模塊，如圖5-5所示。圖5-5安裝循跡模塊安裝液晶顯示模塊，如圖5-6所示圖5-6安裝液晶顯示模塊硬件調(diào)試先對各模塊進(jìn)行調(diào)試：循跡電路的調(diào)試，在其電源端接上5V電源，LM339上的OUT端，檢查好電路是否接通，準(zhǔn)備好之后，用示波器DC檔檢測。一個(gè)人進(jìn)行測試，一個(gè)人觀看變化。用手遮擋光電對管，看示波器上的信號(hào)變化，由原來的高電平跳變成了低電平，則光電對管工作正常。經(jīng)過逐一檢測，5個(gè)光電對管都能正常工作。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的調(diào)試，在L298N電源端分別接入電源，接入的電源分別為5V和9V，用電壓表檢測接入的電源端是否有變化，最后沒有變化，說明驅(qū)動(dòng)電路正常工作。電源的調(diào)試，在9V電源端上給9V電壓，按下開關(guān)接通電路，電源接通，指示燈亮，用電壓表測量5V電源端，電壓穩(wěn)定且為5V，說明降壓穩(wěn)壓電路正常工作。對小車整體進(jìn)行調(diào)試：打開電源開關(guān)后，小車為循跡避障模式，并在液晶屏上顯示出來了，小車放在黑線上，光電對管工作正常，小車在黑線上正