1、一 本課題的研究意義，國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，水平和發(fā)展趨勢(shì) 目前 ，在企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)不斷提高、對(duì)自動(dòng)化技術(shù)要求不斷加深的環(huán)境下，智能車輛以及在智能車輛基礎(chǔ)上開發(fā)出來的產(chǎn)品已成為自動(dòng)化物流運(yùn)輸、柔性生產(chǎn)組織等系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。世界上許多國(guó)家都在積極進(jìn)行智能車輛的研究和開發(fā)設(shè)計(jì)。移動(dòng)機(jī)器人是機(jī)器人學(xué)中的一個(gè)重要分支，出現(xiàn)于20世紀(jì)06年代。當(dāng)時(shí)斯坦福研究院(SRI)的Nils Nilssen和charles Rosen等人，在1966年至1972年中研制出了取名shakey的自主式移動(dòng)機(jī)器人，目的是將人工智能技術(shù)應(yīng)用在復(fù)雜環(huán)境下，完成機(jī)器人系統(tǒng)的自主推理、規(guī)劃和控制。從此，移動(dòng)機(jī)器人從無(wú)到有，數(shù)量不斷增多，

2、智能車輛作為移動(dòng)機(jī)器人的一個(gè)重要分支也得到越來越多的關(guān)注。 世界各國(guó)在智能微型車領(lǐng)域進(jìn)行了很多研究，己經(jīng)應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，在探測(cè)和軍事領(lǐng)域使用特別多。近年來，我國(guó)也開展了很多研究工作，以滿足不同用途的需要。 世界各國(guó)開發(fā)、研制星球探測(cè)車系統(tǒng)己經(jīng)有了多年的歷史。美國(guó)和前蘇聯(lián)是從20世紀(jì)60年代末期開始進(jìn)行月球表面探測(cè)任務(wù)的。美國(guó)曾在1966-1968年間，向月球成功發(fā)射了兩次無(wú)人巡游探測(cè)器。1997年，由美國(guó)JPL(全稱JetPropulsion Laboratory，美國(guó)太空總署噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室)研制的Sojourner號(hào)探測(cè)車登上了火星。它驗(yàn)證了小型火星車的性能，并完成了一系列技術(shù)試驗(yàn)。2004

3、年1月，美國(guó)的“勇氣號(hào)”和“機(jī)遇號(hào)”火星探測(cè)車再度登陸火星。前蘇聯(lián)在1959-1976年間，總共成功發(fā)射了兩個(gè)月球探測(cè)車。 智能小車，是一個(gè)集環(huán)境感知、規(guī)劃決策，自動(dòng)行駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)，它集中地運(yùn)用了計(jì)算機(jī)、傳感、信息、通信、導(dǎo)航及白動(dòng)控制等技術(shù)，是典型的高新技術(shù)綜合體。智能車輛也叫無(wú)人車輛，是一個(gè)集環(huán)境感知、規(guī)劃決策和多等級(jí)輔助駕駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)。它具有道路障礙自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)制動(dòng)、自動(dòng)保持安全距離、車速和巡航控制等功能。智能車輛的主要特點(diǎn)是在復(fù)雜的道路情況下，能自動(dòng)地操縱和駕駛車輛繞開障礙物并沿著預(yù)定的道路(軌跡)行進(jìn)。智能車輛在原有車輛系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了一些智能化

4、技術(shù)設(shè)備: (1)計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，主要完成對(duì)來自攝像機(jī)所獲取的圖像的預(yù)處理、增強(qiáng)、分析、識(shí)別等工作; (2)攝像機(jī)，用來獲得道路圖像信息; (3)傳感器設(shè)備，車速傳感器用來獲得當(dāng)前車速，障礙物傳感器用來獲得前方、側(cè)方、后方障礙物等信息。 智能車輛技術(shù)按功能可分為三層，即智能感知/預(yù)警系統(tǒng)、車輛駕駛系統(tǒng)和全自動(dòng)操作系統(tǒng)團(tuán)。上一層技術(shù)是下一層技術(shù)的基礎(chǔ)。三個(gè)層次具體如下: (1)智能感知系統(tǒng)，利用各種傳感器來獲得車輛自身、車輛行駛的周圍環(huán)境及駕駛員本身的狀態(tài)信息，必要時(shí)發(fā)出預(yù)警信息。主要包括碰撞預(yù)警系統(tǒng)和駕駛員狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。碰撞預(yù)警系統(tǒng)可以給出前方碰撞警告、盲點(diǎn)警告、車道偏離警告、換道/并道警告、

5、十字路口警告、行人檢測(cè)與警告、后方碰撞警告等.駕駛員狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)包括駕駛員打噸警告系統(tǒng)、駕駛員位置占有狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。 (2)輔助駕駛系統(tǒng)，利用智能感知系統(tǒng)的信息進(jìn)行決策規(guī)劃，給駕駛員提出駕駛建議或部分地代替駕駛員進(jìn)行車輛控制操作。主要包括:巡航控制、車輛跟蹤系統(tǒng)、準(zhǔn)確泊車系統(tǒng)及精確機(jī)動(dòng)系統(tǒng)。 (3)車輛自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，這是智能車輛技術(shù)的最高層次，它由車載計(jì)算機(jī)全部自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)車輛操作功能。目前，主要發(fā)展用于擁擠交通時(shí)低速自動(dòng)駕駛系統(tǒng)、近距離車輛排隊(duì)駕駛系統(tǒng)等。 這種智能小車的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括以下幾個(gè)方面: (1)軍事偵察與環(huán)境探測(cè)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)軍事偵察提出了更高的要求，世界各國(guó)普遍重視對(duì)軍事偵察的建

6、設(shè)，采取各種有效措施預(yù)防敵方的突然襲擊，并廣泛應(yīng)用先進(jìn)科學(xué)技術(shù)，不斷研制多用途的偵察器材和探測(cè)設(shè)備，在車上裝備攝像機(jī)、安全激光測(cè)距儀、夜視裝置和衛(wèi)星全球定位儀等設(shè)備，通過光纜操縱，完成偵察和監(jiān)視敵情、情報(bào)收集、目標(biāo)搜索和自主巡邏等任務(wù)，進(jìn)一步擴(kuò)大偵察的范圍，提高偵察的時(shí)效性和準(zhǔn)確性。 (2)探測(cè)危險(xiǎn)與排除險(xiǎn)情在戰(zhàn)場(chǎng)上或工程中，常常會(huì)遇到各種各樣的意外。這時(shí)，智能化探測(cè)小車就會(huì)發(fā)揮很好的作用。戰(zhàn)場(chǎng)上，可以使用智能車輛掃除路邊炸彈、尋找和銷毀地雷。民用方面，可以探測(cè)化學(xué)泄漏物質(zhì)，可以進(jìn)行地鐵滅火，以及在強(qiáng)烈地震發(fā)生后到廢墟中尋找被埋人員等。 (3)安全檢測(cè)受損評(píng)估在工程建設(shè)領(lǐng)域，可對(duì)高速公路自動(dòng)巡

7、跡，進(jìn)行道路質(zhì)量檢測(cè)和破壞分析檢測(cè);對(duì)水庫(kù)堤壩、海岸護(hù)岸堤、江河大壩進(jìn)行質(zhì)量和安全性檢測(cè)。在制造領(lǐng)域，可用于工業(yè)管道中機(jī)械損傷，裂紋等缺陷的探尋，對(duì)輸油和輸氣管線的泄漏和破損點(diǎn)的查找和定位等。 (4)智能家居在家庭中，可以用智能小車進(jìn)行家具、遠(yuǎn)程控制家中的家用電器，控制室溫等等。對(duì)這種小車的研究，將為未來環(huán)境探測(cè)術(shù)上的有力支持。 目前，國(guó)內(nèi)外的許多大學(xué)及研究機(jī)構(gòu)都在積極投入人力、財(cái)力研制開發(fā)針對(duì)特殊條件下的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。其中包括研究使用遠(yuǎn)程、無(wú)人的方法來進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，如機(jī)器人、遠(yuǎn)程監(jiān)控等。無(wú)線傳輸?shù)陌l(fā)展使得測(cè)量變得相對(duì)簡(jiǎn)單而且使得處理數(shù)據(jù)的速度變得很快甚至可以達(dá)到實(shí)時(shí)處理”。 該智能小車可以作為機(jī)

8、器人的典型代表。它可以分為三大組成部分：傳感器檢測(cè)部分、執(zhí)行部分、CPU。機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障功能，還可以擴(kuò)展循跡等功能，感知導(dǎo)引線和障礙物?？梢詫?shí)現(xiàn)小車自動(dòng)識(shí)別路線，選擇正確的行進(jìn)路線，并檢測(cè)到障礙物自動(dòng)躲避。 通過構(gòu)建智能小車系統(tǒng)，培養(yǎng)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)的能力。在實(shí)踐過程中，熟悉以單片機(jī)為核心控制芯片，設(shè)計(jì)小車的檢測(cè)、驅(qū)動(dòng)和顯示等外圍電路，采用智能控制算法實(shí)現(xiàn)小車的智能循跡。靈活應(yīng)用機(jī)電等相關(guān)學(xué)科的理論知識(shí)，聯(lián)系實(shí)際電路設(shè)計(jì)的具體實(shí)現(xiàn)方法，達(dá)到理論與實(shí)踐的統(tǒng)一。在此過程中，加深對(duì)控制理論的理解和認(rèn)識(shí)。 二 本課題擬采用的研究手段（途徑）和可行性分析 (1) 控制系統(tǒng)方案一：采用MC9S

9、12DG128單片機(jī)，該單片機(jī)以運(yùn)算速度很快的CPU12內(nèi)核為核心的單片機(jī)，經(jīng)過鎖相環(huán)后，時(shí)鐘頻率可達(dá)到40MHz，內(nèi)部Flash高至128KB，擁有2組各8路10位A/D、16路I/O口，有功能強(qiáng)大的8位PWM輸出共8路，以及8路16位增強(qiáng)型定時(shí)器（ECT），相比AT90S8535單片機(jī)它編程更加簡(jiǎn)單，反應(yīng)速度快；但是成本較高且短時(shí)間內(nèi)不易掌握。方案二：AT90S8535單片機(jī)是由世界上著名的半導(dǎo)體制造公司(Atmel)制造的一種增強(qiáng)型RISC結(jié)構(gòu),內(nèi)嵌Flash的新型單片機(jī).它具有以下特點(diǎn):a.速度快,功耗低.AT90S8535單片機(jī)運(yùn)用哈佛概念(具有預(yù)取指令功能),對(duì)程序存取和數(shù)據(jù)存取采

10、用不同的總線和存儲(chǔ)器.這種結(jié)構(gòu)使AT90S8535單片機(jī)在8位微處理器市場(chǎng)上具有最高1MIPSmW的處理能力,一般每條指令只需50ns.b.支持C語(yǔ)言編程.雖然高級(jí)語(yǔ)言與匯編語(yǔ)言相比,有代碼大、執(zhí)行速度慢的缺點(diǎn),但由于AT90S8535單片機(jī)是針對(duì)高級(jí)語(yǔ)言設(shè)計(jì)的,從而潛在的瓶頸得到確認(rèn)并消除,這樣就可利用C語(yǔ)言編寫代碼,使得系統(tǒng)的開發(fā)周期大大縮短其完全可以滿足本設(shè)計(jì)對(duì)小車功能的要求，并且價(jià)格便宜；所以本設(shè)計(jì)最終選用AT90S8535單片機(jī)作為其控制芯片。（2）避障與尋線傳感器方案一：采用US-100超聲波測(cè)距模塊，該模塊可實(shí)現(xiàn)2cm4.5m的非接觸測(cè)距功能，擁有2.45.5V的寬電壓輸入范圍，

11、靜態(tài)工作電流2mA，自帶溫度傳感器對(duì)測(cè)距結(jié)果進(jìn)行校正，同時(shí)具有GPIO，串口等多種通信方式，內(nèi)帶看門狗，工作穩(wěn)定可靠且方向性好但其近距離反射時(shí)干擾較大。方案二：采用八路紅外對(duì)管及處理模塊，該模塊可工作在3.3到5V電壓下檢測(cè)距離在1-6厘米，采用多圈式電阻調(diào)節(jié)檢測(cè)距離，且尺寸較小可方便的搭載在小車上，同時(shí)其平均價(jià)格要比US-100要低；其八路的傳感器可分別用作測(cè)距與檢測(cè)黑線；綜合上述考慮，本設(shè)計(jì)采用八路紅外對(duì)管作為其避障與尋線傳感器。 總體方案概述： 本設(shè)計(jì)以AT90S8535單片機(jī)系統(tǒng)為控制中心，通過八路紅外傳感器模塊中的兩路傳感器檢測(cè)障礙物，四路傳感器檢測(cè)黑線，檢測(cè)障礙物的兩路傳感器分別分

12、布在車頭的兩端，使其能夠檢測(cè)車前較大范圍內(nèi)的障礙物，盡量減小檢測(cè)盲區(qū)；檢測(cè)黑線的四路傳感器分別分布在小車的四角，從而能夠保證小車在跑道內(nèi)行駛。傳感器在接通電源后會(huì)不斷的發(fā)送和接收紅外線，接收到的信號(hào)經(jīng)過LM324進(jìn)行放大然后由74HC14D施密特觸發(fā)器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出，而當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到需要轉(zhuǎn)向的傳感器信號(hào)時(shí)，單片機(jī)通過改變PWM波的占空比來調(diào)整小車兩側(cè)的電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而使其兩側(cè)輪產(chǎn)生速度差，以實(shí)現(xiàn)小車的轉(zhuǎn)向。避障：在小車行駛過程中，若左側(cè)傳感器檢測(cè)到障礙物而右側(cè)傳感器未檢測(cè)到，則小車首先后退之后向右轉(zhuǎn)；同理，若右側(cè)檢測(cè)到而左側(cè)未檢測(cè)到，小車先后退之后左轉(zhuǎn)；如果左右均檢測(cè)到默認(rèn)小車先后退之后右轉(zhuǎn)

13、。檢測(cè)黑線：安裝在小車四角的紅外傳感器負(fù)責(zé)檢測(cè)黑線，由于小車是向前行駛所以最先駛出黑線的應(yīng)該是小車的前端，當(dāng)左前端傳感器檢測(cè)到黑線時(shí)，向單片機(jī)發(fā)送信號(hào)，小車右轉(zhuǎn)；當(dāng)右前端傳感器檢測(cè)到黑線時(shí)，小車左轉(zhuǎn)；當(dāng)左后端檢測(cè)到黑線而左前端未檢測(cè)到時(shí)小車先右轉(zhuǎn)再左轉(zhuǎn)，當(dāng)右后端檢測(cè)到黑線而左前端未檢測(cè)到時(shí)先左轉(zhuǎn)后右轉(zhuǎn)，當(dāng)前端兩傳感器同時(shí)檢測(cè)到黑線時(shí)小車先后退之后左轉(zhuǎn)。穩(wěn)壓芯片采用L7805。驅(qū)動(dòng)模塊采用L298N驅(qū)動(dòng)芯片。L298N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。該芯片采用15腳封裝。主要特點(diǎn)是：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；額定功率

14、25W。內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來驅(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；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)控制；具有兩個(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；可以外接檢測(cè)電阻，將變化量反饋給控制電路。使用L298N芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該芯片可以驅(qū)動(dòng)一臺(tái)兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)。 三 論文工作計(jì)劃（階段工作內(nèi)容及計(jì)劃完成指標(biāo)） 第一階段：（2013.12.24-2013.12.26）：選題，智能公交小車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。第二階段：（2013.12.26-2014.3.13）：開題，收集資料，大致了解設(shè)計(jì)流程及各芯片的功能，掌握智能公交小車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，分析智能小車控制系統(tǒng)的功能，研