天津工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文機(jī)器人自動(dòng)尋跡避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)姓 名 任 浩 學(xué) 院 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院專 業(yè) 自動(dòng)化 指導(dǎo)教師 修春波 職 稱 副教授 2013年6月3日附表1天津工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文任務(wù)書 題目機(jī)器人自動(dòng)尋跡避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名任 浩學(xué)院名稱電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院專業(yè)班級(jí)自動(dòng)化094課題類型實(shí)際課題課題意義隨著人類探索活動(dòng)的不斷發(fā)展，促使了機(jī)器人的誕生。機(jī)器人可以代替人類完成許多高強(qiáng)度、高難度的工作，也可代替人類完成那些在惡劣環(huán)境中，甚至是危險(xiǎn)致命環(huán)境中的特殊工作，因此具有廣泛的應(yīng)用前景。本次研究的主要內(nèi)容是一種基于單片機(jī)控制的自動(dòng)尋跡避障小車的設(shè)計(jì)，該車以單片機(jī)為控制核心，利用傳感器對(duì)前方障礙物信息及路面信息進(jìn)行采集，并將障礙物檢測(cè)信號(hào)和路面檢測(cè)信號(hào)反饋給單片機(jī)。單片機(jī)對(duì)采集到的信號(hào)予以分析判斷，及時(shí)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)以調(diào)整小車轉(zhuǎn)向，從而使小車能夠避開障礙物，沿著預(yù)定軌道自動(dòng)行駛，實(shí)現(xiàn)小車自動(dòng)尋跡避障的目的。任務(wù)與進(jìn)度要求2013.3.7-2013.3.30 查閱與本課題相關(guān)課題的資料，熟悉本課題的原理2013.3.31-2013.4.25 完成本課題系統(tǒng)方案的整體設(shè)計(jì)2013.4.26-2013.5.10 完成本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及調(diào)試2013.5.11-2013.6.05 完成對(duì)畢業(yè)論文的撰寫2013.6.5-2013.6.8 通過畢業(yè)答辯主要參考文獻(xiàn)1胡海峰，史忠科，徐德文.智能汽車發(fā)展研究J.計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究.2004，5(6)：2023.2章小兵，宋愛國(guó).地面移動(dòng)機(jī)器人研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì).機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用.2005，15(4): 1923.3Sharma U K, Davis L S. Road following by an autonomous vehicle using range dataJ. IEEE Transactions on Robotics and Automation，1988, 6(8): 515-523.4徐國(guó)華，譚民.移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢(shì)J.機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用.2001,8(7):7 14.5馮建農(nóng)，柳明，吳捷.自主移動(dòng)機(jī)器人智能導(dǎo)航研究進(jìn)展J.機(jī)器人.1997，19(10): 468478.起止日期2013.3.7-2013.6.8備注院長(zhǎng) 教研室主任 指導(dǎo)教師 畢業(yè)論文開題報(bào)告表附表2 2013 年 3月 10 日姓名任 浩學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院專業(yè)自動(dòng)化班級(jí)自動(dòng)化094題目機(jī)器人自動(dòng)尋跡避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師修春波一、與本課題有關(guān)的國(guó)內(nèi)外研究情況、課題研究的主要內(nèi)容、目的和意義：隨著社會(huì)生產(chǎn)和科學(xué)的發(fā)展，智能機(jī)器人的研究越來越受到社會(huì)各界的廣泛重視。而智能機(jī)器人研究的主要內(nèi)容就是機(jī)器人的尋跡與避障。機(jī)器人自動(dòng)尋跡避障系統(tǒng)一般可劃分為信號(hào)檢測(cè)部分和控制部分，信號(hào)檢測(cè)部分包括軌道檢測(cè)、障礙物檢測(cè)以及速度檢測(cè)控制部分包括驅(qū)動(dòng)控制、制動(dòng)控制和轉(zhuǎn)向控制。 本次研究的主要內(nèi)容是一種基于單片機(jī)控制的自動(dòng)尋跡避障小車的設(shè)計(jì)，該車以單片機(jī)為控制核心，利用傳感器對(duì)前方障礙物信息及路面信息進(jìn)行采集，并將障礙物檢測(cè)信號(hào)和路面檢測(cè)信號(hào)反饋給單片機(jī)。單片機(jī)對(duì)采集到的信號(hào)予以分析判斷，及時(shí)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)以調(diào)整小車轉(zhuǎn)向，從而使小車能夠避開障礙物，沿著預(yù)定軌道自動(dòng)行駛，實(shí)現(xiàn)小車自動(dòng)尋跡避障的目的。 隨著智能機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，智能機(jī)器人在家務(wù)勞動(dòng)、患者看護(hù)、警務(wù)服務(wù)、家庭娛樂和辦公室事物等各項(xiàng)服務(wù)工作中得到廣泛的應(yīng)用。二、進(jìn)度及預(yù)期結(jié)果：起止日期主要內(nèi)容預(yù)期結(jié)果3.7-3.303.31-4.254.26-5.105.11-6.56.6-6.8查找資料。查閱相關(guān)課題的資料軟硬件設(shè)計(jì)。對(duì)本課題要求的軟硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)軟硬件調(diào)試。對(duì)以設(shè)計(jì)好的軟硬件進(jìn)行調(diào)試撰寫畢業(yè)論文畢業(yè)答辯初步了解有關(guān)本課題的研究?jī)?nèi)容。初步完成軟硬件設(shè)計(jì)完成軟硬件調(diào)試完成畢業(yè)論文通過畢業(yè)答辯完成課題的現(xiàn)有條件已具備完成本課題的軟硬件設(shè)施審查意見指導(dǎo)教師： 年 月 日學(xué)院意見主管領(lǐng)導(dǎo)： 年 月 日附表5天津工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文評(píng)閱表（論文類）題目機(jī)器人自動(dòng)尋跡避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名任 浩學(xué)生班級(jí)自動(dòng)化094指導(dǎo)教師姓名修春波評(píng)審項(xiàng)目指標(biāo)滿分評(píng)分選題能體現(xiàn)本專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，使學(xué)生得到較全面訓(xùn)練。題目大小、難度適中，學(xué)生工作量飽滿，經(jīng)努力能完成。10題目與生產(chǎn)、科研等實(shí)際問題結(jié)合緊密。10課題調(diào)研、文獻(xiàn)檢索能獨(dú)立查閱文獻(xiàn)以及從事其他形式的調(diào)研，能較好地理解課題任務(wù)并提出實(shí)施方案；有分析整理各類信息，從中獲取新知識(shí)的能力。15論文撰寫結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，理論、觀點(diǎn)、概念表達(dá)準(zhǔn)確、清晰。10文字通順，用語正確，基本無錯(cuò)別字和病句，圖表清楚，書寫格式符合規(guī)范。10外文應(yīng)用能正確引用外文文獻(xiàn)，翻譯準(zhǔn)確，文字流暢。5論文水平論文論點(diǎn)正確，論點(diǎn)與論據(jù)協(xié)調(diào)一致，論據(jù)充分支持論點(diǎn)，論證過程有說服力。15有必要的數(shù)據(jù)、資料支持，數(shù)據(jù)、資料翔實(shí)可靠，得出的結(jié)論有可驗(yàn)性。15論文有獨(dú)到見解或有一定實(shí)用價(jià)值。10合計(jì)100意見及建議：評(píng)閱人簽名： 年 月 日附表7： 天津工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文成績(jī)考核表學(xué)生姓名任 浩學(xué)院名稱電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院專業(yè)班級(jí)自動(dòng)化094題目機(jī)器人自動(dòng)尋跡避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)1畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)教師評(píng)語及成績(jī)：成績(jī)： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日2畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)評(píng)語及成績(jī)：成績(jī)：答辯主席（或組長(zhǎng)）簽字： 年 月 日3畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）總成績(jī)：a.指導(dǎo)教師給定成績(jī)b.評(píng)閱教師給定成績(jī)c.畢業(yè)答辯成績(jī)總成績(jī)(a0.5+b0.2+c0.3)摘 要 隨著現(xiàn)代交通的發(fā)展及科學(xué)技術(shù)的提高，人們的生活水平也在發(fā)生重大的變化，同時(shí)私家車的數(shù)量也在逐步增加，且汽車技術(shù)也在日益提高，并越來越趨向于智能化。但伴隨著的卻是道路的擁擠與交通事故的頻繁發(fā)生，這嚴(yán)重的影響了人的生命安全。有資料顯示，導(dǎo)致追尾、相撞等此類交通事故發(fā)生的主要因?yàn)槭莾绍囍g的距離太近造成的。為了解決在兩車距離問題上盡量避免或減少此類交通事故的發(fā)生，本課題提出了采用傳感器技術(shù)來研究分析智能小車的尋跡避障系統(tǒng)。 本文的目的是采用傳感器來設(shè)計(jì)小車尋跡避障系統(tǒng)。首先在研究課題的國(guó)內(nèi)外情況下，對(duì)小車尋跡避障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行論證，其中主要對(duì)系統(tǒng)檢測(cè)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)方面進(jìn)行了詳細(xì)的論證。同時(shí)對(duì)系統(tǒng)采用的單片機(jī)控制與整個(gè)系統(tǒng)各模塊的方案進(jìn)行了說明。其次，本文完成了對(duì)智能小車的主體部分，即硬件部分進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)。硬件部分包括:系統(tǒng)主控制部分、驅(qū)動(dòng)單元部分、小車躲避障礙物單元設(shè)計(jì)、小車尋跡單元設(shè)計(jì)與電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)等。最后，在完成軟硬件設(shè)計(jì)后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，其中主要是測(cè)試方法的應(yīng)用與測(cè)試的結(jié)果的分析。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；尋跡避障；傳感器；電子技術(shù)ABSTRACTWith the development of modern transportation and the advancement of science and technology, also the standard of peoples living is in the event of major changes，at the same time number of private cars is also steadily increasing, and increasingly intelligent. But it is accompanied by the road of the congestion and accidents occur frequently, this has serious implications for the safety of their lives. There is a show that result in rear collision, such as car accidents, mainly because it is the distance between two vehicles too close. In order to solve the problems of distance on the cars to avoid or minimize such traffic accidents, the subject matter presented in sensor technology is also research and analysis of the Smart car evasive system.The purpose of this thesis is to use sensors to design car tracing and obstacle avoidance system. First in research situations at home and abroad, design the programme for demonstration of tracing and obstacle avoidance system, mainly on detection the motor drive system for the detailed argument. At the same time describes the programme of each module and the system as a whole. Secondly, completed the main part of the smart car , hardware design of parts in detail. Hardware part includes: System main control part, drive unit part, the car to avoid obstacles, car tracing unit design and motor control circuit design, etc. Finally, after completes the software and hardware design, carries on the test to the system, in which mainly is tests the method the application and the test result analysis.Key words：Single chip microcomputer；tracking and obstacle avoidance；sensor；Electronic technology目 錄第一章 緒論11.1 本課題的研究背景及意義11.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.3 本論文主要的研究?jī)?nèi)容和論文結(jié)構(gòu)3第二章智能小車控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)分析52.1系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)52.2檢測(cè)系統(tǒng)論證52.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)102.4單片機(jī)控制電路系統(tǒng)112.5PWM控制原理112.6系統(tǒng)各模塊選擇12第三章 智能小車控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)133.1主控單元設(shè)計(jì)133.2驅(qū)動(dòng)單元設(shè)計(jì)153.3尋跡模塊設(shè)計(jì)193.4避障模塊設(shè)計(jì)213.5電源模塊27第四章 智能小車控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)294.1系統(tǒng)控制流程294.2算法設(shè)計(jì)314.3測(cè)距子程序33第五章 系統(tǒng)調(diào)試與測(cè)試355.1系統(tǒng)調(diào)試355.2系統(tǒng)測(cè)試355.3最終成果36第六章 結(jié)論39參考文獻(xiàn)40附錄 一 外文翻譯（英文）41附錄 二 外文翻譯（中文）46謝 辭49天津工業(yè)大學(xué)2013屆本科生畢業(yè)論文第一章 緒論1.1 本課題的研究背景及意義 隨著人類探索活動(dòng)的不斷發(fā)展，促使了機(jī)器人的誕生。機(jī)器人可以代替人類完成許多高強(qiáng)度、高難度的工作，也可代替人類完成那些在惡劣環(huán)境中，甚至是危險(xiǎn)致命環(huán)境中的特殊工作，因此具有廣泛的應(yīng)用前景。 智能車，又稱為輪式機(jī)器人，它是以輪子作為移動(dòng)設(shè)備、實(shí)現(xiàn)自主行駛的移動(dòng)機(jī)器人。智能車是一種基于計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、信息融合技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、導(dǎo)航技術(shù)、智能控制技術(shù)及自動(dòng)化控制技術(shù)等發(fā)展起來的現(xiàn)代智能控制系統(tǒng)，是一個(gè)集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、自主行駛與行為控制等功能于一體的高技術(shù)綜合系統(tǒng)，它可以在復(fù)雜環(huán)境下，通過計(jì)算機(jī)控制調(diào)節(jié)行駛方向、控制啟停、實(shí)現(xiàn)速度的自主控制等12。目前，智能車在各個(gè)領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用前景，如它可以代替人類對(duì)零部件、線路板等類似產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè);可以為顧客提供導(dǎo)購(gòu)幫助;可以幫助殘疾人改善生活質(zhì)量和生活自由度;可以用于水下、太空及遠(yuǎn)程的服務(wù)與探測(cè);可以完成在各種惡劣環(huán)境下的貨物搬運(yùn)以及系統(tǒng)維護(hù)和監(jiān)測(cè)等工作;可以代替人類在危險(xiǎn)地帶完成軍事任務(wù);可以幫助人類完成地質(zhì)勘探;可以改善道路交通安全，提高道路網(wǎng)絡(luò)利用率，降低能源消耗等等3。 目前，隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的日益普及，無線遙控技術(shù)結(jié)合網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)將成為遠(yuǎn)距離控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。PC遠(yuǎn)程遙控與可視化跟蹤技術(shù)因其潛在的應(yīng)用受到了日益關(guān)注，因而，基于PC控制的智能小車循跡系統(tǒng)的研究具有良好的潛在的實(shí)用價(jià)值。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1 國(guó)外智能移動(dòng)機(jī)器人的研究在國(guó)外，人們對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的研究開始于20世紀(jì)60年代。美國(guó)斯坦福研究院在1966年至1972年間成功研制出了名為Shakey的地面自主移動(dòng)機(jī)器人，標(biāo)志著機(jī)器人研究的開始4。隨著計(jì)算機(jī)與傳感技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)機(jī)器人的研究進(jìn)入了小高潮，美國(guó)和歐洲的一些制造廠家對(duì)地面移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行尺寸與結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化，并大量研究與制造，推動(dòng)了移動(dòng)機(jī)器人的迅速發(fā)展。進(jìn)入20世紀(jì)80年代以后，在美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)投資6億美元制定了地面無人作戰(zhàn)的戰(zhàn)略計(jì)劃并對(duì)此立項(xiàng)，此計(jì)劃全面推動(dòng)了一些學(xué)校與科研單位進(jìn)行地面移動(dòng)機(jī)器人中有關(guān)視覺與體系結(jié)構(gòu)的研究發(fā)展5。例如1982年FMC公司研制的具有任務(wù)與路徑規(guī)劃的智能車，其跟蹤車速可達(dá)19km/h避障車速8km/h6。美國(guó)Maryland大學(xué)在19831995年之間研究的基于視覺導(dǎo)航的軍用無人偵察越野車輛(ALV )，以及后來的空間機(jī)器人計(jì)劃;日本通產(chǎn)省組織的極限環(huán)境下作業(yè)的機(jī)器人計(jì)劃;歐洲尤里卡中的機(jī)器人計(jì)劃等7-9。 Martin Marietta公司于1986年研制的實(shí)現(xiàn)非結(jié)構(gòu)化道路跟蹤、避障以及三維地形圖的確立等功能于一體的智能車ALVin10。從開始到這段時(shí)間，主要是基于學(xué)術(shù)角度對(duì)地面移動(dòng)機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)以及視覺信息處理進(jìn)行研究并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。此時(shí)期的研究帶動(dòng)了各個(gè)國(guó)家進(jìn)行移動(dòng)機(jī)器人的研究與開發(fā)，為人類研制智能機(jī)器人積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)11。 從1990年開始，對(duì)機(jī)器人控制技術(shù)與現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的規(guī)劃技術(shù)更深層研究的同時(shí)，移動(dòng)機(jī)器人開始向?qū)嵱没M(jìn)軍，開拓其在每個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用市場(chǎng)。美國(guó)NASA成功研制出了“索杰納”火星探測(cè)機(jī)器人，并于1997年登上火星，在此基礎(chǔ)上研究與設(shè)計(jì)了Rocky7機(jī)器人，并在Lavic湖的巖溶流上和干枯的湖床上驗(yàn)證成功，主要用于火星上長(zhǎng)距離探險(xiǎn)12;另外NASA還研制了八足行走機(jī)器人“丹蒂11 "。德國(guó)成功研制了一種輪椅機(jī)器人，并在烏爾姆市中心車站的客流高峰期的環(huán)境和1998年漢諾威工業(yè)商品博覽會(huì)的展覽大廳環(huán)境中進(jìn)行了實(shí)地現(xiàn)場(chǎng)表演，其表現(xiàn)出了其它現(xiàn)存的輪椅機(jī)器人或移動(dòng)機(jī)器人所不可比的性能13。在DARPA的資助下，佐治亞理工研究可城市搜索與拯救機(jī)器人;卡內(nèi)基梅隆大學(xué)研究了用于城市排爆機(jī)器人Yoder，以及1998年研制完成的穿越美國(guó)大陸的無人駕駛汽車Navlab 11;美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室研制成功的完成城市戰(zhàn)術(shù)偵察任務(wù)的戰(zhàn)術(shù)偵察移動(dòng)機(jī)器人Urbie14。在 2004年，美國(guó)的火星車“勇氣”號(hào)和“機(jī)遇”號(hào)登上火星，并且圓滿完成了預(yù)期的探索任務(wù)，它代表著當(dāng)前世界上移動(dòng)機(jī)器人的最高水平15。 2007年11月，日本東京早稻田大學(xué)研究人員推出了新型仿人型機(jī)器人“Twenty one”，它功能齊備，靈活性高，活動(dòng)范圍大，可以全方向移動(dòng)自如地為人類服務(wù)，是一種復(fù)雜的能夠和人類和諧共生的機(jī)器人，它是目前世界上最智能的機(jī)器人16。 目前，在復(fù)雜多變的真實(shí)環(huán)境下，要求機(jī)器人全自動(dòng)地完成高度自主化以及非結(jié)構(gòu)化的任務(wù)還是一個(gè)很大的難題，因此，毫無疑問遠(yuǎn)程操作的半自動(dòng)機(jī)器人將成為今后的發(fā)展趨勢(shì)，先進(jìn)的遠(yuǎn)程操作技術(shù)是將來必需的17。1.2.2 國(guó)內(nèi)智能移動(dòng)機(jī)器人的研究在我國(guó)，移動(dòng)機(jī)器人的研究“七五”才剛剛開始起步，國(guó)家“八六三”計(jì)劃中的遙控駕駛防核化偵察車的立項(xiàng)確定，標(biāo)志著移動(dòng)機(jī)器人研究的開始。經(jīng)過這些年的研究，取得了一定的成果1718。上海交通大學(xué)于1991年研制的JTUWM系列的四足移動(dòng)機(jī)器人，基于模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人對(duì)角線的動(dòng)態(tài)行走。清華大學(xué)于1994年實(shí)現(xiàn)了基于地圖的全局路徑規(guī)劃和自動(dòng)駕駛功能的智能移動(dòng)機(jī)器人并且通過了鑒定;之后又設(shè)計(jì)了一款四足移動(dòng)機(jī)器人，可以實(shí)現(xiàn)上下坡的行走以及避障等功能，自主的應(yīng)對(duì)復(fù)雜的道路環(huán)境。國(guó)防科技大學(xué)研制的全自主無人駕駛機(jī)器人。中國(guó)科學(xué)院于2003年成功研制的AGV和防爆機(jī)器人以及自行研發(fā)的全方位移動(dòng)式機(jī)器人視覺導(dǎo)航系統(tǒng)。香港城市大學(xué)設(shè)計(jì)與研究的自動(dòng)導(dǎo)航車和服務(wù)機(jī)器人。華中科技大學(xué)于2005年研制出的肢體移動(dòng)機(jī)器人，基于模塊化多足爬行實(shí)現(xiàn)了腿臂功能融合。哈爾濱工業(yè)大學(xué)于1996年研制成功的導(dǎo)游機(jī)器人，此后2007年又研制出一種可以自主避障、自由行走，甚至可以與人簡(jiǎn)單對(duì)話的新型智能服務(wù)機(jī)器人等。 目前，國(guó)內(nèi)高智能性和自主性移動(dòng)機(jī)器人的研發(fā)沒有形成系統(tǒng)，基本上是各個(gè)大學(xué)、研究院根據(jù)國(guó)外的研究狀況，或是為了培養(yǎng)學(xué)生興趣而進(jìn)行的一些零散的研究。例如現(xiàn)在國(guó)內(nèi)比較權(quán)威的中國(guó)機(jī)器人大賽，它集高技術(shù)、娛樂和比賽于一體，推出各種機(jī)器人比賽，如機(jī)器人足球、機(jī)器人舞蹈、機(jī)器人相撲、機(jī)器人投籃等，主要是為人們尤其是學(xué)生了解和關(guān)注人工智能和智能機(jī)器人科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展搭建一座橋梁。另外起源于韓國(guó)的全國(guó)大學(xué)生“飛思卡爾杯”智能車大賽，在我國(guó)2006年開始舉辦至今，它是在飛思卡爾半導(dǎo)體公司資助下舉辦的以HCS 12單片機(jī)為核心的大學(xué)生課外科技競(jìng)賽，競(jìng)賽在規(guī)定的模型汽車平臺(tái)上，使用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的8位、16位微控制器，制作一個(gè)能自主識(shí)別道路的模型汽車，按照規(guī)定路線行進(jìn)，以完成時(shí)間最短者為優(yōu)勝。主要是培養(yǎng)學(xué)生知識(shí)融合和實(shí)踐動(dòng)手能力。因此，在國(guó)內(nèi)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展與完善的同時(shí)，研究具有實(shí)用價(jià)值的遠(yuǎn)程控制的高智能性移動(dòng)機(jī)器人將是今后的發(fā)展趨勢(shì)。1.3 本論文主要的研究?jī)?nèi)容和論文結(jié)構(gòu)1.3.1 研究?jī)?nèi)容本文的研究工作為基于AT89C51單片機(jī)自主控制與檢測(cè)的智能循跡避障小車，設(shè)計(jì)要求小車通過紅外光電傳感器檢測(cè)路面黑色路徑信息，并把該信息傳給單片機(jī)，單片機(jī)通過對(duì)信息的處理下達(dá)指令控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而確保小車沿黑色路徑行駛，達(dá)到循跡的目的。并且通過超聲波傳感器檢測(cè)前方障礙物，單片機(jī)根據(jù)該信息下達(dá)停止指令并報(bào)警。1.3.2 論文結(jié)構(gòu) 全文一共分成五個(gè)章節(jié)，各章節(jié)的主要內(nèi)容如下所示: 第一章緒論。闡明了課題的研究背景與研究意義，說明了在理論與應(yīng)用方面的價(jià)值，概要介紹了與智能車相關(guān)的移動(dòng)機(jī)器人的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，最后介紹了本論文的主要內(nèi)容與結(jié)構(gòu)。 第二章智能小車控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。介紹了智能小車控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)及其硬件部分與軟件部分的基本構(gòu)成，主要闡述了系統(tǒng)各個(gè)模塊的主要功能，最后簡(jiǎn)要說明了該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)。 第三章智能小車控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。介紹了系統(tǒng)硬件的總體結(jié)構(gòu)，詳細(xì)討論了包括電源管理模塊、循線檢測(cè)模塊、速度檢測(cè)模塊、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、障礙物檢測(cè)及聲光報(bào)警模塊的硬件電路設(shè)計(jì)等內(nèi)容，搭建了智能小車的硬件平臺(tái)。 第四章智能小車控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果。概要介紹了系統(tǒng)軟件的總體設(shè)計(jì)及軟件開發(fā)環(huán)境，重點(diǎn)探討了軟件系統(tǒng)中以下幾個(gè)功能模塊:路徑識(shí)別與方向控制算法、車速模糊控制與PID檢測(cè)算法。最后給出了基于AT89C51單片機(jī)自主控制的智能循跡避障小車的整車試驗(yàn)結(jié)果。 第五章工作總結(jié)。對(duì)本智能小車控制系統(tǒng)進(jìn)行了總結(jié)與評(píng)價(jià)。47第二章 智能小車控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)分析2.1系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)本智能小車具有自動(dòng)循跡避障功能，小車在運(yùn)行時(shí)能夠自動(dòng)沿黑色路徑行駛，并且在遇到障礙物是能夠自動(dòng)停止并聲光報(bào)警。因此本智能小車系統(tǒng)可分為電源管理模塊、循線檢測(cè)模塊、速度檢測(cè)模塊、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、障礙物檢測(cè)及聲光報(bào)警模塊。單片機(jī)AT89C51電源管理模塊障礙物檢測(cè)及聲光報(bào)警模塊循線檢測(cè)模塊速度檢測(cè)模塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊圖2-1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖2.2檢測(cè)系統(tǒng)論證2.2.1循線檢測(cè)系統(tǒng) 循跡檢測(cè)常用到傳感器。根據(jù)小車功能的要求有兩種方案，一種是使用紅外光電傳感器，另一種是使用CCD傳感器。這兩種方案都可以達(dá)到小車循跡要求，目前使用最為普遍的循跡檢測(cè)方法是紅外探測(cè)法。兩種方案的主要區(qū)別是使用的傳感器不同。具體區(qū)別見表2-l 。表2-1 循跡檢測(cè)傳感器對(duì)比紅外光電傳感器CCD傳感器受外界干擾程度小較小實(shí)時(shí)性好差對(duì)主控芯片要求較低較高成本較低高從上表中可以很明顯的看出，紅外傳感器相對(duì)于CCD傳感器來說，在實(shí)時(shí)性和對(duì)主控芯片的要求方面都比CCD傳感器要好。基于這些優(yōu)勢(shì)以及處于成本的考慮，本設(shè)計(jì)采用紅外光電傳感器放在小車底部，距地面高度合適，可以達(dá)到很好的檢測(cè)效果。紅外光電傳感器由發(fā)射器和接受器組成。當(dāng)小車在行駛時(shí)由發(fā)射器發(fā)射光線接收器接受反射的光線。本系統(tǒng)采用單排傳感器作為循線系統(tǒng)的信號(hào)采集。目前，大多智能車采用單排傳感器的道路檢測(cè)方式。雖然這種方式獲取的道路信息較少，對(duì)智能車的狀態(tài)和道路的狀況都不能很好的區(qū)別，造成控制上的麻煩，但是由于本小車行駛在道路已知的情況下，處于成本等方面的考慮，所以使用單排傳感器。傳感器布局圖如圖2-2，圖中僅以接受管示意傳感器的位置。P0.0 P0.1 P0.2 P0.3圖2-2 傳感器陣列布局本小車在行駛時(shí)有6種道路識(shí)別模式，運(yùn)行情況及真值表表2-2所示。表2-2 小車運(yùn)行狀態(tài)真值表P00P01P02P03運(yùn)行狀態(tài)1001直行0011左轉(zhuǎn)彎0111左急轉(zhuǎn)彎1100右轉(zhuǎn)彎1110右急轉(zhuǎn)彎0000停車2.2.2障礙物檢測(cè)系統(tǒng)根據(jù)題目功能的要求，小車在循跡行駛過程中要能準(zhǔn)確的避開途中遇到的障礙物，因此對(duì)檢測(cè)距離有一定要求。又考慮到在測(cè)障過程中小車車速及避障反應(yīng)堆小車速度的限制，小車應(yīng)在距障礙物10M的范圍內(nèi)做出反應(yīng)，這樣才能在順利停車避免撞擊障礙物。否則，如果范圍太大，則可能產(chǎn)生障礙物的判斷失誤;范圍過小又很容易造成車身撞上障礙物。障礙物檢測(cè)可以有多種方法:紅外光檢測(cè)、超聲波檢測(cè)、甚至機(jī)械接觸。這些方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。常用的有紅外檢測(cè)和超聲波檢測(cè)。兩種方案的區(qū)別見表2-3。表2-3 障礙物檢測(cè)系統(tǒng)方案對(duì)比紅外檢測(cè)超聲波檢測(cè)檢測(cè)距離410m0.103.00m精確度1m20mm受外界環(huán)境干擾度易受外界環(huán)境干擾不易受外界環(huán)境干擾硬件電路尺寸小，安裝簡(jiǎn)便稍復(fù)雜，安裝簡(jiǎn)便成本8元左右6元左右從上表可以看出，相對(duì)紅外檢測(cè)，超聲波檢測(cè)距離遠(yuǎn)，不易受外界環(huán)境干擾，由于小車需要在行駛過程中檢測(cè)障礙物，顛簸，光照方面可能會(huì)對(duì)檢測(cè)產(chǎn)生影響。所以需要選擇穩(wěn)定性較好的，故本設(shè)計(jì)選擇超聲波檢測(cè)。如圖2-3所示。圖2-3 超聲波檢測(cè)電路由物理學(xué)知，聲波屬于彈性機(jī)械波，按振動(dòng)頻率的不同，分為次聲波(小于20 Hz)，聲波(20 Hz20 KHz)及超聲波(20 KHz以上)。由于超聲波反射能力很強(qiáng)，而且波長(zhǎng)也遠(yuǎn)比一般的平面反射物表面粗糙度大，所以通常對(duì)堅(jiān)硬物質(zhì)表面都能反射，利用這一特性，可以將超聲波用于物體定位。超聲波定位技術(shù)最r.來源于仿生學(xué)。人們發(fā)現(xiàn)蝙蝠等一些無目視能力的生物能將人耳聽不到的聲波發(fā)射出去。超聲波遇其它動(dòng)物或障礙物時(shí)被反射。蝙蝠根據(jù)反射回來的超聲波強(qiáng)弱以及超聲波反射的時(shí)間間隔長(zhǎng)短來判斷前方物體的位置。受這一靈感啟發(fā)，人們?cè)O(shè)計(jì)了各種各樣的超聲波定位裝置。這里使用的測(cè)量方法是“回波法”，其基本原理如圖2-4。 反射波圖2-4 超聲波測(cè)距原理圖超聲波測(cè)距是借助于超聲脈沖回波渡越時(shí)間法來實(shí)現(xiàn)的。設(shè)超聲波脈沖由傳感器發(fā)出到接收所經(jīng)歷的時(shí)間為t，超聲波在空氣中的傳播速度為c，則從傳感器到目標(biāo)物體的距離D可用下式求出D = ct /2 (2-1) 系統(tǒng)框圖如圖2-5所示。定時(shí)器控制計(jì)算傳輸調(diào)制計(jì)時(shí)40K振蕩增益放大超聲波發(fā)射超聲波接收?qǐng)D2-5 超聲波測(cè)距原理框圖基本原理：經(jīng)發(fā)射器發(fā)射出長(zhǎng)約6m m，頻率為40KHZ的超聲波信號(hào)。此信號(hào)被物體反射回來由接收頭接收，接收頭實(shí)質(zhì)上是一種壓電效應(yīng)的換能器。它接收到信號(hào)后產(chǎn)生mV級(jí)的微弱電壓信號(hào)。2.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)都可以用于小車驅(qū)動(dòng)。故有兩種方案。 方案一:使用直流電機(jī)，加上適當(dāng)減速比的減速器。直流電機(jī)具有良好的調(diào)速性能，控制起來也比較簡(jiǎn)單。直流電機(jī)只要通上直流電源就可連續(xù)不斷的轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)節(jié)電壓的大小就可以改變電機(jī)的速度。直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路實(shí)際上就是一個(gè)功率放大器。常用的驅(qū)動(dòng)方式是PWM方式，即脈沖寬度調(diào)制方式。此方法性能較好，電路和控制都比較簡(jiǎn)單。方案二:使用步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)具有良好的控制性能。當(dāng)給步進(jìn)電機(jī)輸入一個(gè)電脈沖信號(hào)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的輸出軸就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，因此可以實(shí)現(xiàn)精確的位置控制。與直流電機(jī)不同，要使步進(jìn)電機(jī)連續(xù)的轉(zhuǎn)動(dòng)，需要連續(xù)不斷的輸入點(diǎn)脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)速的大小由外加的脈沖頻率決定。去而且其轉(zhuǎn)動(dòng)不受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響，也不受溫度、氣壓等環(huán)境因素的影響，僅與控制脈沖有關(guān)。但步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)相對(duì)較復(fù)雜，要由控制器和功率放大器組成。具體差別見表2-4。表2-4 電機(jī)控制方式對(duì)比直流電機(jī)步進(jìn)電機(jī)調(diào)速性能較好較差位置控制精度較差好驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單復(fù)雜穩(wěn)定性較好好，僅與控制脈沖有關(guān)由上表可以看出步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)都有各自的優(yōu)點(diǎn)。步進(jìn)電機(jī)能進(jìn)行精確的位置控制，但驅(qū)動(dòng)電路麻煩，鑒于本設(shè)計(jì)中小車的位置控制不要求十分精確，直流電機(jī)即可滿足小車要求的精度。且直流電機(jī)易于控制，驅(qū)動(dòng)電路十分簡(jiǎn)單。2.4單片機(jī)控制電路系統(tǒng)此部分是整個(gè)小車運(yùn)行的核心部分，起著控制小車所有運(yùn)行狀態(tài)的作用?？刂频姆椒ㄓ泻芏?，大部分都采用單片機(jī)控制。單片機(jī)要完成電機(jī)控制、循線控制、避障控制等工作。本設(shè)計(jì)中小車的主控采用我們最為熟悉的AT89C51單片機(jī)。雖然這款單片機(jī)本身沒有PWM模塊，但若采用本身有PWM模塊的單片機(jī)就會(huì)產(chǎn)生資源浪費(fèi)。我們可以通過軟件編程產(chǎn)生PWM，既能充分利用可用資源，又不浪費(fèi)，且能很好的滿足題目要求。采用單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，用其控制行進(jìn)中的小車，以實(shí)現(xiàn)其既定的性能指標(biāo)。充分分析我們的系統(tǒng)，其關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)小車的自動(dòng)控制，而在這一點(diǎn)上，單片機(jī)就顯現(xiàn)出來它的優(yōu)勢(shì)控制簡(jiǎn)單、方便、快捷。這樣一來，單片機(jī)就可以充分發(fā)揮其資源豐富、有較為強(qiáng)大的控制功能及可位尋址操作功能、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。因此，這種方案是一種較為理想的方案。2.5PWM控制原理 PWM（Pulse Width Modulation）控制就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，即通過對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。PWM控制技術(shù)在逆變電路中的應(yīng)用最為廣泛，對(duì)逆變電路的影響也最為深刻，現(xiàn)在大量應(yīng)用的逆變電路中，絕大部分都是PWM型逆變電路。 面積等效原理是PWM控制技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)。 原理內(nèi)容：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。沖量即指窄脈沖的面積。 效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。如果把各輸出波形用傅里葉變換分析，則其低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。 脈沖寬度調(diào)制（PWM）是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。PWM信號(hào)仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開的時(shí)候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。 2.6系統(tǒng)各模塊選擇 (1)控制器模塊：采用單片機(jī)AT89C51作為小車運(yùn)動(dòng)的控制核心; (2)尋線前進(jìn)模塊：采用FS-359E反射性光電探測(cè)轉(zhuǎn)感器來進(jìn)行信號(hào)采集;(3)障礙物檢測(cè)躲避模塊：采用HC-SR04超聲波傳感激 (4)小車電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：采用了L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片控制電機(jī);(5)電源模塊：采用12V電池組經(jīng)7805穩(wěn)壓后作為單片機(jī)等的電源;第三章 智能小車控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1主控單元設(shè)計(jì)3.1.1AT89C51單片機(jī)的特性及引腳功能 AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。1、主要特性：CPU與MCS-51 兼容；4K字節(jié)可編程FLASH存儲(chǔ)器(壽命：1000寫/擦循環(huán))；全靜態(tài)工作：0Hz-24KHz；三級(jí)程序存儲(chǔ)器保密鎖定；128*8位內(nèi)部RAM；32條可編程I/O線；兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；6個(gè)中斷源；可編程串行通道；低功耗的閑置和掉電模式；片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路2、AT89C51單片機(jī)的管腳功能采用HMOS制造工藝的MCS-51單片機(jī)都采用40管腳雙列直插式封裝；而采用CHMOS制造工藝的80C51/80C31,除采用40腳雙列式直插式封裝外，還有用方形的封裝方式。如圖3-1所示為AT89C51單片機(jī)管腳圖。圖3-1 AT89C51引腳圖各管腳功能說明如下：VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。 P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。 P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL），P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： P3.0 RXD（串行輸入口） P3.1 TXD（串行輸出口） P3.2 /INT0（外部中斷0） P3.3 /INT1（外部中斷1） P3.4 T0（記時(shí)器0外部輸入） P3.5 T1（記時(shí)器1外部輸入） P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通） P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。 PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。 EA/VPP：當(dāng)EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。3.1.2CPU管腳分配及功能 在設(shè)計(jì)中，將單片機(jī)的資源分配如下：P1.3-P1.6作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N的四個(gè)輸入口；P2.0和P2.1作為避障模塊的超聲波傳感器HC-SR04的輸入和輸出口；P2.2-P2.7作為循跡模塊的接入口，其中P2.2-P2.4為控制左端電機(jī)，P2.5-P2.7控制右端電機(jī)。定時(shí)器1產(chǎn)生PWM波控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。3.2驅(qū)動(dòng)單元設(shè)計(jì) 在各類機(jī)電系統(tǒng)中.由于直流電機(jī)具有良好的起動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速性能。直流調(diào)速技術(shù)已廣泛運(yùn)用于工業(yè)、航天領(lǐng)域的各個(gè)方面。最常用的直流調(diào)速技術(shù)是脈寬調(diào)制(PWM)直流調(diào)速技術(shù).它具有調(diào)速精度高、響應(yīng)速度快、調(diào)速范圍寬和耗損低等特點(diǎn)。本文在研究單片機(jī)PWM方法調(diào)速直流電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N的基礎(chǔ)之上，對(duì)單片機(jī)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行了一點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)。3.2.1驅(qū)動(dòng)芯片L298NL298N足SGS公司生產(chǎn)的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)集成電路，比較常見的是15腳Multiwatt封裝的L298N(如圖3-2所示)。圖3-2 L298N實(shí)物圖及其引腳分布可以直接驅(qū)動(dòng)兩路3-16V 直流電機(jī)，并提供了5V 輸出接口（輸入最低只要6V），可以給5V 單片機(jī)電路系統(tǒng)供電（低紋波系數(shù)）,支持3.3V MCUARM 控制，可以方便的控制直流電機(jī)速度和方向，也可以控制2 相步進(jìn)電機(jī)，5 線4 相步進(jìn)電機(jī)。L298N 雙H 橋直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，驅(qū)動(dòng)部分端子供電范圍Vs在5V16V之間 ，如需要板內(nèi)取電，則供電范圍Vs在+6V+16V。驅(qū)動(dòng)部分峰值電流Io為2A，邏輯部分端子供電范圍Vss 在5V7V（可板內(nèi)取電5V）之間，邏輯部分工作電流范圍:036mA，控制信號(hào)輸入電壓范圍（IN1 IN2 IN3 IN4）為低電平：0.3VVin1.5V，高電平：2.3VVinVss，使能信號(hào)輸入電壓范圍（ENA ENB）低電平為0.3Vin1.5V（控制信號(hào)無效）高電平為2.3VVinVss（控制信號(hào)有效）最大功耗為20W（溫度T75時(shí)），存儲(chǔ)溫度為25130，驅(qū)動(dòng)板尺寸為55mm*45mm*33mm(帶固定銅柱和散熱片高度)，其他擴(kuò)展還有控制方向指示燈、邏輯部分板內(nèi)取電接口。L298N內(nèi)含兩個(gè)H橋。如圖3-3所示。圖3-3 L298N內(nèi)部邏輯圖之所以得名“H橋式驅(qū)動(dòng)電路”是因?yàn)樗男螤詈痛髮懽帜浮癏”非常相似。以單個(gè)H為例，4個(gè)三極管組成了H橋的4條邊。而電機(jī)則是的H橋中連接兩邊的橋梁。要想使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須得使斜對(duì)角的兩個(gè)三極管同時(shí)導(dǎo)通。例如，當(dāng)Q1管和Q4管兩管導(dǎo)通時(shí)，電流就從電源的正極經(jīng)Q1管從左到右流過電機(jī)，然后再經(jīng)Q4回到電源的負(fù)極。這樣流向的電流將驅(qū)動(dòng)電機(jī)沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。 當(dāng)另一對(duì)三極管Q2和Q3導(dǎo)通時(shí)，電流就從右至左流過電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)沿另一方向轉(zhuǎn)動(dòng)。3.2.2驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)中驅(qū)動(dòng)芯片L298N的四個(gè)輸入端分別接單片機(jī)的P1.3-P1.6口，P1.3和P1.4控制左輪，P1.5和P1.6控制右輪。驅(qū)動(dòng)電路如圖3-5所示。圖3-5 驅(qū)動(dòng)電路由三極管Q9, Q10, Q11, Q12構(gòu)成H橋驅(qū)動(dòng)電路，控制著幾個(gè)管子的通斷就可以控制直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)。當(dāng)P0.0高電平、P0.1低電平時(shí)，Q9和Q11導(dǎo)通，電機(jī)正轉(zhuǎn)，具有良好的抗干擾性能，反之，電機(jī)反轉(zhuǎn);當(dāng)左輪前進(jìn)，右輪后退時(shí)，車子便右拐彎，反之左拐彎。由I/O的脈沖來控制H橋中三極管的通斷，從而來控制直流電機(jī)的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)的動(dòng)作，具體如下表3-1.表3-1 直流電機(jī)動(dòng)作狀態(tài)P1.6P1.5P1.4P1.3狀態(tài)1001前行0110后退1010左轉(zhuǎn)0101右轉(zhuǎn)從上表可以看出電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)完全由單片機(jī)輸入電平的高低來決定。這樣通過程序控制是小車運(yùn)行。本設(shè)計(jì)采用普通直流電機(jī)，通過控制脈沖占空比算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)小車速度的控制。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、帶載能力大，能承受頻繁的負(fù)載沖擊，還可以實(shí)現(xiàn)頻繁的快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。具體程序如下：void pwmdi ()interrupt 1 if(flag)PWM=0;x=65535*u;TH0=x/256;TL0=x%256;flag=0;else PWM=1; x=65535*(1.0-u); TH0=x/256; TL0=x%256; flag=1;此程序?qū)崿F(xiàn)由單片機(jī)產(chǎn)生PWM波，并且通過控制PWM波占空比的方法控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到控制電機(jī)行駛的目的。3.3尋跡模塊設(shè)計(jì)路徑識(shí)別模塊是智能小車控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，它是智能小車的“眼睛”，其準(zhǔn)確識(shí)別出路徑信息，為路徑跟蹤提供準(zhǔn)確的參數(shù)依據(jù)，完成小車高質(zhì)量的自循跡功能。在本次設(shè)計(jì)中，小車行駛的道路環(huán)境是黑色路徑和白色的地面背景，只要小車的“眼睛”能判別黑白兩種顏色，就能正確識(shí)別出黑色路徑。3.3.1光電檢測(cè)電路設(shè)計(jì)光電傳感器布局的有效性和合理性直接影響小車“眼睛”的“視力”，它影響小車對(duì)道路環(huán)境的判斷以及小車將要執(zhí)行動(dòng)作的控制，對(duì)智能小車快速穩(wěn)定的行駛有重要作用。智能小車傳感器的布局主要解決的是路徑信息檢測(cè)的精度和前瞻性兩個(gè)問題。常用的布局方式有一字型布局，M型布局和活動(dòng)式布局。其中一字型布局是最常用的一種方式，各個(gè)光電傳感器排列成一條直線，保證了縱向的一致，而使控制主要集中在橫向上，如圖3-6。圖3-6 一字型傳感器布局在一字排列中，兩相鄰傳感器采用的是非等距排列，以使輸入和輸出逼近線性關(guān)系。它的理論依據(jù)是等角度分布原則:即先確定一合適的定點(diǎn)，從定點(diǎn)依次等角度畫射線，射線與傳感器水平線相交的位置即為傳感器的位置。這種方式能夠更連貫、準(zhǔn)確地檢測(cè)出路徑信息，控制程序算法簡(jiǎn)單，小車運(yùn)行穩(wěn)定、自然平滑、更連貫。從理論上光電傳感器的數(shù)量越多，分辨率就越高，轉(zhuǎn)角控制精度就越高，但考慮到太多的光電傳感器會(huì)消耗大量的電量和增加小車的重量，設(shè)計(jì)時(shí)最終使用了4只反射式紅外光電傳感器一字型非均勻的分布在一窄長(zhǎng)的條形電路板上。 在本智能小車控制系統(tǒng)中，選用的傳感器件型號(hào)為FS-359E的反射紅外尤甩對(duì)管，它有四個(gè)端口，包含一只紅外發(fā)射管和一只紅外接收管，外層有一深色玻璃套，可以有效濾除環(huán)境光及照相機(jī)散光燈等對(duì)光電管的干擾，因此無須在電路中對(duì)光電管的信號(hào)進(jìn)行調(diào)制、濾波、接收電路的設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì)。光電傳感器檢測(cè)電路如圖3-7。圖3-7 光電檢測(cè)電路當(dāng)光電管檢測(cè)到白色路面時(shí)，車前方的光電傳感器中的發(fā)射管發(fā)射紅外線信號(hào)，經(jīng)接收管接收，由于白色反光強(qiáng)，接收管接收到大量紅外信號(hào)，導(dǎo)致光敏三極管導(dǎo)通，輸出端輸出較低的電壓信號(hào);當(dāng)光電管檢測(cè)到黑線時(shí)，由于黑色對(duì)光吸收強(qiáng)，接收管接收到較少的紅外信號(hào)，光敏三極管截止，集電極在上拉電阻的作用下輸出較高的電壓信號(hào)。將檢測(cè)的信號(hào)直接送到單片機(jī)的A/D口，采用軟件設(shè)置電壓閡值，進(jìn)行數(shù)字化處理，判斷高低電平。當(dāng)檢測(cè)到的信號(hào)為高電平時(shí)，表明小車檢測(cè)到黑色的導(dǎo)引線，反之，表明小車檢測(cè)到白色地面，從而實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)黑線路徑的功能。3.4避障模塊設(shè)計(jì)3.4.1超聲波傳感器 超聲傳感器的種類很多，目前使用最多、最廣泛的就是壓電式超聲波傳感器。本文所選用的是深圳市捷深科技有限公司生產(chǎn)的壓電式收發(fā)分體超聲波傳感器HC-SR04，其工作原理如下所釋。(1)采用IO 口TRIG 觸發(fā)測(cè)距，給最少10us 的高電平信呈。(2)模塊自動(dòng)發(fā)送8 個(gè)40khz 的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回；(3)有信號(hào)返回，通過IO 口ECHO 輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。測(cè)試距離=(高電平時(shí)間聲速(340M/S)/2;HC-SR04超聲波測(cè)距模塊可提供 2cm-400cm的非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)距精度可達(dá)高到 3mm；模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。如圖3-8所示。圖3-8 超聲波傳感器實(shí)物圖VCC 供5V電源， GND 為地線，TRIG 觸發(fā)控制信號(hào)輸入，ECHO 回響信號(hào)輸出等四個(gè)接口端。電氣參數(shù)如下所示。電氣參數(shù) HC-SR04超聲波模塊工作電壓DC 5 V工作電流15mA工作頻率40kHz最遠(yuǎn)射程4m最近射程2cm測(cè)量角度15 度輸入觸發(fā)信號(hào)10uS 的TTL 脈沖輸出回響信號(hào)輸出TTL 電平信號(hào)，與射程成比例規(guī)格尺寸452015mm具體實(shí)物尺寸如圖3-9。圖3-9 HC-SR04實(shí)物尺寸3.4.2超聲波測(cè)距原理 聲波幅值檢測(cè)法、相位檢測(cè)法和渡越時(shí)間法(Time-of-Flight TOF)是超聲測(cè)距所經(jīng)常使用的方法。本論文采用的是渡越時(shí)間法。因?yàn)槁暡ǚ禉z測(cè)法在不同反射物體的反射率不同，也就是容易受反射介質(zhì)的影響;而相位檢測(cè)法檢測(cè)范圍較小，所以，現(xiàn)在超聲測(cè)距使用最普遍的方法是渡越時(shí)間法。超聲傳感器的工作原理如下:首先將40KHz的脈沖電信號(hào)引入超聲波傳感器，再通過諧振片和壓電陶瓷激勵(lì)器將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)，超聲振動(dòng)信號(hào)通過發(fā)射器向四面八方發(fā)射出去。發(fā)射出的超聲波在空中直線傳播，遇到障礙物后發(fā)生反射反應(yīng)。超聲波接收器收到障礙物反射后的超聲波以后，內(nèi)部的諧振片被迫諧振，再通過聲電轉(zhuǎn)換作用將聲能轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)進(jìn)行處理，例如檢波、放大，最后驅(qū)動(dòng)后續(xù)電路工作。渡越時(shí)間法計(jì)算公式為d=c*4t/2，其中c為超聲波波速，4t就是發(fā)射的超聲波與其遇到障礙物后產(chǎn)生的回波之間的時(shí)間差。在使用超聲波測(cè)距時(shí)，如果外界環(huán)境溫度變化不大，測(cè)量精度不高的情況下，一般認(rèn)為聲速是恒定不變的;但如果測(cè)量精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?.4.3超聲波電路設(shè)計(jì) 根據(jù)上文介紹，超聲測(cè)距系統(tǒng)的核心外圍部件是微機(jī)控制、超聲波發(fā)送器和接收器，而且據(jù)文獻(xiàn)介紹，超聲波傳感器發(fā)出的超聲波頻率采用40kHz，此時(shí)的聲壓能級(jí)及靈敏度最大，具有較好的傳播性能。因此超聲測(cè)距原理本論文的超聲測(cè)距系統(tǒng)框圖如圖3-10所示。圖3-10 超聲波測(cè)距系統(tǒng)框圖（1） 超聲波發(fā)射電路超聲波發(fā)射電路具體電路圖如圖3-11所示。圖3-11 40K方波發(fā)射原理圖及調(diào)制信號(hào)波形上圖主要用于產(chǎn)生超聲波，即通過為超聲換能器提供所需激勵(lì)信號(hào)，并通過控制脈沖的引入達(dá)到控制超聲換能器的目的。其中啟動(dòng)發(fā)射器的激勵(lì)脈沖不能過多和過少，過少則超聲波容易在傳播過程中發(fā)生衰減，檢測(cè)性能下降，過多則發(fā)射波容易與其遇到障礙物后返回的接