智能小車畢業(yè)論文.

1、1. 緒論1.1. 課題研究的背景和意義1.2. 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.3. 本文組織結(jié)構(gòu)2. 家庭服務(wù)機(jī)器人任務(wù)規(guī)劃及仿真2.1. (見仿真文件)2.2.2.3.3. 家庭服務(wù)機(jī)器人硬件模型搭建3.1. 系統(tǒng)性能指標(biāo)在本設(shè)計(jì)中，家庭服務(wù)機(jī)器人的模型就是一輛三輪小車，小車上的兩個(gè)直流電機(jī)帶動(dòng)兩個(gè)車輪，外加一個(gè)萬向輪。另一方面，在小車上安裝一個(gè)普通風(fēng)機(jī)，利用風(fēng)機(jī)模擬清潔、吸塵功能。本文中，通過搭建家庭服務(wù)機(jī)器人的模型，來驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)家庭小范圍清潔工作。其中，實(shí)現(xiàn)一種或多種方式的任務(wù)規(guī)劃，如單邊巡邊方式、隨機(jī)避障方式、正方形邊沿?cái)U(kuò)大方式、三角波方式等。3.2. 系統(tǒng)總體方案前面已經(jīng)講到，為實(shí)現(xiàn)對家庭小范圍

2、的清潔的模擬工作，搭建一輛三輪小車，利用一種或多種方式進(jìn)行任務(wù)的規(guī)劃。3.2.1. 系統(tǒng)方案對比在確定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案之前，務(wù)必先對系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各種方案進(jìn)行對比。眾所周知，任何一個(gè)嵌入式系統(tǒng)都是以微處理器為核心，附加相應(yīng)的外部外設(shè)通過軟件程序?qū)崿F(xiàn)硬件功能的。所以從某種程度上講,嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的對比就是嵌入式系統(tǒng)所選用的微處理器的對比。根據(jù)處理數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，當(dāng)下比較常用的嵌入式微處理器有8位微處理器、16位微處理器、32位微處理器和FPGA。其中8位微處理器主要以51內(nèi)核的微處理器為主，比較常用的有8051、AVR、ADuc8xx等。16位的微處理器以凌陽、MSP430、Freecale為代表。用

3、于工控設(shè)備的32位的微處理器主要是ARM處理器。FPGA又稱現(xiàn)場可編程門陣列，是一種用戶根據(jù)功能需要編程設(shè)計(jì)處理器的半定制電路，可并行處理信號(hào)。從價(jià)格上講，隨著微處理器位數(shù)的增加，其價(jià)格也會(huì)相應(yīng)的增長的趨勢。但是隨著微電子技術(shù)和集成電路計(jì)數(shù)的發(fā)展,這種價(jià)格和處理器位數(shù)成正比的關(guān)系變得不那么明顯，除了極少數(shù)特殊性能或者高工作參數(shù)的微處理器以外，8位、16位、32位高性能的微處理器的價(jià)格差別不大，甚至可能出現(xiàn)功能強(qiáng)大的微處理器的價(jià)格會(huì)更低。比如以2012年2月份芯片網(wǎng)上報(bào)價(jià)為依據(jù)，8位高性能微處理器ADUC845的價(jià)格是80元左右，16位微處理器MSP430F5438的價(jià)格為25元左右，32位微處

4、理器STM32F103VET6的價(jià)格為20元左右,TMS320F2812的價(jià)格為75元左右。（以上摘自中南大學(xué) 孫學(xué)飛）本設(shè)計(jì)中的家庭服務(wù)機(jī)器人模型，要達(dá)到能按照一定的路徑或隨機(jī)方式對特定區(qū)域?qū)嵤┣鍜吖ぷ鞯哪M，只需要成功以上述方式對整個(gè)區(qū)域進(jìn)行掃描即可，所以在選用控制芯片時(shí)無需一味追求強(qiáng)大的處理能力。51單片機(jī)從內(nèi)部的硬件到軟件有一套完整的按位操作系統(tǒng)，使用方便，抗干擾能力強(qiáng)，完全可以達(dá)到本模型的設(shè)計(jì)要求。3.2.2. 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為了控制車輪的直流電機(jī)，必須使用到脈寬調(diào)制技術(shù)。如果使用普通51單片機(jī)的I/O口產(chǎn)生模擬PWM，兩路PWM將會(huì)占用了兩個(gè)定時(shí)器，一個(gè)51單片機(jī)

5、勢必不能同時(shí)完成數(shù)據(jù)的采集和電機(jī)的驅(qū)動(dòng)工作，所以可以設(shè)置一個(gè)主機(jī)，一個(gè)從機(jī)的模式，進(jìn)行主從結(jié)合，分別完成電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)的采集工作。如圖3. 5所示，硬件上由兩個(gè)51單片機(jī)完成外界數(shù)據(jù)的采集以及電機(jī)的驅(qū)動(dòng)等各項(xiàng)工作。其中，以STC12C5A60S2單片機(jī)作為主控芯片，STC89C52RC為從芯片。前者接收來自后者的傳感器信息，從而通過某種策略，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使得車輪實(shí)現(xiàn)某種路徑行走。單片機(jī)系統(tǒng)和紅外傳感器、超聲波傳感器由5V電源供電，而電機(jī)驅(qū)動(dòng)需要進(jìn)行升壓，將電壓升至12V。在調(diào)試過程中，液晶顯示模塊用來顯示調(diào)試過程中傳感器的各項(xiàng)參數(shù)。圖3. 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3.3. 單片機(jī)最小系統(tǒng)3.3.1

6、. 控制芯片的選擇在眾多的51系列單片機(jī)中，要算國內(nèi)STC 公司的1T增強(qiáng)系列更具有競爭力，因它不但和8051指令、管腳完全兼容，而且其片內(nèi)的具有大容量程序存儲(chǔ)器且是FLASH工藝的，如STC12C5A60S2單片機(jī)內(nèi)部就自帶高達(dá)60K FLASH ROM,這種工藝的存儲(chǔ)器用戶可以用電的方式瞬間擦除、改寫，而且STC系列單片機(jī)支持串口程序燒寫。顯而易見，這種單片機(jī)對開發(fā)設(shè)備的要求很低，開發(fā)時(shí)間也大大縮短。寫入單片機(jī)內(nèi)的程序還可以進(jìn)行加密，這又很好地保護(hù)了你的勞動(dòng)成果。重要的一點(diǎn)STC12C5A60S2目前的售價(jià)與傳統(tǒng)51差不多，市場供應(yīng)也很充足，是一款高性價(jià)比的單片機(jī)。STC12C5A60S2

7、單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8-12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM,8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250K/S)，針對電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場合。在本系統(tǒng)中，針對電機(jī)的控制，從PWM控制電機(jī)的角度來看，選擇STC12C5A60S2單片機(jī)是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。STC12C5A60S2單片機(jī)的特點(diǎn)總結(jié)如下：1) 增強(qiáng)型8051 CPU，1T，單時(shí)鐘/機(jī)器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051;2) 工作電壓：STC12C5A60S2系列工作電壓：5.5V-3.3V3) 工作頻率范圍：

8、0 - 35MHz，相當(dāng)于普通8051的 0420MHz;4) 片上集成1280字節(jié)RAM;5) 通用I/O口(36/40/44個(gè))，復(fù)位后為：準(zhǔn)雙向口/弱上拉(普通8051傳統(tǒng)I/O口)，可設(shè)置成四種模式：準(zhǔn)雙向口/弱上拉，推挽/強(qiáng)上拉，僅為輸入/高阻，開漏，每個(gè)I/O口驅(qū)動(dòng)能力均可達(dá)到20mA，但整個(gè)芯片最大不要超過55Ma;6) ISP(在系統(tǒng)可編程)/IAP(在應(yīng)用可編程)，無需專用編程器，無需專用仿真器 可通過串口(P3.0/P3.1)直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片;7) 內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路(外部晶體12M以下時(shí)，復(fù)位腳可直接1K電阻到地);8) 時(shí)鐘源：外部高精度

9、晶體/時(shí)鐘，內(nèi)部R/C振蕩器(溫漂為+/-5%到+/-10%以內(nèi)) 1用戶在下載用戶程序時(shí)，可選擇是使用內(nèi)部R/C振蕩器還是外部晶體/時(shí)鐘，常溫下內(nèi)部R/C振蕩器頻率為：5.0V單片機(jī)為：11MHz15.5MHz，3.3V單片機(jī)為：8MHz12MHz，精度要求不高時(shí)，可選擇使用內(nèi)部時(shí)鐘，但因?yàn)橛兄圃煺`差和溫漂，以實(shí)際測試為準(zhǔn);9) 共4個(gè)16位定時(shí)器 兩個(gè)與傳統(tǒng)8051兼容的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,16位定時(shí)器T0和T1，沒有定時(shí)器2，但有獨(dú)立波特率發(fā)生器 做串行通訊的波特率發(fā)生器 再加上2路PCA模塊可再實(shí)現(xiàn)2個(gè)16位定時(shí)器;10) 外部中斷I/O口7路,傳統(tǒng)的下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷,并新增支持

10、上升沿中斷的PCA模塊Power Down模式可由外部中斷喚醒，INT0/P3.2,INT1/P3.3,T0/P3.4, T1/P3.5, RxD/P3.0,CCP0/P1.3(也可通過寄存器設(shè)置到P4.2 ), CCP1/P1.4 (也可通過寄存器設(shè)置到P4.3);11) PWM(2路)/PCA(可編程計(jì)數(shù)器陣列,2路)：也可用來當(dāng)2路D/A使用也可用來再實(shí)現(xiàn)2個(gè)定時(shí)器也可用來再實(shí)現(xiàn)2個(gè)外部中斷(上升沿中斷/下降沿中斷均可分別或同時(shí)支持)；本系統(tǒng)采用的40個(gè)引腳的STC12C5A60S2單片機(jī)，I/O最大可達(dá)36個(gè)， 主要用到其PWM與定時(shí)器。而從機(jī)芯片則是普通的51單片機(jī)STC89C52R

11、C，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 在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。STC89C52使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但做了很多的改進(jìn)使得芯片具有傳統(tǒng)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。3.3.2. 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)主控芯片和從芯片雖然兩者的性能不同，但是都是51系列40個(gè)引腳的單片機(jī)，兩者可應(yīng)用于相同的硬件系統(tǒng)。因此，在設(shè)計(jì)最小系統(tǒng)時(shí)，只需設(shè)計(jì)一種51單片機(jī)的最小系統(tǒng)，制作兩塊相同的最小系統(tǒng)板即可。51單片機(jī)最小系統(tǒng)的原理圖如圖

12、3. 5所示。 （若字?jǐn)?shù)不夠，可以寫多一點(diǎn)關(guān)于復(fù)位電路，時(shí)鐘電路、通訊接口等） 圖3. 2 51單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖任何單片機(jī)系統(tǒng)都不可缺少復(fù)位電路，復(fù)位電路的好壞對單片機(jī)系統(tǒng)的可靠性具有極大的影響。51單片機(jī)在可靠的復(fù)位之后，才會(huì)從0000H地址開始有序的執(zhí)行應(yīng)用程序。同時(shí)，復(fù)位電路也是容易受到外部噪聲干擾的敏感部分之一。因此，本系統(tǒng)的51單片機(jī)復(fù)位電路應(yīng)該具有上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位的功能。如圖3. 5圖3. 3 51單片機(jī)復(fù)位電路3.4. 傳感器模塊在本系統(tǒng)的模型設(shè)計(jì)中，將要采用一系列的傳感器獲取小車的位置信息或者小車面臨的外界環(huán)境，進(jìn)而控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。3.4.1. 超聲波模塊超聲波可以用來測

13、量距離，在小車運(yùn)動(dòng)過程中感知小車與墻壁或者其他障礙物的距離。本系統(tǒng)采用HCSR04超聲波測距模塊，可提供2cm400cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可高達(dá)3mm。該模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器和控制電路?；驹硎牵?) 采用I/O口進(jìn)行觸發(fā)，在TRIG端給至少10微秒的高電平信號(hào)；2) 被觸發(fā)后，模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40KHz的方波，并自動(dòng)檢測是否有信號(hào)返回；3) 有信號(hào)返回時(shí)，模塊會(huì)在ECHO端輸出一個(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。測量距離=（高電平時(shí)間*聲速）/2。超聲波模塊的電氣參數(shù)如下：3.4.2. 紅外傳感器為使小車能在多角度提前感知前方障礙，進(jìn)而避開障礙行

14、走，可以在車頭安裝紅外傳感器。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中在車頭正中位置的兩側(cè)分別斜安裝兩對紅外對管，主要用于檢測小車前方及車輪前方的障礙物，檢測到障礙時(shí)輸出低電平信號(hào)。該紅外模塊可以檢測1mm60cm距離的障礙，且檢測距離可以通過紅外模塊主控板上的電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)然，距離越近性能越穩(wěn)定。3.5. 電機(jī)驅(qū)動(dòng)及測速模塊由于小車車輪電機(jī)是直流電機(jī)，為了控制電機(jī)轉(zhuǎn)速及正反轉(zhuǎn)狀態(tài)，務(wù)必使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)橋隨電機(jī)進(jìn)行PWM控制?？梢岳肔298N構(gòu)成電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，L298N是SGS公司的產(chǎn)品，內(nèi)部保護(hù)四通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，是一種二相和四相電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)器，即美不包含兩個(gè)H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平

15、信號(hào)。由L298N構(gòu)成的電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖如圖3. 5所示。另外，可以在直流電機(jī)的電樞兩端并聯(lián)一個(gè)0.1微法的瓷片電容，以穩(wěn)定電機(jī)的電壓不至于對單片機(jī)造成干擾。實(shí)際的使用效果也不錯(cuò)，省去了通過光耦隔離實(shí)現(xiàn)單片機(jī)輸出信號(hào)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的隔離環(huán)節(jié)，節(jié)約了成本。圖3. 4 L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)橋原理圖3.6. 顯示及調(diào)試模塊顯示模塊作為人機(jī)交互的平臺(tái)，可以在調(diào)試時(shí)顯示傳感器的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，進(jìn)而為系統(tǒng)的調(diào)試工作帶來方便。本系統(tǒng)中添加了12864液晶的接口。電路圖如圖3. 5所示，可通過串行或并行方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示。（具體原理及接口信號(hào)說明可以參照郭天祥那本書，如果要充字?jǐn)?shù)，也可以寫一下接口信號(hào)說明和時(shí)序操作等）

16、圖3. 5 12864液晶接口電路圖3.7. 電源模塊每一個(gè)系統(tǒng)都需要一個(gè)穩(wěn)定的電源以維持工作。一個(gè)系統(tǒng)的供電電源的性能對系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量有著舉足輕重的影響。電源線上的噪聲和紋波的來源具有多樣性，在系統(tǒng)內(nèi)的高速數(shù)據(jù)和高頻信號(hào)本身會(huì)產(chǎn)生噪聲，PCB的印制線和連接線如果設(shè)計(jì)不合理，也會(huì)形成天線效應(yīng)。為了盡可能地降低信號(hào)路徑中的噪聲和紋波，應(yīng)當(dāng)學(xué)會(huì)合理地進(jìn)行PCB布線和布局以及恰當(dāng)進(jìn)行電源旁路處理。當(dāng)然，首要的還是正確地選擇適合系統(tǒng)的電源方案。對比開關(guān)電源和線性穩(wěn)壓電源后可知，開關(guān)電源能提供較高的工作頻率，意味著損耗小，可令系統(tǒng)功耗更低，但紋波較大。而線性穩(wěn)壓電源具有良好的線性調(diào)整率、高電源抑制比和低

17、噪聲等優(yōu)點(diǎn)，為對噪聲及紋波要求較高的電子設(shè)備提供一種易于使用的解決方案。由于本系統(tǒng)模型是小車，所以使用電池組供電時(shí)必要的。為確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，決定選用紋波及噪聲更小的線性穩(wěn)壓電源芯片為主控芯片和外設(shè)供電。其中，選擇德州儀器公司生產(chǎn)的TPS7350電源管理芯片為主控芯片、傳感器和液晶顯示模塊供電，而選擇國家半導(dǎo)體的LM2577芯片作為升壓芯片，為電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和模擬清潔吸塵的風(fēng)機(jī)供電。（可以添加兩種芯片的介紹，特點(diǎn)，優(yōu)點(diǎn)等等）圖3. 6 5V供電電路圖3. 7 12V升壓電路4. 家庭服務(wù)機(jī)器人軟件設(shè)計(jì)4.1. 軟件算法（不會(huì)）4.2. 軟件整體方案在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中考慮到主機(jī)資源不足及運(yùn)算能力不足，

18、采用一主一從兩個(gè)單片機(jī)的形式。主機(jī)主要用于控制兩個(gè)電機(jī)，從機(jī)主要采集各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)并進(jìn)行編碼，最后用串口發(fā)送到主機(jī)上。主機(jī)上用兩個(gè)外部中斷去采集碼盤的脈沖，保證每個(gè)脈沖都能進(jìn)入到單片機(jī)里面，以對電機(jī)進(jìn)行精確的控制。本主機(jī)采用增強(qiáng)型8052單片機(jī)，包含兩個(gè)PWM模塊。剛好用于控制兩個(gè)電機(jī)。單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)再通過L298N控制模塊放大功率方可驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)。主機(jī)接LCD12864顯示器，可顯示任務(wù)時(shí)間，完成程度等信息。在調(diào)試階段LCD主要用于顯示各種中間信息以方便調(diào)試。從機(jī)接一個(gè)超聲波測距模塊及一個(gè)四路的紅外避障模塊。紅外避障主要感應(yīng)兩邊的障礙物。而超聲波模塊主要感應(yīng)正面的障礙。整體軟件框架圖如下：圖XXXX整體流程圖如下：（不會(huì)用VISION畫圖，只能畫個(gè)草圖了）4.3. 超聲波測距模塊的軟件設(shè)計(jì)（原理如3.4.1所示）本模塊已經(jīng)完成了最底層的超聲波測距操作，并提供了一個(gè)接口。本軟件設(shè)計(jì)僅對其接口控制就可控制整個(gè)模塊。模塊接口時(shí)序如下圖： 當(dāng)Trigger產(chǎn)生一個(gè)10us的高電平脈沖的時(shí)候模塊啟動(dòng)，發(fā)出超聲波，開始測距。測距完成后模塊會(huì)在Echo產(chǎn)生一個(gè)高電平脈沖，這時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器計(jì)算這個(gè)高電平的脈沖。模塊啟動(dòng)的代碼如下圖：這里產(chǎn)生一個(gè)脈沖。啟動(dòng)定時(shí)器，并等待ECHO的高電平來到。如上計(jì)算ECHO高電平的時(shí)間，得到結(jié)果暫時(shí)放在S里。根據(jù)公式D=VT