智能循跡避障小車方案設計書

-.z智能循跡避障小車摘要：本設計是一種基于單片機控制的簡易自動尋跡小車系統(tǒng)，包括小車系統(tǒng)構成軟硬件設計方法。小車以STC89C52單片機為控制核心,用L298N驅動小車的兩個直流電動機，用單片機產生PWM波，控制小車速度。利用紅外對管對路面黑色軌跡和障礙物進展檢測,并將路面檢測信號反響給單片機。單片機對采集到的信號予以分析判斷,及時控制驅動直流電機以調整小車轉向,從而使小車能夠避開障礙物沿著黑色軌跡自動行駛,實現(xiàn)小車自動尋跡的目的。關鍵詞：智能小車；STC89C52單片機；L298N；紅外對管Intelligenttrackingandobstacle-avoidcarLiBo,Qi*iao-long(ElectricalEngineeringCollege,LongdongUniversity,Qingyang745000,Gansu,China)Abstract：Thisdesignisakindofautomatictracingbasedonsingle-chipmicroputercontrolsystemused,includingtrolleysystemshardwareandsoftwaredesignmethod.CarSTC89C52singlechipmicroputertocontrolthecore,L298NdrivingtwoDCmotorsforcar,monolithicintegratedcircuitPWMwave,controllingcarspeed.Usinginfra-redtubeblacktrackanddetectobstaclesonpavementandpavementdetectionsignalbacktotheMCU.MCUonthecollectedsignalsanalysis,controldriveDCmotorstoadjustthecarturninginatimelymanner,soastoenablethecartoavoidtheobstaclesalongtheblackpathautomatically,achievethepurposeofcarautomatictracing.Keywords:SmartCar;STC89C52MCU;L298N;InfraredEmittingDiode1.引言22.方案設計與論證22.1主控系統(tǒng)22.2電機驅動模塊32.3循跡模塊42.4避障模塊52.5機械系統(tǒng)62.6電源模塊63.硬件設計63.1總體設計63.2驅動電路〔參考文獻[4]〕73.3信號檢測模塊83.4主控電路94.軟件設計104.2電機驅動程序104.3循跡模塊11P0_0=!P0_0;12P0_1=!P0_1;134.4避障模塊135.制作安裝與調試175.1PCB的設計制作與安裝17完畢語17參考文獻181.引言隨著機械自動化的不斷開展，人們在生活的各個方面都希望能夠利用自動化的操作來提高工作效率，使生產開展能夠得到不斷的提高。近來在軌跡跟蹤方面的話題研究不斷引起人們的更多關注，國內外更是開展了一系列的智能軌跡跟蹤系統(tǒng)的競賽活動。在實際應用中，具有智能化的機器人在人們無法觸及的工作場合下更是大顯身手，如各種軍事機器人、勘探機器人等。和我們日常生活更為接近的有各種醫(yī)療機器人、汽車自動泊位系統(tǒng)、自動駕駛系統(tǒng)等等。軌跡跟蹤系統(tǒng)的設計在機器人領域有著重要的地位，可以說是機器人實現(xiàn)智能化的一個重要指標。任何一個機器人想要實現(xiàn)智能化就必須能夠實現(xiàn)對外部環(huán)境的自我感知判斷并作出相應反響，最終完成人們布置的任務。本設計通過對軌跡跟蹤問題的分析，制作了一輛能夠自動跟蹤地面上的黑色軌跡的小車。2.方案設計與論證根據(jù)要求，確定如下方案：在現(xiàn)有玩具電動車的根底上，加裝光電檢測器，實現(xiàn)對電動車的速度、位置、運行狀況的實時測量，并將測量數(shù)據(jù)傳送至單片機進展處理，然后由單片機根據(jù)所檢測的各種數(shù)據(jù)實現(xiàn)對電動車的智能控制。這種方案能實現(xiàn)對電動車的運動狀態(tài)進展實時控制，控制靈活、可靠，精度高，可滿足對系統(tǒng)的各項要求。2.1主控系統(tǒng)根據(jù)設計要求，我認為此設計屬于多輸入量的復雜程序控制問題。據(jù)此，擬定了以下兩種方案并進展了綜合的比擬論證，具體如下：方案一：選用一片CPLD〔如EPM7128LC84-15〕作為系統(tǒng)的核心部件，實現(xiàn)控制與處理的功能。CPLD具有速度快、編程容易、資源豐富、開發(fā)周期短等優(yōu)點，可利用VHDL語言進展編寫開發(fā)。但CPLD在控制上較單片機有較大的劣勢。同時，CPLD的處理速度非常快，而小車的行進速度不可能太高，則對系統(tǒng)處理信息的要求也就不會太高，在這一點上，MCU就已經可以勝任了。假設采用該方案，必將在控制上遇到許許多多不必要增加的難題。為此，我們不采用該種方案，進而提出了第二種設想。方案二：采用單片機作為整個系統(tǒng)的核心，用其控制行進中的小車，以實現(xiàn)其既定的性能指標。充分分析我們的系統(tǒng)，其關鍵在于實現(xiàn)小車的自動控制，而在這一點上，單片機就顯現(xiàn)出來它的優(yōu)勢——控制簡單、方便、快捷。這樣一來，單片機就可以充分發(fā)揮其資源豐富、有較為強大的控制功能及可位尋址操作功能、價格低廉等優(yōu)點。因此，這種方案是一種較為理想的方案。針對本設計特點——多開關量輸入的復雜程序控制系統(tǒng)，需要擅長處理多開關量的標準單片機，而不能用精簡I/O口和程序存儲器的小體積單片機，D/A、A/D功能也不必選用。根據(jù)這些分析,我選定了P89C51RA單片機作為本設計的主控裝置，51單片機具有功能強大的位操作指令，I/O口均可按位尋址，程序空間多達8K，對于本設計也綽綽有余，更可貴的是51單片機價格非常低廉。在綜合考慮了傳感器、兩部電機的驅動等諸多因素后，我們決定采用一片單片機，充分利用STC89C52單片機的資源。2.2電機驅動模塊方案一：采用繼電器對電動機的開或關進展控制,通過開關的切換對小車的速度進展調整.此方案的優(yōu)點是電路較為簡單,缺點是繼電器的響應時間慢,易損壞,壽命較短,可靠性不高。方案二：采用電阻網(wǎng)絡或數(shù)字電位器調節(jié)電動機的分壓，從而到達分壓的目的。但電阻網(wǎng)絡只能實現(xiàn)有級調速，而數(shù)字電阻的元器件價格比擬昂貴。更主要的問題在于一般的電動機電阻很小，但電流很大，分壓不僅回降低效率，而且實現(xiàn)很困難。方案三：采用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機。線性型驅動的電路構造和原理簡單，加速能力強，采用由達林頓管組成的H型橋式電路(如圖2.1)。用單片機控制達林頓管使之工作在占空比可調的開關狀態(tài)下，準確調整電動機轉速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高，H型橋式電路保證了簡單的實現(xiàn)轉速和方向的控制，電子管的開關速度很快，穩(wěn)定性也極強，是一種廣泛采用的PWM調速技術。現(xiàn)市面上有很多此種芯片，我選用了L298N(如圖2.2)。這種調速方式有調速特性優(yōu)良、調整平滑、調速*圍廣、過載能力大，能承受頻繁的負載沖擊，還可以實現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉等優(yōu)點。因此決定采用使用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機。圖2.1H橋式電路圖2.2L2.3循跡模塊方案一：采用簡易光電傳感器結合外圍電路探測，但實際效果并不理想，對行駛過程中的穩(wěn)定性要求很高，且誤測幾率較大、易受光線環(huán)境和路面介質影響。在使用過程極易出現(xiàn)問題，而且容易因為該部件造成整個系統(tǒng)的不穩(wěn)定。故最終未采用該方案。方案二：采用兩只紅外對管(如圖2.3)，分別置于小車車身前軌道的兩側，根據(jù)兩只光電開關承受到白線與黑線的情況來控制小車轉向來調整車向，測試說明，只要合理安裝好兩只光電開關的位置就可以很好的實現(xiàn)循跡的功能。(參考文獻[3])方案三：采用三只紅外對管，一只置于軌道中間，兩只置于軌道外側，當小車脫離軌道時，即當置于中間的一只光電開關脫離軌道時，等待外面任一只檢測到黑線后，做出相應的轉向調整，直到中間的光電開關重新檢測到黑線〔即回到軌道〕再恢復正向行駛。現(xiàn)場實測說明，小車在尋跡過程中有一定的左右搖擺不定，雖然可以正確的循跡但其本錢與穩(wěn)定性都次與第二種方案。通過比擬，我選取第二種方案來實現(xiàn)循跡。圖2.3紅外對管2.4避障模塊方案一：采用一只紅外對管置于小車中央。其安裝簡易，也可以檢測到障礙物的存在，但難以確定小車在水平方向上是否會與障礙物相撞，也不易讓小車做出準確的轉向反響。方案二：采用二只紅外對管分別置于小車的前端兩側，方向與小車前進方向平行，對小車與障礙物相對距離和方位能作出較為準確的判別和及時反響。但此方案過于依賴硬件、本錢較高、缺乏創(chuàng)造性，而且置于小車左方的紅外對管用到的幾率很小，所以最終未采用。方案三：采用一只紅外對管置于小車右側。通過測試此種方案就能很好的實現(xiàn)小車避開障礙物，且充分的利用資源而不浪費。(參考文獻[3])通過比擬我采用方案三。2.5機械系統(tǒng)此題目要求小車的機械系統(tǒng)穩(wěn)定、靈活、簡單，而三輪運動系統(tǒng)具備以上特點。驅動局部：由于玩具汽車的直流電機功率較小，而小車上裝有電池、電機、電子器件等，使得電機負擔較重。為使小車能夠順利啟動，且運動平穩(wěn)，在直流電機和輪車軸之間加裝了三級減速齒輪。電池的安裝：將電池放置在車體的電機前后位置，降低車體重心，提高穩(wěn)定性，同時可增加驅動輪的抓地力，減小輪子空轉所引起的誤差。簡單，而三輪運動系統(tǒng)具備以上特點。2.6電源模塊方案一：采用實驗室有線電源通過穩(wěn)壓芯片供電，其優(yōu)點是可穩(wěn)定的提供5V電壓，但占用資源過大。方案二：采用4支1.5V電池單電源供電，但6V的電壓太小不能同時給單片機與與電機供電。方案三：采用8支1.5V電池雙電源分別給單片機與電機供電可解決方案二的問題且能讓小車完成其功能。所以，我選擇了方案三來實現(xiàn)供電。3.硬件設計3.1總體設計智能小車采用前輪驅動，前輪左右兩邊各用一個電機驅動，調制前面兩個輪子的轉速起停從而到達控制轉向的目的，后輪是萬象輪，起支撐的作用。將循跡光電對管分別裝在車體下的左右。當車身下左邊的傳感器檢測到黑線時，主控芯片控制左輪電機停頓，車向左修正，當車身下右邊傳感器檢測到黑線時，主控芯片控制右輪電機停頓，車向右修正。避障的原理和循線一樣，在車身右邊裝一個光電對管，當其檢測到障礙物時，主控芯片給出信號報警并控制車子倒退,轉向，從而避開障礙物。主板設計框圖如圖3.1，所需原件清單如表3.1。StcStc89c52循跡紅外對管時鐘電路復位電路報警電路電機驅動避障紅外對管圖3.1主板設計框圖表3.1元件清單元件數(shù)量元件數(shù)量元件數(shù)量直流電機2只電阻假設干集成電路芯片假設干單片機1塊二極管假設干電容假設干紅外對管3只蜂鳴器1只電位器假設干12M晶振1只杜邦線假設干玩具小車1個排針假設干3.2驅動電路〔參考文獻[4]〕電機驅動一般采用H橋式驅動電路，L298N內部集成了H橋式驅動電路，從而可以采用L298N電路來驅動電機。通過單片機給予L298N電路PWM信號來控制小車的速度，起停。其引腳圖如3.2，驅動原理圖如圖3.3。圖3.2L298N引腳圖圖3.3電機驅動電路3.3信號檢測模塊小車循跡原理是小車在畫有黑線的白紙“路面〞上行駛，由于黑線和白紙對光線的反射系數(shù)不同，可根據(jù)接收到的反射光的強弱來判斷“道路〞—黑線。筆者在該模塊中利用了簡單、應用也比擬普遍的檢測方法——紅外探測法。

紅外探測法，即利用紅外線在不同顏色的物理外表具有不同的反射性質的特點。在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當紅外光遇到白色地面時發(fā)生漫發(fā)射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，則小車上的接收管接收不到信號，再通過LM324作比擬器來采集上下電平，從而實現(xiàn)信號的檢測。避障亦是此原理。電路圖如圖3.4。市面上有很多紅外傳感器，在這里我選用TCRT5000型光電對管。圖3.4循跡原理圖3.4主控電路本模塊主要是對采集信號進展分析，同時給出PWM波控制電機速度，起停。以及再檢測到障礙報警等作用。其電路圖如圖5。圖3.5主控電路4.軟件設計4.1主程序框圖：圖4.1主程序框圖啟動循跡是否檢測到停頓線停頓是否檢測到障礙圖4.1主程序框圖啟動循跡是否檢測到停頓線停頓是否檢測到障礙NY避障YN4.2電機驅動程序voidgoahead(){s1=1;s2=0;s3=1;s4=0;}voidgoback(){s1=0;s2=1;s3=0;s4=1;}voidturnleft(){s3=1;s4=0;}voidturnright(){s1=1;s2=0;}voidstop(){en1=0;en2=0;}4.3循跡模塊循跡框圖：開場前進開場前進掃描I/O口，是否檢測到黑線Y左邊右邊左轉右轉N圖4.2循跡框圖循跡程序：void*unji(){if((left_red==1)&(right_red==1)){en1=1;en2=1;goahead();delay(150);en1=0;en2=0;delay(50);}elseif((left_red==0)&(right_red==1)){en1=0;en2=1; P0_0=!P0_0;turnleft();delay(150);en1=1;en2=0;delay(50);}elseif((left_red==1)&(right_red==0)){en1=1;en2=0;P0_1=!P0_1;turnright();delay(150);en1=0;en2=1;delay(50);}else{stop();} }4.4避障模塊避障框圖：開場后退一點，報警開場后退一點，報警后退左轉前進右轉Y左轉是否檢測到障礙前進N圖4.3避障框圖避障程序：voidbizhang(){en1=1;en2=1;goback();mid_red=0;baojing();goback();for(i=0;i<8;i++){en1=1;en2=1;delay(150);en1=0;en2=0;delay(50);}stop();delay(10);turnleft();for(i=0;i<11;i++){en1=0;en2=1;delay(130); en2=0;delay(50);}stop();delay(10);goahead();for(i=0;i<22;i++){en1=1;en2=1;delay(130);en1=0;en2=0; delay(50);}stop();delay(10);turnright();for(i=0;i<18;i++){en1=1;en2=0;delay(130);en1=0;delay(50);}*un:if((left_red==1)&(right_red==0)){loop:turnleft();en1=0;en2=1;delay(30);turnright();en1=1;delay(50);en1=0;delay(50);en2=0;delay(50);if((left_red==1)&(right_red==1)){;}else{gotoloop;}}else{en1=1;en2=1;goahead();delay(80);en1=0;en2=0;delay(50);goto*un;}}5.制作安裝與調試5.1PCB的設計制作與安裝采用D*P2004繪制原理圖與PCB板，布線的過程中必須注意焊盤的大小與銅線的寬度。我選取的焊盤內徑為0.8mm,外徑2mm；銅線寬1mm。從做板的情況來看根本到達制作得要求。采用螺絲將循跡板安裝在車頭，主板與電機驅動安裝在車尾。5．2小車調試通過改變循跡板滑動變阻器器的大小來調試紅外對管的靈敏度，通過改變延時程序來改變速度的大小。下表為小車運行的情況：表5.1小車調試情況小車運行次數(shù)成功循跡次數(shù)成功避障次數(shù)111221332442554完畢語整個系統(tǒng)的設計以單片機為核心，利用了多種傳感器，將軟件和硬件相結合。本系統(tǒng)能實現(xiàn)如下功能：〔1