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智能避障小车

目录1. 绪论 (5)2. 方案设计与论证 (6)2.1 主控系统 (6)2.2寻迹模块 (7)2.3 避障模块 (8)2.4 机械系统 (10)2.5 电源模块 (10)3. 硬件设计 (12)3.1总体设计 (12)3.2驱动电路 (12)3.3 PWM控制技术分析 (13)3.4检测模块 (13)4. 软件设计 (15)4.1系统软件设计说明 (15)4.2程序框图 (15)结束语 (16)参考文献 (17)致谢 (18)附录程序清单 (19)摘要随着机器人技术的发展, 自主移动机器人以其活性和智能性等特点, 在人们的生产、生活中的应用来越广泛。

自主移动机器人通过各种传感器系统感知外界环境和自身状态, 在复杂的已知或者未知环境中自主移动并完成相应的任务。

而在多种探测手段中, 超声波传感器与光电寻迹系统由于具有成本低, 安装方便, 不容易受电磁、光线、被测对象颜色、烟雾等影响, 时间信息直观等特点, 对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力, 因此在移动机器人领域有着广泛的应用。

关键词:智能小车;STC89C52单片机;超声波检测模块;光电寻迹AbstractWith the development of robotics, autonomous mobile robots play an important role in our manufacture and society for its characteristics: flexible and intelligent. Autonomous mobile robots sense the outside environment and their states with a variety of sensor systems’help. They walk in the complex and known or unknown environment to complete tasks. Moreover, among the methods of detection, ultrasonic wave sensors and photoelectric components are low cost, easy to installation, not susceptible to electromagnetic, light, objects’ color s and smoke, and easy to see time information. Therefore, they can be used in the darkness, dust, smoke, electromagnetic interference, toxic and other harsh environment. In other words, the components have a wide range of applications in the area of mobile robots. Keyword: Intelligent Car, STC89C52 Microcontroller, Ultrasonic Wave Component, Photoelectric Component1.绪论随着机器人技术的发展, 自主移动机器人以其活性和智能性等特点, 在人们的生产、生活中的应用来越广泛。

自主移动机器人通过各种传感器系统感知外界环境和自身状态, 在复杂的已知或者未知环境中自主移动并完成相应的任务。

而在多种探测手段中, 超声波传感器系统由于具有成本低, 安装方便, 易受电磁、光线、被测对象颜色、烟雾等影响, 时间信息直观等特点, 对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力, 因此在移动机器人领域有着广泛的应用。

针对一种基于光电寻迹、超声波的避障小车,通过对整体方案、电路、算法、调试、车辆参数的介绍,详尽地阐述移动机器人通过传感器系统感知外界环境和自身状态, 在复杂的环境中自主移动并完成相应的任务。

超声波传感器以其独有的特征而被青睐。

本文利用两个超声波传感器对障碍物进行定位, 从而使机器人顺利到达结构化环境中的目标。

该智能小车系统涉及计算机控制技术、路径识别、传感技术、电子设计、程序设计、机械设计等多个学科,磨练了我们的知识融合和实践动手能力的培养。

该小车我们采用了在课堂上接触最多的STC89C52芯片。

80C52是一款八位单片机,它的易用性和多功能性受到了广大使用者的好评。

下面就简要的介绍一下单片机及其典型应用方式:“单片机”一词是Single-Chip Microcomputer较准确的译法,但最能准确反映单片机设计思想﹑并且具有技术眼光的词汇是Microcomputer(微处理器)。

之所以出现了Sigle-chip Microcomputer一词,实在是因为早期,甚至到MCS-51时期,单片机准确地体现了Sigle-chip Microcomputer的形态和内容。

然而发展到MCS-96,发展到新一代80C51﹑M68HC05﹑M68HC11系列单片机时,在单片机中着力扩展了各种控制功能。

如A/D﹑PWM﹑PCA计数器捕获/比较逻辑﹑高速I/O口﹑WDT等,已突破了Microcomputer的传统内容,朝Microcomputer的内涵发展。

因此,目前已到了该给单片机正名的时候了,国外已逐渐统一成Microcomputer。

本设计就采用了比较先进的80C51为控制核心,80C51采用CHOMS工艺,功耗很低。

该设计具有实际意义,可以应用于考古、医疗器械等许多方面。

2.方案设计与论证根据要求,确定如下方案:在现有电动车框架基础上,加装寻迹模块、超声波检测模块,实现对电动车的速度、位置、运行状况的实时测量,并将测量数据传送至单片机进行处理,然后由单片机根据所检测的各种数据实现对电动车的智能控制。

这种方案能实现对电动车的运动状态进行实时控制,控制灵活、可靠,精度高,可满足对系统的各项要求。

本人在此次设计中主要负责程序编写及应用部分,合作者王雨同学承担电路设计以及主要器件的功能分析与测试部分。

本系统的整体思路是:小车要完成的目标是顺利躲避多个障碍,并能返回到原轨道中,从而让小车顺利到达直线前方的目的地。

实验中的路线图如下,小车每经过一个障碍物,就会回归到原来与黑色线平行的轨迹中。

为了完成以上目标,程序必须实现以下功能:(1)一开始让小车沿着轨道走,直走即可;(2)快碰到障碍物时,进行循墙;(3)绕过障碍物后,车头会直接碰到黑线,左转90度,回到原行车方向。

2.1 主控系统根据设计要求,我认为此设计属于多输入量的复杂程序控制问题。

据此,拟定了以下两种方案并进行了综合的比较论证,具体如下:方案一:选用一片CPLD(如EPM7128LC84-15)作为系统的核心部件,实现控制与处理的功能。

CPLD具有速度快、编程容易、资源丰富、开发周期短等优点,可利用VHDL语言进行编写开发。

但CPLD在控制上较单片机有较大的劣势。

同时,CPLD 的处理速度非常快,而小车的行进速度不可能太高,那么对系统处理信息的要求也就不会太高,在这一点上,MCU就已经可以胜任了。

若采用该方案,必将在控制上遇到许许多多不必要增加的难题。

为此,我们不采用该种方案,进而提出了第二种设想。

方案二:采用单片机作为整个系统的核心,用其控制行进中的小车,以实现其既定的性能指标。

充分分析我们的系统,其关键在于实现小车的自动控制,而在这一点上,单片机就显现出来它的优势——控制简单、方便、快捷。

这样一来,单片机就可以充分发挥其资源丰富、有较为强大的控制功能及可位寻址操作功能、价格低廉等优点。

因此,这种方案是一种较为理想的方案。

针对本设计特点——多开关量输入的复杂程序控制系统,需要擅长处理多开关量的标准单片机,而不能用精简I/O口和程序存储器的小体积单片机,D/A、A/D功能也不必选用。

根据这些分析,我选定了P89C52RA单片机作为本设计的主控装置,51单片机具有功能强大的位操作指令,I/O口均可按位寻址,程序空间多达8K,对于本设计也绰绰有余,更可贵的是51单片机价格非常低廉。

在综合考虑了传感器、两部电机的驱动等诸多因素后,我们决定采用一片单片机,充分利用STC89C52单片机的资源。

下图是单片机最小系统的原理图。

单片机最小系统原理图2.2 电机驱动模块方案一:采用继电器对电动机的开或关进行控制,通过开关的切换对小车的速度进行调整.此方案的优点是电路较为简单,缺点是继电器的响应时间慢,易损坏,寿命较短,可靠性不高。

方案二:采用电阻网络或数字电位器调节电动机的分压,从而达到分压的目的。

但电阻网络只能实现有级调速,而数字电阻的元器件价格比较昂贵。

更主要的问题在于一般的电动机电阻很小,但电流很大,分压不仅回降低效率,而且实现很困难。

方案三:采用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。

线性型驱动的电路结构和原理简单,加速能力强,采用由达林顿管组成的 H型桥式电路。

用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态下,精确调整电动机转速。

这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下,效率非常高,H型桥式电路保证了简单的实现转速和方向的控制,电子管的开关速度很快,稳定性也极强,是一种广泛采用的 PWM调速技术。

现市面上有很多此种芯片,我选用了L298N(这种调速方式有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大,能承受频繁的负载冲击,还可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转等优点。

因此决定采用使用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。

下图是本设计所采用的L298N 驱动电路原理图:电机驱动原理图2.3 避障模块(1)传感器的比较识别障碍的首要问题是传感器的选择,下面对几种传感器的优缺点进行说明(见表3.1)。

探测障碍的最简单的方法是使用超声波传感器,它是利用向目标发射超声波脉冲,计算其往返时间来判定距离的。

该方法被广泛应用于移动机器人的研究上。

其优点是价格便宜,易于使用,且在10m以内能给出精确的测量。

不过在ITS系统中除了上文提出的场景限制外,还有以下问题。

首先因其只能在10m以内有效使用,所以并不适合ITS系统。

另外超声波传感器的工作原理基于声,即使可以使之测达100m远,但其更新频率为2Hz,而且还有可能在传输中受到它信号的干扰,所以在CW/ICC系统中使用是不实际的。

传感器性能比较传感器类型优点缺点超声波视觉激光雷达MMW雷达价格合理,夜间不受影响。

易于多目标测量和分类,分辨率好。

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