基于电磁寻迹的智能竞速小车系统设计x

长春工业大学本科毕业设计（论文）I摘 要AGV是自动导引运输车（Automated Guided Vehicle）的英文缩写。是指装备有电磁或光学等自动导引装置，能够沿规定的导引路径行驶，具有安全保护以及各种移载功能的运输车，AGV 属于轮式移动机器人（WMRWheeled Mobile Robot）的范畴。 智能寻迹基于自动引导机器人系统，可以实现小车自动识别路线。智能寻迹小车运用传感器、单片机、电机驱动及自动控制等技术实现，管理时自动寻迹导航。该技术已经应用于无人驾驶机动车、无人工厂、仓库、服务机器人等多种领域。本文给出了基于电磁寻迹的智能竞速小车控制方法。该设计采用 AT89S51单片机作为小车的控制核心，以电磁传感器作为小车的寻迹模块识别地面铺设通有交变电流的引导线，通过采集信号并将信号转换为单片机可识别的数字信号，利用驱动芯片 L298N构成双 H桥控制直流电机，实现寻迹功能，仿真结果表明本设计的电路结构简单，容易实现，可靠性高。关键词：单片机最小系统；驱动电路；自动寻迹长春工业大学本科毕业设计（论文）IIThe Design of Intelligent Car System Based on Electromagnetic Tracing RacingAbstractAGV is the abbreviation for Guided Vehicle (Automated). Is equipped with electromagnetic or optical homing devices to along the provisions of the guidance route, with safety protection and loading function of transport vehicle, AGV belongs to the category of the wheeled mobile robot (WMR - wheeled mobile robot.Automatic tracing is used to make the car indentify route automatically, and choosing the right route, based on the automatic guide robot system. Intelligent tracing electric trolley is an advanced technology to realize automatic tracing navigation. It is out of human management but under the designed mode that use of the use of a transducer, single chip, motor drive and automatic control. This technology has been applied in unmanned vehicle, unmanned factory, warehouse, service robot and many other fields.This paper discusses the intelligent tracing electric trolley control process. During the design of Intelligent tracing electric trolley, AT89S51 single clip is used as the control core; at the same time electromagnetic sensors as the car tracing module to identify the ground laid of alternating current on guide line, which used as the car tracing module, it can gather the signal and transfer it into digital signal that can be recognized by single chip. And the driver chip L298N constitute the double H bridge constitute of driving chip L298N can control direct current motor. Among which the software system is using C program. In a nutshell, the design of the circuit has the advantages of simple structure, easy implementation, and high reliability.Key words: single chip microcomputer; driving circuit; automatic tracing; 长春工业大学本科毕业设计（论文）III目 录第一章 绪论 -11.1智能寻迹竞速小车概述 -11.1.1发展历程 -11.1.2寻迹分类 -21.1.3应用领域 -21.2本章小结 -4第二章 智能寻迹竞速小车总体设计方案 -52.1整体设计方案 -52.1.1设计方案 -52.1.2系统组成 -52.2方案论证 -62.2.1控制器选择 -62.2.2驱动器选择 -62.3本章小结 -7第三章 智能寻迹竞速小车系统硬件设计 -83.1单片机最小系统模块 -83.2电机模块 -123.3舵机模块 -163.4电磁检测模块 -173.5数码显示模块 -183.6本章小结 -19第四章 智能寻迹竞速小车系统软件设计 -204.1软件设计流程 -204.2编译器的选择 -204.3本章小结 -22第五章 智能寻迹竞速小车系统调试 -235.1硬件调试 -235.2软件调试 -235.3本章小结 -24总 结 -25致 谢 -26长春工业大学本科毕业设计（论文）IV参考文献 -27附录 1 系统硬件原理图 -30附录 2程序清单 -31附录 3系统实物图 -39长春工业大学本科毕业设计（论文）0第 1 章 绪论1.1智能寻迹竞速小车概述智能寻迹小车又被称为 Automated Guided Vehicle，简称 AGV，是二十世纪五十年代研发出来的新型智能搬运机器人 1。智能寻迹小车是指装备如电磁，光学或其他自动引导装置，可以沿设定的引导路径行驶，安全的运输车 2。工业应用中采用充电蓄电池为主要的动力来源，可通过电脑程序来控制其选择运动轨迹以及其它动作，也可把电磁轨道黏贴在地板上来确定其行进路线，无人搬运车通过电磁轨道所带来的讯息进行移动与动作，无需驾驶员操作，将货物或物料自动从起始点运送到目的地 3。AGV 的另一个特点是高度自动化和高智能化，可以根据仓储货位要求、生产工艺流程等改变而灵活改变行驶路径，而且改变运行路径的费用与传统的输送带和传送线相比非常低廉 4。智能寻迹小车一般配有装卸机构，可与其他物流设备自动接口，实现货物装卸与搬运的全自动化过程。此外，它依靠蓄电池提供动力，还有清洁生产、运行过程中无噪音、无污染的特点，可用在工作环境清洁的地方 5。1.1.1发展历程随着社会的不断发展，科技水平的不断提高，人们希望创造出一种代替人做一些非常危险或要求精度很高的其他事情的工具，于是就诞生了机器人这门学科 6。世界上第一台机器人诞生于 1959 年，迄今为止已经有 50 多年的历史，同时机器人技术也取得了飞速的发展和进步，现在已发展成一门包含：机械、电子、计算机、自动控制、信号处理，传感器等多种类学科为一体的高端、精确、尖端技术 7。智能寻迹竞速小车共经历了三代技术创新变革：第一代是可编程的示教再现型，不装在任何传感器，只采用简单的开关控制，通过编程来设置小车的路径与运动参数，在工作过程中，不能根据环境的变化而改变自身的运动轨迹。第二代是支持离线编程且具有一定感知和适应环境能力型的，这类小车具有简单的传感器，可以感觉到自身的运动位置，速度等其他物理量，电路是一个闭环反馈的控制系统，能适应一定的外部环境变化。第三代是智能的，目前在研究和发展阶段，以多种外部传感器构成感官系长春工业大学本科毕业设计（论文）1统，通过采集外部的环境信息，精确的描述外部环境的变化。智能小车能独立完成任务，有其自身的知识基础，多信息处理系统，在结构化和半结构化的工作环境中，根据环境变化做出决策，有一定的适应能力，自我学习能力和自我组织能力。为了让寻迹小车能独立工作，一方面应具有较高的智慧和更广泛的应用，研究各种新机传感器，另一方面，也掌握多个多类传感器信息融合的技术，这样寻迹小车可以更准确，更全面的获得所处环境的信息 8。1.1.2寻迹分类（1）电磁感应式电磁感应式引导一般在地面上，沿预定路径埋电线，当高频电流通过导线，电线周围产生电磁场流动，寻迹小车上安装两个对称的电磁感应传感器，他们收到的电磁信号差异可以反映小车偏离导线的程度 9。智能小车的自动化控制系统基于偏差值以控制车辆的转向，连续的动态闭环控制设置能够保证智能寻迹小车对设定路径的稳定自动跟踪 10。在目前商业用途中，特别是大型和中型小车，绝大多数都采用电磁感应导航 11。（2）激光式激光式是安装有可旋转的激光扫描器的智能寻迹小车。激光式小车可安装在墙壁或有高反射激光定位标志的支柱上或者途径上运行，寻迹小车依靠激光扫描器发射激光束，然后接受四周定为标志反射回的激光束，车载计算机，计算出当前车辆的位置和运动方向，通过内置的数字地图和校准位置相比，以实现自动处理 12。目前，这种小车的应用比较广泛。基于同样的原理，如果激光扫描仪被红外线发射器或超声波发射取代，激光制导的智能寻迹小车可以转变为红外引导和超声引导 13。（3）视觉式视觉引导式是发展迅速和比较成熟的一种，这种小车配有 CCD 摄像机，传感器和车载电脑，在车载计算机设置有它欲行驶路径周围环境图像数库。在小车行驶过程中，相机得到的图像与图像数库进行比较，以确定当前位置和车辆周围的图像信息，并对驾驶下一步作出决定。这种小车不需要设置任何人工物理路径，所以在理论上具有灵活性，在计算机图像采集，存储和处理技术飞速发展的今天，它的实用性越来越强 14。1.1.3应用领域（1）制造业在制造业的生产中智能小车大显身手，它能快速，精确，灵活的完成材料的运送任务，是由多台智能小车组成的物流运输处理系统，与多人工搬运系统长春工业大学本科毕业设计（论文）2比较来说更灵活，运输路线可以根据生产过程及时调整，使一条生产线生产是十几个产品，大大提高了生产的灵活性，企业的竞争力。在 1974 年瑞典的沃尔沃卡尔玛的汽车组装厂，提高了运输系统的灵活性，使用以智能小车为载运工具的装配线，使用后，减少了 20%的装配时间、减少了 29%的组装错误，减少了 57%投资资金回收时间以及减少了 5%的员工费用。目前，在汽车主要的生产厂家智能小车已被广泛运用。近年来，基于计算机的现代集成制造系统的基础搬运工具，智能小车已经深入到机械加工，家电制造，微电子制造，烟草等行业，生产业和加工业已成为智能小车使用最广泛的领域 15。（2）仓储业据调查美国南卡罗来纳州的公司是第一批把智能小车应用到仓库的，来实现出入库货物的自动处理。至今为止世界上已有更多的厂家把大型或是小型的智能车用在仓库中。中国的海尔集团在 2000 年就把九台智能小车投产到自己的仓库区，形成一个灵活的智能自动数据库处理系统，轻松的完成了每天至少 33500 的储存和装卸货物的任务 16。（3）邮局、图书馆、港口码头和机场在邮局，图书馆，码头和机场候机楼等人口密集的公共场所，存在着大量的物品的运送工作，充满不定性和动态性强的特点，搬运过程也很单一。智能车有着可并行工作、自动化、智能化和处理灵活的特点，可以很好地满足这些场合的的运输要求。83 年的瑞典某邮局，88 年的日本东京某邮局，90 年的上海邮政相继开始使用智能搬运小车等等 17。（4）烟草、医药、化工、食品对于处理一些需要在清洁、安全、无排放污染等其他特殊环境要求的产品生产，如烟草、制药、食品、化工等产品时应该考虑到智能车的应用。在全国许多的卷烟企业，如青岛颐中集团、玉溪红塔集团、红河卷烟厂、淮阴卷烟厂，应用激光引导式智能小车完成托盘货物的搬运工作 18。（5）危险场所和特种行业智能小车不仅在生活生产方面有绝对的优势，在军事方面也有以智能小车为基础的自动驾驶和检测功能的设备，可用于战场侦查和扫雷，英国军方正在开发侦察系统，它具有地雷探测、销毁和路线验证能力自动型侦察车。在钢铁厂，小车负责炉料运输，大大降低了工人们的劳动强度。在核电厂的核储存地点使用智能小车，以避免辐射的危险，并且它可在黑暗环境中，准确、可靠的运输物料 19。长春工业大学本科毕业设计（论文）31.2本章小结本章主要介绍了智能寻迹竞速小车的概念，它的特点以及小车的发展历程、寻迹分类、应用领域等。长春工业大学本科毕业设计（论文）4第 2 章 智能寻迹竞速小车总体设计方案2.1整体设计方案本设计是由 51 单片机 AT89S51 接收信号，通过计算占空比产生出对应的PWM 信号输出和控制信号输出两路信号，其中一路信号控制 L298 的使能和方向，另一路 PWM 波形送 L298 控制直流电机的速度。在直流电机中安装霍尔测速传感器，把速度信号传送到 AT89S51 并进行定时计数，计算出直流电机每分钟的转速，并送 LED 显示。2.1.1设计方案本设计是基于电磁传感器的寻迹智能车，我们在地面铺设通有交变电流的引导线就会在引导线周围产生交变电流的磁场，从而通过检测此磁场引导车辆行驶。电磁场作为引导智能小车的优点主要体现在磁场信号 具 有 很 好 强 的 环 境 适 应 能 力 ， 不 受 光 线 、 温 度 、 湿 度 等 环 境 因 素 的 影 响 。 鉴 于 电 磁 场是矢量场，具有方向性。对于不同的传感器和传感器的不同摆放方式，探测到的电磁场也是有所不同的。通过对道路传感器所采集的数据进行分析处理并以车模后轮码盘所采集的 数 据 ， 来 判 断 小 车 的 方 位 、 姿 态 、 速 度 等 ， 进 而 控 制 小 车 前 轮 舵 机 的 摆 角 和 后 轮驱动电机的速度，使小车在最短的时间内完成任务。我们使用单片机作为系统的控制核心，用它来进行信号采样、数据传输等动作，并产生 PWM 波控制舵机和电机 20。2.1.2系统组成图 2-1 智能寻迹竞速小车系统组成舵机模块数码显示模块电机驱动模块探测轨迹模块的等等电源模块单片机长春工业大学本科毕业设计（论文）52.2方案论证2.2.1控制器选择方案一：以 ATC89S51 单片机为核心的控制电路，利用模块化的设计方案，运用传感器检测电路，实现小车在行驶中自动寻迹、躲避障碍物的功能。并将寻迹过程中遇障次数等数据传至单片机进行处理，然后由单片机根据所检测数据实现对电动小车的智能化控制。 方案二：智能小车的控制系统是利用各类数字电路组成的。采用数字电路对外围探测轨迹信号，避障信号进行