液位流量前馈反馈控制设计与调试开题报告.doc

枣 庄 学 院本科生毕业设计（论文）开题报告题目： 液位流量前馈反馈控制设计与调试 姓名： 胡向东 学号： 201215120111 年级： 2012 专业： 机械设计制造及其自动化 指导教师：姓名 杨中国 职称 讲 师 学科 机械设计制造及其自动化 枣庄学院教务处制2015年3月15日一、选题依据（拟开展研究项目的研究目的、意义）研究目的：通过智能小车控制系统的设计与实现，我们可以知道智能小车机器人的设计涉及到传感技术，电路设计，程序设计，控制理论等多方面的知识学科，是一项综合设计。智能控制技术是当代十分活跃的研究，更是一门跨学科的综合性技术，应用的领域也是日益广泛。通过此次设计可以开拓我们眼界，熟悉以单片机为核心控制芯片，了解各种传感器的选择应用原则等等，加深对控制理论的理解和认识，使我们能把理论与实际有机的结合，加深我们对未来科技发展潮流的认知与把握，为我们在“新常态”下的社会中更好的工作积累经验与智慧。研究的意义：本课题所设计的智能小车机器人，方案中的理论设计、分析方法及特色创新等可以为智能运输机器人、残疾人智能轮椅系统、家庭智能清洁机器人等的设计提供一定的参考意义。同时这种智能小车机器人还可以作为玩具进行开发改进，提高中国玩具市场技术的含量，实现经济收益，形成商业价值。并且随着计算机，微电子技术的迅猛发展，智能化控制系统技术日益成熟，机器人技术的发展日新月异，其应用于考古，探测，国防等众多领域。一些发达国家更是把机器人设计制作竞赛作为创新教育的战略手段，从某种意义上来说，机器人技术高低衡量的是一个国家综合科技实力的高低。而智能小车机器人作为机器人家族的一员，它的控制系统的研究与制作将有助于推动智能机器人控制系统的发展。而在中国近几年的全国电子竞赛与各省电子竞赛几乎每次都有智能小车机器人方面的题目，智能小车机器人的开发与研究可以提升我国的科技实力与综合国力，方便人的日常生产生活，提高学生的创造实践能力，故其具有较大的研究意义。二、文献综述内容（在充分收集研究主题相关资料的基础上，分析国内外研究现状，提出问题，找到研究主题的切入点，附主要参考文献）1、国内外智能车辆研究现状的分析：（一）、国外智能车辆的研究历史较长，始于上世纪50年代。它的发展历程大体可以分成三个阶段：第一阶段：20世纪50年代是智能车辆研究的初始阶段。1954年美国Barrett Electronics 公司研究开发了世界上第一台自主引导车系统AGVS（Automated Guided Vehicle System）。该系统只是一个运行在固定线路上的拖车式运货平台，但它却具有了智能车辆最基本的特征即无人驾驶。早期研制AGVS的目的是为了提高仓库运输的自动化水平，应用领域仅局限于仓库内的物品运输。随着计算机的应用和传感技术的发展，智能车辆的研究不断得到新的发展。第二阶段：从80年代中后期开始，世界主要发达国家对智能车辆开展了显有成效的研究。在欧洲，1986年开始了普罗米修斯项目进行这个领域的探索。在美洲，美国于1995年成立了国家自动高速公路系统联盟（NAHSC），其目标之一就是探究研究发展智能车辆的可能性，并促进智能车辆技术进入实用化。在亚洲，日本于1996年成立了高速公路先进巡航/辅助驾驶研究会，主要目的是研究自动车辆导航的方法，促进日本智能车辆技术的整体进步。进入80年代中期，设计和制造智能车辆的浪潮席卷全世界，一大批世界著名的公司开始研制智能车辆平台。第三阶段：从90年代开始，智能车辆进入了深入、系统、大规模研究阶段。最为突出的是，美国卡内基梅隆大学（Carnegie Mellon University）机器人研究所一共完成了Navlab系列的10台自主车（Navlab1Navlab10）的研究，取得了显著的成就1。目前，智能车辆的发展正处于第三阶段。这一阶段的研究成果代表了当前国外智能车辆的主要发展方向。在世界科学界和工业设计界中，众多的研究机构研发的智能车辆具有代表性的有：德意志联邦大学的研究：1985年，第一辆VAMORS智能原型车辆在户外高速公路上以100km/h的速度进行了测试，它使用了机器视觉来保证横向和纵向的车辆控制。1988年，在都灵的PROMRTHEUS项目第一次委员会会议上，智能车辆维塔进行了展示，该车可以自动停车、行进，并可以向后方车辆传送相关驾驶信息。这两种车辆都配备了UBM视觉系统，这是一个双目视觉系统，具有极高的稳定性2。 荷兰鹿特丹港口的研究：智能车辆的研究主要体现在工厂货物的运输，荷兰的Combi road系统，采用无人驾驶的车辆来往返运输货物，它行驶的路面上采用了磁性导航参照物，并利用一个光阵列传感器去探测障碍。荷兰南部目前正在讨论工业上利用这种系统的问题，政府正考虑已有的高速公路新建一条专用的车道，采用这种系统将货物从鹿特丹运往各地3。日本大阪大学的研究：大阪大学的Shirai实验室所研制的智能小车，采用了航位推测系统（Dead Reckoning System），分别利用旋转编码器和电位计来获取智能小车的转向角，从而完成了智能小车的定位4。（二）、相比于国外，我国开展智能车辆技术方面的研究起步较晚，开始于20世纪80年代。而且大多数研究处在于针对某个单项技术研究的阶段。虽然我国在智能车辆技术方面的研究总体上落后于发达国家，并且存在一定得技术差距，但是我们也取得了一系列的成果5。中国第一汽车集团公司和国防科技大学机电工程与自动化学院于2003年研制成功我国第一辆自主驾驶轿车，该自主驾驶轿车在正常交通情况下的高速公路上，行驶的最高稳定速度为13km/h，最高峰值速度达170km/h，并且具有超车功能，其总体技术性能和指标已经达到世界先进水平6。南京理工大学、北京理工大学、浙江大学、国防科技大学、清华大学等多所院校联合研制了军用室外自主车，该车装有彩色摄像机、激光雷达、陀螺惯导定位等传感器。其体系结构以水平式结构为主，采用传统的“感知建模规划执行”算法，其直线跟踪速度达到20km/h，避障速度达到5-10km/h7。智能小车研究也是智能交通系统ITS的关键技术，目前，国内的许多高校和科研院所都在进行ITS关键技术、设备的研究。随着ITS研究的兴起，我国已形成一支ITS技术研究开发的技术专业队伍。并且各交通、汽车企业越来越加大了对ITS及智能车辆技术研发的投入，整个社会的关注程度在不断提高。交通部已将ITS研究列入“十五”科技发展计划和2010年长期规划。相信经过相关领域的共同努力，我国ITS及智能车辆的技术水平一定会得到很大提高8。随着我国飞速发展的经济实力，智能车辆的研究开发应用将会进入一个更加广阔的前景。我们要结合中国国情，对智能小车进行一方面或某些方面的深入细致研究，为它今后的发展及实际应用打下坚实的基础9。2、提出问题：谈到智能小车机器人的发展与科研，我们就不得不考虑其经济效益和可实现程度，了解一下其基本组成和其核心元件。一般智能小车机器人由传感器检测部分、执行部分、控制系统三大部分组成，其中控制系统和传感元件是小车机器人的灵魂，而控制系统中的核心控制元件是单片机，传感器检测部分的核心元件是各类传感器10，因此我们还要了解一下单片机的发展史及特点和传感器的分类选用原则，为下一步工作做好铺垫。单片机（Micro Controller Unit）就是把组成微型计算机的各功能部件：CPU、RAM、ROM、定时/计数器、中断控制器、并行和串行接口均集成在一个芯片中。其一个芯片就构成了一个比较完整的计算机系统。由于单片机的特点为体积小、价格低，适合于仪器、设备的控制，常常嵌入到仪器、设备中，故单片机也称作微控制器（Microcontroller）。目前世界上单片机的生产公司有上百家，如Intel、Philips、Microchip、Motorola、Siemens、NEC、AMD、Zilog、TI、Atmel等。但在国内广泛应用的只有Intel 系列和Microchip PIC系列11。单片机发展至今已有30余年，其发展史大致分为四个阶段：第1阶段（19761980）：单片机发展初级阶段。集成了8位CPU、RAM、ROM、定时器、并行口（无串行口）等部件，但性能低，寻址范围小（4KB），中断系统、定时器也简单。典型机型：Intel MCS-48系列。第2阶段（19801983）：高性能单片机阶段。此阶段的单片机普遍带有串行口，有多级中断处理系统，多个16位定时/计数器，片内ROM、RAM的容量加大，寻址范围达64KB。典型机型：Intel MCS-51系列。第3阶段（198380年代末）：16位单片机和高性能8位机并行发展阶段。此阶段Intel推出16位单片机MCS-96系列，其他公司也推出了各种16位单片机。同时高性能8位单片机的性能更为完善。第4阶段（90年代）：单片机在集成度、功能、速度、可靠性等方面全面发展，如采用Flash ROM，加入了一些特殊功能部件（AD转换器，PWM输出，监视定时器WDT，DMA，调制解调器，通信控制器，浮点运算单元等）12。单片机由于体积小，价格低，功耗低、控制功能强且控制逻辑可由软件来实现，因此可以很方便地完成由一般数字电路很难实现的控制逻辑。所以在测控系统、智能仪表、机电一体化产品、智能接口、智能民用产品、机器人等领域得以广泛应用。而为了适应各种嵌入式系统的应用需求，单片机正向着高集成度、增强工能，提高速度、降低成本和功耗等方向发展，并且由于近年来，单片机结合专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit, ASIC）和精简指令集计算机（Reduced Instruction Set Computer, RISC）技术，发展成为了嵌入式处理器（Embedded Processor），更加适用于数据与数值分析、信号处理、智能机器人及图像处理等高技术领域13。传感器是以一定的精度和规律把被测量转换为与之有确定关系的、便于应用的某种物理量的测量装置,已经成为20世纪90年代的关键技术之一。其由基本的三部分组成：（1）、敏感元件：直接感受被测量,输出与被测量成确定关系的某一物理量。（2）、转换元件：敏感元件的输出就是转换元件的输入,它把输入转换成电路参量。（3）、转换电路：把转换元件的电路参量转换为便于处理、显示、记录或控制的有用的电信号。常用传感器的分类:(1)、按被测量分类：位移、速度、加速度、力、温度。(2)、按传感器工作原理分类： 机械、电器、光学、流体式。(3)、按信号变换特征分类：物性型、结构型。(4)、根据敏感元件与被测对象之间的能量关系分类： 能量转换（无源传感器）、能量控制型（有源传感器）。(5)、按输出信号分类：模拟式、数字式。我们在选用传感器时应该考虑到传感器的灵敏度、响应特性、线性范围、可靠性、精确度、测量方法、整体结构、体积大小、质量轻重、价格与维护等等，只有这样我们才能做好产品，获得效益14。3、研究主题的切入点：随着微型计算机技术、微电子技术、集成模块技术等等的发展，智能小车机器人的研究亦日新月异。由于近几年起源于韩国的“飞思卡尔杯”智能车大赛在中国大陆的风靡推动，以智能小车机器人的各种功能为课题的探究更是五花八门15。本课题立足于智能小车机器人的循迹功能，实现智能小车在弯曲不平的道路上自主循迹运行，不偏离道路。完成智能小车机器人的硬件设计、软件及智能控制算法的设计。通过市场调查，我们用MCS-51系列单片机作为控制系统的核心，用主动式红外探测器作为小车机器人的传感检测部分。因为单片机比PLC便宜且能满足开发需求，红外传感器因其发射功率大、抗干扰能力强更是在工业生产中有着广泛的应用。我们利因其自带红外光源，通过对光源的遮挡、反射、折射等光学手段完成对被探测物体位置的判别。采用交流耦合方式解决了放大器的直流漂移问题从而提高检测的距离，同时由于环境光产生的干扰多数情况是信号的直流或低频分量可以由滤波器加以隔绝，把经过单片机处理的信号发送给小车执行部分，来满足设计要求16。参考文献：1 Oppenhein AV, Schafer 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