科研项目申请书(2019版-).doc

编号： 2018年度学生科研基金项目申请书1 理工医（含体育）类重点项目2 理工医（含体育）类一般项目3 人文社会科学和艺术科学类重点项目4 人文社会科学和艺术科学类一般项目5. 小发明和创意设计类重点项目6. 小发明和创意设计类一般项目 项 目 类 别: 理工医（含体育）类重点项目 项 目 名 称: 智能巡线车运动控制系统的研究与制作 起 止 时 间： 2018.122019.10 成 果 形 式： 研究成品与结题论文 负 责 人： 分院、 专业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 联 系 电 话： 指 导 教 师： 申 请 日 期： 2018.12.18 填 表 说 明一、 本表请打印填报。填报申请书前，请先查阅学院有关学生科研的管理制度及年度项目申请通知中的有关规定。二、 表中各栏空格不够，请自行加页。三、申请书编号申请者不需要填写。请报送至科研与社会合作部 项 目 组 成 员 基 本 情 况姓名分院、专业年级班级电子邮箱联系电话负责人 参加人 指导教师 审 批 情 况指导教师意见签名年 月 日评审委员会意见评审组长签字： 年 月 日学院意见负责人签名（盖章）年 月 日一、本研究的立项依据和目标：1、研究意义和应用价值及前景。2、研究内容、研究目标和拟解决的关键问题。3、特色和创新之处。 1.1 此课题应用前景目前，国内外的许多大学及研究机构都在积极投入人力、财力研制开发针对特殊条件下的安全监测系统。其中包括研究使用远程、无人的方法来进行实现，如机器人、远程监控等。无线传输的发展使得测量变得相对简单而且使得处理数据的速度变得很快甚至可以达到实时处理。而机器人需要大脑啊，通过对单片机编程就可以变成机器人的大脑了，单片机就是一台微型计算机，它内部集成了处理器，存储区，闪存等集成芯片。你编写程序让计算机向左或者向右走，所以单片机在机器人中就负责协调及控制机器人的行为。本次研究的智能巡线车控制系统就是单片机的一种，是作为机器人的最基础的运动系统。单片机的应用领域越来越广泛，无论是在生活，生产上，单片机无处不在。ATMEL公司的AT89S51单片机可以广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器等各个领域。AT89S51可以说是单片机领域的主流产品 ，其应用如此广泛，所以有必要去学习和应用该单片机，以满足实际产品开发的需要，也是适应社会智能化、自动化的趋势。随着工业电子自动化的不断发展,工业机器人被广泛应用于工业生产的各个部门,如采掘、喷涂、焊接、医疗等各大领域。由于工业机器人的出现,它不断替代了人们的繁重劳动,大大提高了劳动生产率,减轻了人们的劳动强度,此外,它能在高温、低温、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染环境条件下进行操作,日益体现出它的优越性，而此次研究的巡线车是模拟一些移动机器人的运动模式，也可以应用在一些物流机器人上，物流机器人技术可以有效地提高物流效率和质量,而且对保障人身安全、改善劳动环境、减轻劳动强度、提高劳动生产率、节约材料消耗以及降低生产成本都具有十分重要的意义。近年来,机器人技术在物流业中的应用优势慢慢体现了出来,一些国内外企业由于在物流作业中应用机器人技术,不仅使企业的经营规模增大,更重要的是抢先一步,走在了现代物流行列的前列,引领了物流业未来发展的趋势。物流机器人技术不仅在包装和装卸搬运中得到广泛应用,随着机器人技术的不断进步和各种智能机器人的不断涌现,运输配送、流通加工、仓储和信息处理等物流作业环节中机器人也必将得到广泛应用。可以预见,随着机器人技术的不断进步和物流市场竞争的不断加剧,机器人技术在物流业中的应用范围和规模必将逐步扩大,机器人将更好、更高效地服务于物流业,从而促进现代物流业的快速发展。最后再引用2007 年比尔.盖茨在环球科学中亲笔撰写了机器人将彻底改变人类的生活方式一文,再次向世界预言:机器人将与30 年前的个人电脑一样迈入家家户户,彻底改变人类的生活方式。机器人产业将主导未来人们生活。1.2 此课题的由来我从高中就喜欢单片机机器人这一类项目，并且在高二也参与了机器人的制作，编程，搭建等方面，对于这个课题也是有一些经验，因为当时大多数操作老师参与的较多并没有实现某种意义上的自主完成比赛，所以在大学想继续深刻研究下去，实现更为复杂的操作以及技术，并从实践中灵活应用机电等相关学科的理论知识，联系实际电路设计的具体实现方法，达到理论与实践的统一，并从中找到快乐。1.3研究意义人们在对月球和太阳系其他行星的探测和对太阳系以外的宇宙进行考察时，对数千米以下的海底的研究目前单靠人力是无法完成。自动控制系统正在代替人们完成这些任务。在战场上的军事活动中，在恶劣环境条件下的生产劳动中，凡不宜由人直接承担的任务，均可由自动控制系统代替，如智能小车可以适应不同环境，不受温度、湿度等条件的影响，完成危险地段、人类无法介入等特殊情况下的任务。高科技自动控制系统及装置已日益成为现代社会活动中离不开的自动智能设备。而智能巡线车则是智能小车的一种。本课题所设计的智能巡线车能沿着黑线自动行驶，既具有操作机(机械本体)、控制器、直流电机驱动器和检测传感装置，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成灵活运动的自动化电子生产设备。智能巡线车系统以迅猛发展的汽车电子技术为背景，涵盖了电子，计算机，机械，传感技术等多个学科。同时，当今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。无人飞船，外星探测，智能化生产等等无不得益于机器人技术的发展。一些发达国家已经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，机器人技术反映的是一个国家综合技术实力的高低，而智能巡线车是机器人的雏形，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。随着智能化技术的发展，对于智能化技术的研究也越来越受关注。全国电子竞赛与各省电子竞赛几乎每次都有智能巡线车方面的题目，全国各大高校也都重视该项目的研究，可见智能巡线车具有较大的研究意义。智能巡线车作为智能物流的关键技术，是一个集环境感知、规划决策、多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统，它集中运用了计算机、现代传感、信息融合、通信、人工智能及自动控制等技术，是典型的高新技术综合体。然而，智能物流小车系统是一个极为复杂的系统，如何利用相关的高新技术实现智能交通系统的效用，正处于不断发展与完善中。因此，利用各种先进实验交通技术构建研究平台是非常必要的。 巡线车可以分为三大组成部分：传感器检测部分、执行部分、处理器。巡线车可以实现自动识别路线，自动校正前进状态，选择正确的行进路线，最后到达指定位置。通过构建智能小车系统，培养设计并实现自动控制系统的能力。在实践过程中，熟悉以单片机为核心控制芯片，设计小车的检测、驱动和显示等外围电路，采用智能控制算法实现小车的智能循迹。灵活应用机电等相关学科的理论知识，联系实际电路设计的具体实现方法，达到理论与实践的统一。在此过程中，可以加深我们对控制理论的理解和认识，可以通过自己的动手排除故障，更加可以给我们一个实践操作的空间，加强我们的动手能力和思维能力。2.1 研究内容（1）路面黑线探测模块：探测路面黑线的大致原理是：光线照射到路面并反射，由于黑线和白纸的反射系数不同，可根据接收到的反射光强弱来判断是否到达黑线。方案一：可见光发光二极管与光敏二极管组成发射接收电路。这种方案的缺点在于其他环境光源会对光敏二极管产生很大干扰，一旦外界光亮条件改变，很可能造成误判和漏判；虽然采用超高亮发光二极管可以降低一定的干扰，但又将增加额外的功耗。方案二：不调制的反射式红外发射-接收器电路。由于采用红外管代替普通可见光管，可以降低环境光源干扰但如果直接用直流电压对管子供电，限于管子的平均功率要求，工作电流在10mA左右，仍然容易受到干扰。在具体的电路设计中，如采用电压比较整形方法则可以解决干扰问题。方案三：脉冲调制式的反射式红外发射接收器。考虑到环境光源干扰主要是直流分量，如果采用带有交流分量的调制信号，可以大幅度减小外界干扰；但如果采用占空比小的调制信号，瞬间电流可以很大（50-100mA），可以提高信噪比。基于以上综合考虑，拟采用方案二。（2）电机驱动调速模块方案一：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关切换对小车实现速度调整这个方案的优点是电路较为简单，缺点是响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。方案二：采用电阻网络或电位器调整电动机分压，从而达到目的。但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电位器（如9317、8547、X9511）世面有售不多，常造成本地采购困难等情况。更主要的问题在于一般电动机的电阻小，但电流很大，分压不仅会降低效率，而且实现很困难。方案三：采用达林顿管组成H型PWM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，精确调整电动机转速。这种电路工作在饱和截止两种状态下，效率较高，是一种广泛采用的技术。方案四：采用小型直流电机驱动芯片L298，在6-64V电压下，可以提供2安培的额定电流。拥有过热保护和电流反馈检测功能。通过以上理论分析和性价比与电路稳定性分析，我们选择方案四。（3）电源模块选择：方案一：所有器件采用单一电源（6节AA电池）。这样电路简单；但是由于电动机瞬间启动电流很大，而且PWM驱动电机产生的波动也很大，会造成电压不稳、有毛刺干扰，严重时引起单片机掉电，后果严重。方案二：采用双电源供电。将电动机驱动电源驱动电源与单片机以及周边电源完全隔离。这样做虽然不如单电源灵活方便，但可以将电动机驱动干扰彻底消除，提高系统的稳定性。我们认为本设计的稳定可靠性更为重要，故拟采用方案二。（4.）测速模块 产用霍尔传感器检测小车行进过程中磁场变化，单片机在单位时间内计算输入脉冲个数在转换成车速。（5.）测距模块利用超声波连续发出10us以上的高电平,就可以在接口有高电频输出,等待接受到返回的高电频信号时,通过定时器电波对被控对象进行时间检测。就可以计算相应的时间了。 （6.）系统语言 将采用Arduino语言编程。2.2 研究目标1、熟悉51单片机集成开发环境，提高程序的编写能力；2、熟练应用所选用单片机的内部结构、资源，以及软硬件调试设备的基本方法；3、自行构建基于单片机的最小系统，完成相关硬件电路的设计实现；4、掌握软件和硬件调试的基本方法；5、了解电机、路面检测的原理和实现方法；6、掌握单片机系统外扩器件的连接与使用；7、实现小车的前进倒退、转向行驶，自动根据地面黑线寻迹导航，实现智能控制。2.3 拟解决关键问题 巡线车系统以单片机为核心， 为了使巡线车车能够快速行驶，处理器必须把路径的迅速判断、相应的转向电机控制以及直流驱动电机的控制精密地结合在一起。如果传感器部分的数据没有正确地采集和识别，转向电机控制的失当，都会造成模型车严重抖动甚至偏离赛道；如果直流电机的驱动控制效果不好，也会造成直线路段速度上不去，弯曲路段入弯速度过快等问题。为此我们也提供了相关的解决方案：1、通过有效算法让巡线车能够实现自主判断识别路径；2、通过协调处理相关传感器数据实现巡线车自动校正运动路线功能；3、通过调试与算法的改进减少巡线车的失误次数；4、通过不断改进机械结构实现巡线车用短距离转更大角度数；5、通过研究与改进算法实现巡线车在出错情况下自动寻找路径的功能；6、通过增加车身重量或利用机械结构减少车辆行驶中的抖动现象；二、研究方法和技术路线：1、前期准备;2、拟采取的研究（实验）方法、步骤、技术路线；3、研究工作的进度安排及预期结果。1.1 前期准备实验课题开始之前，需要初步了解和研究该课程设计所用到的元器件及功能介绍，收集一些课程设计所用到的资料，复习单片机的相关知识，查阅与所需硬件相关的电路设计。然后购买一些必须的零件和器材，构思拟定研究课题计划书，以及完成一些和课题有关的准备工作。1、收集该课程设计所用到的资料及文献2、初步了解和研究该课程设计所用到的元器件及功能介绍3、元器件的组装与焊接4、查看并调试焊接好的电路板5、编写主程序6、载入程序7、进行试验及查看2.1 拟采取的研究（实验）方法、步骤模拟任务（如下图所示）： 假设某大型工厂要完成自动化装配货物任务，货物在B、H区域（B区三个，H区两个），通过巡线车巡黑线进行完成装配任务。巡线车由右下角黑色区域出发，在B、H区域装上货物后运送至M、V、R、O、N区域（目标区域之间不能互相联通，即不存在MNORV路线），由于巡线车装载能力有限，所以一次只能装载一个货物并且最后返回起始点等待下一次任务，由此往复循环，直至此大型工厂自动化装配货物任务全部完成。我们初步拟定的装配路线是： 起始点ABACILMLICABACILWUVUWLICABACILWUTSRSQPKEFHFEKPOPKEFHFEDJNJDCA起始点3.1研究工作的进度安排 1、2019年1月2019年2月，查找并搜集有关该课程设计的资料，完成开题报告。 2、2019年2月2019年3月，通过查找到的资料，对单片机进行学习和研究，掌握其工作原理 3、2019年3月2019年5月，学习并掌握单片机编程，在模拟器上进行调试及相关的实验。 4、2019年5月2019年7月，在实验室进行组装并焊接电路板小车主体框架，然后运行编写完的语言，进行实物调试。 5、201