只能跟随载重小车.doc

附表2：广东工业大学合生珠江大学生创新性实验项目申 报 书学院名称 信息工程学院 计划项目名称 智能跟随小车 计划项目编号 项目来源 （）自主立题 （）教师指导选题计划项目负责人 江衍强 填写日期 2011 年3月27日 广东工业大学制二一一年三月申请者的承诺与成果使用授权 本人自愿牵头申报合生珠江大学生创新实验项目建设项目。认可所填写的合生珠江高等学校大学生创新实验项目申报表（以下简称为申报书）为有约束力的协议，并承诺对所填写的申报书所涉及各项内容的真实性负责，保证没有知识产权争议。项目申请如获准立项,在专业建设过程中，接受学校或其授权（委托）单位、以及本人所在单位的管理，并对以下约定信守承诺： 1.遵守相关法律法规。遵守我国著作权法和专利法等相关法律法规；遵守我国政府签署加入的相关国际知识产权规定。2.遵循学术研究的基本规范，恪守学术道德，维护学术尊严。研究过程真实，不以任何方式抄袭、剽窃或侵吞他人学术成果，杜绝伪注、伪造、篡改文献和数据等学术不端行为；成果真实，不重复发表研究成果；维护社会公共利益，维护合生珠江大学生创新实验项目项目的声誉和公信力，不以项目名义牟取不当利益。3.遵守广东工业大学大学生创新实验项目有关管理规定以及广东工业大学财务规章制度。4.凡因项目内容、成果或研究过程引起的法律、学术、产权或经费使用问题引起的纠纷，责任由相应的项目承担人员承担。5.项目立项未获得资助或获得批准的资助经费低于申请的资助经费时，同意承担项目并按申报预期完成研究建设任务。6.同意广东工业大学或其授权（委托）单位有权基于公益需要公布、使用、宣传申报书内容及相关成果。项目主持人（签章）：_ 年 月 日填 写 须 知一、大学生创新性实验计划申报书请按顺序逐项填写，填写内容必须实事求是，表达明确严谨。空缺项要填“无”。二、格式要求：表格中的字体小四号仿宋体，1.5倍行距；需签字部分由相关人员以黑色钢笔或水笔签名，均用A4纸双面打印，于左侧装订成册。 三、申请参加大学生创新实验项目团队的人数含负责人在内不得超过5人。四、计划项目先由所在学院进行组织初审后，推荐上报的计划项目由学院分管领导在申报书上签署意见、签字并加盖公章后，一式两份（均为原件），报送学校教务处。五、计划项目编号暂留空，待学校统一编号后填写。六、申报过程有不明事宜，请与教务处联系和咨询。计划项目名称智能跟随小车理工科( )文科( )计划项目负责人姓名江衍强性别男民族汉出生年月1989/03学院及专业信息工程学院应用电子技术所在年级1班手机号系电话638817-计划项目组成员姓名性别出生年月学院/系别专业年级签字邹心慧女信息工程学院应用电子技术1班洪超宇男信息工程学院应用电子技术1班余锦泽男信息工程学院应用电子技术1班马俊荣男信息工程学院应用电子技术1班指导教师情况姓名性别民族出生年月专业/职称/职务手机号码联系电话/传真E-mail一、前期基础（1000字以内）（研究成员的知识条件，研究兴趣，相关经历及开展本项目的基础）研究成员知识条件：研究者均是广东工业大学信息工程学院应用电子技术二年级学生，具备良好的电工电子技术知识及模电数电知识，我们研究小组在组织、项目研究和具体实施等一定基础，团队成员积极热情，认真负责，对学术研究有浓厚的兴趣，也参加过一些学校的各种技能竞赛，积累了许多的实践经验，在本项目中做了一定的前期基础研究。本项目课题的研究在我们参加此次项目之前已有不少想法，因此我们的项目课题相对成熟。我们不仅对此充满浓厚的兴趣，且研究课题与我们所学专业知识密切相关。这正是我们项目研究所需要的东西。主要成员如下：江衍强：信息工程学院团委实践部副部长，曾参加“广东工业大学实验技能竞赛”，自学单片机、C语言，对电子设计有浓厚的兴趣爱好。洪超宇：曾参加“广东工业大学实验技能竞赛”，自学单片机、C语言、PROTEL，对电子设计有浓厚的兴趣爱好。马俊荣：余锦泽：邹心慧：自学单片机、C语言、PROTEL，对电子设计有浓厚的兴趣爱好。二、计划项目实施思路（3000字以内）1研究意义与目的，同类研究工作国内外研究现状与存在的问题等本项目研究意义：目前，设计出具有智能化的产品已经成为商家开发产品的目标之一，也是学生课外科技活动的热点之一；其中，专门针对具有自主巡线功能的智能小车的设计更是数不胜数.但大多数智能巡线小车只是完成了“智能化”所要求的各部分的功能，在小车的负重和跟随性方面考虑较少。此项目注重要求小车的负重能力和跟随主人的智能性。当你下了飞机，面对一个智能跟随的小车载着行李跟你走，是否觉得舟车劳累的神经有一些舒畅。当你走进琳琅满目的超市，有这样一个只能跟随的小车满载着你选购的物品跟随在身边，不再觉得陪女友逛街是在做兼职苦力。当上了年岁的老人，陪伴伴侣散步，不再需要推轮椅，而是自动跟随移动。智能跟随小车将很好的解决这类问题，把行李放在小车上，让智能跟随小车自动跟随主人。应用范围较广，比如超市购物车，宾馆、旅店、办公室、医院的人力推车，运输系统的行李提取运输车等等。近些年来，许多的智能小车的设计，都在专注于它的智能，它的多功能，运用了很多的高新科技技术，成为高新智能技术的只用代表性科研成果，成为大学生热衷的研究项目。然而，这些智能小车，却只是发展成一些高级的智能玩具，我们并没有把它们拥有的强大功能和技术应用到一些更广阔的领域里，让这些智能为人类做出更多更大的贡献。对于高新产品的热衷，我们看到了市场上种种的豪华产品，豪车更新了一代又一代，别墅建了一片又一片。然而，我们更希望看到，更适合我们普通大众更普通的需求，适合我们普通大众更普通的消费能力。国内外现状：现在在国内市场上暂时还没有具有跟随性的载物小车出现。而在国外，有一款最接近的产品，叫做“高尔夫球童车”。 因为在国外很多人会打高尔夫，国外的人力球童是很贵的，因而这个设计有市场。而在中国，打高尔夫的人少之又少，能去买专业的球通车的就更加少了。 因而此产品在中国的网络上搜到的资料很少，没有中国的销售商。 此外，中国具有跟随性的产品，主要都是有轨机械跟随，用于工厂的各类生产机车的一部分，或是比赛场的有轨跟随拍摄车，并没有实际针对餐厅、旅馆、机场、超市等大众场合，或家庭个人的产品。 跟随性技术。在网络上搜索，任何与之相关的词汇，都找不到学术上的指导资料。但是，可以从很多智能小车的众多功能中，找到一些有关跟随的性能，可是从来没有一款小车设计成跟随主人行进的模式，大都是注重电脑对小车的操控，或者光源，路面，颜色等对小车行进状态的控制，跟随技术仅仅用于这其中的一小段过程。 技术上做到跟随并不难，但是没有应用到生活中的产品方向。基于长时间对智能小车的不断开发，小车的自动壁障、自动化设计都已经很纯熟，设计的资源共享度很高。对于开发新型跟随性智能小车技术上有保障。2 研究内容及工作方案 首先设计样机，完成智能壁障小车后，开始转向产品开发。到市场上买智能小车地盘，依靠电机与相关齿轮一起驱动，装配紧凑，使得各种所需电路的安装十分方便，看起来较美观。具体研发开发内容：1）驱动电机的选择为实现载重功能，必须选用直流电机。直流电机+转向舵机：直流电机应用了“通电导体在磁场中受力的作用”的原理，励磁线圈两个端线同有相反方向的电流，使整个线圈产生绕轴的扭力，使线圈转动。直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。起动力矩大。可以均匀而经济地实现转速调节。但是由于使用直流电机难以控制左右速度差实现转弯 ，必须加上转向舵机使小车实现转弯。舵机工作原理简介舵机在6 V电压下正常工作，而大赛组委会统一提供的标准电源输出电压为72 V，则需一个外围电压转换电路将电源电压转换为舵机的工作电压6 V。图2为舵机供电电路。 舵机由舵盘、位置反馈电位计、减速齿轮组、直流动电机和控制电路组成，内部位置反馈减速齿轮组由直流电动机驱动，其输出轴带动一个具有线性比例特性的位置反馈电位器作为位置检测。当电位器转角线性地转换为电压并反馈给控制电路时，控制电路将反馈信号与输入的控制脉冲信号相比较，产生纠正脉冲，控制并驱动直流电机正向或反向转动，使减速齿轮组输出的位置与期望值相符。从而达到舵机精确控制转向角度的目的。舵机工作原理框图如图3所示。2）传感器的选择使用“无线信号收发器”实现遥感及报警功能，无线发射器的发射的功率比较小，接收器在一定的距离内能接收到，超出该距离接收不到发射器的信号，即发出报警声。具体原理是：报警器由前端（探测器俗称探头），中断（主机），终端（接警机或者是接警电话）组成。前端探测到某种改变（信号中断）后发出一个开关量的信号给主机，主机接受信号，并辨别信号的持续时间，达到阈值后，自动启动单片机程序，发出报警声。3）电源的选择（样机）采用双电源，为了确保单片机控制部分和后轮电机驱动的部分的电压不会互相影响，要把单片机的供电和驱动电路分开来，即：12v来驱动直流电机，同时用7805稳压管将电压来稳成5V供给单片机，这样有助于消除电机干扰，提高系统的稳定性。 电源的选择（产品）因所选直流电机需要，产品化过程中将采用蓄电池供电，由于小车的载重量为25kg，再加上车身以及其他设备约10kg，地板跟车轮的摩擦系数一般为0.2，而续航时间为8小时；直流电机的电压为24V。因此，电池的容量为1200AH。4）智能车采用AT89C52作为本系统的控制核心。该单片机可以将从传感器的输出信号得到外界的信息，在程序中控制步进电机转动的角度精确控制，从而实现电动车的前进距离的精确控制以及左右轮差速转动实现转弯等。智能车（产品）采用Atmega16芯片作为本系统的控制核心。5）自动绕障系统当小车遇到障碍物是，脉冲调制的红外线传感器将检测到的信号发送给单片机，单片机根据程序发出的控制信号控制小车自动避开障碍物。工作方案：1）本项目的特点就是载重功能，首先一个就是解决驱动问题。我们通过使用100W、24V直流电机为本项目驱动。步进电机一般不具有过载能力，步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。2）芯片方面分别采用AT89C52及AVR芯片。样机中采用AT89C52单片机芯片，AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程(S系列的才支持在线编程)。其将通用的微处理器和Flash储存器合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。具体工作电路如下：AVR芯片的最大特点如下：哈佛结构，具备1MIPS / MHz的高速运行处理能力；超功能精简指令集（RISC），具有32个通用工作寄存器，克服了如8051 MCU采用单一ACC进行处理造成的瓶颈现象；快速的存取寄存器组、单周期指令系统，大大优化了目标代码的大小、执行效率，部分型号FLASH非常大，特别适用于使用高级语言进行开发；作输出时与PIC的HI/LOW相同，可输出40mA（单一输出），作输入时可设置为三态高阻抗输入或带上拉电阻输入，具备10mA-20mA灌电流的能力；片内集成多种频率的RC振荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时等功能，外围电路更加简单，系统更加稳定可靠；部分AVR片上资源丰富：带E2PROM，PWM，RTC，SPI，UART，TWI，ISP，AD，Analog Comparator，WDT等；3）检测障碍物用TCRT5000红外传感器，在发射管上串连一个200欧姆电阻直接接在+5V电源和地上，在输出的管子上，集电极串连一个10K电阻接到+5V，射极接地，在电阻于集电极中间引一条线作为输出，平时没有障碍物的时候输出高电平，有障碍物的时候输出低电平。外围只有两个电阻，调节发射管的电阻可以调节灵敏度（障碍物距离）。4）定位系统为了保证小车的运动稳定和控制精度，需要十分精确的声音定位系统和定位算法。设计目标为：通过小车自带的声源，以及坐标轴上三个固定点的声音检测器，实现对小车的高精度定位。1.原理分析及算法根据任务目的，如图1场地示意图所示：小车所在位置(x,y)S3点(a,0)S2点(0,0)S1点(0,a)图1 场地示意图其中s1、s2、s3均为声音检测装置，坐标点分别为(0,a)、(0,0)、(a,0)，小车所在位置为(x,y)。设声速为v，声音到达三点的所需时间为t1，t2，t3，则可由下列方程：由于无法得到绝对时间，所以得到两组时间差如下式所示：两组时间差均可由仪器测量所得，则求出x，y的解为：其中2.硬件结构图硬件分为位于场地上的声音检测装置和小车上的发声装置。声音检测装置主要由ARM处理器、声音传感器、调理电路组成，如图2 检测系统框图所示。ARM处理器的内部程序需要虚拟一个时钟，并开启三个外部中断。系统通过三个声音传感器检测到声信号，并通过调理电路产生脉冲，触发外部中断。在每个中断服务函数中记录下当前的相对时间值，在三个时间都记录下后，将其传递到定位算法子程序中以换算出小车现在的坐标。声音传感器3EXT1EXT2EXT3声源ARM处理器声音传感器2声音传感器1调理电路调理电路调理电路图2 检测系统框图小车上的声源发声装置外部结构相对比较简单，由ARM处理器的AD单元连接调理电路、然后连接到扬声器，如图3 发声装置示意图所示。其中发声的程序需要定时器配合。所设定的发生的声波频率为10kHz，这是因为低频声波脉宽较大，会造成扬声器的惯性震荡，而廉价的扬声器高频性能较差，故折中选择10K Hz的声波。AD0ARM处理器调理电路扬声器图3 发声装置示意图3.性能指标分析在设定的性能指标中，要求控制精度达到2mm，而小车的最大速度为20cm/s，所以主程序的周期应小于 2mm/(20cm/s)=10ms。而定位系统中的系统时钟最小间隔应小于2mm/(340m/s)=5.8us。流程：1）调研，对研究内容涉及到的主要技术难题进行调查研究。深入了解小车的控制、驱动、电源的工作方式，并对其硬件配置和软件编程做一个较全面的了解，对比市面上现有的类似产品的功能，确定功能及创新点。2）品进行定位，通过调研对产品有了更深一步的了解，并对产品做出准确定位，确定整体功能，包括自动跟随、绕行、负重，室内室外使用范围，不同路况的使用范围，对应生产不同型号的产品。3）对整个硬件系统间的联系有一个深入的了解，对各仪器、芯片进行对比、综合分析，对芯片的容量、处理速度及芯片的功能、优缺点进行综合比较后确定合适的芯片。综合分析各种其他材料，确定最合适材料，减低成本。4）完成样机，并在调试中完善，最后出作品。3拟解决主要问题1）节能平台的设计，尽可能采用轻巧实用材料，机身采用铝材料，选择适合芯片，增大工作效率；2）精准定位跟随，为了保证小车的运动稳定和控制精度，需要十分精确的声音定位系统和定位算法。设计目标为：通过小车自带的声源，以及坐标轴上三个固定点的声音检测器，实现对小车的高精度定位。3）载重功能，采用直流电机，直流电机应用了“通电导体在磁场中受力的作用”的原理，励磁线圈两个端线同有相反方向的电流，使整个线圈产生绕轴的扭力，使线圈转动。直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。起动力矩大。可以均匀而经济地实现转速调节。配合舵机实现转向。4研究支持条件（使用仪器或设备）24V 100W直流电机一台、1200AH蓄电池、万向轮、舵机一台、7805稳压管、AT89C52单片机开发板5套、AVR开发板5套、万用表2台、电脑5台、仿真器1套、数字信号发生器1台、TCRT5000红外传感器5预期研究成果（研究论文、设计、专利、产品、鉴定、推广应用等）产品原型一个； 专利技术一项； 研究论文一篇；6项目创新之处（原始创新：重大科学发现、技术发明；集成创新：融合多种相关技术，形成新产品、新产业；引进消化吸收再创新：在引进国内外先进技术的基础上，学习、分析、借鉴，形成具有自主知识产权的新技术）4）载重，与国内外类似智能小车不同，我们的产品具有特殊的载重功能；5）自动跟随系统，引进万向轮，达到360度跟随功能；直流电机驱动，转向舵机完成小车转向工作。为了保证小车的运动稳定和控制精度，需要十分精确的声音定位系统和定位算法。设计目标为：通过小车自带的声源，以及坐标轴上三个固定点的声音检测器，实现对小车的