智能小车跟随系统的设计与制作分析

本本科科 毕毕业业 论文论文 设计设计 题目 智能小车跟随系统的设计与制作 学院 物理与电子科学学院 班级 姓名 指导教师 职称 完成日期 年 月 日 0 智能小车跟随系统的设计与制作 摘要 现在 小车跟随系统正处于研发与试用阶段 它有着多方面的优势 一方 面 充分利用现有的道路资源 有效缓解交通阻塞 另一方面 可以大幅提高驾 驶的安全性 减少交通事故的发生 因而推广和应用小车跟随系统已经成为解 决交通问题的一个重要途径 本文的主要研究工作是设计和制作智能小车跟随系统 整个系统包括硬件 及软件两个部分 硬件部分包括控制电路 蓝牙通信电路 路径循迹电路 电 源驱动电路 电机驱动电路等 软件部分主要包括通过编程使得小车按设定路 径实现前进 左拐 右拐 加速 减速 并在小车前进的过程中不断调整小车 所在位置等功能 本文是以电动小车为基础 增加红外传感器 蓝牙等 利用传感器来有效 地确定小车前进路径 小车所在位置等信息 单片机接收并处理传感器所产生 的信号并加以一定的算法来判断两个小车的状态及其相互间距 最后通过蓝牙 来进行小车间的通信 从而控制两个小车加 减速度来使得小车间距相对恒定 该智能小车跟随系统能够实现的功能有 自动循迹 保持车距 紧急停车等 关键词 智能小车跟随系统 蓝牙通信 单片机 软件设计 1 目目 录录 1 引言 1 1 1 研究背景及意义 1 1 2 智能车辆研究现状 1 1 3 研究内容 1 2 功能分析 2 2 1 主控模块 2 2 2 循迹模块 3 2 3 电机驱动模块 3 2 4 电源模块 3 2 5 通信模块 3 3 硬件设计 3 3 1 主控硬件设计 4 3 2 循迹硬件的设计 4 3 3 驱动硬件设计 5 3 4 电源硬件设计 5 3 5 蓝牙通信串口硬件设计 6 3 6 本章总结 6 4 软件的设计与实现 6 4 1 概述 6 4 2 软件的结构设计 7 4 3 主要模块的实现 8 4 3 1 循迹流程图 8 4 3 2 电机驱动流程图 8 4 3 3 位置判断流程图 10 4 3 4 蓝牙通信流程图 11 4 4 本章小结 11 5 系统功能测试 11 5 1 系统功能测试 12 2 5 2 测试结果分析 13 6 结论与展望 13 6 1 结论 13 6 2 展望 13 参考文献 14 致谢 15 0 1 引言 1 1 研究背景及意义 随着经济的快速发展 城市的人口不断增加 从而城市的交通压力也越来 越大 在中国的一些大中型城市 由于严重的堵车问题 上 下班路途中所消 耗的时间可能会长达数个小时 此外 近些年来 交通事故频繁发生 这已经 危害到了许多人的生命和财产 因此 想要解决交通问题已经不能仅仅依靠交 通管理部门 更需要从科技的角度来解决这一问题 幸运的是 在最近几年传 感器 单片机技术突飞猛进 受此影响 智能小车跟随技术正在逐步从可能转 为现实 智能小车跟随技术是指通过车载传感系统感知道路环境 通过现代通 信技术使车间进行通信 同时加以一定的算法分析 使得后车紧跟前车行驶 这一特点使得它具有如下优点 首先 充分利用道路资源 减少堵车事件发生 的概率 此外 它还能够在行驶过程中探测可能发生危险事故 由于计算机有 着比人脑更快的反应速度 从而能够避免交通事故的发生 1 2 智能车辆研究现状 智能车辆的发展过程可以分为以下三个阶段 第一阶段 20 世纪 50 年代 在这一时期 人们刚刚开始接触研究智能车 辆 尽管这一时期的智能小车系统仅能在一个固定的轨道上运行 自动化水平 比较低 但已经符合智能车辆的基本要求 第二阶段 80 年代中后期 在这一阶段 随着计算机的应用与传感器技术 的不断发展 智能车的研究有了较大的进展 尤其在一些发达国家 取得了巨 大的进步 促使智能车辆不断深入各个实用领域 第三阶段 90 年代至今 智能车辆的研究取得了更快的发展 尤其是近些 年来 随着各个国家在智能车辆的研究之中投入的人力 财力不断加大 智能 小车的发展越来越快 如今 智能车辆已经不仅仅局限于科学研究和工厂使用 它也不断地走入了许多人的日常生活中 1 3 研究内容 本设计是基本 AT89S52 单片机的 通过蓝牙使两个智能电动车相互通信来 组成智能小车跟随系统 设计的主要内容是对电动车进行硬件电路与软件的设 计 其中硬件电路主要包括控制电路 蓝牙通信电路 路径循迹电路 电源驱 动电路 电机驱动电路等 其中 AT89S52 单片机作为每个小车的控制核心 控制着电动车的各个模块正常工作 并通过编程使得小车按照预定路径实现前 1 进 左拐 右拐 紧急停车 加速 减速等功能 本设计是以电动小车为基础 增加红外传感器 蓝牙等 利用传感器来有 效地确定小车前进路径 小车所在位置等信息 单片机接收并处理传感器所产 生的信号并加以一定的算法来判断各个小车的状态及其相互间距 最后通过蓝 牙来进行小车间的通信 从而控制各个小车加 减速度来使得小车间距相对恒 定 综上所述 本设计中整个系统电路结构简单 性能相对较高 主要采用如 下技术 首先是选择适当的传感器 利用传感器来实时监测小车位置并传送给 单片机 单片机根据传感器所传回的信息来控制小车的两个电机运转 实现循 迹行走功能 其次 利用蓝牙设备在两个小车之间进行通信 由其中一个小车 的单片机来判断两小车的相对位置 从而产生控制指令 来改变小车的行驶速 度 2 功能分析 根据设计内容的要求 采用基于单片机的控制方式 使用蓝牙设备进行通 信 图 2 1 为系统框图 图 2 1 系统框图 2 1 主控模块 目前 具有人工智能的电子产品 设备通常采用的控制器都是单片机 现 在市场上的单片机厂商很多 单片机种类也不尽相同 功能更是各具特色 本 文设计的是一个相对简单的控制系统 无需采用一些特殊功能的单片机 因此 根据实际条件 最终选择在两辆小车上各搭载一片 ATMEL 公司的 AT89S52 芯片 2 作为每个小车的主控器件 图 2 2 为 AT89S52 控制原理图 图 2 2 AT89S52 控制原理图 2 2 循迹模块 循迹装置类型选择 采用集成 QTI 传感器 DM S53401 它是一种通过光电 接收管来探测其下表面反射光强度的传感器 根据反射光强度的不同 从而导 致传感器输出的变化 由于它的体积较小 具有日光过滤器 因而在小车中使 用性能较好 循迹硬件数目选择 采用 4 路 QTI 传感器循迹 在小车行驶过程中 根据 轨道的设计 小车会遇到直行或左 右拐弯的路段 因而可以使用中间 2 路来 判断小车与直行道的相对位置 而用外侧 2 路来判断小车是否在拐弯路段 因 此 4 路循迹可以完成任务的要求 且设备数目最少 2 3 电机驱动模块 电机选择 采用直流伺服电机 它主要通过接收脉冲来运转 相比于步进 电机 直流伺服电机有着一定的优势 精度更高 克服了步进电机中的失步问 题 高速性能好 抗过载能力强 运行稳定 反应时间短 发热和噪声都有着 明显的降低 2 4 电源模块 电源选择 采用干电池组加移动电源共同供电 即在采用 4 节 1 5V 干电池 通过稳压单元降至 5V 后给单片机及其他设备 如传感器 电机等 供电的基础 上 增加一个移动电源同时供电 一方面 可以保证小车电压稳定 设备正常 运行而不会断电 另一方面 也不像蓄电池所占体积那么大 安装相对容易 2 5 通信模块 通信设备选择 采用蓝牙装置进行通信 尽管相比红外通信 它的成本相 对较高 但其有着诸多特有的优点 通信距离相对较长 一般在 10 米左右 且 可以转弯 不用对准 传输速度快 且可以加密 更加安全 3 3 硬件设计 3 1 主控硬件设计 对于每个小车而言 主控电路的核心器件为 AT89S52 单片机 通过此单片 机来控制小车完成预计的功能 其中 小车的启动 复位 断电都需要手动开 关来控制 由 QTI 循迹模块组成的循迹电路进行实时监测 不断判断小车的位 置 并将检测到的信息发回给单片机 单片机经过运算后 发送 PWM 波给电机 从而控制小车速度 启停 转弯 直线行驶等 除此之外 两个小车的单片机 还都需要连接一个蓝牙设备 用于在两个单片机之间传递信息 系统框图如图 3 1 所示 图 3 1 主控电路连接图 3 2 循迹硬件的设计 由于本设计在循迹模块中采用的是集成的 QTI 循迹模块 故循迹装置内部 电路无需再重新设计 仅需将集成的 QTI 循迹模块正确连入 AT89S52 单片机中 集可 具体电路连接图见图 3 2 4 图 3 2 QTI 设备连接图 3 3 驱动硬件设计 电机选择 采用直流伺服电机 伺服电机具有如下特点 它在接收到一个 PWM 波形脉冲时就会旋转一定的角度 通过不断接收脉冲就可以使得小车持续 运动 对于本设计所选用的电机而言 当接收到的脉冲是高电平持续时间为 1 5ms 而低电平持续时间是 20ms 时 电机不发生转动 当低电平时间保持不变 高电平持续时间越接近 1 7ms 时 电机顺时针转速越快 在 1 7ms 时 电机顺 时针旋转速度达到最大 反之 高电平持续时间越接近 1 3ms 时 电机逆时针 转速越快 在 1 3ms 时 电机逆时针旋转速度达到最大 在小车运行过程中 单片机 AT89S52 通过 P1 1 和 P1 2 口发送脉冲波形来 分别控制左右电机运转 即将左右电机分别与 P1 1 和 P1 2 口相连即可 3 4 电源硬件设计 本系统中的单片机所需的供电电压为 5V 工作电压 而电路板的设计是采 用 6 9V 的直流电输入 再通过稳压芯片来为单片机输入 5V 的工作电压 每节 干电池所提供的电压为 1 5V 采用 4 节干电池串联后可以得到直流电输入口所 要求的最小电压 6V 因此 选择 4 节干电池串联后接入单片机的供电口 此外 5 由于干电池所供电压并不稳定 容易造成小车传感器 蓝牙等设备的掉电 从 而影响小车的正常工作 故再额外通过 USB ISP 线将输出为 5V 的移动电源连接 至小车的 ISP 下载口即可 3 5 蓝牙通信串口硬件设计 本系统中两辆小车需要在一定情况下进行通信 因而需要使用一个近距离 的无线通信装置 在本设计中 选用蓝牙通信装置 HC 05 来实现此功能 HC 05 的引脚原理图如如图 3 3 所示 图 3 3 蓝牙引脚原理图 此蓝牙在配对成功后的使用方法与串口的使用方法一样 故同样是将蓝牙 接口 TXD RXD 分别连至单片机的 P3 0 P3 1 口 VCC 接高电平 GND 接地即可 正常使用 3 6 本章总结 本章主要分析了小车实现各个功能所需的硬件设备 硬件选择 硬件设备 连接等问题 主要包括主控硬件 循迹硬件 驱动硬件 电源硬件 蓝牙硬件 等 通过对硬件的分析与设计 为小车能正常运行做好的硬件方面的准备工作 4 软件的设计与实现 6 4 1 概述 在基于单片机的系统设计中 除了要对系统硬件进行设计外 还要对系统 的软件进行设计 在本设计之中 大量的执行工作需要对程序进行设计 这一 工作对于系统而言尤为重要 在编写程序时 要注意一下几点要求 1 实时性 即软件反应 执行速度快 2 程序简练 即要求既要完成目标 又要以最简洁的方式表述出来 3 程序的灵活性与可拓展性 即程序拥有较强的适应能力 在功能需要拓 展时可以方便的修改 4 可靠性 即在系统运行过程中因为软件方面的故障而造成的系统错误尽 可能的少 此外 在用 C 语言进行程序设计时 具体步骤如下 1 明确要求 确定软件所要实现的功能 2 分析具体问题 建立数学模型 3 绘制出各个程序模块的流程图 4 将各个程序组合在一起 构成一个完整的程序 最后 在程序设计的过程中 应注意一下几点要求 1 各个功能 模块尽量层次化 2 存储空间合理 节省内存 3 软件流程要合理 软件布局要清晰 4 2 软件的结构设计 在本设计中 软件的结构设计采用了模块化的结构设计 将整个系统分成 五大模块 包括主程序模块 循迹程序模块 电机程序模块 蓝牙通信程序模 块 位置判断程序模块等 依次设计系统整体软件结构和各个模块的软件结构 最后再将其汇总成为一个完整系统 系统的软件结构图如图 4 1 所示 7 图 4 1 系统软件结构图 4 3 主要模块的实现 4 3 1 循迹流程图 循迹流程图如图 4 2 所示 图 4 2 循迹流程图 小车在启动后会直接进入循迹路段 正常直行情况下 有且只有中间两路 QTI 装置 中左与中右 将能够探测到黑线 而在执行前进过程中 会因为一些 因素而造成略微偏离轨道 此时 小车的中间两路 QTI 装置可能将会存在其中 一路脱离黑线 此时 则应向单片机发出调整指令 改变小车的行驶状态 使 其回归黑线中央行驶 当小车来到拐弯路段时 外部两个 QTI 装置 左与右 将 会探测到黑线 表明小车来到拐弯路段 则应向单片机发出调整指令 改变小 车的行驶状态 使其完成拐弯任务 而当小车到达定位处时 四路 QTI 循迹装 8 置将全部探测到黑线 此时则应向单片机发出计数自加指令后使小车继续向前 行驶 4 3 2 电机驱动流程图 电机驱动流程图如 4 3 所示 图 4 3 电机驱动功能流程图 在两个小车进行通信时 按照预期 随着两个小车的位置变化 两个小车 的行驶速度也应该随之变化 在此设计中 整个轨道共有 8 个定位点 对于小 车 A 速度变化是从检测到定位点时开始的 所以小车 A 的驱动流程图应从检 9 测到定位点开始 而对于小车 B 速度变化是在中断中产生的 所以小车 B 的 驱动流程图应从中断中开始 此外 本设计的要求是使小车 B 跟随小车 A 行驶 使得小车 A 与小车 B 的距离始终保持在大约等于两个定位点间的距离 因此 想要确定两个小车的速度 首先要计算两个小车距离 本设计是通过计算两小 车共检测到的定位点数之差来判断两个小车的距离 当两个小车所探测到的定 位点数相差为 1 表示两车距离适中 驱动电机使两车都快速行驶 当两个小 车探测到的定位点数相同 表示两车距离过近 驱动电机使前车快速行驶而后 车慢速行驶 从而拉大两车间距 而当两个小车所探测到的定位点数相差大于 1 表示两车距离过远 驱动电机使前车慢速行驶而后车快速行驶 以此来缩短 两车距离 另外 前车发生故障时 应使得后车在与其距离过近时自动停车 防止出现两车相撞的情况 4 3 3 位置判断流程图 位置判断流程图如图 4 4 所示 图 4 4 位置判断流程图 本设计中 两个小车需要构成一个协作的系统平台 因此 需要不断地判 断自己的位置 在此设计中 在完整轨道中平均选择了 8 个定位点 在小车途 经这 8 个定位点时 单片机选择一个变量来计算小车在行驶过程中所经过的总 10 点数 从而来大致判断小车的所在位置 当计数达到 8 时 表示小车已经运行 了一整圈回到出发点 故计数清零 轨道图如图 4 5 所示 图 4 5 轨道图 4 3 4 蓝牙通信流程图 在本设计中 两个小车要通过相互协作来构成一个智能小车系统 因此 在小车运行过程中 两小车需要在必要的时刻相互通信并发送指令 在此系统 中 小车 A 为整个系统的中枢 一切信息要在小车 A 的单片机中进行运算处理 再将控制命令由小车 A 发出 蓝牙通信流程图如图 4 6 所示 图 4 6 蓝牙通信流程图 4 4 本章小结 本章首先介绍了针对软件设计的要求 过程等注意事项 然后系统的介绍 了针对本设计的软件结构各个模块的设计方案 思路 并列出了各个主要模块 11 的设计流程图 5 系统功能测试 在完成系统的设计与制作后 必须要对所设计的系统进行测试 通过测试 检测需要单片机所完成的功能是否能够实现 5 1 系统功能测试 测试过程中 首先依次对各个小车进行单独的模块功能测试 然后再进行 整个系统的功能测试 即首先分别对小车 A 小车 B 进行单独循迹功能的测试 查看小车 A B 的性能 然后再将小车 A B 通过蓝牙连接相互通信 测试整个 系统的性能 小车 A 循迹功能单独测试 结果如表 5 1 所示 表 5 1 小车 A 循迹测试结果 12345678 第一圈完成完成完成完成卡顿完成完成完成 第二圈完成卡顿完成完成完成完成完成完成 第三圈完成完成完成完成完成完成完成完成 第四圈完成完成完成完成卡顿完成完成完成 第五圈卡顿完成完成完成完成完成完成完成 小车 B 循迹功能单独测试 结果如表 5 2 所示 表 5 2 小车 B 循迹测试结果 12345678 第一圈完成完成完成完成卡顿完成完成完成 第二圈完成完成完成完成完成完成完成完成 第三圈完成完成完成完成完成完成完成完成 第四圈完成完成完成完成完成完成完成完成 第五圈完成完成完成完成完成完成完成完成 系统性能测试 结果如表 5 3 所示 表 5 3 系统功能测试结果 第一圈运行正常 第二圈运行正常 12 第三圈小车 A 在定位点 3 处连续探测到 2 次定位标志 造成出错 第四圈运行正常 第五圈运行正常 5 2 测试结果分析 小车 A 在运行过程中 由于传感器 电机等设备问题 有时会造成中途卡 顿 导致小车无法正常运行 但总体结果基本正确 不影响实验结果 小车 B 与小车 A 相比 运行较为流畅 基本可以正常运行 很少会出现故 障 达到预期目标 在整个系统协调运行时 除了小车偶尔发生的卡顿意外 基本不会造成其 他故障 基本可以达到预期的效果 总体而言 主要是由于传感器并不精确 在室内光线 太阳光等灯光的影 响下 偶尔会导致运行出现故障 但从整体来看 基本功能都可以正常实现 不影响观测结果 系统基本能够正常运行 6 结论与展望 6 1 结论 在本设计中 A B 两个小车的控制核心都选用的是 AT89S52 单片机 这使 得小车具有较好的稳定性和持续性 循迹装置选择的是体积小 功耗低 应用 方便 集成度高的 QTI 传感器 DM S53401 电机选择的是两轮独立的直流伺服 电机 通过控制两个轮不同的转速来改变方向 车间通信选择的是蓝牙通信装 置 HC 05 它具有较高的可靠性 可以保证两车顺利的完成通信功能 在小车运行的过程中 利用 QTI 传感器来实时监测小车的路面信息 单片 机接收并处理传感器监测到的信号 将运动控制指令发送给电机 使得小车正 常行驶 此外 两个小车还通过蓝牙装置进行车间通信 并根据两车的状态调 整小车的运动状况 该系统最终能够完成的功能有 循迹 变速 保持两车间 距稳定 紧急停车 6 2 展望 本智能小车系统最主要的前景是运用到无人驾驶汽车上 一方面 可以通 过小车系统的车间通信规划行车路径 充分利用现有的道路资源 提高道路利 用率 减少堵车事件的发生 另一方面 还通过安装各种传感器感知路面状况 来避免交通事故的发生 13 参考文献 1 李建忠 单片机原理及应用 第二版 西安电子科技大学出版社 2008 2 2 李晓莹 传感