基于单片机的智能车硬件设计与实现

HEFEIHEFEI UNIVERSITYUNIVERSITY 毕 业 设 计 论文 开题报告 题 目 基于单片机的智能车硬件设计与实现 系 别 电子信息与电气工程系 年级专业 班级 08 自动化 1 班 姓 名 刘 禹 指导老师 干 开 峰 完成时间 2012 年 3 月 16 日 合肥学院电子信息与电气工程系合肥学院电子信息与电气工程系 毕业设计 论文 开题报告毕业设计 论文 开题报告 学生 刘 禹 班级 08 自动化 1 班 论文题目 基于单片机的智能车硬件设计与实现导师姓名干开峰 可 行 性 方 案 分 析 主要包括 研究背景 主要内容要求 设计方案 技术路线 关键问 题 时间安排 参 考 文 献 1 任哲 嵌入式实时操作系统 C OS 原理及应用 第 2 版 M 北京 北京航空航天大学出版社 2009 2 Jean J Labrosse 嵌入式实时操作系统 C OS 第 2 版 北京 M 北京航空航天大学出版社 2003 3 谭浩强 C 程序设计 第三版 M 北京 清华大学出版社 2005 4 陈冬云 杜敬仓 任柯燕 ATmega128 单片机原理与开发指导 M 北京 机械工业出版社 2005 5 郁有文 常健 程继红 传感器原理及工程应用 第二版 M 西安 西 安电子科技大学出版社 2004 6 康华光 电子技术基础模拟部分 第五版 M 北京 高等教育出版社 2005 7 洪志刚 传感器原理及应用 M 北京 高等教育出版社 2007 8 张洪润 张亚凡 单片机原理及应用 M 北京 清华大学出版 社 2005 开 题 小 组 及 教 研 室 意 见 开题小组签名 年 月 日 附页 附页 基于单片机的智能车硬件设计与实现基于单片机的智能车硬件设计与实现 1 1 研究背景 研究背景 智能化小车作为现代社会的新产物 是以后的发展方向 他可以按照预先 设定的模式在一个特定的环境里自动的运作 无需人为管理 便可以完成预期 所要达到的或是更高的目标 同遥控小车不同 遥控小车需要人为控制转向 启停和进退 比较先进的遥控车还能控制其速度 而智能小车 则可以通过计 算机编程来实现其对行驶方向 启停以及速度的控制 无需人工干预 是一个 集环境感知 规划决策 自动行驶等功能于一体的综合系统 它集中地运用了 计算机 传感 信息 通信 导航 人工智能及自动控制等技术 是典型的高 新技术综合体 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 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卓 有成效的研究 在欧洲 普罗米修斯项目开始在这个领域的探索 在美洲 美 国成立了国家自动高速公路系统联盟 NAHSC 在亚洲 日本成立了高速公路 先进巡航 辅助驾驶研究会 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 梅隆大学机器人研究所一共完成了 Navlab 系列的 10 台自主车的研究 取得了显著的成就 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 主要有 1 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与 2003 年研制成功我国第一辆自主驾驶轿车 2 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 7B 8 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 可以预计 我国飞速发展的经济实力将为智能车辆的研究提供一个更加广 阔的前景 因此 对智能小车进行深入细致的研究 不但能加深课堂上学到的 理论知识 更能将理论转化为实际运用 为将来打下坚实的基础 2 2 主要内容 主要内容 本设计基于单片机设计制作了一固定跑道两车交替超车领跑系统 系统主 要分为传感器检测模块 控制器模块和控制处理模块 采用红外光电传感器采 集跑道信息 经控制器分析后对直流电机作出相应运转指令 使小车稳定准确 行驶 两车之间通过无线方式进行相互通信 实现同时起动 交替超车功能 整个系统通过电池供电 性能稳定 功耗低 大大节约能源 3 3 设计方案 设计方案 根据要求 智能小车系统主要包括信号检测部分 控制器部分和两车通信 部分 如下图所示 其中信号检测部分包括边线检测 转弯标志线检测 超车 标志线检测和电机转速检测 控制器部分主要为控制电机的转向和转速 控制 无线模块发送和接收另一车信号指令 实现两车之间通信 设计原理方框图 3 13 1 主处理板选型 主处理板选型 方案一方案一 采用 AT89S52 单片机作为主控芯片 其特点是功耗较低 集成度较 高 兼容性较好 但 CPU 处理速度及片上资源有限 不适合复杂实时控制系统 的应用 由于在小车运行过程中 涉及大量数据处理 需要完成传感器检测 电机控制 定时计数等功能 因此此系统需要有良好的运算性能 对两个小车 的速度控制要求较高 而此普通单片机运算速度较慢 不能满足需求 方案二 方案二 采用 AVR ATMEGA 128 单片机作为小车控制器 信号采集 控制 和两车之间通信如方案一 另外 ATMEGA 128 单片机内部定时器具有 CTC 比较匹 配输出和相位修正 PWM 输出模式 该单片机满足低功耗要求 可以 3 3V 电源供 电 同样具有体积小 速度快 成本低等优点 3 23 2 电机及驱动模块的选择方案 电机及驱动模块的选择方案 方案一 方案一 选择普通直流电机 直流电机可以通过减速齿轮增大扭力 提高 带负载能力 直流电机的优点是 价格便宜 驱动控制容易 但不能做到精确 控制是其一大弱点 方案二 方案二 选择步进电机 步进电机的特点是 可以精确控制电机选择步数 和角度 能良好的达到题目要求的精确度 但是功耗大 对电源输出功率要求 高 3 33 3 位置同步方案 位置同步方案 方案一 方案一 采用超声波传感器测距方案 采用超声波传感器 超声波传感器 是利用超声波的特性研制而成的传感器 超声波是一种振动频率高于声波的机 械波 由换能晶片在电压的激励下发生振动产生 它具有频率高 波长短 绕 射现象小 特别是方向性好 能够成为射线而定向传播 超声波碰到杂质或分 界面会产生显著反射形成反射成回波 超声波传感器采用 IO 触发测距 模块自 动发送 8 个 40khz 的方波 自动检测是否有信号返回 有价格便宜 使用简单 的优点 但是不能准确测得小车超车及姿态调整时的距离 因此采用此种方案 稳定性不高 方案二 方案二 采用无线通信方案 采用无线通信的方式可以在小车启动时 超 车时很好的实现位置信号的同步 效果稳定 相比于电路复杂 成本高 实时 性不好 控制复杂的 Zigbee 无线收发模块 采用无线收发模块 UP 96 该模块 采用了 9600bit s 的波特率 直接可以连接到本设计的处理器输出口 无需在 无线模块上编制程序 易于控制 传输速率高 可编程控制输出功率 操作简 单 3 43 4 循迹模块的选择循迹模块的选择 方案一 方案一 采用光敏电阻组成光敏探测器 光敏电阻的阻值可以跟随周围环 境光线的变化而变化 当光线照射到白线上面时 光线反射很强烈 光线照射 到黑线上面时 光线反射较弱 基于光的反射原理因此光敏电阻在白线和黑线 上方时 阻值会发生明显的变化 将阻值的变化值经比较器就可以输出 TTL 高 低电平信号 但是这种方案受光照影响很大 不能够稳定的工作 方案二 方案二 采用反射式红外传感器 利用红外线在不同颜色的物体表面具有 不同的反射性质的特点 在小车行驶过程中红外发射管不断发出红外射线 当 发出的红外射线照射到白色的平面后经反射 则检测出白线继而输出低电平 当发出的红外射线照射到黑色的平面后被吸收 则收不到发射管发出的红外线 则检测出黑线继而输出高电平 微控制器就是通过接收到的高低电平为依据来 确定小车相对于黑线的位置 只要选择数量和探测距离合适的红外传感器 就 可以精确控制小车 4 4 技术路线 技术路线 1 1 主处理板选型 主处理板选型 选用 ATmega128 单片机 其特点是运算速度快 外围器件简单 功耗低 片上资源丰富 能满足小车的速度控制以及无线通信设备的需求 2 2 电机及驱动模块的选择方案 电机及驱动模块的选择方案 选择普通直流电机 直流电机可以通过减速齿轮增大扭力 提高带负载能 力 直流电机的优点是 价格便宜 驱动控制容易 不能做到精确控制是其一 大弱点 但可以配合测速光电传感器进行反馈控制 可以提高直流电机控制的 准确性 3 3 位置同步方案 位置同步方案 采用超声波传感器测距方案 采用超声波传感器 超声波传感器是利用超 声波的特性研制而成的传感器 超声波是一种振动频率高于声波的机械波 由 换能晶片在电压的激励下发生振动产生 它具有频率高 波长短 绕射现象小 特别是方向性好 能够成为射线而定向传播 超声波碰到杂质或分界面会产生 显著反射形成反射成回波 超声波传感器采用 IO 触发测距 模块自动发送 8 个 40khz 的方波 自动检测是否有信号返回 有价格便宜 使用简单的优点 不能准确测得小车超车及姿态调整时的距离 但若运行在 COS 实时操作系统 中 就可以知道车间的实时间距了 实现车辆间位置实时同步 也客服了此种 方案稳定性不高的问题 4 4 循迹模块的选择 循迹模块的选择 采用反射式红外传感器 利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反 射性质的特点 在小车行驶过程中红外发射管不断发出红外射线 当发出的红 外射线照射到白色的平面后经反射 则检测出白线继而输出低电平 当发出的 红外射线照射到黑色的平面后被吸收 则收不到发射管发出的红外线 则检测 出黑线继而输出高电平 微控制器就是通过接收到的高低电平为依据来确定小 车相对于黑线的位置 只要选择数量和探测距离合适的红外传感器 就可以精 确控制小车 5 5 关键问题 关键问题 1 智能车系统各模块软件设计与实现 2 整车体积小 重心低 行进姿态稳定 操控灵活 可靠 3 用简单的控制方法完成系统的功能需求 4 转弯控制方法只适用于低速情况 速度稍高 车辆很容 易飞出场地 5 仅在两处对小车进行了位置同步 没有实现车辆间位置实时同步 6 6 时间安排 时间安排 1 学生调研 开题 系统规划设计 2012 2 25 2012 3 15 调研 开题 系统规划设计 包括设计课题实际 应用考察 收集查阅文献 方案拟定 撰写调研报告 开题报告 翻译课题相 关外文资料 系统框图及设计课题各部分技术资料收集与初步实施 2 学生毕业设计初步 2012 3 15 2012 3 31 毕业设计课题各部分研究 实施方案