自动搬运小车的研究.doc

本科学生毕业论文（设计）题目(中 文):自动搬运小车的研究(英 文):The Vehicle Rearchch of Automatic Guide姓 名 学 号 院 （系）电子工程系专业、年级电子信息工程 级指导教师 III湖南科技学院本科毕业论文（设计）诚信声明本人郑重声明：所呈交的本科毕业论文（设计），是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议，除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本科毕业论文（设计）作者签名： 二 年 月 日 毕业论文（设计）任务书课题名称：自动搬运小车的研究 学生姓名： 系 别：电子工程系专 业：电子信息工程指导教师： 湖南科技学院本科毕业论文（设计）任务书1、主题词、关键词： 主题词：采用微电脑可编程控制技术，模糊PID算法实现对小车的控制关键词：MCU 无线收发 ASSP 传感器2、毕业论文（设计）内容要求：设计具体要求：为了将目标模型受光照的面以位图文件格式存储到文件中并将其在视类窗口中显示，程序制作大致如以下步骤：（1）小车装货从起始地点出发，能实现自动引导。（3）遇到金属会发出声光信息。（4）能够实现自动的避障功能（5）能实现自动的入库卸货功能（6）小车最终能够从起始地点运货经过指定路线，避开障碍物到达仓库卸货实现自动运货的过程。3、文献查阅指引：1 全国大学生电子设计竞赛组委员会编.第九届全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编M. 北京: 北京理工大学出版社,2010.2 Jing-Chung Shen.Fuzzy Neural Networks for Tuning PID Controller forPlantswith Underdamped ResponsesJ. IEEE TRANSACTIONS ON FUZZY SYSTEMS,2008,9(2): 333-341.3 Li,Y. and Ang,K.H. and Chong,G.C.Y. PID control system analysis and designJ. IEEE Control Systems Magazine,2009,26(1): 32-41.4 阮勇. 一类模糊PID控制器的设计与分析J. 信息与电子工程,2007,3(3): 216-219.5 刘文涛. 单片机应用开发实例M. 北京: 清华大学出版社,2005.6 高吉祥主编. 全国大学生电子设计竞赛培训系列教程M.北京:电子工业出版社, 2007.7 何希才.传感器及其应用电路M.北京.电子工业出版社,2001.8 沈红卫.单片机应用系统设计实例与分析M. 北京: 北京航空航天大学出版社,2003.9 雷思孝,冯育长. 单片机系统设计及工程应用M. 西安: 西安电子科技大学出版社,2005.10 谢自美. 电子线路综合设计M. 武汉: 华中科技大学出版社, 2007.4、毕业论文（设计）进度安排：(1)11年12月下旬：确定课题并且检索与课题相关的文章，收集相关资料确定设计方案。(2)12年1月上旬：查阅相关资料，进行整体方案的设计。(3)12年1月下旬-3月上旬：设计硬件，编写软件。(4)12年3月下旬：进行硬件调试及系统测试。(5)12年4月份：根据查询所得的资料及所编写的程序撰写论文，并在导师的指导下修改论文。(6)12年5月份：定稿，完成论文答辩。教研室意见： 负责人签名： 注：本任务书一式三份，由指导教师填写，经教研室审批后一份下达给学生，一份交指导教师，一份留系里存档。湖南科技学院本科毕业论文（设计）开题报告书论文（设计）题目自动搬运小车的研究作 者 姓 名王志彪所属系、专业、年级 电子工程系 电子信息工程专业2009年级指导教师姓名、职称谭永宏、副教授预计字数10000开题日期2012.12.24选题的根据：1）说明本选题的理论、实际意义2）综述国内外有关本选题的研究动态和自己的见解选择本课题的意义在于运货是各个行业不可或缺的过程，人工运货随着经济的快速发展，不能完全满足市场的需求。世界上许多国家都在积极进行智能车辆的研究和开发设计。移动机器人是机器人学中的一个重要分支，出现于20世纪60年代。当时斯坦福研究院的Nils Nilssen和charles Rosen等人，在1966年至1972年中研制出了取名shakey的自主式移动机器人，目的是将人工智能技术应用在复杂环境下，完成机器人系统的自主推理、规划和控制。从此，移动机器人从无到有，数量不断增多，智能车辆作为移动机器人的一个重要分支也得到越来越多的关注。智能搬运小车可以安装不同的末端以完成各种不同形状和状态的工件搬运工作，可以广泛应用于机床上下料，冲压机自动化生产线，自动装配流水线，码垛搬运，集装箱等的自动搬运，大大减轻了人类繁重的体力劳动，具有广阔的市场前景。目前国内总体看自动运货小车的应用刚刚开始，相当于国外80年代初的水平。但从应用的行业分析，分布面非常广阔，有汽车工业，飞机制造业，家用电器行业，烟草行业，机械加工，仓库，邮电部门等。这说明自动运货小车还是有一个潜在的广阔市场，是值得我们研究的。主要内容：本文旨在制造一辆自动引导运货小车，其时是一种物料搬运设备，是能在起始位置自动进行货物的装载，自动行走到另一位置，自动完成货物的卸载的全自动运输装置。其是以电池为动力源的一种自动操纵的工业车辆。采用自动运货小车搬运货物可以大大提高效率，作为无人控的自动运货小车，可以实现全天二十四小时的运行，这有效地克服了人力搬运所受的时间限制，从而也提高了效率。设计具体要求：1）概述声音引导系统的研究意义 ；2）提出系统设计任务，设计系统框架；3）设计模块硬件、软件；4）硬件调试及系统测试；5）设计效果及结论。研究方法： （1）密切联系毕业论文指导老师，虚心采纳意见和建议，和同学进行交流。（2）利用课余时间到校图书馆和网上查找相关资料，认真阅读参考资料、文献，并做笔记。（3）结合自己所学的专业知识,积极思考,主动创新。（4）系统化设计，将整体设计分割为各个小系统。完成期限和采取的主要措施： (1) 12年12月下旬：确定课题并且检索与课题相关的文章，收集相关资料确定设计方案。 (2) 13年1月上旬：查阅相关资料，进行整体方案的设计。 (3) 13年1月下旬-3月上旬：设计硬件，编写软件。 (4) 13年3月下旬：进行硬件调试及系统测试。 (5) 13年4月份：根据查询所得的资料及所编写的程序撰写论文，并在导师的指导下修改。 (6) 13年5月份：定稿，完成论文答辩。主要参考资料：1 全国大学生电子设计竞赛组委员会编.第九届全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编M. 北京: 北京理工大学出版社,2010.2 Jing-Chung Shen.Fuzzy Neural Networks for Tuning PID Controller forPlantswith Underdamped ResponsesJ. IEEE TRANSACTIONS ON FUZZY SYSTEMS,2008,9(2): 333-341.3 Li,Y. and Ang,K.H. and Chong,G.C.Y. PID control system analysis and designJ. IEEE Control Systems Magazine,2009,26(1): 32-41.4 阮勇. 一类模糊PID控制器的设计与分析J. 信息与电子工程,2007,3(3): 216-219.5 刘文涛. 单片机应用开发实例M. 北京: 清华大学出版社,2005.6 高吉祥主编. 全国大学生电子设计竞赛培训系列教程M.北京:电子工业出版社, 2007.7 何希才.传感器及其应用电路M.北京.电子工业出版社,2001.8 沈红卫.单片机应用系统设计实例与分析M. 北京: 北京航空航天大学出版社,2003.9 雷思孝,冯育长. 单片机系统设计及工程应用M. 西安: 西安电子科技大学出版社,2005.10 谢自美. 电子线路综合设计M. 武汉: 华中科技大学出版社, 2007.指导教师意见： 指导教师签名： 系意见：签 名： 年 月 日开 题 报 告 会 纪 要时间20012.12.25地点3-608与会人员姓 名职务（职称）姓 名职务（职称）姓 名职务（职称）李春树教授谭永宏副教授李小武副教授廖朝阳讲师杨熙硕士李艳芳副教授会议记录摘要：会议主持人：记 录 人：年 月 日指导小组意见负责人签名： 年 月 日系 意 见负责人签名：年月日注：此表由学生本人填写，一式三份，一份留系里存档，指导老师和本人各保存一份VI湖南科技学院毕业论文（设计）中期检查表毕业论文（设计）题 目自动搬运小车的研究学生姓名王志彪学 号200906002223系 别电子工程系专 业电子信息工程指导教师谭永宏检查日期2013年4月3日指导教师检查情况记载及修改意见：修改意见：1、论文大体框架还可以，基本思路比较清晰，但重点不突出。2、论文中出现的插图，超过页边距，必须把图缩小到页边距以内。3、参考文献按照学校的毕业论文撰写规范写，同时在正文中出现的位置以上标的形式标出。4、图和表在文章正文中一定要有说明，而且图表要在文字分析的下面。5、文中段与段之间、图题与正文之间不要有不必要的空格。6、论文中的系统框图，字体太大，应与论文字体大小一致，同时里面的数据表格字体设置也是一样。签名： 注：此表用于指导教师在学生毕业论文（设计）初稿完成后对学生执行任务书情况进行中期检查时用，由指导教师填写。湖南科技学院毕业设计（论文）指导过程记录表毕业论文(设计)题目自动搬运小车的研究学生姓名王志彪学号200906002223专业班级电子信息工程专业 电信0902班指导教师谭永宏职称副教授系（教研室）电子工程系指导过程记录指导内容记录(一)学 生 签 名： 20 年 月 日 指导教师签名： 20 年 月 日指导内容记录(二)学 生 签 名： 20 年 月 日 指导教师签名： 20 年 月 日指导内容记录（三)学 生 签 名： 20 年 月 日 指导教师签名： 20 年 月 日指导内容记录(四)学 生 签 名： 20 年 月 日 指导教师签名： 20 年 月 日指导过程记录指导内容记录(五)学 生 签 名： 20 年 月 日 指导教师签名： 20 年 月 日指导内容记录(六)学 生 签 名： 20 年 月 日 指导教师签名： 20 年 月 日指导内容记录(七)学 生 签 名： 20 年 月 日 指导教师签名： 20 年 月 日指导内容记录(八)学 生 签 名： 20 年 月 日 指导教师签名： 20 年 月 日答辩小组组长意见(对情况是否属实做出意见)组长(签名)： 20 年 月 日注：本表与毕业论文一起装订存档。目 录1 绪论I1.1 课题的研究意义、现状和发展趋势31.2 设计目的41.3系统的设计任务与要求51.4 设计方法52 模糊PID控制原理72.1 模糊PID参数控制原理72.2 输入值的模糊化82.3 模糊规则控制表的建立83 系统总体框架设计113.1 方案选择与论证113.2 系统总体设计124 硬件系统的设计144.1 主控模块介绍144.2 线路引导模块电路设计与实现154.3 光源产生电路的设计与实现164.4声音产生电路的设计与实现174.5电机驱动电路的设计与实现185 软件系统的设计205.1 搬运小车主程序设计及流程图205.2 模糊PID控制程序设计及流程图206 安装调试与测试分析236.1 测试仪器236.2 测试方法、步骤、注意事项236.3 硬件单元调试236.4 小车整体调试24结束语25参考文献26附录1 单片机控制模块27附录2 系统部分源代码28致 谢36X自动搬运小车系统的设计摘 要随着工厂自动化的逐步发展以及自动化立体仓库的广泛的应用，工业物流自动化引起了国内外的广泛的关注，因为物流一直以来都是制造企业提高生产效率、节约成本的一个重要环节。本文设计的主要完成的功能就是实现工业物流的制动化，实现自动运货。本文就是介绍一款自主设计的自动引导运货的小车，主要阐述自动引导小车基于STC89C52单片机控制系统的主要功能模块和软硬件的设计方法。本自动引导小车是以STC89C52单片机为控制核心，由直流电机、光电传感器以及其他电路构成。小车的自动行走是靠st178光电对管来识别道路，利用红外蔽障传感器检测道路上的障碍，避免小车碰到障碍物，使用光敏电阻搭建电路来实现小车寻找光源最终入库、卸货。整个系统从运货起点到到达仓库都是一个自动的过程，其所完成的功能相就是与一台能够实现自动引导运货的小车。【关键词】： 声音 单片机 光线 自动引导36The research and production based on automaticguided vehicleABSTRACTWith the gradual development of factory automation and automated storage of a wide range of applications，Industrial logistics automation attracted widespread attention at home and abroad，Because of logistics has been the manufacturing enterprises to improve production efficiency and an important part of cost. This design is the main function of the completion of the braking technology of industrial logistics, automatic shipping.This article introduce an self-designed and automatic self-guided vehicle, it mainly described the control system are based on STC89C52 main modules and the hardware and software design. This AGV use STC89C52 as its control core, constitute by a DC motor, photoelectric sensors and other circuits. The vehicle auto travel is by st178 identify the optical path，detected by infrared sensor cover barrier obstacles on the road to avoid the car run into obstacles. using the circuit to achieve the vehicle storage, unloading. The whole system from start to reach the freight warehouse is an automated process, its functionality is completed with an automatic freight car.【Key words】： sound light MCU AGC1 绪论1.1 课题的研究意义、现状和发展趋势1.1.1 搬运小车的研究意义近几十年来，随着自动化技术和计算机科学的发展，柔性制造系统(FMS)是现代化生产研究的主要内容，而柔性物流是柔性制造系统的一个子系统。在柔性制造系统的设备开发方面，为满足柔性制造系统对物流系统的要求，人们不断努力引进和开发装卸、输送、存储设备。而自动引导小车(AGV)正是柔性制造系统中不断努力而生产的关键设备，在柔性物流系统中，他主要用于输送这一环节。因为AGV是高度智能化的设备，所以便于生成网路进行自动化式的管理，便于灵活调动。在国外，机械、汽车、钢铁、医疗及食品等行业已广泛应用了AGV，AGV的使用不仅解决了运输货物的混乱局面，而其提高了系统的运输能力1。目前，国内的应用也已近开始，但其应用的广泛程度还需加深，因此，对AGV的功能还亟待进一步的开发和研究。1.1.2 搬运小车的研究现状国物流与采购联合会的中国物流年鉴（2003）中队自动化物流系统定义为：自动化物流是集光机电信息技术为一体的系统工程，随着信息技术的发展，它具有更广阔的外延，典型的自动化物流技术主要包括自动化立体仓库系统、自动输送系统、自动引导车系统AGVS、机器人作业系统和自动控制系统等。这些自动化物流系统涉及各种相关的技术，主要包括自动仓库技术、分拣自动化技术、自动引导车（AGV）技术等2。自动引导小车，是一种物料搬运设备，是能在一位置自动进行货物的装载，自动行走到另一位置，自动完成货物的卸载的全自动运输装置。其是以电池为动力源的一种自动操纵的工业车辆。装卸搬运是物流的功能要素之一，在物流系统中发生的频率很高，占据物流费用的重要部分。因此，运输工具得到了很大的发展，其中自动引导小车的使用场合最广泛，发展十分迅速。目前自动引导小车在国内外引起了广泛的关注，并且也已近应用到了一些行业，比如烟草、汽车制造行业，其潜在的应用领域还包括报业、钢铁、港口、物流配送、娱乐以及饮料生产领域，特别是在全自动物流帮运上。采用自动运输业提高了运输过程中的安全性。对于人力搬运而言，在搬运过程中的任何小小的失误，都可能造成搬运人员的人身伤害。自动引导小车不仅可以在无人监控的状态下正常运行，同时也可以通过在车的四周装上一些避障传感器来有效地躲避障碍物，有效地将人员的伤害降到了最低点。自动引导小车(AGV)是伴随着柔性加工系统、柔性装配系统、计算机集成制造系统、自动化立体仓库而产生并发展起来的3。日本人认为1981年是柔性加工系统元年，这样计算AGV大规模应用的历史也只有15至20年。但是，其发展速度是非常快的。1981年美国通用公司开始使用AGV，1985年AGV保有量500台，1987年AGV保有量3000台。资料表明欧洲40%的AGV用于汽车工业，日本15%的AGV用于汽车工业，也就是说AGV在其他行业也有广泛的应用4。AGV在我国的研究及应用起步较晚，20世纪70年代后期，北京起重运输机械研究所研制了三轮式AGV5；80年代后期，北京机械工业自动化研究所为二汽研制了应用在立体化仓库中的AGV；沈阳自动化研究所为金杯汽车公司研制了汽车发动机装配用的AGV；90年代，清华大学国家CIMS工程中心将冲国外引进的AGV成功的应用于CIMS的实验研究；清华大学计算机技术应用系研制了用于邮政中心的AGV6；昆明航舶设备研究所研制了激光导向式AGV以及吉林工业大学智能车辆课题组为汽车装配研制了视觉导向AGV等。随着电子技术和控制技术的发展，AGV的技术在不断进步，应用领域也不断扩展。但其在国内的运用还不是很普及，特别是在物流这方面，由此来看，自动运引导还是很大的市场、有很大的研究价值。利用单片机技术、电机驱动技术、无线技术、声音识别技术等知识设计一个基于单片机的声音引导系统，控制小车在特定声音的引导下进行运动并到达指定的位置。其涉及的知识面较广，它涵盖了电子、机械、通信、软件学等领域。通过本次设计掌握一般自动控制系统的软件（如C语言、汇编语言），硬件（如电机驱动电路、放大比较电路、抗干扰电路）的设计原理及实现方法，能提高对系统设计的总体调试和整体把握能力，熟悉系统的开发安装调试过程，为今后的工作打下基础。1.2 设计目的利用单片机技术、电机驱动技术、无线技术、声音识别技术等知识设计一个基于单片机的声音引导系统，控制小车在特定声音的引导下进行运动并到达指定的位置。其涉及的知识面较广，它涵盖了电子、机械、通信、软件学等领域。通过本次设计掌握一般自动控制系统的软件（如C语言、汇编语言），硬件（如电机驱动电路、放大比较电路、抗干扰电路）的设计原理及实现方法，能提高对系统设计的总体调试和整体把握能力，熟悉系统的开发安装调试过程，为今后的工作打下基础。1.3 系统的设计任务与要求本系统要求，确定如下方案：在电动车的基础上，加装光电检测器，实现对电动车的速度、位置、运行状况的实时测量，并将测量数据传送至单片机进行处理，然后由单片机根据所检测的各种数据实现对电动车的智能控制。这种方案能实现对电动车的运动状态进行实时控制，控制灵活、可靠，精度高，可满足对系统的各项要求。（1）小车有人工装货从起始地点出发，能够实现自动引导运货。（2）遇到地上有金属会发出声光信息。（3）能够实现自动的避障功能，防止碰撞（4）能实现自动的入库功能（5）小车最终能够从起始地点运货经过指定路线，避开障碍物到达仓库卸货实现自动引导运货，小车运货路径图如图1-1。图1-1 小车线路图1.4 设计方法（1）设计控制核心：自动引导小车的引导技术可以说是其核心技术，是实习真正的智能化和完全自主移动的关键。目前，AGV常用的导航方式主要有埋线磁感应导航方式、激光导引方式等等，本文中的小车采用的是光学检测引导方式，就是在运行路径上铺设一条有稳定饭馆率的色带，在车上设有光源发射和接收反射光的光电传感器，通过对检测到的信号进行比较，调整车辆的运行方向。小车在运行中还需要辅助一些其他的譬如避障，寻光等电路才能保证小车的自动行驶的整个过程的安全，其中自动入库也是本文的一个重点，采用的是寻光技术。本系统STC89C52为主控芯片，通过STC89C52采集硬件电路的电信号，通过单片机的处理后发送指令给电机，控制小车的行走路径，从而达到小车的自动引导。（2）设计声音光源检测装置：采用ST178放大器自制完成。自制光源检测装置，不仅可以使空间配置最优，还可以降低花费，虽然精度不能与专业声音接收装置相比，但对本系统来说，性能足矣。（3）设计键盘显示装置：采用自制键盘完成。采用自制键盘不仅可以完成系统设计要求，而且可以节省主控芯片资源，大大降低系统负担，增加系统的实时性。2 模糊PID控制原理在工程实际应用中，应用最广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称为PID调节。PID控制器问世至今已有几十年历史，它以结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一7。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型，控制理论的其他技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制。其控制规律为： 式中：比例系数；积分时间常数；微分时间常数。然而，PID控制器简单的结构，使它特别适于纯一阶或二阶过程，对于工业被控对象广泛存在的高阶，时延，非线性等却不能提供好的控制性能。模糊PID控制结合了传统PID控制和模糊控制的双重特性，在更广泛的范围里提高了控制器的控制性能，使人们仍能充分利用传统PID控制器性能特性的知识。与传统控制相比，模糊控制有两大不可比拟的优点：一是模糊控制在许多应用中可以有效且便捷地实现人的控制策略和经验；二是模糊控制可以不需被控对象的数学模型即可实现较好的控制，这是因为被控对象的动态特性已隐含在模糊控制器输入，输出模糊集及模糊规则中。2.1 模糊PID参数控制原理在工业控制中，许多被控对象因其本身受干扰因素多，因而对象的时变性和非线性等差异很大。所以其数学模型的精确参数不易确定，数学模型很难建立，以至于现代控制理论对这类复杂被控对象进行分析和综合非常困难。因此在工业控制中目前大量采用的控制方式还是PID控制，它们大都根据对象特性来确定PID的参数。但这样得到的还不是最佳PID参数，往往还需要进行人工在线整定，而人工整定PID参数是一件非常棘手的工作，由于操作者经验不易精确描述，控制过程中各种信号量以及评价指标不易定量表示。所以人们运用模糊数学的基本理论和方法，把规则的条件、操作用模糊集表示，最终运用模糊推理即可实现对PID参数的最佳调整8。模糊控制器的控制规则是基于手动控制策略，利用模糊集合理论和语言变量的概念可以把利用语言归纳的手动控制策略上升为数值运算。于是，可以采用计算机完成这个任务以代替人的手动控制，实现模糊自动控制。利用语言归纳手动控制策略的过程，实际上就是建立模糊控制器自整定控制规则的过程。运用模糊推理，即可自动实现对PID参数的最佳调整，这就是基于模糊控制的PID参数自整定方法。基于模糊控制的PID参数自整定控制器以偏差e和偏差变化作为输入，可以满足不同时刻的e和对PID参数自整定的要求。利用模糊控制规则在线对PID参数进行修改，便构成了基于模糊控制的PID参数自整定控制器。2.2 输入值的模糊化模糊自整定PID控制器是在fuzzy集的论域中进行讨论和计算的，因而首先要将输入变量变换到相应的论域，并将输入数据转换成合适的语言值，也就是要对输入量进行模糊化。根据该规则可把实际偏差e、偏差变化率对应的语言变量表示成模糊量。e、的基本论域为-6，+6，将其离散成13个等级即-6，-5，-4，- 3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6。考虑到控制的精度要求，设计将-6，+6分为负大NB、负中NM、负小 NS、零ZO、正小PS、正中PM、正大PB等7个语言变量，然后由e、得出相应的模糊变量。2.3 模糊规则控制表的建立2.3.1 控制规则设计在PID控制器中，值的选取决定于系统的响应速度。增大能提高响应速度，减小稳态误差；但是，值过大会产生较大的超调，甚至使系统不稳定，减小可以减小超调，提高稳定性，但过小会减慢响应速度，延长调节时间。因此，调节初期应适当取较大的值以提高响应速度，而在调节中期，则取较小值，以使系统具有较小的超调并保证一定的响应速度；而在调节过程后期再将KP值调到较大值来减小静差，提高控制精度。的控制规则如表2.1所示。表2.1 的控制规则eecNBNMNSZOPSPMPBNBPBPBPMPMPSZOZONMPBPBPMPSPSZONSNSPMPMPMPSZONSNSZOPMPMPSZONSNMNMPSPSPSZONSNSNMNMPMPSZONSNMNMNMNB2.3.2 控制规则设计在系统控制中，积分控制主要是用来消除系统的稳态误差9。由于某些原因（如饱和非线性等），积分过程有可能在调节过程的初期产生积分饱和，从而引起调节过程的较大超调。因此，在调节过程的初期，为防止积分饱和，其积分作用应当弱一些，甚至可以取零；而在调节中期，为了避免影响稳定性，其积分作用应该比较适中；最后在过程的后期，则应增强积分作用，以减小调节静差。依据以上分析，制定的控制规则如表2.2所示。2.3.3 控制规则设计微分环节的调整主要是针对大惯性过程引入的，微分环节系数的作用在于改变系统的动态特性。系统的微分环节系数能反映信号变化的趋势，并能在偏差信号变化太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快响应速度，减少调整时间，消除振荡，最终改变系统的动态性能。因此，值的选取对调节动态特性影响很大。值过大，调节过程制动就会超前，致使调节时间过长；值过小，调节过程制动就会落后，从而导致超调增加。根据实际过程经验，在调节初期，应加大微分作用，这样可得到较小甚至避免超调；而在中期，由于调节特性对值的变化比较敏感，因此，值应适当小一些并应保持固定不变；然后在调节后期，值应减小，以减小被控过程的制动作用，进而补偿在调节过程初期由于值较大所造成的调节过程的时间延长。依据以上分析，制定的控制规则如表2.3所示。表2.2 控制规则eNBNMNSZOPSPMPBNBNBNBNMNMNSZOZONMNBNBNMNSNSZOZONSNBNMNSNSZOPSPSZONMNMNSZOPSPMPMPSNMNSZOPSPSPMPBPMZOZOPSPSPMPBPBPBZOZOPSPMPMPBPB表2.3 控制规则eNBNMNSZOPSPMPBNBPSNSNBNBNBNMPSNMPSNSNBNMNMNSZONSZONSNMNMNSNSZOZOZONSNSNSNSNSZOPSZOZOZOZOZOZOZOPMPBNSPSPSPSPSPBPBPBPMPMPMPSPSPB3 系统总体框架设计根据设计要求，本小车系统的硬件电路主要由控制器模块、电源模块、路线引导模块、直流电机及其驱动模块构成。为较好的实现各模块的功能，我们分别设计了几种方案并分别进行了论证和实现。3.1 方案选择与论证3.1.1 声音引导总体方案的选择方案一：简单信号控制。通过误差信号的正、负和零确定给予小车的控制指令前进、后退和停止，这种方案简单易行，如果小车速度过快，由于惯性的影响会使得系统的超调过大，但如果降低小车的速度会使系统的时间延长。 方案二：使用模糊控制。将在车上设有光源发射和接收反射光的光电传感器，将这个论域分成几个模糊子集，对于求出的不同的时间差值，在超调量的要求下，制定模糊规则表，控制小车的行进速度和行进方向。可以再超调量满足要求的情况下，反应时间最小。 由于使用模糊控制会使系统的超调量和反应时间做良好的协调，所以选择方案二。3.1.2 电机模块的选择方案一：采用直流电机,直流电机具有最优越的调速性能，主要表现在调速方便（可无级调速）、调速范围宽、低速性能好、运行平稳、噪音低、效率高等方面。方案二：采用步进电机，其具有控制简单、定位精确、无积累误差等优点。但它在运行时噪音大、高速扭矩小、启动频率低、价格较高。方案三：采用直流减速电机。直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便。由于其内部由高速电动机提供原始动力，带动变速（减速）齿轮组，可以产生大扭力。电机是实现电动车运动的核心部件，它的选择影响整个系统的性能。根据该系统的要求，选用方案三。考虑到整个电路部分的稳定性和抗干扰性以及性价比，选用方案二。3.1.3 线路引导模块的选择方案一：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，光线发射强烈，光线照射到黑线上面时，光线发射较弱。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。将阻值的变化值经过比较器就可以输出高低电平。但是这种方案受光照影响很大，不能够稳定的工作。因此我们考虑其他更加稳定的方案。方案二：用红外发射管和接收管自己制作光电对管寻迹传感器。红外发射管发出红外线，当发出的红外线照射到白色的平面后反射，若红外接收管能接收到反射回的光线则检测出白线继而输出低电平，若接收不到发射管发出的光线则检测出黑线继而输出高电平。这样自己制作组装的寻迹传感器基本能够满足要求，但是工作不够稳定，且容易受外界光线的影响，因此我们放弃了这个方案。方案三：用ST178型光电对管。ST178是一种一体化反射型光电探测器，其发射器是一个砷化镓红外发光二极管，而接收器是一个高灵敏度，硅平面光电三极管，此方案制作简单，稳定性高，所以选择此方案。3.1.4 金属检测方案的选择方案一：利用金属会改变的电感的感抗原理，根据LC振荡电路的原理，荡电路中的L或者C的大小变化将引起振荡电路的工作形态变化。当有金属接近电感时，电感值会发生相应的变化。只要能检测到电感的变化，就可以完成对金属的检测，但这种方案在实践测金属时对电感的影响不是很明显，二而且受环境的影响也很大。方案二：利用电容式金属传感器，该金属传感器为NPN常开行传感器，测量距离为4mm、结构简单、易于装配、使用方便。3.2 系统总体设计3.2.1 系统总体结构框图系以及实现方法经过方案比较与论证，本系统采用STC89C52单片机作为主控制器。本系统的小车采用的是光学检测引导方式，就是在运行路径上铺设一条有稳定饭馆率的色带，在车上设有光源发射和接收反射光的光电传感器，通过对检测到的信号进行比较，调整车辆的运行方向。小车在运行中还需要辅助一些其他的譬如避障，寻光等电路才能保证小车的自动行驶的整个过程的安全，其中自动入库也是本文的一个重点，采用的是寻光技术。本系统STC89C52为主控芯片，通过STC89C52采集硬件电路的电信号，通过单片机的处理后发送给电机，控制小车的行走路径，从而达到小车的自动引导。系统总体框架图如图3-1所示。图3-1 系统总体框架图4 硬件系统的设计硬件部分主要由STC89C52单片机控制核心，通过PWM调制技术控制电路，电机驱动电路，光线检测电路，金属检测电路，电机驱动模块电路，声音产生电路等组成。4.1 主控模块介绍采用89C52单片机作为主控制器。89c52是一个低功耗，高性能的8位单片机，具有8K的Flash程序存储器，32个IO口，2个8位可编程定时计数器，1个16位可编程定时计数器，内部Flash可擦除10000次以上。且51系列的单片机可以在线编程、调试，方便地实现程序的下载与整机的调试, 且经济实惠。89C52是片内有ROM/EPROM的单片机，因此，这种芯片构成的最小系统简单可靠。用80C52单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，如图4-1所示 89C52单片机最小系统所示。由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。其应用特点如下(1) 有可供用户使用的大量I/O口线，(2) 有8K的Flash程序存储器，(3) 512的RAM数据存储器(4) 有看门狗、ISP、IAP、1K的EEPROM，(5) 有八个中断源，三个定时器(6) 全双工UART串行通道(7) 低功耗空闲和掉电模式(8) 10000次擦写周期图4-1单片机最小系统4.2 线路引导模块电路设计与实现用ST178型光电对管。ST178是一种一体化反射型光电探测器，其发射器是一个砷化镓红外发光二极管，而接收器是一个高灵敏度，硅平面光电三极管。如图4-2所示ST178采用DIP4封装，其具有如下特点：1）采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成2）检测距离可调整范围大，410mm可用3）采用非接触检测方式4）体积小，结构紧凑图4-2 ST178实物图和其检测距离与效率关系当发光二极管发出的光反射回来时，三极管导通输出低电平。此光电对管调理电路简单，工作性能稳定。因此本设计采用3个ST178对光电传感器就能完成设计要求，这三个ST178当寻到黑线时发光二极管不亮，经过比较器后输出高电平送单片机的P口用来校正小车的寻迹路线，保证小车运行的直线性。车轮处的传感器通过光码盘记录小车的运行速度和里程数。其电路工作原理如下：当ST178寻到的是白线时发出的红外光放射到晶体管使其导通，此时经过比较器LM311输出为低电平发光二极管D1亮，当寻到的是黑线时ST178发出的红外光被黑线吸收无法放射到晶体管，此时晶体管不处于截止状态，经比较器输出的为高电平送P口，且发光二极管D1不亮。通过三个这三个端口的高低电压来判断小车的运行状态。线路引导电路图如图4-3所示：图4-3 循迹电路图4.3 光源产生电路的设计与实现采用光敏电阻，光敏电阻的阻值随照射在光敏电阻的光强的变化而变化，通过测量阻值的大小可以测量光的强度，光敏电阻的线性度比较好。光敏电阻的工作原理如下：在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子空穴对增加了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。光照愈强，阻值愈低。入射光消失后，由光子激发产生的电子空穴对将逐渐复合，光敏电阻的阻值也就逐渐恢复原值。本设计中可以使用三个光敏电阻对着左中右三个方向，当那个方向寻到光时该方向的发光二极管亮，如图4-4所示的寻光原理图，当某个方向检测到光源时，此时该光敏电阻的阻值变小，则比较器2脚上的电压为高电平，通过比较器后输出为高电平送单片机控制口，此时发光二极管D1亮；当没有寻到光源时，光敏电阻的阻值非常大，则比较器2脚上的电压为低电平，通过比较器输出为低电平送单片机控制口，此时发光二极管D1不亮。其电路原理图如图4-4所示。图4-4 寻光电路图4.4 声音产生电路的设计与实现单片机的GPIO口输出方波信号。当输出高电平时，三极管导通；当输出低电平时，三极管截止。三极管以一定频率导通和截止，使扬声器产生一定频率的声音信号。声音产生电路的硬件电路如图4-5所示。 图4-5 声音产生电路的硬件电路图4.5 电机驱动电路的设计与实现采用专用芯片L298作为电机驱动芯片。L298是一个具有高电压大电流的全桥式驱动器驱动芯片，它相应频率高，一片L298可以分别控制两个直流电机，而且还带有控制使能端。L29