智能语音导航小车技术报告.doc

第六届全国信息技术应用水平大赛技术报告智能声音导航避障小车技术报告摘要为了实现智能小车的声源定位导航与避障功能，设计了可精确定位移动声源的智能避障小车平面定位导航系统。该系统由智能小车、声音传感模块、超声波传感模块和MCU控制器等构成，其智能小车的控制不受光线限制，在只有声音作为引导信号的情况下，可以实现无线的车体定位与避障的自动控制功能。该系统具有设计简单易于实现，低成本和低功耗等特点，在国防安全、自动避障、移动机器人、地震研究、全球定位系统等方面具有重要应用。声源定位与超声波避障是一个既有明确应用背景又有前沿技术的科学研究。关键词声源定位 自动控制 智能避障 超声波 前沿技术abstract in order to realize intelligent car sound orientation navigation and obstacle avoidance function, the design can be accurate location of the sound source mobile intelligent obstacle avoidance plane positioning car navigation system. The system by intelligent sensor module of car and voice, the ultrasonic sensor module and MCU controller, etc intelligent control of the car from the light restrictions, only as a guide in voice signal, it can realize the wireless location and the body of an obstacle avoidance of automatic control function. The system has the design simple easy to realize, low cost and low power consumption and other characteristics, in the defense security, automatic obstacle avoidance, mobile robots, earthquakes, global positioning system has important application. Source orientation and ultrasonic obstacle avoidance is both an application background and clear edge technology scientific research.key words sound positioning automatic control intelligence obstacle avoidance ultrasonic frontier technologies第一章 引言61.1概述61.2本文结构7第二章 系统设计72.1系统方案介绍72.2系统总体结构7第三章 电路的设计与实现93.1车模的选择与论证93.2电源模块设计103.3驱动模块113.4舵机驱动模块133.5声音传感器模块143.6避障模块173.7声源模块183.8单片机最小系统18第四章 软件系统设计184.1 C8051F020控制软件主要理论184.2软件系统总体设计204.3程序设计214.3.1程序流程图214.4寻向与算法224.4.1声源定位与算法224.4.2超声波避障与算法244.5系统控制244.5.1小车转向角控制25第五章 开发制作与调试265.1开发工具265.1.1软件开发平台265.2系统调试285.2.1硬件调试285.2.2软件调试28第六章 结论296.1总结296.1.1智能车的制作296.1.2存在问题296.1.3心得体会29参考文献32第一章 引言这份技术报告中，包含了我们从认识信息技术大赛到设计制作出整个智能车系统的全部心血，这份技术报告记录了我们对本项赛事的认识、选择传感器的依据、对车模的机械研究及改造、整体方案的形成、硬件电路的设计、程序算法、艰辛的调试过程，详尽地阐述了我们的思想和创意，具体表现在电路的不断改进、算法的不断优化等。这份技术报告凝聚了我们团队的劳动成果和智慧。在比赛期间，我们不断补充各方面的知识，包括控制类、传感器技术、汽车电子、电气、计算机、机械结构等多个学科，这次比赛的整个准备过程对我们的各方面知识的融合、实践动手能力以及创新思维的培养都有极大的推动作用。1.1概述为检验ITAT教育工程的人才培养效果，同时为广大的青年学生提供一个展示个人信息技术应用水平的平台，教育部教育管理信息中心自2005年以来，在全国范围内举办ITAT教育工程就业技能大赛。大赛的举办得到了教育部有关领导的高度重视，相关司局的大力支持，也得到了各省教育厅和各有关院校的积极响应，更得到了参赛师生的广泛好评，累计参赛学校超过3000所，参赛规模近60万人次，取得了良好的社会效果。为此，中心定于2011年5月12月在原ITAT教育工程就业技能大赛的基础上举办第六届全国信息技术应用水平大赛。今年在原有的比赛项目中新增了团体赛，本项比赛内容为产品设计与制作，采用开放式、场外作业、提交作品与论文的方式进行。每队选手在大赛指定开发板上自行设计完成一个作品（开发板包括以80C51F芯片为控制核心的单片机开发板和以STM32F103X芯片为控制核心的嵌入式开发板两种，每个参赛队任意选择一种），本项比赛重点考察学生电子产品设计、安装、调试等的基本能力，考察学生实践创新意识、团队协作意识、自主学习能力、解决实际工程问题的能力和综合工程实践素养。1.2本文结构本篇技术报告采用先总后分的写法，先对系统总体设计思路进行介绍，然后分别对各部分模块进行介绍，突出强调了设计详细方案、系统创新、硬件电路设计和软件编程。本文除引言之外有六个章节，第一章为引言，第二至五章为主体部分，对系统、各模块方案、硬件和软件设计进行了详细介绍，并对调试方法和调试过程进行了说明；第六章为总结，主要说明我们在设计过程中遇到的问题和解决办法，以及还存在的问题和心得。第二章 系统设计2.1系统方案介绍系统采用Silicon的8位微控制器C8051F020单片机作为核心控制单元用于智能车系统的控制,在声音传感器模块接收到声源发出的声音之后,主控芯片根据三个传感器采回声音的时间差，依据声源定位算法,在准确定位声源平面坐标后，控制舵机转向角度和直流电机驱动智能小车到达声源位置，在行驶过程中超声波传感器对前方道路进行障碍探测，如果道路前方有障碍，控制舵机转向与直流电机驱动，重新定位可移动声源目标。为了使智能车能够准确地发达声源目标，指定控制策略时必须把声源位置的判断、相应的伺服电机控制以及直流驱动电机的控制精密地结合在一起。不论是传感器数据的错误采集和识别，还是转向伺服电机控制的失当，都会造成智能车不能准确地到达目标声源；如果直流电机的驱动控制效果不好，还会造成电机不能正常驱动，速度上不去停机现象，错误的认为没有传感器采集数据失败，智能车不能正常转向驱动等问题。2.2系统总体结构系统结构图：按照预先的设计，我们设计了整个系统的结构图。系统力求简单高效，在满足我们需要实现的功能与要求的情况下，使硬件结构最简单，减少因硬件而出现的问题。系统结构图如图2.212.21系统总体结构图本硬件系统主要由几部分组成：（1） 中央处理器单元我们使用的核心单片机是C8051F020，是Silicon公司的 C8051F02系列之一。C8051F020单片机是完全集成的混合信号系统级MCU芯片， 具有64 个数字I/O 引脚；高速、流水线结构的8051 兼容的CIP-51 内核（可达25MIPS）；12 位ADC，8 位ADC，两个12 位DAC， 64KB程序闪存 ，4352字节的片内RAM ，可寻址64K 字节地址空间的外部数据存储器接口，具有5 个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列，完全满足设计需求，可以胜任大量的数据处理和控制工作，最小系统版由大赛组委会提供。（2） 声音传感器模块声音传感器模块，有我们自己设计量身打造，声音传感器将采集的声音信息传至单片机进行计算分析定位，从而用单片机来控制智能车准确到达目标。（3）避障模块通过避障传感器探测道路情况，及时将信息反馈给单片机，由单片机作出相应响应，避开障碍物，使得智能车准确到达目标。（4）电源模块为单片机和各个电路模块提供稳定电源，保证各模块正常工作。（5）舵机驱动模块对智能车上的舵机进行驱动，达到快速准确控制行驶方向。（6）电机驱动模块对智能车上的电机进行驱动，控制智能车的速度。第三章 电路的设计与实现从最初进行硬件电路设计时我们就既定了系统的设计目标：可靠、高效、简洁，在整个系统设计过程中严格按照规范进行。可靠性是系统设计的第一要求，我们对电路设计的所有环节都进行了电磁兼容性设计，做好各部分的接地、滤波等工作，将高速数字电路与模拟电路分开，使本系统工作的可靠性达到了设计要求。3.1车模的选择与论证方案一：自己制作车模。可以根据自己的实际需要购买相应零件制作合适大小的小车，制作选择余地较大，可以自由发挥！但是比赛时间有限，自己制作车模会耗费大量人力、物力与时间，而且对车模的制作要有比较丰富的经验，确保车模在机动性能、机械构造等总体上能满足要求，相对来说还是比较繁琐的！方案二：使用现有车模。由于近几年学院都在组织学生参加“飞思卡尔智能汽车”大赛，每年都购买了相应的车模，这对我们来说就可以直接利用空置的车模。车模都带有舵机、电机、编码器等零部件，省去了自己做车模的繁琐，为比赛争取了时间，虽然车模不是很大，很多外接设备与模块需要自己去搭建，但是对于我们的设计已经能完全满足要求！ 据以上分析，我们最终选择了“飞思卡尔智能汽车”大赛的现有车模！3.2电源模块设计电源是一个系统正常工作的保障，关系着小车是否能正常的运行。我们使用的是7.2V 2000mAh Ni-Cd电池供电，由于电路中的不同电路模块所需要的工作电压和电流容量不相同，因此电源模块应包含多个稳压电路，将充电电池电压转换成各个模块所需要的电压。单片机需要3.3V电压，传感器需要5V电源，舵机需要7.2V电源，电机驱动模块则需要7.2V和5V电源，因此我们需要稳压芯片降低电压以提供给各个模块使用。 我们常用的集成三端稳压芯片有两种：线性稳压芯片和开关型稳压芯片。线性稳压芯片的特点是反应速度快、输出纹波小、发热量大、效率较低，例如78XX系列。开关型稳压芯片则功耗小，效率高，但是输出纹波大，电路复杂，例如LM2576、LM2596等。 经过大量选型和测试过后，我们选择了LM2940和LM2941。LM2940为低压差线性稳压器件，最大输出电流1A，经过LM2940稳压后，输出5V传感器等供电，在经过AMS1117三端稳压芯片输出3.3V为单片机供电，为了获得最佳的转向性能，我们将转向舵机直接由电池供电。如图下图为电源模块基本电路图。图3.21电源模块原理图3.3驱动模块通过电机驱动模块，控制驱动电机两端电压来对模型车进行驱动。电机驱动采用BT7970作为驱动芯片，在选用驱动芯片时，我们先使用了BTS7960全桥驱动。图3.31 BTS7960各引脚功能图3.32 BTS7960的全桥驱动电路示意图BTS7960的芯片内部为一个半桥。INH引脚为高电平，使能BTS7960。IN引脚用于确定哪个MOSFET导通。OUT引脚输出低电平。SR引脚外接电阻大小，可以调节MOS管导通和关断的时间，具有防电磁干扰的功能。（a）正常模式下 （b）故障条件下图3.33 BTS7960电流检测影响IS的工作原理图但是在后来的整车调试中发现7960的驱动能力不如7970强，为了获得更大的驱动能力，我们最终选择了BTS7970做为驱动芯，该芯片最大输出电流为63A，导通内阻为16毫欧，具有逻辑电平输入、电流诊断、斜率调节、死区时间产生和过温、过压、欠压、过流及短路保护的功能，其外围电路与7960的电路基本一致，此次系统中我们用两片驱动芯片连成全桥电路，实现电机正反转功能，其电路图为：图3.34电机驱动模块3.4舵机驱动模块在模型车上，舵机的输出转角通过连杆传动控制前轮转向。车模采用S3010伺服器，工作电压7.2V。影响舵机控制特性的一个主要参数是舵机的响应速度即舵机输出轴转动角速度，S3010伺服器响应速度为0.02S/60度。控制舵机的脉冲可以使用C8051F020产生PWM波，通过改变PWM占空比系数可以改变输出脉冲的宽度，而脉冲信号的宽度决定舵机输出舵盘的角度。3.5声音传感器模块声音传感器使用的是与人类耳朵相似的具有频率反应的麦克风，它用来接收声波，感测声音的震动信号。声音传感器包含一个对声音敏感的电容式驻极体话筒声波使话筒内的驻极体薄膜震动，导致电容的变化，而产生与之对应变化的微小电压方案一：模拟信号输出通过声音传感器的信号经LM386放大与滤波采用模拟输出信号输入单片机I/0口，由于C8051F020单片机具有8位与12位AD转换，可以对声音传感器的声信号进行确的采样输出，进行精确的分析处理，对微弱信号有较强的处理能力，缺点就是程序比较繁琐，采样有点困难。 方案二：数字信号输出通过声音传感器的信号经LM386放大滤波后再经LM393电压比较器比较输出数字信号给单片机，单片机易于处理，运行效率高，程序相对比较简单，可以通过调节电压比较器的阀值来改变传感器对外界声音信号的灵敏程度，在一定程度上起到了抗干扰的作用。通过比较，起先我们采用的是方案一，但是由于对C8051F020的AD采样转换不熟悉，导致每次采样的值不准确或者不能才回来，程序也相对繁琐，最终我们采用了方案二，通过数字信号输出给单片机I/0口进行数据处理，大大简化了程序，最后经过大量的硬件调试，已基本能满足我们的要求。图3.51驻极体话筒图3.52驻极体话筒结构图图3.53声音传感器工作方框图图图3.53声音传感器原理3.6避障模块方案一：红外避障红外线具有较强的穿透能力和能贯穿某些不透明物质等，红外线具有很强的发射和接收能力，红外传感器避障的基本原理是发光管发出红外光，光敏接收管接收前方障碍反射光，据此判断是否有障碍物，根据反射光的强弱可以判断物体的距离，距离越近则反射光强，距离越远则反射光弱。但是红外传感器受器件特性的影响，一般的红外光电开关抗干扰性差，受环境光影响较大；并且，探测物体的颜色、表面光滑程度不同，返回的红外线强弱就会有所不同。方案二：超声波避障超声波传感器价格低廉，其性能几乎不受光线、粉尘、烟雾、电磁干扰的影响，并且，金属、木材、混泥土、玻璃、橡胶和纸等可以反射近乎100%的超声波，因而，可以用来探测物体。超声波测距的方法为回声定位法，发射换能器不断发射声脉冲，声波遇到障碍后反射回来被接收换能器接收，根据声速及时间差计算出障碍物的距离。通过对比论证，我们选择了方案二。采用现成的超声波模块，该模块可提供 2cm-400cm 的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到 3mm。模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。图3.61超声波模块实物图3.7声源模块声源的选择也是关系到我们作品的成败的关键因素之一，不同的声源发声信号的频率、振幅大小不同而直接影响到我们声音传感器能否正常接收，一个声音信号源可能会产生多个中断源，这直接影响到了我们声音传感器的接收识别与程序的处理，我们通过实验和调试，发现通过延时拍手方式来产生声音信号效果较好。3.8单片机最小系统单片机最小系统部分使用大赛组委会统一提供的C8051F020最小系统板，100引脚封转，所有引脚均已引出，为减少电路板空间，板上仅将本系统所用到的引脚引出，包括PWM接口，外部中断接口，若干普通IO接口。图3.51为单片机最小系统板电路原理图的简化电路图第四章 软件系统设计4.1 C8051F020控制软件主要理论智能车的开发环境采用了通用51系列单片机开发软件KEIL系列的KEIL 4.0版本，配合Silicon公司的程序下载软件与初始化配置软件，使用起来非常方便，避免了之前需要很多代码来初始化的繁的过程。通过配置软件配置，在KEIL界面完成编译后，通过适配器向C8051F020最小系统下载程序，工具使用简单，十分方便。图4.11初始化配置软件界面图4.12程序下载软件界面4.2软件系统总体设计在整个系统设计中，用到了该单片机的4个基本功能模块：PWM输出模块、TIMER（定时器）模块、普通IO端口、外部中断口，现在程序初始化配置软件中进行设置对用到的模块进行初始化，设置好后关闭，然后便可以编写程序。为实现所期望的功能所需芯片资源如表4.21所示中断口外部中断P0.0、P3.6、P3.7声音传感器1、2、3Timer模块定时器0PWM波控制舵机定时器1电机正转定时器2电机反转定时器3声音传感器接收时间差普通IO端口模块P0.0、P1、P2.0、P2.1、P2.2、P2.5、P2.6、P2.7主要用于液晶控制和声音传感器表4.214.3程序设计4.3.1程序流程图图4.3.11程序流程图4.4寻向与算法寻向与算法为控制算法的核心内容，通过智能车上的三个声音传感器和一个超声波传感器，进行声源准确定位与车体行驶过程避障。4.4.1声源定位与算法通过设置声音传感器中LM393电压比较器的阀值，调节灵敏度来控制输出信号对声音强度的响应度。再由在智能车上分布的三个声音传感器进行声音的采集，通过声源声音到达各传感器时间不同而得到时间差值来进行声源的判断与定位。主要有以下两种方案：方案一：坐标定位通过改变三个接收模块的位置，可以实现一种利用三个麦克风确定坐标位置的方法。在声源定位算法的应用中，使用最为广泛的是时延估计法。其基本原理是通过平面布设的传声器阵列，接收目标发出的声音信息，再根据一定的算法估计出目标的空间位置。二维空间声音定位最简单的模型是由三个麦克风组成的传感器线阵，如图4.4.11所示：ABCaaabaacPaa图4.1.11声源定位系统设计图A、B、C为三个驻极体麦克风及相应的放大转换电路，间距均为d,P为声源，由余弦定理可知： 设定环境中的声速已知(v340m/s),且麦克风A和B的接收声源信号的时延差为CB,则PA、PB、PC之间的关系为：PC=PB+vCB PA=PB+vAB 由上面的四个式子得：声源方向角b也可以通过上面的方程式解得，最终可以得到声源的平面坐标系。方案二：4.4.2超声波避障与算法采用 IO 口 TRIG 触发测距，给至少 10us 的高电平信号;模块自动发送 8 个 40khz 的方波，自动检测是否有信号返回；有信号返回，通过 IO 口 ECHO 输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间，测试距离=(高电平时间*声速(340M/S)/2。当遇到障碍物时，由单片机做出相应处理。4.5系统控制系统的控制分为小车转向角控制和电机驱动两部分。其控制部分的程序流程图如下图所示。图4.514.5.1小车转向角控制小车转向角的控制通过输入 PWM 信号进行开环控制。根据检测声信号到达传感器的时间差，判断出声源所在位置，按不同得区间给出不同得舵机 PWM 控制信号，小车转过相应得角度。在程序中预先创建控制表，超声波识别单元检测当前的路况，单片机根据检测声源位置与前方道路，然后给出相应的 PWM 信号控制舵机转向。本设计中，是先给出一个舵机中心位置 Angle_Center 的值，然后根据传感器检测到声源位置标与道路状况来给出得出舵机转角。第五章 开发制作与调试5.1开发工具程序初始化配置软件与下载软件是由Silicon公司的Configuration Wizard 2和U-EC5中文下载程序，程序编译器用的是KEIL 4.0版本。智能车的硬件开发工具主要为Peotel公司的09版本Altium Designer Winter 09,通过该软件完成原理图的绘制。在程序流程图与结构体的绘制上，我们选用的的Miscosoft公司的Visio 2003版本，该软件功能强大，使用方面，完全能满足我们的设计需求。5.1.1软件开发平台此次智能车的软件开发平台为Keil 4.0版本开发软件。其使用界面如图5.1.11所示图5.1.11 Keil 4开发平台Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。如果你使用C语言编程，那么Keil几乎就是你的不二之选，即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。5.2系统调试系统调试和实验室工程设计中一个很重要的环节，在完成系统和软件设计后要进行系统的调试，以检查系统的完整性和有效性。系统调试分为软件调试和硬件调试两部分。5.2.1硬件调试首先对硬件电路的电源部分，传感器部分以及驱动部分进行调试，电源部分的调试主要看其输出电压是否满足要求，传感器的调节主要是灵敏度的调节和安装位置的调整。接着就是调试舵机的中心值、左右最大极限以及转的方向是否正确，再接着就是检验电机的驱动是否工作正常，我们所用的方法是给一个恒定的PWM占空比，观察电机是否会转，如果转起来了再观察所捕捉到到的脉冲数是否稳定，如只有很小的波动说明其工作情况正常。最后对整车进行调试，采用一固定声源发声，在小车前进的道路中设置障碍物，让小车以一低速前进，转弯时保证有合适的舵机转角。在舵机转角过程中得到的经验值的基础上进行修改。利用软件对参数进行修改，提高智能车电机转速和修改舵机转角。如此反复进行，直到得到较为合适的经验值。先让小车行驶稳定，在此基础上逐步提高小车速度。5.2.2软件调试在软件设计中，根据之前的各模块的规划进行初始化设置，在编写程序前，要先对各个模块分别进行调试，并编写各部分的子程序。调试PWM口时通过示波器产生的波形是否完整，有无丢失脉冲的现象也可以由示波器观测到。我们的超声波模块在开始的调试中不能正常工作，也影响到了我们的声源定位，后来发现是电源问题，超声波模块不能和其共用电源在每一部分程序调试通过后，对所有子程序进行整合，编写出完整的主程序，编译完成之后，将程序下载到C8051F020处理器中，然后进行小车的调试。第六章 结论6.1总结我们队三人智能车的设计与制作是从2011年10月12日开始的，经过近一个月的努力，本组三个成员在指导老师的耐心指导下完成了整个设计过程。回顾这段时间的情况，我们从以下四个方面进行总结。6.1.1智能车的制作整部智能车的制作，从最初的方案讨论、传感器的选择，到方案确定，电路设计、控制策略的确定、算法的实现和调试，我们三名队员齐心协力，发挥各自的优点，分工合作，最后完成了整个制作过程。6.1.2存在问题一个良好的系统仍然需要不断完善和更新，为了保证车子能够稳定的安全地到达目的声源，智能车系统的设计还是在不断改进的过程。 声源的精确定位仍无法实现，由于声源因素，时间差的精确性仍有些出入。算法上还有很多需要做 驱动电机的闭环控制没有达到，动力不足不能正常转弯。程序的设计还有待提高。6.1.3心得体会自我们组队以来，每个成员都自觉地投入到智能车的调试制作过程中来。从问题的提出、分析、解决，到方案的优化、改进、创新，都体现了我们集体的智慧和团队的精神