51智能小车论文开题报告

麻省理工学院本科生毕业论文麻省理工学院本科生毕业论文 任务书、开题、文献综述和中期检查材料任务书、开题、文献综述和中期检查材料 题题 目：目： 基于基于 51 单片机的循迹避障小车的设计单片机的循迹避障小车的设计 学学 院：院： 电子信息学院 专业班级：专业班级： * 学学 号：号： * 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： 目录目录 任务书.1 开题报告书.2 文献综述.5 中期检查表.9 任务书任务书 * 同学： 经指导教师 * 推荐和毕业论文（设计）领导小组审查，你将承担的毕业论文 任务为 基于 51 单片机的循迹避障小车的设计 。为确保该课题的顺利开展，请你在 承接任务后，严格按照麻省理工学院本科生毕业论文（设计）规范要求和有关规定， 制订科学合理的工作计划，认真实施，并虚心接受指导老师的指导、督促、检查，力争 圆满完成你毕业论文（设计）任务，达到学士学位论文的各项要求。 电子信息学院 2019 年 10 月 05 日 开题报告书开题报告书 学生姓名学生姓名 专业班专业班 级级 电子信息工程 指指 导导 教教 师师 开题时开题时 间间 2016.01.10 课题名称课题名称 基于基于 5151 单片机的循迹避障小车的设计单片机的循迹避障小车的设计 研究目的和意义研究目的和意义 1 1）研究目的：）研究目的： 随着汽车工业的迅速发展，其与电子信息产业的融合速度也显著提高，汽车开始向 电子化、多媒体化和智能化方向发展，使其不仅作为一种代步工具、同时能具有交通、 娱乐、办公和通讯等多种功能。为了适应机电一体化的发展在汽车智能化方向的发展要 求，提出简易智能小车的构想。现智能小车发展很快，从智能玩具到其它各行业都有实 质成果。其基本可实现循迹、避障、检测贴片、寻光入库、避崖等基本功能。 目的在于：通过独立设计并制作一辆具有简单智能化的简易小车，获得项目整体设 计的能力，并掌握多通道多样化传感器综合控制的方法。设计的智能电动小车应该能够 具有自动寻迹、避障等功能。 1 1）研究意义：）研究意义： 1、加深课堂上的学习 由于单片机教学例子有限，因此，单片机智能车能综合学生课堂上的知识来 实践，使学习者更好的了解单片机的发展。通过此次的单片机循迹避障小车制作， 使学生从理论到实践，初步体会单片机项目的设计、制作、调试和成功完成项目 的过程及困难，以此学会用理论联系实际。通过对实践中出现的不足与学习来补 充教学上的盲点。 2、从理论转为实际运用 智能汽车是一种高新技术密集的新型汽车，是在网络环境下利用信息技术、 智能控制技术、自动控制、模式识别、传感器技术、汽车电子、电气、计算机 和机械等多个学科的最新科技成果，使汽车具有自动识别行驶道路、自动驾驶 等先进功能.随着控制技术、计算机技术和信息技术的发展,智能车在工业生产 和日常生活中已经扮演了非常重要的角色.近年来，智能车在野外、道路、现代 物流及柔性制造系统中都有广泛运用，已成为人工智能领域研究和发展的热点。 研究内容：研究内容： 1）系统设计：）系统设计： 小车采用后轮驱动，左右后轮各用一个直流减速电机驱动，通过调制后面两个轮子的 转速从而达到控制转向的目的在车体前部分别装有左中右三或者两个红外反射式传感器， 当小车左边的传感器检测到黑线时，说明小车车头向右边偏移，这时主控芯片控制左轮 电机减速，车体向左边修正，同理当小车的右边传感器检测到黑线时，主控芯片控制右 轮电机减速，车体向右边修正当黑线在车体的中间，中间的传感器一直检测到黑线，这 样小车就会沿着黑线一直行走。当小车遇到前方有障碍物时，立马停止前进。 2）硬件设计：）硬件设计： 2.1 主控芯片的选择 本次设计的主控芯片选择为 STC89C52，STC89C52 是一种低功耗高性能 8 位微控制 器，具有 8K 的系统可编程 Flash 存储器，使用高密度非易失性存储器技术制造，与 80C51 产品指令和引脚完全兼容，片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常 规编程器在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在线系统可编程 Flash，使得 STC89C52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活超有效的解决方案。 2.2 电机驱动模块的设计 电机采用直流减速电机，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。我们选择了后面两轮驱动，前面万向轮转向的小车，即后左右轮分别用两个 转速和力矩基本完全相同的直流减速电机进行驱动，车头前部装一个万向轮这样，当我 们通过 I/O 口控制两个直流减速电机的转速和转向时就可以实现小车的左转右转和直行 驱动模块采用专用芯片 L298N 作为电机驱动芯片，L298N 是一个具有高电压大电流的 全桥驱动芯片，其响应频率高，一片 L298N 可以分别控制两个直流电机，并通过程序对 电机进行 PWM 调速。 3.3 寻迹模块设计 寻迹模块我们可以用光敏电阻组成，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，因此当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，并在程序中进行处理，实现小车行驶方向的控制。 3.4 避障模块设计 避障传感器基本原理，和循迹传感器工作原理基本相同，利用物体的反射性质在 一定范围内，如果没有障碍物，发射出去的红外线，因为传播距离越远而逐渐减弱，最 后消失。如果有障碍物，红外线遇到障碍物，被反射到达传感器接收头。传感器检测到 这一信号，就可以确认正前方有障碍物，并送给单片机，单片机进行一系列的处理分析， 协调小车两轮工作，完成躲避障碍物的动作。 研究方法和技术路线：研究方法和技术路线： 控制电路主要由一片单片机组成。STC89C52 主要实现对路面黑线的检测，以纠正小 车的行走方向;以及控制小车匀速行驶。主要运用单片机 STC89C52 的知识，模电的相关 知识和了解感光循迹传感器的工作原理。 预期目标：预期目标： 1)1) 定好主体设计思路。 2) 实现小车PWM调速。 3) 能感知黑线，循迹前进，不断的调整方向。 4)能识别前方的障碍物并做出判断。 进展计划：进展计划： 1、2015 年 9 月 22 日：学生确定选题后，学生和指导教师主动联系，指导教师下达 毕 业论文任务书给相应的学生。 2、2015 年 11 月 23 日2014 年 12 月 22 日：进行课题调研和资料查阅，了解与论 文 相关的背景资料，在老师的指导下完成开题报告和文献综述的写作。 3、2016 年 5 月 1 日前：完成论文初稿，打印出论文初稿，并将其送指导老师审阅。 如若不合格，作者要根据指导老师评阅意见对论文进行修改和完善。 4、2016 年 5 月 10 日前：完成论文格式审查，上交定稿论文。 5、2016 年 5 月 22 日5 月 30 日：完成论文答辩及优秀毕业论文推荐工作。 指导教师意见：指导教师意见： 指导教师签字：指导教师签字： 20142014 年年 1010 月月 2222 日日 备注：备注： 文献综述文献综述 班级 姓名 学号 1.前言前言 智能化作为现代社会的新产物，是以后的发展方向，它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。 智能小车，也称轮式机器人，是一种以汽车电子为背景，涵盖控制、模式识别、 传感技术、电子、电气、计算机、机械等多科学的科技创意性设计，一般主要路径识别、 速度采集、角度控制及车速控制等模块组成。智能小车运用直流电机对小车进行速度和 正反方向的运动控制，运用直流电机对小车进行速度和正反方向的运动控制，通过单片 机来控制直流电机的工作，从而实现对整个小车系统的运动控制。智能小车就是通过传 感采集信号，将采集到的信号进行整理，传输给单片机，通过单片机编程控制小车做出 智能反应，集合了传感器技术，和自动控制技术1。 2.正文正文 智能车辆是集环境感知、规划决策、多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统，是 智能交通系统的一个重要组成部分。它在军事、民用、太空开发等领域有着广泛的应用 前景。本次设计对智能小车的控制系统进行了初步研究，设计实现循迹避障的智能小车 控制系统。 随着人工智能技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，智能控制必将迎来它 的发展新时代。机器人领域近几年有如下几个发展趋势： （1）性价比逐步提高，性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维 修），而单价不断下降。 （2）工业机器人控制系统向基于 PC 机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络 化。同时，器件集成度提高。从而，大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维护性。 （3）传感器的作用日益重要，除传统的位置、速度、加速度等传感器外，视觉、声 觉、力觉、触觉等多种传感器的融合技术已用来进行环境建模及决策控制。 （4）虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥 控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操作机器人。 （5）当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人 的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的操作系统，使智能机器人走出实验 室走入实用化阶段。 2 2.1.1 主控系统主控系统 方案 1：采用可编程逻辑器件 CPLD 作为控制器。CPLD 可以实现各种复杂的逻辑功能、 规模大、密度高、体积小、稳定性高、IO 资源丰富、易于进行功能扩展。采用并行的输 入输出方式，提高了系统的处理速度，适合为大规模控制系统的控制核心3。但本设计 不需要复杂的逻辑功能，对数据的处理速度要求也不是非常高。且从使用及经济角度考 虑我放弃了此方案。 方案 2：采用 51 单片机作为整个系统的核心，用其控制行进中的小车，以实现其既 定的性能指标。充分分析我们的系统，其关键在于实现小车的自动控制，而在这一点上， 单片机就显现出来它的优势控制简单、方便、快捷。这样一来，单片机就可以充分 发挥其资源丰富、有较为强大的控制功能及可位寻址操作功能、价格低廉等优点。因此， 这种方案是一种较为理想的方案4。 2 2. .2 2 电机驱动模块电机驱动模块 方案 1：采用继电器对电机得开或关进行控制，通过开关的切换对小车的速度进行调， 此方案优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、易损坏、寿命较短，可靠性 不高。放弃此方案。 方案 2：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 桥驱动芯片，一片 L298 可以控制两个直流电机，而且还带有控制使能端，能够控制电机 的转向和速度，用该芯片作为小车的电机驱动能够很好的控制小车，操作方便，稳定性 好，性能优良5。因此我选择此方案。 2 2. .3 3 电机选择电机选择 方案 1：采用步进电机作为该系统的驱动电机。由于其转过的角度可以精确的定位， 可以实现小车前进路程和未知的精确定位。虽然采用步进电机有诸多有点，但步进电机 的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，其转速较低，不 适用于对小车有一定速度要求的系统6。经考虑比较后，我放弃此方案。 方案 2：采用小型直流减速电机。直流减速电机转动力矩大，转动速度较快，体积小， 重量轻，装配简单，使用方便，满足此次设计要求。因此我选择此方案。 2 2. .4 4 避障模块避障模块 方案 1：采用一只红外对管置于小车中央。其安装简易，也可以检测到障碍物的存在， 但难以确定小车在水平方向上是否会与障碍物相撞，也不易让小车做出精确的转向反应。 方案 2：采用二只红外对管分别置于小车的前端两侧，方向与小车前进方向平行，对 小车与障碍物相对距离和方位能作出较为准确的判别和及时反应7。 方案 3：采用一只红外对管置于小车右侧。通过测试此种方案就能很好的实现小车避 开障碍物，且充分的利用资源而不浪费。 综合考虑，本设计选择方案二。 2 2. .5 5 循迹模块循迹模块 方案 1：采用简易光电传感器结合外围电路探测，但实际效果并不理想，对行驶过程 中的稳定性要求很高，且误测几率较大、易受光线环境和路面介质影响。在使用过程极 易出现问题，而且容易因为 该部件造成整个系统的不稳定。故最终未采用该方案。 方案 2：采用两只红外对管，分别置于小车车身前轨道的两侧，根据两只光电开关接 受到白线与黑线的情况来控制小车转向来调整车向，测试表明，只要合理安装好两只光 电开关的位置就可以很好的实现循迹的功能。 方案 3：采用三只红外对管，一只置于轨道中间，两只置于轨道外侧，当小车脱离轨 道时，即当置于中间的一只光电开关脱离轨道时，等待外面任一只检测到黑线后，做出 相应的转向调整，直到中间的光电开关重新检测到黑线（即回到轨道）再恢复正向行驶8。 现场实测表明，小车在寻迹过程中有一定的左右摇摆不定，虽然可以正确的循迹但其成 本与稳定性都次于第二种方案。 综合考虑，本设计选择方案二。 3 总结总结 智能小车的研究、开发和应用涉及传感技术、电气技术、电气控制技术、智能控制 等学科，智能控制技术是一门跨科学的综合性技术，当代研究十分活跃，应用日益广泛 的领域。智能作为现代社会的新产物，是以后的发展方向，它可以按照预先设定的模块 在一个特定的环境里自动的运行，可运用于科学勘探等用途，无需人为的管理，便可以 完成预期所要达到的或更高的目标。智能机器人正在代替人们完成这些任务，凡不宜有 人直接承担的任务，均可由智能机器人代替，可以适应不同环境，不受温度、湿度等条 件的影响，完成危险地段，人类无法介入等特殊情况下的任务，智能小车就是其中的一 个体现。对于智能小车研究还可以从以下方向展开：在小车上装摄像头进行实时视频监 控采集，通过无线传给远端的主机，主机可以发送命令给小车，执行相应的动作等等。 还可以扩展其他的模块。就可以广泛的应用于科学研究、地质勘探、危险搜索、智能救 援等。 参考文献参考文献 1 王晶,翁显耀,梁业宗等.自动寻迹小车的传感器模块设计J.现代电子技术，2012. 2 孙颖.基于路径规划的智能小车控制系统研究D.青岛大学,2007. 3 赵亮.跟我学 51 单片机(一)单片机最小系统组成与 I/O 输出控制J.电子制作， 2011. 4 密加永.基于智能汽车的控制算法的研究与应用D.曲阜师范大学,2013. 5 芮晴波.基于 FPGA 的 7 智能小车系统D.江苏大学,2007. 6 韩俊淑,韩佳文,高翔等.智能车辆的研究及发展J.世界汽车,2003,(9):79-80. 7 段颖康，基于光电传感器自动寻迹智能小车位置信息采集模块设计论文J. 新特器 件应用，2014.12. 8 Eur Ing K.A. Design techniques for EMCJ. Cherry Clough Consultants. 2011. 9 David Madsley. Measuring emissions in the real worldJ. Proceedings of the IEEE EMC Symposi uIll Seattle 1999, pages 613617. 10 Tim Will iams, Keith Armstrong, Newnes. EMC for Svstems and InstallM. 2010. 11 Stephen G Kochan. Programming in ANSI cM. Hagden Books Indianapolis Indiana, U.S.A, 2004 12 程鹏.基于单片机的智能小车的设计与制作J.计算机测量与控制，2009，（2） 380 页382 页. 13李刚.一种基于可视图的机器人避障路径规划J.电脑知识与技术，2009，（2） 14 谭浩强.C 程序设计（第三版）M.北京：清华大学出版社，2005，7. 15 李珩.Altium Designer 6 电路设计实例与技巧M.北京：国防工业出版社，2008 16 康华光.电子技术基础M，北京：高等