超声波避障小车

程设计说明书（论文）程设计说明书（论文）设计题目超声波避障小车院系电气学院自动化测试与控制系班级设计者学号指导教师设计时间哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学课程设计任务书姓名院（系）电气工程及自动化学院专业测控技术与仪器班号任务起至日期2013年9月2日至2013年9月13日课程设计题目超声波避障小车已知技术参数和设计要求已知技术参数1工作电压5V2工作电流30MA典型，35MA最大3工作频率40KHZ4最大探测距离3M5最小探测距离2CM6输入触发器上升沿触发7回波脉冲正TTL高电平脉冲宽度设计要求实现小车自动避障任务，采用超声波模块实现小车避障功能。工作量总工作时间为10天；完成硬件电路的设计工作；设计程序流程图并编写、调试程序；硬件连接调试，完成设定的功能；最后撰写开题报告和结题报告各一份。工作计划安排1201392201393任务布置、查阅资料，了解小车循迹原理；2201394201395根据要实现的功能及采用的方法设计程序流程并编写程序；3201396201399程序装载、调试运行各种拟实现的功能；420139102013911完成设定要实现的功能，撰写课程设计说明书；520139122013913完成硬件调试、验收。同组设计者及分工指导教师签字_年月日教研室主任意见教研室主任签字_年月日注此任务书由课程设计指导教师填开题报告1立项依据11立项目的（1）设计一辆利用超声波传感器来实现避障功能的小车，使小车对其运动方向受到的阻碍作出各种躲避障碍的动作。（2）进一步学习单片机原理及其应用，提高程序的编写能力。（3）掌握单片机系统外扩器件的连接与使用，了解超声波传感器的工作原理。（4）掌握软件和硬件调试的基本技巧与方法。12立项意义在当今社会，汽车成为了越来越普遍，人们不可缺少的交通工具。但汽车的不断增加，随之而来就是越来越多的交通事故。交通事故成为了现在越来越严重的安全隐患。所以随着汽车工业的快速发展，我们必须加强对汽车安全性能的考虑。所以，智能汽车概念应运而生，他既是汽车产业的机遇也是汽车产业的挑战。汽车的智能化必将是未来汽车产业发展的趋势，在这样的背景下，我们开展了基于超声波的智能小车的避障研究。超声波作为智能车避障的一种重要手段，以其避障实现方便，计算简单，易于做到实时控制，测量精度也能达到实用的要求，在未来汽车智能化进程中必将得到广泛应用。我国作为一个世界大国，在高科技领域也必须占据一席之地，未来汽车的智能化是汽车产业发展必然的，在这种情况下研究超声波在智能车避障上的应用具有深远意义，这将对我国未来智能汽车的研究在世界高科技领域占据领先地位具有重要作用。2主要设计内容及方案21总体方案系统采用51单片机作为核心控制单元用于智能车系统的控制,在超声波检测到障碍物之后,主控芯片根据距离值控制直流电机的转动,在与障碍物距离较大的情况下，快速前进，在与障碍物距离较小但还未到达临界转弯方向值的时候，慢速前进。在与障碍物距离很近需要转向避障时，方案上将尝试进行转向，来进行避障。22设计原理该智能车系统可分为三个主要模块单片机主控核心模块，传感器避障模块，电机驱动模块。系统主要原理是通过超声波避障模块（即感测模块）实时监测路面情况并及时传输给单片机。由单片机主控核心模块根据感测模块给予的信息控制小车两电机转动工作状态。电机驱动模块驱动两电机转动，实现前进或者左、右转。（1）单片机主控核心模块。在这次设计中我们选用已经学过的MCS51单片机为核心作为控制模块。MCS51系列单片机是美国INTEL公司于1980年推出的产品，MCS51系列单片机的影响及其深远，许多公司都推出了兼容系列单片机，使MCS51内核成为一个8位单片机的标准，其典型产品有8031、8051、8751等等。（2）传感器避障模块。智能车避障系统中的传感器一般分为接触型和非接触型两种，接触型相对比较简单。这里我们使用了超声波传感器进行测量，也即非接触型传感器。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震动产生的，在碰到杂质获分界面会产生显著反射从而形成反射回波，超声波传感器就是根据超声波在障碍物界面上的反射来判断检测物体的存在以及距离的。超声波频率高，波长短，绕射现象小，方向性好，再加上信息处理简单且价格低廉，所以这里我们使用28015PINGV16超声波传感器对小车行进前方路况进行探测以及判断，它能实现从3CM到18M距离的测量，从而识别出范围内的障碍物。我们将其作为传感器避障模块，利用其返回的数据，从而实现小车避障的功能。图1为超声波传感器。图1超声波传感器超声波探测模块的基本原理及使用方法如下IO口触发，给SIN口至少510US的高电平，启动测量；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SIN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340）/2。超声波探测模块的时序图如图2所示。图2超声波探测模块时序图（3）电机驱动模块。电机驱动模块是由两个伺服电机组成，伺服电机控制原理如下图3所示控制电机运动转速的是高电平持续的时间，当高电平持续时间为13MS时，电机顺时针全速旋转，当高电平持续时间17MS时，电机逆时针速旋转。图3电机顺、逆时针旋转控制脉冲图伺服电机与单片机接口的连接，图4为电机连接原理图和实际接线图，P1_0引脚的控制输出用来控制右的伺服电机，而P1_1则用来控制左边的伺服电机。图4左、右电机连接图所以可知，若令左、右车轮电机高电平持续时间为15MS时，小车将处于静止状态。若令左车轮电机高电平持续时间为17MS，右车轮电机高电平持续时间为13MS时，则左车轮电机逆时针，右车轮电机顺时针，小车将会以最快的速度前进。此时，若想改变小车的前进速度，则逐渐减小左电机的高电平时间，逐渐增加右电机的高电平时间，则可以减小车速。同理可知，若令左车轮电机高电平持续时间为13MS，右车轮电机高电平持续时间为17MS时，则左车轮电机顺时针，右车轮电机逆时针，小车将会以最快的速度后退。当需要转弯时，通过分析和测试我们可以知道，当小车想左转时，需令左右两轮均顺时针旋转，而当小车想右转时，需令左右两轮均逆时针旋转。23具体实施方案及程序流程图小车的避障流程如下（1）在车前方没有障碍物时，小车沿直线向前走。（2）在车前方有障碍物时，小车能避开障碍物，避障方法如下先向左边转90度，如果前面没有障碍物，再沿直线向前走；如果前面仍有障碍物，则向右转180度，如果前面没有障碍物，则沿直线向前行走；如果前面仍有障碍物，则向右90度，然后直线行。主程序流程图如图5所示开始结束图5主程序流程图3需解决的关键问题关键问题首先是要学会使用超声波测距器件，根据老师所提供的知识，读懂超声波器件的工作时序，根据时序以及超声波测距器件的