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智能清障小车设计【含7张CAD图纸】,含7张CAD图纸,智能,清障,小车,设计,CAD,图纸
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图书分类号：密 级：毕业设计(论文)智能清障小车设计DESIGN OF INTELLIGENT BARRIERSREMOVING CAR学生姓名 学院名称机电工程学院专业名称机械设计制造及其自动化指导教师 2011年5月27日 学位论文原创性声明本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用或参考的内容外，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或成果。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注。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权协议书本人完全了解关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：本校学生在学习期间所完成的学位论文的知识产权归所拥有。有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的纸本复印件和电子文档拷贝，允许论文被查阅和借阅。可以公布学位论文的全部或部分内容，可以将本学位论文的全部或部分内容提交至各类数据库进行发布和检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。论文作者签名： 导师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日I摘要智能小车在自动化生产线、仓库管理、机器人服务、环境监测、航空航天等领域有广泛的应用。本文介绍了一款集自动寻迹、障碍物监测、障碍物清除等功能于一体的智能小车。智能小车采用AT89S52单片机为系统控制核心，利用反射式光电传感器检测识别黑线，通过比较器反馈高低电平信号给单片机，从而控制直流电机的运动，实现寻迹功能。安装于车体前端的点触开关实时监测黑线上的障碍物，一旦触发开关，拉低所接单片机I/O口，触发外部中断，从而控制机械手夹持障碍物，配合小车运动，达到清除障碍物的目的。本课题研制的智能小车样机实验证明了本文叙述的技术方案的有效性和正确性，可以为今后全国及省内电子大赛提供宝贵的经验。关键词 单片机；传感器；循迹；清障；AbstractIntelligent car has been widely used in automated production lines, warehouse management, robotics services,environmental monitoring, aerospace and other fields.This paper introduces a intelligent car, with the functions of automatic driving, barriers monitoring and barriers removing . The intelligent car use AT89S52 SCM as control core. By using reflective photoelectric sensor to detect the information of black track,the intelligent car acquires the information and sends them to the MCU to control the movements of the DC electric motors for tracing function. Point-touch switch installed at the front of the car monitor barriers on the black line everytime. Once the trigger switch, the signals of I/O trigger external interruption to achieve the purpose of remove barriers.The test shows that the intelligent vehicle design is the effectiveness and correctness.Consequently,the issue can provide invaluable experience for the electronic competition of the national and provincial.Keywords SCM sensor track finding barriers removing目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 智能化小车发展现状与趋势11.1.1 课题背景11.1.2 移动式机器人在国内外研究现状21.2 研究的目的和意义21.3 研究的内容2第2章 智能清障小车系统42.1 系统总体方案42.2 系统方案论证42.2.1 车体方案论证42.2.2 小车结构方案论证52.2.3 障碍物清理单元方案论证52.2.4 控制器方案论证62.2.5 供电单元方案论证62.2.6 障碍物识别单元方案论证72.2.7 运动单元方案论证82.2.8 循迹单元方案论证92.3 系统最终方案10第3章 智能清障小车硬件设计123.1 系统硬件电路介绍123.2 障碍物监测模块介绍123.3 障碍物清理模块介绍133.3.1 机械手介绍133.3.2 机械手控制电路介绍133.4 单片机最小系统介绍153.4.1 AT89S52单片机简介163.4.2 单片机使用资源规划173.5 供电模块介绍173.6 寻迹模块介绍173.7 直流电机驱动模块介绍19第4章 智能清障小车软件部分224.1 软件开发平台224.2 软件开发调试234.2.1 舵机工作程序仿真234.2.2 直流电机工作程序仿真244.3 系统软件流程254.4 寻迹软件流程274.5 障碍物检测及清理软件流程28第5章 系统测试305.1 测试场景介绍305.2 实际测试过程305.3 测试结果分析32结 论33致 谢34参考文献35附录I36附录II37I第1章 绪论1.1 智能化小车发展现状与趋势1.1.1 课题背景肩负着人类探测火星使命的“勇气”号和“机遇”号分别于2004年1月3日和1月24日在火星不同区域着陆，并于2004年4月5日和2004年4月26日相继通过所有“考核标准”。美国宇航局的孪生火星车探测计划至此正式宣告取得圆满成功。美国宇航局科学家和工程师先设立了一系列硬指标，作为判定两辆火星车联合探测计划是否能成功的依据。按照规定，每辆火星车都需要至少工作90个火星日(约地球上的92天)，在火星上行驶总里程至少达到600米，至少造访8个不同地点，必须拍下周围环境的立体和彩色全景照片。“勇气”号是迄今美国发射的最尖端的火星探测装置，其顶部的桅杆式结构上装有全景照相机及具有红外探测能力的微型热辐射分光计。火星车能够在火星上自主行驶，当火星车发现值得探测的目标，它会驱动六个轮子向目标行驶；在检测到前进方向上的障碍后，火星车会去寻找可能的最佳路径1。类似火星车，以轮子作为移动机构，能够实现自主行驶的机器人，我们称之为智能小车，又称轮式机器人。智能小车是一个集环境感知、规划决策，自动行驶等功能于一体的智能轮式机器人，它集中地运用了计算机、传感、信息、通信、导航及自动控制等技术，是典型的高新技术综合体。智能小车作为现代高科技的产物，是21世纪的科技亮点之一。智能小车技术的发展，应该说它是科学技术发展的一个综合性结果。同时，它为社会经济发展产生了一门有着重大影响的科学技术，它的发展归功于在第二次世界大战后各国加强了经济的投入，而对轮式机器人的研究成果又提高了本国的经济的发展水平。比如说日本战后开始进行汽车工业，这时候由于它人力的缺乏，它迫切需要一种机器人来进行大批量的制造，提高生产效率降低劳动成本，这是社会发展本身的一个需求。另一方面它也是生产力发展的必然结果，也是人类自身发展的必然结果，人类在不断探讨自然、认识自然、改造自然过程中，需求一种能够解放人的自动化装置。那么这种自动化装置就是代替人们能够从事复杂和繁重的体力劳动，实现人们对不可达到的世界的认识和改造，这也是人们在科技发展过程中的一个客观需要。但另一方面，尽管人们有各种各样好的想法，它也归功于电子技术，计算机技术及制造技术等相关技术的发展提供额强大技术保证2。目前，许多国家已经把智能小车方面的比赛作为创新教育的战略性手段。智能小车涉及到多个学科，如：电工、机械、自动控制、人工智能、传感技术等，是众多领域中的高科技。智能小车比赛是一种高科技对抗活动，各国专家学者通过这项竞赛，不断推进了轮式机器人方面的研究，通过不断改进轮式机器人寻址速度和算法研究，试图让轮式机器人更接近智能化，它集高科技、娱乐和竞赛于一体，引起了各国的广泛关注和极大兴趣，从而推动了轮式机器人的研究热潮。1.1.2 智能化小车在国内研究现状我国智能化小车研究主要有：1)以MCS-51单片机为控制核心，结合多种传感器实现寻迹、测速、避障、清障等功能3；2)基于FPGA的智能小车系统，即本地计算机通过接入Internet小车实现对远端工作现场、危险环境地段等特殊环境进行监视和控制的系统，这种智能小车可以适应不同环境，不受温度、湿度、空间、磁场辐射、重力等条件的影响，可以在人类无法进入或生存的环境中完成人类无法完成的探测任务4；3)以Freesealel6位单片机MC9S12DGl28作为系统控制处理器，基于CCD传感器采集视频图像，通过对获得的图像进行处理分析，获得道路信息提取赛道黑线，并结合测速反馈实现对小车的闭环反馈控制，后轮驱动电机控制模块采用了模糊PID控制算法，充分利用了内部提供的模糊推理机5；4)基于DSP的智能小车系统，该系统以DSP单片机作为处理器，用RFl2作为通信模块，将所采集的温湿度传送到上位机，利用蚁群算法实现路径规划，并在此基础上实现避障功能，避障功能模块我们采用多超声波传感器来实现6；5) 以LPC2368为核心搭建智能小车的控制系统的硬件平台，通过光电码盘、防碰开关、超声波传感器等来实现智能小车的多种功能7。1.2 研究的目的和意义机器人要实现自动寻迹功能和检测障碍物功能就必须要有感知导引线，感知导引线相当给机器人一个视觉功能。智能小车实现自动识别路线和检测障碍物使用传感器感知路线并作出判断和相应的执行动作,选择正确的行进路线。通过构建智能小车系统，培养设计并实现自动控制系统的能力。在实践过程中，熟悉以单片机为核心控制芯片，设计小车的检测、驱动和显示等外围电路，结合障碍物监测和清除模块，实现小车的循迹清障功能。灵活应用机电等相关学科的理论知识，联系实际电路设计的具体实现方法，达到理论与实践的统一。本课题利用AT89S52设计了一种嵌入式智能寻迹小车，在传感器、电机驱动和软件的控制下，能够智能地完成行走路线探测、监测障碍物、清除障碍物等任务，与传统的遥控玩具车相比，具有一定的独立性和智能性。1.3 研究的内容本课题设计的智能清障小车具有自动寻迹、障碍物检测、障碍物清除等功能。整体设计可分为机械和电气两部分：机械部分主要包括车体结构和机械手结构设计，目前车体主要有轮式和履带式两种可供选择，机械手设计需根据障碍物进行结构设计、加紧力计算等；电气部分主要包括单片机最小系统模块、供电模块、运动模块、寻迹模块、障碍物监测模块组成。采用MCS-51系列中的AT89S52单片机制作最小系统，直流电机作为小车动力源并通过驱动芯片控制小车的前进和转向，利用光电传感器识别黑线，经比较器反馈信号最终实现寻迹功能，点触开关实时监测黑线上的障碍物，整个系统通过双电源供电，12V稳压电源一部分供运动模块使用，另一部分经转换，供单片机最小系统模块、寻迹模块、障碍物监测模块使用，机械手上的舵机由5V干电池供电。整个系统的电路结构比较简单、可靠性高。第2章 智能清障小车系统2.1 系统总体方案经过对本设计要求的分析，提出了不同的方案，需要进行方案论证：机械部分主要是车体和机械手控制方式的选择；电气部分主要有主控制器的选择，供电模块的设计，循迹传感器的选择，障碍物监测传感器的选择。主要构成如图2-1的系统，单片机最小系统作为整个系统的控制核心，寻迹电路模块反馈信号给单片机，通过控制直流电机驱动模块，从而实现电机的正反转，使小车按要求运动，障碍物监测模块实时监测黑线上是否有障碍物，一旦触发，单片机控制清障单元模块清除障碍物。图2-1 系统总体框图2.2 系统方案论证2.2.1 车体方案论证方案一：自己制作车体。自己制作的车体，一般采用左右两轮驱动，后万向轮转向的方案。即左右轮分别用两个转速和力矩基本完全相同的直流电机进行驱动，车体头部装一个万向轮，当两个直流电机转向相反同时转速相同就可以实现车体的旋转。但是制作车体的工具和材料有限，制作后的结构并不一定能按设计尺寸进行，同时材料的局限性可能使得车体比较笨重。方案二：购买玩具车体。购买的玩具电动车具有组装完整的车架车轮、电机、驱动电路等，其美观方便，只要制作所需电路板就可以方便的固定在车体上，能够稳定的实现小车运动，这种车体一般都是四轮驱动，左侧两轮和右侧两轮分别为一组，通过一侧电机正转，一侧电机反转实现小车转向，但电机一般为玩具直流电机，力矩小，负载性能差，不能适应原地转向。综合分析上述两方案，考虑到本设计制作的仅是模型，为了方便美观，所以选择方案二。2.2.2 小车结构方案论证方案一：履带式小车。履带式小车能适应各种复杂地形，其抓地力大，行驶速度稳定。常用于工业领域，如履带式起重机、履带式装载机、履带式推土机等。但是采用履带式的车体行驶速度慢，只能通过两侧履带轮同速反向转动实现转向，同时对电机要求也比较高，一般玩具车电机负载能力小，不适用履带传动。方案二：轮式小车。轮式传动化滑动为滚动，大大减少了摩擦阻力，行驶速度远大于履带式小车，常用于对行驶速度要求较高的领域中。对于地形复杂的道路，通过加重车体，增加车底离地高度，轮式车辆也能在这些道路行驶，但其稳定性远不如履带式车体。由于本课题所使用路面平整，采用直流电机驱动，对车速要求为0.3m/s。综合考虑，采用方案二。经上述两方案论证，本课题使用的车体如图2-2所示。图2-2 小车车体2.2.3 障碍物清理单元方案论证方案一：气动机械手8气动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是：抓重可达几百斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不燃油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。方案二：电动机械手9电动机械手即有特殊结构的感应电动机、直流电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的机械手，因为不需要中间的转换机构，故其结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快，行程长，维护和使用方便。但此类机械手目前还不多，资料方面比较欠缺。鉴于价格、体积等因素，且本系统重量轻。决定采用方案二。本课题使用的机械手如图2-3所示。图2-3 电动机械手2.2.4 控制器方案论证根据课题要求，控制器主要用于控制电机和舵机，通过相关传感器对路面的轨迹信息进行处理，并将处理信号传输给控制器，然后控制器做出相应的处理，实现电机的前进和后退、舵机的转向和转速。方案一：可以采用ARM为系统的控制器10。优点是该系统功能强大，片上外设集成密度高，使其拥有高稳定性，同时系统的处理速度也很高，但是ARM芯片编程复杂，一般用于大型的项目控制系统中。方案二：采用AT89S52单片机作为系统控制核心11。AT89S52单片机算术运算功能强，软件编程灵活、功耗低、体积小、技术成熟。只要合理设计外接电路，其稳定性也满足要求。 综合考虑成本、工作量等，本设计选择用AT89S52单片机做控制器。2.2.5 供电单元方案论证整个系统需要电源的有：四个直流电机及驱动模块、寻迹模块、单片机、舵机。以上所有模块中只有四个直流电机及驱动模块需12V电压，其它均为5V电压，必须注意的是舵机在工作时，电路中的电流会产生较大波动，对单片机可能产生影响。方案一：采用单电源供电。通过单电源对整个系统进行供电，即12V稳压直流电源一部分对四个直流电机及驱动供电，另一部分经过降压，对其它模块供电。此方案的优点是：减少机身的重量，操作简单，但当系统中个模块同时工作时，可能产生过电流太大，从而烧坏电压转换芯片，甚至烧坏单片机，且较大的电流波动影响单片机的稳定性。方案二：采用双电源供电。通过两个独立电源对整个系统供电，即12V稳压直流电源一部分对四个直流电机及驱动模块供电，另一部分经过降压，对除舵机以外的其它模块供电，另一5V电源单独对舵机供电，两电源共地连接。此方案的优点是：减少电路中电流波动，单片机具有更佳稳定性。唯一的缺点就是会增加小车的重量。综合上述两方案的的优缺点，考虑单片机稳定性等要求，决定采用第二种方案。2.2.6 障碍物识别单元方案论证方案一：采用超声波探测器12。超声波探测器利用超声波特有的指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远等特点，常用于距离的测量。其工作原理是：声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。对于本课题，可以先设定时间，一旦提前收到反射波，表明前方有障碍物，这样就能实现监测障碍物的功能。超声波测距电路如图2-4所示，其优点是测距远、可靠性高，但是电路复杂，编程繁碎。图2-4超声波接收和发射电路图方案二：采用RPR220型光电对管12。RPR220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。主要应用在游戏机、复印机和办公自动化等设备中。其优点是:体积小结构紧凑、较高灵敏度。其缺点是：测距有限，只有1-3cm，受外界光线影响较大。电路框图如图2-5所示，相对于超声波测距电路，该方案使用电路简单，编程也容易。图2-5 RPR220型光电对管电路框图方案三：采用点触开关。点触式开关是一种通过触碰开关就能接通，松手就断开的简易开关。优点是：结构简单、价格低廉、无需程序控制。唯一缺点是需要触碰控制，即控制距离近。在电路中只需将开关一端接单片机I/O，另一端根据需要的反馈信号接在高或低电平上，电路框图如图2-6所示。图2-6 点触开关电路框图综合三个方案的优缺点，考虑本系统设计需要高精度，对测距无要求，决定采用方案三。2.2.7 运动单元方案论证方案一：采用步进电机，配合LM298驱动芯片组合13。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的电机。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，只要施加合适的脉冲序列，电机就按照人为预定的速度或方向进行转动。但是软件程序的编写较直流电机稍显复杂，驱动芯片的硬件电路复杂，且步进电机的价格昂贵，如电路框图2-7所示。图2-7 步进电机+LM298组合电路图方案二：采用直流电机，配合L298N驱动芯片组合10。直流电动机是将直流电能转换成机械能的旋转电机。通过驱动芯片控制电机的转向与转速，硬件电路简单，如2-8电路框图所示，一个芯片就能控制两个电机的运动，且不需要外接电路。但容易受到外部因素干扰，影响稳定的转速和转矩输出。图2-8 直流电机+L298N组合电路框图综合上述两种方案的优缺点，鉴于本系统设计体积较小，自身重量较轻，对电机输出功率要求不高，故采用方案二。2.2.8 循迹单元方案论证方案一：用光敏电阻组成光敏探测器11。光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种阻值随入射光强弱而改变的电阻器，入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。在本课题中，当光线照射到白线上面时，光线发生强烈反射，光线照射到黑线上面时，光线反射较弱，利用光敏电阻在白线和黑线上的不同阻值，通过比较器将阻值转变成电信号反馈给单片机就能实现寻迹功能。此方案的优点是：光敏电阻价格低廉，技术成熟。但光敏电阻受外界光照影响很大，不能稳定的工作，电路框图如2-9所示。图2-9 光敏电阻电路框图方案二：用红外发射管和接收管制作的光电传感器11。红外对管是红外线发射管与红外线接收管配合在一起使用时候的总称。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红外线则表示是白线，若接收不到发射管发出的红外线则表示是黑线，通过比较器转换信号，继而向单片机反馈高低电平。这样的传感器基本能满足要求，但其工作不稳定，容易受外界光线的影响，因此每次工作前必须根据传感器的反馈电压来调整比较器的比较电压范围，电路框图如2-10所示。图2-10 红外对管电路框图方案三：采用RPR220型光电对管12。RPR220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。主要应用在游戏机、复印机和办公自动化等设备中。其优点是:体积小结构紧凑、较高灵敏度。其缺点是：测距有限，只有1-3cm。电路框图如图2-5所示，该方案使用电路简单，编程也容易。综合比较三种方案，根据制作的难以程度等因素，我们最终采用方案三。2.3 系统最终方案经过反复论证，我们最终确定了如下方案：1) 车体用购买的金属材料四轮驱动小车。2) 电动机械手作为清障工具。3) 采用点触开关监测路面障碍。4) 采用AT89S52单片机作为主控制器。5) 通过双电源为系统供电：12V稳压电源一方面为电机供电，另一方面经LM7805降压后为舵机以外的其它模块供电；5V干电池直接供舵机使用。6) L298N作为直流电机的驱动芯片。7) 采用RPR220型光电对管进行路面信息采集。系统的结构框图如图2-11所示。图2-11 系统结构图第3章 智能清障小车硬件设计3.1 系统硬件电路介绍本课题设计的智能小车硬件系统主要包括机械和电气两部分，机械部分主要有：障碍物监测模块和障碍物清理模块；电气部分主要有：单片机最小系统、供电模块、寻迹模块、直流电机驱动模块。障碍物监测模块顾名思义，就是实时进行黑线上障碍物的监测工作，主要通过点触开关结合图3-1中第5部分的电路，实现该模块监测障碍物的功能；障碍物清除模块主要通过舵机驱动的机械手清除障碍物；单片机最小系统相当于“大脑”,是整个电路的控制核心；供电模块为整个系统提供电源；寻迹模块相当于“眼睛”，为小车寻找道路上的黑线；直流电机驱动模块相当于“脚”，控制小车的进退与转向。图3-1 系统电路原理图1.单片机最小系统 2.供电单元 3.寻迹单元 4.直流电机驱动模块 5.监测障碍物模块3.2 障碍物监测模块介绍通过方案论证，系统最终确定采用点触开关作为障碍物检测传感器，小车在黑线上行驶的过程中，通过点触开关的开闭状态判断道路上是否有障碍物，障碍物监测电路如图3-2所示。点触开关闭合时，检测指示灯发光，此时EX0引脚为低电平，触发了单片机的外部中断，从而控制机械手工作；断开时，检测指示灯不发光，EX0引脚为高电平，不能触发外部中断，表明黑线上无障碍物，机械手不工作。图3-2 障碍物监测电路点触开关的安装位置如图3-3所示，当障碍物进入夹持器并触碰开关后，就能触发单片机的中断，使整个系统停止当前一切动作，进入中断执行清除障碍物程序。若点触开关的安装位置太靠前，则触发中断的时候障碍物还未进入夹持器，机械手就开始动作，无法实现清障功能；若点触开关安装太靠后，即触头不在夹持器范围内，这样导致点触开关始终处于断开状态，障碍物监测模块和障碍物清理模块都无法正常工作。图 3-3 点触开关安装位置3.3 障碍物清理模块介绍3.3.1 机械手介绍电动机械手是一种利用电机驱动并能夹持物体的机构。考虑到本课题设计的模型体积小、重量轻，且机械手安装于车体头部，为了防止车体前后不稳，机械手重量不能太大，故机械手材料采用优质ABS工程塑料制作，抓取的物体最大直径为53cm，夹持器张开后长度为85cm，闭合后长度为100cm。本设计清障的方案是：第一步，障碍物监测模块发现障碍物；第二步，机械手加紧障碍物；第三步，小车向黑线外运动，将障碍物推出黑线，此时松开机械手，小车回到黑线继续运动（清障过程详细参见图5-3、图5-4、图5-5）。整个过程只是通过机械手夹住障碍物，而不是仅仅通过机械手就达到清障目的，故设计中的机械手只起到夹持物体作用，对其要求只有夹持器范围，夹持力并无要求，只要夹住便可，设计模型使用的机械手见图2-3。3.3.2 机械手控制电路介绍本课题设计的机械手通过一个舵机驱动，控制电路如图3-4红圈中所示，所使用的单片机I/O先接上拉电阻，然后直接与舵机的信号线连接即可。由于单片机I/O口提供的电流有限，无法驱动机械手使用的舵机，所以通过上拉电阻，为舵机提供足够大的驱动电流。图3-4 舵机控制电路舵机电路虽然简单，但编程还是比较复杂的16。舵机必须通过PWM信号控制，具体的数据如图3-5所示，舵机的控制信号是周期20ms的脉宽调制信号，其中脉冲宽度为1ms-2ms，相对应舵盘的位置为0180度，呈线性变化，也就是说，给它提供一定的脉宽，它的输出轴就会保持在一个相对应的角度上，无论外界转矩怎样改变，直到给它提供另外一个宽度的脉冲信号，它才会改变输出角度到新的位置上，详细参见表3-6。值得注意的是：舵机的响应时间对于控制非常重要，一方面可以通过修改PWM周期获得，另一方面也可以通过机械方式，利用舵机的输出转距余量，将角度进行放大，加快舵机响应速度。图3-5 舵机工作信号表3-6 舵机角度控制表3.4 单片机最小系统介绍单片机最小系统由复位电路、时钟电路组成，单片机最小系统电路如图3-7所示。复位是单片机的初始化操作，其主要功能是使单片机从0000H单元开始执行程序，除了进入系统的正常初始化之外，当程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为使单片机正常工作，也可以通过复位以重新启动。复位操作有上电自动复位、按键电平复位、外部脉冲复位和自动复位四种方式，该最小系统采用上电自动复位方式，使复位端经电容与Vcc电源接通而实现。时钟电路相当于“心脏”，为单片机提供时钟电平，所需晶振为12MHz。 图3-7 单片机最小系统3.4.1 AT89S52单片机简介AT89S52是美国ATMEL公司生产的低功耗、高性能CMOS8位单片机。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。它集Flash程序存储器既可在线编程也可用传统方法进行编程。AT89S52单片机的功能强、价位低，适用于许多高性价比的场合，可灵活应用于各种控制领域17。a.主要性能参数：与MCS-51产品指令系统完全兼容；8K字节在系统编程（ISP）Flash闪速存储器；4.0-5.5V的电压工作范围；全静态工作模式：0Hz-33MHz；128*8字节内部RAM；32个可编程I/O口线（P0、P1、P2、P3）；2个16位定时/计数器，可通过编程实现4种工作方式；1个具有6个中断源、4个优先级的中断潜嵌套结构；中断可从空闲模式唤醒系统；看门狗（WDT）及双数据指针；灵活的在系统编程（ISP字节或页写模式）；b.所使用引脚功能：Vcc：接+5V电压；Vss：接地；XTAL1：接外部晶振的一个引脚，在单片机的内部，它是一个反相放大器的输入端，此反相放大器构成了片内振荡器；XTAL2：接外部晶体的另一个引脚，在单片机的内部，它是反相放大器的输出端，输入到内部时钟发生器。当使用外部振荡器时，XTAL1接地，XTAL2接收振荡器信号；P1：8位准双向I/O口，内部含有上拉电阻；P2：8位准双向I/O口，具有内部上拉电路；P3：8位准双向I/O口，具有内部上拉电路，它还提供特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部随机存储器内容的读取或写入控制等功能；RST：复位输入信号，高电平有效。在振荡器工作时，在RST上作用两个周期以上的高电平，便可复位器件；EA/Vpp：片外程序存储器访问允许信号，低电平有效。当EA/Vpp接地时，CPU只执行片外存储器中的程序；当EA/Vpp接Vcc时，CPU首先执行片内程序存储器中的程序（0000H0FFFH），然后自动转向执行片外程序存储器中的程序（1000HFFFFH）；3.4.2 单片机使用资源规划AT89S52单片机具有比较强大的系统资源，系统电路在设计时充分利用了它的自身特性，并进行合理的规划，详见表3-8。P3口具有普通I/O口功能外，还有第二功能，如定时器、中断等，所以一般不用，除非需要使用它的第二功能；P0口内部无上拉电阻，需外加上拉电阻才能输出高电平，在电路中未加上拉电阻，因而不用P0口；P1口和P2口作为普通I/O口，可任意使用。表3-8 单片机资源分配表系统资源类型用途备注看门狗防止系统跑飞定时器1定时喂狗外部中断0监测障碍物输入P1.0控制小车左侧电机转向输出P1.1控制小车右侧电机转向输出P1.2控制小车左侧电机转速输出P1.3控制小车右侧电机转速输出P1.7控制舵机运动输出P2.0监测黑线，反馈左微动信号输入P2.1监测黑线，反馈左转信号输入P2.2监测黑线，反馈右微动信号输入P2.3监测黑线，反馈右转信号输入3.5 供电模块介绍供电模块为系统的控制机构、执行机构、传感器等模块提供可靠的工作电压。该模型采用两个独立电源对整个系统供电，即12V稳压直流电源一部分对四个直流电机及驱动模块供电，另一部分经过LM7805降压到5V，分别对单片机最小系统、寻迹模块供电，另一5V干电池电源单独对舵机供电，两电源共地连接。供电模块电路设计如图3-9所示，电路中的两个电容主要用于滤波，以滤除直流电源中不需要的交流成分，使直流电平滑，同时滤除高频交流电。图3-9 12V稳压直流电源转换电路3.6 寻迹模块介绍寻迹是指小车在白色地面上总是循着黑线行走。该功能通过RPR220型光电对管对黑线进行识别而实现,即利用发光二极管在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点,当可见光遇到白色地面时发生漫反射，反射光使安装于小车上的光电三极管导通并通过比较器LM339反馈高低电平给单片机，当遇到黑线，可见光线则被吸收，光电三极管接收不到光线而无法导通 ,单片机根据是否收到反馈电平为依据来确定小车的行走路线 ,从而实现小车的寻迹功能。寻迹电路如图3-10所示，该电路中主要芯片是LM339，它内部是将模拟电压信号与基准电压相比较的电路，通过比值不同，反馈高低电平给单片机。图3-10 寻迹模块电路寻迹模块中使用的光电对管共有四对，分别安装在小车两侧和前端，如图3-12所示，当“前X1”与“前Y1”在黑线上，“左X1”与“右Y1”在黑线外，小车前进。在前进的过程中，如果“前X1”偏出黑线，如图3-11，则小车向右微动，如果“前Y1”偏出黑线，如图3-13，则小车向左微动，最终使前端两个传感器处于黑线上。当小车处于图3-14状态，即“左X1”在黑线上，“右Y1”在黑线外，同时“前X1”与“前Y1”在黑线外，小车左转。当小车处于图3-15状态，即“左X1”在黑线外，“右Y1”在黑线上，同时“前X1”与“前Y1”在黑线外，小车右转，详细表3-16光电传感器真值表。 图3-11 寻迹右微动 图3-12 寻迹直走 图3-13 寻迹左微动 图 3-14 寻迹左转传感器位置图 图 3-15 寻迹右转传感器位置图表3-16 光电传感器状态真值表传感器号小车状态左X1右Y1前X1前Y1正常行驶1100左转0111右转1011左微动1101右微动1110停止11113.7 直流电机驱动模块介绍电机驱动模块用于驱动小车轮子转动，使小车行进18。该模块中主要使用芯片L298N，它是SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路，是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。如图3-19，小车上有四个直流电机，左侧两个电机（M1,M3）为一组，右测两个电机（M2,M4）为一组，分别接在两个L298N芯片上，两个芯片共有八个信号口，相同的分别并联在一起，这样通过四个端口就能控制四个电机运动，控制信号详见表3-17。表3-17 电机转动状态编码左侧电机右侧电机左侧电机M1,M3右侧电机M2,M4小车运动状态IN1IN2IN3IN41010正转正转小车前进1001正转反转小车左转1011正转停止以左侧电机为中心原地左转0110反转正转小车右转1110停止正转以右侧电机为中心原地右转0101反转反转小车后退对于电机的调速，我们采用PWM调速的方法。其原理就是开关管在一个周期内的导通时间为t，周期为T，则电机两端的平均电压U=Vcc(t1/T)=a*Vcc，其中a=t/T(占空比)，Vcc是电源，如图3-18。电机的转速与电机两端的电压成正比，而电机两端的电压与控制波形的占空比正正比，因此电机的速度与占空比成正比，即占空比越大，电机转速越快。图3-18 PWM输出波形图3-19 电机驱动模块硬件电路图一般在购置小车时，会附带购买小车驱动，这样不但省去自己制作，并能到达比较好的稳定性，直流电机所用的驱动如图3-20所示。在接线时，小车左侧两个电机和右测两个电机分别为一组，接在电机驱动的电机A输出端口电机B输出端口上，EA、EB为电机的使能端，IA、IB为电机旋转方向控制端，驱动部分端子（Vms）供电范围是：+5V+35V，逻辑部分端子（Vcc）供电范围是：+5V+7V。图3-20 L298N双H桥直流电机驱动第4章 智能清障小车软件部分4.1 软件开发平台Keil for C51是美国Keil Software公司出品的C语言软件开发系统19。与汇编相比，C语言在功能、结构、可读性、可维护性都有明显的优势。Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil for C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。C51开发中除必要的硬件外，同样离不开软件，我们写的源程序要变为C51可以执行的机器码有两种方法，一种是手工汇编，另一种是机器汇编，目前已极少使用手工汇编的方法。随着C51开发技术的不断发展，从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发，单片机的开发软件也在不断发展，Keil软件除了致力于单片机的编程开发平台外，还针对目前最流行C51开发项目出品了Keil for 51软件平台以及支持在线调试的串口烧写。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（uVision3）将这些部份组合在一起，如图4-1所示。图4-1 Keil开发平台截图设计程序时，我们使用C语言进行编写，在uVision3开发环境中，编写好的程序通过编译，可以清楚的看到自己编写程序中的错误和警告。人性化的设计功能，使编程人员更加方便编写设计程序。同时，编译成功的程序可以通过仿真调试，了解每一步单片机所占用的I/O口和所耗费的时间，如图4-2所示是程序调试的过程。图4-2 程序调试图4.2 软件开发调试当编写的总程序通过Keil编译成功后，就可以进行软件仿真。此时我们就需要Proteus这款软件，Proteus是英国Labcenter electronic公司出版的EDA工具软件，它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件，它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具19。4.2.1 舵机工作程序仿真舵机的的工作原理在第三章中已详细介绍，这里不再重复。当没有硬件在手，我们也能在软件中通过查看单片机输出端口的波形，大致了解程序的正确性。图4-3 舵机信号端口输出波形观察图4-3中波形，可以发现舵机信号端口输出的正是PWM信号，即舵机工作必须的驱动信号，但根据波形我们无法判断舵机旋转的角度，这正是软件仿真的局限性。但毋庸置疑的是，有了仿真软件，在程序编写时，可以少走许多弯路。4.2.2 直流电机工作程序仿真直流电机模块工作时主要用到八个I/O口，四个寻迹反馈信号作为输入，控制四个直流电机驱动信号，具体参见表3-8，在模拟电路中，两个示波器分别接在两侧电机控速端口。小车电机在程序中的工作过程：1） 机械手运动，小车停止，见图4-4，示波器没有波形，说明小车此时是停止的；图4-4 小车停止仿真2） 小车直走，见图4-5，示波器中两波形一样，表明小车两侧电机转速相同；图4-5 小车直走仿真3） 小车左微动，见图4-6，当P2.0口电平变化，则表明“前Y1”光电传感器偏出黑线，需要左微动，此时左侧电机反转，右侧电机正转，当“前Y1”传感器回到黑线，小车就停止微动，继续沿黑线前进（同理，右微动也是这样一个过程）；图4-6 小车左微动仿真4） 小车左转，见图4-7，当P2.3口电平变化，则表明“左X1”传感器在黑线上，小车需要左转，此时左侧电机反转，右侧电机正转，由程序控制转过90度后，小车继续前进（同理，右转也是这样一个过程）；图4-7 小车左转仿真4.3 系统软件流程 系统软件流程如图4-8所示。图4-8 系统流程图软件流程是这样的，开始时检测比较器反馈电平是否变化，若无变化，说明小车上四个光电传感器反馈信号不变，小车位置正常可以继续前进，若变化了，则需要进一步检测是哪一个传感器发生了变化。首先检测“前X1”电平是否变化，若变化了则小车右微动直到“前X1”传感器回到黑线上，然后可以继续前进，若无变化就进一步检测“前Y1”电平，若变化说明小车需要进行左微动调整“前X1”传感器位置，直到回到黑线就可以继续前进，若无变化就检测“左X1”传感器，若它反馈的电平变化，则需要进行左转，然后沿黑线直走，无变化则表明“右Y1”传感器变化了，小车右转90度，然后直走。寻迹小车就是这样进行循迹行走的，在循迹的过程中，实时进行黑线上障碍物监测，若检测到就进行清障的工作，否则继续循迹，直到完成一个循环，整个程序结束。4.4 寻迹软件流程在白色地面上有一条黑线，小车就是要沿着这条黑线行走，通过判断反射式光电传感器是否接收到反射光来判断小车行走的路线。检测环节中一共有四对这样的光电传感检测单元，实现组合式控制方向的检测。检测部分函数(图4-9为该程序的流程图详解)：sbit G1=P20; /红外反馈引脚定义sbit G2=P21;sbit G3=P22;sbit G4=P23;while(1) /对传感器输入信号不断地进行查询 zhizou(); /直走，直走程序中有左右微动检测程序if(G1=1)&(G2=1)&(G3=1)&(G4=1)/判断小车是否走在转弯路口if(G1=1)&(G3=1)/小车前面两个传感器超越黑线houtui();/后退到线上zuozhuan();/左转图4-9 寻迹软件流程4.5 障碍物检测及清理软件流程小车头部安装了触碰开关，小车行驶过程中，通过这个开关，可以准确的判断前面是否有障碍物。清障程序在中断中执行，通过外部中断0触发。这样可以准确无误的实现清障功能。障碍物检测及清除函数(图4-10为该程序的流程图详解)：void init()/外部中断0初始化EA=1;/开中断IT0=1;/脉冲方式EX0=1;/开外部中断0void Jixieshou() interrupt 0 /进入中断，执行机械手动作EX0=0; /关闭外部中断信号E1=0; /车停止E2=0;close(); /机械手闭合，抓起障碍物delay(500); /延迟一会youzhuan(); /小车右转zou_1(); /直走一段距离open(); /机械手张开，放下障碍物delay(500); /延迟一会tui_1(); /小车后退一段距离zuozhuan(); /小车左转，回到轨道图4-10 障碍物检测及清理软件流程第5章 系统测试为了测试智能清障小车系统的运动情况，我们设计了简易轨道对智能清障小车系统进行测试，只有通过硬件调试之后，才能确定程序的正确性和可靠性。5.1 测试场景介绍实验采用510mmx220mm的长方形黑色轨道对智能小车系统进行测试，实验轨道如图5-1所示，在黑线上放置障碍物，小车沿黑线循迹行驶过程的中，通过障碍物检测及清除单元，配合小车运动达到清障目的。实验的成功与否就在于能否检测并清除障碍物并且小车最终并回到起点。图5-1测试场景及参数5.2 实际测试过程系统测试过程中，采取逆时针的测试方法来检测小车左右转、清障的效果。经过逆时针20圈的实际测试，成功清除障碍物并回到起点的有14次，其余6次均匀失败告终。以下是实际测试过程：智能小车从起始位置开始运动，如图5-2所示，位于车体两侧和前端的四对光电传感器发出红光，表明正在检测黑线并反馈信号给单片机，从而控制小车运动。图5-2 小车处于起始位置传感器检测到障碍物，如图5-3所示，此时小车上信号灯发光，机械手闭合夹持障碍物，小车停止寻迹，执行清除障碍物工作。图5-3 传感器检测到障碍物当机械手夹持障碍物后，就需要配合小车运动，将黑线上的障碍物清除，如图5-4所示，小车向右旋转90度并向前运动一段距离，机械手打开，放下障碍物后小车后退并左转回到黑线上，如图5-5所示，障碍物离开了黑线，小车继续进行循迹运动。图5-4 清除障碍物图5-5 清除障碍物后小车回黑线继续循迹当两侧传感器在黑线上，表明小车已经运动到转向路口，需要进行转向，如图5-6所示，通过传感器的反馈信号，小车自动进行了向左90度的转向，成功完成了智能小车在循迹过程中的第一个难点。图5-6 小车左转弯在实验中小车循迹主要两个动作：一个是直走，另一个是左转，当第一个左转很成功的实现之后，小车就能沿黑线循迹运动，最终回到起点，如图5-7所示。图5-7 回到起始位置5.3 测试结果分析通过实验可以发现，在循迹过程中，小车只要能清除障碍物后回到黑线上继续循迹，实验就能成功，否则以失败告终。由于小车本身质量很小，且轮子固定不稳，通过直流电机控制的小车空转速度快，但负载能力差，转弯时只能一侧轮子正转另一侧轮子反转到达转弯的目的，其转过的角度通过程序控制，受很多因素影响，所以并非每次都能转到预想的位置。另外，夹持器的张开角度有限，并非每次都能使障碍物进入夹持器中。以上都是模型小车的硬伤，无法单单从软件方面改善，以后应尽量避免这些因素。结 论智能小车技术是一项具有广泛应用前景的技术，在自动化生产线、仓库管理、机器人服务、环境监测、航空航天等领域，它发挥着越来越重要的作用。本文主要讲解了结合循迹小车模块和障碍物检测清理模块于一体的智能清障小车系统。通过对方案的论证和比较最终确定了可行性方案，结合所学知识，设计并制作了硬件电路，通过Keil软件编写的程序，经过调试实验，最终制作了智能清障小车模型。现将工作总结如下：1) 在充分考虑了智能小车系统结构的基础上，以MCS-51系列中的AT89S52单片机为控制核心，并且结合各种传感器模块搭建了智能控制中心的硬件平台，为后续的工作提供了实验平台。2) 详细分析了PWM控速原理，对于如何通过单片机控制电机从软硬件两方面进行了解析。3) 软件中充分利用单片机资源，加入机械手模块，使循迹小车更加智能化。4) 系统经过测试，虽然存在着一定的问题，但能够实现小车的循迹、监测障碍物、清除障碍物等功能。致 谢本论文是在张建化老师的指导下完成的，在智能小车系统的设计、调试及论文的写作过程中，他给予了无数的指导和大力的支持，在这里向张老师表示忠心的感谢。在系统设计、调试阶段，得到了一些同学的帮助，在这里也表示感谢。也感谢学院及机械电子教研室的老师和领导为我提供的良好的毕业设计环境使我完成毕业设计。在毕业之际也感谢辅导员老师四年来在生活中给予的关心和帮助。最后，感谢所有帮助过我的老师和同学们，感谢给我论文进行评阅和指导的老师们。参考文献1 张文杰.基于CAN总线的智能小车控制系统研制D.成都：西南交通大学，2009.2 吴荣芳.多功能智能小车的研究D.北京：北京科技大学，2007.3 何建英.基于MCS-51单片机智能小车控制器设计与实现D.重庆：重庆文理学院，2006.4 芮晴波.基于FPGA的智能小车系统D.镇江：江苏大学，2007.5 袁亚东.基于CCD的智能小车的研制D.合肥：合肥工业大学，2009.6 陆凯峰.基于DSP的多功能智能机器小车的研究D.无锡：江南大学，2008.7 董刚.智能小车运动控制系统研制D.西安：西安科技大学，2009.8 安岩.自动循迹智能小车的设计论文N. 苏州科技学院学报，2004-1-1(B1).9 /p-19752460070.html10 周立功.ARM嵌入式系统软件开发实例M北京：北京航空航天大学出版社，2005:22-28.11 张毅刚，彭喜元.新编MCS-51单片机应用设计M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2003：25-27,411-417.12 何希才.传感器及其应用电路M.北京：电子工业出版社，2001:27-54.13 董涛，蒋苏Error! No bookmark name given.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):380-388.14 郭亮，谭立伟.基于单片机的新型智能小车研制设计D.成都：西南交通大学，2003.15 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D南京：南京理工大学，2004.16 /magzine/20060105/5575.asp17 谭浩强.C程序设计（第三版）M.北京：清华大学出版社，2005:34-88.18 苏神保，唐松文，黄会雄.智能小车单片机控制直流电机方案与设计J.技术研发，2009，36（4）：36-40.19 黄迪明.软件技术基础M.成都：电子科技大学出版社，2006:18-37.20 马忠梅，李月香.单片机内部资源的C语言编程J.微计算应用，1997，(2):10-15.21 Jin-Oh,Kim,P.KhoslaReal-time obstacle avoidance using harmonic potential functionsJ.IEEE Transaction on Robotics and Automation，1992，(3):338-34922 J.Q.Cheng,L.J.Chen.Study OllStablity of Fuzzy Closed-Loop Control SystemsJ.Fuzzy Sets and Systems，1993，(2):159-16823 许彦峰，孙汉旭.人工智能在机器人领域的开发应用J机电产品开发与创新，2004，(1):21-23附录I系统原理图如附图I附图I 系统电路原理图附录II系统程序如下：#includesbit E1=P1
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