多功能智能小车设计毕业设计论文

1绪论1．1设计背景和意义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综合系统，它集中的运用了计算机、传感、信息、通信、导航、人工智能及自动控制等技术，是典型的高新技术综合体［1］。目前，智能小车在军事、民用及科学研究等领域都已得到了广泛的应用。随着人们物质生活水平的提高，汽车已经越来越普及，但交通事故也随之增加，危及了人们的财产及生命安全。与此同时，随着科学技术的发展，探险、排爆等危险场合工作的机器人，以及自动化生产中运输小车的应用也日益广泛，汽车已经不再只是拥有四个轮子的交通工具，人们更加希望汽车作为日常生活以及工作范围的一种延伸。因此，研制智能自动驾驶车已成为急需和必要，它对解决道路交通安全提供了一种新的途径［2］。本设计的智能电动小车能够实时显示速度、里程，具有自动寻迹、避障功能，具有较强的实际意义。1．2国内外研究现状随着汽车工业的迅速发展，关于汽车的研究也就越来越受人关注，智能车的发展也更加细致与多元。早期的智能车研究侧重于应用，从单纯的作业考虑把智能车作为某个特定条件下作业的专用工具，即程序控制车，它完全按照事先装入到存储器中的程序安排的步骤进行工作，能有效地从事安装、搬运等工作。这一代智能车的最大缺点是它只能刻板地完成程序规定的动作，不能适应环境变化。随着电子技术和人工智能学科的发展，配备有传感器的第二代自适应智能车应运而生。这种智能车通过传感器获取作业环境、操作对象的简单信息。由于它能随着环境的变化而改变自己的行为，故称为自适应智能车。第二代智能车虽然具有一些初级的智能，但还没有达到完全“自治”的程度。当前，人们正在研制能在广泛范围内对物体进行搜索、识别和测距等功能的智能车机构。它们能对感知到的信息进行处理，以控制自己的行为，具有作用于环境的行为能力。一个理想化的、完善的智能车系统通常由3个部分组成：移动机构、感知系统和控制系统［3］。目前研制的智能车虽大都只具有部分智能，但也已在很多领域得到了广泛的应用。目前发展较快、对智能车的发展影响较大的关键技术是传感器技术、智能控制技术、路径规划技术以及导航和避障技术等。近年来，各式各样的智能车传感器发展得很快。超小型化、高可靠性及廉价的传感器的出现，将从根本上改变智能车编程及其控制系统的设计［4］。为了让智能车正常工作，必须对智能车的位置、速度和系统内部状态等进行监控，还要感知智能车所处的工作环境的静态和动态信息，使得智能车相关的工作顺序和操作内容能自然地适应工作环境的变化。目前已开发出的各种各样的传感器可分为内部传感器和外部传感器两大类。内部传感器用于监测和控制智能车自身，外部传感器安装在智能车上，用于感知外部环境信息［5］。智能控制是具有智能信息处理和智能信息反馈以及智能控制决策的控制方式，是控制理论发展的高级阶段，主要用来解决用传统方法难以解决的复杂系统的控制问题［6］。智能车有自主导航功能，它是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统。随着智能车技术的不断发展，智能车的应用范围和功能都将大为拓展和提高，在野外作业以及在有害与危险环境作业中已经得到了世界各国的高度重视［7］。智能车的路径规划就是给定智能车及其工作环境信息，按照某种优化指标，在起始点和目标点之间规划出一条与环境障碍物无碰撞的路径。智能车路径规划的研究始于20世纪70年代，目前对这一问题的研究仍十分活跃。其主要研究内容按智能车工作环境不同，可分为静态结构化环境、动态已知环境和动态不确定环境的路径规划；按智能车获取环境信息的方式不同，可分为基于模型的路径规划和基于传感器的路径规划［8］。智能车一般工作在室内或者家庭居室环境中，即有平整的地板、垂直的墙壁、规范的门厅、各种家具、人员等。在工作过程中，智能车可能会和人员、家具发生一些互动作用，例如，家具可以挪动地方，人本身也在这个环境中来回走动。智能车导航就是要使它行驶于各种静态和动态物体之间，而且可以避开各种“障碍物”。当然，在这样的环境中，可以假使有关环境的约束来祢补或者平衡目前环境感知技术的缺陷［9］。可以预料，随着人工智能技术的飞速发展，越来越多的智能车将推广应用，成为人工智能领域的重要音符和旋律［10］。1．3主要研究内容及安排本课题是以单片机作为中心控制器的智能车控制系统，针对小车在行驶过程中的不同要求，采用模块化设计方案设计智能小车，本设计的智能小车具有实时显示行驶速度和行驶累计里程，实现规定区域内自动寻迹、避让障碍物等功能。在深入了解国内外相关技术的研究现状之后，从硬件和软件两方面出发，完成了基于单片机的多功能智能小车的设计。最后给出设计的结论，并对下一步工作进行了展望。针对上述研究内容，本论文的安排如下：第1章：总结了智能小车的研究背景和意义以及国内外的发展现状。第2章：主要分析了智能小车硬件设计的几种方案，对其各自的优缺点进行比较，最终选出适合智能小车控制的最佳方案。第3章：先简单介绍了实现智能小车控制的总体设计思路，然后详细介绍了智能小车的工作原理、电路设计以及电路的工作过程。第4章：在本章对系统的软件进行了设计，结合硬件电路原理图绘制出了程序流程图。第5章：论述了提高系统可靠性的措施，主要是通过对硬件电路和PCB的设计来提高系统的可靠性。第6章：对本论文做了简要的总结，并对下一步工作进行了展望。2方案设计与论证从这一章开始介绍基于单片机控制的智能小车的设计过程。2．1设计要求设计一种基于单片机的智能小车，它能够实时显示行驶速度和行驶累计里程；具备自动躲避前方障碍的能力；可以沿给定的轨迹行驶；寻找光源等功能。2．2总体设计根据题目要求，本设计共分为5个模块：前轮PWM驱动电路、后轮PWM驱动电路、轨迹探测模块、障碍物探测模块和光源探测模块。前轮PWM驱动电路主要用于转向控制；后轮PWM驱动电路主要用于方向和速度控制；轨迹探测模块利用三个光感元件，对黑色轨道进行寻迹；障碍物探测模块用于对障碍物进行探测；光源探测模块利用三个光敏电阻制成，用于寻光并确定光源角度，以期获得较为精确的转向值。绕障方案利用障碍物较低这个重要条件，小车出发后，先利用光敏电阻获得光源的方向是本设计的一大特色。系统硬件框架设计如图2.1所示：图2.1系统总体框图2．3方案论证本节主要介绍基于单片机的智能小车的设计方案及对比论证过程。轨迹探测模块方案分析与比较方案一、使用简易光电传感器结合外围电路探测。由于所采用光电传感器实际效果并不理想，对行驶过程中的稳定性要求很高，第4页共32页且误测几率较大、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。方案二、利用两只光电开关。分别置于轨道的两侧，根据其接受到白线的先后来控制小车转向来调整车向，但是如果两只光电开关之间的距离很小，则约束了速度,如果着重于小车速度的提升，则随着车速的提升，则势必要求两只光电开关之间的距离加大，从而使得小车的行驶路线脱离轨道幅度较大，小车将无法快速完成准确的导向从而有可能导致寻迹失败。方案三、用三只光电开关。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。虽然小车在寻迹过程中可能会有一定的左右摇摆（因为小车的内部结构决定了光电开光之间的距离到达不了精确计算值1厘米），但只要控制好行驶速度就可保证车身基本上接近于沿靠轨道行驶［11］。综合考虑到寻迹准确性和行驶速度的要求，我们采用方案三。障碍物探测模块方案分析与比较考虑到在测障过程中小车车速及反应调向速度的限制，小车应在距障碍物40CM的范围内做出反应，这样可以保证小车能够顺利绕过障碍物。否则，如果范围太大，则可能产生障碍物的判断失误；范围过小又很容易造成车身撞上障碍物或虽绕过障碍物却无法实现理想的定向方案。方案一、采用一只红外传感器置于小车中央。一只红外传感器小车中央安装简易，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。方案二、采用二只红外传感器分置于小车两边。二只红外传感器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。但此方案过于依赖硬件、成本较高、缺乏创造性，而且置于小车左方的红外传感器用到的几率很小，所以最终未采用。方案三、采用一只红外传感器置于小车右侧并与小车前进方向呈一固定角度。基于对行车地图中光源及障碍物尺寸、位置的分析，我们采用了通过寻找光源来对行车方向进行控制，在向光源行驶的过程中检测障碍物并做出相应的反应，这样不仅只使用一只红外传感器就实现了避障，而且避免因小车自然转弯而导致的盲目方向控制，同时为后面以最简单最直接的路线和在最短的时间内完成行驶路程创造了机会［12］。智能小车应以准确、智能见优，我们采用方案三。光源探测模块方案分析与比较方案一、采用多只方向性较强的光敏二极管作为光源定位器。若干定位器在水平面上按不同角度展开，在寻找光源时根据每个定位器接收到的光线强弱（有无）得出行车方位。该方案若采用方向性较强的光敏二极管作为光源定位器，要么是需要很多的器件，要么是难以检测到光源的方向。方案二、采用一个光源定位器。用深色不透光材料与光敏电阻制成的光源定位器有较理想的定向测试效果，2.5米之外就可以确定光源的方向。当小车绕过障碍物之后，通过不停地旋转使定位器获得最大光线照射以确定光源方向，这种方案有一定的可行性，但寻找光源的过程必定带来不必要的大量时间开销，且寻找过程盲目性太大，不利于控制，又增加了一个电机，增大的电源方案选择或安装的难度。方案三、利用多只光源定位器。在方案二所得数据的基础上，结合光敏电阻的敏感性，只用三到五只光敏电阻就可以达到目的，但因其对光非常敏感，所以必需为每只光敏电阻加上黑色隔离板。虽然制作有一定难度，但其能见长度和相对简明的控制措施显示了很大的优越性。综合考虑以上方案，方案三更具准确性和独创性，我们采用方案三。距离检测方案分析与比较方案一、通过测试得出小车平均速度V,在行驶过程中将行驶时间与其乘积fv作为驶过的距离。但该方案受电池电量、路面介质等因素的影响，在大多数情况下均暴露出误差较大的缺点，故不予采用。方案二、在后轮内侧匀距贴上m个磁钢，车厢内装上霍尔开关。对轮子转速进行测量，由于低速下轮子与地面接触良好，设轮周长为c，可以用霍尔开关输出脉冲数n乘以c/m得出行驶距离。只要磁钢在后轮上的位置足够精确，霍尔开关固定牢靠，就可以获得较好的测试效果。但车子颠簸时，稳定性较差。方案三、在齿轮箱中安装透射式光电开关，测出变速齿轮的每秒转速，用变速比和车轮周长计算出线速度，积分求行驶距离。但在齿轮箱中使用光电开关，要求有足够的安装位置，不能影响传动机构的机械动作。其优点是工作稳定。综合以上方案优劣和小车的结构特点，我们采用方案二。刹车机构方案分析与比较方案一、自然减速式。当系统发出停止信号时停止给驱动电机供电，小车在无动力状态因阻力而自然变为静止。由于惯性，小车全速行驶时需1.8秒后才能停止，因车轮滑行造成的误差较大。无法实现精确制动的目标。方案二、反转式。当小车需要停车时给驱动电机以反转信号，利用轮胎与跑道的摩擦力抵消惯性效应。由于车速是渐减的，反向驱动信号长度也要渐减，否则小车可能反向行驶。使用此方案后全速刹车反应时间减少为0.5s。本系统中我们采用方案二。电源与稳压模块方案分析与比较方案一、采用交流电经直流稳压处理后供电。采用交流电提供直流稳压电源，电流驱动能力及电压稳定性最好，且负载对电源影响也最小。但由于需要电线对小车供电，极大影响了智能小车行动的灵活性及地形的适应能力。而且避障小车极易把拖在地上的电线识别为障碍物，人为增加了不必要的障碍，故放弃了这一方案。方案二、采用蓄电池供电。蓄电池具有较强的电流驱动能力和较好的电压稳定性能，且成本低廉。可采用蓄电池经7812芯片稳压后给电机供电，再经过降压接7805芯片给单片机及其他逻辑单元供电。但蓄电池体积相对庞大，且重量过大，造成电机负载过大，故最终放弃了这一方案。方案三、采用干电池组进行供电。小车使用4节充电电池供电，4节串联为4.8-5V,可以满足各个芯片的供电要求，为了能适用于用普通电池供电，在电源部分采用忖2940来稳定电压，配合去耦电容滤去电源的杂波。这样解决了因普通电池的电压1.5V,新的通常有1.6V,4节串联将达6.4V，引起的电压的不稳定，内阻随着使用逐渐增大引起系统中芯片损坏等问题。为了避免电机启动及制动时的短暂电压干扰不会影响到逻辑单元和单片机的工作，采用电机单独供电。综合以上考虑，我们采用方案三。示意图如图2.2所示：图2.2电源模块电机驱动及PWM调速模块方案分析与比较在电机驱动部分采用PWM调速系统，其有如下优点：(1)由于PWM调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得脉动很小的直流电流，电枢电流容易连续，系统的低速运行平稳，调速范围较宽，可达1：10000左右。由于电流波形比V-M系统好，在相同的平均电流下，电动机的损耗和发热都比较小。(2)同样由于开关频率高，若与快速响应的电机相配合，系统可以获得很宽的频带，因此快速响应性能好，动态抗干扰能力强。(3)电子器件只工作在开关状态，主电路损耗较小，装置效率较高。脉宽调速系统的主电路采用脉宽调制式变换器，简称PWM变换器。脉宽调速可通过单片机控制继电器的闭合来实现，但是驱动能力有限。为顺利实现电动小车的前行与倒车，本设计采用了可逆PWM变换器。可逆PWM变换器主电路的结构式有H型、T型等类型。我们在设计中采用了常用的双极式H型变换器，它是由4个三极电力晶体管和4个续流二极管组成的桥式电路。双极式PWM变换器具有：电流一定连续；可使电动机在四象限中运行；电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；低速时，每个晶体管的驱动脉冲仍较宽，有利于保证晶体管可靠导通；低速平稳性好，调速范围可达20000左右等优点［13］。方案一、使用分立元件搭建电机驱动电路。使用分立元件搭建电机驱动电路造价低廉，在大规模生产中使用广泛。但分立元件H桥电路工作性能不够稳定，较易出现硬件上的故障，故放弃了这一方案。方案二、使用MC33886芯片驱动电机。MC33886是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；直接用单片机的I/O口提供信号，而且带有使能端，方便PWM调速，电路简单，性能稳定，使用方便。MC33886芯片可以用来驱动2个直流电动机或步进电动机等感性负载，正好符合小车两个二相电机的驱动要求。综合以上考虑，采用MC33886芯片驱动小车电机。控制示意图如图2.3所示：图2.3MC33886驱动电机原理2．4本章小结本章主要分析了智能小车系统的设计方案，分别从寻迹，避障，电机驱动等各个模块进行了方案对比和论证。详细阐述了智能小车系统的各个方案，比较其优缺点，针对设计要求及本系统的可开发性，最终选出适合小车设计的最佳方案。3系统硬件设计在第二章里，我们主要介绍了智能小车系统的设计方案和对比论证过程，在本章将主要介绍智能小车系统的工作原理、各个模块电路的设计以及实现过程。3．1原理分析和说明键盘显示模块该设计使得原本需要14个IO接口的键盘显示少用了9个IO接口，虽然该设计的优势在本实验中没有完全体现出来,但若在现代工业设计中应用此方案,在对引脚需要较大的产品中其优点将体现得淋漓尽致。键盘显示说明如图3.1所示：元件安装小车元件安装方位图如图3.2所示：测障光电开关前图3.2元件安装方位图光敏电阻分布在各光敏电阻间用隔板隔开，如此摆放可以很好的解决探测光源方位的难题，从而正确控制小车的转向。当小车行驶方向朝向光源时，中间电阻阻值为低，当小车偏移光源方向时，由于光敏电阻间挡板的遮拦作用，两侧的电阻定有一侧为低，此时可根据不同的情况作出转向调整，这种分布方式可以使小车寻找光源的路径准确、合理。小车动力系统为达到满意的控速性能，动力系统中的驱动电路使用了自制的PWM模块并配以组合门电路加以保护。在行驶过程中有可能变热的部分电路也涂上了低熔点胶给予保护，有效的保证了整套系统的工作稳定性［14］。四电源供电系统为确保在行驶过程小车各部件均能正常工作且相互之间不受影响，我们使用了四组电源为不同模块提供工作电压。其中：三组9V电源分别为测距光电开关供电，经整流稳压后单独为单片机最小系统及其附属部件供电，及为霍尔开关、寻迹光电开关供电，一组6V电源为电机供电。如此安排满足了多次测试大量用电的需求。3．2电路设计在这一节主要介绍硬件电路的设计过程及其工作原理。3.2.1数据采集原理在这一小节里对A/D转换技术进行了介绍，为更好的理解速度采集和障碍物检测奠定了基础。(1)A/D转换技术A/D转换器将电位器输入的模拟电压转换成数字量，然后送入单片机进行处理。A/D转换的过程首先是对模拟电压信号取样，取样结束后进入内部保持电路，在保持的这段时间内将取样的电压量化为数字量，并按一定的编码形式将转换结果输出，根据ADC器件的输出形式可以将A/D转换器件分为并行、串行和串并行三种。并行A/D转换器用Va表示输入的模拟量，经过A/D转换后，在输出端得到N位的数字量输出。(式3.1)V=V(b—+b—+ + b-)(式3.1)AR121 222 n2n式中VR为参考电压，b1、b2、……bn分别为第1到第N位对应的二进制系数，由于N位二进制数同时输出，故称为并行输出。串行输出A/D转换器是在并行输出A/D转换器的基础上增加数据的并一串行转换而得到的。串一并行可以同时有串行和并行数据输出，此类ADC大量用于低速、廉价的积分型A/D转换中，大都采用十进制编码方式，由于其具有精度高、抗干扰性强等优点而广泛应用于低速测量领域。(2)逐次比较型A/D转换原理逐次比较型A/D转换器由比较器C、D/A转换器、寄存器、时钟脉冲源和控制逻辑5个部分构成。转换开始首先将寄存器清零，此时加给D/A转换器的数字量全是0。当转换控制信号v£变为高电平时开始转换，时钟信号首先将寄存器的最高位置为1,使寄存器的输出为100…00。这个数字量被D/A转换器转换成相应的模拟电压v0，并送到比较器与输入信号。进行比较。如果v。>v,，说明数字量过大了，则这个1应去掉；如果v0<v,，说明数字量还不够大，1应予以保留。然后，再按同样的方法将次高位置1,并比较,与v°的大小以确定此位是否该保留。这样依次比较下去，直到最低位比较完为止。此时寄存器里所存的数码就是所求的输出数字量［15］。A/D转换器的主要参数A/D转换器件的转换精度和转换速度是决定ADC器件的重要参数，其中转换精度一般用分辨率和转换误差来描述。分辨率以输出二进制或十进制数的位数来表示，它说明ADC器件对输入信号的分辨能力。从理论上讲，n位二进制A/D转换器能区分输入模拟电压的2〃个不同等级的大小，能区分输入电压的最小差异为-1FSR(满刻度输入的-1)。转换误差表示实际输出的数字量和理论值之间的差2n 2n别，一般以最低有效位的倍数给出［16］。A/D转换器件的转换速度主要取决于转换电路的类型，不同类型的A/D转换器件的转换速度相差悬殊。其中，并联比较型A/D转换器的转换速度最快，逐次比较型A/D转换器的转换速度次之，而间接比较型A/D转换器的转换速度最低［17］。路径识别电路设计RPR220接收到反射信号，根据接收光强的不同输出不同的电压值。将输出的电压与比较器的阀值电压进行比较，当高于阀值电压时，LM293输出低电平，反之，输出高电平。将LM293的输出端接到单片机的IO口上来检测是否脱离轨道，并作出车速检测电路设计小车车轮为黑白相间30个格，TCR5000是发射接收一体的发光管，当发射光强相同时，发光管照到黑色格子时反射光较弱，发光管照到白色格子时反射光较强。TCR5000接收光强不同，因此输出的电压值不同，将此电压值与比较器的阀值电压进行比较，当高于阀值电压时，LM293输出低电平，反之，输出高电平。将LM293的输出端接到单片机的IO口上，将输出一系列脉冲波形，根据小车车轮黑白条数和输出脉冲数可知小车车轮的转数N，小车车轮周长L已知，即可求出小车的行驶距离，S=NL,进而求出小车车速,V=S/T。车速检测电路如图3.4所示：图3.4车速检测电路障碍物检测电路设计当检测到障碍物时，TCR5000接收到反射信号，发射极有高电平产生，将此信号接到比较器的反向输入端，与阀值电压进行比较，当高于阀值电压时，LM293输出低电平，反之，输出高电平。将LM293的输出端接到单片机的IO口上可以判断小车是否接近障碍物。障碍物检测电路如图3.5所示：

图3.5障碍物检测电路电源电路设计小车电源采用电机单独供电。考虑到不同的电机对电压有不同的需求，在电源图3.6电源电路电机驱动电路设计在电机驱动模块中，我们采用PWM来控制电机的速度，下面对PWM调试原理及电机驱动电路做一下简单介绍。(1)PWM调速原理直流电机转速的表达式为:

（式3.2）U—IR

n（式3.2）k。式中：U为电枢端电压；I为电枢电流；R为电枢电路总电阻；。为磁通量；K为电动机结构参数。对直流电动机电枢电压的控制和驱动方式通常有线性发动驱动和开关驱动两种方式。(2)电机驱动电路电机驱动电路的主要功能是将主控芯片发出的信号通过MC33886电机控制芯片转化为小车实际的动作。并通过OUT来控制转向电机的正转与反转，最终实现小车的左转与右转。电机驱动电路最终的功能是实现小车的前进、后退和停止。

VLCVREFH"g：1口2bYEEFLVSSVSSVLCVREFH"g：1口2bYEEFLVSSVSS3F；：«JCiRSfr：QFTCb次T&匚FTOtirECTAL冲1金6§二w7SSQ1a111七1MI①1?PITSFTCSPTC2PTCIFTtQFTOjPTB2FTTriPTFS^TWICtriPTF4.'Tr?/lcmFTFu-TFt^lCW3FTFu-TFy^ICtTjF「t。fataiioapTji图3.8单片机3.3本章小结本章重点是系统硬件电路的设计。首先进行了原理分析和说明，然后详细阐述了路径识别电路、车速检测电路、障碍物检测电路、电源电路和电机驱动电路的原理和功能。硬件电路的设计为第四章的软件设计做了辅垫。

4系统软件设计本章主要是采用模块化结构对智能小车系统进行应用程序的设计。4．1主程序设计图4.1主程序流程图

当系统上电后，主程序开始运行。首先对单片机系统的各个端口进行初始化，设置定时器T0,T2方式，LED指示工作等。图4.1所示为软件主程序流程图。4．2键盘及显示子程序设计在键盘程序部分，用键盘来控制小车的工作状态，在显示程序部分通过从速度采集端口采集来的二进制数字转化为可以显示的ASCII码值，来实时显示速度和小车的转向指示。键盘处理子程序流程图如图4.2所示，速度采集显示子程序流程图如图4.3所示：图4.2键盘处理子程序流程图 图4.3速度采集显示子程序流程图4．3电机控制子程序软件要实现的功能根据前面的硬件设计，电机驱动模块可以当成一个独立的智能功率驱动器使用。软件要实现的功能有：接收并解析控制命令；使电机有良好的驱动特性，可正、反转动，且转动平稳有力；可靠的获取转速反馈信号；根据反馈信号使用有效的控制策略使电机达到所需的转速；利用码盘的反馈信号控制行走距离；可以根据命令实现电机的特殊运行状态：刹车、惰行。而在上述功能中，真正影响驱动器性能的是驱动特性和控制策略。软件功能实现根据要实现的功能，将软件分为以下几个部分：命令接收解析:完成命令接收，命令内容解析；(2)电机PWM驱动：根据电机控制参数产生驱动信号，使电机进入期望的运转状态；速度反馈:读取码盘信号，计算出速度数据，完成计数功能，实现行走距离控制；控制策略:根据命令给出的数据和反馈得到的数据计算电机控制参数，实现速度控制。电机驱动实际上构成了一个典型的自动控制系统，如图4.4所示：图4.4电机控制系统其中的“PID调节器”由软件的控制策略部分实现，驱动器硬件只提供了电流的开关、放大功能，而主要的驱动特性实现是由软件中电机PWM驱动完成的。为了精确控制小车的速度，引入闭环速度控制。通过速度传感器检测小车的实时速度，将实际速度与期望速度进行比较，从而确定小车的速度［18］。电机控制子程序流程图如图4.5所示：

收到命令?N有脉冲?计算出？NY4.4障碍物检测子程序NYY计算速度，依据给定值和PID参数计算电机驱动PWM值输出控制值收到命令?N有脉冲?计算出？NY4.4障碍物检测子程序NYY计算速度，依据给定值和PID参数计算电机驱动PWM值输出控制值根据PWM参数计算出电机驱动所需参数输出控制值图4.5电机控制子程序流程图控制开始解析命令在硬件设计中我们采用红外测距传感器TCR5000接收反射信号。软件上要解决的问题有如下两个：一是信号的线性化，因为输出与距离的关系是非线性的，为便于程序中使用距离信息，必须将模拟信号转换为相应的距离值；二是滤波，TCR5000的输出噪声很大；此外，由于测量的非连续性，导致连续的距离变化对应的输出为阶跃信号，也需要通过滤波将其平滑。关于线性化,采用折线近似实现,但代码量太大，而且需要做大量的数据采集。再采用Excel制作的电子表格，根据TCR5000特性建立的数学模型（线性化公式），按要求填入参数：AD的位数、AD供电电压，并采集TCR5000的输出电压，填入表中，自动生成线性化公式的参数，提供了整形和浮点两种格式。整形公式需要三个参数：m,b,k。计算公式为：R（距离）=（m/（A2D（AD转换的结果）+b））-k （式4.1）滤波主要解决两个问题，一是在TCR5000恒定输出阶段，根据应用指南的分析，有一定的噪声，需要通过滤波消除。二是由于其非连续测量的特性，导致其测量连续变化的距离时，输出波形是阶跃形式的，这对程序判断极为不利，为了弱化这个影响，也期望通过滤波实现。根据TCR5000手册，综合小车单片机的内存及处理需求，采用每5ms进行一次采样，取最接近8次采样结果平均值的采样数据进行滤波，也就是说，一个测量周期采用8个数据的平均值［19］。障碍物检测子程序流程图如图4.6所示：图4.6障碍物检测子程序流程图4．5寻迹子程序在硬件设计传感器布局时采用三角形排列，电路部分采用通过RPR220输入传感器采集的路径信息，通过读取传感器输入到端口的高低电位实现了小车的寻迹。在程序设计时拟定使用的是白底黑线的轨迹，而在传感器端白光反射回的信息被红外管的接收部分接收后输入单片机，而黑线没有反射或很微弱，可以忽略。所以实现了小车轨迹线的提取。寻迹子程序流程图如图4.7所示：

图4.7寻迹子程序流程图4．6本章小结本章主要介绍了智能小车系统的软件设计。本系统的软件部分由主程序，键盘处理子程序，速度采集显示子程序，电机控制子程序，障碍物检测子程序和寻迹子程序等组成，并结合硬件电路的原理设计出了程序流程图。

5提高系统可靠性的措施如何提高智能小车系统的可靠性是整个设计的关键性问题，在本章通过对硬件电路设计和PCB设计两方面来提高智能小车系统的可靠性。硬件看门狗电路在单片机系统中，电源监测及复位电路对系统的正常稳定运行有着相当大的作用。电源监测电路的作用是在上电时，在电源电压上升到稳定前使单片机保持在复位状态，以保证上电时能正常地启动系统；在运行过程中，当出现电源电压非正常跌落，降低到某一电源值时，也能复位系统，防止单片机运行过程中程序跑飞［20。最基本的复位电路要保证系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号，为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防止电源开关或电源插头分合过程中引起的抖动影响复位。最常用的电路是由电容充放电原理组成的RC复位电路，如图5.1所示：图5.1基本复位电路这种电路的缺点是解决不了电源缓慢下降电池电压不足的问题，而且调整RC常数时会令驱动能力变差。图5.2所示的复位电路增加了二极管，在电源电压瞬间下降时使电容迅速放电。图5.2增加放电回路的RC复位电路为了进一步提高可靠性，可以使用比较电路。近年来许多公司推出了专用的电源监测芯片，它们具有体积小、功耗低、复位门槛电压可选等优点，能最大程度地简化外围电路。本次设计选用了IMP809芯片，电路图如图5.3所示：VCXJ[|||MAN#OO JRill .RST. il■Um.-yr____图5.3接收控制板的复位电路IMP809是专门用于数字系统电源监测的芯片，当电源电压低于预定的复位门槛电压时，复位信号就会有效，并且一直保持到电源电压超过门槛电压以后140ms。MCU监控电路，即看门狗电路，时刻监视着单片机的运行状态，当单片机进入死寻环或死机后，复位单片机，使系统重启，从而保证系统的正常运行。它实际上是一个定时器，这个定时器只要上电就开始运行，当外界给它一个跳变的脉冲时，定时器就清零。如果外界超过一定时间没有跳变脉冲输入，则该定时器一直运行到溢出，这时就会输出复位信号。在实际的系统中，单片机的一个引脚接到看门狗电路的输入端，并每隔一段时间改变该引脚的输出电平，使看门狗定时器清零，这叫做运行喂狗指令。当单片机进入死寻环或死机而无法再持续执行喂狗指令时，看门狗就复位单片机[21。80C51单片机内部有集成看门狗，只需在程序中开启它，并设定好定时器的溢出周期，就可以起到监控的作用。PCB板的设计智能车的控制板是功率比较大的数字控制系统，在设计PCB板时主要考虑的是导线的粗细、排列及其拓扑结构等因素。用Protel设计时，可以自动布线，也可以手工布线，在此次设计时将两者结合起来，对于关键性的导线，由手工来布，其余的自动完成。系统中关键性的导线主要有电流比较大的驱动回路、容易受干扰的单片机时钟部分，以及对噪声敏感的AD转换部分。在进行设计时，对于驱动回路中流有所有电机工作电流的这些回路，布线时采用STAR型结构，采用80—100mil的线宽，这样增强了系统的稳定性能。这样做出的PCB板就尽最大限度的去除了电路中的干扰。单片机的时钟电路是系统中的一个关键部分，它很容易受到干扰。因此，在对第25页共32页它进行布线时需要特别的关注。在元件的排列上，晶振引脚与单片机引脚尽可能的靠近，用地线把时钟区隔离起来，晶振外壳最好接地。再用地线把单片机晶振引脚以及晶振、负载电容一起包围起来，以达到隔离的目的。对于主电源线、驱动回路导线来说，其线宽越宽越好。对于主电源线最好达到100mil以上，驱动回路导线最好达到50mil以上，其它的信号线在20〜30mil之间相邻导线之间的距离在10mil以上，这样不仅容易加工，而且不容易造成短路。5．3本章小结本章主要从硬件看门狗电路以及PCB板的制作阐述了提高智能小车系统稳定性的措施，通过应用“看门狗”技术和PCB设计保证了系统的稳定运行。6结论及展望在学习智能控制原理，单片机及传感器等相关知识的基础上，本课题对以单片机作为中心控制器的智能车控制系统进行了研究，从硬件和软件两方面对智能小车进行了设计。针对小车在行驶过程中的不同要求，采用模块化设计方案设计智能小车，从而实现了智能小车实时显示速度和里程，实现规定区域内自动寻迹、避让障物等功能。在对智能小车的设计过程中，我了解到我国的机器人教育还处于初级阶段，而智能小车的研究为机器人控制理论的学习奠定了扎实的基础，因此，本课题具有一定的现实意义。诚然，智能小车的“智能”是有限的，由于传感器受到自身性能的影响，传感器获得的信息非常有限，随着传感器种类的增多，一个强大的智能系统应该是一个多传感器系统，也是信息感知的新的研究方向。附录A系统的硬件原理图附录B系统的硬件PCB图参考文献[1]陈懂.智能小车运动控制系统的研究与实现[M].南京:东南大学仪器科学与工程系,2005.[2]肖海荣，张吉卫.基于89C52单片机的智能电动车电控系统设计J].山东交通学院学报,2004,12(1):60.[3]周斌，蒋荻南.基于虚拟仪器技术的智能车仿真系统J