【基于3D技术的智能小车的设计与实现8400字（论文）】

基于3D技术的智能小车的设计与实现摘要近年来，科技的革新促进机器人技术飞速发展，伴随着机器人智能化程度的提升，机器人在许多领域得到应用，为经济发展、社会进步做出巨大贡献。由于机器人的工作环境和工作复杂程度提高，使用单个机器人难以应对，因此多智能机器人协调工作成为机器人技术研究和发展的一个重要领域。多智能机器人编队作为多智能体协调控制的一个重要发展方向有广阔的应用前景，在工业、农业、军事等领域得到了广泛应用。设计一种以STC89C52单片机为核心的智能小车，利用蓝牙遥控实现小车的启停和转弯;利用超声波传感器检测道路上的障碍，实现壁障行驶功能;采用3D打印技术为小车设计框架、外形等基本结构。整个系统的电路结构简单、可靠性高、功耗低、性价比高，测试结果满足功能要求。关键词：3D打印；STC89C52；单片机；智能小车；红外遥控目录TOC\o"1-3"\h\u278011绪论 1160351.1选题背景 194731.2研究的目的和意义 2189151.3研究内容 4191992系统总体方案的设计 4208212.1智能小车行驶轨道的设计 4221442.2传感器方案的选定 479112.3系统整体设计方案 573393硬件设计 7169973.1单片机主控模块 8185153.2避障模块 852913.3无线收发模块 927983.4循迹模块 9300043.5激光传感器原理与设计 9292854结束语 127482参考文献 121绪论当前，人们希望车辆能够自动驾驶，不用人为路面情况对车辆进行操纵，希望车辆本身能够对路面的复杂程度做出反应并可以沿着指定道路行驶。数多年至现在，生产商持续提升生产，高科技自动化技术始终得到了不断的进步，它的发展使得智能控制电子慢慢在汽车行业的范围内有了名气，使得人们对它开始有了一定的了解，自动驾驶这个愿望很快会实现。现在,很多国家都开始研究和设计智能车，希望能够真正实现自动驾驶。智能车的研究工作和机器人的原理差不多，因为二者的设计系统都设计到了传感技术，计算机技术，人工智能技术，自动控制技术等等，他们都是上述所提到技术的综合体。在目前看来，智能小车的发展范围越来越广了，小车的智能化程度越来越高了，而这也是智能的车的两大特点。它的主要功能是能自动识别路径并对速度实行自动控制。智能小车可以对环境进行感知，由于有较高的判断能力还可以实现自主驾驶自主行驶，它最主要的优点是自己能够沿着事先设定好的路线行驶，根据智能汽车的特殊功能，它可以工作在人类不能进入或生存的环境中。在智能交通系统(ITS)这个范畴内，智能技术开始影响并应用到社会各阶层，已成为一个热门的探究方向。1.1选题背景现如今，汽车行业的发展开始越来越迅猛，尤其是高速公路的发展，它的发展速度也十分的快，这就使车辆行驶的速度随着他们的发展也得到的加速提高，日益严峻的交通拥堵，发生事故的频率越来越高，这导致研究智能汽车智能正日益受到追随者的关注。此外,智能车还可以应用在医学、照明、消防等领域，大家也开始关注如此多功能的智能车。因为智能汽车要去工作的环境是多变的，因此这就要求智能车在这些环境中都能行走自如，在硬件和软件方面都需要一个强大的基础做后盾，这样就可以执行它预定功能的任务。我国在2006年2月发表了《国家中长期科学和技术发展规划纲要》，这篇文章表明，智能机器人将会是未来发展中的核心范畴，并纳入国家十一五“863”计划。智能小车是一个快速运转，可以自主行动，重复运动的自动化设备并且它有着非常高的复杂程度。对于汽车行业的工艺技术和智能化发展，它不单单是因为以往传统产业发展的突飞猛进和过去产业本来性质的改变，在人们的日常生活各处都会应用到智能车，影响着人类的生活，并且智能车的可以应到各个领域，很有研发价值。比如说,在我们的日常活动的情况下，我们能够把智能车设计成导盲车辆，盲人使用它可以方便行走活动，去自己想去的地方；在国家防卫方面，依然能够有智能车发挥优势的地方，它可以代替人类在危机时刻、有伤害的情况下执行排雷侦察等工作；在制作产业的应用，汽车能够协助智能设备的检测，货品装卸等其他的工作，能够实现复杂的环境各种程度的工作；在科研方面，智能车可探测太阳系外行星，或发送图像等任务。智能机器人发明出来到现在，已经有十几年的时间了，发明机器人到现在，各个领域已经开始应用机器人去完成各自需要的任务。由于机器人提到了“人”这个名词并且机器人的技术发展革新太迅速，至今还没有给机器人一个明确意义上的说明和定义。最主要的是，因为智能机器人的技术太过新颖，开发制作上发展太迅速，并且，最重要的是智能机器人这个概念关系到“人”这个敏感词，很难界定。我们的科学家是这样定义的机器人，机器人是一种自动机器的能力，这是智能机器和不同的人或类似机构，如感知能力、计划能力、行为能力和协调，是一种高活性的自动机器。”对于机器人，到目前为止，国际社会没有定义分类，我国机器人分为两大类：即工业机器人和特种机器人。传统上，我们平常提到的工业机器人仅仅是应用在工业生产上的一个设备，它可以自动执行设定好的工作，例如面条自动切割机器等等，而特种机器人是一种趋势，如服务，娱乐，军事，农业等领域。本课题的研究是关于智能车辆跟踪中的一个机器人。在科学技术在各个领域飞速发展的过程中，它带来了技术依据，为实智能化系统智能汽车。智能化是汽车行业的未来发展走向，但也是对汽车行业不断增高的发展方向和安全和情报人员的要求。当信息技术基础和发展的高技术、模糊控制、神经网络控制和新技术的发展，在不久的将来，智能汽车将是一个新的突破。实践智能车辆系统的目标是发展进步的力量，智能车辆，具有良好的适应性，在不同的环境中，智能汽车的目标是未来研究的方向。1.2研究的目的和意义本次论文讨论的是自循迹小车系统的设计，笔者希望系统智能小型车可以用来处理现实中遇到的困难。这种智能车的带轮的构造可以应用在人不能适应环境还能对事先设计定好的任务做的很好。就像美国的“勇气”号和“机遇”号，设计最初就是要它们对火星进行勘测,他们每发现水的证据就表明火星过去曾经在着陆区附近。现在看来，研究智能交通系统ITS(IntelligentTransportationSystem)的发展过程中会发现，世界上关键是要研究智能车系统，而且我们的目标和需求，也是未来汽车工业的发展方向。当自动化技术和提高生产和科学技术的发展和增长的过程中，智能车辆已着手处理涉及不同领域的实际问题：通过研究智能车辆，可设计出一辆自动运行的车辆并对其进行进一步研究。人们享受智能车带来的各种优越性的时候，同时也注意到了它也为我们带来了许多不便。根据道路交通安全，在美国政府的研究指出，80％的事故和碰撞都是因为司机不留神。智能汽车的自驾驶能够减轻驾驶员的工作负荷，减轻驾驶员困乏以确保安全问题，能适应多变的气候条件，以降低流量生成；卫星技术能够与网络报告合理规拥挤路段的车辆，用科学的办法治理拥堵的应用程序相结合；它可以减少车辆，环境污染等的燃料消耗。因此，智能汽车也就成为了汽车行业以后发展的目标。车辆智能自动驾驶将对人们的生活有着重大作用。智能车辆技术已经被广泛用于大多数的工业部门。比人类自身更加保险，且价位不高，是用于人类无法适应的环境下工作的最好的帮手。对于医疗上的应用，智能车可以将它应用在实际生活中，比如方便残疾人行走活动，使人类在水下，太空这种不易适应的环境中进行相关工作，完成既定的任务，这样使工作的效率大大提高了，并且还能防止有害物质损害。智能技术正逐步进入我们的日常生活在未来将有非常重要的意义。在军事领域，智能车同样也能发挥重要的作用。在突发情况和危险环境中，它同样能很好的完成工作，能够更换战士进行侦察任务，以防止在军队死伤。能够救出来困在有毒有害或危险、高温的这种情况下的战士。智能小车已经开始应用在平时生活中。在西方国家，智能车能够用于协助行动不方便的人，包括身体和汽车智能化协助残障人士进行平时的生活行动。现在网络技术越来越发达，人们能够通过控制智能车来控制家居，以完成设定的工作，如家具，家电等的控制清洁度，想让它完成什么工作就可以为它设定相应的程序。对于智能车系统，主要包括功能模块以确定的小车行驶的路线，控制小车速度、角度，在一个集成系统中的一套具有环境意识、驾驶索性和规划决策系统。在这个实验当中,小车在既定的轨迹上行走，通过传感器对轨迹进行识别。1.3研究内容随着材料科学的快速发展，快速成型技术在各个领域均有极大延伸，本文设计的智能小车以车模为载体，车模主要利用3D打印技术实现。控制功能模块主要包括:电源模块、传感器模块、直流电机驱动模块以及智能识别控制模块等。单片机通过光电传感器采集道路信息，根据算法分析得出此时的智能车与道路的偏离状况，然后再据此采用一定的控制算法控制智能车的舵机转向和直流电机的速度，从而实现智能车对路径的自动识别与循迹。2系统总体方案的设计本文中所设计的智能小车首先通过使用三维设计软件设计智能车结构框架和基本器件的三维模型，然后利用3D打印技术，以三维模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将工程塑料这种“打印材料”进行逐层堆积粘结，最终叠加成型，制造出智能车结构框架和需要的器件。2.1智能小车行驶轨道的设计在现实生活中，道路的实际情况不是一成不变的，比如弯道、坡路等等。因此，难以在实验室模拟实际道路，只能用一个白板画黑线的方式简单的替代轨道，为了模拟的真实性，需要做出的轨道不能是凹凸不平的并且轨道宽度设计都是一样同的，这样才能保证模拟顺利。将带有黑色轨迹的白色底板用作智能小车循迹的行驶线路，黑色线为小车循迹行驶的轨迹。为了更加贴合实际路面情况，可将跑道上设计出坡度和有交叉点。2.2传感器方案的选定本文中智能车的设计是由图像传感器将现场操作转化成一系列图像信号。为了完成智能车循迹行驶的先决条件是能够将图像信号转换成数字信号。在数字图像处理的发展初期，数字设备的开发价格特别高，唯有少数科研院才能够负担的起它的费用，这使该数字图像处理技术的研究与开发因为金钱的关系有一定的局限性。随着各个国家的生产科技发展的更加先进，现在的数码相机中使用的图像传感器CCD和CMOS已经广泛的应用到了各个领域，而这些传感器传输画质也越来越清晰、高速。道路检测传感器的选择：方案一：CCD摄像头传感器。在应用电路中可以很方便的将CCD摄像头安装上，并且价格很便宜，随处都能买到，美中不足的是:因为CCD摄像头传感器供电所需的电源电压很高，因此功率消耗就会很大，购买所需的价格肯定不会便宜。设置数据时需要一个更大的存储空间的量，如果要处理数据的话还要花费很多时间，对输出信号的提取难度加大和并且很难处理，因此并没有考虑CCD传感器，因此方案一不可行。方案二：光电传感器。本文提到的指的是激光传感器和红外对管，假如想使用电磁传感器，它的复杂的制作工艺使得制作过程中需要非常了解模拟电路并熟练应用它，这代表着以后的要完成的任务会很复杂且工作量很大，所以不使用这种方案。综合上述两个方案比较来看激光传感器不仅制作容易，很容易提取信号，并且提取出来的信号是二值化信号，非常简单且容易领会。但是有其缺点:在静电的影响下容易发生激光传感器误差。在这种情形下，本文增加了检测程序，目的是将失效的激光管（的检测误差除去。基于上述方案的分析，并考虑到自己的能力有限，最终，文章选择了方案二的光电传感器。2.3系统整体设计方案智能小车硬件整体电路的框架设计如图2.1所示：图2.1智能小车系统设计框图图2.1是系统的整体电路的框架设计。我们可以在图中看到，智能小车采集信号的时候一次采集了两个，然后将这两种方式的信号进行输出。经过智能传感器模块对轨道的识别控制智能小车完成所需的功能，增量式速度检测模块、无线调试模块及键盘是用来控制电机和舵机的反馈控制系统，使它们能够更好的完成所要求的功能。单片机输出两列并行的PWM波，通过PWM波驱动后轮电机和舵机控制小车的行驶，通过激光传感器对轨道进行识别，智能控制导航系统控制汽车完成预定功能，增量式速度检测模块、无线调试模块及键盘通过电机和舵机的反馈控制系统完成他们的功能。输出两列并行的PWM波，通过PWM波驱动后轮电机和舵机。这样能够完成小车的智能行驶。所以，为了使智能小车正常行驶，重要是要获得路线前采集模块的传感器信息，速度和舵机的控制通过MCU内的运动控制算法来实现。在PCB板上，本文将单片机的最小系统，电源电路，电机驱动电路，传感器驱动电路都集成在了上面，这部分就是整个智能小车硬件系统的主要组成部分。在小车的上方25厘米处安装一个激光传感器，将激光发射和接收电路焊接在了额外的电路板上，成为了传感器电路。此外，有添加了方便拆卸的键盘-液晶显示器）激光传感器，激光发射电路和接收处理电路放在额外的电路板上，构成传感器电路；添加了方便拆卸的键盘和lcd显示屏，用于设定参数，将它用作人机交互模块。图2.2是本文设计的自循迹小车实体：图2.2自循迹小车实体综合上述讨论，本文把自循迹智能小车的功能模块重点划分六类:第一类MCU最小系统模块；第二类：电源模块；第三类：无线调试及键盘模块；第四类：传感器模块；第五类：增量式速度检测模块第六类：电机舵机模块。每个模块都是由硬件电路组成模块的实体，由软件编写实现每个模块的功能。小车的硬件提供了一个物理硬件来构建电路，而软件提供了多种算法，支持硬件操作。下文中会一一阐述各个模块的功能与作用。本课题对智能小车的设计要求是可以以较快的速度在轨道上行驶并对弯道做出迅速灵敏的转弯反应，因此这就需要MCU微控制器能够用于各种路况并且可以根据实际情况快速做出判断和反应，然后输出信号来控制舵机摆头、舵机转向以及直流电机，避免智能小车会因来不及对路面变化作出转向和减速而冲不按轨道行驶。3硬件设计智能车是在车模结构的框架上，搭上硬件结构。智能小车主要由单片机控制系统、电机驱动电路、灯光控制模块、转向控制电路、超声波测距模块、时钟电路、无线接收模块、避障模块、循迹模块组成。其工作流程如下:超声波测距模块、无线接收模块、避障模块、循迹模块等将采集或接收到的信息传送给单片机，单片机对信号解码后，控制相应的模块电路，进而实现响应的功能。系统总体结构框图如图3.1所示。图3.1系统总体结构框图图3.2智能小车寻迹控制电路图3.3主程序流程图3.1单片机主控模块设计智能小车的主控模块采用宏晶科技推出的新一代超强抗干扰、高速、低功耗的单片机STC89C52，它能够对外围地面信息进行处理，并根据一定的算法对舵机和电机进行控制。同时它还控制着数码管的显示，控制参数的设定等工作。3.2避障模块避障电路采用光电传感器，利用被检测物体对红外光束的遮光或反射检测有无障碍物;采用型号为E18－D80NK的NPN常开型反射式光电传感器;漫反射光电开关E18－D80NK可以检测前方0～80cm(可以调节)障碍物，当无障碍物时输出为高电平，遇障碍物时输出低电平而触发中断，单片机发送指令驱动电机做出相应避障动作。这是一种集发射与接收于一体的光电传感器。检测距离可以根据要求进行调节。该传感器具有探测距离远、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、使用方便等特点，可以广泛应用于机器人避障、流水线计件等众多场合。3.3无线收发模块本设计中的无线收发模块是采用新一代ZK－07无线蓝牙数传模块，能够透明传输任何大小的数据，而用户无须编写复杂的设置与传输程序。同时具小体积，宽电压。模块外部接口采用透明数据传输方式，能适应标准或非标准的用户协议，所收的数据就是所发的数据。同时蓝牙从机设备能方便与蓝牙适配器，PDA与带蓝牙的手机串通信非常方便。本方案通过蓝牙模块将Android手机与智能小车进行连接通讯，在Android手机上安装控制小车软件，进而控制小车行驶。3.4循迹模块本设计中将三对红外对管置于小车的前方，根据接收管接收信号与否来控制小车的运动方向，如果小车接收到信号，则表明前方有障碍物，则小车后退一段时间，然后旋转一个角度避开障碍物，再继续向前行进，对小车后退及转弯的时间进行合理的设置，便可以很好地实现小车的避障功能。智能小车寻迹控制电路见图3.2。3.5激光传感器原理与设计本文选用激光传感器作为传感器的智能车辆电路，它也被测量使用激光传感器的技术类别。根据激光传感器的构成，可将其分为三类，第一类激光检测器，第二类激光测量电路，第三类激光器。在检测的领域内，激光传感器的应用是特别多的，有优势的测量范围广，响应速度快，精度高，抗干扰能力强，对任何损害人的眼睛和可以实现非接触式距离测量。本文用到的红外光电传感器如图3.4所示。图3.4光电传感器当激光传感器开始工作，首先，使激光二极管发射的激光脉冲，发射方向向着智能车辆的行驶方向。由于白色轨道的反射的反射作用，激光散射向不同方向。传感器的接收器能够接收经过一部分反射后的散射光，在接收光学系统成像在雪崩二极管。雪崩光电二极管属于光学传感器的一种，在它的内部还能够完成变焦的工作，所以是非常弱的光信号可以被接收到并转换成对应的电信号。应用在智能车上的激光传感器是市场上常见的激光距离传感器，由于发射激光脉冲和接收到发射的激光脉冲有一个时间差，通过计算这个时间差就可以知道传感器与所测目标相距多少。由于激光传感器发射的激光光速非常快，因此激光传感器一定要非常准确地确定发送时。图3.5所示为其原理:图3.5激光发射电路图激光管工作的原理是:在信号被接收电路接收到的时候，激光器输出低电平信号；未收到，则输出为高。所以，当激光在白色的板子上照射时,高度、距离、倾角都比较好的时候，因为存在漫反射的作用，该信号将被激光接收器接收；当激光在颜色比较深的板子上照射时，因为深颜色吸收激光信号的影响，信号不会被激光接收管接收到。这样能够通过接收器由激光管输出信号高和低，可以确定小车行驶在轨道上的位置。设计PCB板时，还应该想到其与外部元件之间的链接，鉴于内部激光发射管布线和金属冷却改进设计问题，一个合适的方案不仅能够节省本钱，还可以提高测试的可靠性。在设计中，每个组件相差的距离一般情况下是小于0.2毫米0.3毫米，元器件到PCB板四周边角的距离最好大于2毫米。本文设计的PCB板上排列了14个激光发射管，每个激光发射管之间的距离设计为1.3厘米宽，这样的设计是为了尽可能多的了解轨道的情况。在PCB板设计中，激光管之间的距离应该远一些，这样一起点亮激光管时相互就不会有干扰，本文对激光管的设计是以分时发送的形式来实现功能的，简单来讲就是一次只将一个激光管点亮。再加上控制电路是一个多路复用电路，能够将达林顿管ULN2803作为驱动芯片应用在电路中。ULN2803,封装方式为AWF=SOL18，AP=DIP18。八路NPN达林顿晶体管阵列串行连接特别适合于级别不高的数字电路的逻辑和较高的电流/电压要求之间的接口，在计算机，消费及工业产品的光，继电器，断路器或其他类似货物有广泛应用。ULN2803是以集电极开路输出作为输出方式，只能接收输入电流。当ULN2803以高电平信号作为输入时，输出三极管的状态为工作在饱和状态；当将低电平信号作为输入信号时，输出三极管的状态为工作在截止状态[18]。ULN2803通过打开或断开单片机引脚来控制激光管。电压ULN2803芯片在压差为0.7v的情况下可以被导通，考虑到激光管的正常工作时所需要5.0V电压来为激光管供电，由于激光管本身的压差，可以提高激光管的两端的电压到5.7v，此功能需要线性调压芯片来完成，本文用到的线性调压芯片是LM2941-ADJ。4结束语本文使用了高速、高可靠性、低功耗的8位单片机STC89C52为控制核心，设计制作了一款具有智能判断功能的小车，并设计了成块化的电机驱动模块、避障电路模块、红外感应模块、雷达监测模块、报警模块、无线通讯模块。经过对小车的调试