机场货车自主运输系统设计

单片机电路：挑选STC89C52微控制器当作核心控制芯片，此芯片在和标准8051架构保持完全兼容的状况下，有着成本优势以及不错的性能表现，该器件有抗干扰特性，其超低功耗设计把电磁辐射干扰有效降低，该芯片支持在系统编程技术，凭借这一特性开发者不用借助专用编程器就能直接在印刷电路板上完成程序烧录，还为后续的程序调试与参数优化带来很大便利，并且整个过程不用对硬件电路做任何改动。TCRT5000循迹模块：运用TCRT5000型红外反射式循迹传感器，此器件是依据脉冲调制原理来开展工作的，借助发射调制红外信号以及接收反射光强变化达成路径检测，和直流驱动方式相比较而言，其交流调制特性可有效地抑制环境光干扰，让系统抗干扰能力得到提升，该传感器作为视觉感知单元，可以准确识别黑色引导线，还会输出对应的高低电平信号到主控系统。依据这个信号输入，微控制器经由算法处理生成PWM控制指令，调节双直流电机驱动模块的运转状态，最终达成移动平台沿着预定轨迹的自主循迹功能。L298N驱动模块：运用L298N全桥驱动芯片搭建电机驱动模块，此芯片拥有高压大电流特性以及高频响应能力，可达成对两路直流电机的独立控制，该芯片设计有灵活的控制使能端，支持外部电平信号控制，又可借助单片机达成软件调控，L298N呈现出良好的驱动性能，其输出电压和功率会依据输入电压的变化进行动态调节。直流电机：选用双直流电动机当作驱动装置，和异步电动机相比较而言，直流电动机的控制方式比较简便，只要借助两条控制线施加合适的电压就能达成电机运转，实验结果显示，在额定工作电压范围之内，直流电机的转速跟输入电压呈现正相关关系，也就是说随着电压升高，电机转速会相应提高。电源模块：选用12V蓄电池当作供电单元，借助7805三端稳压器达成电压稳定输出，同时配备由0.1μF与470μF电容构成的两级滤波电路来消除电源噪声。5.2循迹传感器原理循迹传感器的工作机制可这样解析：TC端口作为控制端，它的电平状态直接决定着传感器的工作模式，当施加高电平时，发光二极管处于非激活状态，传感器进入休眠状态，相反，当施加低电平时，传感器则会被触发启动，检测信号依靠Signal端口输出，其工作原理是基于红外反射的差异：黑线区域由于吸收了大量红外线，导致反射强度降低，此时光敏三极管处于截止状态，Signal端呈现高电平输出，而白线区域因为有高反射率，促使光敏三极管导通，使得Signal端产生低电平信号。本研究运用的红外探测技术是依据不同颜色表面特征对于红外光波有着差异化反射特性的原理，借助实时采集货车在行驶进程中地面所反射的红外光谱信号来达成目标识别的目的。依据红外光学检测原理，当入射光线照射到白色路径表面的时候，会出现漫反射现象，这个时候安装在运输载具上面的光电接收装置可有效地捕捉反射信号，相反当光线投射到黑色轨迹的时候，因为黑色材料有光吸收特性，载具搭载的接收元件就不能检测到反射光信号，控制系统正是依靠这种反射光信号的有无差异来达成对轨迹位置的精确识别以及载具行进路线的实时调控。为保证检测系统的可靠性，红外传感装置与检测表面之间的工作距离应当控制在15厘米的有效范围之内。本研究运用可调式红外传感系统来达成精准循迹功能，该系统可选择分立式红外发射接收装置，也可采用集成化红外探头方案，在关键参数设置这一方面，经过实验验证，当左右传感器的间距和预设黑线宽度相匹配的时候，系统可以得到最佳检测性能，该传感器设有灵敏度调节机构，调节可调电阻阻值可有效解决黑线检测失效问题，具体情形是：适当增大或减小电阻值分别可实现灵敏度的提升或降低。在空间布局中，所有循迹传感器都依据紧贴黑线外侧边缘的原则来安装配置。完成单片机程序烧录后，系统便可执行循迹控制指令，货车前行时若向左偏离预设黑线，右侧光电传感器会输出高电平信号，单片机实时检测此信号并作出判断，控制货车向右转向来修正轨迹，两侧传感器都输出低电平信号时，系统维持货车前进状态，反之货车若向右偏离黑线，左侧传感器产生高电平信号，单片机依此控制货车向左转向。这种闭环控制机制保证货车始终能精确跟踪预设轨迹，两侧传感器同时检测到高电平信号时，系统判定为直线行驶状态，此时货车保持直线前进运动模式。光电传感器实现循迹的基本电路如5.2所示：图5.3循迹传感器电路图Fig.5.3Circuitdiagramoftrackingsensor5.3循迹电路设计本研究运用的环境适应性良好的循迹光电传感器配备了成对的红外发射装置与接收装置，其工作原理是发射管持续发射特定频率的红外光束，当探测到黑色轨迹时，因光吸收效应使得反射信号缺失，经比较电路处理后触发绿色指示灯亮起，信号输出端口会停止数字信号的传输。转动电位器的旋钮可实现对检测灵敏度的精确调整，这款红外传感器的有效探测距离在2厘米至30厘米的范围之内，有抗干扰性能出色以及安装方便等优势，在智能避障和路径循迹等应用场景里有广泛的部署。红外模块电路原理如图5.4所示，图中的10K限流电阻，其不同性能对红外发射功率起着决定作用，限流电阻越小，红外发射功率越大，当光反射回来时三极管导通，LM393有两个输入端，同相输入端用“+”表示，反相输入端用“-”表示，它用于比较两个电压，在任一个输入端加上一个固定电压作为参考电压，另一端加上需要比较的电压。当反相输入电压低于同相输入电压时，输出处于截止状态，否则输出端会饱和，输出接地，只要LM393的两个输入电压差大于10mv，就能保证输出从当前状态可靠转换到另一状态，使用比较器无需AD转换电路，经过LM393后在主控芯片控制端口产生高电平，以此完成检测工作，模块的灵敏度可依靠变阻器VR1进行调整。图5.4红外模块电路原理图Fig.5.4Schematicdiagramofinfraredmodulecircuit5.4货车运动逻辑以电机A的驱动机制当作例子，它的控制逻辑可这样表述：当使能信号端ENA处在高电平状态的时候，如果输入引脚IN1呈现出低电平，而IN2是高电平，那么电机就会执行反转的操作，相反的，如果IN1是高电平，并且IN2是低电平，那么电机就会实现正转的运行。货车运动逻辑如下表所示：表5.1货车运动逻辑Tab.5.1Vehiclemotionlogic使能端A使能端B左电机右电机左电机

运行状态右电机

运行状态货车

运行状态IN1IN2IN3IN4111010正转正转前行111001正转反转右转111011正转停止以右电机为中心原地右转110110反转正转左转110101反转反转后退111110停止正转以左电机为中心原地左转5.5本章小结本章介绍了寻迹模块的详细设计过程。在本系统硬件调试的过程中，可以正确的实现货车的寻迹，完成了货车初步智能化的硬件保证。6系统总体调试6.1避障功能调试避障过程如图：接上电源，货车开始启动，在没有障碍的路段上，正常行驶，如图6.2所示：图6.2避障货车图Fig.6.2Obstacleavoidancetruckdiagram当前方障碍物被检测到的时候，系统会对与单片机相连的四个动作控制IO口的电平信号变化展开扫描，只要识别到特定的电平出现跳变，便会利用定时器来生成PWM波形，该波形经过298N驱动芯片来控制电机执行相应的动作，并且会同步更新液晶屏上的状态显示，超声波测距模块会持续监测障碍物的距离，当检测到的距离低于安全阈值时，系统会启动避障程序，让货车偏离定的行驶轨迹，如图6.3（a）（b）所示：图6.3（a）避障货车图Fig.6.3（a）Obstacleavoidancetruckdiagram图6.3（b）避障货车图Fig.6.3（b）Obstacleavoidancetruckdiagram在避障完成后，货车继续按照原来设定的轨迹正常行驶，如图6.4（a）（b）所示：图6.4（a）避障货车图Fig.6.4（a）Obstacleavoidancetruckdiagram图6.4（b）避障货车图Fig.6.4（b）Obstacleavoidancetruckdiagram6.2循迹过程调试（1）循迹功能处理流程：反射式光电传感器的循迹控制机制可这样描述：系统会检测白色背景环境里黑色轨迹线的光学反射特性，借助光电传感器接收到的反射光强信号的差异，实时解析出货运车辆应该遵循的行驶路径方向。为了清晰地阐述循线检测的基本原理，现选取由三组反射式光电传感器所构成的检测系统作为例子来展开相关分析，光电传感器与黑线位置关系示意图如图6.5所示：图6.5光电传感器与黑线位置关系示意图Fig.6.5Schematicdiagramoftherelationshipbetweenphotoelectricsensorandblacklineposition依靠对输入端口检测值展开周期性监测，系统得以实时辨别当前巡线轨迹的准确方位，随后借助调节电机输出参数，精准控制货车的转向和直行动作，其中转向动作覆盖左转、右转，直行动作包含直线行驶等运动模式。（1）循迹货车实物及循迹路线如图：图6.6循迹货车路线图Fig.6.6TrailingTruckRouteMap将货车置于起始位，借助STC89C52微控制器的IO端口朝着L298N驱动模块发送控制信号，以此来调节双直流电机的运行参数，最终达成货车的自动循迹功能，货车启动如图：图6.7循迹货车图Fig.6.7Trackingtruckmap（2）循迹过程如图：依据红外光谱于不同颜色表面呈现出的有差异反射特性，借助实时接收地面反射的红光信号达成路径识别，当货车行驶期间红外传感器碰到黑色轨迹时，鉴于黑色材料对红外波段电磁波有强吸收特性，车载接收装置就无法检测到反射信号。控制系统凭借实时监测红外接收管的信号状态，精准判断黑色轨迹的空间位置，并依照此生成货车行驶路径的修正指令，最终引导货车达到1号位置：图6.7（a）循迹货车图Fig.6.7（a）Trackingtruckmap运行过程中，根据超声波接收到的信号按照设定的路线进行自动循迹,到达2号位和3号位：图6.7（b）循迹货车图Fig.6.7（b）Trackingtruckmap图6.7（c）循迹货车图Fig.6.7（c）Trackingtruckmap运行结束后中，按照循迹路线返回起始点，循迹结束：图6.7（d）循迹货车图Fig.6.7（d）Trackingtruckmap循迹结束后，根据系统下发的指令，控制货车重新开始循迹。6.3总体过程调试货车根据超声波接收到的信号按照设定的路线进行循迹，前方遇到障碍物时，及时减速，主控芯片向电机驱动模块发送相应指令。电机驱动模块根据指令调整电机的供电参数，通过改变PWM（脉冲宽度调制）信号的占空比来降低电机转速，及时躲避障碍物。货车总体调试过程如图：图6.8（a）总体调试过程图Fig.6.8（a）Overalldebuggingprocessdiagram图6.8（b）总体调试过程图Fig.6.8（b）Overalldebuggingprocessdiagram当货车选择转向避障，主控芯片根据障碍物位置和货车行驶方向，计算出合适的转向角度和速度，通过控制货车舵机的转动角度来调整车轮转向方向，实现避让动作。在避障过程中，借助闭环控制算法对车辆转向角度以及行驶速度参数展开动态调节，以此在保障安全性的条件下达成对障碍物的有效规避，并在避开后能够顺利恢复正常行驶状态，货车行驶过程如图6.9所示：图6.9（a）货车行驶过程图Fig.6.9（a）Truckdrivingprocessdiagram图6.9（b）货车行驶过程图Fig.6.9（b）Truckdrivingprocessdiagram图6.9（c）货车行驶过程图Fig.6.9（c）Truckdrivingprocessdiagram图6.9（d）货车行驶过程图Fig.6.9（d）Truckdrivingprocessdiagram避障动作完成后，控制器会根据是否接收到反射的红外光为判断依据来确定的黑线的位置和货车的路线货车通过中间传感器检测预定轨迹，结合控制算法驱动执行机构调整货车的运动方向，使货车按照原来路线继续行驶，完成循迹。6.4存在的问题与改进在系统调试过程中主要遇到的问题如下：在测试期间发现小车碰到黑线时电机出现不动的情况：解决方案：运用试测仪来对电路展开测试，查看是不是存在漏焊、虚焊或者电子元件损坏的问题，要是没有损坏，接着检查电路图有没有不合理之处。输入程序之后，货车循迹出现不灵敏的状况，在拐弯度数过大以及货车速度过快时，货车偶尔会偏离轨道：解决方案：调节传感器上的可调电阻，适当增大或减小电阻可改变灵敏度，以此解决循迹不迅速的问题，同时依据数码管来对货车的速度加以控制。循迹响应延迟：解决方案：借助精确调节传感器电路中的可变电阻参数，可实现灵敏度的双向调控，依据数码管显示数据对货车行驶速度实施闭环控制，有效优化系统循迹性能。6.5本章小结本章主要介绍了智能货车的实物调试，测试了货车的避障与循迹功能，并根据实物对无人运输控制系统进行总结与调试，分析了货车的各种功能，同时也对出现的问题进行思考并提出解决方案。7总结与展望7.1总结本文针对智能货车模型进行了简单的设计，主要实现了寻迹、避障等功能，用以展示智能货车的基本原理，在此基础上，可以做多种扩展设计或改动，来实现其它功能。本文结合无人运输货车的工作环境和性能要求，对运输货车控制系统进行了设计，设计中主要完成了以下工作：（1）本研究一开始就对无人运输控制系统的基本架构以及运行原理做了一番概述，紧接着着重探讨了该系统的硬件设计方案，其中覆盖了核心组件的选型以及功能模块的配置情况，结合总体方案及各子系统的设计，展现了无人运输货车的工作过程，系统凭借多方传感器的协同工作，实现了无人运输智能货车的各项功能，同时通过液晶显示出来。对硬件设计部分引入模块化的设计思想，即根据系统的性能要求把硬件模块化。无人运输货车系统的硬件模块主要包括：控制电路模块中单片机最小系统电路、程序下载接口电路、电机驱动电路蓝牙遥控电路、LCD1602显示电路等模块，并对每个模块进行了具体的电路设计。完成了超声波避障的详细设计过程。在硬件调试的过程中，可以正确的实现货车的运动和避障，避免快速运行时减少额外的辅助组件。完成了寻迹模块的详细设计过程。在系统硬件调试的过程中，可以实现按照预定轨道货车进行运动行驶，完成了货车初步智能化的硬件保证。货车保留了扩展功能。在达成定设计目标的前提下，该无人运输货车控制系统的设计架构呈现出较高的简洁特性，其电路设计并未引入多余的功能模块，而是凭借预留完善的硬件接口以及软件子程序接口，为系统后续的功能拓展以及深度开发给予了充足的兼容性与可扩展空间。借助实验验证可知，该系统的循迹功能以及避障功能已经基本达成，虽然目前依然存在一些技术性的问题，不过从整体上来看，其可契合货车路径规划的基本要求。7.2展望智能化物料运输设备领域里的无人运输货车控制系统在多个工业领域都有了广泛应用，物流运输行业的应用最为较大，但要注意，该系统的关键核心技术目前是由国外企业主导的，国内相关研究起步晚，能获取的技术资料也少，本设计方案在一些方面以及优化空间，后续研究需要在以下关键环节重点突破：（1）对于无人运输货车控制系统的技术深入研究，现有的系统在简单工作环境中的运行表现已被证实，但是当遇到复杂环境或者强磁干扰的时候，电磁信号容易出现衰减甚至被噪声淹没的情况，系统设计要整合抗干扰装置来保证信号传输的稳定性。（2）本研究对系统功能做了多维度拓展，来构建更有人性化特征的操作界面，并且，系统整合了基于多传感器融合的智能避障控制单元，借助改进路径规划算法提升了避障操作的精确度和动态适应性，达成了系统整体性能的提升。（3）可以在该无人运输货车中添加更多的有趣的功能。比如：在货车系统中安装喇叭让货车播放音乐等，这样货车更具有智能的特点，而且有更多的娱乐和学习的特性。（4）本研究呈现出一种用于动态环境建模的优化办法：当下系统把货车行驶区域简化成预设的二维数组来存储，然而这种静态表示形式得借助程序修改才可调整障碍物位置，为处理这一局限，考虑采用视觉采集以及图像处理技术，借助摄像头实时抓取作业区域图像并转化为矩阵表示，接着生成能动态更新的二维数组。此技术方案达成了环境数据的自动化更新，有效规避了人工干预程序参数的必要，提升了系统对于动态工作场景的适应能力。参考文献[1]袁玥.民航无人行李运输动态车辆路径问题研究[D].郑州大学,2022.[2]袁铭.蓝牙遥控智能小车设计[J].电子世界,2018(03):124-125.[3]\t"/reader/ZWZJ200402021"纪寿文,李克强.智能化的物流搬运机器人-AGV[J].中国物流与采购,2004(02).[4]邱广萍.移动机器视觉定位导航和自主避障系统的研究[D].华南理工大学,2011.[5]马业骥.多无人车多无人机协同运输路径规划算法研究[D].哈尔滨工业大学,2020.[6]王新茹.无人物料运输系统控制器的设计与实现[D].西安工业大学,2012.[7]王梅,丁凰,张媛.基于STM32嵌入式系统的无人物流车运输控制系统设计[J].计算机测量与控制,2020.[8]赵克利,孔德文.无人搬运车的新技术及瑞典和美国产品情况[J].起重运输机械,2000(08).[9]\t"/reader/BJKD199902028"郭峰,袁星军,余达太,原魁.自动导引车系统关键技术的研究[J].北京科技大学学报,1999(02).[10]熊亮,王洪艳,王梁,等.多种信号采集的声光智能小车研究[J].电子世界,2012,(19):33.[11]曹国浩.无人驾驶智能车远程监控系统的设计[D].西安工业大学,2016.[12]石昌景,刘光,葛继平等.露天矿山运输车辆无人驾驶系统研究[J].价值工程,2024,43(25).[13]

\t"/kcms2/article/_blank"ZhenFengLi; \t"/kcms2/article/_blank"JingTaoLi; \t"/kcms2/article/_blank"XiaoFanLi; \t"/kcms2/article/_blank"YiJianYang; \t"/kcms2/article/_blank"JieXiao; \t"/kcms2/article/_blank"BoWenXu.(2020)IntelligentTrackingObstacleAvoidanceWheelRobotBasedonArduino.[14]李成成,张晓玲.智能小车循迹避障的新策略[J].计算机与数字工程,2019,47(04).[15]秦煌凯.智能交通系统下无人驾驶货运车辆的设计研究[D].沈阳航空航天大学,2019.[16]冯明端.机场地面无人设备车动态路径规划方法研究[D].南京航空航天大学,2022.[17]澎湃新闻网.全球航空货运需求持续增长，我国民航业“货”力全开.[18]廖轩毅.机场物流货运安全风险评估方法.\t"/kcms2/article/_blank"中国航务周刊.\t"/kcms2/article