【《智能循迹避障小车设计》9900字（论文）】

智能循迹避障小车设计摘要本研究主要是为了设计一种智能小车避障方案。本系统采用单片机作为控制中心，STC89C52RC作为控制系统，由电源、电机、超声波传感器、电机等设备构成。主要运作过程是：小车检测本身之间的距离，测试前面的障碍，借助超声特征，然后用单片微机接收数据，通过单片微机进行编程，算法计算得到的距离和通过LCD1602显示获得的距离值。输入一个程序来评估系统的探测距离是否小于设定的阈值，若是到达标准，蜂鸣器就会发出警报，小车就会停止。在这种情况下，小车车轮就能够实现左距离检测。若是检测到的距离超过相应的阈值，小车就会发动，向左开，若是达不到相应的阈值，小车就会向右开，简单来说，在设置阈值之后，小车左边、前面和右边方向都能够进行距离的测量工作。本设计在软件设计中使用keil4软件，在编程、调试等功能中均有使用，keil4在51型单片机上的使用效果较好。借助AltiumDesignerWinter09来进行图表的绘制。使用这一软件可以更准确地绘制出电路图，并集成上述硬件的优势，保障软硬件兼容性。关键词：智能小车；单片机；避障；循迹目录TOC\o"1-3"\h\u147731绪论 绪论1.1研究背景新世纪是一个信息时代，社会各方面都得到了发展。科技的发展速度很快，尤其是人工智能，目前已经成为了人类社会的重要组成部分。一方面，许多领域的发展，如考古学、勘探和国防方面的发展十分迅猛。除此之外，在航空、无人飞船、形状识别、智能制造等领域，随着整体科学技术的发展，智能技术的研究也吸引了社会各界的关注。几乎每次在全国电子竞赛中讨论智能小车的时候，许多高级学府也会参与到这个项目中来，这些方面的变化对智能小车的研究非常重要。总之，智能小车是智能技术发展的一种趋势，是信息化时代潮流的领导者，在科学技术的历史发展上发挥着重要的作用。具有自动控制系统或智能机器人系统的智能小车通常由底盘，即机械部件、电机，即执行器、芯片，即控制器、超声波传感器，即发射机、红外传感器等组成。由此可见，它包括自动控制系统的三个方面：控制器、变送器和执行器。无论是循迹小车，还是避障车，其基本原则都是基于反馈控制。不仅如此，该方法还包含了PID等经典控制算法。这些复杂的现代控制算法也能被运用到小车上，如自平衡小车，有一些设计师就会使用卡尔曼滤波或模糊控制来保障小车的稳定性。[1]在IT行业兴起的今天，智能汽车已经是一个热门话题。智能汽车，能够按照人工的需求，或者是与人工相结合，不需要太多的人力，就可以实现相应的标准操作。该系统能够在交通、工业等领域得到广泛的应用，从而达到管理与制造的智能化。随着智能汽车的出现，越来越受到国际社会的重视，越来越多的国家开始大力对这方面进行研发。各国的科研人员都希望能够设计和发展出更先进的人工智能技术，使其能够在更复杂的应用领域中得到应用。未来，智能机器人的数目将会迅速增长。随着智能汽车的出现，将会引起更多的人的注意。智能化的汽车，整合了多种技术。它是一种高度集成的高科技产品，能够感应到周围的环境参数，并根据实际情况来作出相应的反应，具有高度的综合性和灵活性。当前，智能交通工具具有多种功能，可以自动发出警报，可以在一定的安全距离内进行维修，可以根据自己的车速进行巡航，可以自动识别前方的障碍物，还可以自动刹车。总的来说，智能汽车既要有智能追踪功能，也要有智能避障功能。1.2国内外发展现状在汽车智能化技术方面，国外处于领先地位。美国是第一个研发智能汽车的国家，而美国在最近几年更是领先于其他国家。在日本、德国等国家，在科技进步的同时，其他各方面也在不断地进步，在我国也取得了一些成绩，比如，在自主驾驶方面，就有了一些新的进展。新世纪中，对智能汽车的研究技术已基本稳定，需要寻求新的突破。近十年来，人们对智能汽车的研发投入了大量的精力，推动了汽车产业的发展与发展，尤其是发达国家，以智能汽车为基础，研发出了一套智能化的交通体系。单单是在汽车领域，就有来自全国各个领域的有实力、有机遇的组织和专家不断涌现。从大型轿车到“小汽车”，情况也是如此。智能避障小车、智能循迹小车等功能齐全的小车随处可见，还有各种智能竞赛，比如“飞思卡尔”[1]，这些都是推动智能汽车发展的因素。随着人类社会的飞速发展，以及人工智能技术的大量出现，智能汽车将成为人们关注的焦点。无人驾驶汽车是一种没有人操纵的智能交通工具。它依靠多种精确的感应器，如激光测距仪和声纳雷达，对车辆周围环境进行测量。然后将采集到的数据进行处理、转换、传输给主机，再由主机发出指令，以确保驱动系统安全、正确地运行，从而实现无人驾驶。如今，无人驾驶最大的问题就是驾驶的简单化，即缺乏对道路状况的充分认识，以至于无法像人类一样全面掌握道路状况。在高速公路上，自动驾驶技术已经发展得比较成熟，因为它更容易实现自动控制。其次，道路交通信息的收集不完整，只能利用简单、具体的道路信息，对道路交通的处理能力较差。就当下来看，智能小车的发展态势非常良好。就国外的智能小车发展来看，人工智能是上世纪五十年代出现的一种新兴学科，它在各个领域都得到了广泛的重视。在人工智能领域，人们对这方面的研究非常多。其发展可分为三个时期：上世纪中叶，处于初期。当时，AGRS是世界上第一个自主控制的车辆系统，于1954年由美国研发[2]。第二个时期是上世纪八十年代，国外已经有很多关于智能汽车的研究。第一个项目是普罗米修斯项目，随后是美国1995年NAHSC，接着是日本建立的高速公路研究中心。在此期间，全球多个发达国家对人类智能小车的研究逐渐步入正轨，为今后发展智能汽车打下了良好的基础。第三个时期：20世纪90年代，智能汽车技术已步入成熟期[4]。美国一所大学的机器人学院，已经研发10个智能汽车，Navlab系列，进行了大量的研究，并且取得了很大的进步。目前，智能小型车正朝着更先进、更智能、更高质量的方向发展。在中国，第一辆自动驾驶小车是在2003年开发出来的。小车可在道路上正常行驶，最大稳定速度可达130公里/小时，性能和技术指标均达到世界先进水平[11]。南京理工大学、清华大学、国防科技大学等高校联合开发了一款军用自主户外车辆，具有彩色摄像机、激光雷达和陀螺仪位置传感器等功能，可以执行数据集成和路由等功能。基于该结构，实现了“观测-建模-设计-性能”算法，避障速度达到5~10km/h[5]。不仅如此，百度，京东、腾讯等大公司也加入了智能小车的研发。此外，交通部还将其列入国家“十五”科技计划和2010年度中长期发展规划中。总体而言，我国的智能汽车发展速度很快。一般来说，智能小车可以模拟真实生活中车辆的行驶过程，测试基本理论与实际动作的差异，并将观测到的距离数据发送给单片机设计，解决智能车运行过程中的主要问题，找到最优路线[6]。该技术也可以灵活地应用于其他技术研究中，如机电等。按照真值表的数字电路理论基础，采用L298N驱动晶片进行控制，再结合实际应用，推动智能小车在实际应用中的发展，实现理论和实践的统一，对控制理论的充分认识和理解。1.3主要的研究内容在之前的文献综述中，笔者了解智能小车的研究范围、实际应用和大小已经实现的技术，了解单片机应用控制的基础知识，了解PID技术在智能小车中的关键应用和算法。超声理解模组是一个常见的模组。该系统具有精确的距离计算原则和方法，能够达到智能避障的作用，为以后的研发工作提供了帮助，对控制和所需的设备和技术有充分的了解。通过学习编程软件模拟器，可以借助C语言的编写格式，下载HEX文件翻译到硬件微驱动器，实现软硬件结合；学习广告软件，使研发人员能熟练地绘制图像；掌握液晶LCD1602的硬件结构和软件的使用；学会操作加速度和超声波，掌握角度控制和距离计算的基本知识；学习L298N，掌握发动机控制的基础知识。2系统方案设计在单片机的发展过程中，不仅要研究单片机，也要研究其他外围电路，以共同实现单片机的顺利运作。对单片机性能的研究，旨在保障程序代码的设计工作。单片机一旦选定，就需要将其合理运用到研发工作中去。当相应电路的设计完成后，就可以进行了程序代码的设计。就当下的单片机项目[7]设计，在构建硬件时，要考虑使用仿真软件。仿真软件的优点是，在开发人员没有硬件的情况下，它可以调试软件代码，评估编程逻辑和操作过程是否合理。当程序发生变化或硬件资源的分配发生变化时，可以及时改变策略，避免改变编程逻辑的出现不必要的成本损耗。以下是单片机项目设计流程图：整个单片机开发过程见下图2-1：图2-1单片机开发流程按照设计标准，选用以下方式：智能小车的电源是锂电池，通过超声波的性质检测小车与前面障碍物之间的距离，并将测距资料传送至微处理器，由微处理器进行程序设计。获得相应的距离值，按照编写程序对其进行计算[8]，如果前方检测距离小于设定的阈值，则小车就会发挥警报，并停车。目前采用转向驱动实现左距离检测。如果观察到的距离大于设定的阈值，汽车开始往左边开，不然车子就会往右边开，检测左、前、右的距离，获得小车的最佳行驶路线。设备图的控制流程图如图2-2所示：图2-2硬件方案控制流程对于本次设计与实际操作的结合，如图所示，可以更明显的看到两者之间的关系，这对于明确设计思路和制作流程具有重要意义。2.1智能小车车身模型选择第一个方案：制造一个智能的汽车模型如果要制作一辆汽车的话，那么就需要大量的材料和工具。一般情况下，能够很快的完成小车的车轮和结构的制作，然而，小车达不到运作的要求，若是继续制作的话，就会消耗更多的成本。第二个方案：直接购买已有的智能汽车模型如果是买一辆汽车的话，那么就可以按照型号来找出合适的开孔。除此之外，安装也非常简便，既符合本研究的要求，又可以减少生产时间，使效益最大化。由此可见，选择第二个方法最合适。2.2电机驱动模块选择第一个方案：为了保证汽车的安全，那么就必须选择合适的发动机。第一种解决方案是使用LM298，这是一款较为常见的发动机，但这种方法效率较低，16个引脚小且难以焊接。第二个方案：L298N型16针马达驱动模组，具有较强的实用性、高品质、易焊接、易安装、易操作等优点，可完成小型汽车驱动模组的硬件架构。因此，最好的办法是选择第二个方案。2.3主控单片机选择方案一：本系统以STC89S52RC单片机为核心。该单片机有40个引脚，既满足了本研究项目的要求，又具有简单的接口功能。接口的初始值不需要设置。在编写接口程序时，设置的中断命令也能够及时执行，具有成本效益，并且在实践中非常有用。方案二：如果Atmeg128a单片机64引脚作为主要控制单片机的智能小车，虽然可以在一定程度上满足设计要求，但有这么多接口，它不仅是必要的分配的底盘值单片机别针，也避免了其他问题的出现。在如此多的界面环境下，编程和管理都很困难，同时也给工作带来了很大的困难。第三个方案，如果采用STM32或者ARMMCU作为智能汽车上的主要MCU，那么，考虑到成本和芯片的不同，这并不容易。由此可见，选择第二个方法最合适。它不仅比另外两种更实用，而且操作简单方便，提高了精加工效率。2.4单片机下载端口的选择方案一：假如利用下载器的接口把单片机与两个串口相连，把程序下载到一个微处理器上进行编辑处理。这种方法非常有效的，硬件可以很容易地进行连接。方案二：倘若使用另一种下载方式，即互联网服务提供商的下载方式，在实际操作中可能不是很方便，另一方面也会使程序的下载变得非常困难。简单来说，许多单片机接口不便于操作和设计。从上面的分析可以看出，本次完成的项目主要使用的是51台单片机，所以，方案一是最适合本次设计的模型。2.5供电选择在电源方面，本机型的主要动力是由锂电池供电。在此基础上，利用锂电池作为电动机的控制电源，将其降低到+5V，来实现MCU的工作。当然，当向MCU提供电力时，电动机控制器也可以进行电力供应，使电机在强电压、强电流的作用下获得旋转功率，这在某种程度上还可以节省设计费用。最方便的方法是直接购买锂电池，这不仅在设计过程中非常划算，也保证了设备能够成功执行相应的测试任务。2.6电机的选择在实际设计中，选用有刷驱动，电动机也要采用有刷电机，以实现一对一的原理。2.7避障传感器的选择方案一：对于避障传感器，如果选择障碍物循环传感器作为红外传感器运行避障程序，就会出现问题：一方面，这种操作是在其他光线下进行的，易于接收光线，而且会受到光线的干扰，特别是强光，会导致红外传感器执行不正确的命令，当单片机收到这样的命令时，小车的避障功能被禁用，无法有效控制小车。方案二：如果选择障碍旋转传感器的超声波法检测的障碍在正前方，可以看出这个设计可以在无照明条件下的限制，同时可以操作方向盘，稳定性较好。超声波避障以40赫兹的频率以8个方波为间隔自动发射。当信号被检测到时，它使用IO端口作为介质，并通过该介质传输高电平。随着时间的推移，连续高电平，时间是检测距离的两倍，然后通过计算可以得到检测距离。同样，如果没有检测到返回信号，那么就是低电平状态。通过结合以上方案，我们可以得出结论，方案二更为合适。2.8显示模块选择方案一：若选择LCD液晶显示模块，液晶显示屏采用点阵式结构，功耗低，一定程度上具有良好的屏幕控制，并且该显示可以使设计人员编写程序更加方便。方案二：显示模块选择LED显示时，根据常用共阴式有8段显示。虽然具有亮度高、调试方便、一定程度上成本低的优点，但程序编写不容易，具有很大的限制，不仅如此，功耗和显示内容也非常有限。方案三：如果显示模块选择LCD12846作为显示，虽然显示容易连接，显示内容丰富，可以显示图案，但价格昂贵，功耗不低。如上所述，由于该模型是超声避障模型，所以，诸如距离之类的信息都是必需的。综合各种因素，认为第一种方案更符合毕业设计的要求。2.9报警模块选择本单片机具有声响、蜂鸣器等功能。方案一：音频功率报警器，能够进行语音传送，但是音频模块的成本比较高，不容易操作。方案二：蜂鸣器是最为常见的警报器，价格低廉，使用方便。按照本项目的要求，可以选择简单廉价的报警器，所以方案二更为合适。2.10舵机选择目前市场上有两种舵机系统，即PWM型控制舵机和数字串口通信型舵机系统。方案一：PWM控制装置是目前应用最广泛、最便宜的控制装置。主要用于机器人和智能小车。价格实惠，稳定性好，操作方便。方案二：数字系列功率舵机，价格昂贵，控制方式复杂，功率要求高。由此可见，综合考虑价格、成本和稳定性，方案一最为合适。3系统硬件电路设计3.1总体设计这个项目的目标是设计一辆可以避开障碍物的小车。所以，在完成之前的硬件设计之后，还需要进行电路设计。根据前面硬件设计的总体内容可以看出，本电路设计具有避障功能、运行功能以及报警和显示功能。3.2单片机控制模块微控制器是由几个部件组成的集成电路，如CPU。尽管它体积小，但工作起来却很流畅。它是当今广泛使用的计算机系统。本设计应设计出最小的系统和外围电路。以下是设计的最小系统图：图3-1单片机最小系统3.3时钟电路本系统采用了一种晶振、二种电瓷电容器构成的时钟电路。具体的时钟电路接线图如下所示：图3-2时钟电路3.4复位电路通常，该复位电路的外部复位有两种：一种是自动复位，另一种是按键的缩回。图2-3是这两种方法在实际生产中的实际电路图。使用按钮复位：图3-3复位电路3.5烧写接口电路根据该模型，将RX和TX连接到单片机的数据传输接口UART上。图2-3编程接口电路。图3-4烧写接口电路3.6电源电路设计该产品采用了一块锂电池作为动力。下面的图表显示了一个设计路径的区块结构：图3-5电源电路从上面的流程图可以看出，电机运行是在+5V电源下进行的，可以保证电机控制器的正常运行，单片机电路也接收到电源产生的功率。从而使微处理器的主控制电路能够正常工作。同时，采用滤波器的方式对单片机的主控电路进行了保护。电源应配备指示灯作为显示介质。以下是这次设计的电路：图3-6电源电路3.7电机驱动设计下面是已完成的基于单片机的智能小车防障功能设计项目的电路图：图3-7电机驱动电路3.8超声波传感器电路设计本设计利用超声波检测来检测门前障碍物的距离，以保障其准确避免障碍物。图3-8超声波实物图在+5V电源的情况下，当接收到返回信号时，在连续高电平模式下，运行时间是感应时间的两倍。按照：距离（S）=（T*声速）/2的公式，C语言可以作为程序在LCD屏幕上显示实际测量到的距离。该模型的超声探测距离可达450cm，最小测量距离为2cm，基本满足需求。超声模块具有很小的接口，易于连接，具有良好的性能和较高的精度。以下是本发明的超声组件的电路原理：图3-9超声波模块接口3.9电机本次设计的电机是一个电刷电机，通过直流输入来回移动小车。这是这次设计的直流小车的实图：图3-10直流电机实物3.10LCD1602电路设计该模型使用LCD1602作距离监视器，对超声波进行了测量，其实际成像如下：图3-11LCD1602实物图本次设计的LCD1602是一个显示屏。传送信息时，距离值能清楚地反映出来。下面显示了一个特定的电路：图3-12液晶显示电路原理图3.11报警电路设计该项目使用了蜂鸣器，在检测到有障碍的情况下，蜂鸣器会发出警报。图3-13报警电路3.12舵机电路设计本课题所设计的PWM转向系统，可实现智能化汽车的超声波和左右方向的控制。以下是详细的图表：图3-14舵机实物图按照PWM的舵机控制方式，所设计的电路如下：图3-15舵机电路图4软件方案设计4.1软件设计框图该系统的智能车启动后，通过超声波进行测距，将测得的距离反馈给微处理器。单片机评估后进行控制。转弯后，超声波继续评估，同时，对所测的距离进行了回传。确定汽车的运行方向，并确定最佳运行路径。下面的图4-1显示了主要的程序路径。图4-1程序流程图4.2编程语言选择本次设计的语言是按照C语言设计的，有很多浮点运算，也有很多计算和复杂的程序。鉴于此，为了便于编写，使用最常用的C语言来编写。4.3Keil程序开发环境正确使用C语言需要软件来编写C语言。本次设计的软件是Keil4软件，其优点不仅是功能丰富，而且功能强大，可以与本次毕业设计相辅相成。一组编译过的函数的开发过程，例如调试。以下是Keil4软件界面：图4-2KEIL4软件页面4.4STC-ISP程序烧录软件介绍本烧录工作采用STC-ISP单片机程序，它既能对STC系列的单片机进行操作，又能对串口进行实时模拟，并能进行代码的下载。这个软件可以下载一个微型硬盘，然后通过下载程序。连接电脑、单片机开发盘、下载器，设定传送速率，再选取单片机的型号及串号，从软件中选择“十六进制”文件，下载程序。充电接口工作原理如下：图4-3烧录软件对话框4.5CH340串口程序烧写模块介绍为了实现单片机程序的编程，本设计采用了具有串口的CH340编程模块，它不仅知道如何使用USB接口，而且可以使用户在计算机上少做一些工作。该编程模块也是目前使用最广泛的优秀工具。下面是该模块的物理示意图：图4-4CH340串口烧写模块5软件调试5.1软件调试部分软件的调试部分是在最初设计时完成的。当时由于没有真正的对象，软件翻译后出现了调试错误的问题，特别是一些子函数并未进行调用，存在着许多问题。下文主要是真对这些问题所给出的解决步骤。第一步：本文针对该课题的需求，进行了初步的硬件设计，包括显示、单片机、方向盘、电源、发动机控制、超声波、蜂鸣器警报等部分。以下是详细的图表：图5-1硬件原理图第二步：按照硬件电路的设计，根据各部分模块和引脚的设计，设计了代码的大框架，并用C语言定义了初始化。第三步：设计测量功能和显示功能小车转弯后，测量模块实时测量距离，并按照s=vt/2在屏幕上显示测量到的距离。第四步：根据逻辑方案设计出最佳的路由逻辑，用if语句完成判断。第五步：整合程序代码，统一翻译保存，完成项目。5.2实物调试部分由于物理对象最初并不是由软件和硬件结合创建的，所以在调试时制作了一辆真实的小车，并进一步完善了之前的调试。具体制作过程如下所示。图5-2实物图实物的制作过程需要时间和精力。一方面，由于地域的限制，小车的不同部件都需要材料。笔者买的51部分是基于单片机的设计概念，淘宝51单片机51单片机芯片（品牌：极成/JICHCHENG颜色：STC89C52RC)，小车底盘（亚克力型智能小车底盘，三轮两驱车，多用途底盘，无主控板结构）,51单片机最小板，IO端口全部引出，采用51最小化设计，减少了焊接工序。内置ISP10P充电接口，为AT89S52单片机的充电提供了便利。焊接圆帽，便于更换11.0592M结晶器。开/关开关在实验中很有用。供电方式有2种：DC-005插孔，对应插孔为5.5*2.1，单排针，紧靠电源开关。PO口上有一个拉伸电阻。复位方式：复位电源，复位外键。在绿色IC锁座的帮助下，芯片很容易更换。圆盘尺寸：4.1厘米*8.9厘米，超声波组件和舵机连接处的亮度，深灰色线，负极，红色线；直流4.8-7.2VVCC正电极；橘色的引线：脉冲信号的输入；超声模组的管脚的定义：GND：负极VCC：正极5V，L298N、LCD1602，锂电池，电池盒等。其中有特殊的链接，以上参数已经很完善，在此不再赘述。然后笔者买了胶水。在焊接过程中，结合相应的参考文献。经过反复的检查，老师的指导和笔者的学习，笔者做出了小车实物。当然，小车在一开始无法顺利运行，究其原因，是因为程序的问题还没有解决，因为之前的程序有些部分是有问题的，但是具体的问题不是很清楚，所以笔者只能在调试的时候才能够发现问题所在。最后，程序调试成功，小车也能实现正常避障功能。值得注意的是，笔者还添加了一个转圈功能，即当遇到障碍物时，它会再次反转和转弯，这样它就可以更准确地识别最佳路径并执行避障功能。结束语本次设计的智能小车在避障方面比传统智能小车更加灵活，不仅减少了早期图像检测的需要，还可以通过测试实时距离来更好地规避障碍，大大减少了工作量，提高了工作效率，使其在避开障碍方面更加高效。本文档主要对原理图进行对比分析，选择出最优的方案，并分析了其材料的选择、经济性和实用性，进一步阐明智能车硬件图的设计与展示。通过对比论证，选择智能体模型，选择发动机驱动模型，选择主控微控制器，选择微控制器充电端口，电源的选择、马达的选取、障碍物的选取、显示器的选取。对报警模块和转向器的选择进行了筛选，选择最适合智能避障的硬件解决方案。该智能车具有避障、转向、LCD1602显示屏等功能。基于此，除了对智能小车的障碍物旋转功能进行硬件设计外，还进行了硬件电路设计。本课题采用12MHZ晶振和2个30pF陶瓷电容器构成的单片机时钟电路。在该模型中，RX和TX连接到单片机的数据传输接口上。采用LM298作为发动机驱动模块的核心芯片，节省了时间和成本。当超声波模块检测到障碍物时，蜂鸣器会发出报警。采用PWM型控制装置实现智能车超声波的左右控制功能。论文最后选取了最适合单片机编程的C语言，并利用keil软件开发了小车编辑、翻译、配对和调试程序。并利用单