智能小车的发展背景论文

第1章绪论1.1智能小车的发展背景自第一台工业机器人诞生以来，机器人的民展已经遍及机械、电子、冶金、交通、宇航、国防等领域。近年来机器人的智能水平不断提高，并且迅速地改变着人们的生活方式。人们在不断探讨、改造、认识自然的过程中，制造能替代人工作的机器一直是人类的梦想。其中智能小车可以作为机器人的典型代表。其需要实现自动导引功能和避障功能就必须要感知导引线和障碍物，实现自动识别路线，选择正确的行进路线，使用传感器感知路线并作出判断和相应的执行动作。智能小车设计与开发涉及控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科。它可以分为三大部分：传感器检测部分，执行部分，CPU。现智能小车发展很快，从智能玩具到各行业都有实质成果，其基本可实现循迹、避障、检测贴片，寻光入库、避崖等基本功能，有向声控系统发展的趋势。比较出名的飞思卡尔智能小车更是走在前列，我们此次的设计主要实现循迹这一个功能。开展自主寻迹智能小车的研究工作，正适合机电一体化专业，制作智能小车为机电一体化专业学科的学生学习和掌握机电一体化技术有很大的帮助，对机电一体化专业学科的学生进一步巩固已学知识加深已学知识起到促进作用，引导和激励学第一章绪论生实事求是、刻苦钻研、勇于创新、多出成果、提高素质，发现和培养一批在学术科技上有作为、有潜力的优秀人才。我们从来没接触过智能小车方面的知识，这对于我们来说是一个巨大挑战，整个研究的过程，我们都是摸着石头过河的。由于知识和经验的缺乏，我们经常会遭到失败，有时一个小小的因素，就会影响到设计，所以我们的步伐前进得很慢。研究的进程大概可能分为：资料收集及整理阶段、硬件制作阶段和调试阶段。公欲善其事，必先利其器，在做每件事之前都要先经过思考，我们在制作之前会先从网上、书上及请教老师来收集资料，把资料经整理理解透了之后，做出设计。接着就是制作硬件，工具和电子元件都需要购买，途径可以是网购或是商店，由于设计不是完美的，我们不能做到一次就把需要的元件都列出来，一次性购买，所以我们分了好几次去商店买元件；因为方案没有最终确定，若是直接焊接电路板，设计如果不成功，整个电路板就没用了，这样就增加了制作的成本，所以我们需要用面包板制作硬件，在调试阶段完成最终确立设计之后，我们才做出电路板。调试阶段就是要测试设计是否成功、合理，当然经常会失败，但我们要在每次的失败中吸取经验、改正错误，取得最后的成功。整个过程是漫长的，但我们在无数的挫败之后终于成功制作出了智能小车2第二章系统设计2.1智能小车的工作原理本次智能小车的工作原理，正如现在工厂中用的变频器一样，把小车的每个轮子的动力机构，也就电动机，把它做成一个闭环的系统，让每个电动机的转速恒定，无论哪些影响它的因素改变，它的输出转速依然恒定，如小车爬坡和小车下坡，让它们的速度时刻匀速，电机的工作采用PWM脉冲调制，让它的速度可控，适应我们的转速要求，如小的平滑启动，小车的加速超车，采用两三个单片机做数据处理，第个电机用一个单片机做它的数据处理，在用第三个单片机做总数据发送，采用三个单片机的多机通信模式实现数据的交换，让两个从机做为电机的驱动部分，这样做出来的小车平台就可以在使用中更佳灵活与轻便，电机采用通电机主轴转速，让它的主控单片机计数，采用100ms抽样，这样就可以把电机的转速确定出来，一但电机转速不足于预设值时，马上经过算法去增加PWM值，让电机升速，直到电机转速达到要求为止，保留当前PWM值，如果电机转速过高，电机这时处于发电状态，马上经过算法去减小PWM值，让电机减速，直到电机转速达到要求为止。第二章系统设计2.2研究方案的选择与内容2.2.1电机计数传感器选择方案一：光电码盘采用光电对管，利用它的对射原理，在直流电动机的主轴上加上一个圆盘，在圆盘的表面上均匀的加上不同的格子，在把这些格子间隔性的涂上黑色和白色，这样对于光电对管发出来的红外光就会有不同的反光率，在光电对管上在配备上电压比较模块，这样就可以很清晰表现出一上高低电平，也就是我们想要的数字电压信号，正好有利于单片机的信号采集。但是这种方案有一种弊端，就是两个直流电动机是一个很大的功率器件，它的启动和动转都会对电网的电压造成一定的波动。正是这上波动很容易造成处理器工作不稳定，容易出现死机或者是计数不准确的现象。方案二：磁传感霍尔传感器采用磁传感霍尔传感器，它的外围电路设计简单，工作可靠，在电机主轴上粘上一个或多个强磁铁，磁铁越多计数也就越精确，当有强磁从霍尔元件的表面划过时，霍尔元件就会产生一个高电平，霍尔元件实际上是一个开关量，它的输出引脚上只有高电平，或者是低电平，它不会出现高阻状态，这样输出的信号可靠稳定。它就是本身的价格要贵些，但是它的工作可靠性还是值得考虑的。42.2.2控制器的选择方案一：AVR单片机高可靠性、功能强、高速度、低功耗和低价位一直是衡量单片机性能的重要指标，也是单片机占领市场、赖以生存的必要条件。AVR单片机废除了机器周期，抛弃复杂指令计算机CISC追求指令完备的做法；采用精简指令集，以字作为指令长度单位，将内容丰富的操作数与操作码安排在一字之中指令集中占大多数的单周期指令都是如此，取指周期短，又可预取指令，实现流水作业，故可高速执行指令。当然这种速度上的升跃，是以高可靠性为其后盾的。AVR单片机硬件结构采取8位机与16位机的折中策略，即采用局部寄存器存堆32个寄存器文件和单体高速输入/输出的方案即输入捕获寄存器、输出比较匹配寄存器及相应控制逻辑。提高了指令执行速度1Mips/MHz，克服了瓶颈现象，增强了功能；同时又减少了对外设管理的开销，相对简化了硬件结构，降低了成本。AVR单片机内嵌高质量的Flash程序存储器，擦写方便，支持ISP和IAP，便于产品的调试、开发、生产、更新。内嵌长寿命的EEPROM可长期保存关键数据，避免断电丢失。AVR单片机的I/O线全部带可设置的上拉电阻、可单独设定为输入/输出、可设定（初始）高阻输入、驱动能力强（可省去功率驱动器件）等特性，使的得I/O口资源灵活、功能强大、第二章系统设计可充分利用。AVR单片机片内具备多种独立的时钟分频器，分别供URAT、I2C、SPI使用。其中与8/16位定时器配合的具有多达10位的预分频器可通过软件设定分频系数提供多种档次的定时时间。AVR单片机有自动上电复位电路、独立的看门狗电路、低电压检测电BOD，多个复位源自动上下电复位、外部复位、看门狗复位、BOD复位，可设置的启动后延时运行程序，增强了嵌入式系统的可靠性。AVR单片机具有多种省电休眠模式，且可宽电压运行（5-2.7V），抗干扰能力强，可降低一般8位机中的软件抗干扰设计工作量和硬件的使用量。方案二：AT89S51单片机AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISPIn-systemprogrammable的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89S51具有如下特点：40个引脚，4KBytesFlash片内程序存储器，128Bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器2个全双工串行6通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。采用方案二。由于本系统电路简单，不需要更多的I/O口资源，AT89S51单片机已经能完全胜任，并且对AT89S51单片机熟悉，用起来得心应手，综合各方面利弊，所以选则方案二。2.2.3电机驱动模块选择方案一：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更重要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大，分压不仅降低效率，而且实现起来很困难。方案二：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对电机的转速的调整。此方案的优点是电路比较简单，缺点是继电器的响应时间慢，机械结构易损坏，可靠性不好。方案三：采用有达林顿管组成的H型PWM电路。具体采用电机专用驱动芯片L298N。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电机的转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高，H型电路保证第二章系统设计了可以简单地实现转速和方向的控制，稳定性极强，是一种被广泛采用的PWM调速技术，承受负载能力大。采用专用电机驱动芯片L298N，控制方便。2.2.4显示模块的选择方案一：LED静态显示模块该显示驱动电路具有输出锁存功能，单片机将要显示的数据送出后就不再控制LED，直到下一次显示时再传送一次新的数据。只要当前显示的数据没有变化，就无须理睬数码显示管。静态显示的数据稳定，占用的CPU时间少。静态显示中，每一个显示器都要占用单独具有琐存功能的I/O口，该接口用于笔画段字型代码。这样单片机只要把显示的字型数据代码发送到接口电路，该字段就可以显示要发送的字型。要显示新的数据时，单片机再发送新的字型码。方案二：LCD显示模块LCD为平面超薄的显示设备，它由一定数量的彩色或黑白像素组成，放置于光源或者反射面前方。液晶显示器功耗很低，适用于使用低耗的电子设备。它的主要原理是以电流刺激液晶分子产生点、线、面配合背部灯管构成画面。并且该设备机身薄，节省空间，省电，不产生高温，完全无辐射，有益健康，画面柔和不伤眼。采用方案二，LED显示画面单一，不具有视觉表现力，而LCD可视性好，画面可以根据具体要求改变，直观方便的将所要现实的数据显示出来。功耗低更适于本系统的要求。8吉林工程技术师范学院毕业论文第3章硬件系统设计与实现3.1硬件系统概述按键扫描无线模块避障检测主机语音播报显示从机从机显示电机驱动电机驱动电机测速测速电机第三章硬件系统设计与实现3.2控制器电路设计3.2.1AT89S51系列基本组成及特性AT89S51是一种带4k字节闪烁可编程可擦除只读存储（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。而在众多的51系列单片机中，要算ATMEL公司的AT89C51更实用，也是一种高效微控制器，因为它不但和8051指令、管脚完全兼容，而且其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的，这种工艺的存储器，用户可以用电的方式达到瞬间擦除、改写。而这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。AT89S51基本功能描述如下：AT89S51是一种低损耗、高性能、CMOS八位微处理器，而且在其片种还有4k字节的在线可重复编程快擦快写程序存储器，能重复写入擦除1000次，数据保存时间为十年。它与MCS-51系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容，不仅可完全代替MCS-51系列单片机，而且能使系统具有许多MCS-51系列产品没有的功能。AT89S51可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积增加系统的可靠性，降低了系统成本。只要程序长度小于4k四个I/O口全部提供给用户。可用5V电压编程，而且写入时间仅10毫秒仅为8751/87C51的擦除时间的百分之一，与8751/87C51的12V电压擦写相比不易损坏器件没有两种电源的要求，改写时不拔下芯片，适合许多嵌入式控制领域。AT89S51芯片提供三级程10吉林工程技术师范学院毕业论文序存储器锁定加密，提供了方便灵活而可靠的硬加密手段能完全保证程序