智能循跡避障小車實(shí)踐報告

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上電氣工程與自動化學(xué)院課程設(shè)計報告（嵌入式技術(shù)實(shí)踐一）題 目：*專業(yè)班級：*學(xué) 號：20學(xué)生姓名：*指導(dǎo)老師：*2012年 7 月 31 日摘 要 本課題是基于P89C51單片機(jī)的智能小車的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)，小車完成的主要功能是能夠自主識別黑色引導(dǎo)線并根據(jù)黑線走向?qū)崿F(xiàn)快速穩(wěn)定的尋線行駛,能夠檢測周圍的障礙物尋找最佳路以免小車在行駛的過程中遭到損壞。小車系統(tǒng)以P89C51單片機(jī)為系統(tǒng)控制處理器；采用紅外傳感獲取賽道的信息，利用超聲波測距模塊判斷障礙物，來對小車的方向和速度進(jìn)行控制。此外，對整個控制軟件進(jìn)行設(shè)計和程序的編制以及程序的調(diào)試，并最終完成軟件和硬件的融合，實(shí)現(xiàn)小車的預(yù)期

2、功能。關(guān)鍵詞：智能循跡避障小車、嵌入式系統(tǒng)。目 錄第一章 緒論1.1課題背景當(dāng)今世界，傳感器技術(shù)和自動控制技術(shù)正在飛速發(fā)展，機(jī)械、電氣和電子信息已經(jīng)不再明顯分家，自動控制在工業(yè)領(lǐng)域中的地位已經(jīng)越來越重要，“智能”這個詞也已經(jīng)成為了熱門詞匯?，F(xiàn)在國外的自動控制和傳感器技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了很高的水平，特別是日本，比如日本本田制作的機(jī)器人，其仿人雙足行走已經(jīng)做得十分逼真，而且具有一定的學(xué)習(xí)能力，還據(jù)說其智商已達(dá)到6歲兒童的水平。作為機(jī)械行業(yè)的代表產(chǎn)品汽車，其與電子信息產(chǎn)業(yè)的融合速度也顯著提高，呈現(xiàn)出兩個明顯的特點(diǎn)：一是電子裝置占汽車整車（特別是轎車）的價值量比例逐步提高，汽車將由以機(jī)械產(chǎn)品為主向高級的機(jī)電

3、一體化方向發(fā)展，汽車電子產(chǎn)業(yè)也很有可能成為依托整車制造業(yè)和用車提升配置而快速成為新的增長點(diǎn)；二是汽車開始向電子化、多媒體化和智能化方向發(fā)展，使其不僅作為一種代步工具、同時能具有交通、娛樂、辦公和通訊等多種功能。為了適應(yīng)嵌入式自動化在汽車智能化方向的發(fā)展要求，提出簡易智能小車的構(gòu)想，目的在于：通過獨(dú)立設(shè)計并制作一輛具有簡單智能化的簡易小車，從實(shí)踐中深入了解自動控制理論，獲得項目整體設(shè)計的能力，并且掌握多通道多樣化傳感器綜合控制的方法。1.2 智能汽車的發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1 國內(nèi)發(fā)展情況我國從上世紀(jì)80年代開始著手無人駕駛智能汽車的研制開發(fā)，雖與國外相比還有一些距離，但目前也取得了階段性成果。國內(nèi)清

4、華大學(xué)、國防科技大學(xué)、上海交通大學(xué)、西安交通大學(xué)、吉林大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等都有過無人駕駛汽車的研究項目。 1992年，國防科技大學(xué)研制成功了我國第一輛真正意義上的無人駕駛汽車。由計算機(jī)及其配套的檢測傳感器和液壓控制系統(tǒng)組成的汽車計算機(jī)自動駕駛系統(tǒng)，被安裝在一輛國產(chǎn)的中型面包車上，使該車既保持了原有的人工駕駛性能，又能夠用計算機(jī)控制進(jìn)行自動駕駛行車。2000年6月，國防科技大學(xué)研制的第4代無人駕駛汽車試驗成功，最高時速達(dá)76km，創(chuàng)下國內(nèi)最高紀(jì)錄。2003年7月，國防科技大學(xué)和中國一汽聯(lián)合研發(fā)的紅旗無人駕駛轎車高速公路試驗成功，自主駕駛最高穩(wěn)定時速13Okm，其總體技術(shù)性能和指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平

5、。1.2.2 國外的發(fā)展情況從20世紀(jì)70年代，美歐等發(fā)達(dá)國家開始進(jìn)行無人駕駛汽車的研究，大致可以分為二個階段:軍事用途、高速公路環(huán)境和城市環(huán)境。在軍事用途方面，早在80年代初期，美國國防部就大規(guī)模資助自主陸地車輛ALV （Autonomous LandVehicle)的研究。 進(jìn)入21世紀(jì)，為促進(jìn)無人駕駛車輛的研發(fā)，從2004年起，美國國防部高級研究項目局(DARPA)開始舉辦機(jī)器車挑戰(zhàn)大賽(Grand Challenge)。該大賽對促進(jìn)智能車輛技術(shù)交流與創(chuàng)新起到很大激勵作用。 在2005年的第二屆比賽中，主辦方只在賽前2小時提供一張光盤，上面提供了比賽路線上2935個“路點(diǎn)”的方位與海拔等

6、詳細(xì)資料。整個賽道有急轉(zhuǎn)彎、隧道、路口還有山路，比賽要求參賽車輛能夠自主完成全部路程。最終斯坦福大學(xué)的“斯坦利”，獲得了第1名。具有6個奔騰M處理器的電腦完成“斯坦利”的所有程序的處理。車輛移動時，4個激光傳感器、一個雷達(dá)系統(tǒng)、一組立體攝像頭和一個單眼視覺系統(tǒng)感知周圍的環(huán)境。1.2.3 智能車競賽現(xiàn)狀“飛思卡爾”智能車競賽是由教育部高等學(xué)校自動化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會主辦，飛思卡爾半導(dǎo)體公司協(xié)辦的全國性的比賽。智能車競賽所使用的車模是一款帶有差速器的后輪驅(qū)動模型賽車，它由大賽組委會統(tǒng)一提供。比賽要求參賽隊伍研究并設(shè)計一款能夠自主辨識路線并能夠自主行駛的智能車，在專門設(shè)計的封閉跑道上行駛，跑完整個

7、賽程用時越短的參賽隊伍成績越好。智能車的設(shè)計要求參賽隊伍首先對汽車動力學(xué)有一定的研究和了解，從而設(shè)計合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)。同時要求參賽隊伍自行設(shè)計控制器系統(tǒng)電路、圖像采集模塊電路、電機(jī)驅(qū)動電路、電源模塊電路等多個部分的電路。在硬件平臺搭建完成后，參賽隊伍要對智能車系統(tǒng)的路線辨識以及控制算法進(jìn)行開發(fā)和調(diào)試，為了后期的調(diào)試方便，很多隊伍還開發(fā)了用于調(diào)試的上位機(jī)監(jiān)控程序。智能車大賽以迅猛發(fā)展的汽車電子為背景，涵蓋了控制、模式識別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計算機(jī)、機(jī)械等多個學(xué)科交叉的科技創(chuàng)新比賽。隨著賽事的逐年開展，不僅使參賽學(xué)生自主創(chuàng)新能力的提高，對于高校相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的學(xué)術(shù)水平的提升也有一定的幫助。目前，此

8、項賽事己經(jīng)成為各高校展示科研成果和學(xué)生實(shí)踐能力的重要途徑，同時也為社會選拔優(yōu)秀的創(chuàng)新人才提供了重要平臺。 “飛思卡爾”杯智能車競賽于2000年在韓國首次舉辦，我國于2006年8月舉辦第一屆“飛思卡爾”杯全國智能車競賽，當(dāng)時吸引了來自全國50所高校的112支代表隊的參與。在2007年的第二屆智能車競賽中，來自全國26個省(自治區(qū))、直轄市的130余所院校的242支隊伍分為5個賽區(qū)進(jìn)行角逐，比賽場面空前激烈。1.3 實(shí)踐的目的和意義通過設(shè)計進(jìn)一步掌握單片機(jī)的應(yīng)用，特別是在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用。進(jìn)一步學(xué)習(xí)單片機(jī)在系統(tǒng)中的控制功能，能夠合理設(shè)計單片機(jī)的外圍電路，并使之與單片機(jī)構(gòu)成整個系統(tǒng)。第二章 系統(tǒng)方

9、案設(shè)計2.1 系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo) 制作一輛簡易智能小車，智能車采用紅外傳感器對賽道進(jìn)行道路檢測，超聲波測距模塊采集周圍20cm以內(nèi)的的障礙物信息，單片機(jī)根據(jù)采集到的信號的不同狀態(tài)判斷小車當(dāng)前狀態(tài)并發(fā)出控制命令，通過電機(jī)驅(qū)動模塊控制電機(jī)的工作狀態(tài)以實(shí)現(xiàn)對小車姿態(tài)的控制。2.2 系統(tǒng)設(shè)計思想本設(shè)計屬于嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)。確定整個控制系統(tǒng)的總體方案，是進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計最關(guān)鍵、最重要的一步?？傮w方案的好壞，直接或間接影響整個控制系統(tǒng)的性能和實(shí)施細(xì)則。系統(tǒng)總體方案的設(shè)計主要是根據(jù)被控對象的任務(wù)和功能要求而確定的。2.3 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 根據(jù)設(shè)計思想可知，智能循跡避障小車是主要是由一個系統(tǒng)主機(jī)和3個系統(tǒng)從機(jī)組成。系統(tǒng)主

10、機(jī)就是也就是主控制器，是智能小車的大腦。從機(jī)由電機(jī)驅(qū)動模塊，紅外傳感模塊，測距模塊三部分組成，其中電機(jī)驅(qū)動模塊是輸出設(shè)備，紅外傳感模塊和測距模塊是輸入設(shè)備。 本次設(shè)計是我們學(xué)習(xí)的實(shí)踐和總結(jié)，所以采用NXP公司的P89C51VB2單片機(jī)芯片，該芯片具有較大的Flash存儲區(qū)，具有兩個16位定時器，編程簡單，功耗低等優(yōu)點(diǎn)。從機(jī)通過接收模塊接收指令，并按照指令要求驅(qū)動形影的外圍設(shè)備。這種結(jié)構(gòu)以主機(jī)作為中心，形成樹形的管理平臺，結(jié)構(gòu)簡單，易于管理和控制。附系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖（如下）：P89C51VB2最小系統(tǒng)紅外傳感模塊測距模塊驅(qū)動模塊電機(jī)2.4 系統(tǒng)硬件設(shè)計2.4.1 小車設(shè)計 小車由兩個主動輪、一個萬向

11、輪、底板、控制系統(tǒng)、電路板及外圍設(shè)備等組成，主動輪由電機(jī)驅(qū)動，整個系統(tǒng)由主機(jī)控制。2.4.2 電源模塊設(shè)計根據(jù)材料我們有選用兩節(jié)3.6V鋰電池串聯(lián)作為輸入電源，由于51單片機(jī)要求輸入電壓為5V，所以采用7805穩(wěn)壓后供電。附電源模塊原理圖（如圖2-1）：電路中的大小電容分別濾去電路中的高頻和低頻雜波，7805能夠把電壓穩(wěn)定在5V為單片機(jī)和紅外傳感模塊供電。2.4.3 驅(qū)動模塊設(shè)計 驅(qū)動模塊使用兩個繼電器和四個三極管為主要部件，構(gòu)成驅(qū)動電路?？梢苑謩e控制兩個電機(jī)的正傳、反轉(zhuǎn)和停轉(zhuǎn)。附驅(qū)動模塊原理圖（如圖2-2）： 電容器達(dá)到 PWM端輸入1即高電平時，三極管導(dǎo)通為繼電器電源輸入端供電，反之不供電

12、，DIR端輸入1/0對應(yīng)繼電器吸合和分離，輸入1時繼電器電磁鐵吸合，輸入0時電磁鐵分離。2.4.4 紅外傳感模塊設(shè)計 紅外傳感模塊主要有四個紅外對管，電阻，發(fā)光二極管組成。附紅外傳感模塊原理圖（如圖2-3）：紅外對管由發(fā)射管和接收三級管組成，當(dāng)遇到黑線沒有反射時接受三極管不到通，相應(yīng)輸出端輸出高電平，其他時刻接受三極管導(dǎo)通，輸出端被下拉為低電平。2.4.5 測距模塊設(shè)計測距模塊要求更高的精確度和靈敏性，所以我們采用工業(yè)成品US100（附成品圖2-4）。圖2-4US-100超聲波測距模塊可實(shí)現(xiàn)2cm4.5m的非接觸測距功能，擁有2.45.5V的寬電壓輸入范圍，靜態(tài)功耗低于2mA，自帶溫度傳感器對

13、測距結(jié)果進(jìn)行校正，同時具有GPIO，串口等多種通信方式，內(nèi)帶看門狗，工作穩(wěn)定可靠。（其他主要參數(shù)見附表）2.5 系統(tǒng)軟件設(shè)計2.5.1 編程環(huán)境的介紹本次系統(tǒng)的程序設(shè)計是在TKStudio V4.5.1平臺上進(jìn)行開發(fā)的。TKStudio集成開發(fā)環(huán)境是廣州致遠(yuǎn)電子股份有限公司開發(fā)的一個嵌入式芯片級、系統(tǒng)級軟件開發(fā)平臺，是一款內(nèi)置強(qiáng)大編輯器的多內(nèi)核編譯調(diào)試環(huán)境，支持Keil C51、SDCC、GCC ARM、ADS、IAR ARM、MDK、RVDS、GCC AVR、WindRiver CCORE、CCoreGcc、RemoteGcc等編譯工具鏈，支持8051、ARM7/ARM9/ARM11、Cor

14、texM3/CortexM0、XScale、AVR、CCORE等內(nèi)核調(diào)試，支持Linux bootloader、Linux內(nèi)核、Linux內(nèi)核模塊、Linux應(yīng)用程序等的調(diào)試?？梢酝瓿蓮墓こ探⒑凸芾?，編譯，鏈接，目標(biāo)代碼的生成，到軟件仿真，硬件仿真(掛接TKS系列仿真器的硬件)等完整的開發(fā)流程。TKStudio V4.5.1加入了Liunx調(diào)試的支持，包括bootloader調(diào)試、Linux內(nèi)核調(diào)試、Linux內(nèi)核模塊調(diào)試和Linux應(yīng)用程序調(diào)試，直接通過TKScope系列仿真器進(jìn)行調(diào)試，摒棄了傳統(tǒng)的通過KDB、KGBD等補(bǔ)丁進(jìn)行調(diào)試的方式，支持從現(xiàn)有的調(diào)試文件直接進(jìn)行調(diào)試，自動創(chuàng)建源代碼樹

15、，編輯、編譯、下載、調(diào)試一體化。其操作界面如圖2-5 TKStudio編程環(huán)境本次系統(tǒng)設(shè)計采用C語言開發(fā)，它是一種計算機(jī)程序設(shè)計語言。它既有高級語言的特點(diǎn)，又具有匯編語言的特點(diǎn)。它可以作為系統(tǒng)設(shè)計語言，編寫工作系統(tǒng)應(yīng)用程序，也可以作為應(yīng)用程序設(shè)計語言，編寫不依賴計算機(jī)硬件的應(yīng)用程序。因此，它的應(yīng)用范圍廣泛。2.5.2 電機(jī)控制程序設(shè)計直流電機(jī)驅(qū)動比較簡單，不像步進(jìn)電機(jī)那樣需要給高低電平脈沖，直流電機(jī)只要給高低電平就可以轉(zhuǎn)，只要PWM=1即高電平，電機(jī)就可以轉(zhuǎn)動，DIR=0/1則控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。2.5.3 循跡程序設(shè)計循跡其實(shí)是對模塊輸出端口高低點(diǎn)評的讀取，只需要提供四個IO口既可以實(shí)現(xiàn)所有循

16、跡的讀取。當(dāng)讀到1時，表示相應(yīng)未知的紅外對管在黑線上。2.5.4 避障程序設(shè)計 避障部分主要由舵機(jī)控制和超聲測距模塊的讀取。每當(dāng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動一定的角度，就啟動一次距離的讀取。A舵機(jī)工作原理如下：圖2-6舵機(jī)實(shí)物圖1.舵機(jī)有三根線，一般依次是地，電源（5V左右），信號（信號的幅值>=3.3V)。2.其工作原理是：控制信號由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準(zhǔn)信號，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時，通過級聯(lián)減速齒輪帶動電位器旋轉(zhuǎn)

17、，使得電壓差為0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。3.舵機(jī)的控制：舵機(jī)的控制一般需要一個20ms左右的時基脈沖，該脈沖的高電平部分一般為0.5ms2.5ms范圍內(nèi)的角度控制脈沖部分。以180度角度伺服為例，那么對應(yīng)的控制關(guān)系是這樣的：0.5ms-0度；1.0ms-45度；1.5ms-90度；2.0ms-135度；2.5ms-180度；用定時器定時周期20ms，改變PWM值就可以改變舵機(jī)轉(zhuǎn)動的角度。B測距原理如下：圖2-7：US-100測距時序圖圖2-7表明：只需要在Trig/TX管腳輸入一個10US以上的高電平，系統(tǒng)便可發(fā)出8個40KHZ的超聲波脈沖，然后檢測回波信號。當(dāng)檢測到回波信號后，模塊還要進(jìn)行溫度值的測量，然后根據(jù)當(dāng)前溫度對測距結(jié)果進(jìn)行校正，將校正后的結(jié)果通過Echo/RX管腳輸出。第三章 系統(tǒng)的調(diào)試與分析3.1系統(tǒng)硬件調(diào)試 由于本次設(shè)計的硬件電路均比較簡單，考慮到原材料和成本的因素，我決定采用萬能板焊接，這樣既可以練習(xí)焊接技術(shù)，也達(dá)到了節(jié)約原材料降低成本的目的，可為低碳之選。系統(tǒng)硬件是否符合要求將直接決定著整套系統(tǒng)的正常