智能循迹避障小车设计分析解析

1、种彌容険毕业设计（论文）课题名称智能循迹避障小车设计学生姓名XXX学号00000000000000系、年级专业XXXXXXXXXXXXXXXXXXX指导教师XXX职称讲师2016年5月18日邵阳学院毕业设计（论文）摘要自从首个工业智能设施诞生以来，智能设施的发展已经扩展到了包括机器、刻板、电子、冶金、交通、宇航、国防等产业领域。近年来智能设施水平迅速上升，大大的改变了大多数人类的生活方式。在人类的智能化技术不断飞速进步的过程中，能够取代手动的机器人在更加人性化的同时也越来越智能化。本文主要讨论了基于单片机的智能循迹避障小车的设计。智能自动循迹制导系统在驱动电路的基础上，实现自动跟踪汽车导线，而

2、智能避障是使用红外传感器测距系统来实现功能来规避障碍。智能寻光避障小车是一种采用了多种传感器，以单片机为核心，电力马达驱动和自动控制为技术，根据程序预先确定的模式，而不是人工管理来实现避障导航的自动跟踪高新技术。这项技术已广泛应用于智能无人驾驶、智能机器人、全自动工厂等许多领域。这个设计使用STC89C52单片机J】作为小车的智能核心，使用红外传感器对智能小车跟踪模块识别引导线跟踪，收集模拟信号并将信号转换成为数字信号，使用C语言编写程序，设计的电路结构简单，易于实现，时效性高。关键词：智能化；单片机最小系统；传感器；驱动电路-2-ABSTRACTFromthefirstlevelofindu

3、strialintelligentfacilitiessincebirth,thedevelopmentofintelligentfacilitieshasbeenbroadenedtoincludemachinery,electronics,metallurgy,transportation,aerospace,defenseandotherfields.Intelligentfacilitieslevelrisinginrecentyears,andrapidly,significantlychangedthewaypeoplelive.Peopleintheprocessofthinki

4、ng,improvement,learningandintelligenceofreplacethemanualmachineismoreandmore.Thispapermainlydiscussestheintelligenttrackingbasedonsinglechipmicrocomputercontrolprocessoftheobstacleavoidancecar.Intelligentautomatictrackingisbasedonthedrivingcircuitoftheguidancesystem,toachieveautomatictrackingcarline

5、;obstacleavoidanceistheuseofinfraredsensorrangingsystemtorealizethefunctiontoevadeobstacles.Intelligenttrackingobstacleavoidancecarisausedifferentsensor,motordriveforpowerandautomaticcontroltechnologytorealizeaccordingtotheprocedurespredeterminedmode,notbyartificialmanagementcanrealizetheautomatictr

6、ackingofobstacleavoidancenavigationofhighandnewtechnology.Thetechnologyhasbeenwidelyusedinunmannedintelligentunmannedline,intelligentrobotandsoonmanyfields.Usinginfraredsensorsforcartrackingmoduletoidentifytheguidelinetracking,collectinganalogsignalandconvertsthesignalintodigitalsignal;UsingClanguag

7、etowritetheprogram,thedesignofthecircuitstructureissimple,easytoimplement,timelinessishigh.Keywords：Intelligent;Singlechipmicrocomputerminimumsystem;TheSensor;Drivercircuit邵阳学院毕业设计（论文）目录第1章绪论11.1 智能小车的发展近况与趋势11.2课题研究的目的及意义11.3课题研究的主要内容2第2章方案设计32.1系统概述32.2硬件模块方案32.3软件模块方案5第3章硬件设计63.1电源模块63.2核心控制模块63.

8、3循迹模块73.4避障模块83.5无线遥控模块93.6电机驱动模块103.7拓展模块13第4章软件模块154.1循迹程序模块154.2避障程序模块164.3无线遥控程序模块174.4寻光拓展程序模块184.5驱动电机程序模块19第5章系统测试与分析205.1硬件调试205.2软件调试21总结22参考文献：23附录24致谢25-2-邵阳学院毕业设计（论文）第1章绪论1.1 智能小车的发展近况与趋势1.1.1智能小车的发展近况现阶段智能汽车的发展十分的迅速，从智能玩具到其他各行各业都有实质性的结果1。基本可以实现跟踪和避障测试、光学信息存储等日常生活中基本能够涵盖到的功能，智能汽车的电子设计竞赛中

9、的声音控制系统开发以及人工智能化是近几年中一个非常大的侧重点。1.1.2智能小车的发展趋势现今的智能小车的科技含量已经非常的高了，目前在研究和发展阶段的中，各种外部的传感器构成，使得小车能够通过感官系统外部环境的信息采集来进行精密的描绘外部环境的变化2。智能循迹小车能根据环境的转变，依靠其本身内置的程序模块知识库，在很多十分复杂多变的场景中依旧能够完成所制定的功能模块，并具有一定的决策和适应能力、自我学习能力和自我组织的能力3。为了让智能小车能更加完善的完成预订的功能模块，在应该所具有较高的智能化和普遍的应用化技术研究，另一方面也应该探讨多类传感器信息融合技术的发展，以获得小车途径中周围环境更

10、准确，更全面的信息。1.2 课题研究的目的及意义1.2.1课题研究目的智能化机器人的不断涌现和此技术的迅速发展，使得传统的生产发生了根本的改变，让人类的生产方式从繁重且机械式劳动进入到了机械与自动化智能的新时代。机器人技术是科学研究领域的一个极重要的焦点4。机器人研究集物理力学、电子、机械工程、计算机科学和自动控制为一个有机整体，是一个综合性十分强的全面化学科。-19-1.2.2课题研究意义伴随着社会的飞速发展，科学技术水平的提高，人们都希望创造一种能够代替人类来完成部分的危险或者其他的要求且拥有高等精度的工具，于是便诞生出了智能化学科。现在所涌现出来的智能小车都发展的非常迅速，从智能化玩具到

11、其他的各行各业都有了很大且实质性的效果。可以实现基本的跟踪循迹、避障、寻光进库、规避悬崖等功能，部分电子设计大赛的智能汽车的重点都在在语音控制系统开发上有了非常大的偏移。1.3 课题研究的主要内容包括距离感应器在内的机器人传感器，使得自动化行驶成为一个机器人的重要组成部分。视觉传感器的典型应用领域就是自主智能导航系统，因为各种不同的视觉图像处理技术的发展，机器视觉技术和基于图像理解技术，需要通过大量的作业就可以知道一些简单的结构化的环境目标6。核心的设备是一个自动化场效应管或视觉感光传感器，视觉感光传感器已经能够基本的实现自动化对焦。但是视觉感光传感器的价格昂贵，使用得其在某些方面的优势是非常

12、微弱的，所以在不需要一个非常清晰的图像而只需要粗略感觉下，自动化场效应管传感器的使用系统被认为是一个最为实用和有效的选择方法。机器人要达成独立导向引导效果以及避障的功能模块，就必须要规范和感知障碍，这就需要给予智能化设备一个十分精准的视觉引导线性函数。智能避障控制系统是基于自动化智能引导车辆系统（AVG-自动引导车辆），在此系统实现自动识别的基础上，让我们的智能汽车能够自动避开障碍，并且选择正确的行驶道路5。使用一个优秀可行的传感器以及一个接近完美无重大问题的函数算法是小车能够作出正确的判断和相应的步骤的一个至关重要的点。智能汽车已经可以说成为了智能机器人的一个十分典型的重要代表。它可以在结构

13、上大致的分为三个部分：传感器检测部分、执行部分和中央智能处理器。机器人如果基本达成了自动避让障碍物的效果模块，还能够将此功能应用到感知轨道、远离干扰物等其他方面。第2章方案设计2.1系统概述根据实际的所需要求，所以使用以下解决方案：基于现有的电动智能化玩具汽车，配备基础并精准的光电传感器，实现电动智能小汽车的运行速度、位置都能够进行实时检测，将数据传输到单片机中进行处理，然后根据所检测到的不同的测试数据，反馈到单片机以实现智能控制此智能化电动小汽车。这个方案可以实现在进行实时运动的过程中同时使得电气控制具有灵活、可靠、精度高的特点6。由单片机作为整个系统的控制核心来控制的汽车性能指标。一个完整

14、的分析系统，关键是要意识到汽车的自动控制，在这一点上，单片机将显示其优势，其控制方便简单，迅速快捷。因此，可以充分利用其丰富的资源和更加强大的控制功能，可以解决其他控制核心出现的操作功能，价格等缺点。2.2 硬件模块方案2.2.1硬件模块系统结构使用简洁明了的系统设计方案。在智能循迹模块中，使用红外感应以及高精度光电二极管来判断所设置路径，并进行跟踪功能的工作；在智能避障模块中，使用超声波测距模块检测前方障碍。在获得传感器数据后，然后再由单片机通过IO口控制驱动模块改变两个直流电机的工作状态,最终实现自动跟踪。如图2.1所示：图2.1智能循迹小车控制系统结构框图2.2.2各模块功能概述整体模块

15、可以分为以下几个部分：核心控制模块：使用STC89C52单片机芯片作为主要控制单元。此单片机优点十分的多，也是我们在大学时使用频率最高的一款单片机型号，因为其所具有的操作简便，成本低廉，抗干扰能力十分强的特点而受到广大电子技术者的喜爱。循迹模块：使用了红外传感器，因为其的信号稳定性以及波形制式等原因，可以有效的减少外界的干扰因素所带来的影响。信号采集部分相当于是智能循迹避障小车的眼睛，黑色引导线的识别和执行的高电平和低信号传送到控制单元中，控制驱动模块和单片机指令生成控制两个直流电机的工作状态,完成自动跟踪。避障模块：采用反射式超声波测距换能器，只要有物体反射超声波时就能有信号输入，再将接受信

16、号的计时器值减去发送信号时计数器的值，就可以得出小车至所测量到的干扰物的距离。将此距离信息发送给核心控制模块，单片机将会根据程序设定使小车的行驶发生偏移，从而达到规避干扰物的目的。红外遥控模块：采红外模块分为一个红外接受元器件与一个红外发射元器件（即红外遥控器），通过红外发射元器件发射对应频率的红外接受元器件中。使得红外接受元器件的信号发生改变，再将这个信号传送到单片机中，单片机开始输出控制指令，从而实现红外控制。驱动模块：采取电机驱动芯片L293D作为智能循迹避障小车的驱动。这是一款具备有稳定的H桥电机驱动系统的智能化芯片。L293D能够同时对两个直流电机进行控制。L293D可以使用外部核心

17、进行控制，也可以使用单片机控制软件，满足各种复杂的电路。此外，L293D驱动的功率较大，可以根据不同的输入电压和输出电压的大小和功率选择不同的负载能力7。直流电机：分为左右两个直流电机。相比异步电动机，直流电机的控制方法更为简单，只需要添加适当的电压电就可以使电机旋转，在正常工作电压范围内，电压越高直流电机的旋转速度越快。电源模块：由四节的1.5V的干电池作为电源。2.3 软件模块方案现今，52系列单片机编程所使用的主要语言有两种即汇编语言和C语言。汇编语言是最接近机器语言，也是真正的面向对象的一种机器语言。它广泛的应用于程序相关的系统硬件，如访问I/O端口，中断处理程序等等，是最快速和最具有

18、效力的语言之一，在有一定的空间和时间需求的情况下使用汇编语言程序是最好的选择，但汇编语言也有其自身的缺点与局限性，如项目开发周期长，浮点运算处理缓慢，复杂的和糟糕的应用程序的可移植性等等。在程序设计过程中，设计C语言的思想是：模块化编程思想。在很多时候为了有效地完成任务，该语言将任务分为几个相互独立但仍然有着一定连接的一些个模块。这些模块中，每一个模块的任务相对简单，其模块对外部数据交换也相对轻松，易于编写，容易检测，易于阅读和维护。而且C语音编程的可移植性强，便于更多的人来进行修改和编写。具体流程图如下图2.2所示：图2.2系统主程序流程图第3章硬件设计3.1电源模块电源模块只需所有器件采用

19、统一的一种单一电源（即4节AA电池）。这样供电简单快捷、电压稳定，成本低廉。3.2 核心控制模块本次设计中所采用的控制中心为STC89C52RC。该模块主要分为供电部分、晶振电路部分、复位电路部分、下载接口部分、控制部分五大块。其中供电部分给予单片机电源能量动力；晶振电路部分相当于是单片机的心脏，给予单片机一个稳定的时钟，让单片机能够在此时钟的基础上制造一定的时序；复位电路部分是将单片机进行初始化的过程中所需要的，在本次设计中并未使用；下载接口是用来给单片机进行程序下载的；控制核心即单片机，相当于是人类的大脑，整个设计的控制中心。具体输入输出口配置如图3.1所示：4039923R2613k3(

20、IND78D6P36RCCIO3Qp寺|Z2J11.0592M33324：；16B77.C17STC89C：52VCCBATVCCBATVCCBAT|1=C9104GNDGNICN5程序下载接口INBAT_|llGND10XIvccEA/VPX2POOP01P02RESETP03P04P05P06P07PSENALE/PP0RXD(rao)P1Pl2TXD(円1)mINTO(円2)P14P15P16P17iNri(p3i)T0(P34)P20T1(P35)P21WR(P36)P22ERttrriR1mRJKJPUHEtNJRT在原理图设计好之后开始整理元器件，根据所设计的原理图对小车进行相应的

21、焊接工作。焊接时要细致、仔细同是要对照原理图检查清楚，尽量的避免出现断线、虚焊、假焊等问题。待焊接完成之后还需再次对电路板进行一次检查，在检查无误之后可以使用万用表进行相应的检测。首先使用用万用表测量主观意识上认为容易出现问题的地方，之后对电路图整体进行测量检测，要特别值得注意的是电源和地是否存在短路的问题，一旦短路将会导致整个电路无法工作，严重的还会烧毁电路中的元器件。在用万用表检查清楚确认无误之后才能对电路板上电进行检查，当给电路板加电时，要事先查看电子元器件的电源耐压值是不是处在元器件的额定合理值，上电后再用万用表的电压档查看关键点电压是不是处在所需范围内。上电之后开始测试各个模块的功能

22、是否正常。如出现问题则对出现问题的模块进行隔离，排查出现的问题可能是由哪些原因导致的，查找出原因后开始解决问题。在测试各个模块的功能都正常时，还需要经过调整循迹模块功能板上的滑动变阻器的阻值来调节红外探测器的灵敏程度。灵敏度太大的话，会导致小车在环境不稳定的情况下容易受到干扰，灵敏度太小的话可能导致小车无法正常的工作使用。需要多次实验调整到一个合适的值。在小车各个模块的功能能够完美实现的情况下，对小车的器件以及连接的螺母，焊点等进行加固，防止小车在行驶的过程中部件模块掉落等情况的出现。5.2软件调试系统软件模块部分的调试的流程为：首先编写各个模块的独立子程序，要注意的是不能够出现全局变量导致模

23、块与模块之间的变量冲突，编写各个模块的独立子程序完成之后还需检查清楚，程序是否每一步都是按照程序流程图所绘制的走向，程序是否出现错误，出现了错误的问题能否解决。等各个模块的独立子程序编写完成之后还需对整体程序进行整合汇总。在汇总的过程中需要注意的是整体程序的流程指向，在调用子程序时是否合理，有没有考虑不周全的地方，各个输入输出管脚的分配是否合理。这些问题都解决之后开始运行程序，对整个程序进行测试调通。程序确定没有出现问题之后开始汇编，并用Keil软件生成HEX文件烧写至单片机中。观察小车工作运行是否正常。通过软件调试检查出编写的程序中出现过了许许多多各式各样的问题。经过不知多少次的各个模块的独

24、立子程序的修改，一步一步的慢慢的完善整体程序，来解决出现的问题。最终编写出了一套可以稳定使用的程序。总结本次设计的整个软硬件系统都是以单片机为核心，利用了红外遥控传感器、超声波测距传感器、红外循迹传感器、光敏电阻传感器等多个模块，在软件和硬件的相互结合统一规划下。本系统最终能实现的功能如下：在前方道路有事先预设好的黑色引导线时，小车能够根据所设置的引导线所引导的方向行驶，在黑色引导线的方向发生改变时，小车能够及时的改变行驶方向，始终跟随黑色引导线的指引不会发生脱离。在小车向前行驶的过程中，能够检测小车前方是否存在障碍物，如果存在障碍物将会进行警报，同时开始后退，并调整反向，直至前方没有障碍物的出现。小车能够根据所设置的红外遥控器的控制进行基础的前进、后退、左转、右转、停止等指令，并做到控制迅速，延时短暂。通过本次设计我学习到了很多之前没有完全掌握的知识，同时做到了学以致用，通过这次的设计我也了解到了自己所存在的一些不足之处，不过我会继续努力改进的。-25-参考文献：1 谢自美电子线路设计试验测试M华中科技大学出版社，20042 宗光