自动导航小车避障的研究设计

潍坊大学本科毕业设计（论文）PAGEPAGE20目录第一章前言 11.1机器人简介 11.1.1机器人的发展阶段 11.1.2机器人的结构组成 21.2自动导航小车的避障设计中的关键技术 21.2.1结构及其优化设计技术 21.2.2传感器技术 21.3选题的背景和意义 3第二章系统方案设计 42.1系统主要任务 42.1.1控制系统要求 42.1.2方案选择 42.2系统总体设计 52.2.1系统组成 52.2.2系统工作原理 5第三章系统的硬件设计 63.1单片机89C51 63.2电源设计 73.3红外传感器电路设计 83.3.1供电电路设计 83.3.2传感器网络与单片机接口电路设计 103.4电机闭环控制电路设计 113.4.1直流电动机的脉冲调压调速原理 113.4.2控制电路PWM发生器 123.4.3速度反馈环节设计 14第四章系统软件设计 174.1软件设计 174.2初始化设计 184.3红外传感器网络信息采集 194.4电机速度控制 20第五章结束语 22参考文献 23致谢 24摘要：自动导航小车是指借助超声波、红外线等传感器设备对小车周围的环境进行探测，并且利用工程机对传感器设施所探测到的障碍物有关信息进行处理，使自动导航小车能够其躲避障碍物安全行驶。设计出一种反应快，适应能力强的控制系统是实现导航小车避障的关键。本设计提出了一种简单实用的智能小车避障系统设计方法，采用89C51单片机作为主控芯片，电机作为执行元件，红外传感器作为检测元件。系统由主控模块、红外传感器探测模块、车体框架、电机驱动模块、稳压模块及电源组成。其中主控模块是整个系统的最关键部位，系统由单片机通过I/O口控制各个模块。通过以上方案完成小车避障系统的软、硬件设计，成功实现了小车躲避障碍物的功能。关键词：自动导航小车；避障系统；红外线传感器；单片机ABSTRACT:Theautomaticguidedvehicleisdetectedwithultrasonic,infraredsensordeviceonthecararoundtheenvironment,informationabouttheobstaclesandtheuseofengineeringmachineofthesensordetectedprocessingfacilities,makeAGVcanavoidobstaclesafely.Designakindofquickresponse,strongabilityofadaptivecontrolsystemisthekeytorealizethenavigationvehicleobstacleavoidance.Thispaperputsforwardadesignmethodofintelligentvehicleobstacleavoidancesystemissimpleandpracticalinthedesign,using89C51microcontrollerasthemaincontrolchip,motorastheactuator,infraredsensorasthedetectingelement.Thesystemconsistsofmaincontrolmodule,theinfraredsensordetectionmodule,vehicleframe,motordrivemodule,avehicleframe,andpowersupply.Themaincontrolmoduleisthekeypartofthewholesystem,thesystemiscomposedofasinglechipcomputerthroughtheI/Oportcontrolmodule.Completethesoft,hardwaredesignofobstacleavoidancesystem.Throughtheaboveprogram,thesuccessfulimplementationofthecartoavoidobstaclesfunction.KEYWORDS:AutomaticNavigationVehicle;ObstacleAvoidanceSystem;InfraredSensor;MCU第一章前言1.1机器人简介机器人（Robot）是自动执行人们为其指定的工作机器设备。它既可以执行事先为它编写好的程序，又可以按照人们的指挥，进行实时性工作。随着科学技术发展，人们赋予它人工智能，使它能够协助或取代人类的工作，进行探测，救援等危险的工作。机器人是一项快速发展的前沿科学，它具有综合性强的特点。它涉及到机械工程学、运动学、电气工程学、计算机、电子工程学、自动控制工程学、人工智能、传感器、机器视觉、模式识别与导航、仿生学和多种智能模拟技术，受到了广泛重视。21世纪以来，随着科学技术的日新月异，在各个领域机器人都得到了广泛应用，遍及农业、工业、制造业等多个领域。自动导航小车是机器人的一类，通过这次对小车的避障系统的研究设计，从而加深对多门技术综合运用掌握。1.1.1机器人的发展阶段机器人的发展史并不长，开始于1959年，美国英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台应用于工业的机器人。机器人的发展大致经历了三个主要的阶段，即三个时代。第一代为简单的个体机器人，第二代为群体的劳动机器人，第三代为类似人类智能的机器人，它的未来机器人发展的主要方向。第一代机器人便是英格伯格和德沃尔所制造的工业机器人，需要人操作机械手，把当前的任务完成一遍，才能让机器人的按照人们的指令，重复完成任务。第二代机器人自20世纪70年代以来有了较大发展，这个阶段是机器人对外界环境实用阶段，并开始普及。第三代机器人是具有人工智能的机器人，它不但拥有对外界环境的感知能力，还拥有自己独立的逻辑判断能力，从而完成更加复杂的任务。例如智能机器人在未知区域探时，通过自身的探测装置获取外界环境信息，通过这些数据的分析，做出相应的行动。今天，机器人趋向高度的智能化，应用到各行各业。1.1.2机器人的结构组成机器人主要由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统和复杂机械等组成。执行机构，即为机器人本体，包括机器人的基座、腰部、臂部、腕部、手部和行走部等。驱动装置，是驱动机器人运动的结构，依照中央控制系统发出的控制指令，依靠动力元件使机器人工作。检测装置，是检测器人的当前运动及运行情况，根据控制系统的需要进行反馈，与预先设定好的信息对比后，控制系统对执行机构做出具体调整方案，从而保证机器人能够按照人们的意愿完成任务。控制系统，它的控制方式有集中式控制方式和分散（级）式控制。集中式控制方式，即由一台微型计算机完成对机器人的全部控制。分散（级）式控制，即使用两台或两台以上微机来分担机器人的控制[1]。1.2自动导航小车的避障设计中的关键技术当下自动导航小车正向着智能化和多样化方向发展，受到了国内外的广泛重视。自动导航小车不单拥有简单的运动功能，还具有路径规划、环境感知、逻辑判断等智能行为，因此是一个组成结构非常复杂的系统。自动导航小车的避障设计中的关键技术主要包括以下的两个个方面。1.2.1结构及其优化设计技术根据实际环境的需要，对自动导航小车的车体结构形式的进行设计。应当结合自动导航小车在不同领域和场合的具体应用，进行创造性的设想，设计能适应不同工作环境的系统结构。1.2.2传感器技术随着传感器技术的快速发展，传感器功能种类越来越多、性能越来越好。一个结构复杂、功能强大的机器人通常配置温度、视觉和距离传感器等。伴随着传感器的增多，收集到的信息量也大大增加，各传感器收集到的信息在空间、时间、表达方式上都不一定相同，应用范围也不一样，这样就对信息处理能力要求非常高。因此为了协调各传感器之间工作，多传感器控制系统要求拥有相应的综合性强的信息处理能力。1.3选题的背景和意义最近几年来，我国对机器人的研发设计取得了丰富的科技成果，一些前沿技术及高效率的控制方法被引入到自动导航小车研究设计中。机器人学的一个重要分支就是移动机器人，智能程度最高的机器人便是能够依照环境变化进行自身逻辑判断移动的机器人，是移动机器人的重要发展方向。它具有个体规划、适应能力强的特点，机器人可以在没有人参与的条件下，而且无需对周围环境有任何要求和改变的条件下，自行的完成人们规定的移动任务。例如，自动搬运货物，实现自动化的货物运送。因此移动机器人受到了各国的广泛重视。

第二章系统方案设计2.1系统主要任务系统的主要任务就是让智能导航小车在行进的过程中，能够自动探测车存在的障碍物并采取有效的躲避措施，实现安全行驶。2.1.1控制系统要求控制系统要满足下面4个要求：对车体周围的环境探测并且获得障碍物存在信息。实时性要求，即根据实际情况立即做出相应判断。驱动电机稳速运行要求。控制系统工作稳定。2.1.2方案选择传感器的选择：自动导航小车对周围环境信息采集的关键在于传感器，因此传感器的选择直接影响到了小车控制系统的判断。选择传感器原则主要有两个：基于环境优化原则和基于任务原则。主控制器的选择：将微处理器、一定容量的RAM和ROM以及I/O接口、定时器等电路集成在一块芯片上，构成的单片微型计算机，简称单片机。自动导航小车的控制系统采用89C51单片机作为主要控制器，结构由红外传感器、直流电机闭环控制电路等部分组成，从而实现实现自动避障功能。2.2系统总体设计2.2.1系统组成图2.1系统组成2.2.2系统工作原理在小车的左侧、右侧和正前方分别安装传感器。当小车的左侧传感器探测到有障碍物时，立即向单片机传送信号，单片机对接收到的信号进行处理，随后控制直流电机，车子右轮减速，左轮加速，从而使小车向右转弯；依照同样原理，当小车的右侧传感器探测到有障碍物时，小车向左转弯；当正前方亦或全部的传感器都探测到有障碍物时，车子向后转弯，避开绕行。

第三章系统的硬件设计3.1单片机89C5189C51有一个可编程的全双工串行通信接口，它可用作UART，也可用作同步移位寄存器。其帧格式可以有8位、10位、或11位，并能设置各种波特率，给使用带来极大的灵活性。89C51通过引脚RXD与外界进行通信。其内部结构简化示意图如图3.1所示。图中有两个物理上独立的接收、发送缓冲器SBUF，他们占用同一地址99H，可同时发送、接收数据。发送缓冲器只能写入，不能读出；接收缓冲器只能读出，不能写入。图3.189C51引脚图串行发送与接收的速率与位移时钟同步。89C51用定时器T1作为串行通信的波特率发生器，T1溢出率经2分频（或不分频）后，又经16分频作为串行发送或接收的位移脉冲。位移脉冲的速率即是波特率。从图中可以看出，接收器是双缓冲结构，在前一个字节被从接收缓冲器SBUF读出之前，第二个字节即开始被接收（串行输入至移位寄存器），但是，在第二个字节接收完毕而前一个字节CPU未读取时，会丢失前一个字节。串行口的发送和接收都是以特殊功能寄存器SBUF的名义进行读写的。当向SBUF发“写”命令时（执行“MOVSBUF，A”指令），即是向发送缓冲器SBUF装载并开始由TXD引脚向外发送一帧数据，发送完便使发送中断标志位TI=1。在满足串行口接收中断标志位RJ（SCON.0）=0的条件下，置允许接收位REN（SCON.4）=1就会接收一帧数据进入位移寄存器，并装载到接收SBUF中，同时使RI=1.当发读SBUF命令时（执行“MOVA，SBUF”指令），便由接收缓冲器（SBUF）取出信息通过89C51内部总线送CPU。对于发送缓冲器，因为发送时CPU是主动的，不会产生重叠错误，一般不需要用双缓冲器结构来保持最大的传送速率[2]。复位电路在单片机使用过程中是非常重要的，为了可以完成单片机的初始化以及在死机的状态下重启单片机，我们使用的是12MH晶振。3.2电源设计电源设计：（1）运算放大器一般使用+15V的直流电压源；（2）数字集成电路器件一般使用+5V直流电压源；（3）直流电动机采用+12V直流电压源。因此，以上均采用+24V直流蓄电池作为电压源，通过集成稳压器得到相应电压电源。78XX进行变换得到的直流电压源抗干扰性强的特点。采用78系列集成稳压器进行电压变换的基本电路如图3.2所示：图3.2电压转换基本电路图其中+15V电压源通过7815稳压器得到；+12V电压源通过7812稳压器得到；+5V电压源通过7805稳压器得到。使用该变换电路应注意下面的三个方面：（1）通过在输入端添加一个0.33µF的电容Cin，防止产生自振激荡。（2）通过在输出端要接一个1µF以上的电容Cout，防止因为负载电流变化时引起Uout有较大波动。（3）输入和输出间的电压差值应大于2V，从而保证才输出电压的稳定。但是不能过大，否则会导致稳压器功耗增大造成产热过多，一般取3V～5V，并且要添加散热片。3.3红外传感器电路设计3.3.1供电电路设计自动导航小车采用红外传感器：红外接近开关TXO5D。它的基本参数为：工作电压：5～12V，极限电压：15V；工作电流：5～20mA，极限电流：30mA；检测距离：0～120cm，检测距离与工作电压有关，电压越大，检测距离越远[9]。通过调节工作电压，来调整传感器检测距离。设计电路图如图3.3所示：图3.3供电电路图中的CW117/217/317系列为三端可调正输出电压集成稳压器，它的基本输出电压为1.25V～37V，输出电流可达1.5A。在图中的电路里，采用1.25V的基准电压，图中UO的表达式为：Uo=1.25×（1+R2/R1）+50×10-6×R2（3-1）通过以上的电路设计，传感器在检测到障碍物时输出高电平，没有障碍物时输出低电平。输出高电平的大小与工作电压有关，设计电路图3.4以确保输出高电平的稳定。图3.4电路图当传感器检测到有障碍物时输出为高电平，数值接近VCC，一般取+5V反之输出低电平，数值接近0V。3.3.2传感器网络与单片机接口电路设计TXO5D输出量为开关量，即可为高电平或低电平。由于微处理器I/O口数量限制，虽然可以一次性将8个开关量组成的一个8位数据读入，但是由于微处理器I/O口数量有限，这8个开关量不能单独占有一个8位的I/O口，可以通过采用复用的方式解决这一问题。方法是当需要读取环境信息时占据I/O口，不需要时释放I/O口，即隔离处理开关量。本次采用的方法将开关量锁存，使用的器件是74LS343数字逻辑电路。其电路图如图3.5。图3.5电路图74LS343的工作状况如下表所示：表3-174LS343工作状态DnLE/OEQnHHLHLHLLXLLQ0XXHZ根据上表所示，将引脚LE和/OE分别设为高电平和低电平，设定一定的延时时间后，红外传感器组的当前状态就是输出端的状态。在这个时候，微处理器就可以读取状态数据，或等将LE置为低电平后再读取也可以。读取完毕后，为了释放I/O口，将/OE引脚置为高电平[4]。3.4电机闭环控制电路设计将能实现直流电能转化为机械能的电机称为直流电机（D.C.machine）。直流电机的基本结构有定子和转子，两者之间有一定的空隙。定子由有机座、主磁极、换向磁极、前后端盖和刷架等。其中主磁极是产生直流电机气隙磁场的主要部件，由永磁体或带有直流励磁绕组的叠片铁心构成。直流电机的转子则由电枢、换向器（又称整流子）和转轴等部件构成。其中电枢由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。电枢铁心由硅钢片叠成，在其外圆处均匀分布着齿槽，电枢绕组则嵌置于这些槽中。换向器是一种机械整流部件。由换向片叠成圆筒形后，以金属夹件或塑料成型为一个整体。各换向片间互相绝缘。换向器质量对运行可靠性有很大影响。直流电机具有起动和调速性能好，调速范围广平滑，过载能力较强，受电磁干扰影响小的优点。3.4.1直流电动机的脉冲调压调速原理驱动电动机需要半导体功率器件进行功率放大。在对直流电动机电枢的控制和驱动中，我们采用开关驱动方式对直流电机电枢进行控制和驱动，这是绝大数直流电机的控制方法。开关驱动方式的基本原理是半导体器件工作在开关状态，通过脉冲调制PWM来控制电动机电枢电压，实现调速[5]。原理图如下3.6（a）所示：图3.6原理图电枢两端的电压波形如图（b）所示，分别对应高低电平。3.4.2控制电路PWM发生器因为89C51单片机内部没有脉宽发生器，所以需要另外设计脉宽发生器。为了产生脉宽调制波使用8253计数器。工作方式有两种模式:（1）模式一模式一输出的是脉冲宽度可设定的单拍负脉冲信号。设定好了工作方式和相应参数后，初始输出值为高电平，其计数定时波形如图3.7所示。图3.7计数定时波形（2）模式二模式二可以产生负脉冲信号，并且保持连续，通过脉冲发生器模式。其计数定时波形如图3.8所示。图3.8计数定时波形为了得到一个简单的脉冲调制发生器，将电路如图3.9连接，模式一和模式二分别设置为8253的计数器1和计数器0。图3.9脉冲调制发生器3.4.3速度反馈环节设计在这个环节的设计中，我们选用的是集电极开路输出的E6B2–CWZ6C旋转编码器，其基本参数：分辨率600P/R；最高响应频率100kHz；电气最高响应转速为10000r/min[12]。速度测量电路设计是速度反馈环节的关键，旋转编码器的输出形式图见下图3.10。图3.10旋转编码器输出形式在图中，三极管的发射极通过电阻分压变为0V，导致三极管导通时其自身电流很小，对电路的后续操作非常不利。为了从输出端得到幅度高低明显的电压信号，将输出端连接到接到+5V直流电源上，这一问题就解决了[10]。本系统采用硬件电路直接判断方式解决了电机转向的问题，依靠指示灯的颜色不同标记小车的运动方向。其原理图为3.11，对应其工作波形如图3.12和3.13。图3.11原理图图3.12工作波形图图3.13工作波形图

第四章系统软件设计依照软件的设计的基本流程，现将软件设计按照如下步骤进行操作：（1）分析软件运行环境，明确设计目的及需求；（2）设计出基本轮廓；(3)对软件进行详细设计；（4）针对软件个部分进行编码；（5）测试软件稳定性，并调试。4.1软件设计在分析系统软件运行环境，明确软件设计目的时，对软件的运行环境和需求进行讨论，明确系统软件的总体设计轮廓。系统运行后，软件要进行初始化，若需要对初始参数进行设计，即对运行参数进行设定；如果不用设定现有运行参数，则直接将数据传递到电机控制器。PWM中所需要的技术初值需要在电机控制器接收到数据后计算得出，然后再通过计数器输出PWM来控制直流电机的运行。中央控制器89C51操作红外传感器对周围障碍物信息进行探测，确认障碍物信息后，依照之前设计好的算法做出行动指令，将接下来的动作指令送达给电机控制器，小车随即做出相应动作从而避开障碍物。系统的运行过程中如若发生故障，则设计警报器，提示小车故障[13]。根据以上对系统软件流程与模块的分析，软件结构层次如图所示。图4.1软件结构层次4.2初始化设计初始化设计可以分为两部分：一部分是以负责信息获取及处理的中央微处理器为主，另一部分以电机控制器为主。初始化的基本任务是设定运行参数和波特率。运行参数和波特率分别是指电机最初的运行速度和定时/计数器的计数初值和工作方式。系统初始化后，自动导航小车就能够依照设定好速度行驶起来，并能够自动避障。初始化流程图如图4.2所示。图4.2初始化流程图4.3红外传感器网络信息采集红外传感器网络输出的信息为一组开关量，已由外部硬件转换为一个8位的数据，微处理器读取该数据就可以知道各个红外传感器的输出状态，开辟单一存储单元即可。这里命名74LS373的两种状态，即开通状态：置引脚LE为逻辑高电平，/OE为低电平，此时输出跟随输入状态；关断状态：置引脚LE为逻辑低电平，/OE为低电平，此时输出状态保持，与输入状态无关。其采集流程见图4.3。图4.3采集流程图4.4电机速度控制当中央控制器向电机控制器送达行动指令后，计数器8253便开始工作，输出PWM信号，其频率是一定的，电机便运转起来驱动导航小车行驶。在小车运行过程中，控制器以一定的时间间隔对小车的运行速度进行测量。如果与设定的规定速度有差别，求得速度偏差，通过改变PWM的输出状态，调整小车的行驶速度。流程图如图4.4所示。图4.4流程图

第五章结束语本文通过对自动导航小车避障的研究设计，成功提出了一种简单小车避障系统的设计方法，该设计方法采用89C51单片机作为避障系统的中央控制器，直流电机作为执行元件，红外传感器作为障碍物检测元件，实现了导航小车躲避障碍物。自动导航小车的避障系统是一个比较基本的机器人移动系统，很多高端智能机器人的自动导航行驶系统都是依此而设计的，我们还可以再次基础上对小车增加更多的功能。例如增加语音识别功能，让小车能够按照人们的声音指令进行行驶。再比如让其可以探测或寻找特定的信号源，例如声源，热源，磁场等，这样就可以使其进入人类不能涉入的恶劣环境完成探险或搜救任务。本系统仍有不足有待提高：（1）环境信息采集不完全。由于受传感器限制，自动导航小车对障碍物的探测以