智能避障小车课程设计报告

第页共18页课程设计报告设计题目:院系:专业:学生:学号:指导老师:日期：目录第1章引言………….………………...…...3第2章总体方案………………...42.1需求分析……………42.2总体分析……………42.3方案确定……………4第3章硬件方案……………...…………63.1车体设计……………..63.2主控制器模块………..63.3电源模块……………..63.4电机驱动模块………..63.5点机模块……………..83.6壁障模块……………..83.7最终方案……………..8第4章硬件实现及单元电路设计………….……….84.1主控模块……………..84.2电源设计……………..94.3驱动电路……………..10第5章系统软件设计方案………………..…….…….115.1系统主程序流程图…………………..125.2测距子程序流程图………………….14第6章系统的安装及调试…….….156.1安装步骤……………..156.2电路的调试…………...15第7章心得与总结……………….…………….……….16第8章问题补充……………...……...…..16附录一整机电路图……….17附录二实物图…………….17第一章引言随着汽车工业的快速发展，关于汽车的研究也越来越受到人们的关注。智能汽车概念的提出给汽车产业带来机遇也带了挑战。汽车的智能化必将是未来汽车产业发展的趋势，在这样的背景下，我们开展了基于超声波和红外线的智能小车的避障研究。超声波作为智能车避障的一种重要手段，以其避障实现方便，计算简单，易于做到实时控制，测量精度也能达到实用的要求，在未来汽车智能化进程中必将得到广泛应用。我国作为一个世界大国，在高科技领域也必须占据一席之地，未来汽车的智能化是汽车产业发展必然的，在这种情况下研究超声波红外在智能车避障上的应用具有深远意义，这将对我国未来智能汽车的研究在世界高科技领域占据领先地位具有重要作用。针对一种基于超声波和红外传感器的避障小车，通过对整体方案、电路、算法、调试、车辆参数的介绍，详尽地阐述小车通过传感器系统感知外界环境和自身状态,在复杂的环境中自主移动并完成相应的任务。超声波和红外传感器以其独有的特征而被青睐。本文利用超声波传感器对障碍物进行定位从而使机器人顺利到达绕过障碍物的目标。该智能小车系统涉及直流电机控制技术、路径识别、传感技术、电子设计、程序设计等多个学科，磨练我们的知识融合和实践动手能力的培养。摘要:智能作为现代的新发明，是以后的发展方向，他可以按照预先设定的模式在一个环境里自动的运作，不需要人为的管理，可应用于科学勘探用途。本设计中智能小车采用STC89C52单片机作为检测和控制的核心，实现智能小车的智能控制，包括红外避障、超声波避障等功能。驱动电机采用直流减速电机。电机驱动由L298N驱动电路完成。关键词智能小车；单片机；超声波；红外线；避障第二章总体方案基于项目的功能特性以及我们的设计目的，我们选择Cortex-M0作为本课程设计的控制器，它能够很好的实现该课题设计的要求；我们使用L298来驱动直流电机的转动；我们使用三端稳压集成电路7805、7812做成的稳压电源作为电机、H桥的工作电源;我们使用74HC164是串行输入,并行输出的8位移位寄存器做成的键盘显示板结合M0的SPI模块实现了人机对话的功能模块。本章主要简要地介绍系统总体方案的选定和总体设计思路，在后面的章节中将整个系统分为机械结构、控制模块、控制算法等三部分对智能车控制系统进行深入的介绍分析。2.1需求分析设计一种基于超声波和红外避障碍的小车移动平台，借助超声波和红外传感器的使用满足在一定的复杂的环境中自主避障任务,使小车可以走出几个弯道的迷宫。2.2总体设计通过学习和研究相关技术资料了解到，超声波测距模块是系统的关键模块之一，超声波测距方案的好坏，直接关系到最终性能的优劣，因此确定超声波测距模块的方法是决定系统总体方案的关键。避障模块采用超声波传感器的使用检测前面有不可穿越的障碍时,便避过障碍;优点是价格相对便宜，在满足系统的要求下具有较高的精度，能很好判断是否有不可穿越的障碍;红外传感器虽然不能测距,但是当有障碍物时,它能够反映在电平的变化,而且更廉价易得，适合简单的避障。2.3方案确定系统采用STC89C52单片机作为核心控制单元用于智能车系统的控制,小车车头正中间超声波传感器检测前方障碍物，用于判断是否需要转弯，左右两边各有一个红外线避障头，用于检测跑道两边的墙，防止小车碰到墙壁。系统总体的设计方框图如图1所示。红外模块超声波模块STC89C52主控模块7805电源L298电机驱动模块图1系统总体方框图根据系统方案设计，系统包括以下模块：STC89C52主控模块、L298N电机驱动模块、电源模块、超声波测距避障模块、红外避障模块等。各模块的作用如下：STC89C52主控模块，作为整个智能小车的“大脑”，将发送采集超声波等传感器的信号，根据控制算法做出控制决策，驱动直流电机等等完成对智能车的控制。电源模块，为整个系统提供合适而又稳定的电源;电机驱动模块，驱动直流电机完成智能车的加减速控制和转向控制;超声波测距避障模块,负责测距和前方避障功能;红外避障模块,则能够达到避障功能。第三章硬件方案根据总体方案设计，对硬件结构的要求是：简单而高效，在不断的尝试后确定了以下的设计方案:3.1.1车体设计买现成的车模。经过反复考虑论证，我们制定了买左右两轮分别驱动，后万向轮转向的车模方案。即左右轮分别用两个转速和力矩基本完全相同的直流减速电机进行驱动，后装一个万向轮。这样，当两个直流电机转向相反同时转速相同时就可以实现电动车的原地旋转，由此可以轻松的实现小车坐标不变的90度和180度的转弯。3.1.2主控制器模块采用STC89C52单片机作为整个系统的核心，用其控制行进中的小车，以实现其既定的性能指标。充分分析我们的系统，其关键在于实现小车的自动控制，而在这一点上，单片机就显现出来它的优势——控制简单、方便、快捷。这样一来，单片机就可以充分发挥其资源丰富、有较为强大的控制功能及可位寻址操作功能、价格低廉等优点。51单片机具有功能强大的位操作指令，I/O口均可按位寻址，程序空间多达8K，对于本设计也绰绰有余，更可贵的是51单片机价格非常低廉。3.1.3电源模块采用6节1.5V干电池共9V做电源，经过7805的电压变换后为单片机，传感器供电。经过实验验证小车工作时，单片机、传感器的工作电压稳定能够满足系统的要求，而且电池更换方便。3.1.4电机驱动模块采用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。线性型驱动的电路结构和原理简单，加速能力强，采用由达林顿管组成的H型桥式电路（图3）。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下，精确调整电动机转速。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型桥式电路保证了简单的实现转速和方向的控制，电子管的开关速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的PWM调速技术。现市面上有很多此种芯片，我选用了L298N(如图2)，L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它相应频率高，一片L298N驱动芯片，它相应频率高，一片L298N可以分别控制两个直流电机，而且还带有控制使能端。用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。图2L298N图33.1.5电机模块本系统为智能电动车，对于电动车来说，其驱动轮的驱动电机的选择就显得十分重要。所以我采用直流减速电机（图在附录2）。直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便。由于其内部由高速电动机提供原始动力，带动变速（减速）齿轮组，可以产生大扭力。能够较好的满足系统的要求。3.1.6避障模块采用超波模块加红外光电开关（图在附录2）组合在一起避障考虑到本系统需要检测障碍物的距离，避开障碍物，为了使用方便、系统稳定性、便于操作和调试。3.2最终方案经过反复论证，我们最终确定了如下方案：车模用两驱车模采用STC89S52单片机作为主控制器。用6节干电池供电。用超声波模块加红外光电开关进行避障。L298N作为直流电机的驱动芯片。第四章硬件实现及单元电路设计4.1主控制模块主控制最小系统电路如图4所示。图44.2电源设计电源部分的设计主要采用7805芯片，使用7805芯片搭建的电路的优点是简单、实用，并且完全能够满足壁障小车单片机控制系统和L298N芯片的逻辑供电的供电需要。7805芯片有3个引脚，分别为输入IN端、输出OUT端和接地GND端，通常情况下可以提供1.5A的电流，在散热足够的情况下可以提供大于1.5A的电流。7805芯片的输入电压可以为9V、12V、15V不等，输出电压稳定在5V，正负误差不超过0.2V。7805芯片如图5。基于这样的情况再结合电机的工作电压，选取了9V电源作为7805的输入电源，搭建的电源部分电路如图6.图57805芯片图64.3驱动电路电机驱动一般采用H桥式驱动电路，L298N内部集成了H桥式驱动电路，从而可以采用L298N电路来驱动电机。通过单片机给予L298N电路PWM信号来控制小车的速度，起停。其引脚图如7，驱动原理图如图8。图图7L298N引脚图图8电机驱动电路第5章系统软件设计方案该方案的编程思路是先确定主程序，之后根据各硬件电路功能来设计子程序模块，最后再将各模块嵌入主程序中。这样编程结构简单，由于子程序模块与硬件电路一一对应，所以调试起来十分方便。本设计软件方框图如图9示。超超声波避障子程序电机驱动子程序躲避障碍子程序避障功的智能小车主程序红外线避障子程序图95.1系统主程序流程图如图10为系统主程序流程图。开始初始化检测前方有障碍？避开障碍小车前进再次检测转弯YN图105.2测距子程序流程图如图11示为超声波测距子程序流程图开始开始发射超声波脉冲等待反射超声波计算距离单片机处比较避障图11主程序对系统进行初始化之后，超声波测距程序设置定时器T0为16位定时器，开中断允许位EA。之后调用超声波发射子程序送出一个超声波脉冲，为了避免信号直接耦合干扰需要延时0.1ms在开外部中断接收返回的超声波信号（这也就是超声波测距会有一个最小可测距离的原因）。由于系统采用的是12M晶振，计数器每计一个数就是一微秒，当主程序检测到接收成功标志位后，将计数器T0中的数按公式4-1计算d=(c*t)/2=172*T0/10000………公式4-1在室温下测试声速为344m/s，超声波每发射，接收一次所走距离为被测距离L的2倍如图12，L便是被测物体和超声波传感器之间的距离，式中T0为计数器T0中的计数值。图12声波测距原理示意图测出距离后结果将以十进制BCD码方式送往LED显示，与此同时送入累加器A与安全距离进行比较，若判定前方有障碍物则执行避障操作，等待上述过程结束，然后再发射超声波脉冲重复测量过程。本设计中智能小车的回转半径为40cm,设定的安全距离为25cm，由于程序设计小车每次都向右侧避障，所以小车能够完成避障操作的条件是测试环境障碍物的间距大于1m，这样小车才可以正常工作。第六章系统的安装与调试6.1安装步骤1.检查元件的好坏按电路图买好元件后首先检查买回元件的好坏，按各元件的检测方法分别进行检测，一定要仔细认真。而且要认真核对原理图是否一致，在检查好后才可上件、焊件，防止出现错误焊件后不便改正。2.放置、焊接各元件按原理图的位置放置各元件，在放置过程中要先放置、焊接较低的元件，后焊较高的和要求较高的元件。特别是容易损坏的元件要后焊，在焊集成芯片时连续焊接时间不要超过10s，注意芯片的安装方向。6.2电路的调试首先烧入电机控制小程序，控制电机正反转，停止均正常。说明电机及驱动电路无误。然后加入避障子程序，小车运转正常时，调节超声波模块灵敏度使达到理想效果。在调试程序时，发现有的指令用的不正确，导致电路功能不能完全实现，另外软件程序中的延时有的过长、