《智能小车自动泊车控制设计》8100字（论文）

智能小车自动泊车控制设计摘要随着社会现代化进程的发展，汽车产业也在飞速发展，汽车各项技术也得到了非常明显的提高，其中最明显的就表现在了汽车智能化程度的发展上。汽车智能化技术的重要标志之一就是智能化自动泊车。因为现在城市的发展是非常快的，人们生活水平提高后就渐渐的开始每一个家庭都会有一辆车，停车的环境也开始随着汽车保有量的上升正在发生着复杂的变化，所以汽车安全辅助系统中的智能化自动泊车已经成为人们买车时必不可少的条件之一，智能化自动泊车在很大程度上可以帮助驾驶员减少停车时的操作负担和较少驾驶员的驾驶疲劳感，同时也能够减少泊车事故的发生，可以大大的提高驾驶过程中的安全性。智能化自动泊车如今是越来越受到人们的重视也对社会有着重要的实际意义。本设计的主要研究方向就是研究智能小车自动泊车侧方停车方向的控制设计方法，智能小车自动化侧方位停车是基于超声波传感器来测量小车与障碍物体之间的距离，使用电机驱动来实现电机的正反转以控制小车的前进方向，并通过单片机编程这种方法实现侧方停车。关键词：智能小车；智能化自动泊车；侧方停车；超声波传感器目录TOC\o"1-2"\h\u264第1章绪论 5263411.1研究背景及发展现状 5325931.2研究的目的及意义 5139351.3研究内容 613474第2章系统的设计方案选型 785342.1系统总体设计 7285482.2传感器比较 7106372.3单片机模块的选择 8105992.4显示模块选择 933032.5电机驱动模块选择 912912第3章系统的硬件设计 1197663.1AltiumDesigner6简介 11247713.2单片机最小系统的设计 11265323.3电机驱动电路设计 1317983.4超声波传感器模块 13174673.5液晶显示电路设计 1521564第4章系统软件设计 17164584.1KEIL软件介绍 1738734.2系统软件总体设计 17297084.3系统工作流程 17290964.4侧方停车程序设计 1920905第5章总结 20第1章绪论1.1研究背景及发展现状当今社会的发展劲头是非常迅猛的，无论是科技方面还是经济方面都是在不断地发展与更新。随着人们的生活水平的不断提高，汽车这个新兴起来的行业也在不断地快速发展，汽车智能化安全技术的成熟和汽车价格的逐渐下降，私人汽车的拥有者正在不断急剧增加。渐渐地发展成为了家有一车的现状，能够拥有一辆属于自己的汽车显然已经成为了当今社会人们的人生追求中不可缺少的一环，但是随之而来的泊车问题同时也在困扰着有车人士，停车困难已经成为了各车主们最为头疼的问题。从汽车被发明出来的那一天到现在已经过去了一百多年，汽车的外形和功能也在不断地更新换代，而领导着汽车快速发展的永远都是技术这一方面。就用一些简单的例子来说吧，人们对车子的速度有更大的需求，拥有成熟的技术研发更大一点功率的发动机能够让汽车能跑得更加快；车载安全带它的出现能够在交通事故发生时救下非常多的生命，现在已经研究出了智能型的安全带，在车辆发生碰撞时会自动收紧以保证你不会跟安全气囊相冲撞导致受伤；车载空调的发明可以让你在夏天感受凉爽在冬天感受温暖；车载音响和广播系统的出现让我们也能够在车上听到动听的音乐来让我们的长途驾驶不再无聊和犯困。总的来说就是汽车智能化技术在安全驾驶车辆和改善人们出行方式的方方面面中都起到至关重要的作用。但是停车问题在生活中也是给人们带来了一定的影响，比如说要是车位小一点，你一个不留神就有可能会剐蹭到别人的车子。停车的时候大部分都是自己一个人停，并不是什么时候都是旁边有人指导，就现在来说我国的停车位空间大部分相对来说是比较小的，停车时与旁车的距离不是那么的好把握，要是正好被新手司机或者部分女司机遇上了那么停车的难度系数相对来说就会比较大了。所以为了可以解决这些问题，现在很多的汽车生产商和有涉猎这方面的研究机构都已经把大量的金钱和时间投放到智能自动化泊车这个功能的的开发和研究上。所以，现在一些高档次的汽车在出厂的时候系统上就已经自带有了智能化的自动泊车。自动泊车这个功能渐渐的走入了大众的视野当中，因为解决人们把车停进停车位这个难题，所以得到了人们的认可和广泛的使用中。1.2研究的目的及意义智能化自动泊车就是一种通过检测汽车周围是否有合适的泊车位置然后自动的驶入停车位。说的更明白一点就是车辆的自动泊车系统自动寻找最佳泊车地点，然后控制调整车辆的车速、转弯半径、前后位置移动和停车最佳方位，让车子在系统的控制下可以自动的停入预先选择好的停车位的人工智能化操作。驾驶员手动操作让汽车停入停车位的会有一些难度，难以精准把握角度的问题在自动化泊车这个智能化系统出现后得到了非常大的改善。汽车中自动泊车的高度自动化、车辆停泊的准确性和可靠性在很大程度上减小了驾驶员们泊车的困难程度，让汽车的操纵者能够在停车这个环节中省下一些操作步骤，让操控方向盘的双手提前解放出来，同时也是让车子的泊车停靠变得更加的简单和方便了。汽车的保有量和普及度一路走得越来越高，像是停车场、公路、街道等等这些地方也因为车子变多了都变得越来越来拥挤。现在城市的发展正在快速而稳定的在不断发展中，但是现在城市的规划和发展却还跟不上人们对于生活空间的日益猛增的需求，城市外来人口和汽车保有量的增加让人口和停车位的紧张矛盾日益突出。所以城市里现有的停车位的停车空间和停车距离相对来说是比较小的，所以想要把车子准确无误又安全的停进停车位还是比较有难度的。相对于部分驾驶员来说把车子停进停车位里面仍然不是一件简单容易的事情，如果一不小心发生了失误操作，就很容易引发碰撞和剐蹭事故，一旦这种失误一发生就会浪费时间浪费金钱。因为社会的发展进步和人们的需要，汽车智能化发展是必不可少的一种趋势，特别是汽车智能化自动泊车辅助系统，这个系统的出现是受到了广大车主的喜爱的，因为它自动化的操作让驾驶员轻松就能实现停泊车，节约时间。虽然汽车的智能化发展还需要走很长的一段路，但是值得我们高兴的是，科技的快速进步为我们解决泊车困难这个难题提供了很大的可能性和便利。科技的进步让汽车智能自动化泊车这个系统已经出现在我们的生活中，让我们跟小心翼翼的前进和后退试探和其余繁杂的各种泊车操作说了再见，只需要打开车辆自动泊车的命令，车子就会按照处于安全又准确无误的指令中自动停入停车位，停车从此再也不是一件难事，变得安全便捷。1.3研究内容本文论述的智能小车自动泊车控制设计，主要方向是针对智能小车的自动泊车控制设计，对小车进行自动倒入侧方停车位、测量泊车时小车跟障碍物的安全距离等功能的完善。设计研究的内容有以下几个方面：让小车具有自动倒车与停泊功能，在C语言程序的控制下对泊入车位的角度和行驶速度进行控制，利用超声波的测距原理检测小车与障碍物的距离，并通过显示屏呈现出来。第2章系统的设计方案选型2.1系统总体设计本设计是选择使用最小单片机应用系统来用作系统的控制核心，小车侧方停车时转向的这个动作是用电机驱动模块来控制电机驱动的，当小车遇到了障碍物，那么他们之间的距离就是通过超声波测距模块来检测和测量，最后测量出来的的数据会在液晶显示屏上显示出来，最终模拟实现智能小车的自动泊车功能，本设计主要是让智能小车可以实现自动侧方停车。系统主要有单片机控制模块、电机驱动模块、超声波测距避障模块和显示模块这几部分组成。图2.1系统总体框图2.2传感器比较2.2.1红外线传感器传感器在进行测量距离的工作时是采用了红外线不会扩散的原理来进行反射传播。因为红外线发射出去在经过其它物质的时候只会产生出很小的折射率,所以在需要测量大距离的工作大部分都会先考虑到采用红外线传感器,红外线发射传播出去再到反射返回传感器是需要一定时间的,当发射波从传感器发出碰到被检测物再被反射回到传感器被接收到,再根据红外线在空气中传播速度和传播出去再回来的时间就可以算出传感器到被测物体之间的距离。其拥有明显有效的热效应，在云雾之中的穿透能力也比较强。同时角度分辨率高但是距离分辨率低也是红外传感器的一个大缺点，所以它的波长和大小就不是能很准确的分辨出来。人类单凭肉眼是无法感知到红外线，它的隐蔽性是非常强的。在晚上依旧可以不影响测距仪的工作，但是容易让红外线传感器受到影响的是光源跟热源这两种物质。2.2.2超声波传感器我们平时能够听到的声音都可以成为声波，但其实在我们听不到的领域里也有一种声波叫做超声波，它是所有声波中的一部分。我们人的耳朵是不能够听见它的，因为它的频率高于20kHz。但是它跟声波是一样的，一样都是由材料共振而产生的，而且它只能处于介质之中传播。反射、折射等这些都是超声波跟普通声波一样共同拥有的特点。超声波的波长比较短，波长越短它的衍射特性就越差，因为波长较短的话会拥有非常强的直线传播能力，所以超声波拥有可以在介质中稳定地进行直线传播的能力。大家都知道，声音能够在空气中进行传播的原理是声波在推动空气中的各种材料粒子振动进行做功，而声波做功快慢会直接影响到声波功率的大小，在相同的条件下声波的频率越高那么表示它的功率就越大。因为超声波的频率高于20kHz，所以功率较高是超声波的一个优点，而且因为超声波的波长相对来说又比较短，所以拥有良好的方向性和穿透能力又是超声波的另一个大的优势。超声波的能量消耗得比较慢，所以超声波可以在介质中传播的很远。同时利用超声波来测量距离的原理又是非常简单的，跟其他的测距方式比起来用超声波来测距既方便又容易上手操作，在测量精度也能满足要求同时距离的计算也比较简单。这些优点让超声波在很多的行业中得到了重点应用特别是在工业领域中，在工业工作现场达不到可以进行人工测量的条件时，就可以选择超声波来代替人工进行测量工作。但是超声波的传播速度受到外界环境变化影响较大，导致传播的速度在不一样的天气条件下会变得不一样，传播速度受到影响可能会引起对远距离的障碍物超声波反射回来的信号反应微弱导致灵敏度下降得很快。所以在这种情况下超声波在短距离测距这方面的优势更大，测量的最佳距离是在4-5米左右，常用于倒车防撞方面。通过以上两种传感器的比较，超声波测距方式在于低速度测距方面更加优秀，所以本设计优先选用超声波传感器。2.3单片机模块的选择2.3.1MSP430系列单片机MSP430单片机采用了精简指令集(RISC)结构，寻址也有丰富的选择方式、内核指令也相对的简洁以及拥有着大量的模拟指令等具有强大的处理能力。在8MHz晶体的驱动下，实现125ns的指令周期。还有就是在功耗方面，430单片机的功耗是非常低的，它之所以能有这么低的功耗，优势就在于把芯片中的电源和电压做降低处理以及在时钟的运作方面做到了灵活把控。但其个人感觉不容易上手，应该不太适合初学者当作入门学习，可以查到的资料也比较少，只能跑官网去查找。2.3.2STC单片机STC单片机是新一代8051单片机的其中一种，具备有低功耗、抗干扰强等的优势，对于传统8051的指令代码它能够完全的完美兼容，但是速度比传统8051单片机要快8~12倍，在单片机内部还集成MAX810专用复位电路。容易上手，拥有大量的学习资料及视频。同时具有宽电压的优点：5.5～3.8V，2.4～3.8V，有空闲模式和掉电模式这两种低功耗设计。上述的两种单片机经过考量，选用STC单片机来对系统进行控制。2.4显示模块选择最常见和使用的输出器就是显示器了，显示器种类很多，不过在单片机系统中最经常用到的还是发光二极管显示器和液晶显示器。用发光二极管组成的显示屏中每一个亮点都是由一个或者两个以上的发光二极管通过电路控制二极管的亮起和熄灭来控制亮点的发光。发光二极管的体积比较大，成像质量一般而且比较适合作为室外大屏幕。液晶显示屏是由光源、液晶光栅和控制芯片这三种东西构成，液晶本身是不发光的。它是由光线液晶光栅的同时通过改变液晶颗粒的滤光方向去改变每一个点的颜色与强度来控制显示图案，而且液晶的图像刷新率高。一般可用作计算机显示器、电视、手机等等对于图像要求高的场合。综上所述，在进行对比，因此选择了液晶显示屏作为我们的显示模块。2.5电机驱动模块选择本设计中所选择用到的电机驱动模块是L298N，模块引脚图如图3-1所示，L298N是一种具有高电压、大电流的电机驱动芯片。它的主要特点有：工作的时候电压高，工作电压最高的时候可以达到46V，还有一个就是工作的时候输出的电流大，瞬间电流最高可以达到3A，持续工作电流为2A，额定功率为25W。芯片包括两个高电压和高电流的h桥全桥驱动器，可以驱动dc电机、步进电机、继电器线圈等感应负载。高电平信号和低电平信号用于控制电机的正向和反向旋转。把单片机的I/O口分别接入电机驱动模块的IN1、IN2、IN3、IN4端口，实现直流减速电机正反转的控制，把芯片的ENA、ENB使能端口接到单片机上就可以通过单片机控制模块以此控制电机的转速。图2.2L298N芯片引脚图第3章系统的硬件设计3.1AltiumDesigner6简介AltiumDesigner6是在二零零六年就已经研究开发并且上式运用的一体化电子开发软件。这个软件非常完美地完善了原理图设计技术、电路模拟、PCB绘制和设计输出，给设计使用者们提供了更加全新的设计解决方案，使他们能够轻松地拥有控制使用设计的能力，设计出来的东西的质量和效率显著提高。同时这款软件继承了两个protel软件的一系列功能和优点，另外两个软件没有具有的高端功能在这个软件中都增加上去而且能够正常使用。但因为集合了这么多优秀的功能，所以这款软件对于计算机系统的要求相对来说要比之前的各种版本要高一点。因为这款软件相对于其他的软件来说比较好上手，所以在本设计中就是优先采用这款软件来进行硬件部分的电路设计和PCB绘制。3.2单片机最小系统的设计3.2.1STC89C52芯片介绍这一次的设计所选用的是STC89C52单片机，STC89C52单片机是一种低功耗、高性能的微型控制器，引脚图如图2.1所示。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但是做了很多的改进使得\t"/item/STC89C52/_blank"芯片拥有了传统的51单片机所不具备的功能。另外STC89C52是可以进行0hz静态逻辑操作。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。在掉电保护模式下RAM中的内容会被保存起来，振荡器会被冻结，单片机会停止所有的工作，一直到下一个中断执行或硬件重新复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。图3.1STC89C52RC引脚图3.2.2复位电路复位电路是保证单片机系统稳定性和可靠性的一部分，它是电容串联电阻组成的。复位电路用于控制开机或复位时CPU的复位的保持状态，而不是在开机或复位完成后立即工作，防止发出错误指令导致操作错误，提高EMC性能。不管是什么单片机，其中都会有复位电路这一块，因为复位电路可以直接影响到单片机的稳定工作。它的基本功能就是在上电和复位的过程当中，等到单片机系统的电源稳定下来，为了保证单片机的工作能够更加可靠，这时候的复位信号还不能立马撤掉，要等上一定的时间之后才可以撤销，这样做目的是防止电源开关或者是电源插头在开关过程当中不慎晃动，影响复位。在进行复位时只要保证电容的充放电时间大于2个机器周期，就可以实现复位，其实电容大一点也没有什么太大关系的，但是如果电容太过于小，高电平的持续时间就会被切断掉，这会使单片机没有办法正常复位。图3.2复位电路3.2.3晶振电路晶振电路是单片机系统能够正常工作的保证，如果系统不可以正常工作的话，那么系统不可以正常工作的原因之一就是振荡器没有起振。它是由两个电容和一个晶振构成的。晶振一般有8MHz，12MHz和25MHz的晶振，它们可以产生一个精度很高的脉冲，本次设计选用的是11.0592MHz的晶振，晶振和电容是不分正负的，但是两个电容相连的那一端一定要接地。电路接线图如图3.2所示。图3.3晶振电路3.3电机驱动电路设计L298N有12个管脚，4个输入4个输出，两个使能管脚，一个电源一个接地的管脚。芯片的4个输入管脚接单片机P2口高四位，输出管脚OUT1、OUT2接电机M1、M3，管脚OUT3、OUT4接电机M2、M4，芯片使能端ENA、ENB接P2口低四位，通过控制IN1、IN2的电流方向实现电机的正转和反转从而实现小车的前进和后退，IN3、IN4也是同样的控制原理，使能端是通过单片机I\O口输出一定的高低电平产生一个PWM方波用以控制电机的转速快慢，实现电机调速，ENA控制电机M1、M3，ENB控制M2、M4，具体电机驱动电路如图3.4所示。图3.4电机驱动电路图3.4超声波传感器模块3.4.1超声波传感器介绍超声波因为它的指向性强、传播距离比较远和能量消耗缓慢等等优点，所以就经常被用在距离的测量这方面。比如说测距仪和物位测量仪这些都是用超声波来实现工作的。现在超声波测距主要使用在倒车雷达和一些其他工业现场等等，就像是井深、液位还有管道长度这些一般都是通过超声波测距来得到数据的，因为超声波检测比较方便而且速度又快，而且计算也简单也可以做到实时控制，测量精度方面也达到了工业上的要求。所以超声波测距在测控方面的研究上广泛应用。原理系统框图如图3.5所示。图3.5原理系统框图3.4.2HC-SR04超声波测距模块HC-SR04超声波测距模块在工作是可以提供跨度很大的测量距离，最小能到2厘米,最大的距离能到4米。测量精度可细致到3mm；模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。超声波时序图如图3.6所示。智能小车在执行倒车命令时超声波模块就会开始工作，超声波测量和物体之间的距离就可以使小车识别出车体跟障碍物之间的距离从而避开障碍物。本设计所选择使用的HC-SR04模块，这个模块只有四个引脚接口，模块可以用I/O口TRIC来触发测距，测距时模块会自动发送方波信号，同时检测有没有信号返回，如果有信号返回，I/O口ECHO就会输出一个高电平。超声波测距就是对传播时间进行检测，通俗来说就是信号发射开始到信号输回到传感器的时间。HC-SR04超声波模块的使用方法很简单，使用定时器计时就可以算出时间，不断地测量就能够测量出当前的距离。单片机可以根据超声波测距模块所检测到的距离信息来实现电机转速和转向的控制，并且在LCD显示模块上进行显示。电路接线图如图3.7所示。图3.6超声波时序图图3.7超声波电路接线图3.5液晶显示电路设计在本次设计中我们所选用的是LCD1602显示屏，LCD1602一共有十六个引脚接口。其中它的VSS引脚口是电源地还有VDD是引脚口是接5V电源正极。RS引脚口的功能是寄存器选择，当它工作时是高电平的时候选择数据寄存器，是低电平的时候选择指令寄存器。RW引脚口的主要工作就是读写信号线，工作时是高电平的时候就会进行“读”操作指令，工作是低电平的时候就会进行“写”这个操作指令。如果是RS和RW同时都是低电平的时候可以写入指令或者是显示地址；而当RW是低电平的同时RS是高电平的话这是就可以写入数据，当RS和RW的电平信号反过来的时候就可以读忙信号。E（也可以是EN）引脚端就是这个模块的使能端，当使能端的使能信号从高电平转变成为低电平的时候，液晶模块就会开始执行命令。LCD1602电路接线图如图3.8所示。图3.8LCD1602电路接线图第4章系统软件设计4.1KEIL软件介绍KeilC51是可以进行C语言编程开发的一个软件，它跟汇编语言比起来，C语言的优势分别体现在了功能、可读性、结构性和可维护性这几个方面上，比较容易上手，没有什么太大的难度。而且KeilC51软件可以生成效率非常高的目标代码，，大部分语句生成的代码即紧凑又容易理解，特别是在开发大型的软件的时候，高级语言的优势就体现得更加淋漓尽致。经过思考所以本次设计决定运用它来编写需要用到的程序。图4.1KEIL软件工作图4.2系统软件总体设计智能小车光有硬件部分是不能够进行工作的，还必须要有软件部分相配合才可以顺利工作。本设计是以STC89C52单片机为核心控制，利用STC89C52单片机产生出不同的PWM波控制小车的走向，同时利用超声波测距模块完成小车对于各种障碍物的测距，最终实现侧方位自动泊车等功能。在软件的程序设计里面要求能够实现小车的独立自主判断的能力，并能够在STC89C52单片机的控制下正常进行工作，在小车感应到障碍物的时候能够自动选择合理的方式避开障碍物，然后继续前进实现侧方位停车。4.3系统工作流程当电源通电之后，单片机将会开始工作首先会把一些数据变量初始化，然后对定时器的工作方式进行定义，打开定时器中断关闭外部中断以及打开总中断。然后超声波传感器也会进行初始化之后便开始信号发射和接收工作，主要是实现小车距离障碍物的测量。超声波信号发出后经过规定时间的延时之后定时器打开外部中断接收反射回来的超声波信号。计数器计数完毕之后主程序检测到接收成功的标志位之后，将超声波来回所用到的时间按照超声波计算公式就可以得到超声波传感器和障碍物之间的距离，之后超声波传感器继续重复测量的整个过程。检测到了小车跟障碍物的距离之后开始调用侧方停车程序，启用电机驱动模块驱动电机通过编写的C语言程序调整小车后车轮的左右转向的切入角度，后退直行一直到调整车身完成侧方位停车。图4.1主流程图4.4侧方停车程序设计启用泊车程序了之后，可以选择左侧方位停车或者是右侧方位停车，由超声波测距避障模块检测到小车跟障碍物的距离，如果距离达到了可以进行侧方停车的条件，就可以正式开始侧方停车入库