集合幾篇智能車文獻綜述(有51單片機的-飛思卡爾的).doc

信息與控制工程學院畢業(yè)設(shè)計（論文）文獻綜述CQWU/JL/JWB/ZY012-13重慶文理學院本科生文獻綜述情況表畢業(yè)論文（設(shè)計）題目基于MCS-51單片機智能小車控制器設(shè)計與實現(xiàn)學 生 姓 名何建英學 號2002468006系（院）、專業(yè)物理與信息工程系電子信息科學與技術(shù)專業(yè)年 級2002級研究方向單片機控制指導(dǎo)教師曾祥倫參考文獻情況國內(nèi) 15 篇，國外 1 篇，共計 16 篇收集參考文獻時間2006年01月 至2006年03月列出收集的參考文獻(閱讀量不少于15篇且至少含1篇外文文獻)1 曹明揚，單片機發(fā)展動向及市場預(yù)測M，計算機世界,1996No12 吳炳勝，王桂梅等編著, 80C51單片機原理與應(yīng)用M，冶金工業(yè)出版社,20013 陳光東，趙性初,單片微型計算機原理與接口技術(shù)M,武漢：華中理工大學出版社,19934 何立民，單片機技術(shù)的現(xiàn)狀與未來J，中國計算機報，1995No305 王新賢，實用計算機控制技術(shù)手冊M，濟南：山東科學技術(shù)出版社，1994：6917526 余永權(quán)，江明慧，黃英.單片機在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用M，北京：電子工業(yè)出版社,2003.107 靳桅，潘育山， 鄔芝權(quán).單片機原理及應(yīng)用C51編程技術(shù)M，西南交通大學出版社, 2004. 38 陳汝全，電子技術(shù)常用器件應(yīng)用手冊第二版M，北京：機械工業(yè)出版社,2000.109 楊建寧，單片機對步進電機升降速控制M，中小型電機, 199710 雷海波，用微機和單片機控制步進電機的走動M，微計算機信息, 2000.11 魏慶福，全新的工控機標準化平臺Compact PCIJ，計算機世界，1999No712 吉雷，Protel 99從入門到精通,西安電子科技大學出版社J， 2000，1013 高鵬年、安濤、寇懷成，電路設(shè)計與制版M,人民郵電出版社，200014 韓飛鵬，單片機的開發(fā)方式M，中國計算機報，1995No3015 尹勇、王洪成，單片機開發(fā)環(huán)境uVision2使用指南及USB固件編程與調(diào)試M，北京：北京航空航天大學出版社,200416 M. J Potasek andGP. Agrawal,Single-Chip microcomputer data / Prepared by Technical Information Center. IEEE J.Quantum Electron, 1995, Vol. 3l, No. I, 183-189文獻綜述內(nèi)容：1 引言隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，單片機已經(jīng)在各個領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。單片機由于體積小，功耗低兩個基本特征，在通訊，家電，工業(yè)控制，儀器儀表，汽車等產(chǎn)品中都可以看到單片機的身影。單片機技術(shù)也隨著集成電路技術(shù)的進步在近幾年飛速的發(fā)展，這種發(fā)展可以分為兩方面1：一方面在硬件上單片機內(nèi)部集成了越來越多的功能部件，如A/D，D/A，PWM，WATCHDOG，LCD驅(qū)動，串行口，大容量FLASH存儲器等；另一方面在開發(fā)手段上從匯編語言向高級C語言過度，計算機仿真調(diào)試，IAP，ISP技術(shù)的應(yīng)用使單片機開發(fā)周期大大的縮短，為各類產(chǎn)品更新，軟件的升級提供了可靠的技術(shù)保障。在設(shè)計單片機應(yīng)用系統(tǒng)時，由于歷史的原因，目前在國內(nèi)仍然以8051系列單片機為主。作為電子專業(yè)的學生，非常有必要通過對實際產(chǎn)品的設(shè)計和制作，了解現(xiàn)代IT產(chǎn)品的開發(fā)全流程。全面提高機，電，光，算知識的綜合應(yīng)用能力，掌握從系統(tǒng)級，電路級，到芯片級各個層次的設(shè)計和實現(xiàn)手段。基于上述原因，我選擇此設(shè)計課題，在此設(shè)計過程中，將會用到多門學科的理論知識，復(fù)習和鞏固了以前所學的知識，更重要的是培養(yǎng)了發(fā)現(xiàn)問題，分析問題，解決問題的能力，還有鍛煉了動手能力，是一次很好的實踐，對以后的學習和工作也會有所幫助。2 理論基礎(chǔ)2.1 理論的提出科技的進步帶動了產(chǎn)品的智能化，單片機的應(yīng)用更是加快了發(fā)展的步伐，它的應(yīng)用范圍日益廣泛，已遠遠超出了計算機科學的領(lǐng)域。小到玩具、信用卡，大到航天器、機器人，從實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、過程控制、模糊控制等智能系統(tǒng)到人類的日常生活，到處都離不開單片機,此設(shè)計正是單片機的一個典型應(yīng)用。此設(shè)計通過實現(xiàn)了小車的無人駕駛，通過對路面的檢測，由單片機來判斷控制其小車的反應(yīng)情況，使其變得智能化，實現(xiàn)自動的前進，轉(zhuǎn)彎，停止功能.此系統(tǒng)還不斷的完善后可以應(yīng)用到道路檢測，安全巡邏中，能滿足社會的需要。在設(shè)計上，使用兩個傳感器來檢測路面的情況，傳感器的信號比較微弱，采用一個放大器進行比較放大，并將其信號輸入到控制器，在受控制端使用步進電機，因為步進電機是用電脈沖進行控制的，只要從控制器輸出滿足步進電機工作的固定控制字即可。此外步進電機的運作還要一個驅(qū)動電路，故電路中還要加入一個驅(qū)動電路。各個功能模塊對電源電流的要求不同，對電源部分設(shè)置轉(zhuǎn)換電路，從而滿足各個部分的需要。經(jīng)過元件的比較選擇，設(shè)計出電路原理圖和電路板，并做好硬件的調(diào)試。系統(tǒng)往往是軟件和硬件兩者相結(jié)合的有機整體。軟件上，使用51單片機的定時器中斷來控制路面檢測間隔和小車的運動及速度。由于電路比較簡單，就采用較為傳統(tǒng)的匯編語言進行程序設(shè)計。對于程序設(shè)計的正確性，用較常用的keil c51仿真軟件進行仿真驗證。最后便是軟硬件的綜合調(diào)試，證明本設(shè)計方案的正確性和可行性。2.2 硬件設(shè)計2.3 軟件設(shè)計3 調(diào)試3.1 硬件調(diào)試3.2 軟件調(diào)試4 結(jié)論本論文基于MCS-51單片機而開發(fā)的智能小車系統(tǒng)，從總體的理論構(gòu)思到，到具體的軟硬件的設(shè)計，元件的采購，PCB板的制作，整機的焊裝，系統(tǒng)的調(diào)試，最終實現(xiàn)了小車的基本功能，即在傳感器的感應(yīng)下，實現(xiàn)了小車的前進，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)，停止的功能，實現(xiàn)了無人駕駛的智能化。該系統(tǒng)還存在不完善之處，它只是實現(xiàn)了一些基本功能，其開發(fā)潛力還很大，比如語音功能，測速，計時，計費，蔽障等功能。這有待以后的繼續(xù)開發(fā)。指導(dǎo)教師對文獻綜述的評價：指導(dǎo)教師簽名2006年03月25日 成績： 西安建筑科技大學畢業(yè)設(shè)計 (論文)文獻綜述院 （系）： 專業(yè)班級： 自動化0701 畢 業(yè) 設(shè) 計論 文 方 向 ： 綜述題目： 智能小車設(shè)計 學生姓名： 學 號： 指導(dǎo)教師： 2011 年 3 月 日智能小車設(shè)計摘要：智能車技術(shù)以汽車電子為背景，涵蓋了控制、模式識別、傳感、電子、電氣、計算機和機械等多個學科，這對進一步提高學生的綜合素質(zhì)，培養(yǎng)創(chuàng)新意識，培養(yǎng)學生從事科學、技術(shù)研究能力有著重要意義。智能小車系統(tǒng)以飛思卡爾16位單片機作為系統(tǒng)處理器，采用基于光電傳感器的信號采樣模塊獲取賽道黑線信息，通過算法控制策略和PWM控制技術(shù)對智能小車的轉(zhuǎn)向和速度進行控制。使小車能夠自主識別黑色引導(dǎo)線并根據(jù)黑色引導(dǎo)線實現(xiàn)快速穩(wěn)定的尋線行駛。系統(tǒng)介紹了硬件和軟件兩個方面。在硬件方面，設(shè)計了具有電源管理、路徑識別、車速檢測、舵機控制和直流驅(qū)動電機控制的相關(guān)電路；在軟件方面，根據(jù)PID控制或模糊控制并使用CodeWarrior軟件編程和BDM調(diào)試實現(xiàn)小車行駛控制。關(guān)鍵詞：智能車；單片機；光電傳感器；路徑識別；1. 前言飛思卡爾智能車具體包括一種基于光電傳感器的智能尋跡小車的設(shè)計和實現(xiàn)。智能小車硬件系統(tǒng)由XS12微控制器、電源管理模塊、路徑識別電路、車速檢測模塊、舵機控制單元和直流驅(qū)動電機控制單元組成。本系統(tǒng)以飛思卡爾16位微處理器MC9S12XS128為控制核心，并采用CodeWarrior軟件編程和BDM作為調(diào)試工具。運用紅外發(fā)射接收原理進行道路信息采集，經(jīng)單片機AD轉(zhuǎn)換后通過相關(guān)算法及控制策略和PWM控制技術(shù)對智能小車的轉(zhuǎn)向和速度進行控制，使小車能夠自主識別黑色引導(dǎo)線并根據(jù)黑色引導(dǎo)線實現(xiàn)快速穩(wěn)定的尋線行駛。2.小車機械結(jié)構(gòu)調(diào)整與優(yōu)化車身機構(gòu)調(diào)整包括：底盤調(diào)整、前輪的調(diào)整、后輪距及后輪差速的調(diào)整、齒輪傳動機構(gòu)調(diào)整。3.硬件設(shè)計方案3.1電源模塊設(shè)計由于電路中的不同電路模塊所需要的工作電壓和電流容量不相同，因此電源模塊應(yīng)該包含多個穩(wěn)壓電路，將充電電池電壓轉(zhuǎn)換成各個模塊所需要的電壓。常用的電源有串聯(lián)型線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)型穩(wěn)壓電源兩大類。前者具有紋波小、電路結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點，但是效率較低，功耗大；后者功耗小，效率高，但電路卻比較復(fù)雜，電路的紋波大。對于單片機，需提供穩(wěn)定的5V電源，故選用線性度好的串聯(lián)型穩(wěn)壓芯片對其單獨進行供電；而其它模塊如控制系統(tǒng)和執(zhí)行部分則需要通過較大的電流，利用轉(zhuǎn)換效率高、帶載能力大的開關(guān)型穩(wěn)壓芯片對其供電，可以有效地防止各器件之間發(fā)生干擾以及電流不足的問題，使得系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地工作。 3.2 XS12單片機最小系統(tǒng)設(shè)計3.3電機驅(qū)動模塊設(shè)計小車直流驅(qū)動電機控制直接影響到小車的速度控制。直流電機的驅(qū)動控制效果影響直線路段速度及入彎速度。根據(jù)賽道的不同路段，可采用不同的速度控制策略，主要包括：直線段加速行駛、高速穩(wěn)定行駛，入彎制動減速行駛、彎道低速行駛，S彎間斷制動行駛。直流驅(qū)動電機的控制由單片機的PWM信號完成。小車的速度控制算法可采用PID或模糊控制算法，均能滿足小車系統(tǒng)的控制要求。 通過電機驅(qū)動模塊，控制驅(qū)動電機兩端電壓可以使小車加速或制動。常用電機驅(qū)動有以下三類：3.3.1集成方案：33886驅(qū)動采用飛思卡爾公司的直流電機驅(qū)動芯片MC33886。其驅(qū)動能力強，有過流保護功能，狀態(tài)監(jiān)測功能，通過pwm調(diào)節(jié)可實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。1.單獨使用一片33886 優(yōu)點：應(yīng)用電路簡單，實現(xiàn)方便。缺點：芯片驅(qū)動電流小，內(nèi)阻大，可能存在發(fā)熱嚴重的問題，不好加散熱片。2.采用兩片或者四片MC33886并聯(lián) 優(yōu)點：可以增大驅(qū)動能力，減少單片機發(fā)熱量。缺點：存在均流不佳的問題，有礙提高整個裝置的輸出，甚至造成器件和裝置的損害。3.3.2 組合方案：33886 + 場效應(yīng)管驅(qū)動采用MC33886或其他驅(qū)動芯片與場效應(yīng)管設(shè)計驅(qū)動。優(yōu)點：驅(qū)動電流理論上能達到74A，解決了33886的散熱問題， 充分發(fā)揮33886的性能，場效應(yīng)管也不用加散熱片，使小車發(fā)揮更好的加速性能。缺點：電路復(fù)雜。3.3.3 分立元件方案：H橋驅(qū)動采用大功率場效應(yīng)MOS管自行搭建H橋電路對電機進行驅(qū)動。優(yōu)點：內(nèi)阻極小、開關(guān)速度快、加散熱片很方便，可發(fā)揮電機極限速度。缺點：電路連接和邏輯控制較為復(fù)雜，設(shè)計難度大。3.4舵機控制單元小車舵機扭力大，穩(wěn)定性好，控制角度精確，但是響應(yīng)靈敏度較差，存在嚴重的機械滯后。因舵機的工作電流變化大、干擾較大，舵機可采用單獨供電方式，并在電源正極和舵機之間串聯(lián)二極管，防止舵機影響電源電壓。這有效地減小了舵機的機械滯后，使小車的穩(wěn)定快速行駛。舵機的控制可使用開環(huán)控制方式。3.4.1舵機安裝舵機轉(zhuǎn)向在整個控制系統(tǒng)環(huán)節(jié)中延遲較大，可通過改變舵機的安裝位置減小時間常數(shù)。增大力臂長度，可提高線速度。舵機的安裝方式可分為臥式和立式。立式的優(yōu)點是：1.改變了舵機的力臂，使轉(zhuǎn)向更靈敏2.舵機安裝在了正中央，使左右轉(zhuǎn)向基本一致 3.重心更靠后，減輕了舵機負載。3.5路徑識別傳感器模塊3.5.1 光電傳感器原理光電傳感器檢測路面信息的原理是由于紅外線在黑色和白色上反射系數(shù)不同，區(qū)分黑白路面。3.5.2 光電傳感器選擇1.紅外考慮智能小車的前瞻距離，可選擇發(fā)射功率大、探測距離遠、接收靈敏度高的光電傳感器。獨立的紅外發(fā)射與接收管：一體化的選擇發(fā)射/接收管：2.激光發(fā)射/接收獨立激光傳感器發(fā)射/接收一體激光傳感器3.5.3傳感器安裝獨立傳感器與一體傳感器安裝有所不同。3.6速度檢測模塊為了使車在跑的過程中能快速加速，及時減速不僅要有好的控制算法，還要有可靠和精確的速度脈沖值。小車的實際速度與程序所給的值有所區(qū)別，采用測速模塊來檢測車速，進行閉環(huán)控制。測速模塊有光電碼盤和光電編碼器。兩者各有優(yōu)缺點。光電碼盤 優(yōu)點：成本低重量輕，為非接觸式測量 缺點：測量精度較低，高速時精度明顯下降。光電編碼器 優(yōu)點：輸出方波信號，反饋的信號波形不失真，精度較高，可提高測量的精度和穩(wěn)定性。缺點：成本較高，電路較為復(fù)雜，需要增加外圍電路3.6.1 編碼器的固定依據(jù)小車實際情況安裝，使用萬能膠或螺絲固定。3.7串行通訊接口電路3.8現(xiàn)場調(diào)試模塊根據(jù)賽道情況各不相同：彎道、直道數(shù)量個不相等。設(shè)計人機接口電路可在不改變程序的前提下進行參數(shù)的調(diào)試并監(jiān)控小車的各項參數(shù)，同時提高小車對賽道的適應(yīng)性。調(diào)試的方式界面可有數(shù)字按鍵，撥盤開關(guān)等，分別進行參數(shù)選擇和速度控制。4 軟件設(shè)計方案4.1驅(qū)動層軟件設(shè)計4.1.1系統(tǒng)時鐘設(shè)計使用單片機內(nèi)部的鎖相環(huán)電路將外部的16MHz時鐘倍頻可以提高運算速度和系統(tǒng)響應(yīng)速度。4.1.2主電機和舵機驅(qū)動考慮舵機對PWM信號的要求較高，為了提高精度，可將單片機的8路8位的PWM輸出調(diào)整為4路16位的PWM輸出。在實際控制時，小車前輪的實際轉(zhuǎn)角與舵機轉(zhuǎn)角有偏差，需稍作補償。4.1.3 速度檢測的計數(shù)和處理速度檢測電路的輸出是頻率變化的矩形波。要測量小車的速度，主要方法有兩種：測周法和測頻法。測頻方案 缺點：對速度測量周期較長。中斷周期直接影響算法對實時速度變化的響應(yīng)，對加速和減速極為不利。測周期方案 優(yōu)點：響應(yīng)速度高；測周的響應(yīng)周期由電機的轉(zhuǎn)速決定4.1.4賽道檢測的數(shù)據(jù)采集和處理紅外或激光傳感器采集賽道的模擬電壓，如果檢測到黑線，該路的傳感器模擬電壓應(yīng)偏高。將其送到A/D的輸入端，采集輸入的電壓。A/D轉(zhuǎn)換器用軟件將其設(shè)為10位轉(zhuǎn)換，每個序列8個通道，從通道0開始進行連續(xù)轉(zhuǎn)換。4.2決策層軟件設(shè)計4.2.1尋跡算法4.2.2轉(zhuǎn)向控制策略4.2.3速度控制策略5 智能小車系統(tǒng)調(diào)試5.1開發(fā)調(diào)試工具5.1.1 Freescale Codewarrior5.05.1.2 BDM5.2智能小車硬件的調(diào)試硬件調(diào)試是是保證系統(tǒng)的安全性的重要前提。此調(diào)試可確保小車硬件系統(tǒng)運行良好。 5.2.1舵機的調(diào)試調(diào)試舵機，首先須看智能小車預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)向中點是否正確，車輪是否在中位。校正車輪偏差使其保持在至中位，查看舵機的尋跡是否正確，轉(zhuǎn)向是否靈活。5.2.2光電傳感器的調(diào)試傳感器的調(diào)試分為機械調(diào)試和電路調(diào)試。檢查光電管是否完好，同時保證傳感器組位于小車的最前端，并與地面保持合適的距離和夾角。電路調(diào)試可使各個傳感器的電壓輸出值均保持在一定值附近。5.2.3直流電機的調(diào)試通過調(diào)試可得到直流電機的最大轉(zhuǎn)速。在軟件控制過程中須保證直流電機的轉(zhuǎn)速不大于此值。5.2.4 測速碼盤的調(diào)試測速碼盤的調(diào)試，主要是測試對車速脈沖的檢測是否可靠并看其在單位時間內(nèi)捕捉的脈沖數(shù)是否能較理想地滿足規(guī)律。5.3智能小車整體的調(diào)試5.3.1實驗賽道環(huán)境及參數(shù)5.3.2智能小車整體調(diào)試與結(jié)果對智能小車在賽道上進行試車調(diào)試，是對小車各方面性能的總體評估和檢驗。主要的調(diào)試內(nèi)容有以下幾個方面： 1.舵機轉(zhuǎn)向控制的調(diào)試 使小車對不同路線都能給出合適的轉(zhuǎn)角，在直道行駛時應(yīng)避免抖舵和振蕩，在彎道行駛時應(yīng)能夠準確、順暢地跟蹤黑線。根據(jù)舵機的轉(zhuǎn)向采用的控制策略，調(diào)整必要的參數(shù)；提高小車的轉(zhuǎn)向性能及整體車速。 2.給定車速的調(diào)試 小車在比賽過程中要經(jīng)過直道、彎道、S彎等各種復(fù)雜賽段，為保證小車行駛穩(wěn)定，需在不同賽段設(shè)置該賽段的上限車速。3.速度控制調(diào)試 小車整體速度的提高應(yīng)該要能使在直道速度更高，但彎道又不可沖出賽道。因此對于車速控制的調(diào)試主要集中在小車直道入彎減速的情況。通過調(diào)試可得到不同參數(shù)值的情況下小車偏移的最大距離以及小車整體運行的時間，以綜合比較小車的快速和穩(wěn)定性參數(shù)。6 總結(jié)通過這幾個周的學習，并在指導(dǎo)老師的幫助下，我對文獻綜述有了較深的體會。文獻綜述是將所收集到的文獻資料歸納、整理、分析比較，主要通過提出問題、分析問題，綜合前人文獻中提出的理論和事實，比較各種學術(shù)的觀點，闡明所提出問題的歷史，現(xiàn)狀以及今后發(fā)展的方向，以及對這些問題的評述。實踐之后我學會了總結(jié)和概括，并能系統(tǒng)地闡述相關(guān)內(nèi)容。用單片機實現(xiàn)小車智能控制，這項看起來不需要多少技術(shù)的工作卻是非常需要耐心和精力。這幾天的文獻綜述對我來說的意義，不僅僅是學習前人的知識，還須將理論知識與實踐相結(jié)合，對不同方案論證并提出自己的觀點和看法。這樣提高了我們的實際動手能力和獨立思考的能力。其中最重要的是團隊合作，相近課題或有相同部分同學可以分工合作，可大大提高了效率。雖然我前期資料準備十分豐富，但拙于總結(jié)，自我感覺論述有些簡單，文獻綜述完成得較倉促。但我得到了很多遠大于此的東西！參考文獻1 邵貝貝，單片機嵌入式應(yīng)用的在線開發(fā)方法M.北京：清華大學出版社，2004.2 卓晴，黃開勝，邵貝貝等 學做智能車挑戰(zhàn)“飛思卡爾”杯M. 北京：北京航空航天出版社，2007.33 王威 HCS12微控制器原理及應(yīng)用. 北京航空航天大學出版社 2007.4 郁有文，常健 傳感器原理及工程應(yīng)用. 西安：電子科技大學出版社，2008.75 梅麗鳳，王艷秋，汪毓鐸 張軍 單片機原理及接口技術(shù), 北京：清華大學出版社 20066 閻石 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)北京：高等教育出版社7 童詩白，華成英模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)M北京：高等教育出版社20008 譚浩強 C語言程序設(shè)計. 北京：清華大學出版社1999.9 老木Freescale CodeWarrior Development Studio for HC08 Version 5.0 Setup快速入門，200610 / 智能車制作論壇11 /飛思卡爾全國大學生智能車競賽論壇12 MC33886 Technical Data, Freescale SemiconductorDB/OL.13 石端偉. 機械動力學M. 北京：中國電力出版社，2007.14 蔡興旺. 汽車概論M. 北京：機械工業(yè)出版社，2005-9.15 劉金琨. 智能控制M. 北京：電子工業(yè)出版社，2005-5.信 息 工 程 學 院畢業(yè)設(shè)計文獻綜述姓名： 張建科 學號： 5011207119 專業(yè)： 計算機科學與技術(shù) 班級： 計科11-1 電子智能小車的設(shè)計與實現(xiàn)- 文獻綜述作者：張建科 指導(dǎo)老師：孟洪斌摘要：本次設(shè)計的智能循跡小車是以單片機89c51為主控制器。運用反射式紅外傳感器來進行路徑檢測和速度監(jiān)測模塊。將檢測數(shù)據(jù)傳回單片機進行處理，同時，用單片機產(chǎn)生PWM波來控制小車的行進速度，并實時控制小車的行進狀態(tài)。另外，在小車上還擴展了LCD作為人機交互界面，以便于實時了解小車個監(jiān)測傳感器的狀態(tài)機小車的實時數(shù)據(jù)，由于本次設(shè)計的是智能自動循跡小車，整個任務(wù)過程無需人工的任何干預(yù)，故而沒有進行鍵盤及遙控等的人工操作設(shè)備。用多路傳感器的實時監(jiān)測和算法的緊密配合來保證小車的順暢完成任務(wù)。關(guān)鍵字：80c51單片機，c/c+/匯編語言編程，電子智能小車，光電檢測器 一、 引言智能車輛是一個運用計算機、傳感、信息、通信、導(dǎo)航、人工智能及自動控制等技術(shù)來實現(xiàn)環(huán)境感知、規(guī)劃決策和自動行駛為一體的高新技術(shù)綜合體。它在軍事、民用和科學研究等方面已獲得了應(yīng)用，對解決道路交通安全提供了一種新的途徑。隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，關(guān)于汽車的研究也就越來越受人關(guān)注。全國電子大賽和省內(nèi)電子大賽幾乎每次都有智能小車這方面的題目，全國各高校也都很重視該題目的研究，許多國家已經(jīng)把電子設(shè)計比賽作為創(chuàng)新教育的戰(zhàn)略性手段。電子設(shè)計涉及到多個學科，機械電子、傳感器技術(shù)、自動控制技術(shù)、人工智能控制、計算機與通信技術(shù)等等，是眾多領(lǐng)域的高科技。電子設(shè)計技術(shù)，它是一個國家高科技實例的一個重要標準，可見其研究意義很大。本次設(shè)計雖然只是一個演示模型，但是具有充分的科學性和實用性。首先我們根據(jù)交通路面的復(fù)雜情況，按照適當?shù)谋壤谱鞒鲆粋€路況模型，包括彎道、直道以及路面上設(shè)置的障礙物等。在彎、直道上，小車沿著預(yù)定軌道自由行使，當小車遇到障礙物時，脈沖調(diào)制的紅外線傳感器將檢測到的信號發(fā)送給單片機，單片機根據(jù)程序發(fā)出相應(yīng)的控制信號控制小車自動避開障礙物，進行倒車、前進、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等動作。二、 主題部分 智能車輛是集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、多等級輔助駕駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)，是智能交通系統(tǒng)的一個重要組成部分。它在軍事、民用、太空開發(fā)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。本次設(shè)計對智能小車的控制系統(tǒng)進行了研究，設(shè)計實現(xiàn)一個基于路徑規(guī)劃處理的智能小車控制系統(tǒng)。2.1 理論的提出科技的進步帶動了產(chǎn)品的智能化，單片機的應(yīng)用更是加快了發(fā)展的步伐，它的應(yīng)用范圍日益廣泛，已經(jīng)遠遠的超出了計算機科學領(lǐng)域。小到玩具、信用卡，大到航天飛機、機器人，從實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、遠程控制、模糊控制等智能系統(tǒng)帶人類的日常生活，到處離不開單片機，此設(shè)計正是單片機的一個典型的應(yīng)用。此設(shè)計通過實現(xiàn)了小車的無人駕駛，通過對路面的檢測，由單片機來判斷控制其小車的反應(yīng)情況，使其變得智能化，實現(xiàn)自動的前進，轉(zhuǎn)彎，停止功能，此系統(tǒng)還不斷的完善后可以應(yīng)用到道路檢測，安全巡邏中，能滿足社會的需求。在設(shè)計上，使用連個傳感器來檢測路面的情況，傳感器的心海比較微弱，采用一個放大器進行比較放大，并將其信號輸入到控制器，在受控制端使用步進電機，因為步進電機是用電脈沖進行控制的，只要從控制器輸出滿足步進電機功過的固定控制字即可。此外步進電機的運作還要一個驅(qū)動電路，故電路中還要加入一個驅(qū)動電路，各個功能模塊對電源電流的要求不同，對電源部分設(shè)置轉(zhuǎn)換電路，從而滿足各個部分的需要。經(jīng)過元件的比較選擇，設(shè)計出電路原理圖和電路板，并做好硬件的調(diào)試，系統(tǒng)往往是軟件和硬件兩者相結(jié)合的有機整體。軟件上，使用51單片機的定時器中斷來控制路面檢測間隔和小車的運動及速度。由于帶那路比較簡單，就采用較為傳統(tǒng)的匯編語言進行程序設(shè)計。對于程序設(shè)計的正確性，用較常用的keil c51仿真軟件進行仿真驗證，最后便是軟硬件的綜合調(diào)試，證明本設(shè)計方案的正確性和可行性。2.2 電子智能小車的設(shè)計要求電動車能夠能夠按照行使路線跑完全程； 電動車能存儲并顯示檢測到的金屬片數(shù)目以及金屬片至起跑線的距離； 要求電動車行使完全程后能夠準確的顯示電動車全程行使時間； 電動車在行使過程中不能與障礙物碰撞；2.3 計算機網(wǎng)絡(luò)教學網(wǎng)站的總體構(gòu)思采用89c51單片機作為小車的控制單元，在小車的前端就八路從外傳感器，作為小車進入車庫過程中黑帶的檢測元件，在小車的后端在接上八路紅外線傳感器作為小車退出車庫時的黑帶檢測元件，采用LJ18A3-8-Z/BX電感式接近開關(guān)作為車庫內(nèi)鐵片的檢測元件，單片機接受到傳感器檢測到的信號后通過相應(yīng)的程序控制小車的前進，后退，轉(zhuǎn)彎，從而使小車的性能指標滿足本次設(shè)計的要求。2.3.1 設(shè)計思路智能小車是智能車輛研究的一個分支。它以車輪作為移動機構(gòu)、能夠?qū)崿F(xiàn)自主行駛，所以我們稱之為智能小車。智能小車具有機器人的基本特征易于編程。它與遙控小車的不同之處在于，后者需要操作員來控制其轉(zhuǎn)向、啟停和進退，比較先進的遙控車還能控制其速度(常見的模型小車都屬于這類遙控車)；而智能小車則可以通過計算機編程來實現(xiàn)其對小車啟停、行駛方向以及速度的控制，無需人工干預(yù)。操作員可以通過修改智能小車的計算機程序或者某些數(shù)據(jù)來改變它的行駛方式。這種可以通過編程來控制、改變小車行駛方式的特性是智能小車的最大特點。智能小車控制系統(tǒng)的研究目的是使得小車行駛具有更高自主性。如果任意給定小車一條無障路徑，通過該系統(tǒng)，小車就可以得到系統(tǒng)對路徑圖形處理后的數(shù)據(jù)(位移與轉(zhuǎn)角)，并能根據(jù)位移和轉(zhuǎn)角信息按照預(yù)定路徑行進。2.3.2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析根據(jù)上述設(shè)計思路，可將智能小車控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為兩層：1、規(guī)劃層上位機控制系統(tǒng)，規(guī)劃層提供的是小車行駛的全局信息，包括路徑處理模塊和通信模塊。它要解決的基本問題有：(1) 使用什么工具處理小車的路徑圖形；(2) 建立小車的運動模型，計算出小車行駛所需的數(shù)據(jù)；(3) 采用什么方式發(fā)送數(shù)據(jù)。2、行為層下位機控制系統(tǒng)，行為層是智能小車控制系統(tǒng)的底層結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對小車行駛的實時控制，它包括通信模塊、電機控制模塊和數(shù)據(jù)采集模塊。它要解決的基本問題有：(1) 接收、處理上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)信息；(2) 設(shè)計步進電機的控制系統(tǒng)；(3) 采集小車的位移和轉(zhuǎn)角信息，定位小車姿態(tài)，分析系統(tǒng)控制誤差；2.3.3 總設(shè)計方案由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得到智能小車控制系統(tǒng)的命令流程：（1）啟動AutoCAD，繪制或選擇一條封閉曲線為小車路徑，拾取小車的起始路徑圖元；（2）對選取的路徑圖形進行處理，使小車轉(zhuǎn)彎處存在的棱角在最小轉(zhuǎn)彎半徑范圍外以圓弧方式過渡；（3）生成新的路徑圖形，模擬小車的運動過程；（4）計算出小車行駛所需要的位移和車輪轉(zhuǎn)角，并將此數(shù)據(jù)發(fā)送給下位機；（5）下位機接收數(shù)據(jù)后，通過軟件編程控制小車車輪的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，使其按照預(yù)定路徑前進。一個完整的控制系統(tǒng)要求系統(tǒng)的各功能模塊聯(lián)系緊密，根據(jù)上述命令流程和它們之間的關(guān)系，可得系統(tǒng)的總設(shè)計方案2.4 計算機網(wǎng)絡(luò)教學網(wǎng)站的主要模塊 設(shè)計主要有以下幾個模塊組成：1、 信息采集模塊：信息采集部分是由光電檢測和運算放大模塊組成，光電檢測有尋跡檢測和測速檢測兩個部分。將檢測到的信號經(jīng)過預(yù)算放大模塊lm324放大整形后送給單片機處理，其核心部分是幾個光電傳感器。2、 控制處理模塊：控制處理模塊是一一片stc89c52單片機為核心，單片機將從采集到的信息進行判斷后，按照預(yù)定的算法處理，把處理的結(jié)果送交電機驅(qū)動和液晶顯示模塊，使之做出相應(yīng)的動作。3、 執(zhí)行模塊：執(zhí)行模塊是由液晶顯示、電機驅(qū)動及電機、蜂鳴器三部分組成。液晶主要是將單片機處理的結(jié)果進行實時顯示，方便及時用戶了解系統(tǒng)當前的狀態(tài)，電機驅(qū)動根據(jù)單片機的指令對兩個電機進行動作，使之能夠根據(jù)需要作出相應(yīng)的加速、減速、轉(zhuǎn)彎、停車等的動作，以達到預(yù)期的目的。蜂鳴器主要是根據(jù)要求在特定的位置作出出響應(yīng)來報告位置。2.5 開發(fā)中的關(guān)鍵問題及解決思路2.5.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計與實現(xiàn)整個硬件系統(tǒng)可分為控制部分模塊、黑線軌跡探測模塊、金屬探測模塊、障礙探測模塊、光源探測模塊、直流電機驅(qū)動模塊、車燈顯示模塊、數(shù)碼顯示模塊等。如圖一。首先小車通過傳感器檢測黑線軌跡進行直線行走，在行走過程中通過金屬傳感器來檢測金屬的數(shù)目以及小車起始點到金屬中點的距離，并且通過數(shù)碼管顯示出來；當小車行駛到直線盡頭時，小車前部分的兩個傳感器會同時檢測到一條黑線，這時，小車便開始進行180度的轉(zhuǎn)彎，在轉(zhuǎn)彎方案的選擇上，我們采用以電機最大角度轉(zhuǎn)彎來驅(qū)使小車進行180度的轉(zhuǎn)彎；當小車轉(zhuǎn)彎完畢后，會檢測到一塊金屬片，這時小車就開始尋找光源，進行直走，當在直走的過程中遇到前方的障礙物時，小車便向后行駛，再通過光敏電阻調(diào)整小車尋找光源的位置，繼續(xù)前進。直到小車撞到光源，小車便完成了全部的行駛過程。主控制模塊數(shù)碼顯示模塊黑線軌跡探測模塊光源探測模塊障礙物探測模塊直流電機驅(qū)動模塊車燈顯示模塊金屬探測模塊電流源圖一、系統(tǒng)框圖2.5.2 系統(tǒng)軟件的設(shè)計軟件編程是循跡小車的靈魂，小車精確地循跡基于合理的編程算法，為了便于調(diào)試結(jié)構(gòu)明朗，小車的軟件編程分為主函數(shù)、檢測循跡函數(shù)和控制函數(shù)。其中，主函數(shù)合理地分配調(diào)用各個模塊函數(shù)，主要負責各模塊間的總體協(xié)調(diào)。循跡檢測函數(shù)負責穩(wěn)定地判定各種信息，將信息值返回，以便主函數(shù)或別的函數(shù)調(diào)用處理?？刂坪瘮?shù)主要負責小車的狀態(tài)控制，根據(jù)傳感器返回的信息準確地判定小車所處的位置，并做出相應(yīng)的響應(yīng)。其中控制函數(shù)中包含了各種算法以實現(xiàn)系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性。由于控制的數(shù)學模型不易建立。所有的函數(shù)算法均是經(jīng)過無數(shù)次的調(diào)試而一步步的寫出來的。在此處也不好給出具體的數(shù)學模型來闡述，函數(shù)的設(shè)計流程如下圖。NO 右程序初始化設(shè)置初值小車前進判斷傳感器向左處理向右處理是否轉(zhuǎn)彎是否有金屬是否走完直線開始轉(zhuǎn)彎前進是否有金屬是否有障礙障礙處理離開障礙找光源尋找光源處返回左計算金屬與起始距離YESNONOYESNONOYES三、 參考文獻1徐國華 主編，移動機器人的發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢J機器人技術(shù)與應(yīng)用，2001(3)2黨宏社 主編，智能車輛系統(tǒng)發(fā)展及其關(guān)鍵技術(shù)概述J公路交通科技，2002(4)3尹念東 主編，智能車輛的研究及前景J上海汽車，2002(2) 4王榮本 主編，世界智能車輛研究概述J公路交通科技，2001(10)5王建農(nóng) 主編自主移動機器人的導(dǎo)航研究R機器人，19976Dickmanns，ED，AZappAuto high speed road vehicle guidanceJcomputer,19877姚 佳 主編，智能小車的蔽障及路徑規(guī)劃D東南大學碩士論文20058徐國華 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本課題的研究意義隨著電子技術(shù)、計算機技術(shù)和制造技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)碼相機、DVD、洗衣機、汽車等消費類產(chǎn)品越來越呈現(xiàn)光機電一體化、智能化、小型化等趨勢。各種智能化小車在市場玩具中也占一個很大的比例。根據(jù)美國玩具協(xié)會的調(diào)查統(tǒng)計，近年來全球玩具銷量增幅與全球平均GDP增幅大致相當。而全球玩具市場的內(nèi)在結(jié)構(gòu)比重卻發(fā)生了重大改變：傳統(tǒng)玩具的市場比重正在逐步縮水，高科技含量的電子玩具則蒸蒸日上。美國玩具市場的高科技電子玩具的年銷售額2004年交2003年增長52%，而傳統(tǒng)玩具的年銷售額僅增長3%。英國玩具零售商協(xié)會選出的2001圣誕節(jié)最受歡迎的十大玩具中，有7款玩具配有電子元件。從這些數(shù)字可以看出，高科技含量的電子互動式玩具已經(jīng)成為玩家行業(yè)發(fā)展的主流。如今知識工程、計算機科學、機電一體化和工業(yè)一體化等許多領(lǐng)域都在討論智能系統(tǒng)，人們要求系統(tǒng)變得越來越智能化。顯然傳統(tǒng)的控制觀念是無法滿足人們的需求，而智能控制與這些傳統(tǒng)的控制有機的結(jié)合起來取長補短，提高整體的優(yōu)勢更好的滿足人們的需求。隨著人工智能技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展，智能控制必將迎來它的發(fā)展新時代。計算機控制與電子技術(shù)融合為電子設(shè)備智能化開辟了廣闊前景。因此，遙控加智能的技術(shù)研究、應(yīng)用都是非常有意義而且有很高市場價值的1。智能小車，也稱輪式機器人，是一種以汽車電子為背景，涵蓋控制、模式識別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計算機、機械等多科學的科技創(chuàng)意性設(shè)計，一般主要路徑識別、速度采集、角度控制及車速控制等模塊組成。一般而言,智能車系統(tǒng)要求小車在白色的場地上,通過控制小車的轉(zhuǎn)向角和車速,使小車能自動地沿著一條任意給定的黑色帶狀引導(dǎo)線行駛。2二本課題的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢在80年代中期，設(shè)計和制造機器人的浪潮已席卷全球，世界上一些著名的公司開始研制移動機器人（此時的移動機器人的主要用作大學實驗室及研究機構(gòu)的實驗平臺），并促進了移動機器人學多種研究方向的出現(xiàn)。90年代以來，以研制高水平的環(huán)境信息傳感器和信息處理技術(shù)、高適應(yīng)性的移動機器人控制技術(shù)和真實環(huán)境下的規(guī)劃技術(shù)為標志，開展了移動機器人的更高層次的研究?，F(xiàn)在機器人的應(yīng)用越來越廣，種類也越來越多，但大體上可分為輪式機器人和足式機器人。智能小車就是輪式機器人中的一種，雖然是最基本的機器人雛形，但其中已包含了大部分功能，綜合國內(nèi)外專家解釋，可普遍認為機器人一般是具有如下功能的機器：（1）動作機構(gòu)具有類似于人或其他生物體某些器官（肢體、感官等）的功能； （2）有通用性，工作種類多樣，動作程序靈活易變；（3）有一定程度的智能，如記憶、感知、推測、決策和學習等； （4）有獨立性，完整的機器人系統(tǒng)在工作時不依賴于人的操縱。隨著人工智能技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展，智能控制必將迎來它的發(fā)展新時代。機器人領(lǐng)域近幾年有如下幾個發(fā)展趨勢：（1）性價比逐步提高，性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修），而單價不斷下降。（2）工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網(wǎng)絡(luò)化。同時，器件集成度提高。從而，大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維護性。（3）傳感器的作用日益重要，除傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，視覺、聲覺、力覺、觸覺等多種傳感器的融合技術(shù)已用來進行環(huán)境建模及決策控制。（4）虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操作機器人。（5）當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室走入實用化階段3。三本課題研究的關(guān)鍵問題及方法（1）主控單元的比較與選擇方案一：采用各類數(shù)字電路來組成小車的控制系統(tǒng)，對外圍避障信號，自動尋跡信號，無線遙控信號，語音控制信號進行處理。本方案電路復(fù)雜，靈活性不高，效率低，不利于小車智能化的擴展，對各路信號處理比較困難。方案二：采用STC89C51單片機來作為整機的控制單元。紅外線探頭采用市面上通用的發(fā)射管與及接收頭，經(jīng)過比較芯片調(diào)制處理后由控制系統(tǒng)接收。路線尋找采用紅外線管對路面信號采集，送到單片機系統(tǒng)處理，同樣包括無線遙控信號和語音控制信號。此系統(tǒng)比較靈活，采用軟件方法來解決復(fù)雜的硬件電路部分，使系統(tǒng)硬件簡潔化，各類功能易于實現(xiàn)，能很好地滿足題目的要求。比較以上兩種方案的優(yōu)缺點，方案二簡潔、靈活、可擴展性好，更能達到題目的設(shè)計要求，因此采用方案二來實現(xiàn)4。（2）避障單元的比較與選擇方案一：采用超聲波避障，超聲波受環(huán)境影響較大，電路復(fù)雜，而且地面對超聲波的反射，會影響系統(tǒng)對障礙物的判斷。方案二：采用紅外線避障，利用單片機來產(chǎn)生38KHz信號對紅外線發(fā)射管進行調(diào)制發(fā)射，發(fā)射出去的紅外線遇到避障物的時候反射回來，紅外線接收管對反射回來信號進行解調(diào)，輸出比較電平。外界對紅外信號的干擾比較小，且易于實現(xiàn)，價格也比較便宜，故采用方案二。紅外線避障方法，利用一管發(fā)射另一管接收，接收管對外界紅外線的接收強弱來判斷障礙物的遠近，由于紅外線受外界可見光的影響較大，因此通過調(diào)制信號產(chǎn)生38KHz