智能循跡避障小車實(shí)踐報(bào)告

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告（嵌入式技術(shù)實(shí)踐一）題 目：*專業(yè)班級(jí)：*學(xué) 號(hào)：20學(xué)生姓名：*指導(dǎo)老師：*2012年 7 月 31 日摘 要 本課題是基于P89C51單片機(jī)的智能小車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，小車完成的主要功能是能夠自主識(shí)別黑色引導(dǎo)線并根據(jù)黑線走向?qū)崿F(xiàn)快速穩(wěn)定的尋線行駛,能夠檢測(cè)周圍的障礙物尋找最佳路以免小車在行駛的過(guò)程中遭到損壞。小車系統(tǒng)以P89C51單片機(jī)為系統(tǒng)控制處理器；采用紅外傳感獲取賽道的信息，利用超聲波測(cè)距模塊判斷障礙物，來(lái)對(duì)小車的方向和速度進(jìn)行控制。此外，對(duì)整個(gè)控制軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)和程序的編制以及程序的調(diào)試，并最終完成軟件和硬件的融合，實(shí)現(xiàn)小車的預(yù)期

2、功能。關(guān)鍵詞：智能循跡避障小車、嵌入式系統(tǒng)。目 錄第一章 緒論1.1課題背景當(dāng)今世界，傳感器技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)正在飛速發(fā)展，機(jī)械、電氣和電子信息已經(jīng)不再明顯分家，自動(dòng)控制在工業(yè)領(lǐng)域中的地位已經(jīng)越來(lái)越重要，“智能”這個(gè)詞也已經(jīng)成為了熱門詞匯?，F(xiàn)在國(guó)外的自動(dòng)控制和傳感器技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了很高的水平，特別是日本，比如日本本田制作的機(jī)器人，其仿人雙足行走已經(jīng)做得十分逼真，而且具有一定的學(xué)習(xí)能力，還據(jù)說(shuō)其智商已達(dá)到6歲兒童的水平。作為機(jī)械行業(yè)的代表產(chǎn)品汽車，其與電子信息產(chǎn)業(yè)的融合速度也顯著提高，呈現(xiàn)出兩個(gè)明顯的特點(diǎn)：一是電子裝置占汽車整車（特別是轎車）的價(jià)值量比例逐步提高，汽車將由以機(jī)械產(chǎn)品為主向高級(jí)的機(jī)電

3、一體化方向發(fā)展，汽車電子產(chǎn)業(yè)也很有可能成為依托整車制造業(yè)和用車提升配置而快速成為新的增長(zhǎng)點(diǎn)；二是汽車開(kāi)始向電子化、多媒體化和智能化方向發(fā)展，使其不僅作為一種代步工具、同時(shí)能具有交通、娛樂(lè)、辦公和通訊等多種功能。為了適應(yīng)嵌入式自動(dòng)化在汽車智能化方向的發(fā)展要求，提出簡(jiǎn)易智能小車的構(gòu)想，目的在于：通過(guò)獨(dú)立設(shè)計(jì)并制作一輛具有簡(jiǎn)單智能化的簡(jiǎn)易小車，從實(shí)踐中深入了解自動(dòng)控制理論，獲得項(xiàng)目整體設(shè)計(jì)的能力，并且掌握多通道多樣化傳感器綜合控制的方法。1.2 智能汽車的發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1 國(guó)內(nèi)發(fā)展情況我國(guó)從上世紀(jì)80年代開(kāi)始著手無(wú)人駕駛智能汽車的研制開(kāi)發(fā)，雖與國(guó)外相比還有一些距離，但目前也取得了階段性成果。國(guó)內(nèi)清

4、華大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、上海交通大學(xué)、西安交通大學(xué)、吉林大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等都有過(guò)無(wú)人駕駛汽車的研究項(xiàng)目。 1992年，國(guó)防科技大學(xué)研制成功了我國(guó)第一輛真正意義上的無(wú)人駕駛汽車。由計(jì)算機(jī)及其配套的檢測(cè)傳感器和液壓控制系統(tǒng)組成的汽車計(jì)算機(jī)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，被安裝在一輛國(guó)產(chǎn)的中型面包車上，使該車既保持了原有的人工駕駛性能，又能夠用計(jì)算機(jī)控制進(jìn)行自動(dòng)駕駛行車。2000年6月，國(guó)防科技大學(xué)研制的第4代無(wú)人駕駛汽車試驗(yàn)成功，最高時(shí)速達(dá)76km，創(chuàng)下國(guó)內(nèi)最高紀(jì)錄。2003年7月，國(guó)防科技大學(xué)和中國(guó)一汽聯(lián)合研發(fā)的紅旗無(wú)人駕駛轎車高速公路試驗(yàn)成功，自主駕駛最高穩(wěn)定時(shí)速13Okm，其總體技術(shù)性能和指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平

5、。1.2.2 國(guó)外的發(fā)展情況從20世紀(jì)70年代，美歐等發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始進(jìn)行無(wú)人駕駛汽車的研究，大致可以分為二個(gè)階段:軍事用途、高速公路環(huán)境和城市環(huán)境。在軍事用途方面，早在80年代初期，美國(guó)國(guó)防部就大規(guī)模資助自主陸地車輛ALV （Autonomous LandVehicle)的研究。 進(jìn)入21世紀(jì)，為促進(jìn)無(wú)人駕駛車輛的研發(fā)，從2004年起，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究項(xiàng)目局(DARPA)開(kāi)始舉辦機(jī)器車挑戰(zhàn)大賽(Grand Challenge)。該大賽對(duì)促進(jìn)智能車輛技術(shù)交流與創(chuàng)新起到很大激勵(lì)作用。 在2005年的第二屆比賽中，主辦方只在賽前2小時(shí)提供一張光盤，上面提供了比賽路線上2935個(gè)“路點(diǎn)”的方位與海拔等

6、詳細(xì)資料。整個(gè)賽道有急轉(zhuǎn)彎、隧道、路口還有山路，比賽要求參賽車輛能夠自主完成全部路程。最終斯坦福大學(xué)的“斯坦利”，獲得了第1名。具有6個(gè)奔騰M處理器的電腦完成“斯坦利”的所有程序的處理。車輛移動(dòng)時(shí)，4個(gè)激光傳感器、一個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)、一組立體攝像頭和一個(gè)單眼視覺(jué)系統(tǒng)感知周圍的環(huán)境。1.2.3 智能車競(jìng)賽現(xiàn)狀“飛思卡爾”智能車競(jìng)賽是由教育部高等學(xué)校自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì)主辦，飛思卡爾半導(dǎo)體公司協(xié)辦的全國(guó)性的比賽。智能車競(jìng)賽所使用的車模是一款帶有差速器的后輪驅(qū)動(dòng)模型賽車，它由大賽組委會(huì)統(tǒng)一提供。比賽要求參賽隊(duì)伍研究并設(shè)計(jì)一款能夠自主辨識(shí)路線并能夠自主行駛的智能車，在專門設(shè)計(jì)的封閉跑道上行駛，跑完整個(gè)

7、賽程用時(shí)越短的參賽隊(duì)伍成績(jī)?cè)胶?。智能車的設(shè)計(jì)要求參賽隊(duì)伍首先對(duì)汽車動(dòng)力學(xué)有一定的研究和了解，從而設(shè)計(jì)合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)。同時(shí)要求參賽隊(duì)伍自行設(shè)計(jì)控制器系統(tǒng)電路、圖像采集模塊電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、電源模塊電路等多個(gè)部分的電路。在硬件平臺(tái)搭建完成后，參賽隊(duì)伍要對(duì)智能車系統(tǒng)的路線辨識(shí)以及控制算法進(jìn)行開(kāi)發(fā)和調(diào)試，為了后期的調(diào)試方便，很多隊(duì)伍還開(kāi)發(fā)了用于調(diào)試的上位機(jī)監(jiān)控程序。智能車大賽以迅猛發(fā)展的汽車電子為背景，涵蓋了控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等多個(gè)學(xué)科交叉的科技創(chuàng)新比賽。隨著賽事的逐年開(kāi)展，不僅使參賽學(xué)生自主創(chuàng)新能力的提高，對(duì)于高校相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的學(xué)術(shù)水平的提升也有一定的幫助。目前，此

8、項(xiàng)賽事己經(jīng)成為各高校展示科研成果和學(xué)生實(shí)踐能力的重要途徑，同時(shí)也為社會(huì)選拔優(yōu)秀的創(chuàng)新人才提供了重要平臺(tái)。 “飛思卡爾”杯智能車競(jìng)賽于2000年在韓國(guó)首次舉辦，我國(guó)于2006年8月舉辦第一屆“飛思卡爾”杯全國(guó)智能車競(jìng)賽，當(dāng)時(shí)吸引了來(lái)自全國(guó)50所高校的112支代表隊(duì)的參與。在2007年的第二屆智能車競(jìng)賽中，來(lái)自全國(guó)26個(gè)省(自治區(qū))、直轄市的130余所院校的242支隊(duì)伍分為5個(gè)賽區(qū)進(jìn)行角逐，比賽場(chǎng)面空前激烈。1.3 實(shí)踐的目的和意義通過(guò)設(shè)計(jì)進(jìn)一步掌握單片機(jī)的應(yīng)用，特別是在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用。進(jìn)一步學(xué)習(xí)單片機(jī)在系統(tǒng)中的控制功能，能夠合理設(shè)計(jì)單片機(jī)的外圍電路，并使之與單片機(jī)構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)。第二章 系統(tǒng)方

9、案設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo) 制作一輛簡(jiǎn)易智能小車，智能車采用紅外傳感器對(duì)賽道進(jìn)行道路檢測(cè)，超聲波測(cè)距模塊采集周圍20cm以內(nèi)的的障礙物信息，單片機(jī)根據(jù)采集到的信號(hào)的不同狀態(tài)判斷小車當(dāng)前狀態(tài)并發(fā)出控制命令，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制電機(jī)的工作狀態(tài)以實(shí)現(xiàn)對(duì)小車姿態(tài)的控制。2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想本設(shè)計(jì)屬于嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)。確定整個(gè)控制系統(tǒng)的總體方案，是進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)最關(guān)鍵、最重要的一步?？傮w方案的好壞，直接或間接影響整個(gè)控制系統(tǒng)的性能和實(shí)施細(xì)則。系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)主要是根據(jù)被控對(duì)象的任務(wù)和功能要求而確定的。2.3 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 根據(jù)設(shè)計(jì)思想可知，智能循跡避障小車是主要是由一個(gè)系統(tǒng)主機(jī)和3個(gè)系統(tǒng)從機(jī)組成。系統(tǒng)主

10、機(jī)就是也就是主控制器，是智能小車的大腦。從機(jī)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，紅外傳感模塊，測(cè)距模塊三部分組成，其中電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊是輸出設(shè)備，紅外傳感模塊和測(cè)距模塊是輸入設(shè)備。 本次設(shè)計(jì)是我們學(xué)習(xí)的實(shí)踐和總結(jié)，所以采用NXP公司的P89C51VB2單片機(jī)芯片，該芯片具有較大的Flash存儲(chǔ)區(qū)，具有兩個(gè)16位定時(shí)器，編程簡(jiǎn)單，功耗低等優(yōu)點(diǎn)。從機(jī)通過(guò)接收模塊接收指令，并按照指令要求驅(qū)動(dòng)形影的外圍設(shè)備。這種結(jié)構(gòu)以主機(jī)作為中心，形成樹(shù)形的管理平臺(tái)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于管理和控制。附系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖（如下）：P89C51VB2最小系統(tǒng)紅外傳感模塊測(cè)距模塊驅(qū)動(dòng)模塊電機(jī)2.4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.4.1 小車設(shè)計(jì) 小車由兩個(gè)主動(dòng)輪、一個(gè)萬(wàn)向

11、輪、底板、控制系統(tǒng)、電路板及外圍設(shè)備等組成，主動(dòng)輪由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，整個(gè)系統(tǒng)由主機(jī)控制。2.4.2 電源模塊設(shè)計(jì)根據(jù)材料我們有選用兩節(jié)3.6V鋰電池串聯(lián)作為輸入電源，由于51單片機(jī)要求輸入電壓為5V，所以采用7805穩(wěn)壓后供電。附電源模塊原理圖（如圖2-1）：電路中的大小電容分別濾去電路中的高頻和低頻雜波，7805能夠把電壓穩(wěn)定在5V為單片機(jī)和紅外傳感模塊供電。2.4.3 驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)模塊使用兩個(gè)繼電器和四個(gè)三極管為主要部件，構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路。可以分別控制兩個(gè)電機(jī)的正傳、反轉(zhuǎn)和停轉(zhuǎn)。附驅(qū)動(dòng)模塊原理圖（如圖2-2）： 電容器達(dá)到 PWM端輸入1即高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通為繼電器電源輸入端供電，反之不供電

12、，DIR端輸入1/0對(duì)應(yīng)繼電器吸合和分離，輸入1時(shí)繼電器電磁鐵吸合，輸入0時(shí)電磁鐵分離。2.4.4 紅外傳感模塊設(shè)計(jì) 紅外傳感模塊主要有四個(gè)紅外對(duì)管，電阻，發(fā)光二極管組成。附紅外傳感模塊原理圖（如圖2-3）：紅外對(duì)管由發(fā)射管和接收三級(jí)管組成，當(dāng)遇到黑線沒(méi)有反射時(shí)接受三極管不到通，相應(yīng)輸出端輸出高電平，其他時(shí)刻接受三極管導(dǎo)通，輸出端被下拉為低電平。2.4.5 測(cè)距模塊設(shè)計(jì)測(cè)距模塊要求更高的精確度和靈敏性，所以我們采用工業(yè)成品US100（附成品圖2-4）。圖2-4US-100超聲波測(cè)距模塊可實(shí)現(xiàn)2cm4.5m的非接觸測(cè)距功能，擁有2.45.5V的寬電壓輸入范圍，靜態(tài)功耗低于2mA，自帶溫度傳感器對(duì)

13、測(cè)距結(jié)果進(jìn)行校正，同時(shí)具有GPIO，串口等多種通信方式，內(nèi)帶看門狗，工作穩(wěn)定可靠。（其他主要參數(shù)見(jiàn)附表）2.5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)2.5.1 編程環(huán)境的介紹本次系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)是在TKStudio V4.5.1平臺(tái)上進(jìn)行開(kāi)發(fā)的。TKStudio集成開(kāi)發(fā)環(huán)境是廣州致遠(yuǎn)電子股份有限公司開(kāi)發(fā)的一個(gè)嵌入式芯片級(jí)、系統(tǒng)級(jí)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，是一款內(nèi)置強(qiáng)大編輯器的多內(nèi)核編譯調(diào)試環(huán)境，支持Keil C51、SDCC、GCC ARM、ADS、IAR ARM、MDK、RVDS、GCC AVR、WindRiver CCORE、CCoreGcc、RemoteGcc等編譯工具鏈，支持8051、ARM7/ARM9/ARM11、Cor

14、texM3/CortexM0、XScale、AVR、CCORE等內(nèi)核調(diào)試，支持Linux bootloader、Linux內(nèi)核、Linux內(nèi)核模塊、Linux應(yīng)用程序等的調(diào)試。可以完成從工程建立和管理，編譯，鏈接，目標(biāo)代碼的生成，到軟件仿真，硬件仿真(掛接TKS系列仿真器的硬件)等完整的開(kāi)發(fā)流程。TKStudio V4.5.1加入了Liunx調(diào)試的支持，包括bootloader調(diào)試、Linux內(nèi)核調(diào)試、Linux內(nèi)核模塊調(diào)試和Linux應(yīng)用程序調(diào)試，直接通過(guò)TKScope系列仿真器進(jìn)行調(diào)試，摒棄了傳統(tǒng)的通過(guò)KDB、KGBD等補(bǔ)丁進(jìn)行調(diào)試的方式，支持從現(xiàn)有的調(diào)試文件直接進(jìn)行調(diào)試，自動(dòng)創(chuàng)建源代碼樹(shù)

15、，編輯、編譯、下載、調(diào)試一體化。其操作界面如圖2-5 TKStudio編程環(huán)境本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，它是一種計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。它既有高級(jí)語(yǔ)言的特點(diǎn)，又具有匯編語(yǔ)言的特點(diǎn)。它可以作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)語(yǔ)言，編寫工作系統(tǒng)應(yīng)用程序，也可以作為應(yīng)用程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，編寫不依賴計(jì)算機(jī)硬件的應(yīng)用程序。因此，它的應(yīng)用范圍廣泛。2.5.2 電機(jī)控制程序設(shè)計(jì)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)比較簡(jiǎn)單，不像步進(jìn)電機(jī)那樣需要給高低電平脈沖，直流電機(jī)只要給高低電平就可以轉(zhuǎn)，只要PWM=1即高電平，電機(jī)就可以轉(zhuǎn)動(dòng)，DIR=0/1則控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。2.5.3 循跡程序設(shè)計(jì)循跡其實(shí)是對(duì)模塊輸出端口高低點(diǎn)評(píng)的讀取，只需要提供四個(gè)IO口既可以實(shí)現(xiàn)所有循

16、跡的讀取。當(dāng)讀到1時(shí)，表示相應(yīng)未知的紅外對(duì)管在黑線上。2.5.4 避障程序設(shè)計(jì) 避障部分主要由舵機(jī)控制和超聲測(cè)距模塊的讀取。每當(dāng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，就啟動(dòng)一次距離的讀取。A舵機(jī)工作原理如下：圖2-6舵機(jī)實(shí)物圖1.舵機(jī)有三根線，一般依次是地，電源（5V左右），信號(hào)（信號(hào)的幅值>=3.3V)。2.其工作原理是：控制信號(hào)由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號(hào)調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準(zhǔn)信號(hào)，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，通過(guò)級(jí)聯(lián)減速齒輪帶動(dòng)電位器旋轉(zhuǎn)

17、，使得電壓差為0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。3.舵機(jī)的控制：舵機(jī)的控制一般需要一個(gè)20ms左右的時(shí)基脈沖，該脈沖的高電平部分一般為0.5ms2.5ms范圍內(nèi)的角度控制脈沖部分。以180度角度伺服為例，那么對(duì)應(yīng)的控制關(guān)系是這樣的：0.5ms-0度；1.0ms-45度；1.5ms-90度；2.0ms-135度；2.5ms-180度；用定時(shí)器定時(shí)周期20ms，改變PWM值就可以改變舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。B測(cè)距原理如下：圖2-7：US-100測(cè)距時(shí)序圖圖2-7表明：只需要在Trig/TX管腳輸入一個(gè)10US以上的高電平，系統(tǒng)便可發(fā)出8個(gè)40KHZ的超聲波脈沖，然后檢測(cè)回波信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)到回波信號(hào)后，模塊還要進(jìn)行溫度值的測(cè)量，然后根據(jù)當(dāng)前溫度對(duì)測(cè)距結(jié)果進(jìn)行校正，將校正后的結(jié)果通過(guò)Echo/RX管腳輸出。第三章 系統(tǒng)的調(diào)試與分析3.1系統(tǒng)硬件調(diào)試 由于本次設(shè)計(jì)的硬件電路均比較簡(jiǎn)單，考慮到原材料和成本的因素，我決定采用萬(wàn)能板焊接，這樣既可以練習(xí)焊接技術(shù)，也達(dá)到了節(jié)約原材料降低成本的目的，可為低碳之選。系統(tǒng)硬件是否符合要求將直接決定著整套系統(tǒng)的正常