【正文】 基于51的避障/循跡/重力感應遙控的智能小車設計1 緒論 選題背景隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，關于汽車的研究也就越來越受人關注。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?？梢娖溲芯恳饬x很大。本設計就是在這樣的背景下提出的，指導教師已經(jīng)有充分的準備。本題目是結(jié)合科研項目而確定的設計類課題。設計的智能電動小車應該能夠?qū)崿F(xiàn)適應能力，能自動避障，可以智能規(guī)劃路徑。智能化作為現(xiàn)代社會的新產(chǎn)物，是以后的發(fā)展方向，他可以按照預先設定的模式在一個特定的環(huán)境里自動的運作，無需人為管理，便可以完成預期所要達到的或是更高的目標。同遙控小車不同，遙控小車需要人為控制轉(zhuǎn)向、啟停和進退，比較先進的遙控車還能控制器速度。常見的模型小車，都屬于這類遙控車；智能小車，則可以通過計算機編程來實現(xiàn)其對行駛方向、啟停以及速度的控制，無需人工干預。操作員可以通過修改智能小車的計算機程序來改變它的行駛方向。因此，智能小車具有再編程的特性，是機器人的一種。中國自1978年把“智能模擬”作為國家科學技術發(fā)展規(guī)劃的主要研究課題，開始著力研究智能化。從概念的引進到實驗室研究的實現(xiàn)，再到現(xiàn)在高端領域（航天航空、軍事、勘探等）的應用，這一過程為智能化的全面發(fā)展奠定基石。智能化全面的發(fā)展是實現(xiàn)其對資源的合理充分利用，以盡可能少的投入得到最大的收益，大大提高工業(yè)生產(chǎn)的效率，實現(xiàn)現(xiàn)有工業(yè)生產(chǎn)水平從自動化向智能化升級，實現(xiàn)當今智能化發(fā)展由高端向大眾普及。從先前的模擬電路設計，到數(shù)字電路設計，再到現(xiàn)在的集成芯片的應用，各種能實現(xiàn)同樣功能的元件越來越小為智能化產(chǎn)物的生成奠定了良好的物質(zhì)基礎。智能小車，是一個集環(huán)境感知、規(guī)劃決策，自動行駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)，它集中地運用了計算機、傳感、信息、通信、導航、人工智能及自動控制等技術，是典型的高新技術綜合體。 智能小車研究現(xiàn)狀智能車輛作為智能交通系統(tǒng)的關鍵技術，是許多高新技術綜合集成的載體。智能車輛駕駛是一種通用性術語，指全部或部分完成一項或多項駕駛?cè)蝿盏木C合車輛技術。智能車輛的一個基本特征是在一定道路條件下實現(xiàn)全部或者部分的自動駕駛功能，下面簡單介紹一下國內(nèi)外智能小車研究的發(fā)展情況。 國外智能車輛研究現(xiàn)狀國外智能車輛的研究歷史較長，始于上世紀50年代。它的發(fā)展歷程大體可以分成三個階段：第一階段 20世紀50年代是智能車輛研究的初始階段。1954年美國Barrett Electronics 公司研究開發(fā)了世界上第一臺自主引導車系統(tǒng)AGVS（Automated Guided Vehicle System）。該系統(tǒng)只是一個運行在固定線路上的拖車式運貨平臺，但它卻具有了智能車輛最基本得特征即無人駕駛。早期研制AGVS的目的是為了提高倉庫運輸?shù)淖詣踊剑瑧妙I域僅局限于倉庫內(nèi)的物品運輸。隨著計算機的應用和傳感技術的發(fā)展，智能車輛的研究不斷得到新的發(fā)展。第二階段 從80年代中后期開始，世界主要發(fā)達國家對智能車輛開展了卓有成效的研究。在歐洲，普羅米修斯項目于1986年開始了在這個領域的探索。在美洲，美國于1995年成立了國家自動高速公路系統(tǒng)聯(lián)盟（NAHSC），其目標之一就是研究發(fā)展智能車輛的可能性，并促進智能車輛技術進入實用化。在亞洲，日本于1996年成立了高速公路先進巡航/輔助駕駛研究會，主要目的是研究自動車輛導航的方法，促進日本智能車輛技術的整體進步。進入80年代中期，設計和制造智能車輛的浪潮席卷全世界，一大批世界著名的公司開始研制智能車輛平臺。第三階段 從90年代開始，智能車輛進入了深入、系統(tǒng)、大規(guī)模研究階段。最為突出的是，（Carnegie Mellon University）機器人研究所一共完成了Navlab系列的10臺自主車（Navlab1—Navlab10）的研究，取得了顯著的成就。目前，智能車輛的發(fā)展正處于第三階段。這一階段的研究成果代表了當前國外智能車輛的主要發(fā)展方向。在世界科學界和工業(yè)設計界中，眾多的研究機構(gòu)研發(fā)的智能車輛具有代表性的有：德意志聯(lián)邦大學的研究 1985年，第一輛VaMoRs智能原型車輛在戶外高速公路上以100km/h的速度進行了測試，它使用了機器視覺來保證橫向和縱向的車輛控制。1988年，在都靈的PROMRTHEUS項目第一次委員會會議上，智能車輛維塔（VITA,7t）進行了展示，該車可以自動停車、行進，并可以向后車傳送相關駕駛信息。這兩種車輛都配備了UBM視覺系統(tǒng)。這是一個雙目視覺系統(tǒng)，具有極高的穩(wěn)定性。荷蘭鹿特丹港口的研究 智能車輛的研究主要體現(xiàn)在工廠貨物的運輸。荷蘭的Combi road系統(tǒng)，采用無人駕駛的車輛來往返運輸貨物，它行駛的路面上采用了磁性導航參照物，并利用一個光陣列傳感器去探測障礙。荷蘭南部目前正在討論工業(yè)上利用這種系統(tǒng)的問題，政府正考慮已有的高速公路新建一條專用的車道，采用這種系統(tǒng)將貨物從鹿特丹運往各地。日本大阪大學的研究 大阪大學的Shirai實驗室所研制的智能小車，采用了航位推測系統(tǒng)（Dead Reckoning System），分別利用旋轉(zhuǎn)編碼器和電位計來獲取智能小車的轉(zhuǎn)向角，從而完成了智能小車的定位。另外，斯特拉斯堡實驗中心、英國國防部門的研究、美國卡內(nèi)基梅隆大學、奔馳公司、美國麻省理工學院、韓國理工大學對智能車輛也有較多的研究。 國內(nèi)智能車輛研究現(xiàn)狀相比于國外，我國開展智能車輛技術方面的研究起步較晚，開始于20世紀80年代。而且大多數(shù)研究處在于針對某個單項技術研究的階段。雖然我國在智能車輛技術方面的研究總體上落后于發(fā)達國家，并且存在一定得技術差距，但是我們也取得了一系列的成果，主要有：（1）中國第一汽車集團公司和國防科技大學機電工程與自動化學院與2003年研制成功我國第一輛自主駕駛轎車。該自主駕駛轎車在正常交通情況下的高速公路上，行駛的最高穩(wěn)定速度為13km/h,最高峰值速度達170km/h，并且具有超車功能，其總體技術性能和指標已經(jīng)達到世界先進水平。（2）南京理工大學、北京理工大學、浙江大學、國防科技大學、該車裝有彩色攝像機、激光雷達、陀螺慣導定位等傳感器。計算機系統(tǒng)采用兩臺Sun10完成信息融合、路徑規(guī)劃，兩臺PC486完成路邊抽取識別和激光信息處理，8098單片機完成定位計算和車輛自動駕駛。其體系結(jié)構(gòu)以水平式結(jié)構(gòu)為主，采用傳統(tǒng)的“感知建模規(guī)劃執(zhí)行”算法，其直線跟蹤速度達到20km/h，避障速度達到510km/h。智能車輛研究也是智能交通系統(tǒng)ITS的關鍵技術。目前，國內(nèi)的許多高校和科研院所都在進行ITS關鍵技術、設備的研究。隨著ITS研究的興起，我國已形成一支ITS技術研究開發(fā)的技術專業(yè)隊伍。并且各交通、汽車企業(yè)越來越加大了對ITS及智能車輛技術研發(fā)的投入，整個社會的關注程度在不斷提高。交通部已將ITS研究列入“十五”科技發(fā)展計劃和2010年長期規(guī)劃。相信經(jīng)過相關領域的共同努力，我國ITS及智能車輛的技術水平一定會得到很大提高。可以預計，我國飛速發(fā)展的經(jīng)濟實力將為智能車輛的研究提供一個更加廣闊的前景。我們要結(jié)合我國國情，在某一方面或某些方面，對智能車進行深入細致的研究，為它今后的發(fā)展及實際應用打下堅實的基礎。 主要內(nèi)容本課題要開發(fā)一個能自動循跡自動避障同時可以遙控的智能小車控制系統(tǒng)，系統(tǒng)分小車和遙控器兩部分,主要以簡易智能機器人為開發(fā)平臺，選擇通用、價廉的51單片機為控制平臺，選擇常見的電機模型車為機械平臺，通過細化設計要求，結(jié)合傳感器技術和電機控制技術相關知識實現(xiàn)小車的各種功能。設計完成以由紅外線對管的自動尋跡、紅外線自動避障、重力遙控組成的硬件模塊結(jié)合軟件設計組成多功能智能小車，共同實現(xiàn)小車的前進倒退、轉(zhuǎn)向行駛，自動根據(jù)地面黑線尋跡導航，檢測障礙物后停止等功能，實現(xiàn)智能控制，達到設計目標。2 方案設計及論證 總體設計 本課題設計主要是制作一款能進行智能判斷并能做出正確反應的小車。小車具有以下幾個功能：自動避障功能；尋跡功能（按路面的黑色軌道行駛）?；谥亓Ω袘倪b控(通過傾斜方向和角度控制小車運動方向和速度)。小車端以兩直流電動機為主驅(qū)動，通過各類傳感器件來采集各類信息，送入主控單元89C52單片機處理數(shù)據(jù)后完成相應動作，以達到自身控制。電機驅(qū)動電路采用H橋驅(qū)動模塊雙L298步進/直流電機驅(qū)動板 ，能同時驅(qū)動4個直流電機和2個步進電機；避障采用漫反射式光電開關來完成，自動尋跡采用紅外發(fā)射管和接收管光電對管尋跡傳感器完成，最后由控制單元處理數(shù)據(jù)后通過編程有序合理的將各模塊信號整合在一起并完成相應動作，實現(xiàn)了智能控制，相當于簡易機器人。遙控端由MPU0605陀螺儀和無線模塊、按鍵模塊、LCD顯示模塊組成,通過檢測按鍵和陀螺儀數(shù)據(jù)送入89C52單片機處理后判斷用戶的指令,然后通過NRF24L01無線模塊把指令發(fā)送到小車端,同時在LCD12864顯示當前工作模式和小車的狀態(tài). 主控單元方案比較與選擇按照題目要求，控制器主要用于控制電機，通過相關傳感器對路面的軌跡信息進行處理，并將處理信號傳輸給控制器，然后控制器做出相應的處理，實現(xiàn)小車的自動循跡和自動避障。 方案一：可以采用ARM為系統(tǒng)的控制器，優(yōu)點是該系統(tǒng)功能強大，片上外設集成度搞密度高，提高了穩(wěn)定性，系統(tǒng)的處理速度也很高，適合作為大規(guī)模實時系統(tǒng)的控制核心。方案二：采用AT89S52作為系統(tǒng)控制的方案。AT89S52單片機算術運算功能強，軟件編程靈活、自由度大，功耗低、體積小、技術成熟，成本也比ARM低。考慮到性價比問題，本設計選擇 用AT89S52單片機做控制器。 電機單元方案比較與選擇方案一：采用直流電機，配合LM293驅(qū)動芯片組合。優(yōu)點在于硬件電路的設計簡單。當外加額定直流電壓時，轉(zhuǎn)速幾乎相等。這類電機用于錄音機、錄相機、唱機或激光唱機等固定轉(zhuǎn)速的機器或設備中，也用于變速范圍很寬的驅(qū)動裝置，但容易受到外部因素干擾，影響穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩輸出。 方案二：采用直流減速電機。直流減速電機轉(zhuǎn)動力矩大，體積小，重量輕，裝配簡單，使用方便，小車電機內(nèi)部裝有減速齒輪組，所以并不需要考慮調(diào)速功能，很方便的就可以實現(xiàn)通過單片機對直流減速電機前進、后退、停止等操作。綜合以上考慮我們選擇方案二的直流減速電機作為智能小車的驅(qū)動電機。 電源單元方案比較與選擇方案一：采用單電源供電，通過單電源同時對單片機和直流電機進行供電，此方案的優(yōu)點是，減少機身的重量，操作簡單，其缺點是，這樣會使單片機的波動變大，影響單片機的性能，穩(wěn)定性比較弱。方案二：采用雙電源供電，通過兩個獨立的電源分別對單片機和直流減速電機進行供電，此方案的優(yōu)點是，減少波動，穩(wěn)定性比較好，可以讓小車更好的運作起來，唯一的缺點就是會增加小車的重量。綜合以上的優(yōu)缺點，本設計決定采用第二種方案。 避障單元方案比較與選擇方案一：用超聲波傳感器進行避障。超聲波傳感器的原理是：超聲波由壓電陶瓷超聲波傳感器發(fā)出后，遇到障礙物便反射回來，再被超聲波傳感器接收。但使用超聲波模塊的成本比較高。因此我們考慮其它的方案，超聲波傳感器實物圖如下圖2所示：圖2 超聲波傳感器方案二：用漫反射式光電開關進行避障。光電開關的工作原理是根據(jù)光線發(fā)射頭發(fā)出的光束，被物體反射，其接收電路據(jù)此做出判斷反應，物體對紅外光由同步回路選通而檢測物體的有無。當有光線反射回來時，輸出低電平。當沒有光線反射回來時，輸出高電平。光電開關的是物圖如下圖3所示：圖3 光電開關考慮到超聲波測量的范圍寬，使用非常靈活,幫助智能小車順利繞過障礙，可以適應十分復雜的環(huán)境，我們最終選擇了方案一。 尋跡單元方案比較與選擇方案一： 利用尋跡來引導小車到達用戶所指定的地點。采用紅外發(fā)射管和接收管光電對管尋跡傳感器。紅外發(fā)射管發(fā)出紅外線，當發(fā)出的紅外線照射到白色的平面后反射，若紅外接收管能接收到反射回的光線則檢測出白線繼而輸出低電平，若接收不到發(fā)射管發(fā)出的光線則檢測出黑線繼而輸出高電平。此方案存在的缺陷是對光線的亮度要求較高，在夜間難以正常工作。方案二： 通過超聲波定位模塊來實時定位小車的位置。超聲波定位的基本原理是通過接收幾個固定位置的發(fā)射點的超聲波接收器, 在小車上加入一個發(fā)射器，通過無線模塊計算各模塊接收到超聲波的時間差，通過集成模塊的內(nèi)部算法得出小車所在位置和原設定位置的偏差情況，從而得到主體到這幾個發(fā)射點的距離, 實現(xiàn)了超聲波的定位，由于超聲波在空氣中的衰減較大, 它只適用于較小的范圍，而且使用此方案還將面臨著在家中的超聲波各通訊線的布局，使用很不方便。經(jīng)實測發(fā)現(xiàn)方案一中的紅外對管型尋跡模塊只要給進行一定的改善，對環(huán)境的適應能力還是比較強的例如可以在晚上行進，這樣就可以用低成本來實現(xiàn)我們你所需要的功能，所以就排除了方案二，以方案一作為小車在家庭中的行進方式。3 硬件系統(tǒng)的設計 單片機控制模塊STC89C52 是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在線系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 STC89C52具有以下標準功能： 8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時器，2 個數(shù)據(jù)指針，三個16 位 定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，STC89C52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。如圖4是較為常見的單片機最小系統(tǒng)圖。圖4 單片機最小系統(tǒng) 時鐘電路單片機的時鐘產(chǎn)生有兩種方法：內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。系統(tǒng)的時鐘電路設計是采用的內(nèi)部方式，即利用芯片內(nèi)部的振蕩電路。AT89單片機內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器。引腳XT