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正文內(nèi)容

智能小車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)-哈爾濱理工大學(xué)畢業(yè)論文(編輯修改稿)

2025-03-12 04:59 本頁(yè)面
 

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 (檢測(cè)與車道的橫向位置 );激光掃描測(cè)距器 (障礙物檢測(cè) );其他傳感器,如側(cè)向雷達(dá)、轉(zhuǎn)向陀螺儀。利用基于視覺(jué)的方法實(shí)現(xiàn)道路檢測(cè)。利用一臺(tái)安裝在后視鏡處的 CCD攝像機(jī),位置要盡可能高,車道檢測(cè)系統(tǒng)可以處理這樣的單幅灰度圖像。算法假設(shè)道路是水平地,并且有連續(xù)或點(diǎn)化的車道標(biāo)志線。前幾幀檢測(cè)的車道標(biāo)志線數(shù)據(jù)也用來(lái)決定下一步興趣熱點(diǎn)區(qū)域,以簡(jiǎn)化圖像處理。算法從圖像中提取出重要的亮域,并以向量行駛存儲(chǔ),如道路消失點(diǎn)或道寬這樣的數(shù)據(jù)參數(shù),都可以作為計(jì)算車道標(biāo)志線的參考,最后為了處理點(diǎn)劃車道線,可以通 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 3 過(guò)一階多項(xiàng)式曲 線來(lái)擬合,在進(jìn)行向量計(jì)算。如果檢測(cè)到左右車道標(biāo)志線,就可以利用左右標(biāo)志線來(lái)估計(jì)車道中心線;否則也可以利用估計(jì)的車道寬度及相關(guān)可視標(biāo)志來(lái)估算中心線 [2]。 在我國(guó),吉林大學(xué)智能車輛課題組長(zhǎng)期從事智能車輛自主導(dǎo)航機(jī)理及關(guān)鍵技術(shù)研究。 20世紀(jì) 90年代以來(lái),課題組開(kāi)展的組態(tài)式柔性制造單元及圖像識(shí)別自動(dòng)引導(dǎo)車的研究對(duì)我國(guó)獨(dú)立自主開(kāi)發(fā)一種新型自動(dòng)引導(dǎo)車輛系統(tǒng),從而為我國(guó)生產(chǎn)組織模式向柔性或半柔性生產(chǎn)組織轉(zhuǎn)化提供了有意義的技術(shù)支撐和關(guān)鍵設(shè)備。另外,我國(guó)清華大學(xué)、北京理工大學(xué)等單位也正在研發(fā)智能車輛。汽車自主駕駛技術(shù)是集模 式識(shí)別、智能控制、計(jì)算機(jī)科學(xué)和汽車操縱動(dòng)力等多門學(xué)科于一體的綜合性技術(shù),汽車自主駕駛功能水平的高低常被用來(lái)作為衡量一個(gè)國(guó)家控制技術(shù)水平的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。智能車輛的相關(guān)技術(shù),也將為促進(jìn)輪式機(jī)器人的研究。 論文研究?jī)?nèi)容 本課題主要開(kāi)發(fā)一個(gè)基于路徑處理的的智能小車控制系統(tǒng),通過(guò)該系統(tǒng),我們可以給小車給定一條軌跡,使其按預(yù)定路徑行始。小車可以獨(dú)自運(yùn)行,也可人工及時(shí)操控調(diào)整,使其按正確的軌跡運(yùn)行。本文主要有以下內(nèi)容: ,本文首要介紹了與智能小車相關(guān)的機(jī)器人、智能車輛的發(fā)展歷史、國(guó)內(nèi)外研究 現(xiàn)狀。 。 詳細(xì)介紹智能小車硬件電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。智能小車選擇 STC89C52 單片機(jī)最小系統(tǒng)作為核心控制單元,完成電源模塊、傳感器模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、路徑識(shí)別模塊、等功能模塊的設(shè)計(jì)。 。采用光電紅外對(duì)管 來(lái)識(shí)別路徑, 紅外發(fā)射管與紅外一體接收頭來(lái)識(shí)別障礙。 。采用紅外識(shí)別,遙控器解碼技術(shù),來(lái)控制小車的行進(jìn)方向,從而達(dá)到人工操控的目地。 ,對(duì)小車進(jìn)行調(diào)試。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 第 2章 系統(tǒng)方案論證與分析 本章主要介紹方案的選擇與分析,主要包括單片機(jī)模塊、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模 塊、黑線檢測(cè)模塊以及液晶顯示模塊的方案選擇與分析。 小車構(gòu)架方案論證 小車行走機(jī)構(gòu)的方案分析與選擇: 方案一 : 履帶式行走機(jī)構(gòu):運(yùn)行平穩(wěn)、可靠,走直線效果很好;但結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜、移 動(dòng)速度較慢,轉(zhuǎn)彎過(guò)程的控制性能較差。 方案二 : 腿式行走機(jī)構(gòu):可以走出多種復(fù)雜的路線,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)動(dòng)中的平衡性和穩(wěn)定性差、移動(dòng)速度較慢。 方案三 : 兩輪式行走機(jī)構(gòu):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、移動(dòng)速度快、轉(zhuǎn)彎性能好,且易于控制,適用于小功率的行走驅(qū)動(dòng)。 方案四 : 四輪式行走機(jī)構(gòu):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、移動(dòng)速度快、易于控制。 通過(guò)以 上四種方案的優(yōu)缺點(diǎn) ,方案三與方案四可具有較大的可行性,但四輪式行走機(jī)構(gòu)需要四個(gè)電機(jī),控制算法相對(duì)復(fù)雜,且需要很大的驅(qū)動(dòng)電流,對(duì)硬件要求較高,而兩輪式能滿足此設(shè)計(jì)要求,且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,算法方便,要求驅(qū)動(dòng)電流小,硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。本設(shè)計(jì)以對(duì)稱結(jié)構(gòu),簡(jiǎn)單方便為主,固綜上考慮,采用方案三的設(shè)計(jì)思想。 電機(jī)選擇方案論證 電動(dòng)機(jī)選擇方案與分析: 方案一 : 采用步進(jìn)電機(jī): 步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制元件 。 在非超載的情況下,電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈 沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù),而不受負(fù)載變化的影響,即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào),電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角,這一線性關(guān)系的存在,加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差等特點(diǎn) 。 使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制變的非常的簡(jiǎn)單 。 所以,若 采用步進(jìn)電機(jī)作為該系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī),由于其轉(zhuǎn)動(dòng)的角度可以精確定位,可以實(shí)現(xiàn)小車前進(jìn)距離和位置的精確定位。 方案二 : 采用直流電機(jī): 采用直流減速電機(jī), 直流減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大,體積小,重量輕,裝配簡(jiǎn)單,使用方便, 過(guò)載能力強(qiáng),能承受頻繁的沖擊負(fù)載,可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn);能滿足各種不同的特殊運(yùn)行要求。 很方便的就可以實(shí)現(xiàn)通過(guò)單片機(jī)對(duì)直流減速電機(jī)前進(jìn)、后退、停止等操作。 通過(guò)以上兩種方案的比較,兩種方案均具有較大的可行性,但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的直流電機(jī)、交流電機(jī)在常規(guī)下使用 。 它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用 。 步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩較低,隨轉(zhuǎn)速的升高而下降,且在較高的轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降,其轉(zhuǎn)速較低時(shí)不適于小車等對(duì)速 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 5 度有一定要求的系統(tǒng)。在價(jià)格方面,直流電機(jī)低于步進(jìn)電機(jī),易于購(gòu)買,且對(duì)硬件要簡(jiǎn)單,完全可以實(shí)現(xiàn)此設(shè)計(jì)的要求,固綜上考慮,此次設(shè)計(jì)采用直流電機(jī)作為動(dòng)力源。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案論證 小車運(yùn)行過(guò)程中要求電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié) ,調(diào)速范圍根據(jù)負(fù)載的要求而定。由公式 (21) ? ??? C e RIUn ?? (21) N: 電樞轉(zhuǎn)速 , U? : 電機(jī)端電壓 , I? : 電機(jī)端電流 ,R? : 電樞電阻 , Ce : 常數(shù) , ? : 各 極總磁通 可以看出 ,調(diào)速可以有三種方法 : U? ,即改變電樞電源電壓 ; ? ,即改變激磁回路的調(diào)節(jié)電阻 Rj 以改變激磁電流 Ij ; Rtj 。此時(shí)的轉(zhuǎn)速公式 (22)為 : ? ????? C eR tjRIUn ??? (22) 在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中,改變電機(jī)的磁通 ? 或調(diào)節(jié)樞回路中串聯(lián)調(diào)節(jié)電阻 Rtj并不方便、實(shí)用。因此,主要選擇通過(guò)改變電機(jī)兩端電壓的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速控制。 下面是通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)兩端電壓達(dá)到調(diào)速目的的三種方案: 方案一: 采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)整電動(dòng)機(jī)的分壓,從而達(dá)到調(diào)速的目的。但是電阻網(wǎng)絡(luò)只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速,而數(shù)字電阻的元器件價(jià)格比較昂貴。更主要的問(wèn)題在于一般電動(dòng)機(jī)的電阻很小,但電流很大,分壓不僅會(huì)降低效率且實(shí)現(xiàn)困難。 方案二: 采用繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)的開(kāi)或關(guān)進(jìn)行控制,通過(guò)開(kāi)關(guān)的切換對(duì)小車的速度進(jìn)行調(diào)整。這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡(jiǎn)單,缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時(shí)間慢、機(jī)械結(jié)構(gòu)易損壞,壽命較 短、可靠性不高。 方案三 : 采用由達(dá)林頓管組成的 H型 PWM電路。用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開(kāi)關(guān)狀態(tài) ,精確調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下 ,效率非常高。 H型電路保證了可以簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制。電子開(kāi)關(guān)的速度很快,穩(wěn)定性也極強(qiáng),是一種廣泛采用的 PWM調(diào)速技術(shù)。 L298為 SGSTHOMSON Microelectronics所出產(chǎn)的雙全橋步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片 (Dual FullBridge Driver) ,可以方便的驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī),或一個(gè)兩相步進(jìn)電機(jī)。內(nèi)含二 HBridge的高電壓、大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器,接收標(biāo)準(zhǔn) TTL邏輯準(zhǔn)位信號(hào),可驅(qū)動(dòng) 46V、 2A以下的步進(jìn)電機(jī),輸出電壓最高可達(dá) 50V??梢灾? 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 接通過(guò)電源來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓,可以直接用單片機(jī)的 IO口提供信號(hào),而且電路簡(jiǎn)單,使用比較方便。 PWM脈寬調(diào)制實(shí)際上就是改變電機(jī)端電壓的平均值從而進(jìn)行調(diào)速的一種方法。這種方法便于與單片機(jī)等數(shù)字系統(tǒng)接口,實(shí)現(xiàn)方便,而前兩種方法必須要配合一定的外圍模擬電路才能達(dá)到單片機(jī)控制目的,基于以上分析 , 在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊上擬選定采用 PWM脈寬調(diào)制方法。選用 L298雙全橋驅(qū)動(dòng)芯片。 供電電源方案 論證 供電電源方案的選擇與分析: 方案一: 采用兩個(gè)電源供電,將電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源與單片機(jī)以及其周圍電路電源完全隔離,利用光電 耦合器傳輸信號(hào)。這樣可以使電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)所造成的干擾徹底消除,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性 。 方案二: 采用單一電源供電。 所用器件采用 12V 蓄電池為直流電機(jī)供電。因 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)瞬間電流很大,而且 PWM 驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)電流波動(dòng)較大,會(huì)造成電壓不穩(wěn) 、有毛刺等干擾,可采用將 12V 電壓降壓、穩(wěn)壓后給單片機(jī)系統(tǒng)和其它芯片供電。這樣供電比較簡(jiǎn)單 [3]。 基于以上的分析, 兩種方案均具有可行性,但方案一使用兩個(gè)電源,增加了小 車的重量與體積, 增大 了小車的慣性,雖然具有較大的優(yōu)勢(shì),但綜合考慮,符合設(shè)計(jì)要求的情況下,選擇方案二做為小車的供電電源。 尋跡檢測(cè)方案論證 尋跡檢測(cè)方案的選擇與分析: 方案一 : 采用對(duì)射式紅外光電傳感器 。 用可見(jiàn)發(fā)光二極管與光敏二極管組成的發(fā)射-接收分立對(duì)管光電傳感器。這種方案的缺點(diǎn)在于,其他環(huán)境光源會(huì)對(duì)光敏二極管的工作產(chǎn)生很大干擾,一旦外界光亮條件改變,很可能造成誤判和漏判。雖然采取超高亮發(fā)光管可以降低一定的干擾,但這又將增加額外的功率損耗。在跑道上設(shè)置檢測(cè)裝置很不方便,故無(wú)法應(yīng)用對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)探測(cè)跑道標(biāo)志,只 能采用反射式光電開(kāi)關(guān)。 方案二 : 采用反射式紅外光電傳感器, 利用紅外線發(fā)射管發(fā)射紅外線,紅外線二極管進(jìn)行接收。采用紅外線發(fā)射,外面可見(jiàn)光對(duì)接收信號(hào)的影響較小,尋跡 電路中采用比較器 LM393,信號(hào)進(jìn)入后就會(huì)被放大 , 可以直接送給單片機(jī)進(jìn)行操作,同時(shí)可以加一 可調(diào)電阻 , 可以調(diào)節(jié)傳感器的靈敏度, 易于調(diào)試。 本方案也易于實(shí)現(xiàn),比較可靠 [4]。 綜上所述,方案二具有可行性,選擇方案二作為尋跡方案。 避障方案論證 避障方案的選擇與分析: 方案一: 脈沖調(diào)制的反射式紅外線 接受器。由于該有交流分量的調(diào)制信號(hào),則可大幅度減少外界干擾; 另外紅外紅線接受的最大工作電流取決于平均 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 電流。如果采用占空比小的調(diào)制信號(hào),再平均電流不變的情況下,順勢(shì)電流很大( 50~100mA),則大大提高了信噪比。并且其反應(yīng)靈敏,外圍電路也很簡(jiǎn)單。它的優(yōu)點(diǎn)是消除了外界光線的干擾提高了靈敏度。 方案二: 采用超聲波傳感器,如果傳感器接收到反射的超聲波,則通知單片機(jī)前方有障礙物,否則通知單片機(jī)可以向前行駛。市場(chǎng)上很多紅外光電探頭也是基于這個(gè)原理。這樣不但能準(zhǔn)確完成測(cè)量,而且能避免電路的復(fù)雜性 [5]。 通過(guò)以上兩種方案的比較,兩種方案均可行,但第二種方案超聲波傳感器價(jià)格比格昂 貴,所以與方案一相比,在要求不是很嚴(yán)格的情況下,方案一具有更大的選擇性。 無(wú)線遙控方案論證 無(wú)線在各領(lǐng)域均有廣泛的運(yùn)用,而要實(shí)現(xiàn)無(wú)線控制,則要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的無(wú)線接收與發(fā)送,基于無(wú)線的基本原理,提出以下幾種方案進(jìn)行選擇與分析: 方案一: 采用 PT2263 與 PT2272 芯片作為系統(tǒng)的編碼與解碼,其中PT2262 為無(wú)線發(fā)送芯片, PT2272 解碼輸出,來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線信號(hào)的收發(fā),從而達(dá)到無(wú)線控制的目的。 方案二: 采用 NRF24L01 成品收發(fā)模塊。發(fā)射距離遠(yuǎn),信號(hào)穩(wěn)定,體積小,市場(chǎng)價(jià)格較低。 方案三: 使用紅外線進(jìn)行遙控,采用常用 的紅外遙控器進(jìn)行紅外信號(hào)的發(fā)射,用 一體化紅外接收頭 1838 芯 進(jìn)行信號(hào)的接收,使用軟件進(jìn)行紅外信號(hào)的解碼,以此來(lái)識(shí)別按鍵,控制小車的行動(dòng) [6]。 以上三種方案均為常用的無(wú)線收發(fā)方式,但方案一不僅加大了 硬件的需求,而且手工制作接收與發(fā)射模塊,對(duì)手工要求較高,且發(fā)射距離較短。方案二采用成品的收發(fā)模塊,體積小,性能穩(wěn)定,可使用范圍最高可達(dá) 200m 左右,市場(chǎng)價(jià)格較低。方案三采用紅外一體接收頭 1838,解調(diào)信號(hào)輸出端 DOUT可直接被單片機(jī)識(shí)別,同時(shí)使用軟件進(jìn)行解碼,大大簡(jiǎn)化了電路,發(fā)射距離 30m 左右,能夠滿足設(shè)計(jì)需求 。經(jīng)過(guò)以上三種方案的比較,決定采用方案三做為小車的無(wú)線遙控方案。 控制方案論證 智能小車系統(tǒng)的核心模塊即為主控單片機(jī)。選擇一片數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)大、片內(nèi)資源豐富的單片機(jī),對(duì)設(shè)計(jì)各功能的更好實(shí)現(xiàn)具有極大意義。一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)包含有兩部分內(nèi)容:一是系統(tǒng)擴(kuò)展,即單片機(jī)內(nèi)部的功能單元,如 ROM﹑ RAM﹑ I/O 口﹑定時(shí) /記數(shù)器﹑中斷系統(tǒng)等。若不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求時(shí),必須在片外進(jìn)行擴(kuò)展。二是系統(tǒng)配置,既按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設(shè)備,如液晶顯示器﹑ A/D﹑ D/A 轉(zhuǎn)換器等,且需要設(shè)計(jì)合適的接口電路。 控制系統(tǒng)是 機(jī)械運(yùn)行的核心,同樣,在本次智能車的設(shè)計(jì),為了實(shí)現(xiàn)小車的初步智能化,一個(gè)良好與否的控制芯片關(guān)系到最終的成敗,而控制類的芯片多種多樣,下面就以下兩種進(jìn)行選擇與分析: 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 方案一: 采用 AT89C51 芯片, 具有體積小、可靠性高、功耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)算速度快等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)被列入教科書(shū)已進(jìn)行系統(tǒng)的學(xué)習(xí)與分析,是最早比較了解的芯片。其 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM 有 128B, 片內(nèi)程序存儲(chǔ)器 Flash ROM 有 4KB;可尋址片外 64KB 的 RAM;兩個(gè) 16 位的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器;五個(gè)中斷源、兩個(gè)優(yōu)先級(jí)的中斷控制系統(tǒng); 方案二: 采用 STC89C52 芯片,繼承了 AT89C
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