【文章內(nèi)容簡介】 ory scheme and analytical method, features and innovations etc. which have some reference value on the design and popularity of semiautomatic robot automatically such as intelligent robots, intelligent household appliances. This dissertation discusses mainly on the design of the intelligent car in singlechip processor as the control core. To realize the car moving around and transform. the mode of the small car function, it uses wireless remote control。 to realize the small car obstacleavoidance function and prehensively car tracing function, it uses the infrared sensor. This excogitation adopts the research methods of contrast selected, independent modules, prehensive treatment method. After the parison between Pros and cons, the best program design will be elected bining with the actual situation. It is plete in accordance with the rigorous scientific attitude from the smallest systems to the wireless remote control, infrared tracking and ultrasonic obstacle avoidance. The right signal outputs can be gotten to achieve its function by the debugging detection module. Finally on the missioning of the module into the bodywork of the car, with procedure and by singlechip processor control, it will be effectively integrated with the module, achieve the intended objectives, final design and production that can make cars intelligently operate in a certain circumstances. Keywords Intelligent toy car。 Obstacle avoidance。 tracking。 Intelligent 3 引言 課題背景及意義 機器人學是一門與機器人設計、制造和應用相關的科學 [1]。機器人學又稱為機器人技術或機器人工程學，主要研究機器人的控制與被處理物體之間的相互關系。機器人學涉及的專業(yè)領域很多，主要內(nèi)容有運動學和動力學、系統(tǒng)結構、傳感技術、控制技術、行動規(guī)劃和應用工程等。 智能車是機器人學中的一類，是具有自主性、適應性和交互性等于一體的綜合系統(tǒng)，它融合了自動控制、人工智能、機械工程、信息融合、傳感器技術、圖像處理技術以及計算機等多門學科的最新研究成果，對智能車的研究不僅具有理論意義而且具有實際價值 [2]。 智能車在我們的現(xiàn)實生活中的應用意義極大。人類的研究活動已擺脫了地球生物圈的束縛而廣泛地進入外層空間和海洋深處。對月球和太陽系其他行星的探測，對太陽系以外的宇宙進行考察，對數(shù)千米以下的海底的研究，都是目前單靠人力所不能及的。智能機器人正在代替人們完成這些任務。在戰(zhàn)場上的軍事活動中，在惡劣環(huán)境條件下的生產(chǎn)勞動中，凡不宜由人直接承擔的任務，均可由智能機器人代替，如智能小車可以適應不同環(huán)境，不受溫度、濕度等條件的影響，完成危險地段、人類無法介入等特殊情況下的任務。 本設計是智能小車的運動軌跡的研究，是智能小車研 究領域的重要組成部分，初步實現(xiàn)了多學科領域的綜合研究。 國內(nèi)外研究及現(xiàn)狀 從 20 世紀 70 年代，歐美等發(fā)達國家開始進行無人駕駛車的研究，大致可以分為三個階段：軍事用途、高速公路和城市環(huán)境 [3]。在軍事用途方面，早在 80 年代初期，美國國防部就資助自主陸地車輛 ALV（ AutonomousLandVehicle）的研究。進入 21 世紀，美國國防部連續(xù)舉辦大挑戰(zhàn)（ Grand Challenge）比賽 活動，對促進智能車輛技術交流與創(chuàng)新起到很大激勵作用。隨著現(xiàn)實需要，智能車輛的研究逐漸轉向民用領域，最早實現(xiàn)在高速公 路應用領域。高速公路無人駕駛研究的典型代表有美國 CMU 大學的NavLab5 系統(tǒng)，意大利帕爾瑪大學的 ARGO 系統(tǒng)和德國聯(lián)邦國防大學的 VAMP 系統(tǒng)。 4 在城市交通方面，歐洲 Yamaba 公司推出了旅游接待智能車輛 CyberCab[4] 。在 2020年日本愛知世博會上，豐田公司成功演示了 ITMS 無人駕駛公交系統(tǒng)。美國在城市環(huán)境智能車輛研發(fā)方面起步較晚，目前與歐洲和日本存在一些差距。 由于起步較晚，國內(nèi)智能車研究水平總體上與發(fā)達國家相比存在不小的距離。但經(jīng)過各高校和研究單位的不懈努力，仍取得了階段行的成果。國內(nèi)清華大 學、國防科技大學、上海交通大學、西安交通大學、吉林大學、同濟大學和南京理工大學等都有過智能車的研究項目。我國的智能車發(fā)展也主要運用在軍事用途、高速公路和城市交通三個領域 [5]。 “ 八五 ” 、 “ 九五 ” 期間由國內(nèi)六所重點大學聯(lián)合研制成功了我國第一輛智能車ALVLAB1 和第二代智能車 ALVLAB2。目前，我國正在組織研究第三代的陸地自主車ALVLAB3[6]。 THMRV(TsingHua Mobile Robot V)清華 V 型智能車是一個比較成功的范例 [7]。它由清華大學計算機系智能技術與系統(tǒng)國家重點實驗室在中國 科學院院士張鈸主持下研制的新一代智能移動機器人，兼有面向高速公路和一般道路的功能 [8]。 除了清華大學，越來越多的研究機構、學者也加入到這一新興學科中來。比如上海交通大學設計的自動駕駛汽車，能根據(jù)道路彎曲程度的變化，實時計算出車輛的轉向盤角度輸入，控制車輛按預設道路行駛 [9]。 5 1 緒論 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)等領域有著廣泛的應用前景。本次設計對智能小車的控制系統(tǒng)進行了研究， 設計實現(xiàn)一個基于路徑規(guī)劃處理的智能小車控制系統(tǒng)。 無容置疑，機電一體化人才的培養(yǎng)不論是在國外還是國內(nèi)，都開始重視起來，主要表現(xiàn)在大學生的各種大型的創(chuàng)新比賽，比如：亞洲廣播電視聯(lián)盟亞太地區(qū)機器人大賽（ ABU ROBCON）、全國大學生 “ 飛思卡爾 ” 杯智能汽車競賽等眾多重要競賽都能很好的培養(yǎng)大學生對于機電一體化的興趣與強化機電一體化的相關知識。但很現(xiàn)實的狀況是，國內(nèi)不論是在機械還是電氣領域，與國外的差距還是很明顯的，所以作為機電一體化學生，必須加倍努力，為逐步趕上國外先進水平并超過之而努力 [10]。 為了適應機電一體化的發(fā)展在汽車智能化方向的發(fā)展要求，提出簡易智能小車的構想，目的在于：通過獨立設計并制作一輛具有簡單智能化的簡易小車，獲得項目整體設計的能力，并掌握多通道多樣化傳感器綜合控制的方法。所以立 “ 智能循跡小車 ” 一題作為嘗試。 智能小車概述 根據(jù)題目的要求，確定如下 設計 方案： 甲車車頭緊靠起點標志線，乙車車尾緊靠邊界，甲、乙兩輛小車同時起動，先后通過起點標志線，在行車道同向而行，實現(xiàn)兩車交替超車領跑功能。跑道如圖 11 所示 。 通過對題目的分析，我們把 智能 小車分解成這幾個模塊，即單片機主控模塊、 電源模塊、電機驅動模塊、紅外傳感模塊、藍牙通信模塊等幾個部分。模塊框架圖如圖 12所示 。 6 圖 11 跑道示意圖 圖 12 模塊框架圖 控 制 模 塊 循跡探測模塊 測距模塊 無線通信模塊 電源模塊 電機模塊 電機驅動模塊 7 設計任務和功能要求 基本要求 （ 1）甲車和乙車分別從起點標志線開始，在行車道各正常行駛一圈。 （ 2）甲、乙兩車按圖 11 所示位置同時起動，乙車通過超車標志線在超車區(qū)內(nèi)實現(xiàn)超車功能，并先于甲車到達終點標志線，即第一圈實現(xiàn)乙車超過甲車。 （ 3）甲、乙兩車在完成（ 2）時的行駛 時間要盡可能短。 發(fā)揮部分 （ 1）在完成基本要求（ 2）后，甲、乙兩車繼續(xù)行駛第二圈，要求甲車通過超車標志線后要實現(xiàn)超車功能，并先于乙車到達終點標志線，即第二圈完成甲車超過乙車，實現(xiàn)交替領跑。甲、乙兩車在第二圈行駛的時間要盡可能的短。 （ 2）甲、乙兩車繼續(xù)行駛第三圈和第四圈，并交替領跑；兩車行駛的時間要盡可能的短。 （ 3）在完成上述功能后，重新設定甲車起始位置（在離起點標志線前進方向 40cm范圍內(nèi)任意設定），實現(xiàn)甲、乙兩車四圈交替領跑功能，行駛時間要盡可能的短。 8 2 硬件電路設計 主控芯 片選型 在眾多的 51 系列單片機中，要算國內(nèi) STC 公司的 1T 增強系列更具有競爭力，因他不但和 8051 指令、管腳完全兼容，而且其片內(nèi)的具有大容量程序存儲器且是 FLASH工藝的，如 STC12C5A60S2 單片機內(nèi)部就自帶高達 60K FLASH ROM,這種工藝的存儲器用戶可以用電的方式瞬間擦除、改寫。而且 STC 系列單片機支持串口程序燒寫。顯而易見，這種單片機對開發(fā)設備的要求很低，開發(fā)時間也大大縮短。寫入單片機內(nèi)的程序還可以進行加密，這又很好地保護了你的勞動成果。重要的一點 STC12C5A60S2 目前的售價與傳統(tǒng) 51 差不多，市場供應也很充足。是一款高性價比的單片機 [11]。 單片機 STC12C5A60S 性能介紹 STC12C5A60S2/AD/PWM 系列單片機是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘 /機器周期 (1T)的單片機，是高速 /低功耗 /超強抗干擾的新一代 8051 單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051,但速度快 812 倍。內(nèi)部集成 MAX810 專用復位電路 ,2 路 PWM,8 路高速 10 位 A/D 轉換(250K/S),針對電機控制，強干擾場合 [12]。 8051 CPU， 1T，單時鐘 /機器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051； ： STC12C5A60S2 系列工作電壓： （ 5V單片機）STC12LE5A60S2 系列工作電壓： （ 3V單片機）； ： 0 35MHz，相當于普通 8051 的 0～ 420MHz； 8K /16K / 20K / 32K / 40K / 48K / 52K / 60K / 62K 字節(jié)； 1280 字節(jié) RAM； I/O 口（ 36/40/44 個），復位后為：準雙向口 /弱上拉（普通 8051 傳統(tǒng) I/O 口），可設 置成四種模式：準雙向口 /弱上拉，推挽 /強上拉，僅為輸入 /高阻，開漏，每個 I/O口驅動能力均可達到 20mA，但整個芯片最大不要超過 55Ma； 7. ISP（在系統(tǒng)可編程） /IAP（在應用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器 可通過串口（ ）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片； EEPROM 功能 (STC12C5A62S2/AD/PWM 無內(nèi)部 EEPROM)； ； MAX810 專用復位電路（外部晶體 12M 以下時，復位腳可直接 1K 電阻到地）； 9 :在 口有一個低壓門檻比較器， 5V單片機為 ，誤差為 +/5%, ，誤差為 +/3%； ：外部高精度晶體 /時鐘，內(nèi)部 R/C 振蕩器 (溫漂為 +/5%到 +/10%以內(nèi) ) 1用戶在下載用戶程序時，可選擇是使用內(nèi)部 R/C 振蕩器還是外部晶體 /時鐘，常溫下內(nèi)部 R/C 振蕩器頻率為： ： 11MHz～ ， ： 8MHz～12MHz，精度要求不高時，可選擇使用內(nèi)部時鐘，但因為有制造誤差和溫漂，以實際測試為準； 4個 16位定時器 兩個與傳統(tǒng) 8051兼容的定時器 /計數(shù)器 ,16位定時器 T0 和T1，沒有定時器 2，但有獨立波特率發(fā)生器做串行通訊的波特率發(fā)生器再加上 2 路 PCA模塊可再實現(xiàn) 2 個 16 位定時器； 14. 2 個時鐘輸出口，可由 T0 的溢出在 ，可由 T1 的溢出在 輸出時鐘； I/O口 7路 ， 傳統(tǒng)的下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷 ， 并新增支持上升沿中斷的 PCA 模塊， Power Down模式可由外部中斷喚醒， INT0/， INT1/，T0/， T1/， RxD/， CCP0/(也可通過寄存器設置到 )， CCP1/ (也可通過寄存器設置到 )； 16. PWM(2 路） /PCA（可編程計數(shù)器陣列 ， 2 路）： ——也可用來當 2 路 D/A 使用 ——也可用來再實現(xiàn) 2 個定時器 ——也可用來再實現(xiàn) 2 個外部中斷 (上升沿中斷 /下降沿中斷均可分別或同時支持 )； ， 10 位精度 ADC，共 8 路，轉換速度可達 250K/S(每秒鐘 25 萬次 )18.通用全雙工異步串行口 (UART)，由于 STC12 系列是高速的 8051，可再用定時器或 PCA軟件實現(xiàn)多串口； 19. STC12C5A60S2 系列有雙串口，后綴有 S2 標志的才有雙串口， RxD2/(可通過寄存器設置到 )， TxD2/(可通過寄存器設置到 )； ： 40 +85℃ (工業(yè)級 ) / 0 75℃ (商業(yè)級 )： PDIP40，LQFP44， LQFP48 I/O 口不夠時，可用 2 到 3 根普通 I/O 口線外接 74HC164/165/595（均可級聯(lián)）來擴展 I/O 口 ， 還可用 A/D 做按鍵掃描來節(jié)省 I/O 口，或用雙 CPU， 三線通信，還多了串口。 10 圖 21 STC12C5A60S2 管腳圖 各引腳功能簡單介紹如下： VCC：供電電壓； GND：接地； P0 口： P0 口為一個 8 位漏級開路