【文章內(nèi)容簡(jiǎn)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(jī)器人學(xué)是一門與機(jī)器人設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用相關(guān)的科學(xué) [1]。機(jī)器人學(xué)又稱為機(jī)器人技術(shù)或機(jī)器人工程學(xué)，主要研究機(jī)器人的控制與被處理物體之間的相互關(guān)系。機(jī)器人學(xué)涉及的專業(yè)領(lǐng)域很多，主要內(nèi)容有運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、傳感技術(shù)、控制技術(shù)、行動(dòng)規(guī)劃和應(yīng)用工程等。 智能車是機(jī)器人學(xué)中的一類，是具有自主性、適應(yīng)性和交互性等于一體的綜合系統(tǒng)，它融合了自動(dòng)控制、人工智能、機(jī)械工程、信息融合、傳感器技術(shù)、圖像處理技術(shù)以及計(jì)算機(jī)等多門學(xué)科的最新研究成果，對(duì)智能車的研究不僅具有理論意義而且具有實(shí)際價(jià)值 [2]。 智能車在我們的現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用意義極大。人類的研究活動(dòng)已擺脫了地球生物圈的束縛而廣泛地進(jìn)入外層空間和海洋深處。對(duì)月球和太陽(yáng)系其他行星的探測(cè)，對(duì)太陽(yáng)系以外的宇宙進(jìn)行考察，對(duì)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(jī)器人正在代替人們完成這些任務(wù)。在戰(zhàn)場(chǎng)上的軍事活動(dòng)中，在惡劣環(huán)境條件下的生產(chǎn)勞動(dòng)中，凡不宜由人直接承擔(dān)的任務(wù)，均可由智能機(jī)器人代替，如智能小車可以適應(yīng)不同環(huán)境，不受溫度、濕度等條件的影響，完成危險(xiǎn)地段、人類無法介入等特殊情況下的任務(wù)。 本設(shè)計(jì)是智能小車的運(yùn)動(dòng)軌跡的研究，是智能小車研 究領(lǐng)域的重要組成部分，初步實(shí)現(xiàn)了多學(xué)科領(lǐng)域的綜合研究。 國(guó)內(nèi)外研究及現(xiàn)狀 從 20 世紀(jì) 70 年代，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家開始進(jìn)行無人駕駛車的研究，大致可以分為三個(gè)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(guó)國(guó)防部就資助自主陸地車輛 ALV（ AutonomousLandVehicle）的研究。進(jìn)入 21 世紀(jì)，美國(guó)國(guó)防部連續(xù)舉辦大挑戰(zhàn)（ Grand Challenge）比賽 活動(dòng)，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。隨著現(xiàn)實(shí)需要，智能車輛的研究逐漸轉(zhuǎn)向民用領(lǐng)域，最早實(shí)現(xiàn)在高速公 路應(yīng)用領(lǐng)域。高速公路無人駕駛研究的典型代表有美國(guó) CMU 大學(xué)的NavLab5 系統(tǒng)，意大利帕爾瑪大學(xué)的 ARGO 系統(tǒng)和德國(guó)聯(lián)邦國(guó)防大學(xué)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(huì)上，豐田公司成功演示了 ITMS 無人駕駛公交系統(tǒng)。美國(guó)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(guó)內(nèi)智能車研究水平總體上與發(fā)達(dá)國(guó)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(guó)內(nèi)清華大 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)和南京理工大學(xué)等都有過智能車的研究項(xiàng)目。我國(guó)的智能車發(fā)展也主要運(yùn)用在軍事用途、高速公路和城市交通三個(gè)領(lǐng)域 [5]。 “ 八五 ” 、 “ 九五 ” 期間由國(guó)內(nèi)六所重點(diǎn)大學(xué)聯(lián)合研制成功了我國(guó)第一輛智能車ALVLAB1 和第二代智能車 ALVLAB2。目前，我國(guó)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(gè)比較成功的范例 [7]。它由清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系智能技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在中國(guó) 科學(xué)院院士張鈸主持下研制的新一代智能移動(dòng)機(jī)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(xué)，越來越多的研究機(jī)構(gòu)、學(xué)者也加入到這一新興學(xué)科中來。比如上海交通大學(xué)設(shè)計(jì)的自動(dòng)駕駛汽車，能根據(jù)道路彎曲程度的變化，實(shí)時(shí)計(jì)算出車輛的轉(zhuǎn)向盤角度輸入，控制車輛按預(yù)設(shè)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(jí)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(gè)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(jì)對(duì)智能小車的控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究， 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于路徑規(guī)劃處理的智能小車控制系統(tǒng)。 無容置疑，機(jī)電一體化人才的培養(yǎng)不論是在國(guó)外還是國(guó)內(nèi)，都開始重視起來，主要表現(xiàn)在大學(xué)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(jī)器人大賽（ ABU ROBCON）、全國(guó)大學(xué)生 “ 飛思卡爾 ” 杯智能汽車競(jìng)賽等眾多重要競(jìng)賽都能很好的培養(yǎng)大學(xué)生對(duì)于機(jī)電一體化的興趣與強(qiáng)化機(jī)電一體化的相關(guān)知識(shí)。但很現(xiàn)實(shí)的狀況是，國(guó)內(nèi)不論是在機(jī)械還是電氣領(lǐng)域，與國(guó)外的差距還是很明顯的，所以作為機(jī)電一體化學(xué)生，必須加倍努力，為逐步趕上國(guó)外先進(jìn)水平并超過之而努力 [10]。 為了適應(yīng)機(jī)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(jiǎn)易智能小車的構(gòu)想，目的在于：通過獨(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，獲得項(xiàng)目整體設(shè)計(jì)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(shè)計(jì) 方案： 甲車車頭緊靠起點(diǎn)標(biāo)志線，乙車車尾緊靠邊界，甲、乙兩輛小車同時(shí)起動(dòng)，先后通過起點(diǎn)標(biāo)志線，在行車道同向而行，實(shí)現(xiàn)兩車交替超車領(lǐng)跑功能。跑道如圖 11 所示 。 通過對(duì)題目的分析，我們把 智能 小車分解成這幾個(gè)模塊，即單片機(jī)主控模塊、 電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、紅外傳感模塊、藍(lán)牙通信模塊等幾個(gè)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(cè)模塊 測(cè)距模塊 無線通信模塊 電源模塊 電機(jī)模塊 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 7 設(shè)計(jì)任務(wù)和功能要求 基本要求 （ 1）甲車和乙車分別從起點(diǎn)標(biāo)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(shí)起動(dòng)，乙車通過超車標(biāo)志線在超車區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)超車功能，并先于甲車到達(dá)終點(diǎn)標(biāo)志線，即第一圈實(shí)現(xiàn)乙車超過甲車。 （ 3）甲、乙兩車在完成（ 2）時(shí)的行駛 時(shí)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?yán)^續(xù)行駛第二圈，要求甲車通過超車標(biāo)志線后要實(shí)現(xiàn)超車功能，并先于乙車到達(dá)終點(diǎn)標(biāo)志線，即第二圈完成甲車超過乙車，實(shí)現(xiàn)交替領(lǐng)跑。甲、乙兩車在第二圈行駛的時(shí)間要盡可能的短。 （ 2）甲、乙兩車?yán)^續(xù)行駛第三圈和第四圈，并交替領(lǐng)跑；兩車行駛的時(shí)間要盡可能的短。 （ 3）在完成上述功能后，重新設(shè)定甲車起始位置（在離起點(diǎn)標(biāo)志線前進(jìn)方向 40cm范圍內(nèi)任意設(shè)定），實(shí)現(xiàn)甲、乙兩車四圈交替領(lǐng)跑功能，行駛時(shí)間要盡可能的短。 8 2 硬件電路設(shè)計(jì) 主控芯 片選型 在眾多的 51 系列單片機(jī)中，要算國(guó)內(nèi) STC 公司的 1T 增強(qiáng)系列更具有競(jìng)爭(zhēng)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(chǔ)器且是 FLASH工藝的，如 STC12C5A60S2 單片機(jī)內(nèi)部就自帶高達(dá) 60K FLASH ROM,這種工藝的存儲(chǔ)器用戶可以用電的方式瞬間擦除、改寫。而且 STC 系列單片機(jī)支持串口程序燒寫。顯而易見，這種單片機(jī)對(duì)開發(fā)設(shè)備的要求很低，開發(fā)時(shí)間也大大縮短。寫入單片機(jī)內(nèi)的程序還可以進(jìn)行加密，這又很好地保護(hù)了你的勞動(dòng)成果。重要的一點(diǎn) STC12C5A60S2 目前的售價(jià)與傳統(tǒng) 51 差不多，市場(chǎng)供應(yīng)也很充足。是一款高性價(jià)比的單片機(jī) [11]。 單片機(jī) STC12C5A60S 性能介紹 STC12C5A60S2/AD/PWM 系列單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘 /機(jī)器周期 (1T)的單片機(jī)，是高速 /低功耗 /超強(qiáng)抗干擾的新一代 8051 單片機(jī)，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(fù)位電路 ,2 路 PWM,8 路高速 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換(250K/S),針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合 [12]。 8051 CPU， 1T，單時(shí)鐘 /機(jī)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(jī)）STC12LE5A60S2 系列工作電壓： （ 3V單片機(jī)）； ： 0 35MHz，相當(dāng)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(gè)），復(fù)位后為：準(zhǔn)雙向口 /弱上拉（普通 8051 傳統(tǒng) I/O 口），可設(shè) 置成四種模式：準(zhǔn)雙向口 /弱上拉，推挽 /強(qiáng)上拉，僅為輸入 /高阻，開漏，每個(gè) I/O口驅(qū)動(dòng)能力均可達(dá)到 20mA，但整個(gè)芯片最大不要超過 55Ma； 7. ISP（在系統(tǒng)可編程） /IAP（在應(yīng)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(fù)位電路（外部晶體 12M 以下時(shí)，復(fù)位腳可直接 1K 電阻到地）； 9 :在 口有一個(gè)低壓門檻比較器， 5V單片機(jī)為 ，誤差為 +/5%, ，誤差為 +/3%； ：外部高精度晶體 /時(shí)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(shí)，可選擇是使用內(nèi)部 R/C 振蕩器還是外部晶體 /時(shí)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(shí)，可選擇使用內(nèi)部時(shí)鐘，但因?yàn)橛兄圃煺`差和溫漂，以實(shí)際測(cè)試為準(zhǔn)； 4個(gè) 16位定時(shí)器 兩個(gè)與傳統(tǒng) 8051兼容的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 ,16位定時(shí)器 T0 和T1，沒有定時(shí)器 2，但有獨(dú)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(shí)現(xiàn) 2 個(gè) 16 位定時(shí)器； 14. 2 個(gè)時(shí)鐘輸出口，可由 T0 的溢出在 ，可由 T1 的溢出在 輸出時(shí)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(shè)置到 )， CCP1/ (也可通過寄存器設(shè)置到 )； 16. PWM(2 路） /PCA（可編程計(jì)數(shù)器陣列 ， 2 路）： ——也可用來當(dāng) 2 路 D/A 使用 ——也可用來再實(shí)現(xiàn) 2 個(gè)定時(shí)器 ——也可用來再實(shí)現(xiàn) 2 個(gè)外部中斷 (上升沿中斷 /下降沿中斷均可分別或同時(shí)支持 )； ， 10 位精度 ADC，共 8 路，轉(zhuǎn)換速度可達(dá) 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(shí)器或 PCA軟件實(shí)現(xiàn)多串口； 19. STC12C5A60S2 系列有雙串口，后綴有 S2 標(biāo)志的才有雙串口， RxD2/(可通過寄存器設(shè)置到 )， TxD2/(可通過寄存器設(shè)置到 )； ： 40 +85℃ (工業(yè)級(jí) ) / 0 75℃ (商業(yè)級(jí) )： PDIP40，LQFP44， LQFP48 I/O 口不夠時(shí)，可用 2 到 3 根普通 I/O 口線外接 74HC164/165/595（均可級(jí)聯(lián)）來擴(kuò)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(jiǎn)單介紹如下： VCC：供電電壓； GND：接地； P0 口： P0 口為一個(gè) 8 位漏級(jí)開路