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畢業(yè)設計-基于單片機的紅外傳感器的自動尋跡智能小車設計-在線瀏覽

2025-03-06 01:19本頁面
  

【正文】 東北大學秦皇島分校畢業(yè) 設計(論文) 第 V 頁 第 6 章 系統(tǒng)調試 ........................................................ 40 開發(fā)調試工具 .......................................................................................................... 40 無線調試模塊 .......................................................................................................... 42 撥碼開關調試 .......................................................................................................... 42 試驗結果分析 .......................................................................................................... 42 結 論 ................................................................ 44 致 謝 ................................................................ 45 參考文獻 ................................................................ 46 附 錄 ................................................................. 47 附錄 A 硬件原理圖 ....................................................................................................... 47 附錄 B 程序源代碼 ....................................................................................................... 49 附錄 C Sorting out PID controller differences ............................................................... 68 東北大學秦皇島分校畢業(yè) 設計(論文) 第 1 頁 第 1 章 緒論 課題的研究背景 汽車工業(yè)發(fā)展已有 100多年的歷史。 20世紀 80年代以來,智能控制理論與技術在交通運輸工程中越來越多的被應用,在這一背景下,智能汽車的概念應運而生。隨著控制技術、計算機技術和 信息技術的發(fā)展 ,智能車在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中已經(jīng)扮演了非常重要的角色 ,近年來 ,智能車在野外、道路、現(xiàn)代物流及柔性制造系統(tǒng)中都有廣泛運用 ,已成為人工智能領域研究和發(fā)展的熱點。 國內(nèi)外智能車的研究現(xiàn)狀 智能汽車 是一種高新技術密集型 的新型汽車,是今后的主流汽車產(chǎn)品。正是基于 這一點,國際上正在形成智能汽車研究、設計、開發(fā)、競賽的熱潮。美國交通部已開始一項五年計劃,投入3500萬美元,與通用汽車公司合作開發(fā)一種前后防撞系統(tǒng)。 CMU大學的NabLab5實驗智能車是由 Potiac運動跑車改裝而成的,裝有便攜式計算機、攝像頭、 GPS全球定位系統(tǒng)、雷達和其他輔助設備。美國移動導航子系統(tǒng)( MNA)能計算出最佳行駛路徑,還能不斷地接收 現(xiàn)場的最新交通狀況,給出連續(xù)更新的指向,讓車輛始終沿著理想的路徑向前行駛。 在此基礎上,美國國防部與民間的大學、企業(yè)和發(fā)明家聯(lián)合開展了全球領先的智能汽車競賽。參賽的無人駕駛車倆的頭頂有旋轉的激光器,兩邊還有轉動的照相機,內(nèi)部安裝有電腦裝置。參賽的無人駕駛智能汽車沿著 附近的公路飛奔。同時,歐洲的一些國家正試驗智能速度適應( Intelligent Speed Adaptation, ISA)作為提高車輛安全性的手段,其構想是通過路邊標志信息或衛(wèi)星定位信息以及車載數(shù)字地圖進行車輛導航,并自動控制車輛速度。德國慕尼黑聯(lián)邦國防大學與奔馳汽車公司 合作研制開發(fā)了VaMP試驗車,它是由一輛豪華型的奔馳 500SEL改裝而成,視覺系統(tǒng)主要包括 道路檢測與跟蹤 RDT和障礙物檢測與跟蹤 ODT兩個模塊。 目前在日本,夜視和后視報警系統(tǒng)已應用在某些汽車上 ,三菱公司和尼桑公司已發(fā)布其近期可使用的防撞設備,前方防撞和車道偏離有望在 1~ 2年內(nèi)實現(xiàn)。日本智能公路( SmartWay)計劃中,提出車輛上采用諸如:車道保持、十字路口防撞、行人避讓和車距保持等 Ⅳ項技術。 韓國借助于本國當前蓬勃發(fā) 展的汽車工業(yè),致力于全新的智能汽車技術在年輕一代中的跨越式發(fā)展,在全國率先開展了大學智能汽車競賽。 國內(nèi)智能汽車的研究 也不斷發(fā)展。 清華智能車 THMR V 采用分層遞階的體系結構 ,基于以大網(wǎng)通信 ,集成有 CCD、 攝像機、激光雷達、磁羅盤 光碼盤、 GPS 等多種傳感器 ,并建 立了相應 東北大學秦皇島分校畢業(yè) 設計(論文) 第 3 頁 的方向、油門、剎車三個自動控制系統(tǒng)。清華智能車 THMR V 課題組在車道線自動跟蹤技術研究方面處于國內(nèi)領先 ,達到國際先進的水平 。國防科大成功試驗了第四代無人駕駛汽車,它的最高時速達到了 。 本文內(nèi)容及結構 安排 本文所述智能車就是一種自動導引小車 ,能夠在給定的區(qū)域內(nèi)沿著軌跡自動進行行進。智能車尋跡系統(tǒng)采用紅外反射式光電管識別路徑上的黑線 ,并以最短的時間完成尋跡 ,用單片機 MC9S12DG128掃描光電傳感器組 , 對采集到的信號進行分析處理并做出邏輯判斷后 , 得到行進方向 ,再通過加長轉臂的舵機驅動前輪轉向 ,實現(xiàn)智能車的循跡行進。 論文共六章,包括小車的框架結構、智能車模型的調整、小車的硬件和軟件的設計和控制算法的研究等。 第三章為智能車模型的機械結構調整,分別介紹了智能車模 型的基本參數(shù),以及車體 前輪傾角、舵機力臂、車體重心、 后輪差 速和 齒輪不同程度調整對智能車性能的影響;第四章為智能車的硬件系統(tǒng)設計,介紹了 構成系統(tǒng)的 電源管理模塊,路徑識別模塊、車速檢測模塊、顯示模塊、轉向舵機控制模塊和直流電機驅動模塊;第五章為智能車軟件系統(tǒng)設計,包括小車軟件設計的整體流程,時鐘模塊初始化, A/D 模塊初始化, PWM 模塊初始化, ECT 模塊初始化,以及小車控制算法的研究;第六章介紹了在智能車設計過程中遇到的一系列問題和解決辦法 。實現(xiàn)智能車的路徑識別功能有多種方式,針對此大體有以下兩種方案: 1)使用 CCD攝像頭進行圖像采集和識別。此種方法雖然有分辨率比較高,對路面的信息處理準確等優(yōu)點,但對硬件處理速度和軟件算法的要求都比較嚴格,實時性欠佳,且成本較大。這種傳感器 在智能識別技術中有著廣泛的應用。 缺點也是顯而易見的,分辨率不高,易受外界環(huán)境光線影響,同時占用單片機端口比較多。 紅外傳感器 尋跡原理 光電傳感器按檢測方式通常分為對射式和反射式。紅外反射式光電傳感器工作時會受到多種不確定因素的影響 ,如反射表面的形狀、 顏色、光潔度 ,以及日光等 ,因此 ,為了提高系統(tǒng)的可靠性和準確性 ,通常是將發(fā)射信號經(jīng)調制后送紅外管發(fā)射 ,再由光敏管接收調制的紅外信號 [3]。 接收的反射光強度經(jīng)檢測電路轉換得到的輸出信號電壓 Vout 是反射面與傳感器之間距離 x 的函數(shù) ,當反射面物質為同種物質時 , x 與 Vout 的響應曲線是非線性的 ,如圖 1 所示。 東北大學秦皇島分校畢業(yè) 設計(論文) 第 5 頁 圖 輸出信號與距離的關系曲線 當 x 一定時 , 接收的反射光強度還與反射面的特性有 關。如果紅外線照射 黑色標志線 ,黑色標志線會吸收大部分紅外光 ,紅外接收管接收到紅外線強度就很弱。 紅外光電傳感器的輸出可分為數(shù)字式與模擬式兩種。模擬式紅外傳感器輸出 的模擬信號 ,通過將多個模擬式紅外傳感器進行適當?shù)慕M合形成光電傳感器陣列 ,可以再現(xiàn)道路的準確信息 ,具有較高的可靠性與穩(wěn)定性。實際工作時利用傳感器對白色和黑色的反射率大小 ,把最大、最小值之間分為 n 個 index 區(qū)間 , 通過對各個傳感器 index 值的組合來獲得車身相對路徑標志線的位置 ,從而對位置和行駛方向都能做較精確的控制。 布局相關參數(shù) ( 1)傳感器間隔 各個傳感器的布局間隔對智能車行車是有一定的影響的。如果將間隔設計成小于 25mm,從而產(chǎn)生更多的情況,有利于模型車與道路偏移距離的判斷。20mm 間隔的最大限制速度在 3m/s, 40mm 間隔的最大限制速度則為 。 13mm內(nèi),而 20mm 的則在177。 ( 2)徑向探出距離 徑向探出距離是指光電傳感器離車頭的徑向距離。對于未知的路徑,如果能早一步了解到前方道路的情況,那么就可以早些做出調整,從而使車以相應最優(yōu)策略通過道路。因此,為了既能增加徑向距離,又不引起重心偏移,本文可以采用帶傾角的傳感器安裝方式。對于不同的間隔選 擇, 其出現(xiàn)情況數(shù)也相對不同。首先,對于傳感器有輸出值的 (即其中有一傳感器照到黑道 )情況,則根據(jù)其所在的位置進行相應控制;其次,對于迷失情況,可利用之前哪 東北大學秦皇島分校畢業(yè) 設計(論文) 第 7 頁 個傳感器輸出情況來推斷模型車時進入了哪一段區(qū)域。 ( 2)八字型布局 八字型布局從橫向來看與一字型類似,但它增加了縱向的特性,從而具有了一定的前瞻性。 值得一提的是,由于縱向的排列不一致,就比一字型更增加了多傳感器同時感應 的可能性 (一字型只可能是所有傳感器同時感應,而八字型則可能出現(xiàn)幾個傳感器同時感應的現(xiàn)象 )。 最終選定一字型排布方式。 對應選取波長與 HIR383 相近的 pt334 作為接收管。此外,由于采用分離式紅外接收 管,增大了發(fā)射功率和發(fā)射半徑,相鄰的紅外發(fā)射管會對同一個接收管產(chǎn)生干擾,因此,給每個接收管套上熱縮管,使得每個接收管只在相對應的一小塊區(qū)域內(nèi)接受紅外信號。車模底盤參數(shù)優(yōu)化和前輪參數(shù)優(yōu)化等調整可以保證車體在機械結構方面具有良好的性能,使其擁有較強的執(zhí)行能力,其重要性絲毫不亞 于良好的控制決策 ;而保證被控對象的輕便與靈活同樣有利于提高控制效果 。 賽車參數(shù) 我們選用 1/10 Matiz 仿真車模。 表 車模基本尺寸 基本參數(shù) 尺寸 軸距 197mm 前輪距 124mm 后輪距 136mm 車輪直徑 5cm 車長 316mm 車寬 172mm 傳動比 18/76 智能車參數(shù)(如表 ): 東北大學秦皇島分校畢業(yè) 設計(論文) 第 10 頁 表 模型車主要 技術參數(shù)說明 車模長( cm) 車模寬( cm) 車模高( cm) 13 電路功耗 2A 探測距離( cm) 32 傳感器個數(shù) 13 車模重量( kg) 增加電機個數(shù) 0 賽道檢測精度 5ms 賽道檢測頻率(次 /S) 20 舵機安裝方式調整 舵機轉動一定角度有時間延時,時間延時正比于旋轉過的角度,反比于舵機的響應速度。提高舵機響應速度有 二個方法,一是提高舵機的工作電壓;二是在機械上進行調整,根 據(jù)杠桿原理, 將舵機的輸出舵盤適當加長,將轉向傳動桿連接在加長的輸出盤的末端。 前輪定位 現(xiàn)代汽車在正常行駛過程中,為了使汽車直線行駛穩(wěn)定,轉向輕便,轉向后能自動回正,并減少輪胎和轉向零件的磨損等,在轉向輪、轉向節(jié)和前軸之間須形成一定的相對安裝位置,稱作車輪定位,其主要定位參數(shù)包括 :主銷后傾、主銷內(nèi)傾、車輪外傾和前束。 主銷后傾角 主銷指轉向輪在轉向是圍繞其轉動的軸。采用主銷后請的原因是由于汽車在車輪偏轉后會產(chǎn)生一回正力矩,糾正車輪 東北大學秦皇島分校畢業(yè) 設計(論文) 第 11 頁 的偏轉。而回正力矩過大,會引起前輪回正過猛,加速前輪擺震,并導致轉向沉重 。 甚至小于 0176。車速高時發(fā)飄,更容易在直道行駛時產(chǎn)生震蕩。 的情況下,前輪的轉向能力明顯受到限制,表現(xiàn)為轉向沉重,控制滯后嚴重。 基于以上分析,結合試驗,將主銷后傾角 γ 調整為 2176。這種情況下,汽車轉向較靈活,而且在高速行駛 的時候,轉向后車體有一定的自動回正能力,可以使車體運動軌跡更加平穩(wěn),行駛路線平滑。主銷內(nèi)傾角 β 也有利于車輪自動回正作用。另外,主銷內(nèi)傾還會使主銷軸線延長線與路面的交點到車輪中心平面的距離減小,同時轉向時路面作用在轉 向輪上的阻力矩也會減小,從而可減小轉向時駕駛員 (舵
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