自动寻迹、避障智能小车设计
1 绪论
1.1 课题研究的背景
从工业革命开始，人们就开始了机器人的研究发展，近一个世纪机器人在机械领域，电力电子，冶金，交通，航空航天，国防事业等多方面得到了迅猛的发展。智能化机器人的不断发展，使得人们的生活方式也得到了不断的改善。人们在不断探讨、改造、认识自然的过程中，制造能替代人劳动的机器一直是人类的梦想。
目前，在不断改进生产技术，不断提高自动化技术的环境下，智能车的发展得到了空前的发展，且已在众多行业中得到广泛应用，智能车及相关产品的开发已日渐成熟。而且，在世界经济多元化的环境下，很多国家都在积极开展研究和开发智能车。在二十世纪高新技术不断发展的时代，移动机器人是成为机器人技术的一个重要分支[1]。从1966年开始，斯坦福研究院Nils Nilssen和charles Rosen等人经过6年的研究，终于开发出一种自主式的移动机器人，且完成了机器人系统的自主推理、规划和控制。自此时以来，从无到有的移动机器人产生了，伴随着智能车数量的不断增加，移动机器人越来越受到人们的关注，且人类的生活水平也得到了一个提升。
一个拥有感知环境、规划决策，自动驾驶等功能的综合系统，构成了今天的智能车。它集中地运用了计算机、传感、信息、通信、导航及白动控制等技术[2]，是典型的高新技术综合体。在原有车辆系统的基础上，智能车添加了一些高新智能技术设备，如
1）用于完成来自外部传感器所获取的道路信息的预处理、分析、识别等工作的计算机处理系统;
2）传感器，用来获得道路实时状况信息的智能车眼睛;
随着微电子技术的不断发展，单片机不但集成程度越来越高，已可以在一块芯片上同时集成CPU、存储器、定时器／计数器、并行和串行接口、A／D 转换器、D／A 转换器等多种电路，而且体积越来越小，功耗越来越低，这就很容易将计算机技术与测量控制技术结合，组成智能化测量控制系统[3]。这种技术促使机器人技术也有了突飞猛进的发展，目前的机器人技术发展异常迅速，已经出现了各种各式的用于各种用途的机器人了，机器人的设计与制造已经不是很高难度的事情了，已经具有普及性了。
通过构建智能小车系统，培养设计并实现自动控制系统的能力。在实践的过程中，熟悉以单片机为核心控制芯片，设计小车的检测、驱动和显示等外围电路，采用算法实现小车的智能控制。灵活的运用所学的相关学科的理论知识，结合实际电路设计的具体
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淮南师范学院2013届本科毕业论文
实现方法，达到理论和实际的统一。在此过程中，加深对理论知识的理解和认识。且该设计具有实际意义，可以应用于考古、机器人、娱乐等许多方面。尤其是在玩具机器人研究方面具有很好的发展前景[4]。所以本设计与实际相结合，现实意义很强境感知、规划决策、自动行驶等功能于一体的综合系统——它集中地运用了计算机、传感、信息、通讯、导航、人工智能及自动控制等技术，是典型的高新技术综合体。 1.2 课题研究的主要内容
其实智能车，就是一个机器人，其可以分为三大结构：传感器检测、机械执行、中央处理器。智能车通过感知导引线和障碍物，可以实现自动循迹、避障等功能，且可以通过一套完整的控制策略，改善小车的行驶状况，达到更加稳定的状态。
要完成上述的功能设计，传感检测部分可以采用能够感知清晰的图像的摄像头，或者选用人们常用的红外传感器来感测路况。而智能小车的机械部分，可以采用四轮车（带有舵机）、或者三轮车（前轮为万向轮），电机则只需使用直流电机即可。对于主控芯片CPU，我们选择简单易用的51单片机或高级复杂额ARM等芯片，通过配合软件编程，可以很好的实现自动寻迹、避障的功能。
2 系统方案确定及主要元件的选择
2.1 系统方案确定
本次设计的智能小车实现的基本功能如下： ?实时检测路径，并按照指定路线行驶； ?实时检测障碍物，并躲过继续行驶； ?通过声音传感器，来对小车实现声控；
为此以AT89C51为主控芯片，主要包括避障模块、电源模块、声控模块、电机驱动模块等，系统框图如图2.3所示。通过寻迹及避障传感器来采集周围环境信息来反馈给CPU，通过主控的处理，来控制电机的运转，从而实现寻迹与避障，达到智能行驶。且本设计添加了声控效果，通过声音传感器来对小车发出指令，让其行驶与停止。
为了能够更好地完成本次设计任务，我们采用三轮车，其前轮驱动，前轮左右两边各用一个电机驱动，调制前面两个轮子的转速起停从而达到控制转向的目的，后轮是万象轮，起支撑的作用，并通过软件程序控制，与硬件架构相结合，从而实线自动寻迹、避障的功能。
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电源模块 AT89C51 单片机主控芯片 传感器采集
机械设施 图2.1 系统总体框 声控模块 2.2 主要元件的选择 2.2.1 主控器
按照题目要求，控制器主要用于控制电机，通过相关传感器对路面的轨迹信息进行处理，并将处理信号传输给控制器，然后控制器做出相应的处理，实现电机的前进和后退，保证在允许范围内实线寻迹避障。
方案一：可以采用ARM为系统的控制器，优点是该系统功能强大，片上外设集成度搞密度高，提高了稳定性，系统的处理速度也很高，适合作为大规模实时系统的控制核心。而小车的行进速度不可能太高，那么对系统处理信息的要求也就不会太高。若采用该方案，必将在控制上遇到许许多多不必要增加的难题。
方案二：使用51单片机作为整个智能车系统的核心。用其控制智能小车，既可以实现预期的性能指标，又能很好的操作改善小车的运行环境，且简单易上手。对于我们的控制系统，核心主要在于如何实现小车的自动控制，对于这点，单片机就拥有很强的优势——控制简单、方便、快捷，单片机足以应对我们设计需求[5]。51单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，功耗低、体积小、技术成熟，且价格低廉。
综合考虑，本设计选择选用AT89C51单片机做控制器。 2.2.2 供电单元
方案一：采用单电源供电，通过单电源同时对单片机和直流电机进行供电，此方案的优点是，减少机身的重量，操作简单，其缺点是，这样会使单片机的波动变大，影响单片机的性能，稳定性比较弱。
方案二：采用双电源供电，通过两个独立的电源分别对单片机和直流电机进行供电，此方案的优点是，减少波动，稳定性比较好，可以让小车更好的运作起。
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2.2.3 驱动电机选择
方案一：采用直流电机，优点在于硬件电路设计简单。当外加额定直流电压时，转速几乎相等，调速性能较好，且性价比高。对于小车的行驶，能够很好的控制。
方案二：采用步进电机，步进电机可以实现精确的转角输出，只要施加合适的脉冲序列，电机可以按照人们的预定的速度或方向进行连续的转动，便于控速，但是软件程序的编写较直流电机稍显复杂。
表2.1 电机性能对比
对比项 直流电机 步进电机 调速性能 较好 较差 位置控制精度 较差 好 控制难易程度 简单 较难 价格 低 中 综合考虑，本智能车设计决定采用直流电机作为智能车的动力电机。 2.2.4 电机驱动器
方案一：如果电机的开启和关闭控制通过继电器的来控制的话，该方案的优点是电路较简单的[6]，但响应速度很慢，且易损坏，使用寿命短，可靠性不是很高。
方案二：采用电阻网络或数字电位器调节电动机的分压，从而达到分压的目的。但 数字电阻元件比较昂贵，且电阻网络实现的调速很有限。更主要的问题在于一般的电动机电阻很小，但电流很大，分压不仅回降低效率，而且实现很困难。
方案三：采用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。线性型驱动的电路结构和原理简单，加速能力强，采用由达林顿管组成的H型桥式电路(如图2.2)。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态下，精确调整电动机转速，这是一种普遍使用的PWM技术。该电路由于在饱和截止模式下工作，效率很高，H桥电路保证速度和方向的简单控制。
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图2.2 H型桥式电路
H桥电路的调速特性好，且调速范围宽，过载能力强，且能承受频繁的负载冲击，还可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转。因此决定采用使用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。 2.2.5 传感器
本设计外围传感部分采集包括三大部分：寻迹部分，声音部分，避障部分。寻迹采用红外对管ST188，其采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体组成，采用非接触式检测方式，且检测距离可调范围较大。避障采用集成模块E18-D50NK，声音传感器则采用由电压比较器LM393及驻极体话筒构成的声音传感器模块。
3 系统硬件部分设计
3.1 主控器AT89C51
AT89C51单片机拥有4K bite ROM(Read Only Memory），且具有低电压、高性能8位微处理器的工作特性[7]。
单片机中的EEPROM存储器可以循环擦写100次。该装置选用了Atmel的高密度非易失性存储器制造技术制造，兼容现代MCS-51工业标准的指令集和输出管脚。TMEL公司的89C51是一种高效的微控制器，因其将8位CPU和FLASH存储器组合在一个芯片中，故其简单、方便、易使用。89C2051单片机是它的一种精简版。89C单片机制造成本低，且灵活度高，故被广泛应用于嵌入式控制系统中。
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