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单片机智能循迹避障小车

2015-12-20  神域奇景

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  第一章 绪 论


  1.1智能小车的意义和作用


  1.2智能小车的现状


  第二章 方案设计与论证


  2.1 主控系统


  2.2 电机驱动模块


  2.3 循迹模块


  2.4 避障模块


  2.5 机械系统


  2.6电源模块


  第三章 硬件设计


  3.1总体设计


  3.2驱动电路


  3.3信号检测模块


  3.4主控电路


  第四章 软件设计


  4.1主程序模块


  4.2电机驱动程序


  4.3循迹模块


  4.4避障模块


  第五章 制作安装与调试


智能循迹避障小车

摘 要:利用红外对管检测黑线与障碍物,并以STC89C52单片机为控制芯片控制电动小汽车的速度及转向,从而实现自动循迹避障的功能。其中小车驱动由L298N驱动电路完成,速度由单片机输出的PWM波控制。


关键词:智能小车;STC89C52单片机L298N;红外对管


第一章 绪论

1.1智能小车的意义和作用


自第一台工业机器人诞生以来,机器人的发展已经遍及机械、电子、冶金、交通、宇航、国防等领域。近年来机器人的智能水平不断提高,并且迅速地改变着人们的生活方式。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。


随着科学技术的发展,机器人的感觉传感器种类越来越多,其中视觉传感器成为自动行走和驾驶的重要部件。视觉的典型应用领域为自主式智能导航系统,对于视觉的各种技术而言图像处理技术已相当发达,而基于图像的理解技术还很落后,机器视觉需要通过大量的运算也只能识别一些结构化环境简单的目标。视觉传感器的核心器件是摄像管或CCD,目前的CCD已能做到自动聚焦。


但CCD传感器的价格、体积和使用方式上并不占优势,因此在不要求清晰图像只需要粗略感觉的系统中考虑使用接近觉传感器是一种实用有效的方法。


机器人要实现自动导引功能和避障功能就必须要感知导引线和障碍物,感知导引线相机器人一个视觉功能。避障控制系统是基于自动导引小车(AVGauto-guide vehicle)系统,基于它的智能小车实现自动识别路线,判断并自动避开障碍,选择正确的行进路线。使用传感器感知路线和障碍并作出判断和相应的执行动作。


该智能小车可以作为机器人的典型代表。它可以分为三大组成部分:传感器检测部分、执行部分、CPU。机器人要实现自动避障功能,还可以扩展循迹等功能,感知导引线和障碍物。可以实现小车自动识别路线,选择正确的行进路线,并检测到障碍物自动躲避。


基于上述要求,传感检测部分考虑到小车一般不需要感知清晰的图像,只要求粗略感知即可,所以可以舍弃昂贵的CCD传感器而考虑使用价廉物美的红外反射式传感器来充当。智能小车的执行部分,是由直流电机来充当的,主要控制小车的行进方向和速度。


单片机驱动直流电机一般有两种方案:第一,勿需占用单片机资源,直接选择有PWM功能的单片机,这样可以实现精确调速;第二,可以由软件模拟PWM输出调制,需要占用单片机资源,难以精确调速,但单片机型号的选择余地较大。考虑到实际情况,本文选择第二种方案。CPU使用STC89C52单片机,配合软件编程实现。


1.2智能小车的现状

现智能小车发展很快,从智能玩具到其它各行业都有实质成果。其基本可实现循迹、避障、检测贴片、寻光入库、避崖等基本功能,这几节的电子设计大赛智能小车又在向声控系统发展。比较出名的飞思卡尔智能小车更是走在前列。我此次的设计主要实现循迹避障这两个功能。

第二章 方案设计与论证

根据要求,确定如下方案:在现有玩具电动车的基础上,加装光电检测器,实现对电动车的速度、位置、运行状况的实时测量,并将测量数据传送至单片机进行处理,然后由单片机根据所检测的各种数据实现对电动车的智能控制。这种方案能实现对电动车的运动状态进行实时控制,控制灵活、可靠,精度高,可满足对系统的各项要求。


2.1 主控系统

根据设计要求,我认为此设计属于多输入量的复杂程序控制问题。据此,拟定了以下两种方案并进行了综合的比较论证,具体如下:


方案一:

选用一片CPLD(如EPM7128LC84-15)作为系统的核心部件,实现控制与处理的功能。CPLD具有速度快、编程容易、资源丰富、开发周期短等优点,可利用VHDL语言进行编写开发。但CPLD在控制上较单片机有较大的劣势。同时,CPLD的处理速度非常快,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,在这一点上,MCU就已经可以胜任了。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。为此,我们不采用该种方案,进而提出了第二种设想。


方案二:

采用单片机作为整个系统的核心,用其控制行进中的小车,以实现其既定的性能指标。充分分析我们的系统,其关键在于实现小车的自动控制,而在这一点上,单片机就显现出来它的优势——控制简单、方便、快捷。这样一来,单片机就可以充分发挥其资源丰富、有较为强大的控制功能及可位寻址操作功能、价格低廉等优点。因此,这种方案是一种较为理想的方案。


针对本设计特点——多开关量输入的复杂程序控制系统,需要擅长处理多开关量的标准单片机,而不能用精简I/O口和程序存储器的小体积单片机,D/A、A/D功能也不必选用。根据这些分析,我选定了P89C51RA单片机作为本设计的主控装置,51单片机具有功能强大的位操作指令,I/O口均可按位寻址,程序空间多达8K,对于本设计也绰绰有余,更可贵的是51单片机价格非常低廉。


在综合考虑了传感器、两部电机的驱动等诸多因素后,我们决定采用一片单片机,充分利用STC89C52单片机的资源。


2.2 电机驱动模块


方案一:

采用继电器对电动机的开或关进行控制,通过开关的切换对小车的速度进行调整.此方案的优点是电路较为简单,缺点是继电器的响应时间慢,易损坏,寿命较短,可靠性不高。


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。但电阻网络只能实现有级调速,而数字电阻的元器件价格比较昂贵。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2.1)。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。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下,效率非常高,H型桥式电路保证了简单的实现转速和方向的控制,电子管的开关速度很快,稳定性也极强,是一种广泛采用的 PWM调速技术。现市面上有很多此种芯片,我选用了L298N(如图2.2)。


这种调速方式有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大,能承受频繁的负载冲击,还可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转等优点。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。



图2.1 H桥式电路


图2.2 L298N


2.3 循迹模块

方案一:

采用简易光电传感器结合外围电路探测,但实际效果并不理想,对行驶过程中的稳定性要求很高,且误测几率较大、易受光线环境和路面介质影响。在使用过程极易出现问题,而且容易因为 该部件造成整个系统的不稳定。故最终未采用该方案。


方案二:

采用两只红外对管(如图2.3),分别置于小车车身前轨道的两侧,根据两只光电开关接受到白线与黑线的情况来控制小车转向来调整车向,测试表明,只要合理安装好两只光电开关的位置就可以很好的实现循迹的功能。(参考文献[3])


方案三:

采用三只红外对管,一只置于轨道中间,两只置于轨道外侧,当小车脱离轨道时,即当置于中间的一只光电开关脱离轨道时,等待外面任一只检测到黑线后,做出相应的转向调整,直到中间的光电开关重新检测到黑线(即回到轨道)再恢复正向行驶。现场实测表明,小车在寻迹过程中有一定的左右摇摆不定,虽然可以正确的循迹但其成本与稳定性都次与第二种方案。

通过比较,我选取第二种方案来实现循迹。


2.3 红外对管


2.4 避障模块

方案一:

采用一只红外对管置于小车中央。其安装简易,也可以检测到障碍物的存在,但难以确定小车在水平方向上是否会与障碍物相撞,也不易让小车做出精确的转向反应。


方案二

采用二只红外对管分别置于小车的前端两侧,方向与小车前进方向平行,对小车与障碍物相对距离和方位能作出较为准确的判别和及时反应。但此方案过于依赖硬件、成本较高、缺乏创造性,而且置于小车左方的红外对管用到的几率很小,所以最终未采用。


方案三:

采用一只红外对管置于小车右侧。通过测试此种方案就能很好的实现小车避开障碍物,且充分的利用资源而不浪费。(参考文献[3])

通过比较我采用方案三。


2.5 机械系统

本题目要求小车的机械系统稳定、灵活、简单,而三轮运动系统具备以上特点。


驱动部分:由于玩具汽车的直流电机功率较小,而小车上装有电池、电机、电子器件等,使得电机负担较重。为使小车能够顺利启动,且运动平稳,在直流电机和轮车轴之间加装了三级减速齿轮。


电池的安装:将电池放置在车体的电机前后位置,降低车体重心,提高稳定性,同时可增加驱动轮的抓地力,减小轮子空转所引起的误差。简单,而三轮运动系统具备以上特点。


2.6电源模块

方案一:

采用实验室有线电源通过稳压芯片供电,其优点是可稳定的提供5V电压,但占用资源过大。


方案二:

采用41.5V电池单电源供电,但6V的电压太小不能同时给单片机与与电机供电。


方案三:采用81.5V电池双电源分别给单片机与电机供电可解决方案二的问题且能让小车完成其功能。


所以,我选择了方案三来实现供电。

第三章 硬件设计

3.1总体设计

智能小车采用前轮驱动,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。将循迹光电对管分别装在车体下的左右。当车身下左边的传感器检测到黑线时,主控芯片控制左轮电机停止,车向左修正,当车身下右边传感器检测到黑线时,主控芯片控制右轮电机停止,车向右修正。


避障的原理和循线一样,在车身右边装一个光电对管,当其检测到障碍物时,主控芯片给出信号报警并控制车子倒退,转向,从而避开障碍物。


3.1.1主板设计框图如图3.1,所需原件清单如表3.1。



3.1 主板设计框图

3.1 元件清单

元件

数量

元件

数量

元件

数量

直流电机

2只

电阻

若干

集成电路芯片

若干

单片机

1 块

二极管

若干

电容

若干

红外对管

3只

蜂鸣器

1只

电位器

若干

12M晶振

1只

杜邦线

若干

玩具小车

1个

排针

若干





3.2驱动电路(参考文献[4])

电机驱动一般采用H桥式驱动电路,L298N内部集成了H桥式驱动电路,从而可以采用L298N电路来驱动电机。通过单片机给予L298N电路PWM信号来控制小车的速度,起停。其引脚图如3.2,驱动原理图如图3.3


3.2 L298N引脚图


3.3 电机驱动电路

3.3信号检测模块

小车循迹原理是小车在画有黑线的白纸 “路面”上行驶,由于黑线和白纸对光线的反射系数不同,可根据接收到的反射光的强弱来判断“道路”—黑线。笔者在该模块中利用了简单、应用也比较普遍的检测方法——红外探测法。

  红外探测法,即利用红外线在不同颜色的物理表面具有不同的反射性质的特点。在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光,当红外光遇到白色地面时发生漫发射,反射光被装在小车上的接收管接收;如果遇到黑线则红外光被吸收,则小车上的接收管接收不到信号,再通过LM324作比较器来采集高低电平,从而实现信号的检测。避障亦是此原理。电路图如图3.4。


市面上有很多红外传感器,

3.4循迹原理图

3.4主控电路

本模块主要是对采集信号进行分析,同时给出PWM波控制电机速度,起停。以及再检测到障碍报警等作用。其电路图如图5


3.5 主控电路


第四章 软件设计


4.1 主程序框图:


图4.1 主程序框图


4.2电机驱动程序

void goahead()

{

s1=1;

s2=0;

s3=1;

s4=0;

}

void goback()

{

s1=0;

s2=1;

s3=0;

s4=1;

}

void turnleft()

{

s3=1;

s4=0;

}

void turnright()

{

s1=1;

s2=0;

}

void stop()

{

en1=0;

en2=0;

}


4.3循迹模块

循迹框图:


4.2 循迹框图


循迹程序:

void xunji()

{

if((left_red==1)&(right_red==1))

{

en1=1;

en2=1;

goahead();

delay(150);

en1=0;

en2=0;

delay(50);

}

else if((left_red==0)&(right_red==1))

{

en1=0;

en2=1;

P0_0=!P0_0;

turnleft();

delay(150);

en1=1;

en2=0;

delay(50);

}

else if((left_red==1)&(right_red==0))

{

en1=1;

en2=0;

P0_1=!P0_1;

turnright();

delay(150);

en1=0;

en2=1;

delay(50);

}

else

{

stop();

}

}

4.4避障模块

避障框图:


4.3 避障框图

避障程序:

void bizhang()

{

en1=1;

en2=1;

goback();

mid_red=0;

baojing();

goback();

for(i=0;i<8;i++)

{

en1=1;

en2=1;

delay(150);

en1=0;

en2=0;

delay(50);

}

stop();

delay(10);

turnleft();

for(i=0;i<11;i++)

{

en1=0;

en2=1;

delay(130);

en2=0;

delay(50);

}

stop();

delay(10);

goahead();

for(i=0;i<22;i++)

{

en1=1;

en2=1;

delay(130);

en1=0;

en2=0;

delay(50);

}

stop();

delay(10);

turnright();

for(i=0;i<18;i++)

{

en1=1;

en2=0;

delay(130);

en1=0;

delay(50);

}

xun: if((left_red==1)&(right_red==0))

{

loop: turnleft();

en1=0;

en2=1;

delay(30);

turnright();

en1=1;

delay(50);

en1=0;

delay(50);

en2=0;

delay(50);

if((left_red==1)&(right_red==1))

{

;

}

else

{

goto loop;

}

}

else

{

en1=1;

en2=1;

goahead();

delay(80);

en1=0;

en2=0;

delay(50);

goto xun;

}

}

第五章 制作安装与调试

5.1 PCB的设计制作与安装

采用DXP2004绘制原理图与PCB板,布线的过程中必须注意焊盘的大小与铜线的宽度。我选取的焊盘内径为0.8mm,外径2mm;铜线宽1mm。从做板的情况来看基本达到制作得要求。


采用螺丝将循迹板安装在车头,主板与电机驱动安装在车尾。


5.2 小车调试

通过改变循迹板滑动变阻器器的大小来调试红外对管的灵敏度,通过改变延时程序来改变速度的大小。下表为小车运行的情况:

5.1 小车调试情况

小车运行次数

成功循迹次数

成功避障次数

1

1

1

2

2

1

3

3

2

4

4

2

5

5

4

结束语

整个系统的设计以单片机为核心,利用了多种传感器,将软件和硬件相结合。本系统能实现如下功能:


1) 自动沿预设轨道行驶小车在行驶过程中,能够自动检测预先设好的轨道,实现直道和弧形轨道的前进。若有偏离,能够自动纠正,返回到预设轨道上来。


2)当小车探测到前进前方的障碍物时,可以自动报警调整,躲避障碍物,从无障碍区通过。小车通过障碍区后,能够自动循迹


3)自动检测停车线并自动停车。

从运行情况来看循迹的效果比较好,避障的效果不是很好,我认为是由于电源不能稳定而是的小车的速度不好控制,这也是我这次设计最大的误区,没有选取稳定的电源。我相信如果实验条件和时间的允许下我肯定能解决这一问题。


通过本次设计我掌握了很多以前不熟练的东西,认识了很多以前不熟悉得东西,使我在人生上又进了一步。也认识到很多的不足。

参考文献


[1]郭惠,吴迅.单片机C语言程序设计完全自学手册[M].电子工业出版社,2008.10:1-200.

[2]王东锋,王会良,董冠强. 单片机C语言应用100例[M]. 电子工业出版社,2009.3:145-300.

[3]韩毅,杨天. 基于HCS12单片机的智能寻迹模型车的设计与实现[J].学术期刊,2008,29(18):1535-1955.

[4] 王晓明. 电动机的单片机控制[J]. 学术期刊,2002,13(15):1322-1755.

[5]Yamato I , et al 1 New conversion system for UPS using high fre2

quency link[J ]1 IEEE PESC ,1988 :210-320.

[6]Yamato I , et al 1 High frequency link DC/ AC converter for UPS

with a new voltage clamper[J ]1IEEE PESC ,1990 :52-105.


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