智能小车控制系统设计-哈尔滨理工大学毕业论文.doc

1、哈尔滨理工大学学士学位论文+ 哈尔滨理工大学毕业设计（论文）评语学生姓名： 学号：学 院：自动化学院 专业：自动化任务起止时间： 2010年 3月 8日至 2010年 6月 25日毕业设计（论文）题目：智能小车控制系统设计指导教师对毕业设计（论文）的评语：论文论述了智能小车的制作与控制，介绍了基本原理，在此基础上进行基于单片机系统的软硬件设计，实现了对小车的控制，最终实现智能化。该论文结构合理，格式规范，语言流畅，方案设计合理，理论分析正确，达到了本科毕业学位论文要求，同意参加答辩。指导教师签名： 指导教师职称： 工程师 评阅教师对毕业设计（论文）的评语：评阅教师签名： 评阅教师职称： 答辩委

2、员会对毕业设计（论文）的评语：答辩委员会评定，该生毕业设计（论文）成绩为： 答辩委员会主席签名： 职称： 年 月 日 教务处制表- II -哈尔滨理工大学毕业设计（论文）任务书学生姓名： 学号：学 院：自动化学院 专业：自动化任务起止时间： 2010年 3月 8日至 2010年 6月 28日毕业设计（论文）题目：智能小车控制系统设计毕业设计工作内容：了解控制原理及设计规律，在此基础上进行智能小车系统的软硬件设计。时间安排如下：第 12 周：查阅相关资料并翻译外文资料；第 34 周：学习智能车的相关知识，开发出最小系统板；第 56 周：熟悉智能车的工作原理及开发调试过程；第 79 周：对智能车的

3、各项参数进行测定并分析；第1012周：对智能车硬件结构进行设计；第1314周：利用keil编写上位机程序，并进行程序的调试；第1516周：书写论文的初稿，进一步完善控制系统及功能；第 17 周： 修改并完成书面论文，准备答辩。资料：1 飞思卡尔半导体公司全国大学生智能车竞赛与飞思卡尔S12单片机.单片机与入式系统应用J2007，(8)：78-792 徐鹤浅谈自动导向车(AGV)原理与应用J天津成人高等学校联合学报2005，7(5)：50-523 ChenBothe electric power drags along to move automatic control systemversio

4、n 2，Peking:the machine industrial publisher 2000：127-1304 高月华.基于红外光电传感器的智能车自动寻迹系统设计J半导体光电，2009，30(1)：134-137指导教师意见：签名：年 月 日系主任意见：签名：年 月 日智能小车控制系统设计摘要智能作为现代的新发明，是以后的发展方向，他可以按照预先设定的模式在一个环境里自动的运作，不需要人为的管理，可应用于科学勘探等等的用途。智能小车就是其中的一个体现。智能小车，也称轮式机器人，是一种以汽车电子为背景，涵盖智能控制、模式识别、传感技术、电子电气、计算机、机械等多学科的科技创意性设计。一般主要

5、由路径识别、速度采集 、角度控制及车速控制等模块组成。本次设计的简易电动智能小车，采用STC89C52单片机作为小车的检测和控制核心，充分利用了自动检测技术、单片机最小系统、液晶显示模块电路，以及声光信号的控制、电机的驱动电路。通过Keil C和PROTEUS的仿真，实践操作与调试，最终实现小车的寻迹、自动往返与避障等功能。综合运用单片机技术、自动控制理论、检测技术等。使小车能在无人操作情况下，借助传感器识别路面环境，由单片机控制行进，实现初步的无人控制。单片机具有体积小、重量轻、耗电少、功能强、控制灵活方便且价格低廉等优点。单片机的应用正从根本上改变着传统的控制系统设计思想和设计方法。本设计

6、以单片机为核心，附以外围电路，采用反射型光电探测器进行寻迹操作，利用光电传感器检测道路上的障碍，运用单片机的运算和处理能力来实现小车的各种功能，最终实现简单的智能化。关键词智能；单片机；检测和控制The Design of Automatic Cars SystemAbstractIntelligent as modern new invention, is a later development direction, he can operate in an environment automaticlly accroding to pre-set modes, without the ne

7、ed of human management and can be used in scientific exploration and so on purpose. Intelligent car is one of the embodiment.Intelligent car, also called wheeled robot, is a kind of taking automobile electronic as a background, covers intelligent control, pattern recognition, the sensing technology,

8、 electrical and electronic, computer, machinery and multidisciplinary technology creative design. Generally consists mainly of path recognition, speed acquisition, angle control and speed control module.The simple dynamoelectric intelligence car of this design adopts the STC89C52 MCU as the examinat

9、ion and control core of the car, make full use of the automatic detection technology, MCU smallest system, LCD module circuit, the control of signal, and the motor drive circuit. Through the simulation Keil C and PROTEUS, practice and debugging, finally realize the car tracing, automatic round-trip

10、and obstacle avoidance, and other functions. Comprehensive use of microcontroller technology, automatic control theory, the detection technology, etc. That car in unattended operation circumstance, using sensor identify road environment. Travel by single-chip microcomputer control, realize the preli

11、minary unmanned control.MCU has advantages for its small volume, light weight, less consumption, powerful functions, flexible operations and low in price. The application of MCU is fundamentally changing the traditional control system design ideas and design method.This design adopts MCU as controll

12、er core, attached to peripheral circuit, use reflective photoelectric detector tracing operation, using photoelectric sensor detection road barriers, using MCUs operation and processing power to achieve car all sorts of functions, and finally achieve simple intelligent.Keywords automatic；MCU；detecti

13、on and control- II -哈尔滨理工大学学士学位论文目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.1.1 研究目的与意义11.2 国内外文献综述21.3 论文研究内容3第2章 系统方案论证与分析42.1 小车构架方案论证42.2 电机选择方案论证42.3 电机驱动方案论证52.4 供电电源方案论证62.5 寻迹检测方案论证62.6 避障方案论证62.7 无线遥控方案论证72.8 控制方案论证72.9 本章小结8第3章 硬件设计93.1 硬件原理图93.2 控制电路设计93.2.1 STC89C52单片机硬件结构93.2.2 最小系统的设计103.2.3 下载端

14、口设计123.3 电源模块设计143.4 电机驱动模块设计143.5 寻迹模块设计173.6 避障模块设计183.7 遥控模块设计203.8 本章小结20第4章 软件设计214.1 软件设计环境简介214.1.1 Keil开发环境介绍214.1.2 STC_ISP程序下载说明234.2 寻迹程序设计244.3 避障程序设计254.4 遥控程序设计264.5 主程序设计284.6 本章小结28结论29致谢30参考文献31附录A32附录B42附录C46第1章 绪论1.1 课题背景2010年10月1日18时59分57秒345毫秒，嫦娥2号点火，19时整成功发射。在飞行后的29分53秒时，星箭分离，卫

15、星进入轨道。19时56分太阳能帆板成功展开这次探月卫星的成功发射，标志着中国自动化领域进入了一个新的阶段。随着自动化的发展，自动化开始向复杂的系统控制和高级的智能控制发展，并广泛地应用到国防、科学研究和经济等各个领域，实现更大规模的自动化，例如大型企业的综合自动化系统、全国铁路自动调度系统、国家电力网自动调度系统、空中交通管制系统、城市交通控制系统、自动化指挥系统、国民经济管理系统等。自动化的应用正从工程领域向非工程领域扩展，如医疗自动化、人口控制、经济管理自动化等。自动化将在更大程度上模仿人的智能，机器人已在工业生产、海洋开发和宇宙探测等领域得到应用，专家系统在医疗诊断、地质勘探等方面取得显

16、著效果。工厂自动化、办公自动化、家庭自动化和农业自动化将成为新技术革命的重要内容，并得到迅速发展。智能小车，也称轮式机器人，是一种以汽车电子为背景，涵盖智能控制、模式识别、传感技术、电子电气、计算机、机械等多学科的科技创意性设计，更是自动化的一种综合体现。一般主要由路径识别、速度采集、角度控制及车速控制等模块组成。近些年来全国电子大赛和省内电子大赛几乎每次都有智能小车这方面的题目，全国各高校也都很重视该题目的研究，可见其研究意义很大，也正因此掀起了智能车研究的一股热潮1。1.1.1 研究目的与意义小车，也就是轮式机器人，最适合在那些人类无法工作的环境中工作，该技术可以应用于无人驾驶机动车，无人

17、生产线，仓库，服务机器人等领域。在危险环境下，机器人非常适合使用。在这些险恶的环境下工作，人类必需采取严密的保护措施。而机器人可以进入或穿过这些危险区域进行维护和探测工作，且不需要得到像对人一样的保护。例如美国的“勇气”号和“机遇”号，在火星探测过程中分别在其着陆区域附近找到火星上过去曾有过水的证据，为人类对火星的探测做出了巨大的贡献1。机器人的应用正逐步渗入到工业和社会的各个层面，如采用带有专用新型传感器的移动式机器人，连续监视采矿状态，以便及早发现事故突发的先兆，采取相应的预防措施；智能轮椅运用口令识别与语音合成、机器人自定位、动态随机避障、多传感器信息融合、实时自适应导航控制等功能，运用

18、了现代高新技术来改善残障人们的生活质量和生活自由度。在智能车辆领域，智能小车自动行驶功能的研究将有助于智能车辆的研究。智能车辆驾驶任务的自动完成将给人类社会的进步带来巨大的影响，例如能切实提高道路网络的利用率、降低车辆的燃油消耗量，尤其是在改进道路交通安全等方面提供了新的解决途径。“工欲善其事，必先利其器”。人类在认识自然、改造自然、推动社会进步的过程中，不断地创造出各种各样为人类服务的工具，其中许多具有划时代的意义。作为20世纪自动化领域的重大成就，机器人已经和人类社会的生产、生活密不可分。因此为了使智能小车工作在最佳状态，进一步研究及完善其速度和方向的控制是非常有必要的。本文所研究的内容涉

19、及寻迹、避障、人工操控等多种功能，初步实现智能化，可做为各类科研的基础模型，具有较大的研究空间，适合于多种领域的智能化研究与开发。1.2 国内外文献综述智能车辆的研究始于20世纪50年代初，美国Barrett Electronics公司开发出的世界上第一台自动引导车辆系统(Automated Guided Vehicle System，AGVS)。1974年，瑞典的VolvoKalmar轿车装配工厂与Schiinder-Digitron公司合作，研制出一种可装载轿车车体的AGVS，并由多台该种AGVS组成了汽车装配线，从而取消了传统应用的拖车及叉车等运输工具。由于Kalmar工厂采用AGVS获

20、得了明显的经济效益，许多西欧国家纷纷效仿Volvo公司，并逐步使AGVS在装配作业中成为一种流行的运输手段。在世界科学界和工业设计界中，众多的研究机构正在研发智能车辆，使智能车技术迅速展起来。德意志联邦大学已经研发出多辆智能原型车辆。在1985年，第一辆VaMoRs智能原型车辆就已经在户外高速公路上以l00kmh的速度进行了测试。使用机器视觉来保证横向和纵向的车辆控制。1988年，在都灵的PROMETHEUS项目第一次委员会会议上，智能车辆维塔(VrrA)进行了展示，该车可以自动停车、行进，并可以向后车传送相关驾驶信息。这两种车辆都配备UBM视觉系统。这是一个双目视觉系统，具有极高的稳定性，同

21、时还包括一些其他种类的传感器：三个加速度计、一个车轮位置编码器(可作为里程表或速度计)，在VaMoRs车中，ZIPS接收机可以实现车辆位置的初步估算。美国俄亥俄州立大学智能交通研究所所研发的三辆智能原型车辆，配备不同的传感器来实现数据融合和错误检测技术：基于视觉的系统；雷达系统(检测与车道的横向位置)；激光扫描测距器(障碍物检测)；其他传感器，如侧向雷达、转向陀螺仪。利用基于视觉的方法实现道路检测。利用一台安装在后视镜处的CCD摄像机，位置要尽可能高，车道检测系统可以处理这样的单幅灰度图像。算法假设道路是水平地，并且有连续或点化的车道标志线。前几帧检测的车道标志线数据也用来决定下一步兴趣热点区

22、域，以简化图像处理。算法从图像中提取出重要的亮域，并以向量行驶存储，如道路消失点或道宽这样的数据参数，都可以作为计算车道标志线的参考，最后为了处理点划车道线，可以通过一阶多项式曲线来拟合，在进行向量计算。如果检测到左右车道标志线，就可以利用左右标志线来估计车道中心线；否则也可以利用估计的车道宽度及相关可视标志来估算中心线2。在我国，吉林大学智能车辆课题组长期从事智能车辆自主导航机理及关键技术研究。20世纪90年代以来，课题组开展的组态式柔性制造单元及图像识别自动引导车的研究对我国独立自主开发一种新型自动引导车辆系统，从而为我国生产组织模式向柔性或半柔性生产组织转化提供了有意义的技术支撑和关键设

23、备。另外，我国清华大学、北京理工大学等单位也正在研发智能车辆。汽车自主驾驶技术是集模式识别、智能控制、计算机科学和汽车操纵动力等多门学科于一体的综合性技术，汽车自主驾驶功能水平的高低常被用来作为衡量一个国家控制技术水平的重要标准之一。智能车辆的相关技术，也将为促进轮式机器人的研究。 1.3 论文研究内容本课题主要开发一个基于路径处理的的智能小车控制系统，通过该系统，我们可以给小车给定一条轨迹，使其按预定路径行始。小车可以独自运行，也可人工及时操控调整，使其按正确的轨迹运行。本文主要有以下内容：1.智能小车相关领域的研究现状，本文首要介绍了与智能小车相关的机器人、智能车辆的发展历史、国内外研究现

24、状。2.智能小车硬件系统的设计。详细介绍智能小车硬件电路的设计与实现。智能小车选择STC89C52单片机最小系统作为核心控制单元，完成电源模块、传感器模块、直流电机驱动模块、路径识别模块、等功能模块的设计。3.障基本原理。采用光电红外对管来识别路径，红外发射管与红外一体接收头来识别障碍。4.控制原理。采用红外识别，遥控器解码技术，来控制小车的行进方向，从而达到人工操控的目地。5.行实车试验，对小车进行调试。第2章 系统方案论证与分析本章主要介绍方案的选择与分析，主要包括单片机模块、电源模块、电机驱动模块、黑线检测模块以及液晶显示模块的方案选择与分析。2.1 小车构架方案论证小车行走机构的方案分

25、析与选择：方案一：履带式行走机构：运行平稳、可靠，走直线效果很好；但结构相对复杂、移动速度较慢，转弯过程的控制性能较差。方案二：腿式行走机构：可以走出多种复杂的路线，但结构复杂、运动中的平衡性和稳定性差、移动速度较慢。方案三：两轮式行走机构：结构简单、运动平稳、移动速度快、转弯性能好，且易于控制，适用于小功率的行走驱动。方案四：四轮式行走机构：结构简单、运动平稳、移动速度快、易于控制。通过以上四种方案的优缺点，方案三与方案四可具有较大的可行性，但四轮式行走机构需要四个电机，控制算法相对复杂，且需要很大的驱动电流，对硬件要求较高，而两轮式能满足此设计要求，且结构简单，算法方便，要求驱动电流小，硬

26、件结构简单。本设计以对称结构，简单方便为主，固综上考虑，采用方案三的设计思想。2.2 电机选择方案论证电动机选择方案与分析：方案一：采用步进电机：步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角，这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。所以，若采用步进电机作为该系统的驱动电机，由于其转动的角度可以精确定位，可以实现小车前进距离和位置的精确定位。方案二：采用直流电机

27、：采用直流减速电机，直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便，过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现无级快速启动、制动和反转；能满足各种不同的特殊运行要求。很方便的就可以实现通过单片机对直流减速电机前进、后退、停止等操作。通过以上两种方案的比较，两种方案均具有较大的可行性，但步进电机并不能象普通的直流电机、交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高的转速时会急剧下降，其转速较低时不适于小车等对速度有一定要求的系统。在价格方面，直流电机低于步进电机，易于购买，且对硬件要简单，完全可以实

28、现此设计的要求，固综上考虑，此次设计采用直流电机作为动力源。2.3 电机驱动方案论证小车运行过程中要求电动机的转速在一定范围内调节,调速范围根据负载的要求而定。由公式(2-1) (2-1)N：电枢转速, ：电机端电压, ：电机端电流,：电枢电阻, ：常数, ：各极总磁通可以看出,调速可以有三种方法:1.改变电机端电压,即改变电枢电源电压；2.改变磁通,即改变激磁回路的调节电阻以改变激磁电流；3.在电枢回路中串联调节电阻。此时的转速公式(2-2)为： (2-2) 在实际电路设计中，改变电机的磁通或调节枢回路中串联调节电阻并不方便、实用。因此，主要选择通过改变电机两端电压的方法来实现电机的调速控制

29、。下面是通过调节电机两端电压达到调速目的的三种方案：方案一：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。但是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电动机的电阻很小，但电流很大，分压不仅会降低效率且实现困难。方案二：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。这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏，寿命较短、可靠性不高。方案三：采用由达林顿管组成的H型PWM电路。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,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

30、常高。H型电路保证了可以简单的实现转速和方向的控制。电子开关的速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的PWM调速技术。L298为SGS-THOMSON Microelectronics所出产的双全桥步进电机专用驱动芯片(Dual Full-Bridge Driver) ，可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。内含二H-Bridge的高电压、大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑准位信号，可驱动46V、2A以下的步进电机，输出电压最高可达50V。可以直接通过电源来调节输出电压，可以直接用单片机的IO口提供信号，而且电路简单，使用比较方便。PWM脉宽调制实际上就是改变电机端电压的平均值从而进行调速的一种方法。这种方法便于与单片机等数字系统接口，实现方便，而前两种方法必须要配合一定的外围模拟电路才能达到单片机控制目的，基于以上分析, 在电动机驱动模块上拟选定采用PWM脉宽调制方法。选用L298双全桥驱动芯片。2.4 供电电源方案论证供电电源方案的选择与分析：方案一：采用两个电源供电，将电动机驱动电源与单片机以及其周围电路电源完全隔离，利用光