课程设计报告循迹小车的设计.docx
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课程设计报告循迹小车的设计
循迹小车的设计
摘要
智能循迹是基于自动引导机器人系统，用以实现小车自动识别路线，以及选择正确的路线。
智能循迹小车是一个运用传感器、单片机、电机驱动及自动控制等技术来实现按照预先设定的模式下，不受人为管理时能够自动实现循迹导航的高新科技。
该技术已经应用于汽车制造业、仓储业，食品加工业等多个行业。
本设计是基于单片机控制的电动小车，小车能够识别地上黑色轨迹线，实现循迹行走，包括电源模块、单片机模块、循迹模块、电机驱动模块。
其中单片机模块作为控制器模块以STC89C52单片机为控制核心，用单片机产生PWM波，控制小车速度。
利用红外光电传感器RPR220型光电对管对路面黑色轨迹进行检测,并将路面检测信号反馈给单片机。
单片机对采集到的信号进行分析判断,及时控制由芯片L298N驱动的电机以调整小车转向,从而使小车能够沿着黑色轨迹自动行驶,实现小车自动寻迹的目的。
在此基础利用E18-D80NK3-80cm可调红外避障传感器进行小车的避障扩展，还选用PT2262/PT2272组成的无线遥控模块对小车进行无线遥控。
本设计不仅给出了硬件设计流程、完整的硬件电路图和控制程序，还用PROTEUS实现了小车电机控制仿真。
关键词：
自动循迹；单片机；Proteus仿真
Designon AutomatedGuidedVehicle
Abstract
Intelligenttrackingisbasedonautomaticguidedrobotsystem,usedtomakethecarline,andchoosingtherightroute.AutomatedGuidedVehicleisauseofsensor,microcontroller,motordriveandautomaticcontroltechnologytoachieveaccordingtothepresetmode,withouthumanmanagementcanachieveautomatictrackingnavigationtechnology.Thistechnologyhasbeenappliedintheautomobilemanufacturingindustry,warehousingindustry,foodprocessingindustryandotherindustries.
ThedesignisbasedonSCMcontrolelectrictrolley,trolleycanbeidentifiedontheblackline,achievethetrackingofwalking,includingdrivingmodulepowersupplymodule,microcontrollermodule,trackingmodule,motor.TheMCUmoduleasthecontrollermodulewithSTC89C52ascontrolcore,usingmicrocontrollerPWMwave,controlcarspeed.ThetubeisusedfortracingtheuseofinfraredphotoelectricsensorRPR220typephotoelectric,androadtestsignalsbacktothescm.Analysisandjudgmentofthecollectedsignalmicrocontroller,timelycontrolofmotordrivenbythechipL298Ntoadjustthecarsteering,sothatthecarcantravelalongtheblackpathautomatically,realizethepurposeofautomatictracing.BasedonE18-D80NK3-80cmtunableinfraredsensorsforobstacleavoidanceofcarobstacleavoidance,alsousewirelessremotecontrolmodulecomposedofPT2262/PT2272forwirelessremotecontrolcar.
Thisdesignnotonlygivesthehardwarecircuitdiagramandprogramcontrolhardwaredesignflow,complete,wealsousePROTEUStoachievethecarmotorcontrolsimulation.
Keywords：
tracking，microcontroller,Proteussimulation
1绪论
进入二十一世纪，随着计算机技术和科学技术的不断进步，机器人技术较以往已经有了突飞猛进的提高，智能循迹小车即带有视觉和触觉的小车就是其中的典型代表。
1.1智能循迹小车概述
智能循迹小车又被称为AutomatedGuidedVehicle，简称AGV，是二十世纪五十年代研发出来的新型智能搬运机器人。
智能循迹小车是指装备如电磁，光学或其他自动导引装置，可以沿设定的引导路径行驶，安全的运输车。
工业应用中采用充电蓄电池为主要的动力来源，可通过电脑程序来控制其选择运动轨迹以及其它动作，也可把电磁轨道黏贴在地板上来确定其行进路线,无人搬运车通过电磁轨道所带来的讯息进行移动与动作，无需驾驶员操作，将货物或物料自动从起始点运送到目的地。
AGV的另一个特点是高度自动化和高智能化，可以根据仓储货位要求、生产工艺流程等改变而灵活改变行驶路径，而且改变运行路径的费用与传统的输送带和传送线相比非常低廉。
AGV小车一般配有装卸机构，可与其它物流设备自动接口，实现货物装卸与搬运的全自动化过程。
此外，AGV小车依靠蓄电池提供动力，还有清洁生产、运行过程中无噪音、无污染的特点，可用在工作环境清洁的地方。
1.1.1循迹小车的发展历程回顾
随着社会的不断发展，科学技术水平的不断提高，人们希望创造出一种来代替人来做一些非常危险，或者要求精度很高等其他事情的工具，于是就诞生了机器人这门学科。
世界上诞生第一台机器人诞生于1959年，至今已有50多年的历史，机器人技术也取得了飞速的发展和进步，现已发展成一门包含：
机械、电子、计算机、自动控制、信号处理，传感器等多学科为一体的性尖端技术。
循迹小车共历了三代技术创新变革：
第一代循迹小车是可编程的示教再现型，不装载任何传感器，只是采用简单的开关控制，通过编程来设置循迹小车的路径与运动参数，在工作过程中，不能根据环境的变化而改变自身的运动轨迹。
支持离线编程的第二代循迹小车具有一定感知和适应环境的能力，这类循迹小车装有简单的传感器，可以感觉到自身的的运动位置，速度等其他物理量，电路是一个闭环反馈的控制系统，能适应一定的外部环境变化。
第三代循迹小车是智能的，目前在研究和发展阶段，以多种外部传感器构成感官系统，通过采集外部的环境信息，精确地描述外部环境的变化。
智能循迹小车，能独立完成任务，有其自身的知识基础，多信息处理系统，在结构化或半结构化的工作环境中，根据环境变化作出决策，有一定的适应能力，自我学习能力和自我组织的能力。
为了让循迹小车能独立工作，一方面应具有较高的智慧和更广泛的应用，研究各种新机传感器，另一方面，也掌握多个多类传感器信息融合的技术，这样循迹小车可以更准确，更全面的获得所处环境的信息[1]。
1.1.2智能循迹分类
AGV从发明至今已经有50多年的历史，随着应用领域范围的不断扩大，其种类和形式也变得更加多样化。
一般根据行驶的导航方式将智能循迹小车分为以下几种类型：
（1）电磁感应式
电磁感应式引导一般在地面上，沿预定路径埋电线，当高频电流通过导线，电线周围产生电磁场流动，AGV小车上安装两个对称的电磁感应传感器，他们收到的电磁信号差异可以反映的AGV偏离程度路径的程度。
AGV自动化控制系统，基于这种偏差值，以控制车辆的转向，连续的动态的闭环控制设置能够保证AGV对设定路径的稳定自动跟踪。
在目前商业用途的AGV中，特别是大型和中型小车，绝大多数都采用电磁感应导航。
（2）激光式
安装有可旋转的激光扫描器的AGV，可安装在墙壁或有高反射激光定位标志的支柱上或者路径上运行，AGV依靠激光扫描器发射激光束，然后接收由四周定位标志反射回的激光束，车载计算机，计算出当前车辆的位置和运动方向，通过内置的数字地图和校准位置相比，以实现自动处理。
目前，这种AGV类型的应用比较广泛。
基于同样的原理，如果激光扫描仪被红外线发射器，或超声波发射取代，激光制导的AGV小车可以转变为红外引导和超声引导的AGV。
（3）视觉式
视觉引导式AGV是的迅速发展和比较成熟的AGV，这种AGV配备CCD摄像机，传感器和车载电脑，在车载计算机中设置有AGV欲行驶路径周围环境图像数库。
在AGV的行驶过程中，相机得到的图像与图像数据库进行比较，以确定当前位置和车辆周围的图像信息并对驾驶下一步作出决定。
这种AGV小车并不需要设置任何的人工物理路径，所以在理论上具有灵活性，在计算机图像采集，存储和处理技术飞速发展的今天，这种类型的AGV实用性越来越强。
此外，还有铁磁陀螺惯性引导式AGV、光学引导式AGV等多种形式的AGV[2]。
1.1.3智能循迹小车的应用
智能循迹小车发展历史及主要应用场所如下：
（1）仓储业
1954年，来自美国南卡罗来纳州的MercuryMotorFreight公司成为第一批把AGV小车的应用到仓库的使用者，来实现出入库货物的自动处理。
至今世界上有超过2100个厂家把大约2万台大型或小型的AGV小车应用到自己的仓库中。
中国的海尔集团在2000年把9台AGV小车投产到了自己的仓库区，形成一个灵活的AGV自动数据库处理系统，轻松地完成了每天至少33500的储存和装卸货物的任务。
（2）制造业
在制造业的的生产线中AGV小车大显身手，快速，精确，灵活的完成材料的运送任务。
由多台AGV小车组成的物流运输处理系统，较人工搬运系统来说更灵活，运输路线可以根据生产过程及时调整，使一条生产线，生产十几个产品，大大提高了生产的灵活性，企业的竞争力。
在1974年瑞典的沃尔沃卡尔马的汽车组装厂，提高了运输系统的灵活性，使用以AGV小车为载运工具的装配线，采用该装配线后，减少了20%装配时间、减少了39%组装错误，减少了57%投资资金回收时间以及减少了5%的员工费用。
目前，在世界主要的汽车生产厂家，如通用、丰田、克莱斯勒、大众AGV小车已被广泛应用。
近年来，作为CIMS（ComputerIntegratedManufacturingSystems，直译为基于计算机的现代集成制造系统）的基础搬运工具，AGV已经深入到机械加工，家电制造，微电子制造，烟草等行业，生产业和加工业已成为AGV小车使用最广泛的领域。
（3）邮局、图书馆、港口码头和机场
在邮局，图书馆，码头和机场候机楼等人口密集的公众场所，存在着大量的物品的运送工作，充满不定性和动态性强的特点，搬运过程往往也很单一。
AGV有着可并行工作、自动化、智能化和处理灵活的特点，可以很好的满足这些场合的运输要求。
1983年瑞典的大斯得哥尔摩邮局，1988年日本东京的多摩邮局，1990年中国上海的邮政相继开始使用AGV小车来完成邮品的搬运工作。
在荷兰的鹿特丹港口，50辆被称为“院子里的拖拉机”的AGV小车每天都在把集装箱从船边运送到几百米以外的仓库中。
（4）烟草、医药、化工、食品
对于处理一些需要在清洁、安全、无排放污染等其他特殊环境要求的产品生产如烟草、制药、食品、化工等产品时应考虑AGV小车的应用。
在全国许多卷烟企业，如青岛颐中集团、玉溪红塔集团、红河卷烟厂、淮阴卷烟厂，应用激光引导式AGV完成托盘货物的搬运工作。
（5）危险场所和特种行业
在军事方面，以AGV小车为基础有着自动驾驶和检测功能的设备，可用于战场侦察和扫雷，英国军方正在开发MINDER侦察系统，这是一种具有地雷探测、销毁和路线验证能力自动型侦察车。
在钢铁厂，AGV小车负责炉料运输，大大降低了工人们的劳动强度。
在核电厂的核储存地点使用AGV小车，以避免辐射的危险。
AGV小车可在黑暗环境中，准确、可靠的运输物料[3]。
1.2智能循迹小车研究中的关键技术
现在全世界越来越多的国家都在做着研究智能化、多样化的自动汽车导航的工作。
自动汽车导航是一个非常复杂的系统，它不仅应具有正常的运动功能的成分，而且还应具有任务分析，路径规划，信息感知，自主决策等类似人类的智能行为。
人类可以利用自己的听觉、视觉、味觉、触觉等功能获取事物的信息，人类的大脑再根据已经掌握的知识对这些信息进行综合分析，从而全面了解认知事物。
这样一个认识事物、分析事物和处理信息的过程称之为信息融合过程。
多传感器信息融合的基本原理就是模仿人类大脑的这个过程，得到一个对复杂对象的一致性解释或结论。
多传感器信息融合是协调多个分布在不同地点，相同或不同种类的传感器所提供的局部不完整观测量信息加以综合，协调使用，消除可能存在的冗余和矛盾，并加以互补，以减少不确定性，得到对物体或环境的一致性描述的过程[4]。
多传感器信息融合具有许多性能上的优点：
（1）增加了系统的生存能力；
（2）减少了信息的模糊性；（3）扩展了采集数据覆盖范围；（4）增加了可信度；（5）改善了探测性能；（6）提高了空间的分辨力；（7）改善了系统的可靠性（8）信息的低成本性[5]。
本文主要由六章组成，第1章为绪论，主要讲述循迹小车的发展历程及在目前所应用领域中的作用。
第2章为总体规划自动循迹小车系统方案设计，包含主系统流程图。
第3章是系统的硬件设计，其中包含电源的设计，单片机电路的设计，光电传感器模块和电机驱动电路。
第4章为系统的软件设计，主要介绍的是软件实现过程的框图。
第5章是对小车系统的扩展，其中包含了避障和遥控两个模块。
第六章用protues软件对小车系统进行仿真和调试。
2自动循迹小车系统方案设计
2.1自动循迹小车基本原理
循迹就是能够沿着给定的轨迹运行，一般给定的轨迹为在白色地面上黑色轨迹。
为了实现这一目的，就需要轨迹检测模块，这相当于小车的眼睛，需要将路面信息返回到大脑中，这大脑就需要有信息处理功能的微处理器来构成，处理的信息需要执行机构来执行，这就需要电机驱动模块，来实现小车的行走功能，而一个完整的系统，还需要有电源模块来提供能量。
简言之，系统的基本原理就是：
循迹模块将检测到的路面信息传送给微处理器来处理，然后将处理结果送到电机驱动模块执行，达到循迹的目的。
2.2总体方案设计
2.2.1系统总体方案的设计
根据论文的要求，系统设计方案如下：
本自动循迹小车以STC89C52单片机作为微控制器，采用RPR220型红外对管组成循迹模块，采用L298电机驱动芯片和两个直流减速电机构成电机驱动模块，以7805稳压管构成电源电路。
自动循迹小车系统结构框图如图2.1所示。
图2.1自动循迹小车系统结构框图
2.2.2方案选择与论证
（1）控制器的选择
方案一：
STC89C52单片机作为系统的控制器。
STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K系统可编程Flash存储器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案，stc系列的单片机可以在线编程、调试，方便地实现程序的下载与整机的调试，并且价格便宜。
方案二：
采用FPGA作为系统的主控制器。
FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，集成度高，体积小，稳定性好，IO口资源丰富，易于进行功能扩展，处理速度快，常用于大规模实时性要求较高的系统，但价格高，编程实现难度大。
本系统逻辑功能简单，仅仅需要接收传感器的信号和控制电机，对控制器的数据处理能力要求不高，从性价比方面考虑选择方案一。
（2）电源模块
方案一：
电脑USB串口供电。
能直接为单片机提供稳定的+5V直流电压。
USB串口线又容易得到。
但需要很长的线，这样导致无法在室外工作。
方案二：
用12V镍氢电池NI-MH充电电池组作为小车供电电源。
经7805稳压后给单片机供电，而12V电压可直接接在L298驱动芯片上作为两个直流电机的驱动电压。
在不超过单片机工作电压范围的情况下，又能驱动直流电机。
这个电源结构简单，价格适中，容易得到，而且能够重复使用。
方案三：
采用4节普通5号电池作为小车的供电电源。
刚买的5号电池测得电压为1.7V，4节就是6.8V，单片机需要5V电源，因此用7805稳压到5V后供电，但是其放电电流不大，导致电动机转速很慢，而且在使用过程中，其电压会明显降低，普通5号电池会降到1.4V以下，这样导致经过7805稳压后电压小于5V，完全无法带动整个系统正常工作，因此放弃该方案。
综上所述，选择方案二作为小车电源模块，性价比高。
（3）电动机的选择
方案一：
采用直流电机。
直流电机转动力矩大，响应快速，体积小，重量轻，直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调整范围广；过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速启动、制动和反转,能满足各种不同的特殊运行要求，价格便宜。
方案二：
采用步进电机。
步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的精密执行原件。
控制方便，体积小，灵活性和可靠性高，具有瞬时启动和急速停止的优越性，比较适合本系统控制精度高的特点。
但步进电机的抖动比较大，输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，其转速较低，不适用于小车等有一定速度要求的系统，价格还比较昂贵，所以这里不采用此方案。
由于直流电机价格便宜、控制简单，因此本设计用方案一。
（4）电动机驱动模块的选择
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，且可能存在干扰。
更主要的问题在于一般电动机的电阻比较小，但电流很大，分压不仅会降低效率，而且实现很困难。
方案二：
采用继电器对电动机的开与关进行控制，通过控制开关的切换速度实现对小车的速度进行调整。
这个电路的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间长，易损坏，寿命较短，可靠性不高。
方案三：
采用专用电机驱动芯片L298N作为电机驱动芯片。
L298N中有两套H桥电路，刚好可以控制两个电机。
它的使能端可以外接高低电平，也可以利用单片机进行软件控制，极大地满足各种复杂电路需要。
L298的驱动功率较大，在6~46V的电压下，可以提供2A的额定电流，并且具有过热自动关断和电流反馈检测功能，安全可靠。
基于以上的分析，建议电动机驱动电路选择方案三。
（5）循迹传感器的选择
方案一：
用光敏电阻组成光敏探测器。
光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变化。
当光线照射到白线上面时，光线发射强烈，光线照射到黑线上面时，光线发射较弱。
因此光敏电阻在白线和黑线上方时，阻值会发生明显的变化。
将阻值的变化值经过比较器就可以输出高低电平。
但是这种方案受光照影响很大，不能够稳定的工作。
方案二：
用RPR220型光电对管。
RPR220是一种一体化反射型光电探测器，其发射器是一个砷化镓红外发光二极管，而接收器是一个高灵敏度，硅平面光电三极管。
RPR220其具有如下特点：
塑料透镜可以提高灵敏度。
内置可见光过滤器能减小离散光的影响。
体积小，结构紧凑。
当发光二极管发出的光反射回来时，三极管导通输出低电平。
此光电对管调理电路简单，工作性能稳定。
综上所述，循迹传感器选用RPR220光电对管，经济实惠，使用方便，精确度高。
3硬件电路的设计
3.1自动循迹小车硬件设计
自动循迹小车的硬件电路主要由稳压电路模块、电机驱动模块、循迹模块、控制模块等组成，循迹小车硬件电路图如图3.1所示。
图3.1循迹小车硬件电路图
稳压模块将12V电压降到5V给单片机、循迹模块以及L298芯片供电，而12V电压则作为电机的驱动电压，时钟电路采用11.0592Mhz晶振，提供单片机内各种微操作的时间基准，复位电路用于使单片机的片内电路初始化，循迹电路由4组RPR220型光电对管和LM393电压比较器构成，检测到黑线时输出高电平给单片机，在白线上时则输出低电平信号，单片机根据检测到这个信号相应的控制2个电动机正反转或加减速等等。
3.2电源模块设计
LM2575是可以输出1A电流，1A时效率高达80％以上的降压开关电源芯片，开关工作频率是52KHz。
它的内部结构如下所示：
它内置了功率管和过流保护电路，在外部只需加少量的滤波元件即可构成一个开关电源模块。
图3.2小车供电电池及其充电器和转接线
图3.3LM7805C芯片的TO-220封装
图3.4LM2575芯片的各项参数
图3.5电源模块
3.3单片机模块的设计
一个单片机应用系统的硬件电路设计包含两部分内容：
一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如ROM、RAM、I/O、定时器/计数器、中断系统等不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路；二是系统的配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、A/D、D/A转换器等。
3.3.1单片机的功能特性描述
单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。
概括的讲：
一块芯片就成了一台计算机。
它的体积小、质量轻、价格便宜。
单片机内部也有和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件。
单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。
本课题选择了STC公司的生产的STC89C52单片机。
STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，是带8K字节闪烁可编程可檫除只读存储器。
一个芯片上拥有8位CPU，并且在系统可编程Flash。
STC89C52提供给为众多嵌入式控制应用系统高灵活、超有效的解决方案。
STC89C52具有以下标准功能:
8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，两个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。
此外，空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
图3.6为STC89C52的主要功能特性。
主要功能特性
兼容MCS51指令系统
8K可反复擦写FlashROM
32个双向I/O口
256x8bit内部RAM
3个16位可编程定时/计数器中断
时钟频率0-24MHz
2个串行中
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