智能车整体设计组装及调试.docx
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智能车整体设计组装及调试
沈阳工程学院
毕业实习任务书
毕业实习题目：
智能车整体设计、组装及调试
系别自动控制工程系班级测控本082
学生姓名索东阳学号2008310219
毕业实习地点：
F422
任务下达时间：
2012年2月26日
起止日期：
2012年2月28日起——至2012年3月23日止
教研室主任吕勇军等年月日批准
1.实习主要内容及要求：
设计一种智能车，完成其组装及调试过程。
要求：
1）结构设计合理，组装正确。
传感器安装位置正确，信号采集效果好，满足控制要求。
2）电路板焊接正确无误，调试方法得当。
3）编制控制程序，完成对赛车的正确控制。
4）控制算法研究。
2.时间进度安排：
顺序
阶段日期
计划完成内容
备注
1
第一周
组装机械结构，焊接及调试电路板，
2
第二周
设计传感器方案，各控制子程序设计
3
第三周
整机联调，控制算法研究及编程
4
第四周
智能车功能实现，撰写实习报告
3.对实习报告撰写内容、格式、字数的要求：
1）实习报告是体现和总结毕业实习成果的载体，一般不应少于3000字。
2）实习报告的格式为：
中文摘要和关键词、目录、正文、参考文献等。
课程设计论文的结构及各部分内容要求可参照《沈阳工程学院毕业设计（论文）撰写规范》执行。
应做到文理通顺，内容正确完整，书写工整，装订整齐。
3）实习报告的内容包括：
机械结构、电路原理图、线路板图、程序流程图以及原程序；调试过程及调试难点分析；算法设计等。
4）论文要求打印，打印时按《沈阳工程学院毕业设计（论文）撰写规范》的要求进行打印。
4.成绩评定方法：
1）机械结构，电路板焊接工艺，电路调试方法：
10％
2）整机控制效果：
40％
3）控制算法：
20％
4）总结报告：
20％
5）平时表现：
10％
4.摘要
智能小车，是一个集环境感知、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、通信、导航及白动控制等技术，是典型的高新技术综合体。
智能车辆也叫无人车辆，是一个集环境感知、规划决策和多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统。
它具有道路障碍自动识别、自动报警、自动制动、自动保持安全距离、车速和巡航控制等功能。
智能车辆的主要特点是在复杂的道路情况下，能自动地操纵和驾驶车辆绕开障碍物并沿着预定的道路（轨迹）行进。
智能车辆在原有车辆系统的基础上增加了一些智能化技术设备:
（1）通过单片机处理，主要完成对来自摄像机所获取的图像的预处理、增强、分析、识别等工作;
（2用光电传感器，用来获得道路图像信息;
（一）传感器设备，车速传感器用来获得当前车速，然后通过PWM调速。
智能车辆技术按功能可分为三层，即智能感知/预警系统、车辆驾驶系统和全自动操作系统团。
上一层技术是下一层技术的基础。
三个层次具体如下:
（1）智能感知系统，利用各种传感器来获得车辆自身、车辆行驶的周围环境及
驾驶员本身的状态信息，必要时发出预警信息。
主要包括碰撞预警系统和驾驶员状态监控系统。
碰撞预警系统可以给出前方碰撞警告、盲点警告、车道偏离警告、换道/并道警告、十字路口警告、行人检测与警告、后方碰撞警告等.驾驶员状态监控系统包括驾驶员打吨警告系统、驾驶员位置占有状态监测系统等。
（2）辅助驾驶系统，利用智能感知系统的信息进行决策规划，给驾驶员提出驾驶建议或部分地代替驾驶员进行车辆控制操作。
主要包括:
巡航控制、车辆跟踪系统、准确泊车系统及精确机动系统。
（3）车辆自动驾驶系统，这是智能车辆技术的最高层次，它由车载计算机全部自动地实现车辆操作功能。
目前，主要发展用于拥挤交通时低速自动驾驶系统、近距离车辆排队驾驶系统等。
关键词：
单片机、光电检测器、PWM调速
1绪论
1.1选题背景
目前，在企业生产技术不断提高、对自动化技术要求不断加深的环境下，智能车辆以及在智能车辆基础上开发出来的产品已成为自动化物流运输、柔性生产组织等系统的关键设备。
世界上许多国家都在积极进行智能车辆的研究和开发设计。
移动机器人是机器人学中的一个重要分支，出现于20世纪06年代。
当时斯坦福研究院（SRI）的NilsNilssen和charlesRosen等人，在1966年至1972年中研制出了取名shakey的自主式移动机器人，目的是将人工智能技术应用在复杂环境下，完成机器人系统的自主推理、规划和控制。
从此，移动机器人从无到有，数量不断增多，智能车辆作为移动机器人的一个重要分支也得到越来越多的关注。
智能小车，是一个集环境感知、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、通信、导航及白动控制等技术，是典型的高新技术综合体。
智能车辆也叫无人车辆，是一个集环境感知、规划决策和多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统。
它具有道路障碍自动识别、自动报警、自动制动、自动保持安全距离、车速和巡航控制等功能。
智能车辆的主要特点是在复杂的道路情况下，能自动地操纵和驾驶车辆绕开障碍物并沿着预定的道路（轨迹）行进。
智能车辆在原有车辆系统的基础上增加了一些智能化技术设备:
（1）计算机处理系统，主要完成对来自摄像机所获取的图像的预处理、增强、分析、识别等工作;
（2）摄像机，用来获得道路图像信息;
（3）传感器设备，车速传感器用来获得当前车速，障碍物传感器用来获得前方、侧方、后方障碍物等信息。
智能车辆技术按功能可分为三层，即智能感知/预警系统、车辆驾驶系统和全自动操作系统团。
上一层技术是下一层技术的基础。
三个层次具体如下:
（1）智能感知系统，利用各种传感器来获得车辆自身、车辆行驶的周围环境及
驾驶员本身的状态信息，必要时发出预警信息。
主要包括碰撞预警系统和驾驶员状态监控系统。
碰撞预警系统可以给出前方碰撞警告、盲点警告、车道偏离警告、换道/并道警告、十字路口警告、行人检测与警告、后方碰撞警告等.驾驶员状态监控系统包括驾驶员打吨警告系统、驾驶员位置占有状态监测系统等。
（2）辅助驾驶系统，利用智能感知系统的信息进行决策规划，给驾驶员提出驾驶建议或部分地代替驾驶员进行车辆控制操作。
主要包括:
巡航控制、车辆跟踪系统、准确泊车系统及精确机动系统。
（3）车辆自动驾驶系统，这是智能车辆技术的最高层次，它由车载计算机全部自动地实现车辆操作功能。
目前，主要发展用于拥挤交通时低速自动驾驶系统、近距离车辆排队驾驶系统等。
这种智能小车的主要应用领域包括以下几个方面:
（1）军事侦察与环境探测
现代战争对军事侦察提出了更高的要求，世界各国普遍重视对军事侦察的建设，采取各种有效措施预防敌方的突然袭击，并广泛应用先进科学技术，不断研制多用途的侦察器材和探测设备，在车上装备摄像机、安全激光测距仪、夜视装置和卫星全球定位仪等设备，通过光缆操纵，完成侦察和监视敌情、情报收集、目标搜索和自主巡逻等任务，进一步扩大侦察的范围，提高侦察的时效性和准确性。
（2）探测危险与排除险情
在战场上或工程中，常常会遇到各种各样的意外。
这时，智能化探测小车就会发挥很好的作用。
战场上，可以使用智能车辆扫除路边炸弹、寻找和销毁地雷。
民用方面，可以探测化学泄漏物质，可以进行地铁灭火，以及在强烈地震发生后到废墟中寻找被埋人员等。
（3）安全检测受损评估
在工程建设领域，可对高速公路自动巡迹，进行道路质量检测和破坏分析检测;对水库堤坝、海岸护岸堤、江河大坝进行质量和安全性检测。
在制造领域，可用于工业管道中机械损伤，裂纹等缺陷的探寻，对输油和输气管线的泄漏和破损点的查找和定位等。
（4）智能家居
在家庭中，可以用智能小车进行家具、远程控制家中的家用电器，控制室温等等。
对这种小车的研究，将为未来环境探测术上的有力支持。
1.2智能小车研究现状
智能车辆作为智能交通系统的关键技术，是许多高新技术综合集成的载体。
智能车辆驾驶是一种通用性术语，指全部或部分完成一项或多项驾驶任务的综合车辆技术。
智能车辆的一个基本特征是在一定道路条件下实现全部或者部分的自动驾驶功能，下面简单介绍一下国内外智能小车研究的发展情况。
1.2.1国外智能车辆研究现状
国外智能车辆的研究历史较长，始于上世纪50年代。
它的发展历程大体可以分成三个阶段：
第一阶段20世纪50年代是智能车辆研究的初始阶段。
1954年美国BarrettElectronics公司研究开发了世界上第一台自主引导车系统AGVS（AutomatedGuidedVehicleSystem）。
该系统只是一个运行在固定线路上的拖车式运货平台，但它却具有了智能车辆最基本得特征即无人驾驶。
早期研制AGVS的目的是为了提高仓库运输的自动化水平，应用领域仅局限于仓库内的物品运输。
随着计算机的应用和传感技术的发展，智能车辆的研究不断得到新的发展。
第二阶段从80年代中后期开始，世界主要发达国家对智能车辆开展了卓有成效的研究。
在欧洲，普罗米修斯项目于1986年开始了在这个领域的探索。
在美洲，美国于1995年成立了国家自动高速公路系统联盟（NAHSC），其目标之一就是研究发展智能车辆的可能性，并促进智能车辆技术进入实用化。
在亚洲，日本于1996年成立了高速公路先进巡航/辅助驾驶研究会，主要目的是研究自动车辆导航的方法，促进日本智能车辆技术的整体进步。
进入80年代中期，设计和制造智能车辆的浪潮席卷全世界，一大批世界著名的公司开始研制智能车辆平台。
第三阶段从90年代开始，智能车辆进入了深入、系统、大规模研究阶段。
最为突出的是，美国卡内基.梅隆大学（CarnegieMellonUniversity）机器人研究所一共完成了Navlab系列的10台自主车（Navlab1—Navlab10）的研究，取得了显著的成就。
目前，智能车辆的发展正处于第三阶段。
这一阶段的研究成果代表了当前国外智能车辆的主要发展方向。
在世界科学界和工业设计界中，众多的研究机构研发的智能车辆具有代表性的有：
德意志联邦大学的研究1985年，第一辆VaMoRs智能原型车辆在户外高速公路上以100km/h的速度进行了测试，它使用了机器视觉来保证横向和纵向的车辆控制。
1988年，在都灵的PROMRTHEUS项目第一次委员会会议上，智能车辆维塔（VITA,7t）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。
这两种车辆都配备了UBM视觉系统。
这是一个双目视觉系统，具有极高的稳定性。
荷兰鹿特丹港口的研究智能车辆的研究主要体现在工厂货物的运输。
荷兰的Combiroad系统，采用无人驾驶的车辆来往返运输货物，它行驶的路面上采用了磁性导航参照物，并利用一个光阵列传感器去探测障碍。
荷兰南部目前正在讨论工业上利用这种系统的问题，政府正考虑已有的高速公路新建一条专用的车道，采用这种系统将货物从鹿特丹运往各地。
日本大阪大学的研究大阪大学的Shirai实验室所研制的智能小车，采用了航位推测系统（DeadReckoningSystem），分别利用旋转编码器和电位计来获取智能小车的转向角，从而完成了智能小车的定位。
另外，斯特拉斯堡实验中心、英国国防部门的研究、美国卡内基梅隆大学、奔驰公司、美国麻省理工学院、韩国理工大学对智能车辆也有较多的研究。
1.2.2国内智能车辆研究现状
相比于国外，我国开展智能车辆技术方面的研究起步较晚，开始于20世纪80年代。
而且大多数研究处在于针对某个单项技术研究的阶段。
虽然我国在智能车辆技术方面的研究总体上落后于发达国家，并且存在一定得技术差距，但是我们也取得了一系列的成果，主要有：
（1）中国第一汽车集团公司和国防科技大学机电工程与自动化学院与2003年研制成功我国第一辆自主驾驶轿车。
该自主驾驶轿车在正常交通情况下的高速公路上，行驶的最高稳定速度为13km/h,最高峰值速度达170km/h，并且具有超车功能，其总体技术性能和指标已经达到世界先进水平。
（2）南京理工大学、北京理工大学、浙江大学、国防科技大学、清华大学等多所院校联合研制了7B.8军用室外自主车，该车装有彩色摄像机、激光雷达、陀螺惯导定位等传感器。
计算机系统采用两台Sun10完成信息融合、路径规划，两台PC486完成路边抽取识别和激光信息处理，8098单片机完成定位计算和车辆自动驾驶。
其体系结构以水平式结构为主，采用传统的“感知-建模-规划-执行”算法，其直线跟踪速度达到20km/h，避障速度达到5-10km/h。
可以预计，我国飞速发展的经济实力将为智能车辆的研究提供一个更加广阔的前景。
我们要结合我国国情，在某一方面或某些方面，对智能车进行深入细致的研究，为它今后的发展及实际应用打下坚实的基础。
1.3主要内容
本课题要开发一个能自动循迹自动避障的智能小车控制系统，设主要以简易智能机器人为开发平台，选择通用、价廉的51单片机为控制平台，选择常见的电机模型车为机械平台，通过细化设计要求，结合传感器技术和电机控制技术相关知识实现小车的各种功能。
设计完成以由红外线对管的自动寻迹、红外线自动避障组成的硬件模块结合软件设计组成多功能智能小车，共同实现小车的前进倒退、转向行驶，自动根据地面黑线寻迹导航，检测障碍物后停止等功能，实现智能控制，达到设计目标。
1.4设计的意义
随着汽车工业的迅速发展，关于汽车的研究也就越来越受人关注。
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。
本设计就是在这样的背景下提出的，本题目是结合科研项目而确定的设计类课题。
本设计就采用了比较先进的C51为控制核心，C51采用CHOMS工艺，功耗很低。
该设计具有实际意义，可以应用于考古、机器人、医疗器械等许多方面。
尤其是在足球机器人研究方面具有很好的发展前景；在考古方面也应用到了超声波传感器进行检测。
所以本设计与实际相结合，现实意义很强。
2硬件系统的设计
2.1单片机控制模块
80C51单片机是把那些作为控制应用所必需的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。
如果按功能划分，它由如下功能部件组成，即微处理器、数据存储器、程序存储器、并行I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器。
它们都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依旧是CPU加上外围芯片的传统结构模式。
但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。
1、微处理器
该单片机中有一个8位的微处理器，与通用的微处理器基本相同，同样包括了运算器和控制器两大部分，只是增加了面向控制的处理功能，不仅可处理数据，还可以进行位变量的处理。
2、数据存储器
片内为128个字节，片外最多可外扩至64k字节，用来存储程序在运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等，所以称为数据存储器。
3、程序存储器
由于受集成度限制，片内只读存储器一般容量较小，如果片内的只读存储器的容量不够，则需用扩展片外的只读存储器，片外最多可外扩至64k字节。
4、中断系统
具有5个中断源，2级中断优先权。
5、定时器/计数器
片内有2个16位的定时器/计数器，具有四种工作方式。
6、串行口
1个全双工的串行口，具有四种工作方式。
可用来进行串行通讯，扩展并行I/O口，甚至与多个单片机相连构成多机系统，从而使单片机的功能更强且应用更广。
7、P1口、P2口、P3口、P4口
为4个并行8位I/O口。
8、特殊功能寄存器
共有21个，用于对片内的个功能的部件进行管理、控制、监视。
实际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个具有特殊功能的RAM区。
由上可见，80C51单片机的硬件结构具有功能部件种类全，功能强等特点。
特别值得一提的是该单片机CPU中的位处理器，它实际上是一个完整的1位微计算机，这个一位微计算机有自己的CPU、位寄存器、I/O口和指令集。
1位机在开关决策、逻辑电路仿真、过程控制方面非常有效；而8位机在数据采集，运算处理方面有明显的长处。
MCS-51单片机中8位机和1位机的硬件资源复合在一起，二者相辅相承，它是单片机技术上的一个突破，这也是MCS-51单片机在设计的精美之处。
2.2最小应用系统设计
80C51是片内有ROM/EPROM的单片机，因此，这种芯片构成的最小系统简单﹑可靠。
用80C51单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可。
由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。
其应用特点：
（1）有可供用户使用的大量I/O口线。
（2）内部存储器容量有限。
（3）应用系统开发具有特殊性。
2.2.1、晶振电路
80C51虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外部附加电路。
80C51单片机的时钟产生方法有两种。
内部时钟方式和外部时钟方式。
本设计采用内部时钟方式，利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2引脚上外接定时元件，内部的振荡电路便产生自激振荡。
本设计采用最常用的内部时钟方式，即用外接晶体和电容组成的并联谐振回路。
振荡晶体可在1.2MHZ到12MHZ之间选择。
电容值无严格要求，但电容取值对振荡频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度。
所以本设计中，振荡晶体选择12MHZ,电容选择65pF。
图2.1晶振电路
2.2.2、复位电路
80C51的复位是由外部的复位电路来实现的。
复位引脚RST通过一个斯密特触发器用来抑制噪声，在每个机器周期的S5P2,斯密特触发器的输出电平由复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。
复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。
最简单的上电自动复位电路中上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。
只要Vcc的上升时间不超过1ms,就可以实现自动上电复位。
时钟频率用6MHZ时C取0.01uF,R取1KΩ。
除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。
本设计就是用的按键手动复位。
按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。
其中电平复位是通过RST端经电阻与电源Vcc接通而实现的。
时钟频率选用6MHZ时，C取0.01uF,RK取1KΩ
图2.2复位电路
2.3PWM生成模块的硬件设计
PWM生成模块采用芯片CD40106，这是一个又6对斯密特触发器构成的芯片。
管脚图如图2.3：
如图2.3
2.4电机驱动模块的设计
电机驱动模块采用专用芯片L298N作为电机驱动芯片，L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，其响应频率高，一片L298N可以分别控制两个直流电机。
图2.4电机驱动原理简图
2.5寻迹模块的硬件设计
红外对管循迹模块，五路寻迹TCR5000的模块，采用红外发射管和接收管光电对管寻迹传感器。
红外发射管发出红外线，当发出的红外线照射到白色的平面后反射，若红外接收管能接收到反射回的光线则检测出白线继而输出低电平，若接收不到发射管发出的光线则检测出黑线继而输出高电。
图2.5寻迹模块电路
2.6电路比较器的硬件设计
滑动变阻器调节i1+,i2+的电压，通过这两端电压分别跟i1-，i2-的电压比较控制o1，o2的输出。
当i1+>i1-时o1输出高电平，反之输出低电平。
同理可知，i2+>i2-时，o2输出高电平，反之输出低电平。
3元器件介绍
3．1L298N芯片的介绍
L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。
该芯片采用15脚封装。
主要特点是：
工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；额定功率25W。
内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。
使用L298N芯片驱动电机，该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机，实物图及外围电路如下图4.1、4.2所示。
图3.1L298N芯片
图3.2L298N外围电路
接口说明如下示：
+5V：
芯片电压5V。
VCC：
电机电压，最大可接50V。
GND：
共地接法。
A-~D-：
输出端，接电机。
A~D+：
为步进电机公共端，模块上接了VCC。
EN1、EN2：
高电平有效，EN1、EN2分别为IN1和IN2、IN3和IN4的使能端。
IN1~IN4：
输入端，输入端电平和输出端电平是对应的。
L298N的5、7、10、12四个引脚接到单片机上，通过对单片机的编程就可实现两个直流电机的PWM调速控制，图4.3是L298N功能逻辑图。
图3.3L298N功能逻辑图
L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接4．5～7V电压。
4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为＋2．5～46V。
输出电流可达2．5A，可驱动电感性负载。
1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。
L298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机，本实验装置我们选用驱动一台电动机。
5，7，10，12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。
EnA，EnB接控制使能端，控制电机的停转。
In3，In4的逻辑图与上图相同。
由上图可知EnA为低电平时，输入电平对电机控制起作用，当EnA为高电平，输入电平为一高一低，电机正或反转。
同为低电平电机停止，同为高电平电机刹停。
3.2光电传感器简介
光电传感器在机器人中有着广泛的应用，可以用来检测地面明暗和颜色的变化，也可以探测有无接近的物体。
光电传感器是靠红外发射管和红外接收管组成的传感器，对于小车循迹场地的黑白两种颜色，发射管发出同样的光强，接收管接收到的光强不同，因此输出的电压值也不同；给定一个基准电压，通过对不同输出电压值进行比较，则电路的输出为高低电平。
当检测到黑白线时分别输出为高低电平，这样不仅系统硬件电路简单，而且信号处理速度快。
原理如下图4.4、图4.5所示。
图3.4白色反射面下的红外反射
图3.5黑色反射面下的红外吸收
红外发射管发射的红外线具有一定得方向性，当红外线照射到白色表面上时会有较大的反射，如果距离D1取值合适，红外接收管可接收到反射回的红外线，再利用红外接收管的电气特性，在电路中处理红外线的接受信息；如果反射表面为黑色，红外光会被表面将其大部分吸收，红外接收管就难以收到红外线。
这样，就可以利用红外收发管组成的光电传感器检测赛道黑线，实现智能车的循迹方案。
3.3C8051介绍
模拟外设
−10位ADC（仅限于C8051F310/1/2/3）
转换速率可达200ksps
可多达21或17个外部单端或差分输入
VREF可在外部引脚或VDD中选择
内置温度传感器（±3°C）
外部转换启动输入
−两个模拟比较器
可编程回差电压和响应时间
可配置为中断或复位源（比较器0）
小电流（<0.5μA）
在片调试
−片内调试电路提供全速、非侵入式的在系统调试（不需仿真器）
−支持断点、单步、观察/修改存储器和寄存器
−比使用仿真芯片、目标仿真头和仿真插座的仿真系统有更优越的性能
−完整的开发套件
供电电压…………………………2.7V-3.6V
−典型工作电流：
5mA@25MHz
11μA@32KHz
−典型停机电流：
0.1μA
−温度范围：
-40°C-+85°C
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