移动小车的自动避障检测与控制系统设计文档格式.docx
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3.3避障模块4
3.4电机驱动模块5
3.4.1电机的选择5
3.4.2驱动的选择5
3.5调速技术6
4硬件设计7
4.1循迹模块检测电路设计8
4.2避障模块检测电路设计8
4.3电机驱动模块电路设计9
5软件设计9
5.1主程序流程框图10
6组装与调试12
6.1小车的组装12
6.2小车的调试12
6.3小车运行测试14
7总结15
1前言
1.1移动小车设计的目的、意义
移动机器人是智能机器人的一个分支，其概念形成于二十世纪八十年代，而智能移动小车则是移动机器人的典型代表。
移动小车可以按照人们预设的行动模式在某个环境内自主的工作，不需要人为实时的关注管理，同时高度智能化能够根据实际要求的不同，快速、灵活的改变工作方式。
能够满足人们在港口，仓储，物流等大量物资吞吐的场所，防恐防爆，地形勘探，救援搜查等高危或者人类难以进入的场景的各种要求。
此外还可以满足区域内的短程物流，如校园内的外卖，酒店内的物资递送。
移动小车在这些场景的活跃都可以极大的提高社会的工作效率，降低人力资源陈本和运输风险。
1.2移动小车的发展历程及国内外的发展概况
随着计算机技术，控制工程与科学，通讯技术，传感器技术的发展，人们希望能够研制出一种能够代替人类去完成一些高精度或者高危险的事情的工具，于是机器人开始进入人们的视野当中。
世界上第一台机器人诞生于1959年。
在这过去的五十年里，智能机器人开始有了飞速的升级换代，早已不是一门单纯的学科，其中包含：
机械工程、电子工程、通讯技术、计算机技术、自动化控制工程、信号处理、传感器技术等多个相关的学科领域。
从二十世纪九十年代起，人们逐渐研发出了高水准的环境信息传感器，传输速度更快的媒介和信息处理技术。
以这些技术出现为标志，移动机器人的研究登上了一个更高的台阶，开始向着实用化，智能化发展。
现如今，移动小车除了在服务、军事、农业、工业中得到广泛的应用，还被推广到了包括排雷、救援、医疗和宇宙探索等高危险或对人类有害的各类场所中。
因此现如今的世界各国都加大了对于移动机器人的关注。
1.2.1国外的发展概况
移动机器人的研究可以追溯到二十世纪六十年代。
斯坦福大学研究所成功研制出了名为Shakey的一种典型的自主移动机器人。
使它具有在复杂环境下，对象识别，自主推理，路径规划等控制功能。
同时间段，另一种步行机器人也研究成功，它能够在不平整，非结构化的环境中运动。
这两者的出现为后来的移动机器人奠定的基础。
到了七十年代末，随着计算机技术和控制工程的发展和应用，以及传感器、通信工程、信号处理等电子技术学科的发展，移动机器人的研究又在世界相关学科领域掀起了新的高潮。
随着时间到了八十年代，美国，日本，欧洲等众多的多世界一流的机构开始将目光投向了移动机器人，各国的政府和科研机构都开展了各式各样的移动机器人研究项目。
同时许多世界著名公司皆看好移动机器人的发展前景，不惜投入重金，纷纷开始研究推广移动机器人。
九十年代后，随着技术的迅猛发展，移动机器人开始向实用化、系统化、智能化进军。
[1]
1.2.2国内的发展概况
我国移动机器人从“八五”期间开始这方面的研究，虽然起步较晚，但发展却是很迅速的。
许多高校都有着达到或者接近国际先进水平的研究成果：
清华大学的THMR-III，V型机器人；
中科院沈阳自动化所的AGV自主车和防爆机器人；
香港城市大学的自动导航车及服务机器人；
哈尔滨工业大学的导游机器人等等。
此外国内还有中科院、国防科技大学、北京理工大学、南京理工大学、浙江大学、北京航空航天大学、北京科技大学、西北工业大学等院校也在进行移动机器人的研究。
2移动小车总体方案设计
本设计将小车大体分为四个模块，分别是STC89C52控制模块，红外光电传感器循迹模块，红外对管避障模块以及L298N电机驱动模块。
其中控制模块采用STC89C52单片机作为CPU，通过IO接口将信号传给驱动模块以控制电机工作状态；
避障模块通过光电传感器判断障碍物与车体之间的距离，并将数据传回控制模块以判断是否需要进行停车变向避障；
循迹模块将红外对管分别装在小车的左右两侧，通过检测黑色轨道是否出现在传感器下方来判断小车是否偏移轨道；
电机驱动模块分为两个部分，一部分是L298N芯片为主的驱动部分和另一部分是直流电机组成的动力部分，通过L298N芯片所接收的来自单片机的信号，然后改变电机的工作状态以实现对于小车整体运动情况的智能控制；
车座选用直接购买的三轮车底盘，前面两个车轮为驱动轮，由两个电机分别以控制实现前进、后退、转弯等具体操作，后方一个车轮为万向轮，用来支撑平衡车体及辅助转向。
图1总体设计框图
3方案设计选择
3.1控制模块
本设计采用的是STC89C52单片机，此单片机是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K字节系统可编程Flash存储器。
STC89C52使用经典的MCS-51内核。
具有低成本、抗干扰能力强等优点，最重要的是它可以完全兼容我所学过的51单片机的指令代码，降低了新的学习成本，提高了工作效率。
图二
3.2循迹模块
利用光电传感器实现循迹的基本功能。
3.2.1光电传感器的工作原理
光电传感器是将光信号转换为电信号的一种电子元器件。
其工作原理基于光电效应。
光电效应是指光照射在某些物质上时，物质的电子吸收光子的能量而发生了相应的电效应现象。
光电器件有光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光电池等。
[2]光电传感器一般由三部分组成：
发送器、接收器和检测电路。
发射器对准方向发射光束，一般选择半单体光源。
接收器由光电池、光电二极管组成，同时在接收器前面还会装有透镜、光圈等光学元件便于光线射入，当无光照时，光电二极管和普通二极管一样，反向电流很小；
当有光照时，载流子被激活，便会产生电流激活检测电路。
检测电路一般设置在接收器后方，用来接收信号并转换成可读取的电信号。
3.2.2光电传感器的分类
（1）槽型光电传感器
将发送器和接收器相对的装在一个凹槽的两侧。
发送器送出红外光或者可见光，在没有障碍物的情况下，接收器能正常的直接接收到光，当有障碍物从凹槽中通过时，光线会被遮挡，这时接收器会产生动作，输出一个开关信号，从而改变负载电流的情况，这样便完成了一次控制。
因为硬件结构的限制，槽形开关的检测距离一般只有几厘米。
（2）反光板型光电开关
将接收器和发送器装在同一个装置内，并在装置前方放置一块反光板，利用反射原理完成光电控制。
正常工作时，发送器送出的光线被反光板反射回来被接收器接收到；
当障碍物挡住光路后，接收器接收不到光，光电开关就会动作，输出一个控制信号。
（3）对射型光电传感器
若要增大检测距离，可以将发送器和接收器分离开。
它的检测距离相比起槽型可以增加几十倍到数百倍。
对射式光电开关使用时将发送器和接收器分别装在障碍物通过的路径的两侧，障碍物通过时阻挡光线，接收器就输出一个控制信号。
3.2.3光电传感器的选择
本设计的智能循迹是指小车能够在白色的地板上顺着指定的黑色轨道行驶，且能够主动检测小车是否偏离轨道。
因此选择了红外对管作为循迹传感器，这种光电传感器利用物体表面对于光线的反射率不同，对于传感器返回的信号不同，便可以区分轨道和正常道路，从而使得控制模块可以判断小车当前的行驶状况。
3.3避障模块
本设计通过传感器来实现避障功能，在查阅资料后选出了如下三种方案：
方案一：
采用CCD摄像头，通过摄像头将小车前方的道路情况传输到控制模组，通过算法处理获取道路信息以进行道路识别。
这种方案的优点是可以获取道路前方很远距离的图像内容，极大的提高了小车获取道路信息的范围，可以更精准、及时的进行小车的智能控制。
但是这一方案的硬件电路较为复杂，对于主控单元有较高的要求，成本也相对。
方案二：
采用红外对管，通过红外发送器发送红外光线照射前方道路，不同的环境物体具有不同的反射情况，利用接收管可以检测这些信息，通过合理的设置发送器和接收器，便可以检测小车前方道路障碍物与小车之间的距离。
这一方案的优点是电路简单，安装方便，成本低，但也有分辨率低，抗干扰能力差，可识别信息少，耗电量大等等问题。
方案三：
采用超声波传感器，利用向目标发射超声波脉冲，利用超声波的速度和往返的时间便可以精准的计算出二者之间的距离。
这种传感器有着指向性强，能量消耗低，距离判断准确，抗干扰能力强，在介质中能传播较远的距离等优点，但其电路稍微复杂，成本不算低[5]。
在综合分析了上述的三种传感器后，本设计选择了红外对管作为避障模组的传感器。
虽然精度和抗干扰能力并不如其他两个方案，但是它连接简单，检测速度快，成本低且已经完全可以实现小车的避障功能，故选择方案二。
3.4电机驱动模块
电机驱动模块由两个部分组成，分别是电机和驱动。
3.4.1电机的选择
在电机上有两种选择：
选择步进电机。
步进电机有着良好的控制性能，输入一个电脉冲信号，输出轴就转动一个角度，因此可以实现精确的位置控制。
但是如果停止了脉冲信号的输入，电机就会立刻停止转动，且程序编写相对复杂。
采用直流电机。
直流电机的硬件电路简单，只要施加额定的稳恒直流电压，电机的转速就不会产生变化。
调速方便，只要变动电压大小就可以改变电机的转速。
但是位置精度上相对较差。
综合考虑下，鉴于本设计对于小车的位置精准控制要求较低，其他方面直流电机相对于步进电机更适合本次设计，所以选择了直流电机作为本设计的动力电机。
3.4.2驱动的选择
驱动模块通过查阅资料找到了两种方案：
采用SM6135W电机遥控驱动，这一驱动是专门为遥控小车所设计的集成电路。
在速度和方向控制上有着不错的性能。
可惜它采取的是编码输入控制，超出了我的知识水平，模块价格偏高。
使用集成驱动芯片——L298N。
L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片，同时还有着双H桥，其中每个H桥可以提供2A的电流，所以一块L298N芯片可以控制两台直流电机，又因为它可以使用单片机进行软件编程控制，意味着可以单片机方便地利用PWM信号对两个直流电机进行调速。
而且还可以使用软件编程的方法对其进行操作，可以实时进行调整，能够快速适应不同电路的各种需求。
综合起来就是L298N有着操作方便，稳定性好，性能优良等等优点。
综合分析上述条件，本设计需要的是一种可以快速上手，控制方便，对硬件要求较低的驱动方案，最后本设计决定选择方案二的L298N芯片作为小车电机驱动模组的驱动。
图三L298N管脚图
MW.15
PowerSO
引脚名称
功能描述
1；
15
2；
19
SenseA;
SenseB
连接一采样电阻到地，以控制负载电流
3
4；
5
Out1;
Out2
A桥输出，通过此两脚到负载的电流pin1监控
4
6
VS
负载驱动供电引脚，该引脚和地之间必须连接一个100nF无感电容
5；
7
7；
9
Input1;
Input2
A桥信号输入，兼容TTL逻辑电平
6；
11
8；
14
EnableA;
EnableB
使能输入，兼容TTL，低（L）禁能A桥或B桥，高（H）使能A桥或B桥
8
1;
10;
11;
20
GND
地
12
VSS
逻辑供电，该引脚到地必须连接一个100nF电容
10；
13；
Input3;
Input4
B桥信号输入，兼容TTL逻辑电平
16；
17
Out3;
Out4
B桥输出，通过此两脚到负载的电流由pin15监控
-
3;
18
N.C.
无连接
表一：
L298N引脚功能介绍
3.5调速技术
在查阅资料和考虑了所选择的直流电机后我找到了两种常见的调速系统作为选择：
调压调速是直流调速系统的主要方法，最常见的是选择晶闸管整流器-电动机系统（V-M系统），使用可控整流器来获得可控的直流电压，从而控制电机的转速。
可以实现平滑调速。
但是此系统的缺点是不允许电流反向流通，使得系统只能单向运行，在电路设计和软件编写上会相对麻烦一些，另外它运行条件要求高，维护运行相对麻烦。
另一种是直流PWM变换器-电动机系统，通过电力电子器件进行脉冲宽度调制，产生可变换的平均电压。
具体实现方式为使用软件来实际调速，利用两个定时器，一个用来控制脉冲频率，一个控制占空比，这种方式显得更加快捷有效。
在经过综合考虑之后，本设计选择了利用软件实现的PWM调速系统，这种方案调速性能好，调整平滑，范围较广，较大的过载能力，通过程序编写可以较方便的实现调速功能，后续调整维护也较为简单。
4硬件设计
4.1循迹模块检测电路设计
本设计采用的是一种比较普遍的检测技术——红外探测法。
循迹模块的原理是基于轨道黑线和道路白底对于光线的反射效果不同，模块接收到光的强弱不同从而判断小车是否在轨道上行驶，是否偏离轨道。
在循迹模块中内置一块LM939比较器，这种比较器的工作原理是这样的：
当比较器的正输入端电压大于负输入端电压时输出高电平也就是VCC电压；
当比较器正输入端电压小于负输入端电压时输出为低电平也就是0V。
在小车在行驶过程中通过循迹模块的发送器不断地向地面发射红外光线，当光线照到白色道路上时发生反射，循迹模块的接收器接收到反射光则导通，使得LM393的正输入端电压为0V，而负输入端电压为电位器电压，所以正输入端电压小于负输入端电压便输出低电平；
当小车偏斜轨迹，某一侧的循迹模块照到了黑色轨道上，光线被黑线所吸收，循迹模块的接收器接收不到光线则关断，使得LM393的正输入端为VCC电压大于负输入端，输出高电平。
通过向单片机传输高低电平来实现模块触发的检测。
图四：
红外循迹模块检测电路
4.2避障模块检测电路设计
避障模块与循迹模块采用的都是同样的红外对管元件，因此工作原理是完全相同的。
当模块检测到前方障碍物信号时，传感器导通，避障模块上的开关指示灯亮起，同时输出端向单片机发送低电平，该模块检测距离为2～30cm，检测距离可以通过可变电阻进行调节，顺时针调节电位器上的旋钮，可以增加传感器的探测范围但是灵敏度会下降；
逆时针调节电位器上的旋钮，会导致传感器的探测范围减小但是可以提高检测的灵敏度。
传感器为主动红外线反射探测，因此障碍物的颜色（反射率）和物体表面积是探测距离的关键。
其中深色物体尤其是表面为黑色的物体因为会吸收较多的光线，可被探测距离较小；
浅色物体尤其是表面为白色的物体因为可以反射大部分的光线所以可被探测距离较大。
物体表面积越小可被检测距离越小，物体表面积越大可被检测距离越大。
4.3电机驱动模块电路设计
L298N内集成了H桥式驱动电路，所以采用这芯片来驱动电机，通过单片机向驱动电路发送PWM信号以控制小车的前进，后退，转弯。
图五为驱动模块电路图，其中IN1,IN2,IN3,IN4是与单片机直接相连的电机正反转引脚端，对应的输出端为OUT1,OUT2,OUT3.OUT4。
ENA以及ENB为使能端，ENA对应IN1,IN2,OUT1,OUT2，ENB对应IN3,IN4,OUT3,OUT4。
通过单片机输出信号的高低电平就可以通过引脚端控制电机的正转和反转。
只有当使能端接通时，对应的输入输出端才能正常工作。
图中的四组二极管是钳位二极管，用来保护芯片。
图五：
电机驱动模块电路
5软件设计
5.1主程序流程框图
下面是主程序的流程框图，主程序中含有定时器的初始化，避障动作和循迹动作的实现的程序。
完整的程序采用模块化的编程便于以后再开发。
程序的具体思路如下：
在小车启动后，先判断前方是否有障碍，无障碍再判断小车左右两侧是否有轨道黑线，若没有，则执行前进指令，循迹移动。
行驶过程中如循迹模块发出探测到黑色轨道的信号，则小车转向以回归轨道。
否
是
主程序流程图
6组装与调试
6.1小车的组装
首先根据选择的硬件绘制原理图。
然后根据每个模块的功能需求将各个部件安装在车体正确的位置。
循迹模块的红外传感器安装在车体底盘的前部，贴近道路，这样小车正常行驶时传感器可以准确的判断小车是否偏离轨道。
将避障模块的红外对管分别装在车头的左右两侧，刚开始曾经考虑过使用三个红外对管，这样可以更加精准的判断前方的障碍物情况，及时避障。
但是在后期制作的时候发现两个红外对管已经可以完成九成的避障情况，极少数的小面积障碍物哪怕多加一个传感器效果也不是非常理想，因此选择了一左一右两个传感器。
将电机分别装在车底两个驱动轮旁边，一一对应。
最后将电池和控制模块装在车体上。
6.2小车的调试
小车组装完成后先使用电表测试各个电子元器件的实际参数，保证小车的电路的正确以及拼装没有出错。
条件允许的话还可以使用示波器和信号发生器测试各个传感器，可惜今年因为疫情原因无法实现只能省略这一步。
其次测试的是小车的各个功能能否正常实现，下图是循迹模组的测试效果：
小车需要实现的两个功能分别是自动避障和自动循迹，因此需要调试对应的模块以找到的检测距离，最大化传感器的检测效果。
循迹模块几乎是紧贴地面因此只要保证模块能够正常运行即可，所以需要仔细调试的便是避障模块。
在避障模块上都有一个可调节的变阻器（见图）通过旋转旋钮调整电阻便可以改变传感器的检测灵敏度。
注意可调电阻调试时不能用力过度，否则会损害可调电阻。
逆时针调节电位器会减小可探测距离但是会增加灵敏度。
顺时针调节电位器时降低灵敏度也会增加探测距离。
测试时将小车放置于空白地面，如果指示灯不亮，则说明调试不到位（在排除接线组装的情况下）需要继续调节电位器。
注意调试时不要在强光环境下测试，因为是光电传感器所以环境光线对于检测有着较大的影响。
在调试期间还出现了无论是黑线还是黑线指示灯始终长亮的情况，查阅资料后推测是传感器的灵敏度过高，黑线所反射的光线也被检测到了，在降低了灵敏度后循迹模块正常工作。
图六：
循迹模块未检测到轨道时指示灯情况
图七：
循迹模块检测到轨道时指示灯情况
图八：
可调节电位器
6.3小车运行测试
最后就是实际运行测试，将小车放置在实验轨道上进行实际运行的测试，分别有直线测试，弯道测试以及障碍物测试。
测试结果见下表。
小车测试次数
循迹成功次数
避障成功次数
1
2
表二：
小车测试情况
从运行情况来看，小车的避障功能并不能很好实现，循迹功能基本完成。
初步推断原因如下：
（1）是购买的红外对管可能过于灵敏了，非常容易受到外来光线的影响，最后一次将测试环境换到了低亮度的室内，测试的效果相对理想。
（2）红外对管的数量不足，从结果来看两个传感器并不能完全的收集道路信息，给避障动作带来了阻碍。
（3）传感器元件的选择不恰当，最开始认为红外对管应该能够胜任工作，但从实际结果来看，检测距离还是偏短，给单片机反应和传出动作的时间太短。
此外在直行测试当中也出现了小车不断向左偏移然后自行调整再偏移不断重复无法一直沿直线行驶的情况，经过调整程序、检查硬件组装和上网查阅后怀疑是硬件本身的误差导致的。
推测可能情况如下：
（1）两个电机的实际工作情况有微小的差别，在同样的调速情况下，右电机转速会比左电机快。
（2）两个车轮可能不完全相同，在粗略的测量之后，我发现左右车轮的中心并不完全相对应，这就导致了小车本身就有倾斜的角度，在行驶时就不可避免的出现了偏离现象。
在改变了程序内左右电机调速的参数后，情况稍微好转，但仍然不能完全消除。
7总结
历时半年的毕业设计到此也就告一段落了，这一过程中经历了许多的波折，不管是选题后的迷茫，还是因为疫情完全打乱了原本的安排，但最后还是完成了本次的毕业设计。
整个设计以单片机为核心，利用了传感器，驱动电机等硬件，通过软件编程来控制硬件动作，预期实现自主检测并自我纠正的循迹行驶；
自主探测行驶路径上的障碍物并主动规避；
可以读取轨道的停止行驶指令并执行。
从运行情况来看小车的循迹设计基本完成，避障设计还有待完善。
虽然已经实现了预期大部分的功能，可是这并不能称为一件合格的设计，在软硬件上都还有很多不足可以完善。
通过整个毕业设计，我将我大学四年所学的许多东西都进行了复习和串联，将理论转化为实践。
进一步的巩固了自身的专业知识。
同时也学习到了许多以前未注意的知识点。
在实践过程中，我熟悉了单片
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