中国矿业大学毕业论文-自动避障循迹小车(编辑修改稿)

中国矿业大学毕业论文-自动避障循迹小车(编辑修改稿)内容摘要：

峰期的环境中和 1998年汉诺威工业商品展览会大厅环境中进行了超过 36 小时的考验，所表出的性能是其它现存的轮椅机器人和移动机器人所不可比的。 另外，自从 1996年成功地举行了第一次世界机器人足球赛以来，现在一年一度的世界机器人足球赛已经吸引了越来越多的团体参加，极大地推进了多移动机器人技术的研究， 成为研究和验证人工智能成果的实验床 [6]。 中国矿业大学徐海学院 2020 届本科生毕业设计 4 国内移动机器人的状况 在国内，从“七五”开始，我国的移动机器人研究开始起步，经过多年来的发展，已经取得了一定的成绩。 清华大学智能移动机器人于 1994 年通过鉴定。 涉及到五个方面的关键技术：基于地图的全局路径规划技术研究；基于传感器信息的局部路径规划技术研究；路径规划的仿真技术研究；传感技术、信息融合技术研究；智能移动机器人的设计和实现。 香港城市大学智能设计、自动化及制造研究中心的自动导航车和服务机器人。 中国科学院沈阳自动化研究所得 AGV 和防暴机器人。 中国科学院自动化所自行设计、制造的全方位移动式机器人视觉导航系统。 哈尔滨工业大学于 1996 年研制成功的导游机器人等 [1]。 自主移动机器人的研究虽取得了很大的进展，但是对于复杂的应用，仍不能令人满意。 小车避障现状综诉 避障的目标就是没有人的干预下使机器人有目的地移动并完成特定任务，进行特定操作。 机器人通过装配的信息获取手段，获得外部环境信息，实现自我定位，判定自身状态，规划并执行下一步的动作。 要实现移动机器人更高的智能化，机器人在行走和探索的过程中，避障行为是必不可少的。 在行 走过程中实现避障行为是非常重要的，它可以避免造成机器人本体的损坏以及重要设备的损坏，使机器人无论在什么环境下都能够正常工作，因此机器人的避障控制系统的成为当今研究的热门课题 [1]。 采用先进、可靠的传感器和计算机技术实现智能机器人的避障研制 , 传感器融合技术近年来被引入到了机器人导航研究中，并已取得令人振奋的成果，采用常规传感器导航的移动机器人将成为机器人产业的主要发展方向 [5]。 当然，在一些复杂的地理条件下，非视觉传感器的探测范围就不如视觉系统那么完整，目前对于一些高精度的导航还难以胜任，因而开发 新型传感器或按照一定融合策略构造传感器阵列以弥补单个传感器的缺陷，以及提出新的融合方法来完善探测的结果，都将是重要的研究方向 [3]。 智能小车的现状 智能小车作为移动式机器人的一个重要分支，随着机器人研究的深入受到越来越多人的关注。 它是计算机控制与电子技术的融合，集传感器探测（光中国矿业大学徐海学院 2020 届本科生毕业设计 5 源、障碍物）、单片机自动控制、电机调速等于一体，可以说是计算机、传感器、信息、通讯、导航、人工智能及自动控制等技术的一个综合体，为电子设备智能化提供了很好的实例 [5]。 现今社会智能小车发展很快，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 [7]，这几界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。 根据实际设计制作基于 STC89C52 单片机智能小车的过程，在智能小车的自动循线、避障、检测、控制、显示等方面提出一些见解。 论文研究内容与主要结构 基于单片机控制的智能循迹避障小车 随着微电子技术的不断发展，单片机不但集成程度越来越高，已可以在一块芯片上同时集成 CPU、存储器、定时器／计数器、并行和串行接口、看门狗、前置放大器、 A／ D 转换器、 D／ A 转换器等多种电路，而且体积越来越小，功耗越来越低，这就很容易将计算机技术与测量控制技术结合，组成智能化测量控制系统 [8]。 这种技术促使机器人技术也有了突飞猛进的发展，目前的机器人技术发展异常迅速，已经出现了各种各式的用于各种用途的机器人了，机器人的设计与制造已经不是很高难度的事情了，已经具有普及性了。 本文设计以 STC89C52 单片机作为检测和控制核心。 采用红外光电传感器检测路面黑线及障碍物，应用超声波传感器 测距，利用单片机控制电动机的转动方向和转速。 通过软件编程实现小车的行进、绕障。 通过对电路的优化组合，可以最大限度地利用 51 单片机的全部资源。 P0 口用于连接 VCC，P1 口用于传感器的数据采集与中断控制， P2 口用于电动机的驱动控制。 这样做的优点是：简单有效，降低了总体设计的成本。 文章主要结构 文章主要包括下面几个内容： 综述小车的研究与现状，阐述文章的大致方向 对智能小车进行方案总设计，主要包括车体的选择、电驱模块驱动电机的选择、循迹模块和壁障模块传感器的选择控 制系统模块和电源模块的选择 中国矿业大学徐海学院 2020 届本科生毕业设计 6 对小车进行硬件的设计，给出电路图 结合自己所学的专业知识，对小车进行软件设计，使得小车能自动的壁障和循迹 对小车进行制作安装与调试，对测试的结果进行分析 2 方案选型设计 车体设计 直接购买的 3 轮车版，小车为 3 轮结构。 其中前面两个车轮由前轮电机控制， 在信号控制下前后摆动，来调节小车的前进方向和为小车提供动力。 在自然状态下，保持前进。 后面 1 个车轮有轴承，为整个小车提供方向，所以又称后面的轮子为方向轮，驱动的两个轮子为驱动轮。 能 适应题目中小车准确前进、后退、转弯的要求，而且这种车版一般都价格适中。 而自己制作车版成本比较高，且比较粗糙，对于白色基板上的道路面行驶，车身重量以及平衡都要有精确的测量，而且也要控制好小车行驶的路线和转弯的力矩及角度，这些都比较难良好地实现。 电机驱动设计 电机选择 使用直流电机作为电动车的驱动电机，直流电机的控制方法比较简单，只需给电机的两根控制线加上适当的电压即可使电机转动起来，电压越高则电机转速越高。 对于直流电机的速度调节，可以采用改变电压的方法，也可采用 PWM 调速方法。 PWM 调速就是使加在直流电机两端的电压为方波形式，通过改变方波的占空比实现对电机转速的调节。 虽然采用步进电机有诸多优点，如可以精确的定位，可以实现小车前进路程和位置的精确定位但是步进电机的输出力矩较低，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。 所以最后确定使用直流电机。 中国矿业大学徐海学院 2020 届本科生毕业设计 7 驱动选择 开始时想采用 SM6135W 电机遥控驱动模块。 SM6135W 是专为遥控车设计的大规模集成电路。 能实现前进、后退、向右、向左、加速五个功能，但是其采用的是编码输 入控制，而不是电平控制，这样在程序中实现比较麻烦，而且该电机模块价格比较高，所以放弃。 图 1 后采用电机驱动芯片 L298N（见图 1）。 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 ，为单块集成电路，高电压，高电流，四通道驱动，可直接的对电机进行控制，无须隔离电路。 对照表 1 通过单片机的 I/O 输入改变芯片控制端的电平，即可以对电机进行正反转，停止的操作，非常方便，亦能满足直流减速电机的大电流要求。 调试时在依照逻辑关系表，用程序输入对应的码值，能够实现对应的动作。 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（见图 2） [17]。 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，稳定中国矿业大学徐海学院 2020 届本科生毕业设计 8 性也极强，是一种广泛采用的 PWM 调速技术 [6]。 表 1 L298N 的引脚和输出引脚的逻辑关系 Q1N P N9 0 1 3Q2N P N9 0 1 3R11kR21 0 kR31kR41 0 kQ3N P N8 0 5 0Q4N P N8 0 5 0Q5P N P8 5 5 0Q6P N P8 5 5 0D14 1 4 8D24 1 4 8D34 1 4 8D44 1 4 8 图 2 H 桥式电路 桥式电路工作原理 电路得名于 “H 桥式驱动电路 ”是因为它的形状酷似字母 H。 4 个三极管组成 H 的 4 条垂直腿，而电机就是 H 中的横杠。 H 桥式电机驱动电路包括 4 个三极管和一个电机。 要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。 根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。 EN A（ B） IN1（ IN3） IN2（ IN4） 电机运转情况 H H L 正传 H L H 反转 H IN1（ IN3) IN2（ IN4） 快速停止 L X X 停止 中国矿业大学徐海学院 2020 届本科生毕业设计 9 调速技术 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。 循迹模块 利用光电传感器实现循迹的基本原理 光电传感器的工作原理 光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。 光电传感器在一般情况下，有三部分构成，它们分为：发送器、接收器和检测电路。 发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管 (LED)、激 光二极管及红外发射二极管。 光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。 接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。 在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。 在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。 此外，光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维。 三角反射板是结构牢固的发射装置。 它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返回，具有实用意义。 它可以在与光轴 0到 25 的范围改变发射角，使光束几乎是从一根发射线，经过反射后，还是从这根反射线返回。 光电传感器的分类和工作 方式 槽型光电传感器 把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧的是槽形光电。 发光器能发出红外光或可见光，在无阻情况下光接收器能收到光。 但当被检测物体从槽中通过时，光被遮挡，光电开关便动作。 输出一个开关控制信号，切断或接通负载电流，从而完成一次控制动作。 槽形开关的检测距离因为受整体结构的限制一般只有几厘米。 对射型光电传感器若把发光器和收光器分离开，就可使检测距离加大。 由一个发光器和一个收光器组成的光电开关就称为对射分离式光电开关，简称对射式光电开关。 它的检测距离可达几米乃至 几十米。 使用时把发光器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧，检测物通过时阻挡光路，收中国矿业大学徐海学院 2020 届本科生毕业设计 10 光器就动作输出一个开关控制信号。 反光板型光电开关把发光器和收光器装入同一个装置内，在它的前方装一块反光板，利用反射原理完成光电控制作用的称为反光板反射式 (或反射镜反射式 )光电开关。 正常情况下，发光器发出的光被反光板反射回来被收光器收到；一旦光路被检测物挡住，收光器收不到光时，光电开关就动作，输出一个开关控制信号。 扩散反射型光电开关它的检测头里也装有一个发光器和一个收光器，但前方没有反光板。 正常情况 下发光器发出的光收光器是找不到的。 当检测物通过时挡住了光，并把光部分反射回来，收光器就收到光信号，输出一个开关信号。 光电传感器的选择 这里的循迹是指小车在白色地板上循黑线行走，通常采取的方法是红外探测法。 红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物体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，当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射，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，小车上的接收管接收不到红外光。 单片机就是否收到反射回来的红外光为依据确定黑线 的位置和小车的行走路线。 红外探测器探测距离有限，一般最大不应超过 3CM[5]。 开始时采用发光二极管 +光敏电阻，但是该方法缺点明显：易受到外界光源的干扰，有时甚至检测不到黑线，主要是因为可见光的反射效果跟地表的平坦程度、地表材料的反射情况均对检测效果产生直接影响。 克服此缺点的方法：采用超高亮度的发光二极管能降低一定的干扰，但这又会增加检测系统的功耗。 后采用脉冲调制的反射式红外发射接收器。 由于采用带有交流分量的调制信号，则可大幅度减少外界的干扰；此外红外发射接收管的工作电流取决于平均电流，如 果采用占空比小的调制信号，在平均电流不变的情况下，瞬时电流很大（ 50～ 100mA）（ ST。