基于单片机智能小车系统设计(编辑修改稿)

基于单片机智能小车系统设计(编辑修改稿)内容摘要：

中 ， “智能模拟 ”被作为主要研究课题。 智能化 从被作为概念引进，到被实现先是在实验室，然后发展到当今高端领域的应用，例如：勘探、航空、军事等，这些都为未来 智能化的全面发展奠定基石。 智能化得以全面的发展的原因是 当今社会 要求资源必须合理 ， 充分的被利用， 也 符合当今社会用最少的的投入换取最大的收益的要求， 它的使用使 工业生产的效率得以提高，实现现有工业生产水平跨进智能化的时代，实现当今智能化面向大众发展。 随着当今社会电子产业的飞速发展，集成芯片的功能日益强大，同时体积越来越小，为智能产业的生成与发展打好了良好的物质基础。 智 能小车，是一个集环境感知、远程控制、自动行驶等功能于一体的系统，它集中地运用了计算机、通信、单片机、信息、传感、人工智能及自动控制等技术，是典型的高新技术产物的代表。 我国于 20 世纪 80 年代开始了对用在车辆上的智能技术的研究， 和 国外 相比 是比较落后的。 由于技术上的不成熟和人才的匮乏，在智能车辆上的研究常常着重于某方面的技术，也因此我国在总体技术上明显落后于西方那些在 智能化 研究比较成熟的国家，可是我们也取得了一系列的成果，主要有： a）中国第一辆可以自主驾驶轿车于 20xx 年研制成功，参与研究的是 中国第一汽车集团公司、自动化学院、国防科技大学机电工程。 在正常交通状况下，这辆轿车在高速公路上，行驶最高稳定的速度是 13km/h,最高速度却达 170km/h，并且拥有超车的功能，对于它的总体技术指标与性能都已经位居世界先进水平。 b） 军用室外自主车装有彩色激光雷达、摄像机、陀螺惯导定位等传感器，它是由南京理工大学、国防科技大学、清华大学、北京理工大学、浙江大学等多所高校联合研制成功，它的主系统使用两台 Sun10，这两 台 Sun10 主要用来处理信息融合、路径规划，路边抽取识别是由两台 PC486 处理完成， 定位计算和车辆自动驾驶的功能是靠 8098 单片机完成。 它在直线跟踪这一功能上速度是 20km/h，避障这方面的速度在 510km/h 之间。 可以预计， 随着 我国经济实力 的 飞速发展， 人 们生活质量的提高，必将对智能车辆要求越来越高，依照我国现在的 情况 ，对智能车研究力度 必将 日益加大，这些都为智能车的发展奠定了基础。 国外现状 从上世纪 50 年代，国外智能车辆就已经开始研制，与国内相比，研究史较长。 盐城工学院本科生毕业设计说明书 ( 20xx) 3 它的发展历程大体可以分成三个阶段： 第一阶段 智能车辆研究起源于 20 世纪 50 年代，这一时期被称为初始时期。 世界上第一台 自主引导车系统 Automated Guided Vehicle System 简称 AGVS 是在1954 年被研究开发的，它的研发者是美国的 Barrett Electronics 公司。 虽说该系统只是一个运行在固定线路上的拖车式运货平台，但它是在脱离人的操作下独立运行的，也就是说无人驾驶，这点就可以把它划入智能 化。 早期研制 AGVS 应用领域就是为了仓库内的物品运输 ，为了适应当时的社会 ， 开发智能车的目的仅仅是为了提高仓库运输的自动化水平。 在后来，计算机的应用与传感技术的飞速发展，使得在智能车辆方面的研究也在不断得到新 的突破。 第二阶段 世界主要发达国家对智能车辆的 研发 日益看重是在上世纪 80 年代中后期。 在欧洲， 1986 年普罗米修斯项目开始在智能车辆方面的探索。 在美洲，在1995 年 ， 国家自动高速公路系统联盟简称 NAHSC 由美国成立，它们的目标之一就是智能车辆在现实生活中的可实现性，为以后智能车辆的实现打下了基础。 在亚洲，在 1996 年 ， 高速公路先进巡航 /辅助驾驶研究会由日本成立，它的目的就是研究智能车辆关于导航方面的问题，也正因为这个研制使得日本智能车辆在整体 技术 上都得到很大的提升。 在 上世纪 80 年代，研制开发智能车辆形成一 种潮流，世界上各大著名汽车制造商都把矛头指向智能车辆的研发上，使得智能车辆在这一时期得到飞速的发展。 第三阶段 在上世纪 90 年代时，对智能车辆研制进入白热化 ， 许多国 家 都看到智能车辆发展前景与迫切性，在这一时期智能车辆研制，开发，生产都 得到 空前提升。 最为突出的是 Navlab 系列的 10 台自主车（ Navlab1—Navlab10）的研究在美国卡内基 .梅隆大学（ Carnegie Mellon University）机器人研究所完成，取得了显著的成就。 目前，智能车辆的第三阶段仍然在继续，现在国外智能车辆的发展方向 也是由第三阶段的成果作为代表。 在世界工业设计和界科学界中，在众多的研究机构中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 智能原型车辆设计成功，这种采用机器视觉的智能车户外高速公路上为 100km/h，这个速度是当时进行速度测试的速度，而机器视觉保证了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，拥有自动行进、停车，而且可以向它后面的车发送相关驾驶信息智能车辆维塔（ VITA,7t）在这次会议上展示。 UBM 视觉系统是这两辆车的系统， 这是一个具有极高的稳定性双目视觉系统。 荷兰鹿特丹港口的研究 根据自身需求，荷兰鹿特丹港口研究的智能车辆主要应用在工厂货物的运输这一方面。 荷兰的 Combi road 系统，货物的运输都是靠无人驾驶的车辆完成的，这些车辆行驶的路面是经过特别处理的 ， 应用额磁性导航参照物，智能车辆探测障碍物只靠一个光矩阵检测。 荷兰政府对这系统比较青睐，在荷兰南部 ， 在讨论关于这种系统的问题，他们计划修建这种道路，用荷兰鹿特丹港口研究的智能车辆把货物运输到荷兰各个地方，减少了对人的需求，而且也会减少各基于单片机的智能小车系统设计 4 种人在驾驶中遇见的问题。 日本大 阪大学的研究 大阪大学的 Shirai实验室所研制的航位推测系统（ Dead Reckoning System）智能小车，这辆智能小车的转向角是依靠电位计与旋转编码器来获取，达到了对智能小车的定位这一效果。 另外，美国麻省理工学院、英国国防部门的研究、斯特拉斯堡实验中心、奔驰公司、美国卡内基梅隆大学在智能车辆研究方面都有着显著的成就。 设计主要是制作一款既能进行远程控制又能智能采集信息并能做出相应反应实现 避障功能的小车。 智能小车的自动避障功能体现了小车智能化的要求，远程控制 很适合当代高端玩具的发展要求，也可成为学习单片机嵌入式控制系统的一个典型实例。 在执行避障时通过超声波传感器件来采集小车 周边 的信息，并送入控制单元CC2530 单片机，经过 CC2530 处理数据后，根据得到的结果会发出对应的指令，完成小车智能化的特 性， 也就是说小车本身可以自己控制自己。 设计以两 个 直流电动机为主驱动。 在电机驱动这部分，使用的 L298 电机驱动板 ， L298 电机驱动板能同时驱动 2 个直流电机；避障采用 超声波测距避障模块传感器 HCSR04 来完成 , 传感器 HCSR04 在接收到单片机发来的信息后，会发射 8 个 40MHz 超声波，然后等待接收反射回来的超声波，计算出相应的信息，发给单片机，单片机接收到传感器 HCSR04 发来的信息，进行处理，再对小车做出相应的控制。 远程控制使用是CC2530 单片机 自带的无线传输完成的； 控制单元也就是 CC2530 单片机 ， 通过编程合理有序的将各个模块信号整合在一起并做出相应的反应，实现了智能化控制，智能小车可以属于一个简易的机器人。 根据设计的要求，为了简单明了的达到设计的效果系统以 CC2530 为核心的结构图，如 图 31 所示。 图 31 系统的结构框图 上 位 机 CC2530 单片机 CC2530 单片机 执行远程 控制指令 收集前方信息， 自动避障 盐城工学院本科生毕业设计说明书 ( 20xx) 5 主控单元方案比较与选择 按照题目要求，控制器主要用于控制电机， 处理 传感器 获取到的 前面道路信息与无线接收到的信号，并将处理信号传输给控制器，然后控制器做出相应的处理，实现小车的远程控制和自动避障。 方案一：可以采用 51 单片机作为设计的控制系统。 51 单片机发展比较成熟，由于使用的年份比较久远，兼容方面也比较好。 用 51 单片机作为控制在系统控制方面表现出运算功能强大，技术成熟，对于软件编程比较灵活，降低了编程者的难度，多年的发展已经使得 51 单片机体积很小，在使用的时候不会占用太大的空间，减小了开发物品的体积，同时成本也比较低。 方案二：控制单元采用 CC2530 单片机 作为设计的控制系统。 CC2530 单片机拥有极 快 的运算功 能 ，反应速度快，在软件编程方面不同于 51 单片机，程序相互之间比较紧凑，集成度高，本身自带无线收发功能。 CC2530 集成单片机、 ADC、无线通信模块于一体，由于使用的是单片机与无线通信模块结合的原因，在无线通信方面大大 减轻了 编写方面 难度 ，数据相互传输方面 也 能表现出它的优越性，而且由于不用外接无线模块 ， 它的 体积与质量都得到了减少。 CC2530 自身附带 的 无线传输功能，采用 ZigBee 这种通信协议虽然传输的数据量不太大，传输率也仅仅停留在低数据上，但是它在传输距离上是很远的 ， 传输的数据比较安全稳定。 它是追求远程、稳定 ， 低数据的传输。 经过多年的研制，同类产片相比 CC2430， CC2530无论是在价格上还是在性能上都变现出让消费者更满意。 考虑到此次设计要用到无线传输，如果使用 51 单片机系统的控制器作为此次设计的控制器就要外加无线传输模块，这样在以后的焊接和编程方面多有一定的弊端。 而 CC2530 单片机，无线通信模块与 一体这样，对于设计来说省去无线传输模块对于整个设计来说使结构更加简单，制作更加容易，编程更加严谨。 因此设计选择 采用方案一， 选取的实物图如图 32 所示。 图 32 CC2530 实物图 基于单片机的智能小车系统设计 6 电机单元方案比较与选择 方案一：采纳直流电机作为驱动设置。 采用直流电机长处主要表现在硬件电路的设计 ， 包括后期的连接与焊接电路板会比较简单。 但是它的转速不大容易控制，如果提高额定直流电压的时候，电机转速几乎不会受影响。 这类电机用常用一些恒转速的机器 ， 像录音机、播放机或激光唱机 等 ，同时也用于速度可以 有 很大变 化范围的的驱动装置，而直流电机由于缺少各种稳压电路的保护，很容易受到影响，特别是在转速和转矩输出等方面。 方案二： 采用直流减速电机。 直流减速电机能够提供一个很大的转动力矩，使用起来极其方便，直流减速电机电机有直流电机和它内部装有减速齿轮组组成，因此在使用的时候，对于减速的要求可以很方便实现，通过单片机向控制芯片发送不同的信号，直流减速电机可以轻易的完成前进、后退、停止等操作。 综合以上考虑我们选择方案二的直流减速电机作为智能小车的驱动电机。 选取的实物图如图 33 所示。 图 33 减速电机 电源单元方案 比较与选择 方案一：采用单电源供电，使用单电源同时对单片机和直流电机进行供电，这种方案的优点在于：减少机身的总体重量，操作简单，但其缺点在于：由于控制电机时，电机的停止与启动都会产生很大的电流变化，这个电流会影响大盘单片机正常运行，使单片机不能在一个稳定条件工作，单片机的各方面性能也会受到很大影响。 但是配合 L298N 芯片 可以直接可以 使电压 稳定，电 动 机电压 变化 不影响单片机正常使用。 但是会出现电压电压达不到要求。 方案二：采用双电源供电，通过 两个独立的电源一个对单片机进行供电，一个对直流减速电机进行供电，此方案的优点是，避免了减速电机造成电流波动对单片机的影响，因此单片机的性能基本不会受到影响， 电动机 的运行反应也会更加的敏捷。 它的缺点也因此产生了 ， 使用双电源， 可以更好地给减速电压提供动力，但是增大了设计的体积，需要的器件同样也会相应的增加。 盐城工学院本科生毕业设计说明书 ( 20xx) 7 综合以上的优缺点，设计决定采用第 二 种方案。 避障单元方案比较与选择 方案一：采用红外线测距。 红外线测距可以精确、快速的测到距离，在精确度上表现的非常的好，但是容易受到外界干扰。 而且装置在移动的物体 上更是不易测量。 方案二：采用的超声波传感器。 超声波传感器的原理是：压电陶瓷超声波传感器在电压的变动下会发出超声波，超声波发出后，遇到前方的障碍物后会发生漫反射，因此就会被超声波传感器接上接收部分接收到。 精度高，不易受到外界的干扰，操作简单。 由于设计 的 智能小车是在移动中测得距离然后判断的，红外线表现非常的差。 而超声波测距的表现无论在性能上还是 在操作 上都符合要求，所有选择方案二。 此次设计选用的超声波传感器是 HCSR04， 如图 34 所示 为 HCSR04 超声波传感器的实物图。 图 34 HCSR04 超声波传感器 4. 硬件系统的设计。