机器人自动寻迹避障系统设计.doc

天津工业大学毕业论文机器人自动寻迹避障系统设计姓 名 任 浩 学 院 电气工程与自动化学院专 业 自动化 指导教师 修春波 职 称 副教授 2013年6月3日附表1天津工业大学毕业论文任务书 题目机器人自动寻迹避障系统设计学生姓名任 浩学院名称电气工程与自动化学院专业班级自动化094课题类型实际课题课题意义随着人类探索活动的不断发展，促使了机器人的诞生。机器人可以代替人类完成许多高强度、高难度的工作，也可代替人类完成那些在恶劣环境中，甚至是危险致命环境中的特殊工作，因此具有广泛的应用前景。本次研究的主要内容是一种基于单片机控制的自动寻迹避障小车的设计，该车以单片机为控制核心，利用传感器对前方障碍物信息及路面信息进行采集，并将障碍物检测信号和路面检测信号反馈给单片机。单片机对采集到的信号予以分析判断，及时控制驱动电机以调整小车转向，从而使小车能够避开障碍物，沿着预定轨道自动行驶，实现小车自动寻迹避障的目的。任务与进度要求2013.3.7-2013.3.30 查阅与本课题相关课题的资料，熟悉本课题的原理2013.3.31-2013.4.25 完成本课题系统方案的整体设计2013.4.26-2013.5.10 完成本系统的硬件设计及调试2013.5.11-2013.6.05 完成对毕业论文的撰写2013.6.5-2013.6.8 通过毕业答辩主要参考文献1胡海峰，史忠科，徐德文.智能汽车发展研究J.计算机应用研究.2004，5(6)：2023.2章小兵，宋爱国.地面移动机器人研究现状及发展趋势.机器人技术与应用.2005，15(4): 1923.3Sharma U K, Davis L S. Road following by an autonomous vehicle using range dataJ. IEEE Transactions on Robotics and Automation，1988, 6(8): 515-523.4徐国华，谭民.移动机器人的发展现状及其趋势J.机器人技术与应用.2001,8(7):7 14.5冯建农，柳明，吴捷.自主移动机器人智能导航研究进展J.机器人.1997，19(10): 468478.起止日期2013.3.7-2013.6.8备注院长 教研室主任 指导教师 毕业论文开题报告表附表2 2013 年 3月 10 日姓名任 浩学院电气工程与自动化学院专业自动化班级自动化094题目机器人自动寻迹避障系统设计指导教师修春波一、与本课题有关的国内外研究情况、课题研究的主要内容、目的和意义：随着社会生产和科学的发展，智能机器人的研究越来越受到社会各界的广泛重视。而智能机器人研究的主要内容就是机器人的寻迹与避障。机器人自动寻迹避障系统一般可划分为信号检测部分和控制部分，信号检测部分包括轨道检测、障碍物检测以及速度检测控制部分包括驱动控制、制动控制和转向控制。 本次研究的主要内容是一种基于单片机控制的自动寻迹避障小车的设计，该车以单片机为控制核心，利用传感器对前方障碍物信息及路面信息进行采集，并将障碍物检测信号和路面检测信号反馈给单片机。单片机对采集到的信号予以分析判断，及时控制驱动电机以调整小车转向，从而使小车能够避开障碍物，沿着预定轨道自动行驶，实现小车自动寻迹避障的目的。 随着智能机器人技术的快速发展，智能机器人在家务劳动、患者看护、警务服务、家庭娱乐和办公室事物等各项服务工作中得到广泛的应用。二、进度及预期结果：起止日期主要内容预期结果3.7-3.303.31-4.254.26-5.105.11-6.56.6-6.8查找资料。查阅相关课题的资料软硬件设计。对本课题要求的软硬件进行设计软硬件调试。对以设计好的软硬件进行调试撰写毕业论文毕业答辩初步了解有关本课题的研究内容。初步完成软硬件设计完成软硬件调试完成毕业论文通过毕业答辩完成课题的现有条件已具备完成本课题的软硬件设施审查意见指导教师： 年 月 日学院意见主管领导： 年 月 日附表5天津工业大学本科毕业论文评阅表（论文类）题目机器人自动寻迹避障系统设计学生姓名任 浩学生班级自动化094指导教师姓名修春波评审项目指标满分评分选题能体现本专业培养目标，使学生得到较全面训练。题目大小、难度适中，学生工作量饱满，经努力能完成。10题目与生产、科研等实际问题结合紧密。10课题调研、文献检索能独立查阅文献以及从事其他形式的调研，能较好地理解课题任务并提出实施方案；有分析整理各类信息，从中获取新知识的能力。15论文撰写结构严谨，理论、观点、概念表达准确、清晰。10文字通顺，用语正确，基本无错别字和病句，图表清楚，书写格式符合规范。10外文应用能正确引用外文文献，翻译准确，文字流畅。5论文水平论文论点正确，论点与论据协调一致，论据充分支持论点，论证过程有说服力。15有必要的数据、资料支持，数据、资料翔实可靠，得出的结论有可验性。15论文有独到见解或有一定实用价值。10合计100意见及建议：评阅人签名： 年 月 日附表7： 天津工业大学毕业论文成绩考核表学生姓名任 浩学院名称电气工程与自动化学院专业班级自动化094题目机器人自动寻迹避障系统设计1毕业设计（论文）指导教师评语及成绩：成绩： 指导教师签字： 年 月 日2毕业设计（论文）答辩委员会评语及成绩：成绩：答辩主席（或组长）签字： 年 月 日3毕业设计（论文）总成绩：a.指导教师给定成绩b.评阅教师给定成绩c.毕业答辩成绩总成绩(a0.5+b0.2+c0.3)摘 要 随着现代交通的发展及科学技术的提高，人们的生活水平也在发生重大的变化，同时私家车的数量也在逐步增加，且汽车技术也在日益提高，并越来越趋向于智能化。但伴随着的却是道路的拥挤与交通事故的频繁发生，这严重的影响了人的生命安全。有资料显示，导致追尾、相撞等此类交通事故发生的主要因为是两车之间的距离太近造成的。为了解决在两车距离问题上尽量避免或减少此类交通事故的发生，本课题提出了采用传感器技术来研究分析智能小车的寻迹避障系统。 本文的目的是采用传感器来设计小车寻迹避障系统。首先在研究课题的国内外情况下，对小车寻迹避障系统的设计方案进行论证，其中主要对系统检测和电机驱动方面进行了详细的论证。同时对系统采用的单片机控制与整个系统各模块的方案进行了说明。其次，本文完成了对智能小车的主体部分，即硬件部分进行了详细的设计。硬件部分包括:系统主控制部分、驱动单元部分、小车躲避障碍物单元设计、小车寻迹单元设计与电机控制电路设计等。最后，在完成软硬件设计后，对系统进行测试，其中主要是测试方法的应用与测试的结果的分析。关键词：单片机；寻迹避障；传感器；电子技术ABSTRACTWith the development of modern transportation and the advancement of science and technology, also the standard of peoples living is in the event of major changes，at the same time number of private cars is also steadily increasing, and increasingly intelligent. But it is accompanied by the road of the congestion and accidents occur frequently, this has serious implications for the safety of their lives. There is a show that result in rear collision, such as car accidents, mainly because it is the distance between two vehicles too close. In order to solve the problems of distance on the cars to avoid or minimize such traffic accidents, the subject matter presented in sensor technology is also research and analysis of the Smart car evasive system.The purpose of this thesis is to use sensors to design car tracing and obstacle avoidance system. First in research situations at home and abroad, design the programme for demonstration of tracing and obstacle avoidance system, mainly on detection the motor drive system for the detailed argument. At the same time describes the programme of each module and the system as a whole. Secondly, completed the main part of the smart car , hardware design of parts in detail. Hardware part includes: System main control part, drive unit part, the car to avoid obstacles, car tracing unit design and motor control circuit design, etc. Finally, after completes the software and hardware design, carries on the test to the system, in which mainly is tests the method the application and the test result analysis.Key words：Single chip microcomputer；tracking and obstacle avoidance；sensor；Electronic technology目 录第一章 绪论11.1 本课题的研究背景及意义11.2 国内外研究现状11.3 本论文主要的研究内容和论文结构3第二章智能小车控制系统的总体设计分析52.1系统方案设计52.2检测系统论证52.3电机驱动系统102.4单片机控制电路系统112.5PWM控制原理112.6系统各模块选择12第三章 智能小车控制系统硬件设计133.1主控单元设计133.2驱动单元设计153.3寻迹模块设计193.4避障模块设计213.5电源模块27第四章 智能小车控制系统软件设计294.1系统控制流程294.2算法设计314.3测距子程序33第五章 系统调试与测试355.1系统调试355.2系统测试355.3最终成果36第六章 结论39参考文献40附录 一 外文翻译（英文）41附录 二 外文翻译（中文）46谢 辞49天津工业大学2013届本科生毕业论文第一章 绪论1.1 本课题的研究背景及意义 随着人类探索活动的不断发展，促使了机器人的诞生。机器人可以代替人类完成许多高强度、高难度的工作，也可代替人类完成那些在恶劣环境中，甚至是危险致命环境中的特殊工作，因此具有广泛的应用前景。 智能车，又称为轮式机器人，它是以轮子作为移动设备、实现自主行驶的移动机器人。智能车是一种基于计算机技术、电子技术、传感器技术、信息融合技术、通信技术、网络技术、导航技术、智能控制技术及自动化控制技术等发展起来的现代智能控制系统，是一个集环境感知、规划决策、自主行驶与行为控制等功能于一体的高技术综合系统，它可以在复杂环境下，通过计算机控制调节行驶方向、控制启停、实现速度的自主控制等12。目前，智能车在各个领域都具有广泛的应用前景，如它可以代替人类对零部件、线路板等类似产品进行检测;可以为顾客提供导购帮助;可以帮助残疾人改善生活质量和生活自由度;可以用于水下、太空及远程的服务与探测;可以完成在各种恶劣环境下的货物搬运以及系统维护和监测等工作;可以代替人类在危险地带完成军事任务;可以帮助人类完成地质勘探;可以改善道路交通安全，提高道路网络利用率，降低能源消耗等等3。 目前，随着计算机网络的日益普及，无线遥控技术结合网络控制技术将成为远距离控制系统的发展趋势。PC远程遥控与可视化跟踪技术因其潜在的应用受到了日益关注，因而，基于PC控制的智能小车循迹系统的研究具有良好的潜在的实用价值。1.2 国内外研究现状1.2.1 国外智能移动机器人的研究在国外，人们对移动机器人的研究开始于20世纪60年代。美国斯坦福研究院在1966年至1972年间成功研制出了名为Shakey的地面自主移动机器人，标志着机器人研究的开始4。随着计算机与传感技术的发展，移动机器人的研究进入了小高潮，美国和欧洲的一些制造厂家对地面移动机器人进行尺寸与结构标准化，并大量研究与制造，推动了移动机器人的迅速发展。进入20世纪80年代以后，在美国国防部高级研究计划局(DARPA)投资6亿美元制定了地面无人作战的战略计划并对此立项，此计划全面推动了一些学校与科研单位进行地面移动机器人中有关视觉与体系结构的研究发展5。例如1982年FMC公司研制的具有任务与路径规划的智能车，其跟踪车速可达19km/h避障车速8km/h6。美国Maryland大学在19831995年之间研究的基于视觉导航的军用无人侦察越野车辆(ALV )，以及后来的空间机器人计划;日本通产省组织的极限环境下作业的机器人计划;欧洲尤里卡中的机器人计划等7-9。 Martin Marietta公司于1986年研制的实现非结构化道路跟踪、避障以及三维地形图的确立等功能于一体的智能车ALVin10。从开始到这段时间，主要是基于学术角度对地面移动机器人的体系结构以及视觉信息处理进行研究并实验验证。此时期的研究带动了各个国家进行移动机器人的研究与开发，为人类研制智能机器人积累了丰富的经验与技术11。 从1990年开始，对机器人控制技术与现实环境中的规划技术更深层研究的同时，移动机器人开始向实用化进军，开拓其在每个领域的应用市场。美国NASA成功研制出了“索杰纳”火星探测机器人，并于1997年登上火星，在此基础上研究与设计了Rocky7机器人，并在Lavic湖的岩溶流上和干枯的湖床上验证成功，主要用于火星上长距离探险12;另外NASA还研制了八足行走机器人“丹蒂11 。德国成功研制了一种轮椅机器人，并在乌尔姆市中心车站的客流高峰期的环境和1998年汉诺威工业商品博览会的展览大厅环境中进行了实地现场表演，其表现出了其它现存的轮椅机器人或移动机器人所不可比的性能13。在DARPA的资助下，佐治亚理工研究可城市搜索与拯救机器人;卡内基梅隆大学研究了用于城市排爆机器人Yoder，以及1998年研制完成的穿越美国大陆的无人驾驶汽车Navlab 11;美国喷气推进实验室研制成功的完成城市战术侦察任务的战术侦察移动机器人Urbie14。在 2004年，美国的火星车“勇气”号和“机遇”号登上火星，并且圆满完成了预期的探索任务，它代表着当前世界上移动机器人的最高水平15。 2007年11月，日本东京早稻田大学研究人员推出了新型仿人型机器人“Twenty one”，它功能齐备，灵活性高，活动范围大，可以全方向移动自如地为人类服务，是一种复杂的能够和人类和谐共生的机器人，它是目前世界上最智能的机器人16。 目前，在复杂多变的真实环境下，要求机器人全自动地完成高度自主化以及非结构化的任务还是一个很大的难题，因此，毫无疑问远程操作的半自动机器人将成为今后的发展趋势，先进的远程操作技术是将来必需的17。1.2.2 国内智能移动机器人的研究在我国，移动机器人的研究“七五”才刚刚开始起步，国家“八六三”计划中的遥控驾驶防核化侦察车的立项确定，标志着移动机器人研究的开始。经过这些年的研究，取得了一定的成果1718。上海交通大学于1991年研制的JTUWM系列的四足移动机器人，基于模糊控制与神经网络控制，实现了机器人对角线的动态行走。清华大学于1994年实现了基于地图的全局路径规划和自动驾驶功能的智能移动机器人并且通过了鉴定;之后又设计了一款四足移动机器人，可以实现上下坡的行走以及避障等功能，自主的应对复杂的道路环境。国防科技大学研制的全自主无人驾驶机器人。中国科学院于2003年成功研制的AGV和防爆机器人以及自行研发的全方位移动式机器人视觉导航系统。香港城市大学设计与研究的自动导航车和服务机器人。华中科技大学于2005年研制出的肢体移动机器人，基于模块化多足爬行实现了腿臂功能融合。哈尔滨工业大学于1996年研制成功的导游机器人，此后2007年又研制出一种可以自主避障、自由行走，甚至可以与人简单对话的新型智能服务机器人等。 目前，国内高智能性和自主性移动机器人的研发没有形成系统，基本上是各个大学、研究院根据国外的研究状况，或是为了培养学生兴趣而进行的一些零散的研究。例如现在国内比较权威的中国机器人大赛，它集高技术、娱乐和比赛于一体，推出各种机器人比赛，如机器人足球、机器人舞蹈、机器人相扑、机器人投篮等，主要是为人们尤其是学生了解和关注人工智能和智能机器人科学与技术的发展搭建一座桥梁。另外起源于韩国的全国大学生“飞思卡尔杯”智能车大赛，在我国2006年开始举办至今，它是在飞思卡尔半导体公司资助下举办的以HCS 12单片机为核心的大学生课外科技竞赛，竞赛在规定的模型汽车平台上，使用飞思卡尔半导体公司的8位、16位微控制器，制作一个能自主识别道路的模型汽车，按照规定路线行进，以完成时间最短者为优胜。主要是培养学生知识融合和实践动手能力。因此，在国内机器人技术发展与完善的同时，研究具有实用价值的远程控制的高智能性移动机器人将是今后的发展趋势。1.3 本论文主要的研究内容和论文结构1.3.1 研究内容本文的研究工作为基于AT89C51单片机自主控制与检测的智能循迹避障小车，设计要求小车通过红外光电传感器检测路面黑色路径信息，并把该信息传给单片机，单片机通过对信息的处理下达指令控制电机的转速，从而确保小车沿黑色路径行驶，达到循迹的目的。并且通过超声波传感器检测前方障碍物，单片机根据该信息下达停止指令并报警。1.3.2 论文结构 全文一共分成五个章节，各章节的主要内容如下所示: 第一章绪论。阐明了课题的研究背景与研究意义，说明了在理论与应用方面的价值，概要介绍了与智能车相关的移动机器人的国内外研究现状，最后介绍了本论文的主要内容与结构。 第二章智能小车控制系统总体设计。介绍了智能小车控制系统的总体设计及其硬件部分与软件部分的基本构成，主要阐述了系统各个模块的主要功能，最后简要说明了该系统的主要特点。 第三章智能小车控制系统的硬件设计。介绍了系统硬件的总体结构，详细讨论了包括电源管理模块、循线检测模块、速度检测模块、电动机驱动模块、障碍物检测及声光报警模块的硬件电路设计等内容，搭建了智能小车的硬件平台。 第四章智能小车控制系统的软件设计及实验结果。概要介绍了系统软件的总体设计及软件开发环境，重点探讨了软件系统中以下几个功能模块:路径识别与方向控制算法、车速模糊控制与PID检测算法。最后给出了基于AT89C51单片机自主控制的智能循迹避障小车的整车试验结果。 第五章工作总结。对本智能小车控制系统进行了总结与评价。47第二章 智能小车控制系统的总体设计分析2.1系统方案设计本智能小车具有自动循迹避障功能，小车在运行时能够自动沿黑色路径行驶，并且在遇到障碍物是能够自动停止并声光报警。因此本智能小车系统可分为电源管理模块、循线检测模块、速度检测模块、电动机驱动模块、障碍物检测及声光报警模块。单片机AT89C51电源管理模块障碍物检测及声光报警模块循线检测模块速度检测模块电机驱动模块图2-1 系统总体设计框图2.2检测系统论证2.2.1循线检测系统 循迹检测常用到传感器。根据小车功能的要求有两种方案，一种是使用红外光电传感器，另一种是使用CCD传感器。这两种方案都可以达到小车循迹要求，目前使用最为普遍的循迹检测方法是红外探测法。两种方案的主要区别是使用的传感器不同。具体区别见表2-l 。表2-1 循迹检测传感器对比红外光电传感器CCD传感器受外界干扰程度小较小实时性好差对主控芯片要求较低较高成本较低高从上表中可以很明显的看出，红外传感器相对于CCD传感器来说，在实时性和对主控芯片的要求方面都比CCD传感器要好。基于这些优势以及处于成本的考虑，本设计采用红外光电传感器放在小车底部，距地面高度合适，可以达到很好的检测效果。红外光电传感器由发射器和接受器组成。当小车在行驶时由发射器发射光线接收器接受反射的光线。本系统采用单排传感器作为循线系统的信号采集。目前，大多智能车采用单排传感器的道路检测方式。虽然这种方式获取的道路信息较少，对智能车的状态和道路的状况都不能很好的区别，造成控制上的麻烦，但是由于本小车行驶在道路已知的情况下，处于成本等方面的考虑，所以使用单排传感器。传感器布局图如图2-2，图中仅以接受管示意传感器的位置。P0.0 P0.1 P0.2 P0.3图2-2 传感器阵列布局本小车在行驶时有6种道路识别模式，运行情况及真值表表2-2所示。表2-2 小车运行状态真值表P00P01P02P03运行状态1001直行0011左转弯0111左急转弯1100右转弯1110右急转弯0000停车2.2.2障碍物检测系统根据题目功能的要求，小车在循迹行驶过程中要能准确的避开途中遇到的障碍物，因此对检测距离有一定要求。又考虑到在测障过程中小车车速及避障反应堆小车速度的限制，小车应在距障碍物10M的范围内做出反应，这样才能在顺利停车避免撞击障碍物。否则，如果范围太大，则可能产生障碍物的判断失误;范围过小又很容易造成车身撞上障碍物。障碍物检测可以有多种方法:红外光检测、超声波检测、甚至机械接触。这些方法都有各自的优缺点。常用的有红外检测和超声波检测。两种方案的区别见表2-3。表2-3 障碍物检测系统方案对比红外检测超声波检测检测距离410m0.103.00m精确度1m20mm受外界环境干扰度易受外界环境干扰不易受外界环境干扰硬件电路尺寸小，安装简便稍复杂，安装简便成本8元左右6元左右从上表可以看出，相对红外检测，超声波检测距离远，不易受外界环境干扰，由于小车需要在行驶过程中检测障碍物，颠簸，光照方面可能会对检测产生影响。所以需要选择稳定性较好的，故本设计选择超声波检测。如图2-3所示。图2-3 超声波检测电路由物理学知，声波属于弹性机械波，按振动频率的不同，分为次声波(小于20 Hz)，声波(20 Hz20 KHz)及超声波(20 KHz以上)。由于超声波反射能力很强，而且波长也远比一般的平面反射物表面粗糙度大，所以通常对坚硬物质表面都能反射，利用这一特性，可以将超声波用于物体定位。超声波定位技术最r.来源于仿生学。人们发现蝙蝠等一些无目视能力的生物能将人耳听不到的声波发射出去。超声波遇其它动物或障碍物时被反射。蝙蝠根据反射回来的超声波强弱以及超声波反射的时间间隔长短来判断前方物体的位置。受这一灵感启发，人们设计了各种各样的超声波定位装置。这里使用的测量方法是“回波法”，其基本原理如图2-4。 反射波图2-4 超声波测距原理图超声波测距是借助于超声脉冲回波渡越时间法来实现的。设超声波脉冲由传感器发出到接收所经历的时间为t，超声波在空气中的传播速度为c，则从传感器到目标物体的距离D可用下式求出D = ct /2 (2-1) 系统框图如图2-5所示。定时器控制计算传输调制计时40K振荡增益放大超声波发射超声波接收图2-5 超声波测距原理框图基本原理：经发射器发射出长约6m m，频率为40KHZ的超声波信号。此信号被物体反射回来由接收头接收，接收头实质上是一种压电效应的换能器。它接收到信号后产生mV级的微弱电压信号。2.3电机驱动系统 直流电机和步进电机都可以用于小车驱动。故有两种方案。 方案一:使用直流电机，加上适当减速比的减速器。直流电机具有良好的调速性能，控制起来也比较简单。直流电机只要通上直流电源就可连续不断的转动，调节电压的大小就可以改变电机的速度。直流电机的驱动电路实际上就是一个功率放大器。常用的驱动方式是PWM方式，即脉冲宽度调制方式。此方法性能较好，电路和控制都比较简单。方案二:使用步进电机。步进电机具有良好的控制性能。当给步进电机输入一个电脉冲信号时，步进电机的输出轴就转动一个角度，因此可以实现精确的位置控制。与直流电机不同，要使步进电机连续的转动，需要连续不断的输入点脉冲信号，转速的大小由外加的脉冲频率决定。去而且其转动不受电压波动和负载变化的影响，也不受温度、气压等环境因素的影响，仅与控制脉冲有关。但步进电机的驱动相对较复杂，要由控制器和功率放大器组成。具体差别见表2-4。表2-4 电机控制方式对比直流电机步进电机调速性能较好较差位置控制精度较差好驱动简单复杂稳定性较好好，仅与控制脉冲有关由上表可以看出步进电机和直流电机都有各自的优点。步进电机能进行精确的位置控制，但驱动电路麻烦，鉴于本设计中小车的位置控制不要求十分精确，直流电机即可满足小车要求的精度。且直流电机易于控制，驱动电路十分简单。2.4单片机控制电路系统此部分是整个小车运行的核心部分，起着控制小车所有运行状态的作用。控制的方法有很多，大部分都采用单片机控制。单片机要完成电机控制、循线控制、避障控制等工作。本设计中小车的主控采用我们最为熟悉的AT89C51单片机。虽然这款单片机本身没有PWM模块，但若采用本身有PWM模块的单片机就会产生资源浪费。我们可以通过软件编程产生PWM，既能充分利用可用资源，又不浪费，且能很好的满足题目要求。采用单片机作为整个系统的核心，用其控制行进中的小车，以实现其既定的性能指标。充分分析我们的系统，其关键在于实现小车的自动控制，而在这一点上，单片机就显现出来它的优势控制简单、方便、快捷。这样一来，单片机就可以充分发挥其资源丰富、有较为强大的控制功能及可位寻址操作功能、价格低廉等优点。因此，这种方案是一种较为理想的方案。2.5PWM控制原理 PWM（Pulse Width Modulation）控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。PWM控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻，现在大量应用的逆变电路中，绝大部分都是PWM型逆变电路。 面积等效原理是PWM控制技术的重要理论基础。 原理内容：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积。 效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。如果把各输出波形用傅里叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。 脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。 2.6系统各模块选择 (1)控制器模块：采用单片机AT89C51作为小车运动的控制核心; (2)寻线前进模块：采用FS-359E反射性光电探测转感器来进行信号采集;(3)障碍物检测躲避模块：采用HC-SR04超声波传感激 (4)小车电机驱动模块：采用了L298N电机驱动芯片控制电机;(5)电源模块：采用12V电池组经7805稳压后作为单片机等的电源;第三章 智能小车控制系统硬件设计3.1主控单元设计3.1.1AT89C51单片机的特性及引脚功能 AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。1、主要特性：CPU与MCS-51 兼容；4K字节可编程FLASH存储器(寿命：1000写/擦循环)；全静态工作：0Hz-24KHz；三级程序存储器保密锁定；128*8位内部RAM；32条可编程I/O线；两个16位定时器/计数器；6个中断源；可编程串行通道；低功耗的闲置和掉电模式；片内振荡器和时钟电路2、AT89C51单片机的管脚功能采用HMOS制造工艺的MCS-51单片机都采用40管脚双列直插式封装；而采用CHMOS制造工艺的80C51/80C31,除采用40脚双列式直插式封装外，还有用方形的封装方式。如图3-1所示为AT89C51单片机管脚图。图3-1 AT89C51引脚图各管脚功能说明如下：VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL），P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 EA/VPP：当EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，EA将内部锁定为RESET；当EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。3.1.2CPU管脚分配及功能 在设计中，将单片机的资源分配如下：P1.3-P1.6作为电机驱动芯片L298N的四个输入口；P2.0和P2.1作为避障模块的超声波传感器HC-SR04的输入和输出口；P2.2-P2.7作为循迹模块的接入口，其中P2.2-P2.4为控制左端电机，P2.5-P2.7控制右端电机。定时器1产生PWM波控制电机转速。3.2驱动单元设计 在各类机电系统中.由于直流电机具有良好的起动、制动和调速性能。直流调速技术已广泛运用于工业、航天领域的各个方面。最常用的直流调速技术是脉宽调制(PWM)直流调速技术.它具有调速精度高、响应速度快、调速范围宽和耗损低等特点。本文在研究单片机PWM方法调速直流电机和电机驱动芯片L298N的基础之上，对单片机的电机驱动电路进行了一点优化设计。3.2.1驱动芯片L298NL298N足SGS公司生产的直流电机驱动集成电路，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N(如图3-2所示)。图3-2 L298N实物图及其引脚分布可以直接驱动两路3-16V 直流电机，并提供了5V 输出接口（输入最低只要6V），可以给5V 单片机电路系统供电（低纹波系数）,支持3.3V MCUARM 控制，可以方便的控制直流电机速度和方向，也可以控制2 相步进电机，5 线4 相步进电机。L298N 双H 桥直流电机驱动芯片，驱动部分端子供电范围Vs在5V16V之间 ，如需要板内取电，则供电范围Vs在+6V+16V。驱动部分峰值电流Io为2A，逻辑部分端子供电范围Vss 在5V7V（可板内取电5V）之间，逻辑部分工作电流范围:036mA，控制信号输入电压范围（IN1 IN2 IN3 IN4）为低电平：0.3VVin1.5V，高电平：2.3VVinVss，使能信号输入电压范围（ENA ENB）低电平为0.3Vin1.5V（控制信号无效）高电平为2.3VVinVss（控制信号有效）最大功耗为20W（温度T75时），存储温度为25130，驱动板尺寸为55mm*45mm*33mm(带固定铜柱和散热片高度)，其他扩展还有控制方向指示灯、逻辑部分板内取电接口。L298N内含两个H桥。如图3-3所示。图3-3 L298N内部逻辑图之所以得名“H桥式驱动电路”是因为它的形状和大写字母“H”非常相似。以单个H为例，4个三极管组成了H桥的4条边。而电机则是的H桥中连接两边的桥梁。要想使电机运转，必须得使斜对角的两个三极管同时导通。例如，当Q1管和Q4管两管导通时，电流就从电源的正极经Q1管从左到右流过电机，然后再经Q4回到电源的负极。这样流向的电流将驱动电机沿顺时针方向转动。 当另一对三极管Q2和Q3导通时，电流就从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动。3.2.2驱动电路设计在设计中驱动芯片L298N的四个输入端分别接单片机的P1.3-P1.6口，P1.3和P1.4控制左轮，P1.5和P1.6控制右轮。驱动电路如图3-5所示。图3-5 驱动电路由三极管Q9, Q10, Q11, Q12构成H桥驱动电路，控制着几个管子的通断就可以控制直流电机的正转、反转。当P0.0高电平、P0.1低电平时，Q9和Q11导通，电机正转，具有良好的抗干扰性能，反之，电机反转;当左轮前进，右轮后退时，车子便右拐弯，反之左拐弯。由I/O的脉冲来控制H桥中三极管的通断，从而来控制直流电机的前进、后退、左转和右转的动作，具体如下表3-1.表3-1 直流电机动作状态P1.6P1.5P1.4P1.3状态1001前行0110后退1010左转0101右转从上表可以看出电机的运转状态完全由单片机输入电平的高低来决定。这样通过程序控制是小车运行。本设计采用普通直流电机，通过控制脉冲占空比算法，实现对小车速度的控制。这种调速方式有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、带载能力大，能承受频繁的负载冲击，还可以实现频繁的快速启动、制动和反转等优点。具体程序如下：void pwmdi ()interrupt 1 if(flag)PWM=0;x=65535*u;TH0=x/256;TL0=x%256;flag=0;else PWM=1; x=65535*(1.0-u); TH0=x/256; TL0=x%256; flag=1;此程序实现由单片机产生PWM波，并且通过控制PWM波占空比的方法控制电机的转速，从而达到控制电机行驶的目的。3.3寻迹模块设计路径识别模块是智能小车控制系统的关键部分，它是智能小车的“眼睛”，其准确识别出路径信息，为路径跟踪提供准确的参数依据，完成小车高质量的自循迹功能。在本次设计中，小车行驶的道路环境是黑色路径和白色的地面背景，只要小车的“眼睛”能判别黑白两种颜色，就能正确识别出黑色路径。3.3.1光电检测电路设计光电传感器布局的有效性和合理性直接影响小车“眼睛”的“视力”，它影响小车对道路环境的判断以及小车将要执行动作的控制，对智能小车快速稳定的行驶有重要作用。智能小车传感器的布局主要解决的是路径信息检测的精度和前瞻性两个问题。常用的布局方式有一字型布局，M型布局和活动式布局。其中一字型布局是最常用的一种方式，各个光电传感器排列成一条直线，保证了纵向的一致，而使控制主要集中在横向上，如图3-6。图3-6 一字型传感器布局在一字排列中，两相邻传感器采用的是非等距排列，以使输入和输出逼近线性关系。它的理论依据是等角度分布原则:即先确定一合适的定点，从定点依次等角度画射线，射线与传感器水平线相交的位置即为传感器的位置。这种方式能够更连贯、准确地检测出路径信息，控制程序算法简单，小车运行稳定、自然平滑、更连贯。从理论上光电传感器的数量越多，分辨率就越高，转角控制精度就越高，但考虑到太多的光电传感器会消耗大量的电量和增加小车的重量，设计时最终使用了4只反射式红外光电传感器一字型非均匀的分布在一窄长的条形电路板上。 在本智能小车控制系统中，选用的传感器件型号为FS-359E的反射红外尤甩对管，它有四个端口，包含一只红外发射管和一只红外接收管，外层有一深色玻璃套，可以有效滤除环境光及照相机散光灯等对光电管的干扰，因此无须在电路中对光电管的信号进行调制、滤波、接收电路的设计，简化了电路的设计。光电传感器检测电路如图3-7。图3-7 光电检测电路当光电管检测到白色路面时，车前方的光电传感器中的发射管发射红外线信号，经接收管接收，由于白色反光强，接收管接收到大量红外信号，导致光敏三极管导通，输出端输出较低的电压信号;当光电管检测到黑线时，由于黑色对光吸收强，接收管接收到较少的红外信号，光敏三极管截止，集电极在上拉电阻的作用下输出较高的电压信号。将检测的信号直接送到单片机的A/D口，采用软件设置电压阂值，进行数字化处理，判断高低电平。当检测到的信号为高电平时，表明小车检测到黑色的导引线，反之，表明小车检测到白色地面，从而实现了检测黑线路径的功能。3.4避障模块设计3.4.1超声波传感器 超声传感器的种类很多，目前使用最多、最广泛的就是压电式超声波传感器。本文所选用的是深圳市捷深科技有限公司生产的压电式收发分体超声波传感器HC-SR04，其工作原理如下所释。(1)采用IO 口TRIG 触发测距，给最少10us 的高电平信呈。(2)模块自动发送8 个40khz 的方波，自动检测是否有信号返回；(3)有信号返回，通过IO 口ECHO 输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离=(高电平时间声速(340M/S)/2;HC-SR04超声波测距模块可提供 2cm-400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到 3mm；模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。如图3-8所示。图3-8 超声波传感器实物图VCC 供5V电源， GND 为地线，TRIG 触发控制信号输入，ECHO 回响信号输出等四个接口端。电气参数如下所示。电气参数 HC-SR04超声波模块工作电压DC 5 V工作电流15mA工作频率40kHz最远射程4m最近射程2cm测量角度15 度输入触发信号10uS 的TTL 脉冲输出回响信号输出TTL 电平信号，与射程成比例规格尺寸452015mm具体实物尺寸如图3-9。图3-9 HC-SR04实物尺寸3.4.2超声波测距原理 声波幅值检测法、相位检测法和渡越时间法(Time-of-Flight TOF)是超声测距所经常使用的方法。本论文采用的是渡越时间法。因为声波幅值检测法在不同反射物体的反射率不同，也就是容易受反射介质的影响;而相位检测法检测范围较小，所以，现在超声测距使用最普遍的方法是渡越时间法。超声传感器的工作原理如下:首先将40KHz的脉冲电信号引入超声波传感器，再通过谐振片和压电陶瓷激励器将电能转换成机械振动，超声振动信号通过发射器向四面八方发射出去。发射出的超声波在空中直线传播，遇到障碍物后发生反射反应。超声波接收器收到障碍物反射后的超声波以后，内部的谐振片被迫谐振，再通过声电转换作用将声能转换为电脉冲信号进行处理，例如检波、放大，最后驱动后续电路工作。渡越时间法计算公式为d=c*4t/2，其中c为超声波波速，4t就是发射的超声波与其遇到障碍物后产生的回波之间的时间差。在使用超声波测距时，如果外界环境温度变化不大，测量精度不高的情况下，一般认为声速是恒定不变的;但如果测量精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。3.4.3超声波电路设计 根据上文介绍，超声测距系统的核心外围部件是微机控制、超声波发送器和接收器，而且据文献介绍，超声波传感器发出的超声波频率采用40kHz，此时的声压能级及灵敏度最大，具有较好的传播性能。因此超声测距原理本论文的超声测距系统框图如图3-10所示。图3-10 超声波测距系统框图（1） 超声波发射电路超声波发射电路具体电路图如图3-11所示。图3-11 40K方波发射原理图及调制信号波形上图主要用于产生超声波，即通过为超声换能器提供所需激励信号，并通过控制脉冲的引入达到控制超声换能器的目的。其中启动发射器的激励脉冲不能过多和过少，过少则超声波容易在传播过程中发生衰减，检测性能下降，过多则发射波容易与其遇到障碍物后返回的接