智能测量小车设计开题报告及文献综述

一、选题依据1论文（设计）题目智能测量小车设计2研究领域：Arduino 的应用以及舵机和步态的控制，机器视觉及三维重构3论文（设计）工作的理论意义和应用价值十三五中，其中充当工业机器人“火眼金睛”角色的机器视觉功不可没!那么机器视觉究竟给工业机器人一双怎么样的“慧眼”，能够大助工业机器人在未来工业自动化、智能化的工业 4.0 发展道路上大展拳脚大展拳脚，引导和定位，视觉定位要求机器视觉系统能够快速准确的找到被测零件并确认其位置，上下料使用机器视觉来定位，引导机械手臂准确抓取。智能小车是移动式机器人的重要组成部分，而移动机器人不仅能够在经济、国防、教育、文化和生活中起到越来越大的作用，也是研究复杂智能行为的产生、探索人类思维模式的有效工具与实验平台。本次设计的是一款基于 Arduino 的智能小车，它利用 Arduino 作为主控系统。它用蓝牙模块进行无线数据传输，实现无线控制。同时它利用超声波测距模块来进行测距，将测得的距离数据传给 Arduino，经过 Arduino 处理给出反馈，驱动电机转动，实现自动避障的功能。智能小车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。智能车辆技术是涵盖智能控制、模式识别等学科前沿的热点研究领域，其研究与应用具有巨大的理论和现实意义。在交通安全方面，由无人驾驶车辆研究形成的辅助安全驾驶技术，可以通过传感器准确、可靠地感知车辆自身及周边环境信息，及时向驾驶员提供环境感知结果，从而有效地协助提高行车安全，同时也能降低驾驶员对车辆驾驶管理的复杂度，提高单个车辆的运行效率，可以缓解我国城市道路拥堵、交通系统运行效率较低的现状。在汽车产业自主创新方面，通过对无人驾驶车辆理论、技术研究， 突破国外汽车行业专利壁垒，掌握具有核心竞争力的关键技术，可以为我国汽车产业自主创新和产业发展提供强有力的支撑。同时在国防科技方面，“快速、精确、高效” 的地面智能化作战平台是未来陆军的重要力量，无人驾驶车辆将能代替人在高危险环境下完成各种任务，在保存有生力量、提高作战效能方面具有重要意义，也是无人作战系统的重要基础。4目前研究的概况和发展趋势12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。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，指导教师已经有充分的准备。本题目是结合科研项目而确定的设计类课题。设计的智能电动小车应该能够实现适应能力，能自动避障，可以智能规划路径。智能化作为现代社会的新产物，是以后的发展方向，他可以按照预先设定的模式在一个特定的环境里自动的运作，无需人为管理，便可以完成预期所要达到的或是更高的目标。同遥控小车不同，遥控小车需要人为控制转向、启停和进退，比较先进的遥控车还能控制器速度。常见的模型小车，都属于这类遥控车；智能小车，则可以通过计算机编程来实现其对行驶方向、启停以及速度的控制，无需人工干预。操作员可以通过修改智能小车的计算机程序来改变它的行驶方向。因此，智能小车具有再编程的特性，是机器人的一种。智能化全面的发展是实现其对资源的合理充分利用，以尽可能少的投入得到最大的收益，大大提高工业生产的效率，实现现有工业生产水平从自动化向智能化升级， 从先前的模拟电路设计，到数字电路设计，再到现在的集成芯片的应用，各种能实现同样功能的元件越来越小为智能化产物的生成奠定了良好的物质基础二、论文（设计）研究的内容1.重点解决的问题（1） 红外线传感器避障设计（2） 图像的传送以及三维图像的建立（3） Arduino 单片机的组成及其端口的应用.2.拟开展研究的几个主要方面（论文写作大纲或设计思路）首先通过查阅大量的相关资料，在论文前面要突出地介绍一下Arduino 系统的重要性； 并说明其现在的研究成果以及今后的发展趋势。本次设计的智能小车在进行图像处理之前，先要用摄像机获取三维物体的二维图像。光照条件、相机的几何特性等对后续的图像处理造成很大的影响。所以首先检测到目标物体，测量距离后，进行定位，移动到指定距离根据要求拍摄照片，实现测量。1绪论1.1 课题研究背景1.2 国内外应用现状2系统总体设计2.1 系统总体结构设计2.2 小车的点位及运动轨迹设计2.3 本章小结3Arduino 器件选型及系统搭建3.1 Arduino 简介3.2 Arduino 的特点3.3 Arduino 的运行环境3.4 本章小结4系统调试4.1 拍照系统调试4.2 避障系统调试4.3 本章小结3.本论文（设计）预期取得的成果(1)Arduino 模块选型及电路设计(2)避障系统结构设计(3)智能测量小车三、论文（设计）工作安排1.拟采用的主要研究方法（技术路线或设计参数）Arduino 系统平台的搭建控制电路的设计图像的接收与三维重构处理红外避障程序的编写2.论文（设计）进度计划第 1 周：收集研究方向相关资料、研究资料。第 2 周：阅读参考文献，确定研究内容。第 3 周：撰写开题报告，拟订总体设计方案。第 4 周：修改、完善开题报告；完成文献翻译。第 5 周：完成系统总体方案设计。第 6 周：主要器件选型，主体结构搭建。第 7 周：绘制系统原理图，控制电路功能设计。第 8 周：各模块连接实现，传感器连接实现。第 9 周：设计程序流程框图和主要算法。第 10 周：完成程序编制、编译。第 11 周：进行实验，分析实验结果。第 12 周：进行实验，分析实验结果。第 13 周：完善设计内容，撰写设计说明书。第 14 周：完成毕业论文。第 15 周：修改毕业论文及准备答辩。第 16 周：准备答辩内容，参加毕业答辩。四、需要阅读的参考文献1 潘元骁.基于 Arduino 的智能小车自动避障系统设计与研究D. 长安大学 20152 丁小妮.基于 Arduino&Android 小车的仓储搬运研究D. 长安大学 20153 侯亮,王浩伦,贾鸿翅.支持产品平台创新的知识分类及其本体建模研究J. 机电工程. 2010(11)4 陈永亮,焦明生.基于产品平台和机械总线的爬行机器人可适应设计J. 工程设计学报. 2005(05)5 纪欣然.基于 Arduino 开发环境的智能寻光小车设计J. 现代电子技术. 2012(15)6 蔡睿妍.Arduino 的原理及应用J. 电子设计工程. 2012(16)7 凯姆卡尔文,泰勒卡尔文,庞明珠.Arduino 与电子制作J. 电子制作. 2012(08)8 崔才豪,张玉华,杨树财.利用 Arduino 控制板的光引导运动小车设计J. 自动化仪表. 2011(09)9 邹建梅,王亚格.利用 Arduino 增强 Flash 互动性的研究J. 中国教育技术装备. 2010(36)10胡小江, 董飞垚, 雷虎民,等. 基于虚拟仪器的舵机半实物仿真系统研究J.测控技术， 2011, 30(1):75-7811 杨继志， 杨宇环. 基于 Arduino 的网络互动产品创新设计J. 机电产品开发与创新,2012,25(1):99-100.12蔡睿妍. 基于 Arduino 的舵机控制系统设计J电脑知识与技术，201213J1董旭明,李志斌. 计算机视觉在并联机器人运动学标定中的应用J. 自动化仪表,2016,05:16-19.14曾令远,吴东. 基于移动机器人的智能摄影软件设计及实现J. 现代计算机(专业版),2016,28:53-57.onathan Oxer, Hugh Blemings. Practical Arduino: Cool Projects for Open Source HardwareM. New York: Springer-Verlag, 2009:1-10.15M. Fatehnia,S. Paran,S. Kish,K. Tawfiq. Automating double ring infiltrometer with an Arduino microcontrollerJ. Geoderma,2016,262:.16Gianluca Barbon,Michael Margolis,Filippo Palumbo,Franco Raimondi,Nick Weldin. Taking Arduino to the Internet of Things: The ASIP programming modelJ. Computer Co mmunications,2016,:.17M. Rahaman Laskar,R. Bhattacharjee,M. Sau Giri,P. Bhattacharya. Weather Forecasti ng Using Arduino Based Cube-SatJ. Procedia Computer Science,2016,89:.18 Elson Avallone,Diogo Garcia Cunha,Alcides Padilha,Vicente Luiz Scalon. Electronic multiplex system using the Arduino platform to control and record the data of the tempera tures profiles in heat storage tank for solar collectorJ. International Journal of Energy an d Environmental Engineering,2016,74:.19 Kun Zheng,Dunbing Tang,Wenbin Gu,Min Dai.Distributed control of multi-AGV system based on regional control modelJ. Production Engineering . 2013 (4)1 Arduino 简介文献综述Arduino 是源自意大利的一个教学用开源硬件项目，主要是为希望尝试创建交互式物理对象的实践者、喜欢创造发明的人及艺术家所构建的，它秉承开源硬件思想， 程序开发接口免费下载，也可依需求自己修改。其硬件系统是高度模块化的，通过 USB 接口与计算机连接，包括 14 通道数字输入/输出，其中包括 6 通道 PWM 输出、6 通道 10 位 ADC 模拟输入/输出通道，电源电压主要有 5V 和 3.3V。在核心控制板的外围，有开关量输入输出模块、各种模拟量传感器输入模块、总线类传感器的输入模块，还有网络通信模块，只要在核心控制板上增加网络控制模块，就可以容易地与互联网连接。Arduino 还提供了自己的开发语言，支持 Windows、Linux、MacOS 等主流的操作系统。Arduino 系统是基于单片机开发的，并且大量应用通用和标准的电子元器件，包括硬件和软件在内的整个设计，代码均采用开源方式发布，因此采购的成本较低，在各种电子制作竞赛、电子艺术品创意设计等越来越多地使用 Arduino 作为开发平台。甚至可以接受Macromedia Flash 软件制作的动画发送的信号, 并由此来控制一些动作器件(如舵机等)。2 寻光小车的寻光原理引导智能寻光小车运动的“光”信号是红外线。波长在 之间，与可见光相比，将红外线作为引导信号受环境中光线的干扰较小， 且依然能够保持直线传播。采用台湾亿光（）生产的红外发射管作为红外线发射源，该红外发射管发射的红外线定向性好，发射的红外线强度与通过红外发射管的电流成正比，发射出的红外线中， 波长为 的红外线强度最大。与红外发射管对应，采用红外光敏三极管检测红外线，检测范围约为，当红外线波长为 时，相对敏感度最高。3 爬行机器人的可适应性设计现今对机器人的研究越来越多 ,而其中爬行机器人是其中的一个重要方向 . 但是大多的爬行机器人的研究都是基于特定的任务进行的 ,单机单用 ,具有很强的定向单任务性 . 为了实现单个机械装置的多功能性 ,不同的机器人结构设计方法学开始崭露头角 ,包括模块化机器人、可重构机器人等形式 .而在相关的机械、工程领域 , Gu Peihua 提出了可 适 应 设 计 方 法 学( adaptable design methodology)和机械总线(mechBus)的概念.可适应产品可适应性的实现有两种方式 ,一是基本结构体系平台不变 ,通过总线接口实现功能结构的外扩性、可升级性 ,从而适应新形势;二是基本架构体系或者某些连接作用结构体系的柔性 (可变适应性),通过自身结构的改变来适应新的附加结构 .后者要考虑结构柔性的可能性以及柔性的变化程度.结构柔性的产生包括结构自身变化产生柔性和结构组合产生柔性 .4 Arduino 互动媒体开发正是由于 Arduino 易于使用，才能使用户或开发者把精力关注于设计本身。Arduino 甚至提供了自己的开发语言，这种借鉴了 C/C+和 Java 的语言，对于有一定 Flash 的 ActionScript 脚本的开发者也相对容易掌握。再次，Arduino 基于单片机开发，并且大量应用通用和标准的电子元器件，包括硬件和软件在内的整个设计， 代码均采用开源方式发布，因此采购的成本较低。由于开源（open source）的缘故，Arduino 周边聚集丰富的外围软件库和硬件控制器、传感器。另外，Arduino 可以支持 Windows、Linux、MacOS 等主流的操作系统。综上所述， 互动媒体的制作者拥有更多的自由度，为互动媒体的创作奠定坚实的基础。利用Arduino 提高 Flash 的互动能力的途径有很多，比如利用声音传感器、红外传感器、重力传感器等。作为互动媒体而言，其主要特征是通过与周围环境的交流、反馈来展现自身内容，而各种类型的传感器能很好地传达环境给予的各类刺激。5 基于 Arduino 的智能小车自动避障系统 设计与研究在智能小车的避障策略研究方面，设计采用红外光电传感器对地面的黑色轨 迹进行检测从而实现自动循迹，使用超声波测距来获取智能小车与障碍物的距离，通过距离的判断与比较以达到避障的目的。采用动态路径规划算法设计了未 知环境下智能小车的控制策略，提出智能小车通过连续型奖励、惩罚信号完成自己寻找 运动路线、自动避障的控制策略。设计的智能小车避障系统采用 车头安装多个测距传感器测距，然后根据探测到障碍物的传感器数量进行转向控制。设计的智能小车前轮安装了舵机，通过控制方向舵机进行转向，完成避障动作。 设计的智能小车采用超声波传感器检测障碍物信息，当检测到障碍物时，首先判断障碍物与小车之间的位置关系，根据障碍物当前位置以及避障规则输出 PWM (Pulse Width Modulation)波控制电机运转、调速完成避障动作。上述设计的信息采集系统和避障策略基本可以满足避障要求，但是采用红外接近开 关、红外线二极管、超声波发射器、超声波接收器作为避障传感器只能感知智能小车前 方有障碍物，无法获得障碍物与智能小车距离数据值，不利于智能小车完成复杂的避障 动作。车头安装多个超声波测距传感器会造成传感器之间互相干扰。同时，上述设计只 考虑车头部位安装传感器探测前方障碍物，没有考虑车体两侧障碍物，探测的信息不全面。在避障策略方面，循线壁障的方式使智能小车只能按照地面划定的路线运动，不具 有自适应性。并且，目前没有关于转弯后返回原来运动方向的设计，没有完成绕过障碍 物的要求，避障功能不完善。论文针对存在的这些问题，依赖于测距技术，围绕智能小车自动避障的相关技术，力求得到实时、全面的信息采集系统和高效、实用的避障系统。论文以改装的 Arduino 平台智能小车为研究环境，进行了智能小车自动避障技术的 研究。论文的研究内容主要包括：智能小车自动避障的信息采集系统设计、障碍物信息分类、自动避障策略设计以及智能小车自动避障系统的设计与开发等。（1）自动避障的信息采集系统研究：通过分析超声波传感器和红外传感器的结构、 原理、优缺点，结合具体设计中影响传感器选择的性能指标，选择 H C-S R04 超声波测 距传感器和夏普GP2D12 红外测距传感器组成智能小车自动避障的信息采集系统。然后 基于能全面、实时的采集智能小车运行时周围障碍物信息，设计了环境信息采集系统传 感器的配置方案为车头安装两个红外测距传感器，车体两侧分别装载一个超声波测距传 感器。（2）自动避障策略设计：根据障碍物与智能小车的位置关系将其分为 4 种基本类 型，然后综合考虑智能小车原地绕一个车轮做圆周运动的最大半径和惯性的影响确定了 智能小车自动避障的安全距离，根据 4 种类型障碍物设计了智能小车的自动避障策略。（3）自动避障系统设计：采用 Arduino 开发平台设计实现了论文设计的信息采集 系统和自动避障策略，通过实验验证，该系统成功的完成了自动避障要求。11审签字：年月日核意见教研室主任意见签字：年月日学院教学指导委员会意见签字：年月日公章：