设计自动寻迹电动小车的测控系统

1．题目背景及意义 1.1题目研究背景、目的及意义 近年来，智能小车作为现代的新发明，是世界车辆工程领域研究的热点和汽车工业增长的新动力。它可以按照预先设定的模式在一个环境里自动的运作，不需要人为的管理，可以应用在科学勘探、无人驾驶机动车、无人工厂、仓库、服务机器人等等。智能小车能够实时显示时间、速度、里程，具有自动寻迹、寻光、避障功能，可远程控制行驶速度、准确定位停车，远程传输图像等功能。在本次自动寻迹小车测控系统的设计中，基于单片机控制技术，通过传感器给出信号驱动两个直流电机正反运动，以实现小车在白色地面上寻着黑色线路正确行使。小车的寻迹和避障功能在生产生活中都有着广泛的用途。例如：可以用在大的生产车间的物流系统中，按照预先设定的路线来传输货物自动躲避障碍从而使工作更加安全和效率更高。 1.2 题目国内外研究现状及趋势 目前对智能车辆的研究主要致力于提高汽车的安全性、舒适性，以及提供优良的人车交互界面。智能化、IT化和新能源是未来智能汽车发展的趋势。 2017年12月2日，深圳的无人驾驶公交车正式上路，从深圳福田穿梭驶出。支撑这次无人驾驶的“阿尔法巴-智能驾驶公交系统”，是由中国企业自主研发的无人驾驶系统，目前，已实现自动驾驶下的行人、车辆检测、减速避让、紧急停车、障碍物绕行、变道、自动按站停靠等功能。 本次自动寻迹电动小车系统设计，是智能寻迹小车中最普通常见的功能。在全国乃至国际大学生智能小车比赛中，往往增加了设计难度。如不通过光电对管，红外线等视觉传感器或激光扫描检测线路，而是通过电磁模块检测中间黑线下埋设的漆包线以供赛车检测赛道；对现场光线的正确探测以达到黑夜行驶；非匀速行驶记忆算法的创新；图像采集和处理的重要性等。我们可以使它实现WIFI控制，蓝牙传输，自动报警，红外遥控等多种功能，实现了更加智能的电动小车设计。功能的逐渐强大，更是为了能应用于快速发展的智能汽车行业。如今的汽车行业在人工智能领域的发展可谓势如破竹，智能汽车遍地开花。 1,3 设计思想及技术路线 通过红外线对黑色路线进行寻迹，将收到的信号传送给单片机，使其控制小车无偏差行驶。当小车沿着路面的黑色轨道行驶遇到障碍物时，传感器检测到信号就可确认前方有障碍物，并将信号传送给单片机，单片机进行一系列分析后由内部程序控制小车后退、转向，从而实现避障功能。为实现此功能，需要设置寻迹模块和避障模块发送信号给单片机STC89C52以此驱动电机进行准确的行驶。技术路线如图1.3所示： 检测信号 单片机 驱动 电机 图1.3 技术路线 2．主要设计内容 2.1 主要设计内容 该小车有五大组成部分：避障模块，寻迹模快，驱动模块，单片机控制模块，电源模块。 避障模块：采用超声波控制，能准确探测周围障碍物。寻迹模快：采用红外线精确探测，减小路线误差，以实现匀速稳定运行。单片机：对其进行编程控制电机相应运动。电源模块：使用5节1.5V干电池实现对单片机、驱动和电机供电。电机驱动模块：使用直流电机即可，一个驱动板能同时驱动2个直流电机。通过设计电路图，硬件连接，软件编程和最终调试，完成此次设计。 2.2 总体设计方案 图2.2 单片机 电机驱动 避障模块 寻迹模块 电源模块 总体设计方案 该系统采用模块化控制方案，本课题主要开发一个能自动循迹，自动避障的智能小车控制系统。本设计以两个直流电动机为主要驱动，通过寻迹模块和避障模块采集周围信息，送入主控单元STC89C52单片机，通过编程有序合理的将各模块信号整合在一起后控制电机完成相应动作，实现了智能控制。 2.3 设计的预期目标 1.按下启动键，小车能自动按照白色地面的黑色线路匀速行驶，完成一圈的寻迹，其中包括前进，左转，右转，刹车停止，且不出现路线偏移。当遇到障碍物时，小车立即后退并通过转向躲避障碍物。 2.行走路线中心点始终与黑色线路的中心位置重合。 3.超声波避障距离小于0.5m. 3．工作计划及进度安排 第1周 收集毕业设计相关资料，准备毕业翻译和开题报告 第2周 确定毕业设计总体方案，确保合理性 第3周 撰写开题报告，确认后提交 第4周 学习和掌握电动小车的结构和工作原理 第5周 根据控制要求初步确定所使用的元器件 第6周 复习单片机的相关知识，完成所需硬件相关的电路设计 第7周 确定电路原理图并仿真 第8周 硬件组装 第9周 编写程序 第10周 运用电脑软件初步对程序进行调试 第11周 配合智能小车硬件部分，并完善功能，达到设计要求 第12周 对智能小车性能进行测试并记录 第13周 撰写毕业设计论文 第14周 经指导老师审核确认后，完成毕业论文 第15周 提前准备毕业设计答辩 第16周 完成毕业设计答辩 4．可行性分析 4.1 技术可行性 单片机：使用简单，软件编程灵活，成本较低。对于本系统的设计要求，使用STC89C51单片机足以满足它的算法和控制功能。 寻迹模块：用红外发射管和接收管检测和传递信号。 红外发射管发出红外线，当发出的红外线照射到白色的平面后反射，若红外接收管能接收到反射回的光线则检测出白线继而输出低电平，若接收不到发射管发出的光线则检测出黑线继而输出高电平。这样的传感器能够满足要求。 驱动模块： L298N是一个具有高电压大电流的H桥驱动，相应频率高，一片L298N可以控制两个直流电机，而且还带有控制使能端。用该模块作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。 电机：采用直流减速电机。直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便。由于其内部由高速电动机提供原始动力，带动变速（减速）齿轮组，可以产生较大扭力。采用PWM调速法进行调速，利用单片机输出端输出高电平的脉宽及其占空比的大小来控制电机的转速，从而控制小车的速度。 自动寻迹电动小车测控系统已经发展的相对成熟，有很多成熟的方案可以借鉴参考，方案的可行性和成功性很大。 4.2 经济可行性 小车底板用AS- 2WD铝合金移动平台车盘，采用STC89C52单片机作为主控制器，用超声波进行避障和红外线进行寻迹，65CS舵机进行驱动，L298N作为直流电机的驱动芯片,整个系统价格合理，经济适用，有一定应用价值。 4.3 现有工作条件可行性 学校实验室有相应的工具和测试仪器，可方便我们进行硬件组装和软件编程，学生具有相应知识基础，老师具有工作经验和技术指导能力来指导我们完成这个课题。 参考文献 [1] 曹建平,雷丹,郭磊.基于LDC1000电感数字传感器的自动循迹智能小车控制系统设计[J].自动化技术与应用,2017(12). [2] 刘晓萌.基于摄像头的智能循迹小车控制算法设计[J].科技创新与应用,2017(27). [3] 王瑞琦.基于STC89C51单片机的多功能智能小车设计[J]. 国外电子测量技术,2017(07). [4] 黄健,董三锋,王利平.基于LDC1000自动循迹智能小车设计[J]. 微特电机,2017(06). [5] 王慧,华成.一种比例调节转速差的Arduino小车设计[J]. 数字技术与应用,2017(05). [6] 刘环,贾鹤鸣,朱传旭,杨泽文,莫冲.智能循迹小车创新实训系统设计[J].科教文汇(上旬刊), 2017(05). [7] 周淑娟.基于单片机智能寻迹小车的设计方案[J].工业技术与职业教育2011,第9卷第2期. [8] 韩毅，杨天.基于HCS12单片机的智能寻迹模型车的设计与实现[J].学术期刊，2008，29（18）. [9] 于连国,李伟,王妍玮.基于单片机的智能小车设计[J].林业机械与木工设备,2011,4期. [10] 赵振德.多功能遥控智能小车的制作[J].电子制作,2011, 4期. [11] 黎宇科,刘宇.国内智能网联汽车发展现状及建议[J]. 汽车与配件, 2016(41). [12] 郭旭.人工智能视角下的无人驾驶技术分析与展望[J].电子世界,2017(20). [13] Li Xin,Xiang Qiang.Design of Intelligent CarBased on Single Chip Processor STC89C52[A]. Proceedings of 2015 InternationalPower,Electronics and Materials Engineering Conference(IPEMEC 2015)[C]. 2015 [14] YE Xiao-dong.The Design and Implementation ofIntelligent Car Based on Scm[A].2011 International Conference on Computers,Communications, Control and Automation Proceedings（CCCA 2011 V2）[C].2011 [15] ShengMin Cui, Chao Zhang, Jian Feng Wang, Kun Zhang. Research on Path Tracking Control for Vision BasedIntelligent Vehicle[J]. Applied Mechanics and Materials, 2011(63)