简易智能电动车.doc

1 保密类别 编号 20091080604091 武汉大学珞珈学院 毕业论文 简易智能电动车 系 别 电子信息科学系专 业 通信工程 年 级 2009级通信三班 学 号 20091080604091 姓 名 陈佳甫 指导老师 张望先 武汉大学珞珈学院2013年04月05日2 摘 要 本系统设计采用一块单片机和两块CPLD作为简易电动小车的检测和控制核 心通过多种传感器对小车位置、状态和环境信息进行检测，运用带码盘的直 流电机作为小车的驱动，以CPLD实现PWM直流电机调速技术，完成对小车运动位 置、速度、方向和时间等的控制，进而控制小车依次完成寻轨、定位（C点）、 避障、入库等一系列规定动作检测引导线和边界线使用光电传感器，检测场 地内薄铁片（探雷和定位）使用金属探测传感器，检测障碍物运用了多传感器 （光电、红外和超声波）信息融合技术，入库动作在红外传感器帮助下实现。

关键词：电动车,光电传感器，直流电机，路径跟踪，避障，光源引导3 目 录 第1 章 绪论 1.1 研究背景 …………………………………………………………04 1.2 智能小车现状 ……………………………………………………05 第2章 智能小车控制论证 2.1 主控系统 …………………………………………………………06 2.2 电机驱动模块 ……………………………………………………07 2.3 循迹模块 …………………………………………………………09 2.4 避障模块 …………………………………………………………102.5 机械系统 …………………………………………………………112.6 电源模块 …………………………………………………………11 第3章 系统总体方案设计 3.1 系统总体结构设计及说明 ………………………………………12 3.2 系统硬件设计，分析计算，电路图 ……………………………13 3.3 系统软件设计，分析计算和程序框架 …………………………17 3.4 软硬件的调试 ……………………………………………………18 结论 ……………………………………………………………………………33 结束语 ………………………………………………………………………… 34 谢词 …………………………………………………………………………… 35 参考文献 …………………………………………………………………… 36 附录 …………………………………………………………………………… 374 第1章绪论 1.1研究背景： 自第一台工业机器人诞生以来，机器人的发展已经遍及机械、电子冶金、 交通、宇航、国防等领域。

近年来机器人的智能水平不断提高，并且迅速地改 变着人们的生活方式，也慢慢开始成为人们生活方式的主导人们在不断探讨 、改造、认识自然的过程中，制造能替代人劳动的机器一直是人类的梦想，以 此来提高人们的生活品质 随着科学技术的发展，机器人的感觉传感器种类越来越多，其中视觉传感 器成为自动行走和驾驶的重要部件视觉的典型应用领域为自主式智能导航系 统，对于视觉的各种技术而言图像处理技术已相当发达，而基于图像的理解技 术还很落后，机器视觉需要通过大量的运算也只能识别一些结构化环境简单的 目标视觉传感器的核心器件是摄像管或CCD，目前的CCD已能做到自动聚焦 但CCD传感器的价格、体积和使用方式上并不占优势，因此在不要求清晰图像只 需要粗略感觉的系统中考虑使用接近觉传感器是一种实用有效的方法，因此我 们接下来也是运用这种性价比比较高的方法来实现我的设计 机器人要实现自动导引功能和避障功能就必须要感知导引线和障碍物，感 知导引线相当给机器人一个视觉功能，让他能够感知到设定好的物品避障控 制系统是基于自动导引电动车（AVG—auto-guide vehicle）系统，基于它的智能电动车实现自动识别路线，判断并自动避开障碍 ，选择正确的行进路线。

使用传感器感知路线和障碍并作出判断和相应的执行 动作，以此来高效的完成行驶路线 该智能电动车可以作为机器人的典型代表它可以分为三大组成部分：传 感器检测部分、执行部分、CPU机器人要实现自动避障功能，还可以扩展循迹 等功能，感知导引线和障碍物可以实现小车自动识别路线，选择正确的行进 路线，并检测到障碍物自动躲避基于上述要求，传感检测部分考虑到小车一 般不需要感知清晰的图像，只要求粗略感知即可，所以可以舍弃昂贵的CCD传感 器而考虑使用价廉物美的红外反射式传感器来充当智能小车的执行部分，是 由直流电机来充当的，主要控制小车的行进方向和速度单片机驱动直流电机 一般有两种方案：第一，勿需占用单片机资源，直接选择有PWM功能的单片机， 这样可以实现精确调速；第二，可以由软件模拟PWM输出调制，需要占用单片机 资源，难以精确调速，但单片机型号的选择余地较大考虑到实际情况，本文 选择第二种方案CPU使用STC89C52单片机，配合软件编程实现 1.2 智能电动车的现状 现如今智能电动车发展很快，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，这几届的电 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 简易智能电动车是一个运用了计算机,传感器，信息，导航和人工智能以及 自动控制等技术实现环境的感知，规划决策和自动行驶结合为一体的高新技术5 它在军事，民用及科学研究等领域已经获得了广泛运用，并且对解决交通安 全问题提供了一中新的途径 第2章 智能小车控制论证 根据要求，确定如下方案：在现有玩具电动车的基础上，加装光电检测器 ，实现对电动车的速度、位置、运行状况的实时测量，并将测量数据传送至单 片机进行处理，然后由单片机根据所检测的各种数据实现对电动车的智能控制 这种方案能实现对电动车的运动状态进行实时控制，控制灵活、可靠，精度 高，可满足对系统的各项要求 2.1 主控系统 根据设计要求，我认为此设计属于多输入量的复杂程序控制问题据此， 拟定了以下两种方案并进行了综合的比较论证，具体如下： 方案一： 选用一片CPLD（如EPM7128LC84- 15）作为系统的核心部件，实现控制与处理的功能CPLD具有速度快、编程容6 易、资源丰富、开发周期短等优点，可利用VHDL语言进行编写开发但CPLD在 控制上较单片机有较大的劣势。

同时，CPLD的处理速度非常快，而电动车的行 进速度不可能太高，那么对系统处理信息的要求也就不会太高，在这一点上，M CU就已经可以胜任了若采用该方案，必将在控制上遇到许许多多不必要增加 的难题为此，我们不采用该种方案，进而提出了第二种设想 方案二： 采用单片机作为整个系统的核心，用其控制行进中的智能电动车，以实现 本设计所要求的性能指标充分分析我们的系统，可以很容易看出其关键在于 实现智能电动车的自动控制，而在这一点上，单片机就显现出来它的绝对优势 —— 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，同时单片机也是我 们学习并运用得比较好的一个部件因此，这种方案是一种较为理想的方案 针对本设计特点—— 多开关量输入的复杂程序控制系统，需要擅长处理多开关量的标准单片机，而 不能用精简I/O口和程序存储器的小体积单片机，D/A、A/D功能也不必选用根 据这些分析,我选定了P89C51RA单片机作为本设计的主控装置，51单片机具有功 能强大的位操作指令，I/O口均可按位寻址，程序空间多达8K，对于本设计也绰 绰有余，更可贵的是51单片机价格非常低廉。

在综合考虑了传感器、两部电机的驱动等诸多因素后，我们决定采用一片 单片机，充分利用STC89C52单片机的资源 2.2 电机驱动模块 方案一： 采用继电器对电动机的开或关进行控制,通过开关的切换对智能电动车的速 度进行调整.此方案的优点是电路较为简单,缺点是继电器的响应时间慢,易损坏 ,寿命较短,可靠性不高 方案二： 采用电阻网络或数字电位器调节电动机的分压，从而达到分压的目的但 电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵更主要的问 题在于一般的电动机电阻很小，但电流很大，分压不仅回降低效率，而且实现 很困难 方案三： 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(如图2.1)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，稳定性也极强，是一种广泛采用的 7 PWM调速技术现市面上有很多此种芯片，我选用了L298N(如图2.2) 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 图2.1 H桥式电路8 图2.2 L298N 2.3 循迹模块 方案一： 采用简易光电传感器结合外围电路探测，但实际效果并不理想，对行驶过 程中的稳定性要求很高，且误测几率较大、易受光线环境和路面介质影响在 使用过程极易出现问题，而且容易因为 该部件造成整个系统的不稳定故最终未采用该方案 方案二： 采用两只红外对管(如图2.3)，分别置于小车车身前轨道的两侧，根据两只 光电开关接受到白线与黑线的情况来控制小车转向来调整车向，测试表明，只 要合理安装好两只光电开关的位置就可以很好的实现循迹的功能 方案三： 采用三只红外对管，一只置于轨道中间，两只置于轨道外侧，当小车脱离 轨道时，即当置于中间的一只光电开关脱离轨道时，等待外面任一只检测到黑 线后，做出相应的转向调整，直到中间的光电开关重新检测到黑线（即回到轨 道）再恢复正向行驶现场实测表明，小车在寻迹过程中有一定的左右摇摆不 定，虽然可以正确的循迹但其成本与稳定性都次与第二种方案 通过比较，我发现第二种方案更加适合我的设计，所以我选取第二种方案 来实现循迹9 图2.3 红外对管 2.4 避障模块 方案一： 采用一只红外对管置于小车中央。

其安装简易，也可以检测到障碍物的存 在，但难以确定小车在水平方向上是否会与障碍物相撞，也不易让小车做出精 确的转向反应，这种方法显然无法实现此设计的要求 方案二： 采用二只红外对管分别置于小车的前端两侧，方向与小车前进方向平行， 对小车与障碍物相对距离和方位能作出较为准确的判别和及时反应但此方案 过于依赖硬件、成本较高、缺乏创造性，而且置于小车左方的红外对管用到的 几率很小，虽然他的性能比第一方案的要好，但是还是无法满足我所设计的方 案，所以最终未采用 方案三： 采用一只红外对管置于小车右侧通过测试此种方案就能很好的实现小车 避开障碍物，且充分的利用资源而不浪费 通过比较我采用方案三 2.5 机械系统 本题目要求智能电动车的机械系统性能稳定、行驶灵活、操作简单，而三 轮运动系统具备以上特点 驱动部分：由于玩具汽车的直流电机功率较小，而小车上装有电池、电机 、电子器件等，使得电机负担较重为使小车能够顺利启动，且运动平稳，在 直流电机和轮车轴之间加装了三级减速齿轮 电池的安装：将电池放置在车体的电机前后位置，降低车体重心，提高稳 定性，同时可增加驱动轮的抓地力，减小轮子空转所引起的误差简单，而三 轮运动系统具备以上特点。