畢業(yè)論文——智能循線避障小車設(shè)計(jì)與制作

1、<p>　　智能循線避障小車設(shè)計(jì)與制作</p><p>　　【摘 要】: 提出了一種智能循線避障小車的設(shè)計(jì)方法，利用紅外技術(shù)檢測(cè)障礙物和采集地面信息，采用AT89S51單片機(jī)進(jìn)行適時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)智能循線和避障，并且精確地顯示運(yùn)行速度等參數(shù)。智能小車采用后輪驅(qū)動(dòng)，兩輪各用一個(gè)步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行，速度檢測(cè)的傳感器采用紅外對(duì)射式，尋路避障用的傳感器采用紅外反射式，速度檢測(cè)的碼盤采用手工制作。</p>

2、<p>　　【關(guān)鍵詞】: 循線 避障 紅外傳感 碼盤</p><p>　　【Abstract】: This paper presents a design method of smart car which can patrol and avoid obstacles intelligently. We use infrared technique to detect obstacles and

3、gather ground information and use AT89S51 SCM to make a timing control. Then it not only can achieve the routes patrol and obstacle avoidance, but also show the speed and precision parameters. The smart car uses the rear

4、-wheel drive, which is executed by a stepper motor. The infrared sensors for detecting speed use the infrared correla</p><p>　　【Keywords】: go on circuit； avoid obstacle；Infrared Sensors ；encoder ；</p>

5、<p><b>　　1 前言</b></p><p>　　隨著生產(chǎn)自動(dòng)化的發(fā)展，機(jī)器人已經(jīng)越來越廣泛地應(yīng)用到生產(chǎn)自動(dòng)化上，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的感覺傳感器種類越來越多，其中視覺傳感器成為自動(dòng)行走和駕駛的重要部件。視覺的典型應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)樽灾魇街悄軐?dǎo)航系統(tǒng)，對(duì)于視覺的各種技術(shù)而言圖像處理技術(shù)已相當(dāng)發(fā)達(dá)，而基于圖像的理解技術(shù)還很落后，機(jī)器視覺需要通過大量的運(yùn)算也只能識(shí)別一些結(jié)構(gòu)化

6、環(huán)境簡(jiǎn)單的目標(biāo)。視覺傳感器的核心器件是攝像管或CCD，但其價(jià)格、體積和使用方式上并不占優(yōu)勢(shì)，因此在不要求清晰圖像只需要粗略感覺的系統(tǒng)中考慮使用接近覺傳感器是一種實(shí)用有效的方法。</p><p>　　機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)引功能和避障功能就必須要感知導(dǎo)引線和障礙物，感知導(dǎo)引線相當(dāng)給機(jī)器人一個(gè)視覺功能。故對(duì)機(jī)器人的研究已成為必要。 智能循線和避障是基于智能導(dǎo)引小車系統(tǒng)，采用紅外傳感器實(shí)現(xiàn)小車速度檢測(cè)，判斷并檢測(cè)障礙物。本

7、文對(duì)智能小車的循線，避障以及速度的采集進(jìn)行了研究。</p><p><b>　　2 硬件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　智能小車采用后輪驅(qū)動(dòng)，后輪左右兩邊各用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，調(diào)制兩個(gè)后面兩個(gè)輪子的轉(zhuǎn)速?gòu)亩_(dá)到控制轉(zhuǎn)向的目的，前輪是萬象輪，起支撐的作用。將三個(gè)紅外線光電傳感器分別裝在車體的左中右，當(dāng)車的左邊的傳感器檢測(cè)到黑線的邊界時(shí)，主控芯片控制左輪電機(jī)減速，車向右修

8、正，當(dāng)車的右邊傳感器檢測(cè)到黑線時(shí)，主控芯片控制右輪電機(jī)減速，車向左修正，中間的傳感器起附帶修正的作用，黑線在車體的中間，中間的傳感器一直檢測(cè)到黑線，當(dāng)偏離黑線時(shí)也開始修正，從而使小車沿著黑色的軌道行走，裝中器是為了防止控制電路頻繁的修正。</p><p>　　避障的原理和循線一樣，在車頭的前中后各裝了一個(gè)傳感器，當(dāng)左邊傳感器檢測(cè)到障礙物時(shí)，車子右輪減速，車體向右轉(zhuǎn)，當(dāng)右邊檢測(cè)到障礙物時(shí)，車子左輪減速，當(dāng)中間或全部

9、的傳感器都檢測(cè)到障礙物時(shí)，車子定向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而避開障礙物。</p><p>　　車子速度的檢測(cè)也是靠的紅外線，只不過是器件的型號(hào)不同，速度檢測(cè)的傳感器用的是對(duì)射式，避障用的是直射式。把碼盤裝在電機(jī)的軸上，碼盤隨電機(jī)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，碼盤是自己手工制作的，把光碟外形切制成直徑為25mm的圓，再把圓周用鋸條均勻切8條縫，縫的寬度為1mm。</p><p>　　2．1 主控芯片的選擇</p>

10、<p>　　本設(shè)計(jì)的主控芯片選擇AT89S51，采用雙CPU設(shè)計(jì)，兩塊單片機(jī)的作用:一塊負(fù)責(zé)采樣速度并顯示，一塊負(fù)責(zé)檢測(cè)傳感器的狀態(tài)并控制電機(jī)，這部分還有一個(gè)PWM調(diào)速的任務(wù)，PWM是通過調(diào)制電平高低占空比來實(shí)現(xiàn)調(diào)速的，其調(diào)制頻率要求很高，頻率太低了電機(jī)會(huì)很明顯的振動(dòng)，由于PWM調(diào)速需要用定時(shí)器頻繁地產(chǎn)生中斷，后一塊CPU消耗的相當(dāng)厲害，用PROTUES軟件仿真，CPU消耗是百分之九十幾左右，經(jīng)過測(cè)算，調(diào)制PWM的定時(shí)器設(shè)的

11、初值為OxFF00，定時(shí)工作方式為1，晶振的頻率為12M，可以計(jì)算出每隔256us產(chǎn)生中斷，中斷頻率為3906HZ，用Keil51仿真程序，仿真結(jié)果是程序每掃描一次傳感器所用的時(shí)間為28us，就是是說程序掃描9次才產(chǎn)生一次中斷，中斷基本上不會(huì)影響程序的主任務(wù)。</p><p>　　2．2 機(jī)械構(gòu)架的設(shè)計(jì)</p><p>　　在材料的選擇上選擇鋁合金。在結(jié)構(gòu)的選擇上，底架結(jié)合了汽車懸掛式系統(tǒng)

12、，用減震彈簧把車架和動(dòng)力結(jié)構(gòu)連接器起來，這樣做有諸多優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了減震，這是其它類型的機(jī)器人所不具備的，懸掛式在機(jī)器安裝的調(diào)試方面也方便快捷。前輪用的是萬向輪，結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度我們做成的時(shí)可拉伸的，拉伸的范圍在15-30cm。該結(jié)構(gòu)非常靈活。</p><p>　　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)我們考慮到傳感器的安裝問題了，避障傳感器裝在前面的兩個(gè)鋁合金夾層里，循線傳感器裝在機(jī)器人的中間，這樣才可以保證兩組傳感器不會(huì)發(fā)生沖突，使整體顯得協(xié)

13、調(diào)。</p><p>　　2．3 電源電路的設(shè)計(jì) </p><p>　　本系統(tǒng)所有芯片都需要+5V的工作電壓，而干電池只能提供的電壓為1．5V的倍數(shù)的電壓，并且隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，其電壓會(huì)逐漸下降，則需要L7805穩(wěn)壓芯片。L7805能提供300至500mA的電流，足以滿足芯片供電的要求。雖然微處理器和微控制器不需要支持電路，功耗也很低，但必須要加以考慮。設(shè)計(jì)采用蓄電池供電模式，一個(gè)12伏

14、電壓，可提供最大1．2A的驅(qū)動(dòng)電流。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源和控制電路的電源都是由它來提供的。 </p><p>　　2．4 檢測(cè)電路設(shè)計(jì)</p><p>　　智能小車速度檢測(cè)的傳感器采用紅外對(duì)射式，尋路避障用的傳感器采用紅外反射式，速度檢測(cè)的碼盤采用手工制作。</p><p>　　ST系列反射式光電傳感器是經(jīng)常使用的傳感器。這個(gè)系列的傳感器種類齊全、價(jià)格便宜、體積小、使用方便

15、、質(zhì)量可靠、用途廣泛。我們采用ST168作為小車的速度傳感器。</p><p>　　在電機(jī)測(cè)速中，使用較多的有編碼盤與色碼盤，不同的是，色碼盤在一個(gè)扇形區(qū)域里只有一種顏色，而編碼盤在同樣的扇形區(qū)域有多種顏色，假設(shè)黑色表示0，白色表示1，則這樣的扇形組成二進(jìn)制編碼，并且相鄰的區(qū)域編碼連續(xù)。這樣我們就可以據(jù)此判斷電機(jī)的速度和方向了，但是，它需要的傳感器較多，使用較復(fù)雜，而小車的空間很緊張，并且對(duì)方向要求不高，所以在

16、小車上使用不多，我們采用手工制作的碼盤。如果發(fā)射管和接收管之間的障礙物時(shí)有時(shí)無，則接收管的狀態(tài)就呈現(xiàn)0和1的交替，形成脈沖信號(hào)。只要對(duì)這個(gè)脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)，就可以得到小車的行程。我們?cè)谲囕喌妮S上安裝手工制作的碼盤與車輪同軸同步旋轉(zhuǎn)，就可以得到車輪旋轉(zhuǎn)的脈沖信號(hào)。它常用的檢測(cè)電路與反射式光電傳感器一樣，這里就不再贅述。</p><p>　　在避障的測(cè)試中，室內(nèi)無障礙的情況下，發(fā)射管發(fā)射的紅外線沒有反射到接收管，測(cè)量接收

17、管的電壓為4．8 ，有白色障礙物情況下，接收管接受到發(fā)射管發(fā)射的紅外線，電阻發(fā)生變化，所分得的電壓也就隨之發(fā)生變化，測(cè)的接收管的電壓為0．5，避障的測(cè)試基本滿足要求，判斷有無障礙物我們用的一塊比較器LM324， 比較基準(zhǔn)電壓由30K的變阻器調(diào)節(jié)，各個(gè)接收管的參數(shù)都不一致，每個(gè)傳感器的比較基準(zhǔn)電壓也不盡相同，我們?yōu)槊總€(gè)傳感器配備了一個(gè)變阻器。</p><p>　　2．5 電機(jī)控制部分</p><

18、p>　　電機(jī)的選擇，有以下幾種電機(jī)可供選擇：步進(jìn)電機(jī)，伺服電機(jī)，直流電機(jī)，直流減速電機(jī)。根據(jù)實(shí)際的情況和要求，由于伺服電機(jī)在市面上很難買到，且價(jià)格過于昂貴，直流電機(jī)雖說價(jià)格低易于購(gòu)買，但我們須增加減速機(jī)構(gòu)，而直流減速電機(jī)省去了設(shè)計(jì)復(fù)雜減速機(jī)構(gòu)的麻煩，且輸出力矩大，雖說須設(shè)計(jì)速度反饋電路，但速度反饋比較易于設(shè)計(jì)，所以我們選擇直流減速電機(jī)。</p><p>　　電機(jī)的控制部分采用直流H橋集成功放電路直流H橋功放

19、電路是用于控制直流電機(jī)雙向運(yùn)動(dòng)的基本電路，該電路使電機(jī)在單電源供電下可以雙向運(yùn)轉(zhuǎn)。圖示電路為用三極管構(gòu)成的H橋集成功放電路基本形式。為使電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)，應(yīng)接通三極管A和D，對(duì)電機(jī)而言，其電壓右負(fù)左正，通過改變不同的三極管導(dǎo)通狀況，可改變電機(jī)兩端電壓，達(dá)到反轉(zhuǎn)目的。 </p><p>　　圖3 電機(jī)控制電路 圖4 H橋集成功放電路</p><p&g

20、t;　　由主控程序控制這幾個(gè)腳就可以達(dá)到控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)的目的。</p><p>　　為了提高機(jī)器人的循線成功系數(shù)，我們采用了PWM進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)轉(zhuǎn)速度控制，當(dāng)兩個(gè)傳感器感知到引導(dǎo)線條，點(diǎn)亮指示燈并準(zhǔn)備做出改變機(jī)器人行進(jìn)方向的響應(yīng)時(shí)，靠程序的PWM控制降低電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)平滑的轉(zhuǎn)向過程。</p><p>　　PWM調(diào)速的基本原理和思想即使通過反復(fù)循環(huán)改變ON/OFF的時(shí)間分配。但機(jī)器人無法借助

21、循環(huán)處理實(shí)現(xiàn)PWM，需要通過中斷處理方式實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)靠的是89S51的兩個(gè)定時(shí)器實(shí)現(xiàn)的，需要對(duì)定時(shí)器設(shè)定中斷周期，也就是PWM的頻率。請(qǐng)注意，PWM的頻率即時(shí)達(dá)到數(shù)十千赫茲也能滿足平滑控制的要求，當(dāng)產(chǎn)生一個(gè)很大的弊端，就是中斷次數(shù)過多，導(dǎo)致CPU大部分時(shí)間都在處理中斷，實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制不能很快的響應(yīng)和處理。而且電機(jī)也存在一個(gè)變化速率匹配的問題，所以不妨通過不斷的嘗試，適當(dāng)?shù)馗淖兩鲜鲈O(shè)定值以便得到最佳的效果。</p><p

22、>　　2．6 主控的電路圖</p><p><b>　　圖1 主控電路</b></p><p><b>　　3　主程序設(shè)計(jì)</b></p><p>　　圖5 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)</p><p><b>　?。础〗Y(jié)論</b></p><p>　　本文

23、提出了一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的智能小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，采用了直流減速電機(jī)作為執(zhí)行元件，ＳＴ系列紅外傳感器作為檢測(cè)元件，ＡＴ89S51單片機(jī)作為主控芯片，完成了智能機(jī)器人硬件制作及軟件設(shè)計(jì)，成功實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)巡路避障功能，在無軌自動(dòng)物料小車及工業(yè)智能機(jī)器人領(lǐng)域也具有一定的實(shí)用價(jià)值。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]萬福君， 潘松峰．單片微機(jī)原理系

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