《基于传感器技术的自动避障寻迹小车论文》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于传感器技术的自动避障寻迹小车论文（52页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第一章绪论31.1 小车避障系统设计的意义31.2 小车避障系统31.2.1 主控系统41.2.2 机械系统51.2.3 电机驱动模块51.2.4 传感器系统61.2.5 电源电路的选型71.2.6 里程检测模块71.2.7 显示模块8第二章主控制单元92.1 整体构思92.2 主控制部分92.2.1 CPU介绍92.2.2 CPU功能122.2.3 CPU相关电路122.3 主程序设计132.3.1 关于定时与计数器132.3.2 程序14第3章驱动单元163.1 直流电机的驱动原理163.2 直流电机的驱动电路16第4章躲避障碍物单元184.1 避障传感器电路184.1.1 近距离避障传感
2、器184.1.2 远距离避障传感器194.2 避障方法204.2.1 前方有障碍物204.2.2 侧面有障碍物224.3 避障程序23第5章显示单元245.1 里程和时间显示245.2 显示模块硬件245.2.1 ZLG7289A介绍265.2.2 ZLG7289A串行接口275.2.3 ZLG7289A控制指令28第6章在系统编程336.1在系统编程介绍336.2 FLASH EPROM 存储器336.3 ISP设计346.4 单片机与PC机的连接356.4.1 连接介绍356.4.2 MAX232概述36结论38致39附录41第一章 绪论1.1 小车避障系统设计的意义自第一台工业机器人诞生
3、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。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。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
4、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。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。避障控制系统是基于自动导引小车AVGauto-guide vehicle系统,基于它的智能小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。1.2 小车避障系统该智能小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
5、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P89C51RA单片机,配合软件编程实现。还有显示部分通过软件可以显示行使
6、时间和路程。1.2.1 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：仅采用CPLD作为核心部件的方案如图1.2.1所示：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,而小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,MCU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
7、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。里程检测红外遥控障碍检测CPLD避开障碍显示行驶里程、时间等指示灯显示行驶路线图1.2.1 以CPLD为核心的原理框图方案二：仅采用单片机作为核心部件的方案如图1.2.2所示：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。图1.2.2 以单片机为核心的原理框图单
8、片机里程检测红外遥控障碍检测避开障碍显示行驶里程、时间等指示灯显示行驶路线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、显示等诸多因素后,我们决定采用一片单片机,充分利用P89C51RA单片机的资源。1.2.2 机械系统本题目要求小车的机械系统稳定、简单
9、,而四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。显示部分：将显示模块放置小车前部上方,利于观察。电池的安装：将电池放置在车体的正下方,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。1.2.3 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,通过开关的切换对小车的速度进行调整.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
10、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：使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,成本低,加速能力强,采用由达林顿管组成的 H型PWM电路。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 PWM调速技术。这种调速方式有调速特性优良、调整平滑、调速围广、
11、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。1.2.4 传感器系统方案一：反射式红外发射接收装置,只有物体反射红外光时才有信号输入,其信号强度与小车距障碍物的距离成正比。因此可利用信号强度作为避障依据。红外探测器的选型与工作方式:1、红外探测器的选型红外探测器以其发射功率大、抗干扰能力强而在工业生产中有着广泛的应用,红外探测器按其工作模式可大致分为主动式与被动式,主动式红外探测器自带红外光源,通过对光源的遮挡、反射、折射等光学手段可以完成对被探测物体位置的判别。被动式红外探测器本身没有光源,通过接
12、受被探测物体的特征光谱辐射来测量被探测物的位置、温度或进行红外成像。直流直接驱动方式装置简单但检测距离和抗干扰能力都比较差；交流调制方式由于可以采用交流耦合方式解决了放大器的直流漂移问题从而可以大大提高检测的距离,同时由于环境光产生的干扰多数情况是信号的直流或低频分量可以由滤波器加以隔绝,因此交流调试方式抗干扰能力也比较强,缺点是系统相对复杂。在本体中我们要利用红外探测器检测障碍物的距离,显然选用主动式红外传感器比较合适,系统的造价可以降低可靠性可以提高。主动式红外传感器又可分为分立元件型、透射遮挡型和反射型如图1.2.3示,分立元件型发光管与接收管相互独立,用户在使用时可以根据需要灵活的设定
13、发光管与接受管的位置,并可利用棱镜、透镜等完成特殊的目的,缺点是装置麻烦。透射遮挡型和反射型通过塑料模具将发光管与接收管封装在一起,非常方便用户使用,在本题中对障碍物的检测我使用反射型。红外发光管红外接收管分立元件型透射遮挡型反射型图1.2.3 红外探测器的形式2、主动式红外探测器的工作方式选取主动式红外探测器常用的驱动方式可分为直流直接驱动方式和交流调制方式,直流直接驱动方式装置简单但检测距离和抗干扰能力都比较差；交流调制方式由于可以采用交流耦合方式解决了放大器的直流漂移问题从而可以大大提高检测的距离,同时由于环境光产生的干扰多数情况是信号的直流或低频分量可以由滤波器加以隔绝,因此交流调试方
14、式抗干扰能力也比较强,缺点是系统相对复杂。方案二：采用反射式超声波换能器,只有物体反射超声波时才有信号输入,测量发射接收信号间的时间差T2-T1,利用其可以得到障碍物的距离,将该信息送给单片机,单片机发出控制信号改变小车的转向,使小车不与障碍物发生接触。该方法适合较远距离障碍物检测。反射式超声波换能器成本高,电路设计复杂,因为不要求检测的很远,于是选自了反射式光电传感器,在本题中对前方障碍物的检测因为要求检测距离较远,受到环境光的干扰比较大,因此我们选用抗干扰能力较强的交流调制工作方式；而对小车侧面障碍物的检测由于要求检测距离较近,外界干扰相对较弱,为简化设计我们选用直流直接驱动方式。1.2.
15、5电源电路的选型方案一：所有器件采用单一电源6节AA电池。这样供电比较简单；但是由于电动机启动瞬间电流很大,而且PWM驱动的电动机电流波动较大,会造成电压不稳、有毛刺等干扰,严重时可能造成单片机系统掉电,缺点十分明显。方案二：双电源供电。将电动机驱动电源与单片机及其周边电路电源完全隔离,利用光电耦合器传输信号。这样做法虽然不如单电源方便灵活,但可将电动机驱动所造成的干扰完全消除,进一步提高系统稳定性。图1.2.4 稳压电路1.2.6 里程检测模块方案一：由发光二极管和光敏二极管组成发射接收装置,将一带四个孔的遮光塑料板贴于车轮,将此装置固定车轮一侧,车轮每转动一圈,发射接收正对四次,通过对接受脉冲计数从而得到车的里程,安装困难。方案二：采用霍尔集成片,将磁铁安装于车轮上,霍尔集成片安装在固定位置,当磁铁与霍尔集成片正对时,由于霍尔效应,对产生脉冲计数从而得到车轮转数。通过程序求出里程,通过ZLG7289A显示。经分析,拟选用方案二。1.2.7 显示模块方案一：通过单片机,直接驱动LED,通过8个I/O口驱动八个LE
