智能避障小车设计毕业论文
目录
1引言 (1)
1.1课题背景 (1)
1.2论文的研究任务与容 (2)
2方案设计与论证 (3)
2.1主控系统 (3)
2.2直流调速系统 (4)
2.3检测系统 (5)
2.4电机驱动系统 (6)
2.5 机械系统 (8)
2.6电源模块 (9)
3硬件设计 (10)
3.1总体设计 (10)
3.1.189C52单片机硬件结构 (11)
3.1.2单片机最小系统设计 (15)
3.2避障模块 (17)
3.3驱动电路 (19)
3.4总控制系统 (23)
4软件设计 (24)
4.1程序设计 (24)
4.1.1电机驱动程序 (24)
4.1.2避障程序 (25)
4.1.3电机调速程序 (28)
5总结与展望 (32)
致谢 (33)
参考文献 (34)
外文资料 (35)
附录1程序清单 (40)
附录2电路图 (53)
1引言
1.1课题背景
机器人技术的发展，它应该说是一个科学技术发展共同的一个综合性的结果，同时，为社会经济发展产生了一个重大影响的一门科学技术，它的发展归功于在第二次世界大战中各国加强了经济的投入，就加强了本国的经济的发展。比如说日本，战后以后开始进行汽车的工业，那么这时候由于它人力的缺乏，它迫切需要一种机器人来进行大批量的制造，提高生产效率降低人的劳动强度，这是从社会发展需求本身的一个需求。另一方面它也是生产力发展的需求的必然结果，也是人类自身发展的必然结果。但另一方面，尽管人们有各种各样的好的想法，但是它也归功于电子技术，计算机技术以及制造技术等相关技术的发展而产生了提供了强大的技术保证。
机器人经历了三个发展阶段：第一代机器人也叫示教再现型机器人，它是通过一个计算机，来控制一个多自由度的一个机械，通过示教存储程序和信息，工作时把信息读取出来，然后发出指令。第二代机器人，也被称作带感觉的机器人，这种带感觉的机器人是类似人在某种功能的感觉，比如说力觉、触觉、滑觉、视觉、听觉。第三代机器人，也是我们机器人学中一个理想的所追求的最高级的阶段，叫智能机器人，那么只要告诉它做什么，不用告诉它怎么去做，它就能完成运动，感知思维和人机通讯的这种功能和机能。
中国机器人经过“七五”攻关计划、“九五”攻关计划和863计划的支持已经取得了较大进展,工业机器人市场也已经成熟,应用上已经遍及各行各业,但进口机器人占了绝大多数。我国在某些关键技术上有所突破,但还缺乏整体核心技术的突破,具有中国知识产权的工业机器人则很少。目前我国机器人技术相当于国外发达国家20世纪80年代初的水平,特别是在制造工艺与装备方面,不能生产高精密、高速与高效的关键部件。我国目前取得较大进展的机器人技术有:数控机床关键技术与装备、隧道掘进机器人相关技术、工程机械智能化机器人相关技术、装配自动化机器人相关技术。现已开发出金属焊接、喷涂、浇铸装配、搬运、包装、激光加工、检验、真空、自动导引车等的工业机器人产品,主要应用于汽车、摩托车、工程机械、家电等行业。
随着科学技术的发展，智能机器人的应用已经遍及机械、电子、冶金、交通、宇航、国防等领域。并且近年来机器人的智能水平不断提高，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。
在科学探索及紧急抢险中经常要对一些危险或人类不能直接到达的地域进行探测，这就需要用机器人来完成。而机器人在复杂地形行进时自动避障是一项必不可少也是最基本的功能。因此，自动避障系统的研发就应运而生。自动避障小车就是基于这一系统开发而成的。随着科技的发展，对于未知空间和人类所不能直接到达的地域
的探索逐步成为热门，这就使机器人自动避障功能的研发有了重大意义。自动避障小车就是自动避障机器人中的一类。自动避障小车可以作为地域探索机器人和紧急抢险机器人的运动系统，让机器人在行进中自动避过障碍物。
1.2论文的研究任务与容
该智能小车采用智能避障系统自动寻找路径，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。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。驱动速度，停转。电机采用直流电机，电机控制方式可为单向PWM开环控制。控制核心采用52单片机，控制系统与电路用光耦完全隔离以避免干扰。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。
此设计利用STC89C52单片机作为CPU，以MCU为控制中心，通过红外传感器进行信号采集，CPU进行信号处理后，控制L298N电机驱动模块，完成智能小车的各项动作，主要实现智能小车的避障功能。其中本系统的主要研究容包括硬件电路和软件程序设计两大部分。硬件部分主要包括供电模块、信号采集模块、主控及通讯模块、电机驱动模块；软件部分包括：系统初始化、信号处理、电机驱动子程序。
2方案设计与论证
根据题目的要求，确定如下方案：在现有玩具电动车的基础上，加红外对管，以此来实现对电动车前方障碍物的实时检测，并将信号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1：
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2：
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。
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P89c52RA单片机作为本设计的主控装置，52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52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直流调速系统
根据电机中转速的表达式n=(U-I*R)/K其中U为电机两端两端电压，I为电流，R为电阻n为转速，K为常数，可知直流电机调速可以有三种方法：1改变电机两端的电压，2改变磁通量，3串调节电阻，其中后两种方法适合于交流高速传动方面，且比较调速繁琐，本设计采用5V直流电源供电且电机在低速情况下运行所以采用改变电机两端电压来进行调速。其中较为常用的方法是脉冲宽度调制脉冲宽度调制（PWM）是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制.其中脉宽调制的理论基础是面积等效原理：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积。效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。低频段非常接近，仅在高频段略有差异。
图2-2-1电压窄脉冲加在一阶惯性环节
图2-2-2冲量相同的各种窄脉冲的响应波形
分别将如图1所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（R-L电路）上，如图2-2-2a 所示。其输出电流i(t)对不同窄脉冲时的响应波形如图2-2-2b所示。从波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。脉冲越窄，各i(t)响应波形的差异也越小。如果周期性地施加上述脉冲，则响应i(t)也是周期性的。用傅里叶级数分解后将可看出，各i(t)在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。
脉宽调制是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用于测量，通信，功率控制与变换等许多领域。一种模拟控制方式，根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定。脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。
通过控制高低电平的输出频率改变占空比，来达到控制电压大小，最会达到控制电机转速的目的。
2.3检测系统