电子智能小车设计与制作开题报告.doc

发布时间：2022-06-24 发布人：admin 分类：说明书资料大小：0.05M 资料格式：doc 举报版权申诉

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电子智能小车的设计与实现随着素质教育的越来越被重视，很多学校都把制作智能小车作为首选课题，智能小车有趣生动并且还牵扯到机械结构、电子基础、传感器原理、自动控制、单片机、编程等诸多学科知识，学生通过动手实践能大大提高解决实际问题的能力，而且智能小车还是一个很好的硬件平台，只要增加一些控制电路就能完成循迹小车、机器人等课题。一、目的和意义随科学技术的进步，智能化和自动化技术越来越普及，各种高科技也广泛应用于机器人玩具制造领域，使智能机器人越来越多样化。智能机器人是一个多种高新技术的集成体，它融合了机械、电子、传感器、计算机硬件、软件、人工智能等许多学科的知识，涉及到当今许多前沿领域的技术。而智能电动车正是智能机器人的一种。智能电动小车作为工科大学生毕业设计课题，也具有不可估量的实际意义。本课题为具有较强动手能力与设计基础的大学毕业生准备。通过此课题使学生受到较全面的电子应用系统设计和应用研究的工程训练。进一步培养学生综合运用所学的基础理论、专业知识和技能，提高分析与解决实际问题的能力和初步科学研究的能力。二、本课题所涉及的问题在国内（外）研究现状及分析智能小车是一个集环境感知、规划决策、自动驾驶等功能于一体的综合系统。它集中的运用了计算机、传感器、信息。通信、导航、人工智能及自动控制等技术，是典型的高新技术综合体。一.国外智能车设计竞赛 (1)美国的智能车大赛美国国防部与院校、企业和发明家联合开展，全球领先的智能汽车竞赛。 2007年11月，美国第三届智能汽车大赛在加州维克托维尔举行。本届智能汽车比赛的目标是对未来科学家的激励。大学、企业和发明家们期望制造出通过洛杉矶和拉斯维加斯间荒地、行程160km的自主控制汽车。参赛汽车的车顶上有旋转的激光器，两边有转动的照相机，完全由电脑控制，利用卫星导航、摄像、雷达和激光，人工智能系统可判断出汽车的位置和去向，随后将指令传输到负责驾驶车辆的系统，丝毫不受人的干涉，用传感器策划和选择路线。参赛的无人驾驶智能汽车沿着附近公路飞奔。 (2)韩国大学生智能车大赛韩国汉阳大学汽车控制实验室在飞思卡尔半导体公司资助下举办，以HCS12单片机为核心的大学生智能模型汽车竞赛。组委会提供一个标准的汽车模型、直流电机和可充电式电池，参赛队伍要制作一个能够自主识别路线的智能车，在专门设计的跑道上自动识别道路行驶，谁最快跑完全程而没有冲出跑道并且技术报告评分较高，谁就是获胜者。二.国内智能车辆竞赛现状研究 (1)竞赛的起源 2005年11月，中国教育部高等学校自动化专业指导分委员会与飞思卡尔半导体公司签署了双方长期合作协议书。协议书规定从2006年起，飞思卡尔将至少连续5年协办“飞思卡尔” 杯全国大学生智能汽车邀请赛，提供参赛队的标准硬、软件技术平台和竞赛优胜者奖金,并为主办单位提供一定的竞赛组织经费,我国智能车竞赛由此开始. (2)智能车竞赛的地位

教育部：与老牌的数学建模、电子设计、机械设计、结构设计等四大竞赛并列，被认定为国家教育部正式承认的五大大学生竞赛项目. 各高校：清华、交大、科大等名校均参加，最投入为北京科大，每年均举行校内赛（09 年规模为79支队伍）. 校内：综合类竞赛（A类）仅3种，分别为智能汽车、机器人、挑战杯。 (3)竞赛历史——第一届邀请赛 2006年8月20日至21日在清华大学进行，共有来自全国57所高校的112支参赛队参加。赛道中只有直道和弯道，没有上下坡。从赛车寻迹技术方案来看，赛道检测方式也大体分为红外发射/接受管检测方式和CCD/CMOS摄像头检测方式两类。摄像头方案的成绩普遍好于红外传感器方案。 (4)竞赛历史——第二届，赛区+总决赛扩大到全国具有以自动化专业为主的理工类高等本科学校约300余所。采取赛区和全国总决赛结合的形式。全国分为5个赛区，总决赛在上海交大举行。总决赛中出现上下坡的限制，比赛变得复杂了。小车的平均速度较比上年有了显著的提高，采用摄像头方案的成绩更加明显（决赛前十名的队伍全为摄像头队伍）。同比韩国的智能车大赛，我们的竞赛成绩已经超过了韩国。 (5)竞赛历史——第三届，赛区+总决赛第三届智能车大赛在东北大学举行，有551支代表队伍参加了分区赛，104支队伍参加了总决赛。第三届比赛保留了前两届的要求，同时又增加了跑完全部路程起跑线在3米内停车的限制，对起跑线的识别又提出了严格的要求。与前两届摄像头与光电同条件参加比赛不同，本次竞赛分为光电与摄像头两个赛题组。 (6)竞赛历史——第四届，赛区+总决赛第四届智能车总决赛在北京科技大学举行，有780支代表队伍参加了分区赛，120支队伍参加了总决赛。第四届比赛保留了前三届的要求，同时又增加了窄道、更复杂的背景、三角形标识识别等更具有难度的内容。增加了创意组，共有10个队经过初选进入复赛。 (7)竞赛的发展—第五届，更具难度增加电磁组，扩大创意组规模；赛道变窄，提高小车控制难度；措施更严密，一等奖以上需上交车模，由组委会保管2年。三、智能小车功能的实现开机启动后，通过一个直流电源给各个模块供电，小车开始沿着固定的路线行走，当左边的传感器检测到黑线时，把信号传给单片机系统，系统通过调整电机的转动，使小车沿着黑线右转；当右边的传感器检测到黑线时，同理通过单片机系统的工作，使小车沿着黑线左转；当左右传感器没有检测到黑线时，小车处在黑线的上方，小车快速行驶，当左右传感器都检测到黑线时，小车停止行驶。当小车遇到障碍物时，脉冲调制的红外线传感器将检测到的信号发送给单片机，单片机根据程序发出相应的控制信号控制小车自动避开障碍物。四、系统原理及理论分析 1.单片机最小系统组成单片机系统是整个智能系统的核心部分，它对各路传感信号的采集、处理、分析及对各部分整体调整。主要是组成是：单片机 AT89c51、模数转换芯片 ADC0809、小车驱动系统芯片 L293D、数码管显示的译码芯片 74LS47、74LS138 及各路的传感器件。 2.计程原理通过计算车轮的转数间接测量距离，在车轮均匀打上透光小孔，当车轮转动时，红外光

透射过去，不断地输出脉冲，通过单片机对脉冲计数，再经过一个数据的处理过程，这样就可把小车走过的距离计算出来。 3.黑带检测原理利用光的反射原理，当光线照射在白纸上，反射量比较大，反之，照在黑色物体上，由于黑色对光的吸收，反射回去的量比较少，这样就可以判断黑带轨道的走向。由于各路传感器会对单片机产生一定的干扰，使信号发生错误。因此，采用一级射极输出方式对信号进行隔离，这样系统对信号的判断就比较准确。五、方案论证与比较 1．总体方案论证与比较方案一：采用各类数字电路来组成小车的控制系统，对外围黑带检测信号进行处理。本方案电路复杂，灵活性不高，效率低，不利于小车智能化的扩展，对各路信号处理比较困难。方案二：采用 89c51 单片机来作为整机的控制单元。红外线探头采用市面上通用的发射管与及接收头，经过单片机调制后发射。铁片检测采用电感式接近开关 LJ18A3-8-Z/BX 检测，黑带采用光敏二极管对光源信号采集，再经过 ADC0809 转化为数字信号送到单片机系统处理。此系统比较灵活，采用软件方法来解决复杂的硬件电路部分，使系统硬件简洁化，各类功能易于实现，能很好地满足题目的要求。比较以上两种方案的优缺点，方案二简洁、灵活、可扩展性好，能达到题目的设计要求，因此采用方案二来实现。 2．轨迹探测模块设计与比较方案一、使用简易光电传感器结合外围电路探测。由于所采用光电传感器实际效果并不理想，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、利用两只光电开关。分别置于轨道的两侧，根据其接受到白线的先后来控制小车转向来调整车向，但测试表明，如果两只光电开关之间的距离很小，则约束了速度,如果着重于小车速度的提升，则随着车速的提升，则势必要求两只光电开关之间的距离加大，从而使得小车的行驶路线脱离轨道幅度较大，小车将无法快速完成准确的导向从而有可能导致寻迹失败。方案三、用三只光电开关。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，虽然小车在寻迹过程中有一定的左右摇摆（因为所购小车的内部结构决定了光电开光之间的距离到达不了精确计算值 1 厘米），但只要控制好行驶速度就可保证车身基本上接近于沿靠轨道行驶。综合考虑到寻迹准确性和行驶速度的要求，采用方案三。 3．数据存储比较方案一、采用外接 ROM 进行存储。采用外接 ROM 进行存储是保存实验数据的惯用方法，其特点是在单片机断电之后仍然能保存住数据，但无疑将增大软硬开销和时间开销。方案二、直接用单片机内部的 RAM 进行存储。虽然不能在断电后保存数据，但可以在实验结束后根据按键显示相应值。而且本实验的数据存储不大，采用 RAM 可以减少 IO 接口的使用，便利 IO 接口分配，故此方案具有成本低、易实现的优点，更符合实际需求。

鉴于方案二的以上优点，综合比较，本方案采用方案二。 4．距离检测方案比较方案一、通过测试得出小车平均速度 v，在行驶过程中将行驶时间与其乘积 t•v 作为驶过的距离。但该方案受电池电量、路面介质等因素的影响，在大多数情况下均暴露出误差较大的缺点。故不予采用。方案二、在后轮内侧匀距贴上 m 个磁钢，车厢内装上霍尔开关。对轮子转速进行测量，由于低速下轮子与地面接触良好，设轮周长为 c，可以用霍尔开关输出脉冲数 n 乘以 c/m 得出行驶距离。只要磁钢在后轮上的位置足够精确，霍尔开关固定牢靠，就可以获得较好的测试效果。但车子颠簸时，稳定性较差。方案三、在齿轮箱中安装透射式光电开关，测出变速齿轮的每秒转速，用变速比和车轮周长计算出线速度，积分求行驶距离。但在齿轮箱中使用光电开关，要求有足够的安装位置，不能影响传动机构的机械动作。其优点是工作稳定。综合以上方案优劣和小车的结构特点，本系统采用了方案二。 5．刹车机构功能方案比较方案一、自然减速式。当系统发出停止信号时停止给驱动电机供电，小车在无动力状态因阻力而自然变为静止。由于惯性，小车全速行驶时需 1.8 秒后才能停止，因车轮滑行造成的误差较大。无法实现精确制动的目标。方案二、反转式。当小车需要停车时给驱动电机以反转信号，利用轮胎与跑道的摩擦力抵消惯性效应。由于车速是渐减的，反向驱动信号长度也要渐减，否则小车可能反向行驶。使用此方案后全速刹车反应时间减少为 0.5s。本系统中采用方案二。 6.电动机驱动调速方案比较方案一、采用电阻网络或数字电位器，调整电动机的分压，从而达到调速的目的。但是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电动机的电阻很小，但电流很大;分压不仅会降低效率，而且实现很困难。方案二、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。这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。方案三、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，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 型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制;电子开关的速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的 PWM 调速技术。基于上述理论分析，拟选择方案三。 7.车轮检速及路程计算方案比较方案一、采用霍尔集成片。该器件内部由三片霍尔金属板组成，当磁铁正对金属板时，由于霍尔效应，金属板发生横向导通，因此可以在车轮上安装磁片，而将霍尔集成片安装在固定轴上，通过对脉冲的计数进行车速测量。方案二、受鼠标的工作原理启发，采用断续式光电开关。由于该开关是沟槽结构，可以将其置于固定轴上，再在车轮上均匀地固定多个遮光条，让其恰好通过沟槽，产生一个个脉

冲。通过脉冲的计数，对速度进行测量。以上两种都是比较可行的转速测量方案。尤其是霍尔元件，在工业土得到广泛采用。但是在本题中，小车的车轮较小，方案一的磁片密集安装十分困难，容易产生相互干扰。相反，方案二适用于精度较高的场合，可以车轮上加较多的遮光条来满足脉冲计数的精度要求，因此拟采用方案二。 8.电源选择方案比较方案一、所有器件采用单一电源(6 节 M 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以及其周边电路电源完全隔离，利用光电藕合器传输信号。这样做虽然不如单电源方便灵活，但可以将电动机驱动所造成的干扰彻底消除，提高了系统稳定性。我们认为本设计的稳定可靠性更为重要，故拟采用方案二。 9.小结经过一番仔细的论证与比较，我们决定了系统各个主要模块的最终方案如下:电动机驱动与调速模块:采用达林顿管的 H 型 PWM 电动机驱动电路。车轮检速模块:采用光电断续开关构成的光电感应系统。路面黑线检测模块:采用调制的反射式发射-接收器。电源:双电源供电(6 节 M 电池+1 节 9V 方型电池)。六、完成课题的工作方案及进度计划本课题首先对前台页面的制作，在对新闻发布系统和论坛的制作，具体的进度计划如下：第一周—第四周（2010 年 11 月 15 日—12 月 15 日）：收集资料，确定毕业设计的课题第五周—第六周（2010 年 12 月 15 日—12 月 31 日）：整理材料，编写文献综述和开题报告第七周（2011 年 3 月 1 日—3 月 7 日）：巩固以前学习的编程知识第八周（2011 年 3 月 8 日—3 月 15 日）：学习单片机的相关知识第九周（2011 年 3 月 16 日—3 月 23 日）：学习相关接口技术的知识第十周（2011 年 3 月 24 日—3 月 31 日）：熟悉传感器，学习自动控制技术第十一周 2011 年 4 月 1 日—4 月 7 日）：设局电路图，并根据电路图进行仿真设计第十二周—第十三周 2011 年 4 月 8 日—4 月 24 日）：完成电子智能小车的制作第十四周 2011 年 4 月 25 日—5 月 1 日）：对设计进行检测调试第十五周—第十七周 2011 年 5 月 1 日—5 月 23 日）：撰写课程设计说明书，准备毕业答辩材料七、主要参考文献 [1]刘南平主编，电子产品设计与制作技术，科学出版社，2008 [2]杨刚主编，电子系统设计与实践，电子工业出版社，2009.3 [3]余祖俊主编，微机监测与控制应用系统设计，北方交通大学出版社，2001.12 [4]温志明主编，运动控制系统分析与应用，国防工业出版社，2008.2 [5]催维娜主编，智能电子制作，科学出版社，2007 [6]李忠文主编，实用电机控制电路，化学工业出版社，2003.4 [7]张红润主编，智能技术——系统设计与开发，北京航空航天出版社，2007.2 [8]陈铁军主编，智能控制理论及应用，清华大学出版社，2009.1

[9]刘少强主编，传感器设计与应用实例，中国电力出版社，2008 [10]何立民主编，单片机应用系统设计,北京：航天航空大学出版社, [11]李广弟主编，单片机基础,北京：北京航空航天大学出版社,2001 [12]何希才主编，新型实用电子电路 400 例,电子工业出版社,2000 [13]赵负图主编,传感器集成电路手册,第一版,化学工业出版社,2004 [14]陈伯时主编，电力拖动自动控制系统,第二版,北京:机械工业出版社,2000 年 6 月 [15]张毅刚主编，新编 MCS-51 单片机应用设计，第一版,哈尔滨工业大学出版社,2003 [16]http://www.56dz.com/

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