智能清障小车设计.docx
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智能清障小车设计.docx
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智能清障小车设计
摘要
智能小车在自动化生产线、仓库管理、机器人服务、环境监测、航空航天等领域有广泛的应用。
本文介绍了一款集自动寻迹、障碍物监测、障碍物清除等功能于一体的智能小车。
智能小车采用AT89S52单片机为系统控制核心,利用反射式光电传感器检测识别黑线,通过比较器反馈高低电平信号给单片机,从而控制直流电机的运动,实现寻迹功能。
安装于车体前端的点触开关实时监测黑线上的障碍物,一旦触发开关,拉低所接单片机I/O口,触发外部中断,从而控制机械手夹持障碍物,配合小车运动,达到清除障碍物的目的。
本课题研制的智能小车样机实验证明了本文叙述的技术方案的有效性和正确性,可以为今后全国及省内电子大赛提供宝贵的经验。
关键词单片机;传感器;循迹;清障;
Abstract
Intelligentcarhasbeenwidelyusedinautomatedproductionlines,warehousemanagement,roboticsservices,environmentalmonitoring,aerospaceandotherfields.Thispaperintroducesaintelligentcar,withthefunctionsofautomaticdriving,barriersmonitoringandbarriersremoving.TheintelligentcaruseAT89S52SCMascontrolcore.Byusingreflectivephotoelectricsensortodetecttheinformationofblacktrack,theintelligentcaracquirestheinformationandsendsthemtotheMCUtocontrolthemovementsoftheDCelectricmotorsfortracingfunction.Point-touchswitchinstalledatthefrontofthecarmonitorbarriersontheblacklineeverytime.Oncethetriggerswitch,thesignalsofI/Otriggerexternalinterruptiontoachievethepurposeofremovebarriers.Thetestshowsthattheintelligentvehicledesignistheeffectivenessandcorrectness.Consequently,theissuecanprovideinvaluableexperiencefortheelectroniccompetitionofthenationalandprovincial.
KeywordsSCMsensortrackfindingbarriersremoving
第1章绪论
1.1智能化小车发展现状与趋势
1.1.1课题背景
肩负着人类探测火星使命的“勇气”号和“机遇”号分别于2004年1月3日和1月24日在火星不同区域着陆,并于2004年4月5日和2004年4月26日相继通过所有“考核标准”。
美国宇航局的孪生火星车探测计划至此正式宣告取得圆满成功。
美国宇航局科学家和工程师先设立了一系列硬指标,作为判定两辆火星车联合探测计划是否能成功的依据。
按照规定,每辆火星车都需要至少工作90个火星日(约地球上的92天),在火星上行驶总里程至少达到600米,至少造访8个不同地点,必须拍下周围环境的立体和彩色全景照片。
“勇气”号是迄今美国发射的最尖端的火星探测装置,其顶部的桅杆式结构上装有全景照相机及具有红外探测能力的微型热辐射分光计。
火星车能够在火星上自主行驶,当火星车发现值得探测的目标,它会驱动六个轮子向目标行驶;在检测到前进方向上的障碍后,火星车会去寻找可能的最佳路径[1]。
类似火星车,以轮子作为移动机构,能够实现自主行驶的机器人,我们称之为智能小车,又称轮式机器人。
智能小车是一个集环境感知、规划决策,自动行驶等功能于一体的智能轮式机器人,它集中地运用了计算机、传感、信息、通信、导航及自动控制等技术,是典型的高新技术综合体。
智能小车作为现代高科技的产物,是21世纪的科技亮点之一。
智能小车技术的发展,应该说它是科学技术发展的一个综合性结果。
同时,它为社会经济发展产生了一门有着重大影响的科学技术,它的发展归功于在第二次世界大战后各国加强了经济的投入,而对轮式机器人的研究成果又提高了本国的经济的发展水平。
比如说日本战后开始进行汽车工业,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,提高生产效率降低劳动成本,这是社会发展本身的一个需求。
另一方面它也是生产力发展的必然结果,也是人类自身发展的必然结果,人类在不断探讨自然、认识自然、改造自然过程中,需求一种能够解放人的自动化装置。
那么这种自动化装置就是代替人们能够从事复杂和繁重的体力劳动,实现人们对不可达到的世界的认识和改造,这也是人们在科技发展过程中的一个客观需要。
但另一方面,尽管人们有各种各样好的想法,它也归功于电子技术,计算机技术及制造技术等相关技术的发展提供额强大技术保证[2]。
目前,许多国家已经把智能小车方面的比赛作为创新教育的战略性手段。
智能小车涉及到多个学科,如:
电工、机械、自动控制、人工智能、传感技术等,是众多领域中的高科技。
智能小车比赛是一种高科技对抗活动,各国专家学者通过这项竞赛,不断推进了轮式机器人方面的研究,通过不断改进轮式机器人寻址速度和算法研究,试图让轮式机器人更接近智能化,它集高科技、娱乐和竞赛于一体,引起了各国的广泛关注和极大兴趣,从而推动了轮式机器人的研究热潮。
1.1.2智能化小车在国内研究现状
我国智能化小车研究主要有:
1)以MCS-51单片机为控制核心,结合多种传感器实现寻迹、测速、避障、清障等功能[3];2)基于FPGA的智能小车系统,即本地计算机通过接入Internet小车实现对远端工作现场、危险环境地段等特殊环境进行监视和控制的系统,这种智能小车可以适应不同环境,不受温度、湿度、空间、磁场辐射、重力等条件的影响,可以在人类无法进入或生存的环境中完成人类无法完成的探测任务[4];3)以Freesealel6位单片机MC9S12DGl28作为系统控制处理器,基于CCD传感器采集视频图像,通过对获得的图像进行处理分析,获得道路信息提取赛道黑线,并结合测速反馈实现对小车的闭环反馈控制,后轮驱动电机控制模块采用了模糊PID控制算法,充分利用了内部提供的模糊推理机[5];4)基于DSP的智能小车系统,该系统以DSP单片机作为处理器,用RFl2作为通信模块,将所采集的温湿度传送到上位机,利用蚁群算法实现路径规划,并在此基础上实现避障功能,避障功能模块我们采用多超声波传感器来实现[6];5)以LPC2368为核心搭建智能小车的控制系统的硬件平台,通过光电码盘、防碰开关、超声波传感器等来实现智能小车的多种功能[7]。
1.2研究的目的和意义
机器人要实现自动寻迹功能和检测障碍物功能就必须要有感知导引线,感知导引线相当给机器人一个视觉功能。
智能小车实现自动识别路线和检测障碍物使用传感器感知路线并作出判断和相应的执行动作,选择正确的行进路线。
通过构建智能小车系统,培养设计并实现自动控制系统的能力。
在实践过程中,熟悉以单片机为核心控制芯片,设计小车的检测、驱动和显示等外围电路,结合障碍物监测和清除模块,实现小车的循迹清障功能。
灵活应用机电等相关学科的理论知识,联系实际电路设计的具体实现方法,达到理论与实践的统一。
本课题利用AT89S52设计了一种嵌入式智能寻迹小车,在传感器、电机驱动和软件的控制下,能够智能地完成行走路线探测、监测障碍物、清除障碍物等任务,与传统的遥控玩具车相比,具有一定的独立性和智能性。
1.3研究的内容
本课题设计的智能清障小车具有自动寻迹、障碍物检测、障碍物清除等功能。
整体设计可分为机械和电气两部分:
机械部分主要包括车体结构和机械手结构设计,目前车体主要有轮式和履带式两种可供选择,机械手设计需根据障碍物进行结构设计、加紧力计算等;电气部分主要包括单片机最小系统模块、供电模块、运动模块、寻迹模块、障碍物监测模块组成。
采用MCS-51系列中的AT89S52单片机制作最小系统,直流电机作为小车动力源并通过驱动芯片控制小车的前进和转向,利用光电传感器识别黑线,经比较器反馈信号最终实现寻迹功能,点触开关实时监测黑线上的障碍物,整个系统通过双电源供电,12V稳压电源一部分供运动模块使用,另一部分经转换,供单片机最小系统模块、寻迹模块、障碍物监测模块使用,机械手上的舵机由5V干电池供电。
整个系统的电路结构比较简单、可靠性高。
第2章智能清障小车系统
2.1系统总体方案
经过对本设计要求的分析,提出了不同的方案,需要进行方案论证:
机械部分主要是车体和机械手控制方式的选择;电气部分主要有主控制器的选择,供电模块的设计,循迹传感器的选择,障碍物监测传感器的选择。
主要构成如图2-1的系统,单片机最小系统作为整个系统的控制核心,寻迹电路模块反馈信号给单片机,通过控制直流电机驱动模块,从而实现电机的正反转,使小车按要求运动,障碍物监测模块实时监测黑线上是否有障碍物,一旦触发,单片机控制清障单元模块清除障碍物。
图2-1系统总体框图
2.2系统方案论证
2.2.1车体方案论证
方案一:
自己制作车体。
自己制作的车体,一般采用左右两轮驱动,后万向轮转向的方案。
即左右轮分别用两个转速和力矩基本完全相同的直流电机进行驱动,车体头部装一个万向轮,当两个直流电机转向相反同时转速相同就可以实现车体的旋转。
但是制作车体的工具和材料有限,制作后的结构并不一定能按设计尺寸进行,同时材料的局限性可能使得车体比较笨重。
方案二:
购买玩具车体。
购买的玩具电动车具有组装完整的车架车轮、电机、驱动电路等,其美观方便,只要制作所需电路板就可以方便的固定在车体上,能够稳定的实现小车运动,这种车体一般都是四轮驱动,左侧两轮和右侧两轮分别为一组,通过一侧电机正转,一侧电机反转实现小车转向,但电机一般为玩具直流电机,力矩小,负载性能差,不能适应原地转向。
综合分析上述两方案,考虑到本设计制作的仅是模型,为了方便美观,所以选择方案二。
2.2.2小车结构方案论证
方案一:
履带式小车。
履带式小车能适应各种复杂地形,其抓地力大,行驶速度稳定。
常用于工业领域,如履带式起重机、履带式装载机、履带式推土机等。
但是采用履带式的车体行驶速度慢,只能通过两侧履带轮同速反向转动实现转向,同时对电机要求也比较高,一般玩具车电机负载能力小,不适用履带传动。
方案二:
轮式小车。
轮式传动化滑动为滚动,大大减少了摩擦阻力,行驶速度远大于履带式小车,常用于对行驶速度要求较高的领域中。
对于地形复杂的道路,通过加重车体,增加车底离地高度,轮式车辆也能在这些道路行驶,但其稳定性远不如履带式车体。
由于本课题所使用路面平整,采用直流电机驱动,对车速要求为0.3m/s。
综合考虑,采用方案二。
经上述两方案论证,本课题使用的车体如图2-2所示。
图2-2小车车体
2.2.3障碍物清理单元方案论证
方案一:
气动机械手[8]
气动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。
其主要特点是:
抓重可达几百斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。
但对密封装置要求严格,不燃油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响,且不宜在高温、低温下工作。
方案二:
电动机械手[9]
电动机械手即有特殊结构的感应电动机、直流电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的机械手,因为不需要中间的转换机构,故其结构简单。
其中直线电机机械手的运动速度快,行程长,维护和使用方便。
但此类机械手目前还不多,资料方面比较欠缺。
鉴于价格、体积等因素,且本系统重量轻。
决定采用方案二。
本课题使用的机械手如图2-3所示。
图2-3电动机械手
2.2.4控制器方案论证
根据课题要求,控制器主要用于控制电机和舵机,通过相关传感器对路面的轨迹信息进行处理,并将处理信号传输给控制器,然后控制器做出相应的处理,实现电机的前进和后退、舵机的转向和转速。
方案一:
可以采用ARM为系统的控制器[10]。
优点是该系统功能强大,片上外设集成密度高,使其拥有高稳定性,同时系统的处理速度也很高,但是ARM芯片编程复杂,一般用于大型的项目控制系统中。
方案二:
采用AT89S52单片机作为系统控制核心[11]。
AT89S52单片机算术运算功能强,软件编程灵活、功耗低、体积小、技术成熟。
只要合理设计外接电路,其稳定性也满足要求。
综合考虑成本、工作量等,本设计选择用AT89S52单片机做控制器。
2.2.5供电单元方案论证
整个系统需要电源的有:
四个直流电机及驱动模块、寻迹模块、单片机、舵机。
以上所有模块中只有四个直流电机及驱动模块需12V电压,其它均为5V电压,必须注意的是舵机在工作时,电路中的电流会产生较大波动,对单片机可能产生影响。
方案一:
采用单电源供电。
通过单电源对整个系统进行供电,即12V稳压直流电源一部分对四个直流电机及驱动供电,另一部分经过降压,对其它模块供电。
此方案的优点是:
减少机身的重量,操作简单,但当系统中个模块同时工作时,可能产生过电流太大,从而烧坏电压转换芯片,甚至烧坏单片机,且较大的电流波动影响单片机的稳定性。
方案二:
采用双电源供电。
通过两个独立电源对整个系统供电,即12V稳压直流电源一部分对四个直流电机及驱动模块供电,另一部分经过降压,对除舵机以外的其它模块供电,另一5V电源单独对舵机供电,两电源共地连接。
此方案的优点是:
减少电路中电流波动,单片机具有更佳稳定性。
唯一的缺点就是会增加小车的重量。
综合上述两方案的的优缺点,考虑单片机稳定性等要求,决定采用第二种方案。
2.2.6障碍物识别单元方案论证
方案一:
采用超声波探测器[12]。
超声波探测器利用超声波特有的指向性强,能量消耗缓慢,在介质中传播距离远等特点,常用于距离的测量。
其工作原理是:
声波发射器向某一方向发射超声波,在发射时刻的同时开始计时,超声波在空气中传播,途中碰到障碍物就立即返回来,超声波接收器收到反射波就立即停止计时。
对于本课题,可以先设定时间,一旦提前收到反射波,表明前方有障碍物,这样就能实现监测障碍物的功能。
超声波测距电路如图2-4所示,其优点是测距远、可靠性高,但是电路复杂,编程繁碎。
图2-4超声波接收和发射电路图
方案二:
采用RPR220型光电对管[12]。
RPR220是一种一体化反射型光电探测器,其发射器是一个砷化镓红外发光二极管,而接收器是一个高灵敏度,硅平面光电三极管。
主要应用在游戏机、复印机和办公自动化等设备中。
其优点是:
体积小结构紧凑、较高灵敏度。
其缺点是:
测距有限,只有1-3cm,受外界光线影响较大。
电路框图如图2-5所示,相对于超声波测距电路,该方案使用电路简单,编程也容易。
图2-5RPR220型光电对管电路框图
方案三:
采用点触开关。
点触式开关是一种通过触碰开关就能接通,松手就断开的简易开关。
优点是:
结构简单、价格低廉、无需程序控制。
唯一缺点是需要触碰控制,即控制距离近。
在电路中只需将开关一端接单片机I/O,另一端根据需要的反馈信号接在高或低电平上,电路框图如图2-6所示。
图2-6点触开关电路框图
综合三个方案的优缺点,考虑本系统设计需要高精度,对测距无要求,决定采用方案三。
2.2.7运动单元方案论证
方案一:
采用步进电机,配合LM298驱动芯片组合[13]。
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的电机。
在非超载的情况下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,只要施加合适的脉冲序列,电机就按照人为预定的速度或方向进行转动。
但是软件程序的编写较直流电机稍显复杂,驱动芯片的硬件电路复杂,且步进电机的价格昂贵,如电路框图2-7所示。
图2-7步进电机+LM298组合电路图
方案二:
采用直流电机,配合L298N驱动芯片组合[10]。
直流电动机是将直流电能转换成机械能的旋转电机。
通过驱动芯片控制电机的转向与转速,硬件电路简单,如2-8电路框图所示,一个芯片就能控制两个电机的运动,且不需要外接电路。
但容易受到外部因素干扰,影响稳定的转速和转矩输出。
图2-8直流电机+L298N组合电路框图
综合上述两种方案的优缺点,鉴于本系统设计体积较小,自身重量较轻,对电机输出功率要求不高,故采用方案二。
2.2.8循迹单元方案论证
方案一:
用光敏电阻组成光敏探测器[11]。
光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种阻值随入射光强弱而改变的电阻器,入射光强,电阻减小,入射光弱,电阻增大。
在本课题中,当光线照射到白线上面时,光线发生强烈反射,光线照射到黑线上面时,光线反射较弱,利用光敏电阻在白线和黑线上的不同阻值,通过比较器将阻值转变成电信号反馈给单片机就能实现寻迹功能。
此方案的优点是:
光敏电阻价格低廉,技术成熟。
但光敏电阻受外界光照影响很大,不能稳定的工作,电路框图如2-9所示。
图2-9光敏电阻电路框图
方案二:
用红外发射管和接收管制作的光电传感器[11]。
红外对管是红外线发射管与红外线接收管配合在一起使用时候的总称。
红外发射管发出红外线,当发出的红外线照射到白色的平面后反射,若红外接收管能接收到反射回的红外线则表示是白线,若接收不到发射管发出的红外线则表示是黑线,通过比较器转换信号,继而向单片机反馈高低电平。
这样的传感器基本能满足要求,但其工作不稳定,容易受外界光线的影响,因此每次工作前必须根据传感器的反馈电压来调整比较器的比较电压范围,电路框图如2-10所示。
图2-10红外对管电路框图
方案三:
采用RPR220型光电对管[12]。
RPR220是一种一体化反射型光电探测器,其发射器是一个砷化镓红外发光二极管,而接收器是一个高灵敏度,硅平面光电三极管。
主要应用在游戏机、复印机和办公自动化等设备中。
其优点是:
体积小结构紧凑、较高灵敏度。
其缺点是:
测距有限,只有1-3cm。
电路框图如图2-5所示,该方案使用电路简单,编程也容易。
综合比较三种方案,根据制作的难以程度等因素,我们最终采用方案三。
2.3系统最终方案
经过反复论证,我们最终确定了如下方案:
1)车体用购买的金属材料四轮驱动小车。
2)电动机械手作为清障工具。
3)采用点触开关监测路面障碍。
4)采用AT89S52单片机作为主控制器。
5)通过双电源为系统供电:
12V稳压电源一方面为电机供电,另一方面经LM7805降压后为舵机以外的其它模块供电;5V干电池直接供舵机使用。
6)L298N作为直流电机的驱动芯片。
7)采用RPR220型光电对管进行路面信息采集。
系统的结构框图如图2-11所示。
图2-11系统结构图
第3章智能清障小车硬件设计
3.1系统硬件电路介绍
本课题设计的智能小车硬件系统主要包括机械和电气两部分,机械部分主要有:
障碍物监测模块和障碍物清理模块;电气部分主要有:
单片机最小系统、供电模块、寻迹模块、直流电机驱动模块。
障碍物监测模块顾名思义,就是实时进行黑线上障碍物的监测工作,主要通过点触开关结合图3-1中第5部分的电路,实现该模块监测障碍物的功能;障碍物清除模块主要通过舵机驱动的机械手清除障碍物;单片机最小系统相当于“大脑”,是整个电路的控制核心;供电模块为整个系统提供电源;寻迹模块相当于“眼睛”,为小车寻找道路上的黑线;直流电机驱动模块相当于“脚”,控制小车的进退与转向。
图3-1系统电路原理图
1.单片机最小系统2.供电单元3.寻迹单元4.直流电机驱动模块5.监测障碍物模块
3.2障碍物监测模块介绍
通过方案论证,系统最终确定采用点触开关作为障碍物检测传感器,小车在黑线上行驶的过程中,通过点触开关的开闭状态判断道路上是否有障碍物,障碍物监测电路如图3-2所示。
点触开关闭合时,检测指示灯发光,此时EX0引脚为低电平,触发了单片机的外部中断,从而控制机械手工作;断开时,检测指示灯不发光,EX0引脚为高电平,不能触发外部中断,表明黑线上无障碍物,机械手不工作。
图3-2障碍物监测电路
点触开关的安装位置如图3-3所示,当障碍物进入夹持器并触碰开关后,就能触发单片机的中断,使整个系统停止当前一切动作,进入中断执行清除障碍物程序。
若点触开关的安装位置太靠前,则触发中断的时候障碍物还未进入夹持器,机械手就开始动作,无法实现清障功能;若点触开关安装太靠后,即触头不在夹持器范围内,这样导致点触开关始终处于断开状态,障碍物监测模块和障碍物清理模块都无法正常工作。
图3-3点触开关安装位置
3.3障碍物清理模块介绍
3.3.1机械手介绍
电动机械手是一种利用电机驱动并能夹持物体的机构。
考虑到本课题设计的模型体积小、重量轻,且机械手安装于车体头部,为了防止车体前后不稳,机械手重量不能太大,故机械手材料采用优质ABS工程塑料制作,抓取的物体最大直径为53cm,夹持器张开后长度为85cm,闭合后长度为100cm。
本设计清障的方案是:
第一步,障碍物监测模块发现障碍物;第二步,机械手加紧障碍物;第三步,小车向黑线外运动,将障碍物推出黑线,此时松开机械手,小车回到黑线继续运动(清障过程详细参见图5-3、图5-4、图5-5)。
整个过程只是通过机械手夹住障碍物,而不是仅仅通过机械手就达到清障目的,故设计中的机械手只起到夹持物体作用,对其要求只有夹持器范围,夹持力并无要求,只要夹住便可,设计模型使用的机械手见图2-3。
3.3.2机械手控制电路介绍
本课题设计的机械手通过一个舵机驱动,控制电路如图3-4红圈中所示,所使用的单片机I/O先接上拉电阻,然后直接与舵机的信号线连接即可。
由于单片机I/O口提供的电流有限,无法驱动机械手使用的舵机,所以通过上拉电阻,为舵机提供足够大的驱动电流。
图3-4舵机控制电路
舵机电路虽然简单,但编程还是比较复杂的[16]。
舵机必须通过PWM信号控制,具体的数据如图3-5所示,舵机的控制信号是周期20ms的脉宽调制信号,其中脉冲宽度为1ms-2ms,相对应舵盘的位置为0-180度,呈线性变化,也就是说,给它提供一定的脉宽,它的输出轴就会保持在一个相对应的角度上,无论外界转矩怎样改变,直到给它提供另外一个宽度的脉冲信号,它才会改变输出角度到新的位置上,详细参见表3-6。
值得注意的是:
舵机的响应时间对于控制非常重要,一方面可以通过修改PWM周期获得,另一方面也可以通过机械方式,利用舵机的输出转距余量,将角度进行放大,加快舵机响应速度。
图3-5舵机工作信号
表3-6舵机角度控制表
3.4单片机最小系统介绍
单片机最小系统由复位电路、时钟电路组成,单片机最小系统电路如图3-7所示。
复位是单片机的初始化操作,其主要功能是使单片机从0000H单元开始执行程序,除了进入系统的正常初始化之外,当程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时,为使单片机正常工作,也可以通过复位以重新启动。
复位操作有上电自动复位、按键电平复位、外部脉冲复位和自动复位四种方式,该最小系统采用上电自动复位方式,使复位端经电容与Vcc电源接通而实现。
时钟电路相当于“心脏”,为单片机提供时钟电平,所需晶振
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