多功能智能小车设计毕业设计(论文)

1 绪论
1．1 设计背景和意义
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综合系统，它集中的运用了计算机、传感、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[1]。

目前，智能小车在军事、民用及科学研究等领域都已得到了广泛的应用。

随着人们物质生活水平的提高，汽车已经越来越普及，但交通事故也随之增加，危及了人们的财产及生命安全。

与此同时，随着科学技术的发展，探险、排爆等危险场合工作的机器人，以及自动化生产中运输小车的应用也日益广泛，汽车已经不再只是拥有四个轮子的交通工具，人们更加希望汽车作为日常生活以及工作范围的一种延伸。

因此，研制智能自动驾驶车已成为急需和必要，它对解决道路交通安全提供了一种新的途径[2]。

本设计的智能电动小车能够实时显示速度、里程，具有自动寻迹、避障功能，具有较强的实际意义。

1．2 国内外研究现状
随着汽车工业的迅速发展，关于汽车的研究也就越来越受人关注，智能车的发展也更加细致与多元。

早期的智能车研究侧重于应用，从单纯的作业考虑把智能车作为某个特定条件下作业的专用工具，即程序控制车，它完全按照事先装入到存储器中的程序安排的步骤进行工作，能有效地从事安装、搬运等工作。

这一代智能车的最大缺点是它只能刻板地完成程序规定的动作，不能适应环境变化。

随着电子技术和人工智能学科的发展，配备有传感器的第二代自适应智能车应运而生。

这种智能车通过传感器获取作业环境、操作对象的简单信息。

由于它能随着环境的变化而改变自己的行为，故称为自适应智能车。

第二代智能车虽然具有一些初级的智能，但还没有达到完全“自治”的程度。

当前，人们正在研制能在广泛范围内对物体进行搜索、识别和测距等功能的智能车机构。

它们能对感知到的信息进行处理，以控制自己的行为，具有作用于环境的行为能力。

一个理想化的、完善的智能车系统通常由3个部分组成：移动机构、
感知系统和控制系统[3]。

目前研制的智能车虽大都只具有部分智能，但也已在很多领域得到了广泛的应用。

目前发展较快、对智能车的发展影响较大的关键技术是传感器技术、智能控制技术、路径规划技术以及导航和避障技术等。

近年来，各式各样的智能车传感器发展得很快。

超小型化、高可靠性及廉价的传感器的出现，将从根本上改变智能车编程及其控制系统的设计[4]。

为了让智能车正常工作，必须对智能车的位置、速度和系统内部状态等进行监控，还要感知智能车所处的工作环境的静态和动态信息，使得智能车相关的工作顺序和操作内容能自然地适应工作环境的变化。

目前已开发出的各种各样的传感器可分为内部传感器和外部传感器两大类。

内部传感器用于监测和控制智能车自身，外部传感器安装在智能车上，用于感知外部环境信息[5]。

智能控制是具有智能信息处理和智能信息反馈以及智能控制决策的控制方式，是控制理论发展的高级阶段，主要用来解决用传统方法难以解决的复杂系统的控制问题[6]。

智能车有自主导航功能，它是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统。

随着智能车技术的不断发展，智能车的应用范围和功能都将大为拓展和提高，在野外作业以及在有害与危险环境作业中已经得到了世界各国的高度重视[7]。

智能车的路径规划就是给定智能车及其工作环境信息，按照某种优化指标，在起始点和目标点之间规划出一条与环境障碍物无碰撞的路径。

智能车路径规划的研究始于20世纪70年代，目前对这一问题的研究仍十分活跃。

其主要研究内容按智能车工作环境不同，可分为静态结构化环境、动态已知环境和动态不确定环境的路径规划；按智能车获取环境信息的方式不同，可分为基于模型的路径规划和基于传感器的路径规划[8]。

智能车一般工作在室内或者家庭居室环境中，即有平整的地板、垂直的墙壁、规范的门厅、各种家具、人员等。

在工作过程中，智能车可能会和人员、家具发生一些互动作用，例如，家具可以挪动地方，人本身也在这个环境中来回走动。

智能车导航就是要使它行驶于各种静态和动态物体之间，而且可以避开各种“障碍物”。

当然，在这样的环境中，可以假使有关环境的约束来祢补或者平衡目前环境感知技术的缺陷[9]。

可以预料，随着人工智能技术的飞速发展，越来越多的智能车将推广应用，成为人工智能领域的重要音符和旋律[10]。

1．3 主要研究内容及安排
本课题是以单片机作为中心控制器的智能车控制系统，针对小车在行驶过程中的不同要求，采用模块化设计方案设计智能小车，本设计的智能小车具有实时显示行驶速度和行驶累计里程，实现规定区域内自动寻迹、避让障碍物等功能。

在深入了解国内外相关技术的研究现状之后，从硬件和软件两方面出发，完成了基于单片机的多功能智能小车的设计。

最后给出设计的结论，并对下一步工作进行了展望。

针对上述研究内容，本论文的安排如下：
第1章：总结了智能小车的研究背景和意义以及国内外的发展现状。

第2章：主要分析了智能小车硬件设计的几种方案，对其各自的优缺点进行比较，最终选出适合智能小车控制的最佳方案。

第3章：先简单介绍了实现智能小车控制的总体设计思路，然后详细介绍了智能小车的工作原理、电路设计以及电路的工作过程。

第4章：在本章对系统的软件进行了设计，结合硬件电路原理图绘制出了程序流程图。

第5章：论述了提高系统可靠性的措施，主要是通过对硬件电路和PCB的设计来提高系统的可靠性。

第6章：对本论文做了简要的总结，并对下一步工作进行了展望。

2 方案设计与论证
从这一章开始介绍基于单片机控制的智能小车的设计过程。

2．1 设计要求
设计一种基于单片机的智能小车，它能够实时显示行驶速度和行驶累计里程；具备自动躲避前方障碍的能力；可以沿给定的轨迹行驶；寻找光源等功能。

2．2 总体设计
根据题目要求，本设计共分为5个模块：前轮PWM驱动电路、后轮PWM驱动电路、轨迹探测模块、障碍物探测模块和光源探测模块。

前轮PWM驱动电路主要用于转向控制；后轮PWM驱动电路主要用于方向和速度控制；轨迹探测模块利用三个光感元件，对黑色轨道进行寻迹；障碍物探测模块用于对障碍物进行探测；光源探测模块利用三个光敏电阻制成，用于寻光并确定光源角度，以期获得较为精确的转向值。

绕障方案利用障碍物较低这个重要条件，小车出发后，先利用光敏电阻获得光源的方向是本设计的一大特色。

系统硬件框架设计如图2.1所示：
图2.1 系统总体框图
2．3 方案论证
本节主要介绍基于单片机的智能小车的设计方案及对比论证过程。

2.3.1 轨迹探测模块方案分析与比较
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，但是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。

虽然小车在寻迹过程中可能会有一定的左右摇摆（因为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[11]。

综合考虑到寻迹准确性和行驶速度的要求，我们采用方案三。

2.3.2 障碍物探测模块方案分析与比较
考虑到在测障过程中小车车速及反应调向速度的限制，小车应在距障碍物40CM 的范围内做出反应，这样可以保证小车能够顺利绕过障碍物。

否则，如果范围太大，则可能产生障碍物的判断失误；范围过小又很容易造成车身撞上障碍物或虽绕过障碍物却无法实现理想的定向方案。

方案一、采用一只红外传感器置于小车中央。

一只红外传感器小车中央安装简易，也可以检测到障碍物的存在，但难以确定小车在水平方向上是否会与障碍物相撞，也不易让小车做出精确的转向反应。

方案二、采用二只红外传感器分置于小车两边。

二只红外传感器分别置于小车的前端两侧，方向与小车前进方向平行，对小车与障碍物相对距离和方位能作出较为准确的判别和及时反应。

但此方案过于依赖硬件、成本较高、缺乏创造性，而且置于小车左方的红外传感器用到的几率很小，所以最终未采用。

方案三、采用一只红外传感器置于小车右侧并与小车前进方向呈一固定角度。

基于对行车地图中光源及障碍物尺寸、位置的分析，我们采用了通过寻找光源来对行车方向进行控制，在向光源行驶的过程中检测障碍物并做出相应的反应，这样不仅只使用一只红外传感器就实现了避障，而且避免因小车自然转弯而导致的盲目方向控制，同时为后面以最简单最直接的路线和在最短的时间内完成行驶路程创造了机会[12]。

智能小车应以准确、智能见优，我们采用方案三。

2.3.3 光源探测模块方案分析与比较
方案一、采用多只方向性较强的光敏二极管作为光源定位器。

若干定位器在水平面上按不同角度展开，在寻找光源时根据每个定位器接收到的光线强弱（有无）得出行车方位。

该方案若采用方向性较强的光敏二极管作为光源定位器，要么是需要很多的器件，要么是难以检测到光源的方向。

方案二、采用一个光源定位器。

用深色不透光材料与光敏电阻制成的光源定位器有较理想的定向测试效果，2.5米之外就可以确定光源的方向。

当小车绕过障碍物之后，通过不停地旋转使定位器获得最大光线照射以确定光源方向，这种方案有一定的可行性，但寻找光源的过程必定带来不必要的大量时间开销，且寻找过程盲目性太大，不利于控制，又增加了一个电机，增大的电源方案选择或安装的难度。

方案三、利用多只光源定位器。

在方案二所得数据的基础上，结合光敏电阻的敏感性，只用三到五只光敏电阻就可以达到目的，但因其对光非常敏感，所以必需为每只光敏电阻加上黑色隔离板。

虽然制作有一定难度，但其能见长度和相对简明的控制措施显示了很大的优越性。

综合考虑以上方案，方案三更具准确性和独创性，我们采用方案三。

2.3.4 距离检测方案分析与比较
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，我们采用方案二。

2.3.5 刹车机构方案分析与比较
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。

本系统中我们采用方案二。

2.3.6 电源与稳压模块方案分析与比较
方案一、采用交流电经直流稳压处理后供电。

采用交流电提供直流稳压电源，电流驱动能力及电压稳定性最好，且负载对电源影响也最小。

但由于需要电线对小车供电，极大影响了智能小车行动的灵活性及地形的适应能力。

而且避障小车极易把拖在地上的电线识别为障碍物，人为增加了不必要的障碍，故放弃了这一方案。

方案二、采用蓄电池供电。

蓄电池具有较强的电流驱动能力和较好的电压稳定性能，且成本低廉。

可采用蓄电池经7812芯片稳压后给电机供电，再经过降压接7805芯片给单片机及其他逻辑单元供电。

但蓄电池体积相对庞大，且重量过大，造成电机负载过大，故最终放弃了这一方案。

方案三、采用干电池组进行供电。

小车使用4节充电电池供电，4节串联为4.8–5V，可以满足各个芯片的供电要
求，为了能适用于用普通电池供电，在电源部分采用LM2940来稳定电压，配合去耦电容滤去电源的杂波。

这样解决了因普通电池的电压1.5V，新的通常有1.6V，4节串联将达6.4V，引起的电压的不稳定，内阻随着使用逐渐增大引起系统中芯片损坏等问题。

为了避免电机启动及制动时的短暂电压干扰不会影响到逻辑单元和单片机的工作，采用电机单独供电。

综合以上考虑，我们采用方案三。

示意图如图2.2所示：
图2.2 电源模块
2.3.7 电机驱动及PWM调速模块方案分析与比较
在电机驱动部分采用PWM调速系统，其有如下优点：
(1)由于PWM调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得脉动很小的直流电流，电枢电流容易连续，系统的低速运行平稳，调速范围较宽，可达1：10000左右。

由于电流波形比V-M系统好，在相同的平均电流下，电动机的损耗和发热都比较小。

(2)同样由于开关频率高，若与快速响应的电机相配合，系统可以获得很宽的频带，因此快速响应性能好，动态抗干扰能力强。

(3)电子器件只工作在开关状态，主电路损耗较小，装置效率较高。

脉宽调速系统的主电路采用脉宽调制式变换器，简称PWM变换器。

脉宽调速可通过单片机控制继电器的闭合来实现，但是驱动能力有限。

为顺利实现电动小车的前行与倒车，本设计采用了可逆PWM变换器。

可逆PWM变换器主电路的结构式有H 型、T型等类型。

我们在设计中采用了常用的双极式H型变换器，它是由4个三极电力晶体管和4个续流二极管组成的桥式电路。

双极式PWM变换器具有：电流一定连续；可使电动机在四象限中运行；电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；低速时，每个晶体管的驱动脉冲仍较宽，有利于保证晶体管可靠导通；低速平稳性好，调速范围可达20000左右等优点[13]。

方案一、使用分立元件搭建电机驱动电路。

使用分立元件搭建电机驱动电路造价低廉，在大规模生产中使用广泛。

但分立
元件H桥电路工作性能不够稳定，较易出现硬件上的故障，故放弃了这一方案。

方案二、使用MC33886芯片驱动电机。

MC33886是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；直接用单片机的I/O口提供信号，而且带有使能端，方便PWM调速，电路简单，性能稳定，使用方便。

MC33886芯片可以用来驱动2个直流电动机或步进电动机等感性负载，正好符合小车两个二相电机的驱动要求。

综合以上考虑，采用MC33886芯片驱动小车电机。

控制示意图如图2.3所示：
图2.3 MC33886驱动电机原理
2．4 本章小结
本章主要分析了智能小车系统的设计方案，分别从寻迹，避障，电机驱动等各个模块进行了方案对比和论证。

详细阐述了智能小车系统的各个方案，比较其优缺点，针对设计要求及本系统的可开发性，最终选出适合小车设计的最佳方案。

3 系统硬件设计
在第二章里，我们主要介绍了智能小车系统的设计方案和对比论证过程，在本章将主要介绍智能小车系统的工作原理、各个模块电路的设计以及实现过程。

3．1 原理分析和说明
3.1.1 键盘显示模块
该设计使得原本需要14个IO 接口的键盘显示少用了9个IO 接口,虽然该设计的优势在本实验中没有完全体现出来,但若在现代工业设计中应用此方案,在对引脚需要较大的产品中其优点将体现得淋漓尽致。

键盘显示说明如图3.1所示：
图3.1 键盘显示模块说明图 3.1.2 元件安装
小车元件安装方位图如图3.2所示：
P1.2 P1.0 P1.3
P1.1
图3.2 元件安装方位图
3.1.3 光敏电阻分布
在各光敏电阻间用隔板隔开，如此摆放可以很好的解决探测光源方位的难题，从而正确控制小车的转向。

当小车行驶方向朝向光源时，中间电阻阻值为低，当小车偏移光源方向时，由于光敏电阻间挡板的遮拦作用，两侧的电阻定有一侧为低，此时可根据不同的情况作出转向调整，这种分布方式可以使小车寻找光源的路径准确、合理。

3.1.4 小车动力系统
为达到满意的控速性能，动力系统中的驱动电路使用了自制的PWM 模块并配以组合门电路加以保护。

在行驶过程中有可能变热的部分电路也涂上了低熔点胶给予保护，有效的保证了整套系统的工作稳定性[14]。

3.1.5 四电源供电系统
为确保在行驶过程小车各部件均能正常工作且相互之间不受影响，我们使用了四组电源为不同模块提供工作电压。

其中：三组9V 电源分别为测距光电开关供电，经整流稳压后单独为单片机最小系统及其附属部件供电，及为霍尔开关、寻迹光电开关供电，一组6V 电源为电机供电。

如此安排满足了多次测试大量用电的需求。

前
测障光电开关
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3．2 电路设计
在这一节主要介绍硬件电路的设计过程及其工作原理。

3.2.1 数据采集原理
在这一小节里对A/D 转换技术进行了介绍，为更好的理解速度采集和障碍物检测奠定了基础。

(1) A/D 转换技术
A/D 转换器将电位器输入的模拟电压转换成数字量，然后送入单片机进行处
理。

A/D 转换的过程首先是对模拟电压信号取样，取样结束后进入内部保持电路，在保持的这段时间内将取样的电压量化为数字量，并按一定的编码形式将转换结果输出，根据ADC 器件的输出形式可以将A/D 转换器件分为并行、串行和串并行三种。

并行A/D 转换器用Va 表示输入的模拟量，经过A/D 转换后，在输出端得到N
位的数字量输出。

)2
1
2121(2211n n R A b b b V V +++= （式3.1）
式中V R 为参考电压，b 1、b 2、n b 分别为第1到第N 位对应的二进制系数，
由于N 位二进制数同时输出，故称为并行输出。

串行输出A/D 转换器是在并行输出A/D 转换器的基础上增加数据的并—串行转换而得到的。

串—并行可以同时有串行和并行数据输出，此类ADC 大量用于低速、廉价的积分型A/D 转换中，大都采用十进制编码方式，由于其具有精度高、抗干扰性强等优点而广泛应用于低速测量领域。

(2) 逐次比较型A/D 转换原理
逐次比较型A/D 转换器由比较器C 、D/A 转换器、寄存器、时钟脉冲源和控制逻辑5个部分构成。

转换开始首先将寄存器清零，此时加给D/A 转换器的数字量全是0。

当转换控制信号L v 变为高电平时开始转换，时钟信号首先将寄存器的最高位置为1，使寄存器的输出为10000 。

这个数字量被D/A 转换器转换成相应的模拟电压0v ，并送到比较器与输入信号I v 进行比较。

如果I v v >0，说明数字量过大了，则这个1应去掉；如果I v v <0，说明数字量还不够大，1应予以保留。

然后，再按同样的方法将次高位置1，并比较I v 与0v 的大小以确定此位是否该保留。

这样依次比较下去，直到最低位比较完为止。

此时寄存器里所存的数码就是所求的输出数字量[15]。

(3) A/D 转换器的主要参数
A/D 转换器件的转换精度和转换速度是决定ADC 器件的重要参数，其中转换精度一般用分辨率和转换误差来描述。

分辨率以输出二进制或十进制数的位数来表示，它说明ADC 器件对输入信号的分辨能力。

从理论上讲，n 位二进制A/D 转换器能区分输入模拟电压的n 2个不同等级的大小，能区分输入电压的最小差异为
n
21FSR
（满刻度输入的n 21
）。

转换误差表示实际输出的数字量和理论值之间的差别，一般以最低有效位的倍数给出[16]。

A/D 转换器件的转换速度主要取决于转换电路的类型，不同类型的A/D 转换器件的转换速度相差悬殊。

其中，并联比较型A/D 转换器的转换速度最快，逐次比较型A/D 转换器的转换速度次之，而间接比较型A/D 转换器的转换速度最低[17]。

3.2.2 路径识别电路设计
RPR220接收到反射信号，根据接收光强的不同输出不同的电压值。

将输出的电压与比较器的阀值电压进行比较，当高于阀值电压时，LM293输出低电平，反之，输出高电平。

将LM293的输出端接到单片机的IO 口上来检测是否脱离轨道，并作出相应的转向调整。

路径识别电路如图3.3所示：
图3.3 路径识别电路。