智能小车跟随系统的设计与制作分析

本科毕业论文( 设计)
题目：智能小车跟从系统的设计与制作
学院：物理与电子科学学院
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达成日期：年月日
智能小车跟从系统的设计与制作
纲要 :
此刻，小车跟从系统正处于研发与试用阶段，它有着多方面的优势：一方面 , 充足利用现有的道路资源，有效缓解交通堵塞；另一方面，能够大幅提升驾驶的安全性，减少交通事故的发生。

因此推行和应用小车跟从系统已经成为解决交通问题的一个重要门路。

本文的主要研究工作是设计和制作智能小车跟从系统，整个系统包含硬件及
软件两个部分。

硬件部分包含控制电路，蓝牙通讯电路，路径循迹电路，电源驱动电路，电机驱动电路等。

软件部分主要包含经过编程使得小车按设定路径实现行进，左拐，右拐，加快，减速，并在小车行进的过程中不停调整小车所在地点等功能。

本文是以电动小车为基础，增添红外传感器，蓝牙等。

利用传感器来有效地确立小车行进路径、小车所在地点等信息。

单片机接收并办理传感器所产生的信号并加以必定的算法来判断两个小车的状态及其互相间距。

最后经过蓝牙来进行小车间的通讯，进而控制两个小车加、减速度来使得小车间距相对恒定。

该智能小车跟从系统能够实现的功能有：自动循迹；保持车距；紧迫泊车等。

重点词：智能小车跟从系统；蓝牙通讯；单片机；软件设计
目录
1 前言 (1)
1.1 研究背景及意义 (1)
1.2 智能车辆研究现状 (1)
1.3 研究内容 (1)
2 功能剖析 (2)
2.1 主控模块 (2)
2.2 循迹模块 (3)
2.3 电机驱动模块 (3)
2.4 电源模块 (3)
2.5 通讯模块 (3)
3 硬件设计 (3)
3.1 主控硬件设计 (4)
3.2 循迹硬件的设计 (4)
3.3 驱动硬件设计 (5)
3.4 电源硬件设计 (5)
3.5 蓝牙通讯串口硬件设计 (6)
3.6 本章总结 (6)
4 软件的设计与实现 (6)
4.1 概括 (6)
4.2 软件的构造设计 (7)
4.3 主要模块的实现 (8)
循迹流程图 (8)
电机驱动流程图 (9)
地点判断流程图 (10)
蓝牙通讯流程图 (11)
4.4 本章小结 (11)
5 系统功能测试 (11)
5.1 系统功能测试 (12)
5.2 测试结果剖析 (13)
6 结论与展望 (13)
6.1 结论 (13)
6.2 展望 (13)
参照文件 (14)
道谢 (15)
1前言
1.1研究背景及意义
跟着经济的迅速发展，城市的人口不停增添，进而城市的交通压力也愈来愈大。

在中国的一些大中型城市，因为严重的堵车问题，上、下班路程中所耗费的时间可能会长达数个小时。

别的，近些年来，交通事故屡次发生，这已经危害到了很多人的生命和财富。

所以，想要解决交通问题已经不可以只是依赖交通管理部
门，更需要从科技的角度来解决这一问题。

好运的是，在近来几年传感器、单片
机技术日新月异，受此影响，智能小车跟从技术正在逐渐从可能转为现实。

智能小车跟从技术是指经过车载传感系统感知道路环境，经过现代通讯技术使车间进行通讯，同时加以必定的算法剖析，使得后车紧跟前车行驶。

这一特点使得它拥有以下长处：第一，充足利用道路资源，减少堵车事件发生的概率。

别的，它还
能够内行驶过程中探测可能发生危险事故，因为计算机有着比人脑更快的反响速度，进而能够防止交通事故的发生。

1.2智能车辆研究现状
智能车辆的发展过程能够分为以下三个阶段：
第一阶段： 20 世纪 50 年月。

在这一期间，人们刚才开始接触研究智能车辆。

只管这一期间的智能小车系统仅能在一个固定的轨道上运行，自动化水平比较低，但已经切合智能车辆的基本要求。

第二阶段： 80 年月中后期。

在这一阶段，跟着计算机的应用与传感器技术
的不停发展，智能车的研究有了较大的进展，特别在一些发达国家，获得了巨大的进步，促进智能车辆不停深入各个适用领域。

第三阶段： 90 年月到现在，智能车辆的研究获得了更快的发展。

特别是近些
年来，跟着各个国家在智能车辆的研究之中投入的人力、财力不停加大，智能小车的发展愈来愈快。

此刻，智能车辆已经不只是限制于科学研究和工厂使用，它也不停地走入了很多人的平常生活中。

1.3研究内容
本设计是基本 AT89S52单片机的，经过蓝牙使两个智能电动车互相通讯来
构成智能小车跟从系统。

设计的主要内容是对电动车进行硬件电路与软件的设
计。

此中硬件电路主要包含控制电路，蓝牙通讯电路，路径循迹电路，电源驱动电路，电机驱动电路等。

此中， AT89S52单片机作为每个小车的控制中心，控制着电动车
1
拐，紧迫泊车，加快，减速等功能。

本设计是以电动小车为基础，增添红外传感器，蓝牙等。

利用传感器来有效地确立小车行进路径、小车所在地点等信息。

单片机接收并办理传感器所产生的信号并加以必定的算法来判断各个小车的状态及其互相间距。

最后经过蓝牙来进行小车间的通讯，进而控制各个小车加、减速度来使得小车间距相对恒定。

综上所述，本设计中整个系统电路构造简单，性能相对较高。

主要采纳以下技术：第一是选择适合的传感器。

利用传感器来及时监测小车地点并传递给单片机，单片机依据传感器所传回的信息来控制小车的两个电机运行，实现循迹行走功能。

其次，利用蓝牙设施在两个小车之间进行通讯，由此中一个小车的单片机来判断两小车的相对地点，进而产生控制指令，来改变小车的行驶速度。

2功能剖析
依据设计内容的要求，采纳鉴于单片机的控制方式，使用蓝牙设施进行通讯。

图 2-1 为系统框图。

图 2-1系统框图
2.1主控模块
当前，拥有人工智能的电子产品、设施往常采纳的控制器都是单片机。

此刻市场上的单片机厂商好多，单片机种类也不尽相同，功能更是各具特点。

本文设计的是一个相对简单的控制系统，无需采纳一些特别功能的单片机。

所以，依据实质条件，最后选择在两辆小车上各搭载一片ATMEL企业的AT89S52芯片作为每个小车的主控器件。

图 2-2 为 AT89S52控制原理图。

图 2-2 AT89S52 控制原理图
2.2循迹模块
循迹装置种类选择：采纳集成QTI 传感器DM-S53401，它是一种经过光电接收管来探测其下表面反射光强度的传感器。

依据反射光强度的不一样，进而致使传感器输出的变化。

因为它的体积较小、拥有日光过滤器，因此在小车中使用性能较好。

循迹硬件数量选择：采纳 4 路 QTI 传感器循迹。

在小车行驶过程中，依据轨道的设计，小车会碰到直行或左、右拐弯的路段，因此能够使用中间 2 路来判断小车与直行道的相对地点，而用外侧2 路来判断小车能否在拐弯路段。

所以，4 路循迹能够达成任务的要求，且设施数量最少。

2.3电机驱动模块
电机选择：采纳直流伺服电机，它主要经过接收脉冲来运行。

对比于步进电机，直流伺服电机有着必定的优势：精度更高，战胜了步进电机中的失步问题；高
速性能好；抗过载能力强；运行稳固；反响时间短；发热和噪声都有着显然的降
低。

2.4电源模块
电源选择：采纳干电池组加挪动电源共同供电，即在采纳 4 节 1.5V 干电池经过稳压单元降至5V 后给单片机及其余设施（如传感器、电机等）供电的基础上，增添一个挪动电源同时供电。

一方面，能够保证小车电压稳固，设施正常运
行而不会断电。

另一方面，也不像蓄电池所占体积那么大，安装相对简单。

2.5通讯模块
通讯设施选择：采纳蓝牙装置进行通讯。

只管对比红外通讯，它的成真相对较高。

但其有着诸多独有的长处：通讯距离相对较长，一般在10 米左右，且可以转弯，不用瞄准。

传输速度快，且能够加密，更为安全。

3 硬件设计
3.1主控硬件设计
关于每个小车而言，主控电路的中心器件为AT89S52单片机，经过此单片机来控制小车达成估计的功能。

此中，小车的启动、复位、断电都需要手动开关来
控制。

由 QTI 循迹模块构成的循迹电路进行及时监测，不停判断小车的地点，并将检测到的信息发回给单片机，单片机经过运算后，发送PWM波给电机，进而控制小车速度、启停、转弯、直线行驶等。

除此以外，两个小车的单片机还都需要
连结一个蓝牙设施，用于在两个单片机之间传达信息。

系统框图如图3-1 所示。

图 3-1主控电路连结图
3.2循迹硬件的设计
因为本设计在循迹模块中采纳的是集成的QTI 循迹模块，故循迹装置内部电路无需再从头设计，仅需将集成的 QTI 循迹模块正确连入 AT89S52单片机中集可。

详细电路连结图见图3-2 。

图 3-2 QTI 设施连结图
3.3驱动硬件设计
电机选择：采纳直流伺服电机。

伺服电机拥有以下特点：它在接收到一个PWM波形脉冲时就会旋转必定的角度，经过不停接收脉冲就能够使得小车连续运动。

关于本设计所采纳的电机而言，当接收到的脉冲是高电平连续时间为 1.5ms 而低电平连续时间是 20ms时，电机不发生转动；当低电平常间保持不变，高电平连续时间越靠近 1.7ms 时，电机顺时针转速越快，在 1.7ms 时，电机顺时针旋转速度达到最大；反之，高电平连续时间越靠近 1.3ms 时，电机逆时针转速越快，在 1.3ms 时，电机逆时针旋转速度达到最大。

在小车运行过程中，单片机 AT89S52经过 P1.1 和 P1.2 口发送脉冲波形来分别控制左右电机运行，马上左右电机分别与P1.1 和 P1.2 口相连即可。

3.4电源硬件设计
本系统中的单片机所需的供电电压为+5V工作电压，而电路板的设计是采纳6-9V 的直流电输入，再经过稳压芯片来为单片机输入 5V 的工作电压。

每节干电池所供应的电压为1.5V ，采纳4 节干电池串连后能够获得直流电输进口所要求的最小电压 6V。

所以，选择 4 节干电池串连后接入单片机的供电口。

别的，由
于干电池所供电压其实不稳固，简单造成小车传感器、蓝牙等设施的掉电，进而影响小车的正常工作，故再额外经过 USB-ISP线将输出为 5V 的挪动电源连结至小车的 ISP 下载口即可。

3.5蓝牙通讯串口硬件设计
本系统中两辆小车需要在必定状况下进行通讯，因此需要使用一个近距离的无线通讯装置。

在本设计中，采纳蓝牙通讯装置 HC-05 来实现此功能。

HC-05的引脚原理图如如图 3-3 所示。

图 3-3蓝牙引脚原理图
此蓝牙在配对成功后的使用方法与串口的使用方法相同，故相同是将蓝牙接口 TXD、RXD分别连至单片机的 P3.0 、P3.1 口， VCC接高电平， GND接地即可正常使用。

3.6本章总结
本章主要剖析了小车实现各个功能所需的硬件设施，硬件选择，硬件设施连接等问题，主要包含主控硬件、循迹硬件、驱动硬件、电源硬件、蓝牙硬件等，
经过对硬件的剖析与设计，为小车能正常运行做好的硬件方面的准备工作。

4软件的设计与实现
4.1概括
在鉴于单片机的系统设计中，除了要对系统硬件进行设计外，还要对系统的软件进行设计。

在本设计之中，大批的履行工作需要对程序进行设计，这一工作关于系统而言尤其重要。

在编写程序时，要注意一下几点要求：
1.及时性，即软件反响、履行速度快。

2.程序精练，即要求既要达成目标，又要以最简短的方式表述出来。

3.程序的灵巧性与可拓展性，即程序拥有较强的适应能力，在功能需要拓展时能够方便的改正。

4.靠谱性，即在系统运行过程中因为软件方面的故障而造成的系统错误尽
可能的少。

别的，在用 C 语言进行程序设计时，详细步骤以下：
1.明确要求，确立软件所要实现的功能。

2.剖析详细问题，成立数学模型。

3.绘制出各个程序模块的流程图。

4.将各个程序组合在一同，构成一个完好的程序。

最
后，在程序设计的过程中，应注意一下几点要求：
1.各个功能、模块尽量层次化。

2.储存空间合理，节俭内存。

3.软件流程要合理，软件布局要清楚。

4.2软件的构造设计
在本设计中，软件的构造设计采纳了模块化的构造设计，将整个系统分红五大模块，包含主程序模块、循迹程序模块、电机程序模块、蓝牙通讯程序模块、
地点判断程序模块等，挨次设计系统整体软件构造和各个模块的软件构造，最后再将其汇总成为一个完好系统。

系统的软件构造图如图4-1 所示。

图 4-1 系统软件构造图
4.3主要模块的实现
4.3.1 循迹流程图
循迹流程图如图 4-2 所示。

图 4-2 循迹流程图
小车在启动后会直接进入循迹路段，正常直行状况下，有且只有中间两路
QTI 装置 ( 中左与中右 ) 将能够探测到黑线。

而在履行行进过程中，会因为一些因素而造成稍微偏离轨道，此时，小车的中间两路QTI 装置可能将会存在此中一路离开黑线。

此时，则应向单片机发出调整指令，改变小车的行驶状态，使其回归
黑线中央行驶。

当小车到达拐弯路段时，外面两个 QTI 装置 ( 左与右 ) 将会探测到黑线，表示小车到达拐弯路段，则应向单片机发出调整指令，改变小车的行驶状态，使其达成拐弯任务。

而当小车抵达定位处时，四路 QTI 循迹装置将所有探测到黑线，此时则应向单片机发出计数自加指令后使小车连续向前行驶。

电机驱动流程图
电机驱动流程图如4-3 所示。

图 4-3 电机驱动功能流程图
在两个小车进行通讯时，依据预期，跟着两个小车的地点变化，两个小车的行驶速度也应当随之变化。

在此设计中，整个轨道共有 8 个定位点。

关于小车 A，速度变化是从检测到定位点时开始的，所以小车 A 的驱动流程图应从检测到定位点开始。

而关于小车 B，速度变化是在中止中产生的，所以小车 B 的驱动流程图应从中止中开始。

别的，本设计的要求是使小车 B 跟从小车 A 行驶，使得小车 A
与小车 B 的距离一直保持在大概等于两个定位点间的距离。

所以，想要确立两个
小车的速度，第一要计算两个小车距离。

本设计是经过计算两小车共检测到的定
位点数之差来判断两个小车的距离。

当两个小车所探测到的定位点数相差为 1，表示两车距离适中，驱动电机使两车都迅速行驶；当两个小车探测到的定位点数相同，表示两车距离过近，驱动电机使前车迅速行驶尔后车慢速行驶，进而拉大
两车间距；而当两个小车所探测到的定位点数相差大于 1，表示两车距离过远，驱动电机使前车慢速行驶尔后车迅速行驶，以此来缩短两车距离。

此外，前车发生故障时，应使得后车在与其距离过近时自动泊车，防备出现两车相撞的状况。

地点判断流程图
地点判断流程图如图4-4 所示。

图 4-4地点判断流程图
本设计中，两个小车需要构成一个协作的系统平台，所以，需要不停地判断自己的地点。

在此设计中，在完好轨道中均匀选择了 8 个定位点，在小车路过这
8个定位点时，单片机选择一个变量来计算小车内行驶过程中所经过的总点数，进
而来大概判断小车的所在地点。

当计数达到 8 时，表示小车已经运行了一整圈回
到出发点，故计数清零。

轨道图如图 4-5 所示。

图 4-5 轨道图
蓝牙通讯流程图
在本设计中，两个小车要经过互相协作来构成一个智能小车系统，所以，在小车运行过程中，两小车需要在必需的时辰互相通讯并发送指令。

在此系统中，
小车 A 为整个系统的中枢，全部信息要在小车 A 的单片机中进行运算办理，再将控制命令由小车 A 发出。

蓝牙通讯流程图如图 4-6 所示。

图 4-6蓝牙通讯流程图
4.4本章小结
本章第一介绍了针对软件设计的要求、过程等注意事项，而后系统的介绍了针对本设计的软件构造各个模块的设计方案、思路，并列出了各个主要模块的设计流程图。

5系统功能测试
在达成系统的设计与制作后，一定要对所设计的系统进行测试。

经过测试，
检测需要单片机所达成的功能能否能够实现。

5.1系统功能测试
测试过程中，第一挨次对各个小车进行独自的模块功能测试，而后再进行整个系统的功能测试。

即第一分别对小车A、小车 B 进行独自循迹功能的测试，查看小车 A、B 的性能。

而后再将小车A、B经过蓝牙连结互相通讯，测试整个系统的性能。

小车 A 循迹功能独自测试，结果如表5-1 所示。

表 5-1小车A循迹测试结果
1 2 3 4 5 6 7 8
第一圈达成达成达成达成卡顿达成达成达成第二圈达成卡顿达成达成达成达成达成达成第三圈达成达成达成达成达成达成达成达成第四圈达成达成达成达成卡顿达成达成达成第五圈卡顿达成达成达成达成达成达成达成小车 B 循迹功能独自测试，结果如表5-2 所示。

表 5-2 小车 B 循迹测试结果
1 2 3 4 5 6 7 8
第一圈达成达成达成达成卡顿达成达成达成第二圈达成达成达成达成达成达成达成达成第三圈达成达成达成达成达成达成达成达成第四圈达成达成达成达成达成达成达成达成第五圈达成达成达成达成达成达成达成达成系统性能测试，结果如表 5-3 所示。

表 5-3 系统功能测试结果
第一圈运行正常
第二圈运行正常
第三圈小车 A 在定位点 3 处连续探测到 2 次定位标记，造成犯错
第四圈运行正常
第五圈运行正常
5.2测试结果剖析
小车 A 在运行过程中，因为传感器、电机等设施问题，有时会造成半途卡顿，致使小车没法正常运行，但整体结果基本正确，不影响实验结果。

小车 B 与小车 A 对比，运行较为流利，基本能够正常运行，极少会出现故障，达到预期目标。

在整个系统协调运行时，除了小车有时发生的卡顿不测，基本不会造成其余故障，基本能够达到预期的成效。

整体而言，主假如因为传感器其实不精准，在室内光芒、太阳光等灯光的影响下，有时会致使运行出现故障。

但从整体来看，基本功能都能够正常实现，不影响观察结果，系统基本能够正常运行。

6结论与展望
6.1结论
在本设计中， A、 B 两个小车的控制中心都采纳的是 AT89S52单片机，这使得小车拥有较好的稳固性和连续性。

循迹装置选择的是体积小、功耗低、应用方便、集成度高的 QTI 传感器 DM-S53401。

电机选择的是两轮独立的直流伺服电机，经过控制两个轮不一样的转速来改变方向。

车间通讯选择的是蓝牙通讯装置HC-05，它拥有较高的靠谱性，能够保证两车顺利的达成通讯功能。

在小车运行的过程中，利用 QTI 传感器来及时监测小车的路面信息，单片机接收并办理传感器监测到的信号，将运动控制指令发送给电机，使得小车正常行驶。

别的，两个小车还经过蓝牙装置进行车间通讯，并依据两车的状态调整小车的运动状况。

该系统最后能够达成的功能有：循迹、变速、保持两车间距稳固、紧迫泊车。

6.2展望
本智能小车系统最主要的远景是运用到无人驾驶汽车上。

一方面，能够经过小车系统的车间通讯规划行车路径，充足利用现有的道路资源，提升道路利用率，减少堵车事件的发生；另一方面，还经过安装各样传感器感知路面状况来防止交通事故的发生。

参照文件：
[1]李建忠 . 单片机原理及应用 . 第二版，西安电子科技大学第一版社，2008.2
[2]李晓莹 . 传感器与测试技术 . 高等教育第一版社， 2005.1
[3]禹帆 . 蓝牙技术 . 清华大学第一版社， 2002 年
[4]杨代强 . 鉴于单片机的智能玩具电动车的设计与实现. 电子科技大学硕士论文， 2012.11
[5]顶峰 . 单片微机应用系统设计及适用技术. 北京：机械工业第一版社， 2004.4
[6]刘彩虹 . 智能小车路径追踪技术的研究 . 浙江大学硕士论文， 2007.6
[7]碰新荣 . 鉴于智能小车平台的多车协作研究. 上海交通大学硕士论文， 2010.2
[8]谭浩强 .MCS-51 单片机应用教程 . 清华大学第一版社， 2000.5
[9]V.Gradinescu, C.Gorgorin, R.Diaconescu, V.Cristea, L.Iftode.
Adaptive traffic lights using car-to-car communication. IEEE Vehicular Technology Conference,2007
[10]Seki K. Applications of DSRC in Japan. ITS Center,Japan Automobile
Research Institute,2002
道谢
历时四个多月的本科毕业论文马上达成了，心中有着很多感触。

这几个月来，从最先的选题、查找资料、撰写开题报告、选择部件设施、学习软硬件的使用、
测试、撰写草稿、以及后期的论文改正，无时无处不存在卢教授的帮助和指导，
这一幕幕都在我的脑海中留下了深深的印象，这让我的心中有着无穷的感谢和感动。

因为考研复试占用了必定的设计论文的时间，所以在开始毕业设计的时侯时间已经有点儿紧张。

在回到学校开始做毕业设计的前两个月，几乎每日都呆在实验室。

在此，我特别感谢仝老师供应给我的实验环境。

假如没有一个理想的实验环境，我的论文和设计根本没法在短短的几个月内达成。

同时，在这一年里，我也查阅了许多的资料，这些资料使我的论文更为完好。

所以，特别感谢大同大学图书室，感谢参照文件中的每一位作者。

最后，还要感谢我的同学、朋友在我做毕业设计时为我供应的帮助和支持！。