智能巡线小车的设计方案

智能巡线小车的设计方

案

1.1 智能小车的意义和作用

自第一台工业机器人诞生以来，机器人的发展已经遍及机械、电子、冶金、交通、宇航、国防等领域。近年来机器人的智能水平不断提高，并且迅速地改变着人们的生活方式。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。

随着科学技术的发展，机器人的感觉传感器种类越来越多，其中视觉传感器成为自动行走和驾驶的重要部件。视觉的典型应用领域为自主式智能导航系统，对于视觉的各种技术而言图像处理技术已相当发达，而基于图像的理解技术还很落后，机器视觉需要通过大量的运算也只能识别一些结构化环境简单的目标。视觉传感器的核心器件是摄像管或CCD，目前的CCD已能做到自动聚焦。但CCD传感器的价格、体积和使用方式上并不占优势，因此在不要求清晰图像只需要粗略感觉的系统中考虑使用接近觉传感器是一种实用有效的方法。

机器人要实现自动导引功能和避障功能就必须要感知导引线和障碍物，感知导引线相当给机器人一个视觉功能。避障控制系统是基于自动导引小车（AVG—auto-guide vehicle）系统，基于它的智能小车实现自动识别路线，判断并自动避开障碍，选择正确的行进路线。使用传感器感知路线和障碍并作出判断和相应的执行动作。

该智能小车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，还可以扩展循迹等功能，感知导引线和障碍物。可以实现小车自动识别路线，选择正确的行进路线，并检测到障碍物自动躲避。基于上述要求，传感检测部分考虑到小车一般不需要感知清晰的图像，只要求粗略感知即可，所以可以舍弃昂贵的CCD传感器而考虑使用价廉物美的红外反射式传感器来充当。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速度。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。

1.2 智能小车的现状

现智能小车发展很快，从智能玩具到其它各行业都有实质成果。其基本可实现循迹、避障、检测贴片、寻光入库、避崖等基本功能，这几届的电子设计大赛智能小车又在向声控系统发展。比较出名的飞思卡尔智能小车更是走在前列。我此次的设计主要实现循迹、检测铁片、显示小车行走时间这三个功能。

1.3 论文各部分的主要内容

第1章对智能循迹小车意义和作用，现状进行简单阐述。

第2章介绍了该智能循迹小车系设计方案比较和选择，分析了各模块的功能。

第3章阐述了智能小车系统的硬件电路的设计，其中包括电源模块、路面检测模块、单片机最小系统、电机驱动模块，以及一些辅助电路。

第4章首先介绍了该系统的软件编程，以及程序调试过程中所用到的程序调试软件及其调试环境。

最后总结部分说明了本论的主要内容，举出了在系统测试过程中所发现的问题，并提出了可能的解决方案。

2 方案论证与选择

2.1 任务

设计一个基于单片机控制的自动寻迹小车，使小车能够自动检测地面黑色轨迹，并沿着黑色车轨迹行驶。系统方案方框图如图2.1所示

设计要求：

基本要求：实现小车的自动循迹，能前进、左转弯、右转弯、后退，检测沿途的铁片并显示铁片数目跟小车行走时间。（按照程序预设）；

扩展部分：实现小车的避障功能（如时间充足）；

主要的设计内容:

1：电源模块的设计。

2：路面检测模块的设计。

3：单片机最小系统的设计。

4：电机驱动模块的设计。

2.2 电源模块的设计

方案1：采用单电源供电，通过单电源同时对单片机和直流电机进行供电，此方案的优点是，减少机身的重量，操作简单，其缺点是，这样会使单片机的波动变大，影响单片机的性能，稳定性比较弱。

方案2：采用双电源供电，通过两个独立的电源分别对单片机和直流电机进行供电，此方案的优点是，减少波动，稳定性比较好，可以让小车更好的运作起来，唯一的缺点就是会增加小车的重量。

综合以上的优缺点，本设计决定采用第二种方案。

2.3 路面检测模块的设计

2.3.1 传感器类型选择

循迹模块对于智能巡线小车来说就像来说有如人的眼睛对于人，是提供给小车的“眼睛”，此类光电传感器可以分为：可见光传感器、红外传感器、紫外线传感器等（此处不考虑光电耦合器件和位置敏感器件，由于它们占用太多的MCU资源，用起来不方便）。

方案1：可见光传感器是基于可见光源的传感器，它结构简单、设计成熟，但是它工作在可见光波段，容易被外界干扰。

方案2：红外光传感器。红外线是波长为 830nm～950nm 的电磁波，自然环境物理在该波段的辐射量是很微弱的，所以红外反射式传感器受外界干扰较小，可靠性高。设计技术成熟，应用广泛。

方案3：紫外线传感器。在自然环境下该类传感器很难受干扰，可靠性高，但是它

价格昂贵。所以我们最终选择方案二，即红外光传感器作为传感器检测模块的基本器件。

2.3.2 红外传感器方案

循迹主要是检测路面情况，利用光的反射原理，当光线照射在白在线，反射量比较大，反之，照在黑在线，由于黑色对光的吸收，反射回来的量比较少，这样就可以判断黑带轨道的走向。为此我们产生以下三种方案。

方案1：用光敏电阻组成光敏探测器。光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变化。当光线照射到白线上面时，光线发射强烈，光线照射到黑线上面时，光线发射较弱。因此光敏电阻在白线和黑线上方时，阻值会发生明显的变化。将阻值的变化值经过比较器就可以输出高低电平。

但是这种方案受光照影响很大，不能够稳定的工作。因此我们考虑其它更加稳定的方案。

方案2：用红外发射管和接收管自己制作光电对管寻迹传感器。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光线则检测出白线继而输出低电平，若接收不到发射管发出的光线则检测出黑线继而输出高电平。这样自己制作组装的寻迹传感器基本能够满足要求，但是工作不够稳定，且容易受外界光线的影响，因此我们放弃了这个方案。

方案3：采用TCRT50000光电传感器，该传感器模块是基于TCRT5000红外光电传感器设计的一款红外反射式光电开关，传感器采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成，输出的信号经施密特电路整形，稳定可靠。

2.3.3 电压比较器选择

市场上可以做电压比较器的运放，实在是太多，根据实验室现有条件以及器件选择经济并且能满足使用要求的原则，本次电压比较器选择实验室现有的LM324，此器件价格便宜，并且带有真差动输入的四运算放大器。

2.4 控制电机方案比较

方案1：采用步进电机作为该系统的驱动电机。由于其转过的角度可以精确的定位，可以实现小车前进路程和位置的精确定位。虽然采用步进电机有诸多优点，步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，其转速较低，不适用于小车等有一定速度要求的系统。经综合比较考虑，我们放弃了此方案。