智能清障小車設(shè)計(jì)【含7張CAD圖紙】

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購買設(shè)計(jì)文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 圖 書 分類號(hào)： 密 級(jí)： 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 智能清障小車設(shè)計(jì) F 生姓名 學(xué)院名稱 專業(yè)名稱 指導(dǎo)教師 20**年 5 月 27 日 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) I 摘要 智能小車在自動(dòng)化生產(chǎn)線、倉庫管理、機(jī)器人服務(wù)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、航空航天等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。本文介紹了一款集自動(dòng)尋跡、障礙物監(jiān)測(cè)、障礙物清除等功能于一體的智能小車。智能小車采用 片機(jī)為系統(tǒng) 控制核心，利用反射式光電傳感器檢測(cè)識(shí)別黑線，通過比較器反饋高低電平信號(hào)給單片機(jī)，從而控制直流電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)尋跡功能。安裝于車體前端的點(diǎn)觸開關(guān)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)黑線上的障礙物，一旦觸發(fā)開關(guān)，拉低所接單片機(jī) I/發(fā)外部中斷，從而控制機(jī)械手夾持障礙物，配合小車運(yùn)動(dòng)，達(dá)到清除障礙物的目的。本課題研制的智能小車樣機(jī)實(shí)驗(yàn)證明了本文敘述的技術(shù)方案的有效性和正確性，可以為今后全國及省內(nèi)電子大賽提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)。 關(guān)鍵詞 單片機(jī)；傳感器；循跡；清障； 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) in a of CM as By to of to CU to of C at of on ,of 州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 錄 摘要 .................................................................................................................................................. I ......................................................................................................................................... 1 章 緒論 ................................................................................................................................. 1 能化小車發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì) .............................................................................................. 1 題背景 ....................................................................................................................... 1 動(dòng)式機(jī)器人在國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 ............................................................................... 2 究的目的和意義 .............................................................................................................. 2 究的內(nèi)容 .......................................................................................................................... 2 第 2 章 智能清障小車系統(tǒng) ......................................................................................................... 4 統(tǒng)總體方案 ...................................................................................................................... 4 統(tǒng)方案論證 ...................................................................................................................... 4 體方案論證 ............................................................................................................... 4 車結(jié)構(gòu)方案論證 ....................................................................................................... 5 礙物清理單元方案論證 ........................................................................................... 5 制器方案論證 ........................................................................................................... 6 電單元方案論證 ....................................................................................................... 6 礙物識(shí)別單元方案論證 ........................................................................................... 7 動(dòng)單元方案論證 ....................................................................................................... 8 跡單元方案論證 ....................................................................................................... 9 統(tǒng)最終方案 .................................................................................................................... 10 第 3 章 智能清障小車硬件設(shè)計(jì) ............................................................................................... 12 統(tǒng)硬件電路介紹 ............................................................................................................ 12 礙物監(jiān)測(cè)模塊介紹 ........................................................................................................ 12 礙物清理模塊介紹 ........................................................................................................ 13 械手介紹 ................................................................................................................. 13 械手控制電路介紹 ................................................................................................. 13 片機(jī)最小系統(tǒng)介紹 ........................................................................................................ 15 片機(jī)簡介 .................................................................................................. 16 片機(jī)使用資源規(guī)劃 ................................................................................................. 17 電模塊介紹 .................................................................................................................... 17 跡模塊介紹 .................................................................................................................... 17 流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊介紹 .................................................................................................... 19 第 4 章 智能清障小車軟件部分 ............................................................................................... 22 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 件開發(fā)平臺(tái) .................................................................................................................... 22 件開發(fā)調(diào)試 .................................................................................................................... 23 機(jī)工作程序仿真 ..................................................................................................... 23 流電機(jī)工作程序仿真 ............................................................................................. 24 統(tǒng)軟件流程 .................................................................................................................... 25 跡軟件流程 .................................................................................................................... 27 礙物檢測(cè)及清理軟件流程 ............................................................................................ 28 第 5 章 系統(tǒng)測(cè)試 ....................................................................................................................... 30 試場(chǎng)景介紹 .................................................................................................................... 30 際測(cè)試過程 .................................................................................................................... 30 試結(jié)果分析 .................................................................................................................... 32 結(jié) 論 ........................................................................................................................................... 33 致 謝 ........................................................................................................................................... 34 參考文獻(xiàn) ....................................................................................................................................... 35 附錄 I ............................................................................................................................................ 36 附錄 ......................................................................................................................................... 37 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 1 第 1 章 緒論 能化小車發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì) 題背景 肩負(fù)著人類探測(cè)火星使命的“勇氣”號(hào)和“機(jī)遇”號(hào)分別于 2004年 1月 3日和 1月 24日在火星不同區(qū)域著陸，并于 2004年 4月 5日和 2004年 4月 26日相繼通過所有“考核標(biāo)準(zhǔn)”。美國宇航局的孿生火星車探測(cè)計(jì)劃至此正式宣告取得圓滿成功。美國宇航局科學(xué)家和工程師先設(shè)立了一系列硬指標(biāo)，作為判定兩輛火星車聯(lián)合探測(cè)計(jì)劃是否能成功的依據(jù)。按照規(guī)定，每輛火星車都需要至少工作 90個(gè)火星日 (約地球上的 92天 )，在火星上行駛總里程至少達(dá)到 600米，至少 造訪 8個(gè)不同地點(diǎn)，必須拍下周圍環(huán)境的立體和彩色全景照片?！坝職狻碧?hào)是迄今美國發(fā)射的最尖端的火星探測(cè)裝置，其頂部的桅桿式結(jié)構(gòu)上裝有全景照相機(jī)及具有紅外探測(cè)能力的微型熱輻射分光計(jì)。火星車能夠在火星上自主行駛，當(dāng)火星車發(fā)現(xiàn)值得探測(cè)的目標(biāo)，它會(huì)驅(qū)動(dòng)六個(gè)輪子向目標(biāo)行駛；在檢測(cè)到前進(jìn)方向上的障礙后，火星車會(huì)去尋找可能的最佳路徑 [1]。 類似火星車，以輪子作為移動(dòng)機(jī)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)自主行駛的機(jī)器人，我們稱之為智能小車，又稱輪式機(jī)器人。 智能小車是一個(gè)集環(huán)境感知、規(guī)劃決策，自動(dòng)行駛等功能于一體的 智能 輪式 機(jī)器人 ，它集中地運(yùn)用了計(jì) 算機(jī)、傳感、信息、通信、導(dǎo)航及自動(dòng)控制等技術(shù)，是典型的高新技術(shù)綜合體。 智能小車 作為現(xiàn)代高科技的 產(chǎn)物 ，是 21世紀(jì)的科技 亮 點(diǎn)之一。 智能小車 技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)該說它是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)綜合性結(jié)果。同時(shí)，它為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生了一門有著重大影響的科學(xué)技術(shù)，它的發(fā)展歸功于在第二次世界大戰(zhàn)后各國加強(qiáng)了經(jīng)濟(jì)的投入，而對(duì)輪式機(jī)器人 的研究成果又提高了本國的經(jīng)濟(jì)的發(fā)展水平。比如說日本戰(zhàn)后開始進(jìn)行汽車工業(yè)，這時(shí)候由于它人力的缺乏，它迫切需要一種機(jī)器人來進(jìn)行大批量的制造，提高生產(chǎn)效率降低勞動(dòng) 成本 ，這是社會(huì)發(fā)展本身的一個(gè)需求。另一方面它也 是生產(chǎn)力發(fā)展的必然結(jié)果，也是人類自身發(fā)展的必然結(jié)果， 人類 在不斷探討自然、認(rèn)識(shí)自然、改造自然過程中，需求一種能夠解放人的自動(dòng)化裝置。那么這種自動(dòng)化裝置就是代替人們能夠從事復(fù)雜和繁重的體力勞動(dòng)，實(shí)現(xiàn)人們對(duì)不可達(dá)到的世界的認(rèn)識(shí)和改造，這也是人們?cè)诳萍及l(fā)展過程中的一個(gè)客觀需要。但另一方面，盡管人們有各種各樣好的想法，它也歸功于電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)及制造技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展提供 額 強(qiáng)大技術(shù)保證 [2]。 目前，許多國家已經(jīng)把智能小車方面的比賽作為創(chuàng)新教育的戰(zhàn)略性手段。智能小車涉及到多個(gè)學(xué)科，如：電工、機(jī)械、自動(dòng)控制、人工 智能、傳感技術(shù)等，是眾多領(lǐng)域中的高科技。智能小車比賽是一種高科技對(duì)抗活動(dòng)，各國專家學(xué)者通過這項(xiàng)競(jìng)賽，不斷推進(jìn)了輪式機(jī)器人方面的研究，通過不斷改進(jìn)輪式機(jī)器人尋址速度和算法研究，試圖讓輪式機(jī)器人更接近智能化，它集高科技、娛樂和競(jìng)賽于一體，引起了各國的廣泛關(guān)注和極大興趣，從徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 2 而推動(dòng)了輪式機(jī)器人的研究熱潮。 能化小車在國內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國智能化小車研究主要有： 1)以 合多種傳感器實(shí)現(xiàn)尋跡、測(cè)速、避障、清障等功能 [3]； 2)基于 本地計(jì)算機(jī)通過接入險(xiǎn)環(huán)境地段等特殊環(huán)境進(jìn)行監(jiān)視和控制的系統(tǒng)，這種智能小車可以適應(yīng)不同環(huán)境，不受溫度、濕度、空間、磁場(chǎng)輻射、重力等條件的影響，可以在人類無法進(jìn)入或生存的環(huán)境中完成人類無法完成的探測(cè)任務(wù) [4]； 3)以 于 過對(duì)獲得的圖像進(jìn)行處理分析，獲得道路信息提取賽道黑線，并結(jié)合測(cè)速反饋實(shí)現(xiàn)對(duì)小車的閉環(huán)反饋控制，后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制模塊采用了模糊 分利用了內(nèi)部提供的模糊推理機(jī) [5]； 4)基于 系統(tǒng)以 所采集的溫濕度傳送到上位機(jī)，利用蟻群算法實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)避障功能，避障功能模塊我們采用多超聲波傳感器來實(shí)現(xiàn) [6]； 5) 以 過光電碼盤、防碰開關(guān)、超聲波傳感器等來實(shí)現(xiàn)智能小車的多種功能 [7]。 究的目的和意義 機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)尋跡功能和檢測(cè)障礙物功能就必須要有感知導(dǎo)引線，感知導(dǎo)引線相當(dāng)給機(jī)器人一個(gè)視覺功能。智能小車實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別路線和檢測(cè)障礙物使 用傳感器感知路線并作出判斷和相應(yīng)的執(zhí)行動(dòng)作 ,選擇正確的行進(jìn)路線。 通過構(gòu)建智能小車系統(tǒng)，培養(yǎng)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)的能力。在實(shí)踐過程中，熟悉以單片機(jī)為核心控制芯片，設(shè)計(jì)小車的檢測(cè)、驅(qū)動(dòng)和顯示等外圍電路， 結(jié)合障礙物監(jiān)測(cè)和清除模塊， 實(shí)現(xiàn)小車的循跡 清障功能 。靈活應(yīng)用機(jī)電等相關(guān)學(xué)科的理論知識(shí)，聯(lián)系實(shí)際電路設(shè)計(jì)的具體實(shí)現(xiàn)方法，達(dá)到理論與實(shí)踐的統(tǒng)一。 本課題利用 傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和軟件的控制下，能夠智能地完成行走路線探測(cè)、監(jiān)測(cè)障礙物、清除障礙物等任務(wù)，與傳統(tǒng)的遙控玩具車相比，具 有一定的獨(dú)立性和智能性。 究的內(nèi)容 本課題設(shè)計(jì)的智能清障小車具有自動(dòng)尋跡、障礙物檢測(cè)、障礙物清除等功能。整體設(shè)計(jì)可分為機(jī)械和電氣兩部分：機(jī)械部分主要包括車體結(jié)構(gòu)和機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，目前車體主要有輪式和履帶式兩種可供選擇，機(jī)械手設(shè)計(jì)需根據(jù)障礙物進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加緊力計(jì)算等；電氣部分主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、供電模塊、運(yùn)動(dòng)模塊、尋跡模塊、障礙物監(jiān)測(cè)模塊組成。采用 流電機(jī)作為小車動(dòng)力源并徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 3 通過驅(qū)動(dòng)芯片控制小車的前進(jìn)和轉(zhuǎn)向，利用光電傳感器識(shí)別黑線，經(jīng)比較器 反饋信號(hào)最終實(shí)現(xiàn)尋跡功能，點(diǎn)觸開關(guān)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)黑線上的障礙物，整個(gè)系統(tǒng)通過雙電源供電， 12V 穩(wěn)壓電源一部分供運(yùn)動(dòng)模塊使用，另一部分經(jīng)轉(zhuǎn)換，供單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、尋跡模塊、障礙物監(jiān)測(cè)模塊使用，機(jī)械手上的舵機(jī)由 5個(gè)系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)比較簡單、可靠性高。 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 4 第 2 章 智能清障小車系統(tǒng) 統(tǒng)總體方案 經(jīng)過對(duì)本設(shè)計(jì)要求的分析，提出了不同的方案，需要進(jìn)行方案論證：機(jī)械部分主要是車體和機(jī)械手控制方式的選擇；電氣部分主要有主控制器的選擇，供電模塊的設(shè)計(jì)，循 跡傳感器的選擇，障礙物監(jiān)測(cè)傳感器的選擇。主要構(gòu)成如圖 2片機(jī)最小系統(tǒng)作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，尋跡電路模塊反饋信號(hào)給單片機(jī)，通過控制直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，使小車按要求運(yùn)動(dòng)，障礙物監(jiān)測(cè)模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)黑線上是否有障礙物，一旦觸發(fā)，單片機(jī)控制清障單元模塊清除障礙物。 圖 2統(tǒng)總體框圖 統(tǒng)方案論證 體方案論證 方案一：自己制作車體。 自己制作的車體，一般采用左右兩輪驅(qū)動(dòng)，后萬向輪轉(zhuǎn)向的方案。即左右輪分別用兩個(gè)轉(zhuǎn)速和力矩基本完全相同的直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，車體頭 部裝一個(gè)萬向輪，當(dāng)兩個(gè)直流電機(jī)轉(zhuǎn)向相反同時(shí)轉(zhuǎn)速相同就可以實(shí)現(xiàn)車體的旋轉(zhuǎn)。但是制作車體的工具和材料有限，制作后的結(jié)構(gòu)并不一定能按設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行，同時(shí)材料的局限性可能使得車體比較笨重。 方案二：購買玩具車體。 購買的玩具電動(dòng)車具有組裝完整的車架車輪、電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電路等，其美觀方便，只要制作所需電路板就可以方便的固定在車體上，能夠穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)小車運(yùn)動(dòng)，這種車體一般都是四輪驅(qū)動(dòng)，左側(cè)兩輪和右側(cè)兩輪分別為一組，通過一側(cè)電機(jī)正轉(zhuǎn)，一側(cè)電機(jī)反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)小徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 5 車轉(zhuǎn)向，但電機(jī)一般為玩具直流電機(jī)，力矩小，負(fù)載性能差，不能適應(yīng)原地轉(zhuǎn)向。 綜合 分析上述兩方案，考慮到本設(shè)計(jì)制作的僅是模型，為了方便美觀，所以選擇方案二。 車結(jié)構(gòu)方案論證 方案一：履帶式小車。 履帶式小車能適應(yīng)各種復(fù)雜地形，其抓地力大，行駛速度穩(wěn)定。常用于工業(yè)領(lǐng)域，如履帶式起重機(jī)、履帶式裝載機(jī)、履帶式推土機(jī)等。但是采用履帶式的車體行駛速度慢，只能通過兩側(cè)履帶輪同速反向轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，同時(shí)對(duì)電機(jī)要求也比較高，一般玩具車電機(jī)負(fù)載能力小，不適用履帶傳動(dòng)。 方案二：輪式小車。 輪式傳動(dòng)化滑動(dòng)為滾動(dòng)，大大減少了摩擦阻力，行駛速度遠(yuǎn)大于履帶式小車，常用于對(duì)行駛速度要求較高的領(lǐng)域中。對(duì)于 地形復(fù)雜的道路，通過加重車體，增加車底離地高度，輪式車輛也能在這些道路行駛，但其穩(wěn)定性遠(yuǎn)不如履帶式車體。 由于本課題所使用路面平整，采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，對(duì)車速要求為 s。綜合考慮，采用方案二。經(jīng)上述兩方案論證，本課題使用的車體如圖 2示。 圖 2車車體 礙物清理單元方案論證 方案一：氣動(dòng)機(jī)械手 [8] 氣動(dòng)機(jī)械手是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是：抓重可達(dá)幾百斤以上、傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)作靈敏。但對(duì)密封裝置要求嚴(yán)格，不燃油 的泄漏對(duì)機(jī)械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。 方案二：電動(dòng)機(jī)械手 [9] 電動(dòng)機(jī)械手即有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、直流電機(jī)或功率步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 6 運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手，因?yàn)椴恍枰虚g的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，故其結(jié)構(gòu)簡單。其中直線電機(jī)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度快，行程長，維護(hù)和使用方便。但此類機(jī)械手目前還不多，資料方面比較欠缺。 鑒于價(jià)格、體積等因素，且本系統(tǒng)重量輕。決定采用方案二。本課題使用的機(jī)械手如圖 2示。 圖 2動(dòng)機(jī)械手 制器方案論證 根據(jù)課題要求，控制器主要用 于控制電機(jī)和舵機(jī)，通過相關(guān)傳感器對(duì)路面的軌跡信息進(jìn)行處理，并將處理信號(hào)傳輸給控制器，然后控制器做出相應(yīng)的處理，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的前進(jìn)和后退、舵機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。 方案一：可以采用 10]。 優(yōu)點(diǎn)是該系統(tǒng)功能強(qiáng)大，片上外設(shè)集成密度高，使其擁有高穩(wěn)定性，同時(shí)系統(tǒng)的處理速度也很高，但是 片編程復(fù)雜，一般用于大型的項(xiàng)目控制系統(tǒng)中。 方案二：采用 片機(jī)作為系統(tǒng)控制核心 [11]。 片機(jī)算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)，軟件編程靈活、功耗低、體積小、技術(shù)成熟。只要合理設(shè)計(jì)外接電路，其穩(wěn)定性也滿 足要求。 綜合考慮成本、工作量等，本設(shè)計(jì)選擇用 電單元方案論證 整個(gè)系統(tǒng)需要電源的有：四個(gè)直流電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊、尋跡模塊、單片機(jī)、舵機(jī)。以上所有模塊中只有四個(gè)直流電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊需 12V 電壓，其它均為 5V 電壓，必須注意的是舵機(jī)在工作時(shí)，電路中的電流會(huì)產(chǎn)生較大波動(dòng)，對(duì)單片機(jī)可能產(chǎn)生影響。 方案一：采用單電源供電。 通過單電源對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行供電，即 12一部分經(jīng)過降壓，對(duì)其它模塊供電。此方案的優(yōu)點(diǎn)是：減少機(jī)身的重量，操作 簡單，但當(dāng)系統(tǒng)中個(gè)模塊同時(shí)工作時(shí)，可能產(chǎn)生過電流太大，從而燒壞電壓轉(zhuǎn)換芯片，甚至燒壞單片機(jī)，且較大的電流波動(dòng)影響單片機(jī)的穩(wěn)定性。 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 7 方案二：采用雙電源供電。 通過兩個(gè)獨(dú)立電源對(duì)整個(gè)系統(tǒng)供電，即 12V 穩(wěn)壓直流電源一部分對(duì)四個(gè)直流電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊供電，另一部分經(jīng)過降壓，對(duì)除舵機(jī)以外的其它模塊供電，另一 5V 電源單獨(dú)對(duì)舵機(jī)供電，兩電源共地連接。此方案的優(yōu)點(diǎn)是：減少電路中電流波動(dòng)，單片機(jī)具有更佳穩(wěn)定性。唯一的缺點(diǎn)就是會(huì)增加小車的重量。 綜合上述兩方案的的優(yōu)缺點(diǎn)，考慮單片機(jī)穩(wěn)定性等要求，決定采用第二種方案。 礙物識(shí)別單元方案論證 方案一：采用超聲波探測(cè)器 [12]。 超聲波探測(cè)器利用超聲波特有的指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，常用于距離的測(cè)量。其工作原理是： 聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。 對(duì)于本課題，可以先設(shè)定時(shí)間，一旦提前收到反射波，表明前方有障礙物，這樣就能實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)障礙物的功能。超聲波測(cè)距電路如圖 2優(yōu)點(diǎn)是測(cè)距遠(yuǎn)、可靠性高，但是電路復(fù)雜，編程繁碎。 圖 2收和發(fā)射電路圖 方案二：采用 光電對(duì)管 [12]。 發(fā)射器是一個(gè)砷化鎵紅外發(fā)光二極管，而接收器是一個(gè)高靈敏度，硅平面光電三極管。主要應(yīng)用在游戲機(jī)、復(fù)印機(jī)和辦公自動(dòng)化等徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 8 設(shè)備中。其優(yōu)點(diǎn)是 :體積小結(jié)構(gòu)緊湊、較高靈敏度。其缺點(diǎn)是：測(cè)距有限，只有 1外界光線影響較大。電路框圖如圖 2對(duì)于超聲波測(cè)距電路，該方案使用電路簡單，編程也容易。 圖 2方案三：采用點(diǎn)觸開關(guān)。 點(diǎn)觸式開關(guān)是一種通過觸碰開關(guān)就能接通， 松手就斷開的簡易開關(guān)。優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、無需程序控制。唯一缺點(diǎn)是需要觸碰控制，即控制距離近。在電路中只需將開關(guān)一端接單片機(jī) I/O，另一端根據(jù)需要的反饋信號(hào)接在高或低電平上，電路框圖如圖2 圖 2觸開關(guān)電路框圖 綜合三個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，考慮本系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要高精度，對(duì)測(cè)距無要求，決定采用方案三。 動(dòng)單元方案論證 方案一：采用步進(jìn)電機(jī)，配合 13]。 步進(jìn)電機(jī) 是將電 脈沖 信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的電機(jī) 。 在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖 信號(hào)的 頻率 和脈沖數(shù)， 只要施加合適的脈沖序列，電機(jī) 就按照人 為 預(yù)定的速度或方向進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng) 。但是軟件程序的編寫較直流電機(jī)稍顯復(fù)雜，驅(qū)動(dòng)芯徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 9 片的硬件電路復(fù)雜，且步進(jìn)電機(jī)的價(jià)格昂貴，如電路框圖 2 圖 2進(jìn)電機(jī) +方案二：采用直流電機(jī)，配合 10]。 直流電動(dòng)機(jī)是將直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。通過驅(qū)動(dòng)芯片控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速，硬 件電路簡單，如 2個(gè)芯片就能控制兩個(gè)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，且不需要外接電路。 但容易受到外部因素干擾，影響穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩輸出。 圖 2流電機(jī) +綜合上述兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，鑒于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)體積較小，自身重量較輕，對(duì)電機(jī)輸出功率要求不高，故采用方案二。 跡單元方案論證 方案一：用光敏電阻組成光敏探測(cè)器 [11]。 光敏電阻器是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)制成的一種阻值隨入射光強(qiáng)弱而改變的電阻器，入射光強(qiáng)，電阻減小，入射光弱，電阻增大。在本課題中，當(dāng)光線照射到白線上面時(shí)， 光線發(fā)生強(qiáng)烈反射，光線照射到黑線上面時(shí)，光線反射較弱，利用光敏電阻在白線和黑線上的不同阻值，通過比較器將阻值轉(zhuǎn)變成電信號(hào)反饋給單片機(jī)就能實(shí)現(xiàn)尋跡功能。此方案的優(yōu)點(diǎn)是：光敏電阻價(jià)格低廉，技術(shù)成熟。但光敏電阻受外界光照影響很大，不能穩(wěn)定的工作，電路框圖如 2 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 10 圖 2敏電阻電路框圖 方案二：用紅外發(fā)射管和接收管制作的光電傳感器 [11]。 紅外對(duì)管是 紅外線 發(fā)射管 與 紅外線接收管 配合在一起使用時(shí)候的總稱 。 紅外發(fā)射管發(fā)出紅外線，當(dāng)發(fā)出的紅外線照射到白色的平面后反射，若紅外接收管能接收到反射回的紅外線則表示是白線，若接收不到發(fā)射管發(fā)出的紅外線則表示是黑線，通過比較器轉(zhuǎn)換信號(hào)，繼而向單片機(jī)反饋高低電平。這樣的傳感器基本能滿足要求，但其工作不穩(wěn)定，容易受外界光線的影響，因此每次工作前必須根據(jù)傳感器的反饋電壓來調(diào)整比較器的比較電壓范圍，電路框圖如 2 圖 2外對(duì)管電路框圖 方案三：采用 光電對(duì)管 [12]。 發(fā)射器是一個(gè)砷化鎵紅外發(fā)光二極管，而接收器是一個(gè)高靈敏度，硅平面光電三極管。主要應(yīng)用在游戲機(jī)、復(fù)印機(jī)和辦公自動(dòng)化等設(shè)備中。其優(yōu)點(diǎn)是 :體積小結(jié)構(gòu)緊湊、較高靈敏度。其缺點(diǎn)是：測(cè)距有限，只有 1路框圖如圖 2方案使用電路簡單，編程也容易。 綜合比較三種方案，根據(jù)制作的難以程度等因素，我們最終采用方案三。 統(tǒng)最終方案 經(jīng)過反復(fù)論證，我們最終確定了如下方 案： 1) 車體用購買的金屬材料四輪驅(qū)動(dòng)小車。 2) 電動(dòng)機(jī)械手作為清障工具。 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 11 3) 采用點(diǎn)觸開關(guān)監(jiān)測(cè)路面障礙。 4) 采用 5) 通過雙電源為系統(tǒng)供電： 12一方面經(jīng) 5 6) 7) 采用 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 2 圖 2統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 12 第 3 章 智能清障小車硬件設(shè)計(jì) 統(tǒng)硬件電路介紹 本課題設(shè) 計(jì)的智能小車硬件系統(tǒng)主要包括機(jī)械和電氣兩部分，機(jī)械部分主要有：障礙物監(jiān)測(cè)模塊和障礙物清理模塊；電氣部分主要有：單片機(jī)最小系統(tǒng)、供電模塊、尋跡模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。障礙物監(jiān)測(cè)模塊顧名思義，就是實(shí)時(shí)進(jìn)行黑線上障礙物的監(jiān)測(cè)工作，主要通過點(diǎn)觸開關(guān)結(jié)合圖 3部分的電路，實(shí)現(xiàn)該模塊監(jiān)測(cè)障礙物的功能；障礙物清除模塊主要通過舵機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手清除障礙物；單片機(jī)最小系統(tǒng)相當(dāng)于“大腦 ” ,是整個(gè)電路的控制核心；供電模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供電源；尋跡模塊相當(dāng)于“眼睛”，為小車尋找道路上的黑線；直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊相當(dāng)于“腳”，控制小 車的進(jìn)退與轉(zhuǎn)向。 圖 3統(tǒng)電路原理圖 礙物監(jiān)測(cè)模塊介紹 通過方案論證，系統(tǒng)最終確定采用點(diǎn)觸開關(guān)作為障礙物檢測(cè)傳感器，小車在黑線上行駛的過程中，通過點(diǎn)觸開關(guān)的開閉狀態(tài)判斷道路上是否有障礙物，障礙物監(jiān)測(cè)電路如圖 3觸開關(guān)閉合時(shí)，檢測(cè)指示燈發(fā)光，此時(shí) 發(fā)了單片機(jī)的外部中斷，從而控制機(jī)械手工作；斷開時(shí)，檢測(cè)指示燈不發(fā)光， 腳為高電平，不能觸發(fā)外部中 斷，表明黑線上無障礙物，機(jī)械手不工作。 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 13 檢測(cè)指示燈 0 .3 c 0圖 3礙物監(jiān)測(cè)電路 點(diǎn)觸開關(guān)的安裝位置如圖 3障礙物進(jìn)入夾持器并觸碰開關(guān)后，就能觸發(fā)單片機(jī)的中斷，使整個(gè)系統(tǒng)停止當(dāng)前一切動(dòng)作，進(jìn)入中斷執(zhí)行清除障礙物程序。若點(diǎn)觸開關(guān)的安裝位置太靠前，則觸發(fā)中斷的時(shí)候障礙物還未進(jìn)入夾持器，機(jī)械手就開始動(dòng)作，無法實(shí)現(xiàn)清障功能；若點(diǎn)觸開關(guān)安裝太靠后，即觸頭不在夾持器范圍內(nèi)，這樣導(dǎo)致點(diǎn)觸開關(guān)始終處于斷開狀態(tài)，障礙物監(jiān)測(cè)模塊和障礙物清理模塊都無法正常工作。 圖 3點(diǎn)觸開關(guān)安裝位置 礙物 清理模塊介紹 械手介紹 電動(dòng)機(jī)械手是一種利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)并能夾持物體的機(jī)構(gòu)?？紤]到本課題設(shè)計(jì)的模型體積小、重量輕，且機(jī)械手安裝于車體頭部，為了防止車體前后不穩(wěn)，機(jī)械手重量不能太大，故機(jī)械手材料采用優(yōu)質(zhì) 取的物體最大直徑為 53持器張開后長度為 85合后長度為 100設(shè)計(jì)清障的方案是：第一步，障礙物監(jiān)測(cè)模塊發(fā)現(xiàn)障礙物；第二步，機(jī)械手加緊障礙物；第三步，小車向黑線外運(yùn)動(dòng)，將障礙物推出黑線，此時(shí)松開機(jī)械手，小車回到黑線繼續(xù)運(yùn)動(dòng)（清障過程詳細(xì)參見圖 5 5 5整個(gè)過程只是通過機(jī)械手夾住障礙物，而不是僅僅通過機(jī)械手就達(dá)到清障目的，故設(shè)計(jì)中的機(jī)械手只起到夾持物體作用，對(duì)其要求只有夾持器范圍，夾持力并無要求，只要夾住便可，設(shè)計(jì)模型使用的機(jī)械手見圖 2 械手控制電路介紹 本課題設(shè)計(jì)的機(jī)械手通過一個(gè)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，控制電路如圖 3使用的單徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 14 片機(jī) I/后直接與舵機(jī)的信號(hào)線連接即可。由于單片機(jī) I/法驅(qū)動(dòng) 機(jī)械手使用的舵機(jī)，所以通過上拉電阻，為舵機(jī)提供足夠大的驅(qū)動(dòng)電流。 圖 3機(jī)控制電路 舵機(jī)電路 雖然簡單，但編程還是比較復(fù)雜的 [16]。舵機(jī)必須通過 號(hào)控制，具體的數(shù)據(jù)如圖 3示， 舵機(jī)的控制信號(hào) 是 周期 20脈寬調(diào)制信號(hào)，其中脈沖寬度 為1對(duì)應(yīng)舵盤的位置為 0－ 180度，呈線性變化 ， 也就是說，給它提供一定的脈寬，它的輸出軸就會(huì)保持在一個(gè)相對(duì)應(yīng)的角度上，無論外界轉(zhuǎn)矩怎樣改變，直到給它提供另外一個(gè)寬度的脈沖信號(hào)，它才會(huì)改變輸出角度到新的位置上 ，詳細(xì)參見表 3值得注意的是：舵機(jī)的響應(yīng)時(shí)間對(duì)于控制非常重要，一方面可以通過修改 一方面也可以通過機(jī)械方式，利用舵機(jī)的輸出 轉(zhuǎn)距余量，將角度進(jìn)行放大，加快舵機(jī)響應(yīng)速度。 圖 3機(jī)工作信號(hào) 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 15 表 3機(jī)角度控制表 片機(jī)最小系統(tǒng)介紹 單片機(jī)最小系統(tǒng)由復(fù)位電路、時(shí)鐘電路組成，單片機(jī)最小系統(tǒng)電路如圖 3位是單片機(jī)的初始化操作，其主要功能是使單片機(jī)從 0000了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為使單片機(jī)正常工作，也可以通過復(fù)位以重新啟動(dòng)。復(fù)位操作有上電自動(dòng)復(fù)位、按鍵電平復(fù)位、外部脈沖復(fù)位和自動(dòng)復(fù)位 四種方式，該最小系統(tǒng)采用上電自動(dòng)復(fù)位方式，使復(fù)位端經(jīng)電容與 鐘電路相當(dāng)于“心臟”，為單片機(jī)提供時(shí)鐘電平，所需晶振為 12 圖 3片機(jī)最小系統(tǒng) 1 2p p u 0舵機(jī)控制口R N B 2R N A 2R N B 1R N A 1R S D /P 3. 010 0 /P 3. 212 1 /P 3. 313T 0/ P 3. 414T 1/ P 3. 515E A /V P A L 119P A D 039P A D 138P A D 237P D 336P A D 435P A D 534P A D 633P A D 732P A 821P A 922P A 1023P A 1124P A 1225P A 1326P A 1427P A 1528A L E /P R O D /P 3. 111W R /P 3 / P 3 E A L 218P c 8 9S 52徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 16 片機(jī)簡介 美國 司生產(chǎn)的低功耗、高性能 單片機(jī)。器件采用 易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) 8051 指令系統(tǒng)及引腳。它集 序存 儲(chǔ)器既可在線編程也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程。 片機(jī)的功能強(qiáng)、價(jià)位低，適用于許多高性價(jià)比的場(chǎng)合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域 [17]。 與 8 全靜態(tài)工作模式： 0 128*8字節(jié)內(nèi)部 32個(gè)可編程 I/ 2個(gè) 16位定時(shí) /計(jì)數(shù)器，可通過編程實(shí)現(xiàn) 4種工作方式； 1個(gè)具有 6個(gè)中斷源、 4個(gè)優(yōu)先級(jí)的中斷潛嵌套結(jié)構(gòu)； 中斷可 從空閑模式喚醒系統(tǒng)； 看門狗（ 雙數(shù)據(jù)指針； 靈活的在系統(tǒng)編程（ +5 地； 外部晶振的一個(gè)引腳，在單片機(jī)的內(nèi)部，它是一個(gè)反相放大器的輸入端，此反相放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器； 外部晶體的另一個(gè)引腳，在單片機(jī)的內(nèi)部，它是反相放大器的輸出端，輸入到內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器。當(dāng)使用外部振蕩器時(shí)， 8位準(zhǔn)雙向 I/O 口，內(nèi)部含有上拉電阻； 8位準(zhǔn)雙向 I/O 口，具有內(nèi)部 上拉電路； 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口，具有內(nèi)部上拉電路，它還提供特殊功能，包括串行通信、外部中斷控制、計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)控制及外部隨機(jī)存儲(chǔ)器內(nèi)容的讀取或?qū)懭肟刂频裙δ埽? 位輸入信號(hào)，高電平有效。在振蕩器工作時(shí)，在 作用兩個(gè)周期以上的高電平，便可復(fù)位器件； 外程序存儲(chǔ)器訪問允許信號(hào)，低電平有效。當(dāng) 地時(shí)， ， 先執(zhí)行片內(nèi)程序存儲(chǔ)器中的程序（ 0000H~0然后自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行片外程序存儲(chǔ)器中的程序（ 1000H~ 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 17 片機(jī)使用資源規(guī)劃 片機(jī)具有比較強(qiáng)大的系統(tǒng)資源，系統(tǒng)電路在設(shè)計(jì)時(shí)充分利用了它的自身特性，并進(jìn)行合理的規(guī)劃，詳見表 3，還有第二功能，如定時(shí)器、中斷等，所以一般不用，除非需要使用它的第二功能； 外加上拉電阻才能輸出高電平，在電路中未加上拉電阻，因而不用 2口作為普通 I/任意使用。 表 3片機(jī)資源分配表 系統(tǒng)資源類型 用途 備注 看門狗 防止系統(tǒng)跑飛 定時(shí)器 1 定時(shí)喂狗 外部中斷 0 監(jiān)測(cè)障礙物 輸入 制小車左側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)向 輸出 制小車右側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)向 輸出 制小車左側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速 輸出 制小車右側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速 輸出 制舵機(jī)運(yùn)動(dòng) 輸出 測(cè)黑線，反饋?zhàn)笪?dòng)信號(hào) 輸入 測(cè)黑線，反饋?zhàn)筠D(zhuǎn)信號(hào) 輸入 測(cè)黑線，反饋右微動(dòng)信號(hào) 輸入 測(cè)黑線，反饋右轉(zhuǎn)信號(hào) 輸入 電模塊介紹 供電模塊為系統(tǒng)的控制機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器等模塊提供可靠的工作電壓。該模型采用兩個(gè)獨(dú)立電源對(duì) 整個(gè)系統(tǒng)供電，即 12V 穩(wěn)壓直流電源一部分對(duì)四個(gè)直流電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊供電，另一部分經(jīng)過 V，分別對(duì)單片機(jī)最小系統(tǒng)、尋跡模塊供電，另一 5電源共地連接。供電模塊電路設(shè)計(jì)如圖 3路中的兩個(gè)電容主要用于濾波， 以濾除直流電源中不需要的交流成分，使直流電平滑 ，同時(shí) 濾除高頻交流電。 圖 32跡模塊介紹 尋跡是指小車在白色地面上總是循著黑線行走。該功能通過 即利用發(fā)光二極管 在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn) ,1 04 7 80 51 0u - 12 c 論文 ) 18 當(dāng)可見光遇到白色地面時(shí)發(fā)生漫反射，反射光使安裝于小車上的光電三極管導(dǎo)通并通過比較器 遇到黑線，可見光線則被吸收，光電三極管接收不到光線而無法導(dǎo)通 ,單片機(jī)根據(jù)是否收到反饋電平為依據(jù)來確定小車的行走路線 ,從而實(shí)現(xiàn)小車的尋跡功能。尋跡電路如圖 3電路中主要芯片是 內(nèi)部是將模擬電壓信號(hào)與基準(zhǔn)電壓相比較的電路，通過比值不同，反饋高低電平給單片機(jī)。 1 142 133 124 115 106 97 8L M 3 3 91 0 3 跡模塊電路 尋跡模塊中使用的光電對(duì)管共有四對(duì)，分 別安裝在小車兩側(cè)和前端