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1、.江海职业技术学院毕 业 设 计毕业设计题目： 姓 名学 号 ： 所在系 （部）： 专 业 及班级： 指 导 教 师： 完 成 日 期： .中 文 摘 要智能车辆是集环境感知、规划决策、多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统，是智能交通系统的一个重要组成部分。它在军事、民用、太空开发等领域有着广泛的应用前景。随着电子工业的发展，智能技术广泛运用于各种领域，运用于智能家居中的产品更是越来越受到人们的青睐。本系统在硬件设计方面，以 Arduino 单片机为控制核心，以超声波传感器检测前方障碍物，从而自动避障。在软件方面，利用 C 语言进行编程，通过软件编程来控制小车运转。根据家庭各种房间家具的布局不
2、同而使用不同的路径，从而使得家居中常用到的智能清扫小车智能化，人性化。该小车能自动避障，有一定的实用价值。关键词 ：单片机；智能清扫小车；自动避障.目录第一章 绪论 .11.1 选题背景 .11.2 智能小车研究现状 .21.3 课题主要内容 .4第二章 智能小车总体结构 .52.1 方案综述 .52.2 主控单元方案比较与选择 .52.3 避障单元方案比较与选择 .62.4 “小车”的必要的信息 .7第三章 智能小车的触觉、眼睛 .83.1 智能小车内部检测原理 .83.2 电机电流、电压检测 .103.3 超声波测距 .11第四章 智能小车的脚 .234.1 轮系结构详述 .234.2 直
3、流电机 H 桥驱动电路 .264.3 电机控制信号.28第五章 智能小车的大脑 .295.1 Arduino 单片机简介 .295.2 Arduino 单片机引脚简介 .305.3 Arduino 编程软件 .33第六章 智能小车控制流程及程序 .356.1 控制流程 .35参考文献 .36致 谢 .37.第一章 绪论随着科技进步，现代工业技术发展越来越体现出机电一体化的特征。无论是在金属加工、汽车技术、工业生产等等方面，机器设备表现了所谓智能化、集成化、小型化、高精度化的发展趋势。 1.1 选题背景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。全国电子大赛和省内电子大赛几乎每次都
4、有智能小车这方面的题目，全国各高校也都很重视该题目的研究。可见其研究意义很大。本设计就是在这样的背景下提出的，指导教师已经有充分的准备。本题目是结合科研项目而确定的设计类课题。设计的智能电动小车应该能够实现适应能力，能自动避障，可以智能规划路径。智能化作为现代社会的新产物，是以后的发展方向，他可以按照预先设定的模式在一个特定的环境里自动的运作，无需人为管理，便可以完成预期所要达到的或是更高的目标。同遥控小车不同，遥控小车需要人为控制转向、启停和进退，比较先进的遥控车还能控制器速度。常见的模型小车，都属于这类遥控车；智能小车，则可以通过计算机编程来实现其对行驶方向、启停以及速度的控制，无需人工干
5、预。操作员可以通过修改智能小车的计算机程序来改变它的行驶方向。因此，智能小车具有再编程的特性，是机器人的一种。中国自 1978 年把“智能模拟”作为国家科学技术发展规划的主要研究课题，开始着力研究智能化。从概念的引进到实验室研究的实现，再到现在高端领域（航天航空、军事、勘探等）的应用，这一过程为智能化的全面发展奠定基石。智能化全面的发展是实现其对资源的合理充分利用，以尽可能少的投入得到最大的收益，大大提高工业生产的效率，实现现有工业生产水平从自动化向智能化升级，实现当今智能化发展由高端向大众普及。从先前的模拟电路设计，到数字电路设计，再到现在的集成芯片的应用，各种能实现同样功能的元件越来越小为
6、智能化产物的生成奠定了良好的物质基础。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，它集中地运用了计算机、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。1.2 智能小车研究现状智能车辆作为智能交通系统的关键技术，是许多高新技术综合集成的载体。智能车辆驾驶是一种通用性术语，指全部或部分完成一项或多项驾驶任务的综合车辆技术。智能车辆的一个基本特征是在一定道路条件下实现全部或者部分的自动驾驶功能，下面简单介绍一下国内外智能小车研究的发展情况。1.2.1 国外智能车辆研究现状国外智能车辆的研究历史较长，始于上世纪 50 年代。它的发展历程大体可以分
7、成三个阶段：第一阶段 20 世纪 50 年代是智能车辆研究的初始阶段。1954 年美国Barrett Electronics 公司研究开发了世界上第一台自主引导车系统AGVS（Automated Guided Vehicle System） 。该系统只是一个运行在固定线路上的拖车式运货平台，但它却具有了智能车辆最基本得特征即无人驾驶。早期研制 AGVS 的目的是为了提高仓库运输的自动化水平，应用领域仅局限于仓库内的物品运输。随着计算机的应用和传感技术的发展，智能车辆的研究不断得到新的发展。第二阶段 从 80 年代中后期开始，世界主要发达国家对智能车辆开展了卓有成效的研究。在欧洲，普罗米修斯项目
8、于 1986 年开始了在这个领域的探索。在美洲，美国于 1995 年成立了国家自动高速公路系统联盟（NAHSC） ，其目标之一就是研究发展智能车辆的可能性，并促进智能车辆技术进入实用化。在亚洲，日本于 1996 年成立了高速公路先进巡航/辅助驾驶研究会，主要目的是研究自动车辆导航的方法，促进日本智能车辆技术的整体进步。进入 80 年代中期，设计和制造智能车辆的浪潮席卷全世界，一大批世界著名的公司开始研制智能车辆平台。第三阶段 从 90 年代开始，智能车辆进入了深入、系统、大规模研究阶段。最为突出的是，美国卡内基.梅隆大学（Carnegie Mellon University）机器人研究所一共完
9、成了 Navlab 系列的 10 台自主车（Navlab1Navlab10）的研究，取得了显著的成就。.目前，智能车辆的发展正处于第三阶段。这一阶段的研究成果代表了当前国外智能车辆的主要发展方向。在世界科学界和工业设计界中，众多的研究机构研发的智能车辆具有代表性的有：德意志联邦大学的研究 1985 年，第一辆 VaMoRs 智能原型车辆在户外高速公路上以 100km/h 的速度进行了测试，它使用了机器视觉来保证横向和纵向的车辆控制。1988 年，在都灵的 PROMRTHEUS 项目第一次委员会会议上，智能车辆维塔（VITA,7t）进行了展示，该车可以自动停车、行进，并可以向后车传送相关驾驶信息
10、。这两种车辆都配备了 UBM 视觉系统。这是一个双目视觉系统，具有极高的稳定性。荷兰鹿特丹港口的研究 智能车辆的研究主要体现在工厂货物的运输。荷兰的 Combi road 系统，采用无人驾驶的车辆来往返运输货物，它行驶的路面上采用了磁性导航参照物，并利用一个光阵列传感器去探测障碍。荷兰南部目前正在讨论工业上利用这种系统的问题，政府正考虑已有的高速公路新建一条专用的车道，采用这种系统将货物从鹿特丹运往各地。日本大阪大学的研究 大阪大学的 Shirai 实验室所研制的智能小车，采用了航位推测系统（Dead Reckoning System） ，分别利用旋转编码器和电位计来获取智能小车的转向角，从而
11、完成了智能小车的定位。另外，斯特拉斯堡实验中心、英国国防部门的研究、美国卡内基梅隆大学、奔驰公司、美国麻省理工学院、韩国理工大学对智能车辆也有较多的研究。1.2.2 国内智能车辆研究现状相比于国外，我国开展智能车辆技术方面的研究起步较晚，开始于 20 世纪80 年代。而且大多数研究处在于针对某个单项技术研究的阶段。虽然我国在智能车辆技术方面的研究总体上落后于发达国家，并且存在一定得技术差距，但是我们也取得了一系列的成果，主要有：（1）中国第一汽车集团公司和国防科技大学机电工程与自动化学院与2003 年研制成功我国第一辆自主驾驶轿车。该自主驾驶轿车在正常交通情况下的高速公路上，行驶的最高稳定速度
12、为 13km/h,最高峰值速度达 170km/h，并且具有超车功能，其总体技术性能和指标已经达到世界先进水平。（2）南京理工大学、北京理工大学、浙江大学、国防科技大学、清华大学.等多所院校联合研制了 7B.8 军用室外自主车，该车装有彩色摄像机、激光雷达、陀螺惯导定位等传感器。计算机系统采用两台 Sun10 完成信息融合、路径规划，两台 PC486 完成路边抽取识别和激光信息处理，8098 单片机完成定位计算和车辆自动驾驶。其体系结构以水平式结构为主，采用传统的“感知-建模-规划-执行”算法，其直线跟踪速度达到 20km/h，避障速度达到 5-10km/h。智能车辆研究也是智能交通系统 ITS
13、 的关键技术。目前，国内的许多高校和科研院所都在进行 ITS 关键技术、设备的研究。随着 ITS 研究的兴起，我国已形成一支 ITS 技术研究开发的技术专业队伍。并且各交通、汽车企业越来越加大了对 ITS 及智能车辆技术研发的投入，整个社会的关注程度在不断提高。交通部已将 ITS 研究列入“十五”科技发展计划和 2010 年长期规划。相信经过相关领域的共同努力，我国 ITS 及智能车辆的技术水平一定会得到很大提高。可以预计，我国飞速发展的经济实力将为智能车辆的研究提供一个更加广阔的前景。我们要结合我国国情，在某一方面或某些方面，对智能车进行深入细致的研究，为它今后的发展及实际应用打下坚实的基础
14、。1.3 课题主要内容本课题南京嵌入之梦工作室的 fira 智能小车平台，选择通用、价廉的Arduino 单片机为控制平台，通过细化设计要求，结合传感器技术和电机控制技术相关知识实现小车的各种功能。设计完成以由超声波测距、自动避障组成的硬件模块结合软件设计组成多功能智能小车，共同实现小车的前进倒退、转向行驶，自动根据超声波检测前方障碍物距离，进行导航，检测障碍物后停止等功能，实现智能控制，达到设计目标。.图 1.1 小车外形图第二章 智能小车总体结构2.1 方案综述本课题设计主要是制作一款能进行智能判断并能做出正确反应的小车。小车具有以下几个功能：自动避障功能。作品既可以对高端智能化进行剖析，
15、也可以作为高级智能玩具发展对象，同时可成为大学生学习嵌入式控制系统的应用实例。本设计以两直流电动机为主驱动，通过各类传感器件来采集各类信息，送入主控单元 Arduino 单片机处理数据后完成相应动作，以达到自身控制。电机驱动电路采用 H 桥驱动模块，驱动 2 个直流电机；测距、避障采用超声波传感器完成，最后由控制单元处理数据后通过编程有序合理的将各模块信号整合在一起并完成相应动作，实现了智能控制，相当于简易机器人。根据设计的作品要达到的效果，本系统以 Arduino 单片机为核心控制器，主要由电源模块、电机驱动模块、测距、避障模块构成。系统的结构框图如下图 1 所示。.Arduino 单片机驱
16、动电路 直流电动机轮子超声波传感器电源图 2.1 系统结构框图2.2 主控单元方案比较与选择按照题目要求，控制器主要用于控制电机，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，实现小车的自动循迹和自动避障。 方案一：可以采用 ARM 为系统的控制器，优点是该系统功能强大，片上外设集成度搞密度高，提高了稳定性，系统的处理速度也很高，适合作为大规模实时系统的控制核心。方案二：采用 Arduino 单片机作为系统控制的方案。Arduino 单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，功耗低、体积小、技术成熟，成本也比 ARM 低。考虑到性价比问题，本设
17、计选择 用 Arduino 单片机做控制器。2.3 避障单元方案比较与选择方案一：用超声波传感器进行避障。超声波传感器的原理是：超声波由压电陶瓷超声波传感器发出后，遇到障碍物便反射回来，再被超声波传感器接收。但使用超声波模块的成本比较高。因此我们考虑其它的方案，超声波传感器实物图如下图 2 所示：.图 2.2 超声波传感器方案二：用漫反射式光电开关进行避障。光电开关的工作原理是根据光线发射头发出的光束，被物体反射，其接收电路据此做出判断反应，物体对红外光由同步回路选通而检测物体的有无。当有光线反射回来时，输出低电平。当没有光线反射回来时，输出高电平。考虑到在日常的家居生活中，只需要简单检测障碍物，让智能小车顺利绕过障碍，回到预定的设定路径便可，并没有十分复杂的环境，为了使用方便，便于操作和调试，我们最终选择了方案一。2.4 “小车”的必要的信息 电机参数： 额定电压 4.5V 空载电流 85 95 mA 空载转速 9800 rpm +/ 10% 堵转电流 1100mA 堵转力矩 50g/cm (最大) 减速箱： 1：48 结构参数 车轮直径 65mm