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论文编号:G甲6701

竞赛题目:G题智能救援车

参赛学生姓名:侯国建陈亮亮范振坤

所属学校(及专业):山东华宇职业技术学院06高职应用电子技术(2)班

指导教师姓名:顾东安

智能救援车

【摘 要】:根据题目要求提出了智能避障寻迹救援小车的设计方法,利用红外技术检测障碍物和采集地面信息,采用AT89S52单片机进行适时控制,实现智能避障,寻迹和金属探测,并且精确地显示各路段运行时间.智能小车采用后轮驱动,两轮各用一个直流电机执行,前轮为一万向轮,寻路避障用的传感器采用红外反射式.

【关 键 词】:寻迹避障红外传感金属探测

ADesignofanIntelligentPatrolandObstacleAvoidanceCar

HouGuojianChenLiangliangFanZhenkun

【Abstract】:Thispaperpresentsadesignmethodofartcarwhichcanpatrolandoidobstaclesintelligently.WeuseinfraredtechniquetodetectobstaclesandgathergroundinformationanduseAT89S52tomakeatimingcontrol.Thenitnotonlycanachievetheroutespatrolandobstacleoidance,butalsoshowthetimeandprecisionparameters.Theartcarusestherear-wheeldrive,whichisexecutedbyaDCmotor.Tooidobstaclesbyuseingtheinfraredreflectiontype.Andthecariadebyhand.

【Keywords】:gooncircuit,oidobstacle,detectandpickupironobject

一、前言

随着生产自动化的发展,机器人已经越来越广泛地应用到生产自动化上,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,但其,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传感器是一种实用有效的方法.

智能救援小车要实现自动寻迹功能,避障功能和金属探测功能就必须要感知导引线,障碍物和金属物,感知导引线相当给机器人一个视觉功能.故对机器人的研究已成为必要.智能循迹和避障是基于红外传感器实现小车寻找黑线并检测障碍物,利用接近开关探测金属物并用电磁铁将金属捡起.

二、硬件设计

1.小车控制单元的选择此部分是整个小车的大脑,是整个小车运行的核心部件,起着控制小车所有运行状态的作用.通常选用单片机作为小车的核心控制单元,本设计的主控芯片选择AT89S52,负责检测传感器的状态并控制电机.

2.小车的选择由于市场卖的小车多为玩具车,车体大,灵活性差,即使改装仍难以达到要求,所以,小车车体为自制的三轮小车,小车采用后轮驱动,两轮各用一个直流电机执行,前轮为一万向轮.后轮驱动采用两级减速(减速箱为洗衣机上的定时器改装而成),底盘为上等的试验板,以防止小车变型,所有的控制电路以及传感器模块均是由铜柱作支撑由排线连接在一起的,最后在优化固定在小车上.为了能精确测定黑线位置并确定小车行走的方向,需要同时在底盘装设3个红外探测头,红外探头的具体位置如图(1)所示.

图(1)小车底部传感器分布

为达到要求,铁片检测传感器以及电磁铁都安装在小车底部,如图(1)所示.

三、方案论证与比较

1.总体方案论证与比较 方案一:采用各类数字电路来组成小车的控制系统,对避障信号,黑带检测信号,铁片检测信号,各路趋光信号进行处理.本方案电路复杂,灵活性不高,效率低,不利于小车智能化的扩展,对各路信号处理比较困难. 方案二:采用ATM89S52单片机来作为整机的控制单元.红外线探头采用市面上通用的发射管与及接收头,经过单片机调制后发射.铁片检测采用电感式接近开关LJ18A3-8-Z/BX检测,黑带采用光敏三极管对光源信号采集,信号送到单片机系统处理.此系统比较灵活,采用软件方法来解决复杂的硬件电路部分,使系统硬件简洁化,各类功能易于实现,能很好地满足题目的要求. 比较以上两种方案的优缺点,方案二简洁,灵活,可扩展性好,能达到题目的设计要求,因此采用方案二来实现.方案二的基本原理如(2)图所示.


图(2)智能车运行基本原理图框图 避障部分采用红外线发射和接受原理,铁片检测采用电感式接近开关J12A3-4-Z/BX检测,产生的高低电平信号经过处理后,完成相应的检测项目,捡铁片是利用电磁铁来完成的,使单片机控制蜂鸣器发声,黑带寻迹依靠安装在车底部三对光敏三极管和发射管来对地面红外光感应,记时由T0中断实现,显示采用1602液晶屏.此系统比较灵活,采用软件方法来解决复杂的硬件电路部分,使系统硬件简洁化,各类功能易于实现. 2.模块电路设计与比较 1)避障方案选择 方案一:采用超声波避障,超声波受环境影响较大,电路复杂,而且地面对超声波的反射,会影响系统对障碍物的判断. 方案二:采用红外线避障,利用单片机来产生38KHz信号对红外线发射管进行调制发射,发射出去的红外线遇到避障物的时候反射回来,红外线接收管对反射回来信号进行解调,输出TTL电平.外界对红外信号的干扰比较小,且易于实现,也比较便宜,故采用方案二. 红外线发射接受电路原理图如图(3)所示. 采用红外线避障方法,利用一管发射另一管接收,接收管对外界红外线的接收有无来判断障碍物,由于红外线受外界可见光的影响较大,因此用38KHz调制信号,这样减少外界的一些干扰.接收管输出TTL电平,有利于单片机对信号的处理.利用555振荡器产生38KHz信号对红外线发射管进行调制发射,发射距离远近由RW调节,本设计调节为10CM左右.发射出去的红外线遇到避障物的时候反射回来,红外线接收管对反射回来信号进行解调,输出TTL电平.利用单片机系统,在有遇障碍物时控制电机并使小车转弯.由于只采用了五组红外线收发对管,在避障转弯方向上,程序采用查询方式,小车能正确判断左转还是右转.外界对红外信号的干扰比较小,性价比高.调试时主要是调制发射频率为接收头能接收的频率.发射信号强弱的调节,由可调精密电阻调节.

图(3)红外线发射接受电路

2)检测铁片方案选择 方案一:采用电涡流原理自制的传感器,取才方便,但难以调试,输出信号也不可靠,成功率比较低,难以准确输出传感信息. 方案二:采用市面易购的电感式接近开关,本系统采用市面比较通用LJ18A3-8-Z/BX来完成铁片检测的任务.虽然电感式接近开关占的体积大,对本系统是可以接受,且输出信号较可靠,稳定性好,受外界的干扰小,故采用方案二.

图(4)检测铁片电路原理图

3)捡铁片方案选择

方案一:采用机械手臂此方法可靠性高,但控制要求精度高,较高,一般不被采用.

方案二:采用电磁铁控制简单,使用灵活,能够完成任务.所以此处选用方案二,如图(4)所示. 4)黑带检测方案选择 方案一:采用发光二极管发光,用光敏二极管接收.由于光敏二极管受可见光的影响较大,稳定性差. 方案二:利用红外线发射管发射红外线,红外线二极管进行接收.采用红外线发射,外面可见光对接收信号的影响较小,再用电压比较器对信号整形.本方案也易于实现,比较可靠,因此采用方案二.黑带检测电路图如图(5)所示. 输出信号进入LM324进行电压比较,产生标准TTL电平.稳定性能得到提升.当小车底部的某边红外线收发对管遇到黑带时输入电平为高电平,反之为低电平.结合查询方式,通过程序控制小车往哪个方向行走.电路中的可调电阻可调节灵敏度,以满足小车在不同光度的环境光中能够寻迹.

图(5)黑带检测电路图

5)智能车驱动电路 方案一:采用分立元件组成的平衡式驱动电路,这种电路可以由单片机直接对其进行操作,但由于分立元件占用的空间比较大,还要配上两个继电器,考虑到小车的空间问题,此方案不够理想. 方案二:采用市面易购的电机驱动芯片L293D,该芯片是利用TTL电平进行控制,对电机的操作方便,通过改变芯片控制端的输入电平,即可以对电机进行正反转操作,很方便单片机的操作,亦能满足直流减速电机的要求.智能车驱动电路实现如图(6)所示.

图(6)智能车驱动电路 小车电机为直流减速电机,带有齿轮组,考虑不需调速功能,采用电机驱动芯片L293D.L293D是着名的SGS公司的产品.为单块集成电路,高电压,高电流,四通道驱动,设计用来接收DTL或者TTL逻辑电平,驱动感性负载(比如继电器,直流和步进马达),和开关电源晶体管.内部包含4通道逻辑驱动电路.其额定工作电流为1A,最大可达1.5A,Vss电压最小4.5V,最大可达36V,Vs电压最大值也是36V,经过实验,Vs电压应该比Vss电压高,否则有时会出现失控现象.表(1)是其使能,输入引脚和输出引脚的逻辑关系. 表(1)引脚和输出引脚的逻辑关系

电机运行情况ENA(B)IN1(IN3)IN2(IN4)正转HFL反转HLH快速停止H同IN2(IN4)同IN1(IN3)PWM调速的基本原理和思想即使通过反复循环改变ON/OFF的时间分配.但机器人无法借助循环处理实现PWM,需要通过中断处理方式实现.请注意,PWM的频率即时达到数十千赫兹也能满足平滑控制的要求,当产生一个很大的弊端,就是中断次数过多,导致CPU大部分时间都在处理中断,实时检测和控制不能很快的响应和处理.所以本设计靠的是555定时器产生PWM的频率.适当地改变555定时器的振荡值以便得到最佳的效果.)

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6)显示部分 方案一:采用LED七段数码管,驱动电路比较复杂,占用单片机资源较多,不容易调试.

方案二:采用LCD显示,用单片机可实现显示数据,容易驱动,故采用LCD显示.

显示电路如图(8)所示.

图(8)显示电路

7)声音提示 方案一:采用蜂鸣器,在一定程度上能满足要求,而且易于实现,成本也不高,我们出自经费方面考虑,采用方案一. 方案二:采用DS1420可分段录放音模块,能够给人以直观的提示,但DS1420录放音模块比较高,也可以采用此方案来处理,但方案二性价比不如方案一. 四.系统原理及理论分析 1单片机最小系统组成 单片机系统是整个智能系统的核心部分,它对各路传感信号的采集,处理,分析及对各部分整体调整.主要是组成是:单片机AT89S52,电机驱动系统芯片L293D,LCD显示模块及各路传感器件. 2避障原理 采用红外线避障方法,利用一管发射另一管接收,接收管对外界红外线的接收强弱来判断障碍物的远近,由于红外线受外界可见光的影响较大,因此直接发射38KHz的载波,这样减少外界的一些干扰.使用集成接收管输出TTL电平,有利于单片机对信号的处理. 3黑带检测原理 利用光的反射原理,当光线照射在白纸上,反射量比较大,反之,照在黑色物体上,由于黑色对光的吸收,反射回去的量比较少,这样就可以判断黑带轨道的走向.

五.系统程序设计 为了提高小车反应灵敏度,对红外线接收信号及黑带检测信号都采用查询法来处理.用中断方法对铁片检测,定时器方法计用过的时间. 主程序流程图见图(9),各子程序图见图(10),图(11).

图(9)主程序流程图

图(10)避障子程序流程图

图(11)寻迹子程序流程图

六.调试及性能分析 整机焊接完毕,首先对硬件进行检查联线有无错误,再逐步对各模块进行调试.首先写入电机控制小程序,控制其正反转,停机均正常.加入避障子程序,小车运转正常,调整灵敏度达最佳效果.加入显示时间子程序,显示正常.铁片检测依靠接近开关,对检测信号进行处理并实时显示和发出声光信息,无异常状况.接着对黑带检测模块调试,发现有时小车会跑出黑带,经判断是因为红外线收发对管灵敏度不高,调整灵敏度后即可达到满意效果.

整机综合调试,上电后对系统进行初始化,接着控制电机使小车向前行驶,发现小车有撞墙的情况,经过减小延时程序,这一情况解决.经过整机调试,小车工作正常稳定.

七.结论 通过各种方案的讨论及尝试,再经过多次的整体软硬件结合调试,不断地对系统进行优化,智能小车能够完成各项功能. 八.参考文献 《单片机应用技术》 《单片机原理与应用》 《8051单片机程序设计与实例》 《MCS-51单片机实验指导》

传感器1

传感器2传感器3

计时(中断)

AT89S52

单片机

电机驱动

红外发射

红外接受

声光控制

铁片检测

拾起/放下铁片

液晶显示

黑带检测

铁片检测传感器

电磁铁

P0

N

LCD1

3

E

E

V

2

D

D

V

1

S

S

V

4

S

R

5

W

R

6

E

7

VCC

0

D

8

1

D

9

2

D

0

1

3

D

1

1

4

A2

D

2

16

1

5

5

D

3

1

6

D

4

1

7

D

K

5

K

0

5

D1

10K

P2.4~P2.6

10K

R2

56R

R1

+5v

LM324

U1:A

1

1

4

1

2

3

P2.7

P3.4

P3.7

P3.6

电磁铁

接近开关

F

C

9012

Q1

9012

Q4

8550

Q3

D5

D4

D3

D2

D1

P3.0

P3.1

P3.2

+5V

N

1k

+5V

N

N

N

Y

Y

Y

Y

Y

结束

初始化

时间记录

黑线到头

找到黑线

出壁障

进入障区

停车5s

关定时器

时间记录

声光报警

开定时器

查黑线

声光报警

停车

关定时器

黑线检测

关中断

开定时器

启动小车

前进

调避障

关定时器

声光报警

开定时器

中断返回

记录时间

吸铁片

调前进

中断请求

开始

停车3s

N

N

N

N

N

N

Y

Y

Y

Y

返回

前方检测

右转

左转

延时到

延时到

调前进

调前进

左转900

调前进

右转900

左右检测

开始

调前进

出障区

调左转

右转到位

调右转

黑线是否

到头

左键到位

返回

调前进

调黑线检测

开始

信号

38K

+5V

R1

LED

D1

2N5401

Q1

+5V

2

3

1

P2

HS0038

RV1

1k

+5V

+5V