/本科畢業論文(設計)題目：智能小車跟隨系統的設計和制作學院：物理和電子科學學院班級：姓名：指導老師：職稱：完成日期：年月日智能小車跟隨系統的設計和制作摘要:現在，小車跟隨系統正處于研發和試用階段，它有著多方面的優勢：一方面,充分利用現有的道路資源，有效緩解交通堵塞；另一方面，可以大幅提高駕駛的平安性，削減交通事故的發生。因而推廣和應用小車跟隨系統已經成為解決交通問題的一個重要途徑。本文的主要探討工作是設計和制作智能小車跟隨系統，整個系統包括硬件及軟件兩個部分。硬件部分包括限制電路，藍牙通信電路，路徑循跡電路，電源驅動電路，電機驅動電路等。軟件部分主要包括通過編程使得小車按設定路徑實現前進，左拐，右拐，加速，減速，并在小車前進的過程中不斷調整小車所在位置等功能。本文是以電動小車為基礎，增加紅外傳感器，藍牙等。利用傳感器來有效地確定小車前進路徑、小車所在位置等信息。單片機接收并處理傳感器所產生的信號并加以確定的算法來推斷兩個小車的狀態及其相互間距。最終通過藍牙來進行小車間的通信，從而限制兩個小車加、減速度來使得小車間距相對恒定。該智能小車跟隨系統能夠實現的功能有：自動循跡；保持車距；緊急停車等。關鍵詞：智能小車跟隨系統；藍牙通信；單片機；軟件設計目錄TOC\o"1-3"\h\u1引言 11.1探討背景及意義 11.2智能車輛探討現狀 11.3探討內容 12功能分析 22.1主控模塊 22.2循跡模塊 32.3電機驅動模塊 32.4電源模塊 32.5通信模塊 33硬件設計 33.1主控硬件設計 43.2循跡硬件的設計 43.3驅動硬件設計 53.4電源硬件設計 53.5藍牙通信串口硬件設計 63.6本章總結 64軟件的設計和實現 64.1概述 64.2軟件的結構設計 74.3主要模塊的實現 84.3.1循跡流程圖 84.3.2電機驅動流程圖 84.3.3位置推斷流程圖 104.3.4藍牙通信流程圖 114.4本章小結 115系統功能測試 115.1系統功能測試 125.2測試結果分析 136結論和展望 136.1結論 136.2展望 13參考文獻 14致謝 151引言1.1探討背景及意義隨著經濟的快速發展，城市的人口不斷增加，從而城市的交通壓力也越來越大。在中國的一些大中型城市，由于嚴峻的堵車問題，上、下班路途中所消耗的時間可能會長達數個小時。此外，近些年來，交通事故頻繁發生，這已經危害到了許多人的生命和財產。因此，想要解決交通問題已經不能僅僅依靠交通管理部門，更須要從科技的角度來解決這一問題。幸運的是，在最近幾年傳感器、單片機技術突飛猛進，受此影響，智能小車跟隨技術正在逐步從可能轉為現實。智能小車跟隨技術是指通過車載傳感系統感知道路環境，通過現代通信技術使車間進行通信，同時加以確定的算法分析，使得后車緊跟前車行駛。這一特點使得它具有如下優點：首先，充分利用道路資源，削減堵車事務發生的概率。此外，它還能夠在行駛過程中探測可能發生緊急事故，由于計算機有著比人腦更快的反應速度，從而能夠避開交通事故的發生。1.2智能車輛探討現狀智能車輛的發展過程可以分為以下三個階段：第一階段：20世紀50年頭。在這一時期，人們剛剛起先接觸探討智能車輛。盡管這一時期的智能小車系統僅能在一個固定的軌道上運行，自動化水平比較低，但已經符合智能車輛的基本要求。其次階段：80年頭中后期。在這一階段，隨著計算機的應用和傳感器技術的不斷發展，智能車的探討有了較大的進展，尤其在一些發達國家，取得了巨大的進步，促使智能車輛不斷深化各個好用領域。第三階段：90年頭至今，智能車輛的探討取得了更快的發展。尤其是近些年來，隨著各個國家在智能車輛的探討之中投入的人力、財力不斷加大，智能小車的發展越來越快。如今，智能車輛已經不僅僅局限于科學探討和工廠運用，它也不斷地走入了許多人的日常生活中。1.3探討內容本設計是基本AT89S52單片機的，通過藍牙使兩個智能電動車相互通信來組成智能小車跟隨系統。設計的主要內容是對電動車進行硬件電路和軟件的設計。其中硬件電路主要包括限制電路，藍牙通信電路，路徑循跡電路，電源驅動電路，電機驅動電路等。其中，AT89S52單片機作為每個小車的限制核心，限制著電動車的各個模塊正常工作，并通過編程使得小車依據預定路徑實現前進，左拐，右拐，緊急停車，加速，減速等功能。本設計是以電動小車為基礎，增加紅外傳感器，藍牙等。利用傳感器來有效地確定小車前進路徑、小車所在位置等信息。單片機接收并處理傳感器所產生的信號并加以確定的算法來推斷各個小車的狀態及其相互間距。最終通過藍牙來進行小車間的通信，從而限制各個小車加、減速度來使得小車間距相對恒定。綜上所述，本設計中整個系統電路結構簡潔，性能相對較高。主要接受如下技術：首先是選擇適當的傳感器。利用傳感器來實時監測小車位置并傳送給單片機，單片機依據傳感器所傳回的信息來限制小車的兩個電機運轉，實現循跡行走功能。其次，利用藍牙設備在兩個小車之間進行通信，由其中一個小車的單片機來推斷兩小車的相對位置，從而產生限制指令，來變更小車的行駛速度。2功能分析依據設計內容的要求，接受基于單片機的限制方式，運用藍牙設備進行通信。圖2-1為系統框圖。圖2-1系統框圖2.1主控模塊目前，具有人工智能的電子產品、設備通常接受的限制器都是單片機。現在市場上的單片機廠商許多，單片機種類也不盡相同，功能更是各具特色。本文設計的是一個相對簡潔的限制系統，無需接受一些特殊功能的單片機。因此，依據實際條件，最終選擇在兩輛小車上各搭載一片ATMEL公司的AT89S52芯片作為每個小車的主控器件。圖2-2為AT89S52限制原理圖。圖2-2AT89S52限制原理圖2.2循跡模塊循跡裝置類型選擇：接受集成QTI傳感器DM-S53401，它是一種通過光電接收管來探測其下表面反射光強度的傳感器。依據反射光強度的不同，從而導致傳感器輸出的變更。由于它的體積較小、具有日光過濾器，因而在小車中運用性能較好。循跡硬件數目選擇：接受4路QTI傳感器循跡。在小車行駛過程中，依據軌道的設計，小車會遇到直行或左、右拐彎的路段，因而可以運用中間2路來推斷小車和直行道的相對位置，而用外側2路來推斷小車是否在拐彎路段。因此，4路循跡可以完成任務的要求，且設備數目最少。2.3電機驅動模塊電機選擇：接受直流伺服電機，它主要通過接收脈沖來運轉。相比于步進電機，直流伺服電機有著確定的優勢：精度更高，克服了步進電機中的失步問題；高速性能好；抗過載實力強；運行穩定；反應時間短；發熱和噪聲都有著明顯的降低。2.4電源模塊電源選擇：接受干電池組加移動電源共同供電，即在接受4節1.5V干電池通過穩壓單元降至5V后給單片機及其他設備（如傳感器、電機等）供電的基礎上，增加一個移動電源同時供電。一方面，可以保證小車電壓穩定，設備正常運行而不會斷電。另一方面，也不像蓄電池所占體積那么大，安裝相對簡潔。2.5通信模塊通信設備選擇：接受藍牙裝置進行通信。盡管相比紅外通信，它的成本相對較高。但其有著諸多特有的優點：通信距離相對較長，一般在10米左右，且可以轉彎，不用對準。傳輸速度快，且可以加密，更加平安。3硬件設計3.1主控硬件設計對于每個小車而言，主控電路的核心器件為AT89S52單片機，通過此單片機來限制小車完成預料的功能。其中，小車的啟動、復位、斷電都須要手動開關來限制。由QTI循跡模塊組成的循跡電路進行實時監測，不斷推斷小車的位置，并將檢測到的信息發回給單片機，單片機經過運算后，發送PWM波給電機，從而限制小車速度、啟停、轉彎、直線行駛等。除此之外，兩個小車的單片機還都須要連接一個藍牙設備，用于在兩個單片機之間傳遞信息。系統框圖如圖3-1所示。圖3-1主控電路連接圖3.2循跡硬件的設計由于本設計在循跡模塊中接受的是集成的QTI循跡模塊，故循跡裝置內部電路無需再重新設計，僅需將集成的QTI循跡模塊正確連入AT89S52單片機中集可。具體電路連接圖見圖3-2。圖3-2QTI設備連接圖3.3驅動硬件設計電機選擇：接受直流伺服電機。伺服電機具有如下特點：它在接收到一個PWM波形脈沖時就會旋轉確定的角度，通過不斷接收脈沖就可以使得小車持續運動。對于本設計所選用的電機而言，當接收到的脈沖是高電平持續時間為1.5ms而低電平持續時間是20ms時，電機不發生轉動；當低電平常間保持不變，高電平持續時間越接近1.7ms時，電機順時針轉速越快，在1.7ms時，電機順時針旋轉速度達到最大；反之，高電平持續時間越接近1.3ms時，電機逆時針轉速越快，在1.3ms時，電機逆時針旋轉速度達到最大。在小車運行過程中，單片機AT89S52通過P1.1和P1.2口發送脈沖波形來分別限制左右電機運轉，即將左右電機分別和P1.1和P1.2口相連即可。3.4電源硬件設計本系統中的單片機所需的供電電壓為+5V工作電壓，而電路板的設計是接受6-9V的直流電輸入，再通過穩壓芯片來為單片機輸入5V的工作電壓。每節干電池所供應的電壓為1.5V，接受4節干電池串聯后可以得到直流電輸入口所要求的最小電壓6V。因此，選擇4節干電池串聯后接入單片機的供電口。此外，由于干電池所供電壓并不穩定，簡潔造成小車傳感器、藍牙等設備的掉電，從而影響小車的正常工作，故再額外通過USB-ISP線將輸出為5V的移動電源連接至小車的ISP下載口即可。3.5藍牙通信串口硬件設計本系統中兩輛小車須要在確定狀況下進行通信，因而須要運用一個近距離的無線通信裝置。在本設計中，選用藍牙通信裝置HC-05來實現此功能。HC-05的引腳原理圖如如圖3-3所示。圖3-3藍牙引腳原理圖此藍牙在配對成功后的運用方法和串口的運用方法一樣，故同樣是將藍牙接口TXD、RXD分別連至單片機的P3.0、P3.1口，VCC接高電平，GND接地即可正常運用。3.6本章總結本章主要分析了小車實現各個功能所需的硬件設備，硬件選擇，硬件設備連接等問題，主要包括主控硬件、循跡硬件、驅動硬件、電源硬件、藍牙硬件等，通過對硬件的分析和設計，為小車能正常運行做好的硬件方面的準備工作。4軟件的設計和實現4.1概述在基于單片機的系統設計中，除了要對系統硬件進行設計外，還要對系統的軟件進行設計。在本設計之中，大量的執行工作須要對程序進行設計，這一工作對于系統而言尤為重要。在編寫程序時，要留意一下幾點要求：實時性，即軟件反應、執行速度快。程序簡練，即要求既要完成目標，又要以最簡潔的方式表述出來。程序的靈敏性和可拓展性，即程序擁有較強的適應實力，在功能須要拓展時可以便利的修改。牢靠性，即在系統運行過程中因為軟件方面的故障而造成的系統錯誤盡可能的少。此外，在用C語言進行程序設計時，具體步驟如下：明確要求，確定軟件所要實現的功能。分析具體問題，建立數學模型。繪制出各個程序模塊的流程圖。將各個程序組合在一起，構成一個完整的程序。最終，在程序設計的過程中，應留意一下幾點要求：各個功能、模塊盡量層次化。存儲空間合理，節約內存。軟件流程要合理，軟件布局要清晰。4.2軟件的結構設計在本設計中，軟件的結構設計接受了模塊化的結構設計，將整個系統分成五大模塊，包括主程序模塊、循跡程序模塊、電機程序模塊、藍牙通信程序模塊、位置推斷程序模塊等，依次設計系統整體軟件結構和各個模塊的軟件結構，最終再將其匯總成為一個完整系統。系統的軟件結構圖如圖4-1所示。圖4-1系統軟件結構圖4.3主要模塊的實現4.3.1循跡流程圖循跡流程圖如圖4-2所示。圖4-2循跡流程圖小車在啟動后會干脆進入循跡路段，正常直行狀況下，有且只有中間兩路QTI裝置(中左和中右)將能夠探測到黑線。而在執行前進過程中，會因為一些因素而造成略微偏離軌道，此時，小車的中間兩路QTI裝置可能將會存在其中一路脫離黑線。此時，則應向單片機發出調整指令，變更小車的行駛狀態，使其回來黑線中心行駛。當小車來到拐彎路段時，外部兩個QTI裝置(左和右)將會探測到黑線，表明小車來到拐彎路段，則應向單片機發出調整指令，變更小車的行駛狀態，使其完成拐彎任務。而當小車到達定位處時，四路QTI循跡裝置將全部探測到黑線，此時則應向單片機發出計數自加指令后使小車接著向前行駛。4.3.2電機驅動流程圖電機驅動流程圖如4-3所示。圖4-3電機驅動功能流程圖在兩個小車進行通信時，依據預期，隨著兩個小車的位置變更，兩個小車的行駛速度也應當隨之變更。在此設計中，整個軌道共有8個定位點。對于小車A，速度變更是從檢測到定位點時起先的，所以小車A的驅動流程圖應從檢測到定位點起先。而對于小車B，速度變更是在中斷中產生的，所以小車B的驅動流程圖應從中斷中起先。此外，本設計的要求是使小車B跟隨小車A行駛，使得小車A和小車B的距離始終保持在大約等于兩個定位點間的距離。因此，想要確定兩個小車的速度，首先要計算兩個小車距離。本設計是通過計算兩小車共檢測到的定位點數之差來推斷兩個小車的距離。當兩個小車所探測到的定位點數相差為1，表示兩車距離適中，驅動電機使兩車都快速行駛；當兩個小車探測到的定位點數相同，表示兩車距離過近，驅動電機使前車快速行駛而后車慢速行駛，從而拉大兩車間距；而當兩個小車所探測到的定位點數相差大于1，表示兩車距離過遠，驅動電機使前車慢速行駛而后車快速行駛，以此來縮短兩車距離。另外，前車發生故障時，應使得后車在和其距離過近時自動停車，防止出現兩車相撞的狀況。4.3.3位置推斷流程圖位置推斷流程圖如圖4-4所示。圖4-4位置推斷流程圖本設計中，兩個小車須要構成一個協作的系統平臺，因此，須要不斷地推斷自己的位置。在此設計中，在完整軌道中平均選擇了8個定位點，在小車途經這8個定位點時，單片機選擇一個變量來計算小車在行駛過程中所經過的總點數，從而來大致推斷小車的所在位置。當計數達到8時，表示小車已經運行了一整圈回到動身點，故計數清零。軌道圖如圖4-5所示。圖4-5軌道圖4.3.4藍牙通信流程圖在本設計中，兩個小車要通過相互協作來構成一個智能小車系統，因此，在小車運行過程中，兩小車須要在必要的時刻相互通信并發送指令。在此系統中，小車A為整個系統的中樞，一切信息要在小車A的單片機中進行運算處理，再將限制叮囑由小車A發出。藍牙通信流程圖如圖4-6所示。圖4-6藍牙通信流程圖4.4本章小結本章首先介紹了針對軟件設計的要求、過程等留意事項，然后系統的介紹了針對本設計的軟件結構各個模塊的設計方案、思路，并列出了各個主要模塊的設計流程圖。5系統功能測試在完成系統的設計和制作后，必需要對所設計的系統進行測試。通過測試，檢測須要單片機所完成的功能是否能夠實現。5.1系統功能測試測試過程中，首先依次對各個小車進行單獨的模塊功能測試，然后再進行整個系統的功能測試。即首先分別對小車A、小車B進行單獨循跡功能的測試，查看小車A、B的性能。然后再將小車A、B通過藍牙連接相互通信，測試整個系統的性能。小車A循跡功能單獨測試，結果如表5-1所示。表5-1小車A循跡測試結果12345678第一圈完成完成完成完成卡頓完成完成完成其次圈完成卡頓完成完成完成完成完成完成第三圈完成完成完成完成完成完成完成完成第四圈完成完成完成完成卡頓完成完成完成第五圈卡頓完成完成完成完成完成完成完成小車B循跡功能單獨測試，結果如表5-2所示。表5-2小車B循跡測試結果12345678第一圈完成完成完成完成卡頓完成完成完成其次圈完成完成完成完成完成完成完成完成第三圈完成完成完成完成完成完成完成完成第四圈完成完成完成完成完成完成完成完成第五圈完成完成完成完成完成完成完成完成系統性能測試，結果如表5-3所示。表5-3系統功能測試結果第一圈運行正常其次圈運行正常第三圈小車A在定位點3處連續探測到2次定位標記，造成出錯第四圈運行正常第五圈運行正常5.2測試結果分析小車A在運行過程中，由于傳感器、電機等設備問題，有時會造成中途卡頓，導致小車無法正常運行，但總體結果基本正確，不影響試驗結果。小車B和小車A相比，運行較為流暢，基本可以正常運行，很少會出現故障，達到預期目標。在整個系統協調運行時，除了小車間或發生的卡頓意外，基本不會造成其他故障，基本可以達到預期的效果。總體而言，主要是由于傳感器并不精確，在室內光線、太陽光等燈光的影響下，間或會導致運行出現故障。但從整體來看，基本功能都可以正常實現，不影響觀測結果，系統基本能夠正常運行。6結論和展望6.1結論在本設計中，A、B兩個小車的限制核心都選用的是AT89S52單片機，這使得小車具有較好的穩定性和持續性。循跡裝置選擇的是體積小、功耗低、應用便利、集成度高的QTI傳感器DM-S53401。電機選擇的是兩輪獨立的直流伺服電機，通過限制兩個輪不同的轉速來變更方向。車間通信選擇的是藍牙通信裝置HC-05，它具有較高的牢靠性，可以保證兩車順當的完成通信功能。在小車運行的過程中，利用QTI傳感器來實時監測小車的路面信息，單片機接收并處理傳感器監測到的信號，將運動限制指令發送給電機，使得小車正常行駛。此外，兩個小車還通過藍牙裝置進行車間通信，并依據兩車的狀態調整小車的運動狀況。該系統最終能夠完成的功能有：循跡、變速、保持兩車間距穩定、緊急停車。6.2展望本智能小車系統最主要的前景是運用到無人駕駛汽車上。一方面，可以通過小車系統的車間通信規劃行車路徑，充分利用現有的道路資源，提高道路利用率，削減堵