同济大学自动循迹避障小车报告

毕业设计（论文）报告纸

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《计算机控制系统》

大作业

题目：基于STC89C52单片机的智能小车设计

成 员： 曹 飞（1251734） 曾含含（1253915）

章 平（1251738）

刘 备（1251735） 学 院： 机械与能源工程学院 专 业： 机械设计制作及其自动化 年 级： 2012级 指导教师： 宋蕴璞

二〇一五年十二月

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摘要

本文提出了一种基于STC89C52单片机的智能循迹避障小车的设计方案和具体的实现方法，以STC89C52RC 单片机作为小车的检测和控制核心，利用L298N 电机控制模块来驱动后轮两个直流减速电机，利用红外反射式光电传感器检测路面的黑白线以识别路线，利用超声波测距模块HC-SRO4来判断前方的障碍物，在循迹模式下小车可以沿着路面上的黑线行驶，在避障模式下可以避开障碍物。本设计结构简单，较易实现，在一定精度范围内可稳定循迹和避障，具有一定的实用价值。

关键词：STC89C52，L298N 模块，红外光电传感器，超声波测距

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目录

摘要............................................................................................................................ ABSTRACT ................................................................................................................ 第 1 章 引言 (2)

1.1智能小车的研究与意义 ................................................................................. 2 1.2 任务要求 ..................................................................................................... 2 1.3人员分配 ...................................................................................................... 3 第 2章 方案选择与设计 . (3)

2.1 车体和控制系统设计 .................................................................................... 3 2.2电机驱动设计 ............................................................................................... 5 2.3循迹模块 ...................................................................................................... 7 2.4避障模块 ...................................................................................................... 9 2.5 遥控模块 ....................................................................................................11 第3章 控制结构设计 (12)

3.1 总体结构设计 ............................................................................................ 12 3.2 循迹功能设计 ............................................................................................ 12 3.3 避障功能设计 ............................................................................................ 13 3.4 功能结合 ................................................................................................... 13 第4章 遇到的问题及解决办法 . (14)

4.1驱动轮作为前轮后轮比较 ............................................................................ 14 4.2 避障功能与循迹功能的分与合 .................................................................... 14 4.3红外黑白线识别传感器的布置 ..................................................................... 14 第5章 成果介绍 . (16)

5.1 模式切换 ................................................................................................... 16 5.2 循迹功能 ................................................................................................... 16 5.3 避障功能 ................................................................................................... 16 第6章 新的思路 . (17)

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第 1 章 引言

1.1智能小车的研究与意义

移动机器人是机器人学中的一个重要分支，出现于20世纪06年代。当时斯坦福研究院(SRI)的Nils Nilssen 和charles Rosen 等人，在1966年至1972年中研制出了名为shakey 的自主式移动机器人。随着计算机技术、控制技术和传感器技术的飞速发展，移动机器人越来越多地应用于工业生产和日常生活中，极大地提高了生产的效率，也方便了人们的生活。在这些移动机器人中，智能小车的发展最为迅猛，技术也最为成熟。

智能小车又称为轮式机器人，它可以按照预先设定的模式在一个环境里自主运动，不需要人为管理，目前多用在科学探索、工业生产等场合，它是集环境感知、规划决策、自动行驶等功能于一体的智能化交通工具，是车辆工程、传感技术、人工智能、自动控制与通信导航等多个学科领域理论技术的交叉与综合，是未来汽车的发展方向。

智能小车的循迹功能在生产生活中都有着广泛的用途。比如，在自动化仓库中，往往需要用自动导引运输车（AGV ，Automated Guided Vehicle ）按照一定的路线自动地进行物流搬转运，又比如在智能家居中，可以远程地控制智能小车沿着指定的路线到达某个房间，进行一些简单的操作。

智能小车的避障功能在生活中更是意义重大。比如AGV 在行驶的过程中如果遇到掉落的货物或者走错路的人员，它必须能停止或者绕开这些障碍物，又比如最近很火的无人驾驶车辆，其最基本的一个技术就是识别及躲开障碍物。因此，研究小车的避障功能很有必要。

1.2 任务要求

设计一种智能车，在循迹模式下可以在路面上识别出事先指定的路线，沿着该路线匀速平稳地行驶较长一段时间，在避障模式下遇到障碍物后可以绕开障碍物。

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1.3人员分配

本设计主要针对循迹和避障功能展开研究，在这个过程中，我们小组成员还对直流减速电机的控制进行了研究，实现了控制左转向、右转向、停止和后退等多个功能。对于循迹功能，我们利用红外传感器来实现，小车可以在指定的赛道上平稳行驶而不会偏出赛道；对于避障功能，我们利用超声波检测前方30cm 的距离内是否有障碍物，若有，小车右转，躲开障碍物。

曾含含主要负责循迹功能的实现，曹飞主要负责超声波避障功能的实现，章平主要负责电机的驱动控制，刘备负责研究红外遥控以转换工作模式。

第 2章 方案选择与设计

2.1 车体和控制系统设计

车体是小车的骨架，控制系统是小车的大脑，因此这两者的选择对于后面的设计有着至关重要的影响。

2.1.1车体设计

由于本次设计主要是用来实践《计算机控制系统》课程上学到的知识，主要精力都放在了硬件搭建和软件编程上，对机械结构要求并不高，车体设计并不是本门课程的重点，所以我们决定在网上找一些价格便宜、功能尚可的车模。最后选择了一款三轮结构的小车。如图2.1.1所示，它带有一个小的方向轮和两个大的驱动轮，还有一块塑料板，用于安装固定轮子、单片机、电池等，板上多孔洞，以方便走线，还带有一个电源开关，用于控制小车的停止和启动。

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图2.1.1 小车车体

在单片机控制信号的作用下，电机为驱动轮提供动力。当左驱动轮正转而右驱动轮反转时，小车就会原地左旋转运动，而左轮和右轮同时正转但是左轮更快时，小车就向左偏转。方向轮不能用来主动调节方向，只能用来被动地在调节后的方向上保证车体的稳定，事实上，方向轮上安装有轴承，以便尽可能地减小转向时的阻力，保证小车驱动轮变向时不至于很困难。

2.1.2控制系统设计

控制系统核心芯片我们采用深圳宏晶科技生产的STC89C52RC 单片机，它是STC 公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash ，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。相比于价格较高、编程复杂困难的STM32等32位单片机，它功能虽然弱些，但仍能能够较好地完成我们的小车任务。今后如果有时间，我们再做小车的时候，可能就采用STM32这种单片机了，毕竟它性能上更为卓越。

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2.2电机驱动设计

电机驱动设计直接关系到小车能否运行，运行的速度能不能更快，运行的时候能不能噪声小一点，运行能不能左转、右转和后退。所以，这部分要求电源要强大，可以提供稳定的电力输出，要求电机要耐用，在各种条件下都要有可靠的性能以及较大的输出扭矩，要求控制模块要准确，对于单片机的指令要能精准地转换为对电机的输入电流或者电压的控制。

2.2.1电机选择

因为交流电机需要交流电源，而我们的小车是运动的，必须要携带电池，用交流电很不方便，而伺服电机太贵了，所以我们主要在普通的直流电机和步进电机之间做选择。

直流电机控制简单，根据课本上学到的直流电机的调节特性公式n=f(U)可知，只需要对其电机的输入电压进行控制就可以很容易地改变电机转速。改变电压的方法很多，可以直接改变输入到电机的电压，不过这样需要对电路进行变化，不适合用于快速运动的小车上，我们采用斩波的方法，把输入的恒定电压方波通过周期性地削减一部分，使输入的电压在时间上的平均值减少，通过改变削减部分所占的比重（占空比）就可以很方便地调节电压值，这就是课本上提到的PWM 方法。

而步进电机的优点是可以精确定位和精确地计算运行的距离，每接收到一个脉冲就运转一定的角度，它适合对运动精度要求较高的机械上，而我们小车并不需要很高的运动精度。而且步进电机的输出力矩小，随着转速的升高，力矩还会更小，因此不适合小车。

因此我们最后选定了直流电机。

2.2.2电机控制模块选择

方案一：采用SM6135W 电机遥控驱动模块，该模块专为遥控车设计，可以在较远距离外实现车体的前进、后退及转弯等操作。但是这个遥控模块和我们后面要设计的模式转换遥控模块容易冲突，而且这个模块的价格较高。

方案二：采用L298N 电机驱动模块。如图2.2.2所示，该模块的核心芯片是L298N 芯片，它支持高电压、大电流驱动，有VS 电机工作电压输入和VCC （5V ）

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控制电压输出，四通道驱动，可以同时控制两个直流电机，所以我们的小车只需要一块这样的驱动模块就可以控制两个电机，从而带动两个驱动轮。只需改变IN1~IN4的输入信号，就很容易让控制电机正转、反转和停止，从而控制小车的姿态。

图2.2.2 L298N 电机驱动模块

经过比较，我们认为L298N 模块性能可靠，价格便宜，使用方便，很适合在小车上使用，所以我们采用了这样的模块。

2.2.3电源模块选择

本系统中，单片机需要外界5V 的供电，电机由于采用的是L298N 模块，其输入电压VS 小于等于46V ，由于输出电压要经过H 桥电路，压降较大，供电电源内阻也会使输出电压降低，欲使输出给电机的电压在5V 以上，VS 最好在9V 及以上。而L298N 模块自带5V 的电压输出，可以给单片机供电。

方案一：用6节1.5V 干电池为L298N 供电，用5V 的锂电池或者充电宝为单片机供电。这种方式可以把控制部分和后轮的电机驱动部分分开，保证电压不会相互干扰，提高系统的稳定性。缺点是电池太多，笨重，有时候还要在小车后面用充电宝供电，拖着数据线很麻烦。并且干电池也容易把电耗尽，一旦用完还要继续购买电池，拆下重新安装，比较繁琐。

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方案二：用一个12V 的锂电池为L298N 模块供电，然后用L298N 的5V 电压输出为单片机供电。这种方法简单、便捷，经过实验证明，这种方案里，电机部分和控制部分的干扰并不明显，可以忽略。

最后我们决定采用可充电式12V 锂电池供电。

2.3循迹模块

循迹功能可供选择的实现方式很多，常见的有光学式和电磁式两种，光学式又分为红外反射式、摄像式、激光反射式等几种，电磁式有电磁感应式，每种都有利弊，经过比较，我们认为红外反射式循迹虽然控制的精度不够高，但是可以达到我们的使用要求，而且成本最低廉，使用的方法也比较容易，所以选择采用红外反射式方法来实现循迹。

2.3.1红外反射式循迹

该方法通过光电传感器，检测地面反射回来的光线的强度，将其转化为电信号的强度。它由发送器、接收器和检测电路组成，如图2.3.1所示。

图2.3.1 红外模块

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发送器对准目标发射光束，发射的光束来自红外发射二极管。不间断发射红外线，然后用接收器接收，再进入检测电路，将有效信号滤出并转换。红外线在不同颜色的物体表面有不同的反射特性，小车如果不断地对外发射红外线，遇到白色的物体就会发生漫反射，反射光被接收器接收，遇到黑色物体，红外光会被物体吸收，从而无法被接收器接收到。因此在路面上只需要铺设一条带有黑线的白色赛道，用两个或更多的红外反射式光电传感器，找到地面上的赛道，检测发出去的光和接受到的光，就可以检测到黑线的存在，然后一直沿着黑线行驶。事实上，我们一共采用了4个红外模块，才取得了比较好的检测效果。

2.3.2摄像式循迹

该方法是通过用摄像头把前方赛道图像拍下来，通过二值化方法，把图像转化为一个个矩阵，每个矩阵上的元素都是0或1，表示前方赛道上的黑点和白点，只要矩阵足够大，元素足够多，就会很精确地反映赛道上的黑线和白线，从而很容易让小车沿着正确的道路走。

这种方法精度比红外反射要高，但是摄像头价格远比红外传感器高，而且由于视觉上的原因，前方赛道图像在摄像头下会和真实赛道不一样，客观上也在算法上增加了难度。另外，摄像头要处理的数据量很大，小车还要跑到一定的速度，就会对单片机的性能有很高的要求，即处理速度要很高。我们的51单片机还不能达到这个速度，所以我们没有采用这种方式。这种方法适合于速度快、精度高、投入成本很大的专业化小车上。

2.3.3激光反射式循迹

激光式循迹主要是根据激光的测距原理，发光装置在小车上，不断地向道路两边发射激光，计算小车到两边的距离以及和理想值之间的偏差，然后调整姿态。这种方式精度很高，停准精度为1mm ～5mm ，不过由于小车一直在运动，不可能一丝不差地在理想值上跑，所以小车总会在执行“检测—计算—调整”的过程，小车永远不能顺畅地跑动。因此，我们可以把理想值设为一个范围值，如果小车在这个范围内，即偏差量小于一定量，就不做姿态的调整，让小车直线行驶。

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2.3.4电磁感应式循迹

电磁感应式循迹适合于速度比较慢的情况，小车的底盘上有感应线圈，道路上有两根并排放置的通电导线，小车根据感应到的电磁场的强度，计算出当前小车的位置和道路的中心偏差量L1、L2。如果L1和L2大小一致，则意味着小车在道路的中央，小车在这种情况下要走直线。当小车走偏之后，由于感应到的电磁场强度不一致，偏差控制转向轮转动一定的角度。

显然，这种通入较大电流的导线不可能放在地面，因为不平整，也不安全，所以必须要预埋一根导线在水泥地下，导致改变路径很困难，需要把路撬开，不方便。此外，这种方法也和激光发射式一样不断地检测和改变姿态，需要把理想值设定为一定的范围，在这个范围内，小车可以直线行驶而不做姿态改变。这种方式适合于线路较为固定，对速度要求不高，而对准确度要求高的一些工业机器上，比如AGV （自动导引小车）。

2.4避障模块

避障模块最重要的就是探测到障碍物的存在，首先要保证能测量一定距离，如果可测距离太短，小车虽然检测到障碍物，但是由于惯性，还会撞到物体上；其次是保证测量的时候不能受到外界的太多干扰，保证测量的准确性。我们比较了红外线测距、超声波测距和激光测距三种方法，最后选择了超声波测距。

2.4.1红外线测距

红外线测距就是计算红外线收发所用的时间得到距离值。由于光速快，这种测距方式很快，但是太阳光下就测不准了，有时候放在室内测量精确，但是在室外就误差很大。这是因为，一个红外LED 发光，另一个红外管接收，太阳光下，接收管受到很大的干扰。此外，红外线遇到不同的面返回的光线强度不一样，遇到黑色的物体，即使距离很近，测到的距离也会显示很远，显然是不适合做小车的测距模块的。

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2.4.2超声波测距

超声波测距就是计算声波发出到接收所用的时间，从而得到距离值。该方法成本低，易于使用，能在10m 以下范围内精确地测量，广泛应用于各种行走机器人上，因此我们决定采用超声波探测法，采用的模块是超声波测距模块HC-SRO4，如图2.4.2所示。

图2.4.2 超声波模块

超声波的缺点是由于声速较慢，以340 m/s 来计算，测3m 的距离所需要的时间就已达17ms 之多，距离再远一点，超声波就返回不了了。此外还有一个缺点就是被测面必须是平面，如果不是平面，比如圆弧面，就容易把声波反射到其他地方去，导致测距不准，小车会撞上去。还有一个缺点是不能同步检测，因为声音是相互干扰的，必须轮询，一个接一个地去测距，所以测距的频率不高。部分问题我们在程序里面有办法解决，有些问题解决不了，但是可靠性也比较高。

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2.4.3激光测距

因为激光具有很好的方向性，传输时发散小，能量损失小，不仅可以测量的距离远远超过超声波和红外线，而且测量的精度很高，即使测量地月距离，误差也仅为10cm 。由于光速很高，激光测距可以用很短的时间发送很多次测距光束，所以即使是轮询，所需要的时间也很少。

不过激光测距成本高，多用于对精度要求高的场合，我们的小车对精度要求不高，只需要在一定距离（本设计中定为30cm ）内探测到障碍物，而不关心这个距离具体是多少，因为激光测距不适合我们的设计。

2.5 遥控模块

遥控模块的功能是对小车的功能进行转换，通过遥控，可以将小车在循迹模式和避障模式之间准确可靠地转变。由于本模块并不是我们设计的重点，所以我们参考以前的设计方案，采用技术成熟，操作方法简单的红外遥控方式。

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第3章 控制结构设计

3.1 总体结构设计

总体结构示意图

系统总体结构设计如图，循迹功能由路径检测、软件处理、驱动控制及小车结构完成。由路径检测部分采集小车前端路面信息，经过单片机进行信息处理，判断小车所处位置的路面情况，并做出接下来的直行或转弯行动响应指令。单片机发送的响应指令可通过驱动控制模块实现对小车两主动轮的速度控制，从而控制小车的直行或转弯行为，使小车沿着特定轨迹前进。避障功能与此类似，通过障碍物检测模块检测小车前方是否存在障碍物，若存在则控制小车转向，避开该障碍。

3.2 循迹功能设计

循迹功能具体实现时，使用4个红外黑白线识别传感器，两个位于小车前端的边缘，两个位于小车前轮两边。若前端边缘处的传感器识别到了黑线，则说明小车前进方向偏离轨迹较远，单片机通过驱动控制模块控制小车与该方向的轮子停转，另一轮子前进，实现较大幅度的转弯；若前轮两边的传感器检测到黑线，则说明小车小幅度的偏离轨迹，通过驱动器控制小车左右两轮的转速，利用左右两轮的转速差实现小车方向的小幅度调整；若四个传感器均为检测到黑线，即说明黑线在小车中间，小车未偏离轨迹，可控制小车两轮以相同的较快速度转动，使小车快速直行。

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3.3 避障功能设计

避障功能具体实现时，使用超声波传感器检测障碍。超声波传感器安放于小车前端，利用该模块可以检测小车前是否有障碍并检测与障碍物的距离。在小车距障碍物30cm 以内时，单片机通过驱动控制模块控制小车右转，然后继续检测小车前行方向是否有障碍，若有障碍则再次右转。直到未检测到障碍后前行，实现小车的避障功能。

3.4 功能结合

小车的循迹和避障功能各自分别实现，通过模式选择的方式结合在一起。小车的循迹与避障功能设置为小车的两个运行模式，循迹模式下小车循迹前进；避障模式下小车避障运动。小车上挂载一红外信号接收器，可接收遥控器发射的信号，通过红外遥控器的信号控制小车运行模式的切换。

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第4章 遇到的问题及解决办法

4.1驱动轮作为前轮后轮比较

答：我们的小车是三个轮子的智能小车，其中有一个轮子是万向轮。刚开始我们把两个驱动轮放在车的前面，不过这种布置方法使得小车左右晃动严重。而当我们实验将驱动轮放在小车的后部，晃动减轻。理论上分析虽然驱动轮作为前后对小车整体转动角度没有影响，但是当加上黑白线识别的传感器时这种区别就出来了。在相同传感器距离配置下，若驱动轮离传感器比较近，从一个传感器监测不到到另一个传感器监测不到小车转过的角度相对较大，而若驱动轮离传感器较远，从一个传感器监测不到到相邻的另一个监测小车转过的角度相对较小，即灵敏度更高，这样可以及时调整小车的姿态（默认小车转动中心在两驱动轮连线上）。所以，最灵敏的方法是传感器的配置离小车转动中心尽量远保证精度。

4.2 避障功能与循迹功能的分与合

答：避障功能用的是超声波避障，循迹功能是用红外的黑白线识别传感器实现的。开始的想法是把它们整合在一起实现的。避障功能与循迹功能单独调试通过后，用程序把它们单独的整合在一起是容易的。但是，如果在循迹的时候遇到障碍了怎么办？小车停止前进直到把障碍移出？太简单了；如果不停止先转弯后再绕回轨道上？那么，转弯转多少角度（多久）？转弯后前进多少距离（多久）？前进后如何确保小车会返回原来轨道上？这些在用黑白线传感器而没有负反馈的情况下是几乎不可能实现的。而且，如果在超声波测距期间电机轮还在运转，就会造成转弯过度的情况，这给调试带来了很大的困难。最后我们决定把这两个模块分开来完成，用一个红外线接收器模块无线控制来实现两种模式的改变。

4.3红外黑白线识别传感器的布置

最开始我们使用了三个这样的传感器，中间，左右各一个。调试过程中发现，中间的传感器的检测对小车的行进过程并没有任何影响，传感器应该呈对称布置式且应成双出现。理论上传感器越多，那么进行调试的精度越好。但是，传感器

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本身有大小，而且传感器越多，成本也越高。所以，利用有限的传感器来实现比较高的精度是十分重要的。这里我们最终采取使用4个传感器，将其合理的分布在小车的两侧，当内侧的传感器监测到黑线的时候，采取小转弯的方法，即一个轮子正常转，另一个慢转。当外侧的传感器监测到黑线时，采取大转弯，一个轮子转，另一个不转。当内外侧同时检测到时，采取小转弯。这样，小车在直线上行进时能够保证速度较快，运行比较平稳，在弯道上时也有足够的转弯性能。

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第5章 成果介绍

5.1 模式切换

小车可通过遥控器实现模式转换。红外遥控器按键后，小车模式切换，若当前模式为循迹工作模式，则按键后改为避障模式，反之亦然。

5.2 循迹功能

小车在循迹模式下运行时，可沿特定赛道上的轨迹前行，但对赛道轨迹的对比度、线宽和转弯半径有一定要求。循迹前进时可较平稳的沿指定轨迹直行、转向。

5.3 避障功能

小车在避障模式下运行时，可在指定场地内直行，遇到障碍时进行一定幅度的右转，避开障碍后再按转向后的方向前进。

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第6章 新的思路

作品展示时，我们的小车有两种模式，一种是沿着黑线循迹，虽然速度不是很快，并且有一些摇晃，但基本不会偏离线路，很好的做到了循迹功能。还有一种是避障功能，依靠超声波模块可以检测前方的障碍物。当检测到障碍物时，小车会向右转弯避开障碍物。这两个模块各自的功能都已实现，但老师认为两个模块应该合在一起，同时实现。

在现有的条件下，小车循迹的过程要严格的循着黑线前进，如果黑线上出现障碍物，小车会偏离黑线，并且很难再寻找到黑线，这样两个功能会出现冲突。为了解决这个问题，我们参考了自动驾驶汽车的部分思路。

自动驾驶汽车是指安装汽车自动驾驶技术的汽车。汽车自动驾驶技术包括可视屏摄像头，雷达传感器，激光雷达，车速传感器，转向角传感器，油门开度传感器和车载计算机等。自动驾驶汽车使用视屏摄像头，雷达传感器，以及激光雷达来了解周围的交通状况，并通过一个详细的地图（通过有人驾驶汽车采集的地图）对前方的道路进行导航。汽车的车速，转向角，油门开度等物理量经相应传感器转化成电信号，摄像头拍摄汽车前方图像并转换成视屏信号，扫描时激光雷达检测汽车下部前方障碍物并转化成电信号，由数据采集器件采集并传至控制器（车载计算机），可以准确的判断车与障碍物自建的距离，如果遇到紧急情况，车载计算机能够及时的发出警报或者自动刹车进行避让，并且根据道路的状况自己调节行车的速度，实现对汽车速度的自动控制。

自动驾驶汽车在行驶时不会沿着固定的线路前进，但它可以很好的在公路上行驶并且避障。当然汽车使用了很多前沿的技术，我们暂时没有能力做到这种程度。我们现有的硬件和技术水平限制了小车的能力。因此我们的想法是对赛道做出改进，不再是沿着固定的轨迹前进，而是模仿公路，在赛道两边铺上黑线，防止小车冲出赛道。小车在赛道中任意的前进，当遇到障碍物的时候，通过左右两端的超声波模块决定左转还是右转。这样可以实现循迹和避障的同时进行。受到条件的限制，小车的避障不能确定障碍物两端的赛道宽度，因此可能出现小车无法通过并撞上障碍物。

为了避免这一状况，小车可以尝试机器人视觉，采用视频摄像，判断障碍物两端的宽度进而决定转向。当前的车模是三个轮子，由于万向轮的抖动，小车不能很好的走直线，因此可以改进为四个轮子的车模，并通过转向角传感器调节小

毕业设计（论文）报告纸

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车的方向，使小车可以直线前进。这一个课题是可以不断地改进，并不断的优化，我们只是做到了基本的功能，今后还会继续的走下去，不断地进步。