智能避障小车报告

H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y

智能小车避障、追踪设计报告

姓名：

班级：

学号：

其他队员：

指导老师：

日期： 2013.6.21

哈尔滨工业大学

一、制作过程概述：

电工老师主动为学生提供小项目，当时感觉时间相当宽裕，就有点接接项目的想法，但考虑到一个人的力量是有限的，便诚邀好朋友王晓丽、赵亮亮一起接项目，没想到他们和我有共同的想法，便欣然组队。当时剩下两个小项目，一个是医学方面在外科手术中用到的仪器，另一个是设计一个能避障追踪的小装置。考虑到我们的专业，我们选择了后者。

初次接项目的我们，既有欣喜，又有压力。欣喜的是我们要做出这么神奇的一个小车，有压力的是我们都没有接触过这方面的东西，毫无基础。组队之后，我们进行了详细的讨论，首先制定了进度安排，然后根据个人特长进行任务分工，最后商讨小车的形状，并一致同意选择三个轮子的小车。

在看科创视频时偶然看到了一个三轮小车，当时我就很兴奋，这不正是我们所构想的三轮小车吗？截图发给他们后，他们都感觉挺好，不过也有一丝担心，我们能否做这么好。

学习阶段是个漫长的过程。一开始我们都有点不知从何下手的感觉，但我们知道肯定要用到单片机编程的，于是我们开始在网上下载单片机学习视频，我们主要看的是“郭天祥十天学会单片机”，因为单片机这一块任务比较重，我们决定由我和赵亮共同学习，但按照分工，以赵亮为主，我起辅助商讨作用。我每天晚上完自习回到寝室，就坐电脑前看视频，每天都睡得很晚，眼睛很痒很涩，为不打扰其他室友，又要处处格外小心，好在看到黑暗中赵亮也在学习，心中少了一份孤独。但我知道，万事开头难，只有把基础夯实了，下一步的工作才会顺畅。正如郭天祥老师所说：“这个学习过程会是十分艰难的，你想想，有些人一两年都学不会的东西，你要在十天之内学会，肯定是要有付出的。”把郭老师的视频看完之后，又看了单片机学习板配带的视频，讲的也很好。学了两周多时间吧，基本上就学得差不多了，能知道单片机究竟是怎么回事，怎么控制，能编写一般难度的程序了。到此，学习阶段基本结束。比原计划提前了一周多时间完成，我们又多了一份自信。

由于只是大概知道需要什么，为了避免买错东西，我们先跑到哈工大电子市场去看看。记得当时和店家交流都有困难，他们说的专业术语我们都不知道，比如，他们提到杜邦线时，我们不知是哪几个字，便重复问了几遍。因此只好边问他们功能，边选择性的购买。问了很多，但感觉自己知道的太少太少，就没敢多买，只买了单片机模块和杜邦线。回来后，经查资料和商讨后，我们在网上购买了小车底板、轮子、电池、电机、超声波避障仪等。为了节省邮费，我们尽量在一家店里购买。

有了单片机，我们就开始编写自己的程序了。为有效利用时间，我们想在邮件到之前把程序编好。亮仔从一早就开始编，遇到我们都记不清的地方就再次翻看视频，一直到下午五点多才编好，他饭没吃不说，我陪他上了趟则所，小便他愣是撒了2分钟。傻孩子，我们有把你逼这么狠吗？好在程序编好后，出现了0错误、0警告。

当小车到时，我们没等王晓莉就在寝室一口气把它装好了。然后很高心的把装好的小车拿给晓莉看，本以为她会夸我们，结果把我们臭骂了一顿，怪我俩没等她。倔强的她把小车全拆了，自己重装了一遍。一切准备就绪后，我们便开始向单片机中输入程序。为了节省资金，我们向同学借了单片机学习板，用STC

软件把程序下到单片机中。值得庆幸的是，我们的程序直接就实现了避障功能。这就省下了进程安排表中的调试时间。当我们在室外测试小车性能时，引来不少同学的驻足观看和赞赏，内心很高兴但同时又有些不好意思。

因为没有螺丝刀，我们是用钥匙把螺丝拧上去的，在运行的过程中，螺丝会自己变松。我们又跑到哈工大电子市场买了些长螺丝和一把螺丝刀。本来还想买某个东西把超声波探测仪也固定的，但跑遍整个市场都没找到合适的东西。我们便就地取材，用露露饮料的前面剪成椭圆形，固定在小车上。晓莉向她室友借了手动钻，在小车底板的合适的位置上打了几个孔。我们用剪刀把易拉罐剪成细细的铁丝，把各种部件固定到板上。整个过程我们是充分发挥想象力，配合的很默契，玩的不亦乐乎。

二、小组分工：

制作的小车避障追踪系统主要分为三个模块：超声波模块、电机驱动模块以及单片机控制系统模块。成员分工如下：

三、原理：

本小车追踪系统主要由避障和追踪两部分组成。但由于追踪方面难度较大，我们主要完成了避障功能，因此以下主要介绍避障原理。

1、避障原理

避障主要的是通过超声波测量前方障碍物到小车的距离，通过单片机控制系统控制电机驱动模块，进而控制电机正反转实现自动避障。

（1）超声波测距模块

这次我们采用的是HC-SR04超声波测距模，可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到3mm，由于对壁障没有过高的精度要求，再综合经济的考虑，我们就选择了这种型号。

其外观及工作参数如下：

它的工作原理为：给TRIG端至少10us的高电平信号，模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回，有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离=(高电平时间*声速(340M/S))/2。

在工作时,一个控制口发一个10US以上的高电平,就可以在接收口等待高电平输出.一有输出就可以开定时器计时,当此口变为低电平时就可以读定时器的值,此时就为此次测距的时间,方可算出距离.如此不断的周期测,即可以达到移动测量的目的。

注意：在发射超声波之后，为了防止超声波直接传到了接受端，所以应该延时一段时间再开始工作。这就是导致了距离太近（3mm以内）无法测量的原因。（2）电机驱动模块

电机驱动模块我们选用的是L298N电机驱动模块，其外观及电路原理图如下：

它实现的逻辑功能为：当ENA为高电平时，不管IN1、IN2为是高电平还是低电平，OUT1、OUT2皆为低电平。只有当ENA端为低电平是，IN1、IN2才开始工作，其逻辑关系为IN1=OUT1，IN2=OUT2。同理，当ENB为低电平时，不管IN3、IN4为是高电平还是低电平，OUT3、OUT4皆为高电平。只有当ENB端为低电平是，IN3、IN4才开始工作，其逻辑关系为IN3=OUT3，IN4=OUT4。

（3）单片机控制模块

这次我们选用的是型号为89C52的单片机，由于没有特殊的功能要求，程序代码也不是很长，所以这个就够用了，而且比较实惠。本来想自己设计最小系统的，但考虑到工具的缺乏，以及经济方面的合理性，最后还是决定买现成的开发板。

单片机主要是通过程序来控制个个管脚的高低电平从而控制电路的导通

与截止，实现一系列的逻辑电路，进而控制电路中个个部分的工作状况。

2、追踪原理

在追踪方面，由于信号要有越障的能力，所以超声波、红外线都不太可能实现，于是我们就想着用无线电来实现该功能我们想了好几种方案，但最终都未能实现。现将我们的想法简单介绍一下：

（1）三点定位法

A、方案原理

如下图所示，在目标A上加一个无线电发射器发射电磁波信号，在跟踪小车上相距为L的B、C两点分别放置一个信号接收器，以BC的中点O为坐标原点，BC为x轴建立坐标系，只有AB、AC方向的信号能被接收，测出信号

AB、AC传播的方向角αβ

、即可确定追踪器到目标物之间的距离OA及目标物的方位角θ。

B

有几何关系可知：

222222

sin sin sin()

sin sin()sin sin()

2cos =arccos

2AB AC L

AB L AC L OA OC AC OC AC OC OA AC OC OA

OA βαπαββαβααββ

θθ==

--=+=+=+-??+-??得：由此求得及角

时刻控制小车转过2

π

θ-

即可让目标物时刻在小车正前方，并且让OA 保持

在10m 以内。

B 、实现难点

由于AB 杆在追踪装置上，所以不可能设计的太长，最多能设成0.4m ，但是追踪器到目标物距离OA 为10m 左右，这会使得αβ与的差值很小，从而测的OA 的长度及θ误差较大。

还有就是一直没找到测αβ与的装置，所以导致这种方案无法执行。 （2）、隔板信号检测法

A 、方案原理

如图，目标物在A点发射球面电磁波，在追踪装置上有B、C、D三个信号接收器，用三块金属板隔离开来。不管追踪小车在何方位，最多只有两个接收器能接收到信号，而当目标物在小车正前方时，只有接收器B能接受到信号，其他两个接收器应信号被隔板屏蔽而接收不到。当只有B接收到信号时，控制小车前进，其他时刻控制小车转向，即使时刻到小车沿目标物方向前进，从而达到追踪目的。

图（a）

图（b）

B、实现难点

由于电磁波具有衍射性，隔板可能无法完全屏蔽电磁波信号，所以在任意时刻，三个接收器都会接收到信号，导致该方案无法执行。

（3）、雷达定位追踪

把雷达装到小车顶端，由雷达发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，从而获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率（径向速度）、方位、高度等信息，小车分析后移向目标的方位。并且雷达白天黑夜均能探测远距离的目标，且不受雾、云和雨的阻挡，具有全天候、全天时的特点，并有一定的穿透能力。困难是雷达一般体积较大，市场上没有用于定位追踪的雷达产品，只有测量车速和GPRS定位的。

由于以上几种方案都最终未能实现追踪功能，所以我们做出来的实体只能避障，而无法追踪目标。

四、系统电路

实体的系统电路连接如下图所示

五、实体展示

六、小车运行过程

超声笔测量障碍物距离s

s>30厘米

Yes No

左电机反转，小车向左转向

小车继续前

进

七、经费使用情况

八、程序代码

#include

#include

#define uint unsigned int

#define uchar unsigned char

#define ufloat unsigned float

#define s0 30

sbit Rin=P1^0; // 控制超声波的发射

sbit Rout=P1^1; // 接受超声波

float s;//前方障碍到小车距离

uint time;//超声波由发送到接收的时间

void init();//变量初始化函数

void delay(uint z);//0.5毫秒延时函数

void delayus(uchar us); //微秒级延时函数,延时时间t=（11+6*us）微秒

void sendpulse();//给P1^0口发送一个11微秒脉冲

void readtime();//读取计时器时间

void distance();//计算距离

void judgedirection();//判断是否转向

void main()

{

init(); // 初始化

while(1)

{

readtime(); //发送超声波并完成计时

distance();

judgedirection();//判断是否转向（默认右转）

delay(50);//延时25ms

}

}

void init()

{

Rin=0;

Rout=0;

P2=0xf5;//11110101,控制左右电机都正转，P2.0、P2.1控制左轮，P2.2、P2.3控制右轮TMOD=0x01;//设置定时器0为工作方式1

TH0=0;

TL0=0; //定时器初始化，一次50ms

}

void delayus(uchar us)

{

while(us--);

}

void delay(uint z)

{

uchar j;

uint i;

for(i=z;i>0;i--)

{

for(j=120;j>0;j--);

}

}

void sendpulse()

{

Rout=1;

delayus(0);

Rout=0;

}

void distance()

{

time=TH0*256+TL0;//获取计时时间，单位：微秒

TH0=0;

TL0=0;

s=(time*1.7)/100;//计算距离，单位：cm

}

void readtime()

{

sendpulse(); //发送一个10微秒的信号

delayus(0);//延时10微秒，防止信号直接发送到接受端

while(!Rin); //Rin为0时等待

TR0=1; //Rin为1时开定时器0

while(Rin); //等待直到Rin为0

TR0=0; //关闭定时器0，停止计时

}

void judgedirection()

{

if(s

{

P2=0xf5;//11110101,控制左右电机都正转，小车前进

}

else

{

P2=0xf6; //11110110，左轮正转，右轮反转，小车右转

}

}

九、感想：

通过做这次电工小项目，我知道了做项目的流程，对单片机有了更深的了解，并熟悉了开发环境Keil uvision3和烧程序的软件STC，能编辑出一般难度的程序了，在一定程度上，复习了C语言。更重要的是，学会了有条理的表达自己的想法和进行有效的沟通，潜移默化中培养了团队合作精神，这一切，会使我终身受益的。还有，在制作小车的过程中，我们三个合作的很轻松快乐，真心享受他们的陪伴。

值得一提的是，运用所学的单片机，我还编程了一个功能很全面的智能抢答器，出色完成了电工自主创新实验。不得不感慨，真是艺不压身啊！最后说一句，没能实现小车的追踪功能，我颇感遗憾。