智能巡线避障小车的制作

国家级综合工程训练中心“智能机器人”创新实践班项目论

证报告

项目名称：智能小车“旅行探险游”

指导教师：项目负责人：项目组成员：

肖晓萍

龙珍

电子专业1201班龙珍

电子专业1201班卢景自动化专业1203班黄健

机械专业1203班李炳川

“智能机器人”创新实践班

2014年4月

摘要

本实验完成采用红外反射式传感器的自寻迹小车的设计与实现。采用与白色地面色差很大的黑色路线引导小车按照既定路线前进，在意外偏离引导线的情况下自动回位，并提高转向指示，到达终点报警及按最优路径返回。

本设计采用单片机STM32单片机作为小车检测、控制核心，以手工制作的车架为车体，两直流机为主驱动，附加相应的电源电路、驱动电路、指示电路构成整体电路。自动寻迹的功能采用红外对管TCRT-5000实现，信号经三极管9012放大，经LM339电压比较器比较之后将信号送给单片机，由单片机通过控制驱动芯片L298N驱动智能小车的电机，改变小车的运动状态。

关键词：ATmege16单片机；红外对管TCRT-5000；红外传感器；PID算法

目录

目录......................................................................................................................................... I 1.1项目简介 ..................................................................................................................... - 3 - 1.2研究现状 ..................................................................................................................... - 3 - 1.3项目任务及要求 ......................................................................................................... - 4 - 1.3.1巡线能力 ................................................................................................................. - 4 - 1.3.2任务要求 ................................................................................................................. - 4 - 1.3.3快速性与稳定性 ..................................................................................................... - 7 - 2总体设计方案的选择及论证............................................................................................. - 8 - 2.1系统分析 ..................................................................................................................... - 8 - 2.1.1系统硬件电路设计分析 ......................................................................................... - 8 - 2.1.2系统软件设计分析 ................................................................................................. - 9 - 2.2关键技术点及对策 ................................................................................................... - 10 - 2.2.1 行进平稳性与速度控制及PID技术的选择 ...................................................... - 10 - 2.2.2关于小车的记忆算法 ........................................................................................... - 11 - 3分模块的选择及论证....................................................................................................... - 12 - 3.1单片机选择方案 ....................................................................................................... - 12 - 3.2传感器的选择与论证 .............................................................................................. - 13 - 3.2.1避障传感器的选择与论证 .................................................................................. - 13 - 3.2.2巡线传感器的选择与论证 ................................................................................... - 15 - 3.3 PID算法的选择与论证 ........................................................................................... - 16 - 3.4 通信模块的选择及论证 .......................................................................................... - 20 - 3.5巡线模块的选择及分析 ........................................................................................... - 23 - 3.6 电机模块的选择与论证 .......................................................................................... - 25 - 3.7 显示模块的选择与论证 .......................................................................................... - 26 - 4理论分析与计算............................................................................................................... - 27 - 4.1 数字PID控制器的理论分析与相应计算 .............................................................. - 27 - 4.1.1模拟PID控制规律的离散化，表一。 ............................................................... - 27 - 4.1.2数字PID控制器的差分方程 ............................................................................... - 27 - 4.1.3 常用的控制方式 .................................................................................................. - 27 -

4.1.4模拟PID ....................................................... - 27 - 4.1.5增量PID算法表达式： ....................................................................................... - 28 - 4.2稳压模块的分析及计算 ........................................................................................... - 28 - 4.2.1 5V稳压方案： ..................................................................................................... - 28 - 4.2.2 3.3V稳压方案： ............................................................................................... - 29 - 4.2.3 9V稳压方案： ................................................................................................... - 29 - 4.3 记忆算法的分析与计算 .......................................................................................... - 30 - 5总结................................................................................................................................... - 33 - 参考文献.............................................................................................................................. - 34 -

1项目描述

1.1项目简介

随着科学技术的进步，控制技术也日益发展，实现机械智能化是我们共同的目的。大到我们的工厂生产，小到我们日常生活，智能化的运作给我们带来了很多的方便，也节省了大量的劳动力，促进了生产生活，提高了工厂了加工精度，方便了我们的生活。为了更好的了解智能化，对智能化能够由现象到本质的认识，我们展开了对智能小车的设计制作。本次项目旨在制作一辆智能小车，小车具有巡线，避障，路径优化等功能。利用ATmega16作为主控芯片，对各个模块的有效控制，优化设计，调试软件、硬件，最终实现所有的功能。

1.2研究现状

目前，在企业生产技术不断提高、对自动化技术要求不断加深的环境下，智能车辆以及在智能车辆基础上开发出来的产品已成为自动化物流运输、柔性生产组织等系统的关键设备。世界上许多国家都在积极进行智能车辆的研究和开发设计。移动机器人从无到有，数量不断增多，智能车辆作为移动机器人的一个重要分支也得到越来越多的关注。

智能车辆也叫无人车辆，是一个集环境感知、规划决策和多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统。它具有道路障碍自动识别、自动报警、自动制动、自动保持安全距离、车速和巡航控制等功能。智能车辆的主要特点是在复杂的道路情况下，能自动地操纵和驾驶车辆绕开障碍物并沿着预定的道路(轨迹)行进。智能车辆在原有车辆系统的基础上增加了一些智能化技术设备:

(1)计算机处理系统：主要完成对来自摄像机所获取的图像的预处理、增强、分析、识别等工作;

(2)摄像机：用来获得道路图像信息;

(3)传感器设备：车速传感器用来获得当前车速，障碍物传感器用来获得前方、侧方、后方障碍物等信息。

智能车辆技术按功能可分为三层，即智能感知/预警系统、车辆驾驶系统和全自动操作系统团。上一层技术是下一层技术的基础。三个层次具体如下:

(1)智能感知系统：利用各种传感器来获得车辆自身、车辆行驶的周围环境及

驾驶员本身的状态信息，必要时发出预警信息。

(2)辅助驾驶系统：利用智能感知系统的信息进行决策规划，给驾驶员提出驾驶建议或部分地代替驾驶员进行车辆控制操作。主要包括:巡航控制、车辆跟踪系统、准确泊车系统及精确机动系统。

(3)车辆自动驾驶系统：这是智能车辆技术的最高层次，它由车载计算机全部自动地实现车辆操作功能。目前，主要发展用于拥挤交通时低速自动驾驶系统、近距离车辆排队驾驶系统等。

1.3项目任务及要求

1.3.1巡线能力

小车必须具备基本的巡线能力，对无速度要求，但要求行驶状态尽可能平稳。

1.3.2任务要求

任务一：小车在形如图1所示（不代表最终路线，但基本形式没有大的变化）的主路线上以巡线方式前进，在主路线分支上共设有6个物品检测分支节点，其中只有5个分支节点上放置有检测物品，一个节点为空节点。

要求小车行进到节点分支处能改变行进路线，并检测是否有物品（不得触碰物品），若有则需发出蜂鸣器声音提示，若无则不给出声音提示，节点检测完成后小车自行按主路线继续前进，到达终点后，小车自行停止，至此完成任务一的要求。

终图1. 任务一示意图

任务二：小车在形如图2所示（不代表最终路线，但基本形式没有大的变化）的主

路线上以巡线方式前进，在主路线分支上共设有6个分支节点，其中有4检测物品节点，其要求要求与任务一相同；剩余2个节点中，其中一个分支节点为蜡烛火焰检测节点，要求小车能检测到燃烧的火焰，并能启动相关装置将火焰熄灭；另一个分支节点为斜坡

跌落检测节点，要求小车在行驶至坡道顶端时，能检测到跌落危险，并从坡道退至平地。在完成不同类型的节点任务后，小车自行按主路线继续前进，直至达终点后小车自行停

止，至此完成任务二的要求。

终图2 任务二示意图

任务三：小车在形如图2所示（不代表最终路线，具体形式可能有变化）的主路线

上以巡线方式前进，在主路线分支上共设有多个节点，其中含有形如任务二中所示的6

个分支节点，其节点任务及其要求与任务二相同，要求小车在具有迷宫形式的路线中完

成相应的节点任务，并在达到路线终点后能以最优（路线最短）路径返回出发点，之后

停止，至此完成任务三的要求。

终点

图3 任务二示意图

1.3.3快速性与稳定性

在整个任务过程中，小车需要在快速性与稳定间求得平衡，以求取得好的成绩。

2总体设计方案的选择及论证

2.1系统分析

2.1.1系统硬件电路设计分析

图4 系统硬件结构框图

2.1.2系统软件设计分析

图5总程序框架图

2.1.3红外循迹模块框架流程图

图6 流程图

2.2关键技术点及对策

2.2.1 行进平稳性与速度控制及PID技术的选择

巡线小车在巡线过程中，由于线路转弯、十字路口、上升坡度等原因，都会使小车速度发生变化，可能造成其行驶摆动、偏离行进路线甚至停止。因此在小车在行进中，既要保证其速度的及时调节，也要考虑行进的稳定性。为此，在本项目中，我们选择使用具有闭环控制的PID算法实现。小车巡线时，结合红外对管、电机码表等，在PID装置上通过智能化调整或者校正、自适应算法来实现PID控制器参数的自动调整，以实现小车速度的精确控制及平稳行驶。

2.2.2关于小车的记忆算法

记忆算法即是利用字符串匹配算法消去小车走的弯路，直接从终点走回起点。

根据迷宫的组合可能有以下不同的结果例如：

“LBL”=”A”

“LBA”=”R”

“ABL”=”R”

同样也可以得到其他的不同的组合的情况

“ABA”=”B”

“ABR”=”L”

“RBA”=”L”

“RBR”=”A”

“RBL”=”B”

“LBR”=”B”

利用这些组合，进行字符串的匹配以及替换。以此可以通过不断的匹配以及替代得出最短路径，小车在返回时就可以按照算出来的最短路径直接走回起点实现记忆的功能。

3分模块的选择及论证

3.1单片机选择方案

方案一：采用AT89C51单片机，显示程序简单,显示亮度高,节省 CPU 的时间,但占用 I/O 口资源较多,内部存储空间不大，硬件成本高,功耗大，且速度较低。

方案二：采用STC89C52单片机作为系统的控制核心。密码管理系统用I^2C总线AT24C02来实现，温度感应用DS18B20来采样温度，利用PWM控制电机转速。由于使用了单片机，整个系统可编程，系统的灵活性大大增加了。但是其自由度大、功耗低、体积小，性价比较高。

方案三：采用ATmega16单片机，超功能精简指令集（RISC），具有32个通用工作寄存器，克服了如8051采用单一ACC进行处理造成的瓶颈现象，快速的存取寄存器组、单周期指令系统，大大优化了目标代码的大小、执行效率，部分型号FLASH非常大，特别适用于使用高级语言进行开发，片内集成多种频率的RC振荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时等功能，外围电路更加简单，系统更加稳定可靠，同时其还具有可编程的串行接口，方便扩展端口，为项目的结构优化提供提供良好的基础。

经过以上的比较论证，选用方案三来完成项目设计的要求。

3.2传感器的选择与论证

3.2.1避障传感器的选择与论证

方案一：超声波传感器可以用来模拟人的接近觉，也就是利用它来感觉近距离的对象或障碍物，比较简单的应用时它能检测出相对物体的距离，比较复杂的应用中它能检测物体的相对倾角甚至对象表面的物体，可以用来实现机器人的避障，实现无冲击接近和抓取操作，是一种应用广泛的传感器。优点是反应速度灵敏，距离远，受外界干扰小。但项目所需要的距离短，如果利用超声波传感器进行避障的话，由于空间小声波在小空间不同方向里会进行多次反射，左右前后的传感器之间互相干扰，使控制中心不能明确判断出那个方向遇到了障碍物，从而动作絮乱，不能实现要求。

方案二：与超声波传感器一样，红外传感器也是一种接近觉传感器，不过超声波传感器作用一般几米到几十米，常用于检测较大物块，电路也复杂一些。红外传感器的作用距离一般为几十厘米到几米，它也能检测各种物体，接口电路相对简单。

红外传感器属于光电式传感器，它主要有光源和光敏元件构成，其原理是：当有被测物体靠近时，由于光源到光敏元件之间的光路的性质发生变化，导致光敏元件的输入光通量改变，从而引起信号的变化。常见的红外传感器如下图所示。

图7 传感器

常用的光电式红外传感器是采用扩散反射式结构，这是一种将光源和光敏元件封转为一体的结构，他它利用被测物体自身的表面来反射光源的光线，由于一般被测物体表面不能全反射，所以称为扩散反射型。它检测距离较近，不需要加反射板，使用方便灵

活，下图是它的基本原理。

图8 原理图

这种传感器由一个发光二极管用作接收的光电三极管组成，光源的光锥和接收器光锥香蕉构成一个细长的区域，若该区域内行物体存在，则投射被反射到光敏元件上，传感器可以感知物体的存在。

图4.2.11是扩散反射式红外接近觉传感器的输出口及引线。接口电路共有4根引线。其中a、b线为电源线，c线为信号引出线，d线用来选择输出信号的运作方式。若d线与a线（电源正端）接通，当传感器光路探测到物体时，三极管G导通、输出低电平信号，同时传感器k红色指示灯处于“ON”的状态；反之，若敏感区无物体时，三极管G截止，输出高电平信号，指示灯处于“OFF”状态。

图9 传感器

3.2.2巡线传感器的选择与论证

方案一：用光敏电阻组成光敏探测器

用光敏电阻组成光敏探测器，光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变化。当光线照射到白线上面时，光线发射强烈，光线照射到黑线上面时，光线发射较弱。因此光敏电阻在白线和黑线上方时，阻值会发生明显的变化。将阻值的变化值经过比较器就可以输出高低电平。

方案二：用红外发射管和接收管

用红外发射管和接收管自己制作光电对管寻迹传感器。红外发射管发出红外线，当发出的红外线照射到非黑色的平面后反射，若红外接收管能接收到反射回的光线则检测出非黑线继而输出低电平，若接收不到发射管发出的光线（黑色具有吸收光谱的作用，黑线吸收了发射管发出的光线）则检测出黑线继而输出高电平。但是这种方案受光照影响很大，不能够稳定的工作。

方案三：用TCRT5000传感器

TCRT5000传感器的工作原理与一般的红外传感器一样,一传一感.TCRT5000具有一

个红外发射管和一个红外接收管.而接收器是一个高灵敏度，硅平面光电三极管，当发

射管的红外信号经反射被接收管接收后,接收管的电阻会发生变化,在电路上一般以电

压的变化形式体现出来,ADC 转换或LM324等电路整形后得到处理后的输出结果.电阻的

变化起取于接收管所接收的红外信号强度,常表现在反射面的颜色和反射面接收管的距

离两二方面。除此之外，TCRT5000传感器电路结构简单、稳定，基于以上方案的讨论，我们选择了方案三。

电路原理图：

图 10 TCRT5000传感器模块电路原理图

传感器的红外发射二极管不断发射红外线，当发射出的红外线没有被反射回来或

被反射回来但强度不够大时，光敏三极管一直处于关断状态，此时模块的输出端为低电

平，指示二极管一直处于熄灭状态；被检测物体出现在检测范围内时，红外线被反射回

来且强度足够大，光敏三极管饱和，此时模块的输出端为高电平，指示二极管被点亮。

3.3 PID 算法的选择与论证

3.3.1 PID 算法方案的选择

方案一：位置型控制

1)位置型的递推形式

)2()1()()1()()1()(210-+-++-=?+-=n e a n e a n e a n u n u n u n u

2)位置型PID 算法的程序流程

只需在增量型PID 算法的程序流程基础上增加一次加运算)

()1()(n u n u n u =-+?和更新)1(-n u 即可。

I

数字PID 增量型控制示意图

(2).增量型PID 算法的程序流程

1).增量型PID 算法的算式

)2()1()()(210-+-+=?n e a n e a n e a n u 式中

)1(0T T T T K a D I P ++=，)21(1T T K a D P +-=，T T K a D

P -=2 3.3.2 PID 算法的选择及设计：

在巡线小车行进过程中，电机转速由传感器或变送器来检测，这个速度与在传感器

建成路段要求转速的给定值进行比较，得到偏差，通过PID 的自动调节器依据事先设定

值，按要求行驶规律按一定控制规律使操作变量变化，以使偏差趋近于零，其输出通过

执行器作用于过程，最终使小车在行驶过程中达到稳定效果。因此我们选择增量型的

PID 算法。

下图为巡线小车系统控制图和PID 运算流程图：

N 图11 PID系统控制图