智能寻光避障小车设计论文

2015年吉林化工学院电子设计竞赛智能寻光避障小车

参赛队员：刘立民李宏达张阵雨

指导教师：于军

吉林化工学院

Jilin Institute of Chemical Technology

摘要

本作品智能寻光避障小车实现了可以从发车区出发，并自动进入光源区寻找光源，在寻找光源前进的过程中可以自动避开障碍物的干扰，找到光源并可以自动启动制动装置停车；停车后还可以自动开启车前闪烁灯光，并根据灯光的闪烁频率，开启同频智能报警。在智能寻光、避障的过程中利用了安装在车前角的光电开关的检测，使小车可以成功的避开前进过程中遇到的障碍物；利用了安装在车上部的光敏二极管的检测，保证了小车的前进方向。

关键词：寻找光源避开障碍

摘要....................................................................................................................... I

2.3各模块方案的选择............................................................................- 4 -

2.3.1电机驱动模块.........................................................................- 4 -

2.3.2障碍检测模块.........................................................................- 4 -

2.3.3光源检测模块.........................................................................- 5 - 第3章系统的软件设计................................................................................- 5 -

3.1主程序流程图....................................................................................- 5 - 第4章测第1章方案选择与论证..........................................................- 1 -

1.1车体设计与论证................................................................................- 1 -

1.2系统控制基本方案...........................................................................- 1 -

1.3各模块方案的选择............................................................................- 1 -

1.3.1电机与驱动模块的选择.........................................................- 2 -

1.3.2障碍检测.................................................................................- 2 -

1.3.3光源检测.................................................................................- 2 - 第2章系统的硬件设计................................................................................- 3 -

2.1系统硬件的基本组成部分................................................................- 3 -

2.2控制器部分........................................................................................- 3 - 试结果与总结 (7)

4.1测试方法 (7)

4.2测试仪器 (7)

4.3 测试结果 (7)

4.4整车测试 (7)

4.5总结 (7)

第1章 方案选择与论证

1.1车体设计与论证

方案一：

选择市场现成的玩具车改装，那种玩具车车体设计合理，各个部分

的安装都坚实可靠，但是，缺点是该玩具车的车体车型都是固定的，要加上自

定义的装置，限制较大。

方案二：

选择自己制作的小车，虽然自己做的小车功能实现上没有市场上的

玩具车那样好，但是自己制作的的小车的车型可以自己设定，这样可以配合硬

件的部分合理的装配。

综合考虑，选择方案二比较好。

1.2系统控制基本方案

整体设计框图

本系统采用 ASTC89C52 作为系统控制器，它运算功能强，软件编

程灵活，自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且由于其功耗

低、成本低、体积小、技术成熟、引脚较少，实物硬件布线较简单，因此，控

制其他模块时操作简单，编程也相对简单。

1.3各模块方案的选择

控

制 器

STC89C52 障碍检测 光源检测 电机驱动 寻光

1.3.1电机与驱动模块的选择

方案一：采用减速小型直流电机。减速直流电机控制精度很低，虽不能准确控制电机转速，但可控制电机正转、反转、不转等动作，速度均匀性好。这已足够我们控制小车前进、拐弯、后退等简单工作，且控制简单，电源要求低，易于实现。

方案二：采用专用步进电机驱动器及与其配套的步进电机。步进电机是数字控制电机，用这种方案的控制精度（可控制角度）、效率和可靠性都很高，但价格过高、重量大、占用口资源多且控制复杂对电源要求也高，故被我们排除了。

通过以上对比，我们选择使用普通直流电机。

驱动部分，采用专用芯片L293D 作为电动车驱动芯片。L293D 是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它相应频率高，一片L293D 可以分别控制两个直流电机，而且还带有控制使能端。用该芯片作为电动车驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。

1.3.2障碍检测

方案一：光电开关的检测距离长与接近开关等比较，光电开关的检测距离非常长，且是无接触式的，所以不会损伤检测物体，也不受检测物体的影响。并且采用对检测对象的表面进行反射及光透过方式，不像接近开关只能对金属，还能对玻璃、塑料、木制物体、液体等各种物质进行检测。与接近开关同样，由于无机械运动，所以能对高速运动的物体进行检测。镜头免受污染后，光会散射或被遮光，所以在有活水蒸汽、尘土等较多的环境下使用的场合，需施加适当的保护装置。几乎不受一般照明光的影响，但像太阳光那样的强光直接照射受光体时，会造成误动作或损坏。

方案二：超声波模块采用现成的ＨＣ－ＳＲ０４超声波模块，该模块可提供2cm-400cm 的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到3mm。模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。基本工作原理：采用IO 口TRIG 触发测距，给至少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。

比较之下，我们采用方案一。

1.3.3光源检测

光源探测模块是本设计中比较重要的一部分，因为要实现智能小车前进，必须先找到光源，这样才能决定小车的前进路线。该模块若处理不当直接会导致整个设计的失败，找不到光源就无法完成任务。

方案一：光敏二极管

也叫光电二极管。光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的,其管芯是一个具有光敏特征的PN结，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。无光照时,有很小的饱和反向漏电流,即暗电流，此时光敏二极管截止。当受到光照时,饱和反向漏电流大大增加，形成光电流,它随入射光强度的变化而变化。当光线照射PN结时，可以使PN结中产生电子一空穴对，使少数载流子的密度增加。这些载流子在反向电压下漂移，使反向电流增加。因此可以利用光照强弱来改变电路中的电流。

方案二：光敏电阻

光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。但其过于灵敏，不易控制。

比较之下，我们采用方案一。

第2章系统的硬件设计

2.1系统硬件的基本组成部分

1、单片机最小系统板

2、电机驱动

3、障碍检测模块

4、光源检测模块

2.2控制器部分

系统的核心部分是STC89C52单片机，作为核心控制部分，该单片机的

IO已经足够了，并且由于其功耗低、成本低、体积小、技术成熟、引脚较少，实物硬件布线较简单。

2.3各模块方案的选择

2.3.1电机驱动模块

考虑到小车必须能够前进、倒退、停止，并能灵活转向，在左右两轮各装一个电机分别进行驱动。当左轮电机转速高于右轮电机转速时小车向右转，反之则向左转。为了能控制车轮的转速，可以采取PWM调速法，在单片机中编程改变输出方波的占空比就可以改变加到电机上的平均电压，从而可以改变电机的转速。左右轮两个电机转速的配合就可以实现小车的前进、倒退、转弯等功能。

2.3.2障碍检测模块

在障碍检测部分，采用了PMM18-A301NA光电开关来检测障碍，这是一种集发射与接收于一体的光电传感器，主要用于障碍物的检测。对障碍物的感应距离可以根据要求通过后部的旋钮进行调节。这样的障碍检测系统保证的对障碍的准确检测。

2.3.3光源检测模块

利用光敏二极管工作时加有反向电压，没有光照时，其反向电阻很大，只有很微弱的反向饱和电流。当有光照时，就会产生很大的反向电流，光照越强，该亮电流就越大。

第3章系统的软件设计

3.1主程序流程图

系统的软件流程图如下所示：

避障子程序流程图：

第4章测试结果与总结

4.1测试方法

完全按照要求模拟试验环境，在地板上设置测试场地（2m×2m），光源在离小车大约1.5m的固定位置摆放，小车前进方向上随机放置三个障碍物。

4.2测试仪器

万用表、白炽灯、螺丝刀等。

4.3 测试结果

1、寻光检测部分测试

调节光敏二极管即可设定检测光源的方位

光敏二极管位置光源与光敏二极

小车行走方向

管的距离

(m)

中 1 直走

左 2 左转

右 3 右转

2 、红外避障检测

红外避障传感器检测障碍物设定距离为8cm。

红外检测障碍则尽量灵敏。

3、测试中追光避障情况

次数小车离光源的距离

追光避障是否成功

（m）

1 2 是

2 3 是

即在有障碍有避障，然后寻光，最后在光强一定值时停车。

4、光强检测

光敏电阻与光源之间的距离设定为20cm。当小车停止时，距光源20cm。

4.4整车测试

智能寻光避障小车在调试过程中符合题意要求，并能完成基本部分和发挥部分。避障，寻光虽然有时有点小失误，但总的成功率很高。

4.5总结

在制作智能寻光避障小车的过程中，小车以AT89S52最小系统为控制中心，

加上电源、电机驱动，障碍检测模块、光电检测模块、电机驱动模块。经过反复

的调试，实现软件与硬件的融合，使智能寻光避障小车能够成功地实现避开障碍

物、寻找光源并前进。在这几天中我们不断对硬件和软件的调试，比如硬件的光

电检测的测试，避障的距离设定，光源的定位等，软件中转弯的考虑，寻光的方

案等.。最终的结果还是很好的。

多元统计分析课程设计

基----于----统----计----分----析----在----城----镇----居----民----人----均----购----买----主----要----食----品----数----量----的----分----析----

学院：理学院

专业：应用统计班级：

姓名

学号:

指导老师：

基于统计分析在城镇居民人均购买主要食品数量的分

析

摘要

进入21世纪以来，我国经济飞速发展，我国城镇居民的消费结构也发生了巨大改变，现在选取一些主要生活食物作为目标，对食品数量进行因子分析。主要运用SAS软件对所得到的数据进行分析，得出结论。

关键词：食品量因子分析 SAS

Abstact

There is a kind of automatic access systerm that use autamatic indemnification tecnology to identify user`s ID and rights and according to user`s rights to control the door.Since entering the twenty-first Century, China's rapid economic development, the consumption structure of urban residents in China has also changed a great change, and now select some of the main living food as a target, the number of food factors analysis. The main use of SAS software for the analysis of the data, draw the conclusion.

Key words: food quantity factor analysis SAS

目录

一．选题背景与选题意义.......................................................................... - 12 -

1.1 背景.................................................................................................. - 12 -

1.2 意义.................................................................................................. - 12 -

二．原理......................................................................................................... - 12 -

2.1 因子分析.......................................................................................... - 12 -

三．数据收集与整理..................................................................................... - 13 - 3.1 源数据...................................................................................................... - 13 -

3.2 整理的数据.................................................................................... - 14 - 四．实证分析................................................................................................. - 14 -

4.1 因子分析法.................................................................................. - 14 - 五．结果分析................................................................................................. - 15 - 六．参考文献................................................................................................. - 15 - 七．附录....................................................................................................... - 16 -

一．选题背景与选题意义

1.1 背景

进入21世纪以来，人民的生活得到了巨大改善，生活结构也变得更加

复杂。总体来说我们对人民具体生活还不是太了解，为了对人民生活提供

具体的数据，我们通过对居民人均购买的食品数量进行分析。

1.2 意义

1.2.1 理论意义

改革开放以来，总体来看人民的生活是上升的趋势，但是部分地

区还是处于贫困的水品。本次分析是以90年到2012年人民购买食品的数量为

研究依据，研究人民消费水品。用多元的统计分析方法得出的结论也为相关机

构提供了理论依据，对了解人民的总体生活有了大致的了解。

1.2.2 现实意义

本文数据基于全国人民购买食物数量，得出总体人民主要消费的物

品，从而得出人民生活状况。对于相关部门制定相关政策的制定有着重要意义。

二．原理

2.1 因子分析

2.1.1 因子分析的思想

因子分析是利用降为的思想，由研究原始变量相关矩阵内部的依赖关

系出发，把一些具有错综复杂关系的变量归结为少数几个综合因子的一种

多变量统计分析方法。因子分析的基本思想是根据相关性大小把原始变量

分组，使得同组内的变量之间相关性较高，而不同组的变量间的相关性则

较低。每组变量代表一个基本结构，并用一个不可观测的综合变量表示，

这个基本结构就成为公共因子。对于所研究的问题就是试图用最少个数的

不可预测的所谓公共因子的线性函数与特殊因子之和来描述原来观测的每

一个分量。

2.1.2因子分析的模型

设p x x x ,...,21是P 个可观测的变量，)(,...,21p m F F F m <其中是m 个不可观测

的变量，并且有P 个变量p 2121...,...,X X X p ，，分别影响于εεε。他们满足下列的模型： ????

?????++++=++++=++++=p m F pm a F p a F p a X m F m a F a F a X m F m a F a F a X εεε 22112222212111212111321

则称上述模型为一个因子模型，我们可以用矩阵表示为： ε+=AF X

其中，'()',,(p 2121），称为变量X X X X F F F F m == 的公共因子（简称

为因子）， )',,(21p εεεε =称为X 的特殊因子。特殊因子ε是模型中不能被

公共因子所包含的部分，公共因子m F F F ,,21一般对每个i X 都有作用，而每个

特殊因子i ε只对每个i X 起作用。矩阵m p ij a A ?=)(是待估的系数矩阵，ij a 称为

第i 个变量在第j 个因子上的载荷。

三．数据收集与整理

经过在统计年鉴上数据的筛选，得到以下数据，用以下数据分析国民

的食品购买数量推断人民的生活的变化。

3.1 源数据

城镇居民人均购买主要食品数量

指 标

1990 1995 2000 2005 2010 2011 2012

粮 食 (千克) 130.72 97.00 82.31 76.98 81.53 80.71 78.76

鲜

菜 (千克) 138.70 116.47 114.74 118.58 116.11 114.56 112.33 食用植

物油 (千

克) 6.40 7.11 8.16 9.25 8.84 9.26 9.14

猪 肉 (千克) 18.46 17.24 16.73 20.15 20.73 2

0.63

21.23 牛 羊

肉 (千克)

3.28 2.44 3.33 3.71 3.78 3.95 3.73 禽

类 (千克)

3.42 3.97 5.44 8.97 10.21 10.59 10.75 鲜

蛋 (千克)

7.25 9.74 11.21 10.40 10.00 10.12 10.52 水 产

品 (千克)

7.69 9.20 11.74 12.55 15.21 14.62 15.19 鲜

奶 (千克)

4.63 4.62 9.94 17.92 13.98 13.70 13.95 鲜 瓜

445555

56.05

果 (千克) 1.11 4.96 7.48 6.69 4.23 2.02

酒 (千克) 9.25 9.93 10.01 8.85 7.02 6

.76

6.88

数据来源：《中国统计年鉴》-----2014 3.2 整理的数据

用通过整理的数据带入程序进行相关分析。

四．实证分析

4.1 因子分析法

通过整理的数据，用SAS9.2得出以下结果：

由表1可以看到，第一特征值所占比例为0.7278，第二特征值所占比例为0.1967，这俩特征值之和累计比例已经达到0.9245.因此，根据主成分法我们可以取两个公共因子。 表2显示了每个变量在公共因子上的载荷，根据因子载荷阵我们可以建立如下因子模型： ?????????????????+--=+-=++=

++=+-=++=++=++=+-=++-=++-=12111087654321257732.0174253.011238364.0185577.010207538.0192132.09207533.0197097.08269056.0171964.07226216.0195893.06248371.0177482.05262789.0174141.04203436.0198817.03255926.0175018.02242847.0189669.01εεεεεεεεεεεfactor factor x factor factor x factor factor x factor factor x factor factor x factor factor x factor factor x factor factor x factor factor x factor factor x factor factor x 由表3可知，两个公共因子所解释的方差分别是8.0060897和2.1631935，两者之和为10.169283，而且各个变量的共同度都比较大，可以认为这两个公共因子较好的反映了原始数据的信息。但从因子载荷看，比较难于解释每个公共因子的含义，因此我们考虑对因子载荷进行旋转。得到表4，表5：

从表5可以看出，变量x4(猪肉），x5(牛羊肉），x6（禽类）有较大

的正载荷，因此factor1可以认定为肉类食品购买量指标。变量x7（鲜蛋），

x10(鲜瓜果）在第二个因子factor2上有较大的正载荷，因此factor2可表1 表2 表3 表4 实施正交旋转变换

以认为是副食物品购买量指标。根据因子载荷阵，我们可以建立旋转后的

因子模型。得到表6：

根据表6，我们可以写出因子得分函数如下：

Factor1=0.44345825x1+0.4514821x2+0.04047058x3-0.2426024x4-0.

0890842x5+1.78097512x6

Factor2=-1.5670202x1-1.0348224x2+0.5635063x3+1.1829942x4+0.9

7878724x5-2.8701713x6

根据因子得分函数就可以计算各因子得分。查看SAS 资源管理器窗口，

在临时逻辑库work 下的数据集fact 为各种食品购买量的因子得分，如表7：

上面我们已经确定了factor1为肉类食品购买量指标，factor2认为

是副食物品购买量指标。为了清晰直观地了解各年份在这两个因子上的得

分，我们利用PLOT 过程绘制因子得分的散点图，如下表表8：

从表8可以看出，1990到1995年生活水平低下，普遍的没什么钱去

购买食物。2000年好转了一些，可以买些副食品改善生活。从2005年到2012年，生活水平在不断提高，能买上的肉制品也越来越多。

五．结果分析

通过以上分析，从90年到12年，人民的生活发生了巨大变化，从没

吃的到可以买上越来越多的肉，这说明人民富裕了。人民可以买自己想吃

的食品，从10年到12年，人民购买的副食品开始增多，说明人民也换着

食品吃，对食品的要求也增高了。总体上变化是很明显的，但是作为一个

大国，我们还有很多人的生活还没得到提高，相关部门必须要多关心一下

这些人。为了更多的人生活得幸福快乐，在人民生活上要下功夫。

六．参考文献

SAS 统计分析与应用 [M]机械工业出版社 刘荣，冯国生，丁维岱 2011-9-1

425页

表6 因子得分系数 表7 因子表8 按照因子得分绘制的散点图

七．附录

（1）建立数据集

data life;

input years $ x1-x11 ;

Label x1=’粮食’ x2=’鲜菜’ x3=’食用植物油’ x4=’猪肉’ x5=’牛羊肉’x6=’禽类’ x7=’

鲜蛋’ x8=’水产品’ x9=’鲜奶’ x10=’鲜瓜果’ x11=’酒’;

cards;

1990年 130.72 138.7 6.4 18.46 3.28 3.42 7.25

7.69 4.63 41.11 9.25

1995年 97 116.47 7.11 17.24 2.44 3.97 9.74

9.2 4.62 44.96 9.93

2000年 82.31 114.74 8.16 16.73 3.33 5.44 11.21

11.74 9.94 57.48 10.01

2005年 76.98 118.58 9.25 20.15 3.71 8.97 10.4

12.55 17.92 56.69 8.85

2010年 81.53 116.11 8.84 20.73 3.78 10.21 10

15.21 13.98 54.23 7.02

2011年 80.71 114.56 9.26 20.63 3.95 10.59 10.12

14.62 13.7 52.02 6.76

2012年 78.76 112.33 9.14 21.23 3.73 10.75 10.52

15.19 13.95 56.05 6.88

;

Run;

（2）.因子分析

proc factor data=life method=principal ;

var x1-x11;

run ;

（3）.因子载荷矩阵旋转

proc factor data=life rotate=varimax ; /*选项ROTATE=VARIMAX表示进行方差最大的正交旋转

*/

var x1-x11;

run ;

（4）.因子得分

proc factor data=life rotate=varimax score n=2 out=fact ;

var x1-x11;

run ;

（5）.因子得分散点图

proc plot data=fact; plot factor2*factor1='*' $ years/href=0 vref=0; run;