智能小车文献综述

基于单片机的智能小车文献综述

1.国内外实务界和学术界研究现状

机器人自其诞生以来，作为新生科技的代表就不断应用到各个行业，诸如机械、电子、交通、宇航、通信、军事等领域。

尤其是近年来机器人的智能水平不断提高，并开始走进人们的生活。在人们在不断探索、改造、认识自然的过程中，也不断的尝试着制造机器人以替代人类，比如IBM研制的蓝巨人、现在家庭生活中常用的机器人吸尘器、机器人擦窗机等等。机器人属于自动化运转的机器，但是其具备了一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，具有高度灵活性。

在研究和开发未知及不确定环境下作业的机器人的过程中，人们逐步认识到机器人技术的本质是感知、决策、行动和交互技术的结合。随着人们对机器人技术智能化本质认识的加深，机器人技术开始源源不断地向人类活动的各个领域渗透。结合这些领域的应用特点，人们发展了各式各样的具有感知、决策、行动和交互能力的特种机器人和各种智能机器，如移动机器人、微机器人、水下机器人、医疗机器人、军用机器人、空中空间机器人、娱乐机器人等，智能小车则可作为机器人的代表[1]。智能小车，也称轮式机器人，是移动机器人中的一种。集合了传感器技术，和自动控制技术。智能小车就是通过传感采集信号，将采集到的信号进行整理，传输给单片机，通过单片机编程控制小车做出智能反应。

智能车辆的研究始于20世纪50年代初，美国BarrettEleetronies公司开发出的世界上第一台自动引导车辆系统(Automated Gulded VehicleSystem,Aovs)。1974年,瑞典的VolvoKalmar轿车装配工厂与sehiinder-Digitron公司合作研制出了可装载轿车车体的AGVS,并由多台该种AGVS组成了汽车装配线,从而取消了传统应用的拖车及叉车等运输工具。因其采用的AGVS经济效益明显，许多纷纷效仿并逐步使AGVS成为装配作业中流行的运输手段。在世界科学界和工业设计界中，众多的研究机构正在研发智能车辆，其中具有代表性的智能车辆包括：

意大利MOB-LAB的研发车载实时图像处理系统，通过计算机视觉系统来检测

车道轨迹，实现车辆自主驾驶。1985年德意志联邦大学研发出多辆智能原型车辆，其VaMoRs智能原型车辆可在户外高速公路上以100km/h的速度进行了测试，并使用机器视觉来保证横向和纵向的车辆控制。1988年,在都灵的PROMETHEUS 项目第一次委员会会议上，智能车辆维塔(VITA,7t)也进行了展示,该车可以自动停车、行进，并可以向后车传送相关驾驶信息，这两种车辆都配备UBM视觉系统。这是一个双目视觉系统，具有极高的稳定性，同时还包括一些其他种类的传感器：三个加速度计，一个车轮位置编码器(可作为里程表或速度计)，在VaMORs车中,GPS接收机可以实现车辆位置的初步估算。美国俄亥俄州立大学智能交通研究所所研发的三辆智能原型车辆，配备不同的传感器来实现数据融合和错误检测技术:基于视觉的系统；雷达系统(检测与车道的横向位置)；激光扫描测距器(障碍物检测)；其他传感器，如侧向雷达，转向陀螺仪。

在我国，吉林大学智能车辆课题组长期从事智能车辆自主导航机理及关键技术研究。20世纪90年代以来,课题组开展的组态式柔性制造单元及图像识别自动引导车的研究对我国独立自主开发一种新型自动引导车辆系统,从而为我国生产组织模式向柔性或半柔性生产组织转化提供了有意义的技术支撑和关键设备。课题组己开发出JUTIV-1、JUTIV-2、JLUIV-3三种型号的自动引导车辆，其中JLUW-3实用型视觉导航AGV已投入工厂进行中试，并得到吉林省科委“新型视觉引导AGV及自动物流运输系统开发”项目、长春市政府科技引导计划新星创业项目、吉林大学科技园高新技术产品孵化项目的立项资助。

2003年7月中国第一汽车集团公司和国防科技大学联合研制成功我国第一辆自主驾驶轿车，该自主驾驶轿车在正常交通情况下稳定行使速度可达130公里/小时,并且具有超车功能,总体技术性能和指标已经达到世界先进水平。清华大学、北京理工大学等单位也研发智能车辆。

汽车自主驾驶技术是集模式识别、智能控制、计算机科学和汽车操纵动力等多门学科于一体的综合性技术,汽车自主驾驶功能水平的高低常被用来作为衡量一个国家控制技术水平的重要标准之一，智能车辆的相关技术，也将为促进轮式机器人的研究。

目前学术界对智能小车的研究也很多，桂林理工大学黄建能等[2]设计的无线遥控小车，其由四部分组成：主控模块、无线通信模块、电机驱动模块和电源模

块。主控模块采用STC89C52单片机作为处理器；无线通信模块采用芯片 PT2262和 PT2272实现无线收发；用内置两个H桥的 L298芯片驱动直流电机实现对小车的控制，实现前进、后退，左转、右转以及加速、减速的动作。整个无线遥控小车系统具有体积小、成本低、操作简单等优点，并具有一定的可扩展性。

于连国、李伟等[3]设计了自动往返的智能电动车，其采用 STC89C51 单片机作为小车的检测和控制核心；使用红外传感器检测跑道黑线并把反馈到的信号传给单片机，能够使小车在各区域均能按预定的速度行驶。

葛广军,杨帆[4]设计了一种能够自动循迹的智能小车。该智能小车的控制系统以单片机MC912DG128为核心,由路径识别、车速检测、舵机控制、直流电机、电机驱动芯片LMD18200和电压转换芯片LM7525等模块组成，并详细阐述了控制系统的组成原理和软硬件设计。实验的结果表明：该控制系统具有循迹效果好、性能稳定等优点。

董涛,刘进英等[5]设计并制作了一种具有红外遥控、自动避障、智能寻径等功能的智能小车，该车以玩具小车为车体,直流电机及其控制电路为整个系统的驱动部分，STC89C52单片机为整个系统的控制核心,采用IRM-2638红外一体接收头接收控制信号实现对小车的遥控,加以多种传感器以实现小车的自动避障与智能寻径等功能，该小车还配备了两块数码显示管，以便实时观察小车状态。该小车工作稳定，还可用于各种机器人比赛。

姜宝华、齐强等[6]基于STC89C52RC单片机设计了一种遥控智能小车。小车具有自动、遥控两种模式。该小车在遥控模式下小车可在1公里范围遥控到达指定位置，并在手持设备上显示小车位置坐标；自动模式下在封闭环境输入任意坐标，小车可自动运行到该位置。

2.初步设想

智能车辆是集环境感知、规划决策、多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统，是智能交通系统的一个重要组成部分。它在军事、民用、太空开发等领域有着广泛的应用前景。本次设计对智能小车的控制系统进行了研究，设计实现一个基于路径规划处理的智能小车控制系统。

2.1主控系统

方案1：采用可编程逻辑器件CPLD作为控制器。CPLD可以实现各种复杂的

逻辑功能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、IO资源丰富、易于进行功能扩展。采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合为大规模控制系统的控制核心。但本设计不需要复杂的逻辑功能，对数据的处理速度要求也不是非常高。且从使用及经济角度考虑我放弃了此方案。

方案2：采用51单片机作为整个系统的核心[7]，用其控制行进中的小车，以实现其既定的性能指标。充分分析我们的系统，其关键在于实现小车的自动控制，而在这一点上，单片机就显现出来它的优势——控制简单、方便、快捷[10]。这样一来，单片机就可以充分发挥其资源丰富、有较为强大的控制功能及可位寻址操作功能[8]、价格低廉等优点。因此，这种方案是一种较为理想的方案。

2.2电源模块

方案1：采用12V蓄电池为系统供电，蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出。但是蓄电池的体积过于庞大，小型电动车上使用极为不方便。因此放弃此方案。

方案2 ：采用7V可充电式锂电池，经过7805稳压电路得到5V电压，为单片机机和各模块供电。此电池的优点是体积小、重量轻，电流稳定，能够满足本次设计的要求。为了防止干扰，使电路更加稳定，此电路中采用两个7805稳压模块分别为单片机及传感器模块和电机供电。因此我选择此方案。

2.3电机驱动模块

方案1：采用继电器对电机得开或关进行控制，通过开关的切换对小车的速度进行调，此方案优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、易损坏、寿命较短，可靠性不高。放弃此方案。

方案2：采用专用芯片L298作为电机驱动芯片。L298是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，一片L298可以控制两个直流电机，而且还带有控制使能端，能够控制电机的转向和速度，用该芯片作为小车的电机驱动能够很好的控制小车，操作方便，稳定性好，性能优良。因此我选择此方案。

2.4电机选择

方案1：采用步进电机作为该系统的驱动电机。由于其转过的角度可以精确的定位，可以实现小车前进路程和未知的精确定位。虽然采用步进电机有诸多有点，但步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高转速时会急剧

下降，其转速较低，不适用于对小车有一定速度要求的系统。经考虑比较后，我放弃此方案。

方案2：采用小型直流减速电机。直流减速电机转动力矩大，转动速度较快，体积小，重量轻，装配简单，使用方便，满足此次设计要求。因此我选择此方案。

2.5通信模块

方案一：由发射和接收两大部分组成红外遥控系统[11]，应用编/解码专用集成电路芯片来进行控制操作，发射部分包括键盘矩阵、编码调制、LED红外发送器；接收部分包括光、电转换放大器、解调、解码电路等。相对结构比较复杂，而且使用的时候必须将遥控器前的红外发射孔对准接收管才可以。

方案二：无线电遥控也由发射和接收两大部分组成[12]，由于无线电遥控模块在市场上非常普及，加上无线电遥控有传输距离远、抗干扰能力强、无方向性等优点，对于小车的控制是一个不错的选择。

结合两种方案，最终选择用电量、发射、接受功率都不大，一般的小障碍也可以穿越，而且遥控无方向性的无线电遥控。

2.6循迹模块

方案1：采用发光二极管和光敏二极管构成检测电路，此方案的缺点在于其他环境的光源对光敏二极管的工作产生很大的干扰，一旦外界光强改变，很可能造成误判和漏判，采用超高亮发光管可以在一定程度上提高抗干扰能力，但这又增加了额外的功耗。此方案检测系统不稳定，所以放弃此方案。

方案2：采用RPR-220光电对管方案，RPR-220是一种一体化光电反射探测器，其发射器是一个砷化镓红外发光二极管，接收器是一个硅平面光电三极管，经测试，该探测器对黑线检测结果非常好，受外界光源影响较小，小车装上三对光电对管，即可保证车体始终保持在轨道内正常前行。

相比两个方案，考虑到调试时对外界光源的不确定性，为了保证检测的抗干扰行，提高检测准度精度，决定采用方案二，即RPR-220光电对管方案。

3.

4.参考文献

[1]王晶.智能小车运动控制技术研究.硕士论文,武汉:武汉理工大学,2009

[2]黄建能,杨光杰.无线遥控小车.[J]现代电子技术.2012,

Vol.35,No.23:126-129.

[3]于连国,李伟,王妍玮.基于单片机的智能小车设计[J]林业机械与木工设备,2011, Vol.39,No.4:39-41.

[4]葛广军,杨帆.基于单片机的智能小车控制系统设计.[J]河南城建学院学报, 2011, Vol.20,No.3:47-50.

[5]董涛,刘进英,蒋苏.基于单片机的智能小车的设计与制作[J]计算机测量与控制, 2009, Vol.17,No.2:380-382.

[6]姜宝华,齐强.基于单片机的无线遥控智能小车的设计与制作[J]计算机测量与控制, 2013,（2）:24-25.

[7]张毅刚，彭喜元，彭宇，单片机原理及应用，高等教育出版社，2010.5

[8]郭天祥，新概念51单片机C语言教程，电子工业出版社,2009.1

[9]童诗白，华成英，模拟电子技术基础，高等教育出版社,2006.5

[10]周学毛，新编C语言程序设计教程，西安电子科技大学出版社，2004.11

[11]赵海兰，基于单片机的红外遥控智能小车的设计，电子世界，2011.08

[12]叶湘滨，传感器与测试技术，国防工业出版社,2007.4

[13]姚培等，基于单片机控制的智能循迹避障小车，期刊论文——机电信息，2010,12

[14]李瀚霖等.智能小车研究与设计,刊期论文——科技致富向导，2011,26

[15] M. J Potasek and GP. Agrawal,Single-Chip microcomputer data / Prepared by Technical Information Center. IEEE J.Quantum Electron, 1995, Vol. 3l, No. I, 183-189.

[16]Zhu, W., Ruan, H. Design and research of solar photovoltaic power generation controller based on 89C51 microcontroller. Advanced Materials Research 345, 2011，pp. 66-69.