电子智能小车的设计与实现
随着素质教育的越来越被重视，很多学校都把制作智能小车作为首选课题，智能小车有趣生动并且还牵扯到机械结构、电子基础、传感器原理、自动控制、单片机、编程等诸多学科知识，学生通过动手实践能大大提高解决实际问题的能力，而且智能小车还是一个很好的硬件平台，只要增加一些控制电路就能完成循迹小车，、机器人等课题。
一、 目的和意义
智能车辆致力于提高汽车的安全性、舒适性、适应性和提供优良的人车交互界面，是目前各国因重点发展的智能交通系统ITS中的一个重要组成部分，也是世界车辆工程领域研究的热点和汽车工业增长的新动。随着企业生产技术的不断提高以及对自动化技术要求的不断加深，智能车辆已在许多工业部门获得了广泛的应用。在发达工业国家，有些智能车辆已实现商品化。由于成本低廉，又可以比人类工作的更好，它已逐步深入到工业和社会的各个层面：
1、智能车辆在智能运输系统ITS上的应用
这是智能车辆最典型的应用，智能小车自动行驶功能的研究对增加车辆的智能性意义重大，智能车辆驾驶任务的自动完成将给人类社会的进步带来巨大的影响。
2、智能车辆在物流运输方面的应用
智能车辆在自动仓库、码头、搬运、涂装等物流作业部门也发挥了关键作用，它最适合在哪些人类无法工作的环境中工作。采用简历在智能车辆技术基础之上的仓库智能车辆物流运输平台来完成物流的自动运输，即可以提高运输效率，又可以避免有害物质对人体的伤害，有效的完成有毒环境下的作业。
3、智能车辆在军事领域的应用
在未来战争中，智能车辆可以代替人员在核、生物、化学污染区进行侦查、巡逻、对污染进行采样，可以更加准确的搜集、掌握相关信息，可以有效的避免人员伤亡，提高执行任务的效率和安全性。另外，无人驾驶的进攻性武器系统在现代军事技术的发展方向之一，智能车辆的发展为无人攻击车辆提供技术支持平台。
4、智能车辆在社会生活中的应用
在西方发达国家，智能车辆已广泛应用于医疗福利服务、商务超市服务、家庭服务等领域，其中的某些应用有望在今后的两三年内实现商业化，并进入普通家庭。
智能车以及在智能车辆基础上开发出来的产品已成为航天、医疗、工业控制、物流等各个领域的关键设备。可以看出，无论是从科学发展、理论研究的角度，还是从汽车工业发展以及市场竞争的角度看，对智能车辆的研究都是必要的。而智能小车的研究及相关产品开发也将有利于我国在此领域技术发展与进步。因此，研制一种智能，高效的智能小车控制系统具有重要的实际意义和科学理论价值。
二、 本课题所涉及的问题在国内（外）研究现状及分析
智能小车是一个集环境感知、规划决策、自动驾驶等功能于一体的综合系统。它集中的运用了计算机、传感器、信息。通信、导航、人工智能及自动控制等技术，是典型的高新技术综合体。
1、国外智能车辆的现状研究
国外智能车辆的研究历史较长，始于上世纪50年代，它的发展历程大致可以分为三个阶段：
第一阶段：20世纪50年代是智能车辆研究的初始阶段。19xx年美国Barrett Electronic
公司研究开发出了世界上第一台自主引导车系统，该系统只是一个运行在固定路线上的拖车式运货平台，但它却具有了智能车辆最基本的特征即无人驾驶。早起研制该系统的目的是为了提高仓库运输的自动化水平，应用领域仅局限于仓库内的物品运输，随着计算机的应用和传感器技术的发展，智能车辆的研究不断得到新的发展。
第二阶段：从80年代中后期，世界主要发达国家对智能车辆开展可卓有成就的研究，在欧洲，普罗米修斯项目于19xx年开始了在这个领域的探索，在美洲，美国于19xx年成立了国家自动高速公路系统联盟，其目标之一就是研究发展智能车辆的可行性，并促进智能车辆技术进入实用化，在亚洲，日本与19xx年成立了高速公路先进巡航/辅助驾驶演剧协会，主要目的是研制自动车辆导航的方法，促进日本智能车辆的整体进步。进入80年代中期，设计和制造智能车辆的浪潮席卷了全世界，一大批世界著名的公司开始研制智能车辆平台。
第三阶段：从90年代开始，智能车辆进入了深入、系统、大规模的研究阶段。最为突出的是，美国卡内基-梅陇大学机器人研究所一共完成了Navlab系列的自主车的研究，取得了显著的成就。
目前，智能车辆的发展正处于第三阶段，这一阶段的研究成果代表了当前国外智能车辆的主要发展方向。
2、国内智能车辆的现状研究
相比于国外，我国开展智能车辆技术方面的研究起步较晚，开始于20世纪80年代，而且大多数研究尚处于针对某个单项技术研究的阶段。虽然我国在智能车辆技术方面的研究总体上落后于发达国家，并且存在一定的技术差距，但是我国也取得了一系列的成果，主要有：
中国第一汽车集团公司和国防科技大学机电工程与自动化学院于20xx年研制成功了我国第一辆自主驾驶轿车。该自主驾驶轿车的正常交通情况下的高速公路上，形式的最高稳定速度为为12km/h，最高峰值速度可达170km/h，并且具有超车功能，其总体技术性能和指标已经达到了世界先进水平。
上海交通大学应用现代控制理论设计出了一种自动驾驶汽车模型，该模型在汽车系统的动力学建模的基础之上，设计了自动驾驶的专项系统，它能根据玩到的弯曲变化程度实时的计算出车辆的转向盘角度，控制车辆按照预设道路行驶。
吉林大学设计并制造了一辆用CCD识别地面铺设的条状路标导航的智能车辆，车辆由图像识别、行驶、转向、制动、避障和其他辅助系统组成。目前，该车可以稳定的跟踪直线、弧线、S型线等轨迹自动行驶，车速可达20km/h。
在国家科工委和国家862计划的资助下，清华大学计算机系智能技术与系统国家重点实验室自19xx年开始研制的THMR系列移动机器人取得了很大的成功。它兼有面向高速公路和一般道路的功能，目前已经能够在校园的非结构化道路环境下，进行道路跟踪和避障自主行驶。
智能车辆研究也是智能交通系统ITS的关键技术。目前。国内的许多高校和科研院所都在进行ITS关键技术、设备的研究，随着ITS研究的兴起，我国已形成了一支ITS技术研究开发的专业技术队伍。并且各个交通、汽车企业越来越加大了对ITS及智能车辆技术研发的投入，整个社会的关注程度在不断提高。交通部已将ITS研究列入“十五”科技发展计划和20xx年长期规划。相信经过相关领域的共同努力，我国ITS及智能车辆的技术水平一定会得到很大的提高。
三、 智能小车功能的实现
开机启动后，通过一个直流电源给各个模块供电，小车开始沿着固定的路线行走，当左边的传感器检测到黑线时，把信号传给单片机系统，系统通过调整电机的转动，使小车沿着黑线右转；当右边的传感器检测到黑线时，同理通过单片机系统的工作，使小车沿着黑线左
转；当左右传感器没有检测到黑线时，小车处在黑线的上方，小车快速行驶，当左右传感器都检测到黑线时，小车停止行驶。当小车遇到障碍物时，脉冲调制的红外线传感器将检测到的信号发送给单片机，单片机根据程序发出相应的控制信号控制小车自动避开障碍物。
四、 系统原理及理论分析
1.单片机最小系统组成
单片机系统是整个智能系统的核心部分，它对各路传感信号的采集、处理、分析及对各部分整体调整。主要是组成是：单片机AT89S52、模数转换芯片ADC0809、小车驱动系统芯片L293D、数码管显示的译码芯片74LS47、74LS138及各路的传感器件。
2.避障原理
采用红外线避障方法，利用一管发射另一管接收，接收管对外界红外线的接收强弱来判断障碍物的远近，由于红外线受外界可见光的影响较大，因此用250Hz的信号对38KHz的载波进行调制，这样减少外界的一些干扰。 接收管输出TTL电平，有利于单片机对信号的处理。
3.计程原理
通过计算车轮的转数间接测量距离，在车轮均匀打上透光小孔，当车轮转动时，红外光透射过去，不断地输出脉冲，通过单片机对脉冲计数，再经过一个数据的处理过程，这样就可把小车走过的距离计算出来。
4.黑带检测原理
利用光的反射原理，当光线照射在白纸上，反射量比较大，反之，照在黑色物体上，由于黑色对光的吸收，反射回去的量比较少，这样就可以判断黑带轨道的走向。由于各路传感器会对单片机产生一定的干扰，使信号发生错误。因此，采用一级射极输出方式对信号进行隔离，这样系统对信号的判断就比较准确。
五、 方案论证与比较
1．总体方案论证与比较
方案一：采用各类数字电路来组成小车的控制系统，对外围避障信号，黑带检测信号，铁片检测信号，各路趋光信号进行处理。本方案电路复杂，灵活性不高，效率低，不利于小车智能化的扩展，对各路信号处理比较困难。
方案二：采用89c51单片机来作为整机的控制单元。红外线探头采用市面上通用的发射管与及接收头，经过单片机调制后发射。铁片检测采用电感式接近开关LJ18A3-8-Z/BX检测，黑带采用光敏二极管对光源信号采集，再经过ADC0809转化为数字信号送到单片机系统处理。此系统比较灵活，采用软件方法来解决复杂的硬件电路部分，使系统硬件简洁化，各类功能易于实现，能很好地满足题目的要求。
比较以上两种方案的优缺点，方案二简洁、灵活、可扩展性好，能达到题目的设计要求，因此采用方案二来实现。
2．轨迹探测模块设计与比较
方案一、使用简易光电传感器结合外围电路探测。
由于所采用光电传感器实际效果并不理想，对行驶过程中的稳定性要求很高，且误测几率较大、易受光线环境和路面介质影响。在使用过程极易出现问题，而且容易因为 该部件造成整个系统的不稳定。故最终未采用该方案。
方案二、利用两只光电开关。
分别置于轨道的两侧，根据其接受到白线的先后来控制小车转向来调整车向，但测试表明，如果两只光电开关之间的距离很小，则约束了速度,如果着重于小车速度的提升，则随
着车速的提升，则势必要求两只光电开关之间的距离加大，从而使得小车的行驶路线脱离轨道幅度较大，小车将无法快速完成准确的导向从而有可能导致寻迹失败。
方案三、用三只光电开关。
一只置于轨道中间，两只置于轨道外侧，当小车脱离轨道时，即当置于中间的一只光电开关脱离轨道时，等待外面任一只检测到黑线后，做出相应的转向调整，直到中间的光电开关重新检测到黑线（即回到轨道）再恢复正向行驶。现场实测表明，虽然小车在寻迹过程中有一定的左右摇摆（因为所购小车的内部结构决定了光电开光之间的距离到达不了精确计算值1厘米），但只要控制好行驶速度就可保证车身基本上接近于沿靠轨道行驶。
综合考虑到寻迹准确性和行驶速度的要求，采用方案三。
3．数据存储比较
方案一、采用外接ROM进行存储。
采用外接ROM进行存储是保存实验数据的惯用方法，其特点是在单片机断电之后仍然能保存住数据，但无疑将增大软硬开销和时间开销。
方案二、直接用单片机内部的RAM进行存储。
虽然不能在断电后保存数据，但可以在实验结束后根据按键显示相应值。而且本实验的数据存储不大，采用RAM可以减少IO接口的使用，便利IO接口分配，故此方案具有成本低、易实现的优点，更符合实际需求。
鉴于方案二的以上优点，综合比较，本方案采用方案二。
4．障碍探测模块方案分析与比较
考虑到在测障过程中小车车速及反应调向速度的限制，小车应在距障碍物40CM的范围内做出反应，这样在顺利绕过障碍物的同时还为下一步驶入车库寻找到最佳的位置和方向。否则，如果范围太大，则可能产生障碍物的判断失误；范围过小又很容易造成车身撞上障碍物或虽绕过障碍物却无法实现理想定向方案。
方案一、采用一只红外传感器置于小车中央。
一只红外传感器小车中央安装简易，也可以检测到障碍物的存在，但难以确定小车在水平方向上是否会与障碍物相撞，也不易让小车做出精确的转向反应。
方案二、采用二只红外传感器分置于小车两边。
二只红外传感器分别置于小车的前端两侧，方向与小车前进方向平行，对小车与障碍物相对距离和方位能作出较为准确的判别和及时反应。但此方案过于依赖硬件、成本较高、缺乏创造性，而且置于小车左方的红外传感器用到的几率很小，所以最终未采用。
方案三、采用一只红外传感器置于小车右侧并与小车前进方向呈一固定角度。
基于对C点后行车地图中光源及障碍物尺寸、位置的分析，我们采用了从C点出发即获得光源对行车方向的控制，在向光源行驶的过程之中检查障碍物并做出相应的反应，这样不仅只使用一只红外传感器就实现了避障，而且避免因小车自然转弯而导致的盲目方向控制，同时为后面以最简单直接的路线和在最短时间内驶入车库创造了机会。
智能小车应以准确、智能见优，采用方案三。
5．寻找光源方案分析与比较
方案一、采用多只方向性较强的光敏二极管作光源定位器。
若干定位器在水平面上按不同角度展开，在寻找光源时根据每个定位器接收到的光线强弱（有无）得出实时车库方位。该方案若采用方向性较强的光敏二极管作为光源定位器，要么是需要很多的器件，要么是难以检测到光源的方向。
方案二、采用一个光源定位器。
用深色不透光材料与光敏电阻制成的光源定位器有较理想的定向测试效果，2.5米之外就可以确定电源的方向。当小车绕过障碍物之后，通过不停地旋转使定位器获得最大光线照
射以确定光源方向，这种方案有一定的可行性，但寻找光源的过程必定带来不必要的大量时间开销，且寻找过程盲目性太大，不利于控制，又增加了一个电机，增大的电源方案选择或安装的难度。
方案三、利用多只光源定位器。
在方案二所得数据的基础上，结合光敏电阻的敏感性，只用三到五只光敏电阻就可以达到目的，只是因其对光非常敏感，所以必需为每只光敏电阻加上黑色隔离板。虽然制作有一定难度，但其能见长度和相对简明的控制措施显示了很大的优越性。
综合考虑以上方案，方案三更具准确性和独创性，故我们采用方案三。
6．距离检测方案比较
方案一、
通过测试得出小车平均速度v，在行驶过程中将行驶时间与其乘积t?v作为驶过的距离。但该方案受电池电量、路面介质等因素的影响，在大多数情况下均暴露出误差较大的缺点。故不予采用。
方案二、
在后轮内侧匀距贴上m个磁钢，车厢内装上霍尔开关。对轮子转速进行测量，由于低速下轮子与地面接触良好，设轮周长为c，可以用霍尔开关输出脉冲数n乘以c/m得出行驶距离。只要磁钢在后轮上的位置足够精确，霍尔开关固定牢靠，就可以获得较好的测试效果。但车子颠簸时，稳定性较差。
方案三、
在齿轮箱中安装透射式光电开关，测出变速齿轮的每秒转速，用变速比和车轮周长计算出线速度，积分求行驶距离。但在齿轮箱中使用光电开关，要求有足够的安装位置，不能影响传动机构的机械动作。其优点是工作稳定。
综合以上方案优劣和小车的结构特点，本系统采用了方案二。
7．刹车机构功能方案比较
方案一、自然减速式。
当系统发出停止信号时停止给驱动电机供电，小车在无动力状态因阻力而自然变为静止。由于惯性，小车全速行驶时需1.8秒后才能停止，因车轮滑行造成的误差较大。无法实现精确制动的目标。
方案二、反转式。
当小车需要停车时给驱动电机以反转信号，利用轮胎与跑道的摩擦力抵消惯性效应。由于车速是渐减的，反向驱动信号长度也要渐减，否则小车可能反向行驶。使用此方案后全速刹车反应时间减少为0.5s。
本系统中采用方案二。
8.金属探测方案比较
方案一、使用探测线圈和探测仪构成的金属探测器。
此类金属探测器利用探测线圈产生的交变磁场在接近金属材料时产生微弱变化这一原理，将变化信号放大处理进而实现探测金属的目的。由于该探测器结构复杂，在短期内不可能完成制作，为节省时间，我们放弃了该方案。
方案二、使用电感式接近开关代替金属探测器。
电感式接近开关本身就是理想的传感器。当金属物体接近开关的感应区域，开关就能无接触，无压力、无火花、迅速作出反应。用它作为本次小车的金属传感器，简单易行、准确且抗干扰性能优越。
本系统中采用方案二。
9.电动机驱动调速方案比较
方案一、采用电阻网络或数字电位器 ，调整电动机的分压，从而达到调速的目的。 但是电阻网络只能实现有级调速，而数字 电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大;分压不仅会降低效率，而且实现很困难。
方案二、采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对小车的速度进行调整。这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较 短、可靠性不高。
方案三、采用由达林顿管组成的H型PWM电路。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效 率非常高;H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制;电子开关的速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的PWM调速技术。
基于上述理论分析，拟选择方案三。
10.路面黑线探测方案比较
探测路面黑线的大致原理是:光线照射到路面并反射，由于黑线和白纸的反射系数不同，可根据接收到的反射光强弱判断是否到达黑线。
方案一、可见光发光二极管与光敏二极管组成的发射-接收电路。这种方案的缺点在于其他环境光源会对光敏二极管的工作产生很大干扰，一旦外界光亮条件改变，很可能造成误判和漏判;虽然采取超高亮发光管可以降低一定的干扰，但这又将增加额外的功率损耗。
方案二、不调制的反射式红外发射-接收器。由于采用红外管代替普通可见光管，可以降低环境光源干扰;但如果直接用直流电压对管子进行供电，限于管子的平均功率要求，工作电流只能在1OM左右，仍然容易受到干扰。
方案三、脉冲调制的反射式红外发射-接收器。考虑到环境光干扰主要是直流分量，如果采用带有交流分量的调制信号，则可大幅度减少外界干扰;另外，红外发射管的最大工作电流取决于平均电流，如果使用占空比小的调制信号，在平均电流不变的情况下，瞬时电流可以很大(50-100mA)，这样也大大提高了信噪比。
基于上述考虑，拟采用方案三。
11.车轮检速及路程计算方案比较
方案一、采用霍尔集成片。该器件内部由三片霍尔金属板组成，当磁铁正对金属板时，由于霍尔效应，金属板发生横向导通，因此可以在车轮上安装磁片，而将霍尔集成片安装在固定轴上，通过对脉冲的计数进行车速测量。
方案二、受鼠标的工作原理启发，采用断续式光电开关。由于该开关是沟槽结构，可以将其置于固定轴上，再在车轮上均匀地固定多个遮光条，让其恰好通过沟槽，产生一个个脉冲。通过脉冲的计数，对速度进行测量。
以上两种都是比较可行的转速测量方案。尤其是霍尔元件，在工业土得到广泛采用。但是在本题中，小车的车轮较小，方案一的磁片密集安装十分困难，容易产生相互干扰。相反，方案二适用于精度较高的场合，可以车轮上加较多的遮光条来满足脉冲计数的精度要求，因此拟采用方案二。
12.电源选择方案比较
方案一、所有器件采用单一电源(6节M电池)。这样供电比较简单;但是由于电动机启动瞬间电流很大，而且PWM驱动的电动机电流波动较大，会造成电压不稳、有毛刺等干扰,严重时可能造成单片机系统掉电，缺点十分明显。
方案二、双电源供电。将电动机驱动电源与单片机以及其周边电路电源完全隔离，利用光电藕合器传输信号。这样做虽然不如单电源方便灵活，但可以将电动机驱动所造成的干扰彻底消除，提高了系统稳定性。
我们认为本设计的稳定可靠性更为重要，故拟采用方案二。
13.小结
经过一番仔细的论证与比较，我们决定了系统各个主要模块的最终方案如下:电动机驱动与调速模块:采用达林顿管的H型PWM电动机驱动电路。车轮检速模块: 采用光电断续开关构成的光电感应系统。路面黑线检测模块:采用调制的反射式发射-接收器。
电源:双电源供电(6节M电池+1节9V方型电池)。
六、 完成课题的工作方案及进度计划
本课题首先对前台页面的制作，在对新闻发布系统和论坛的制作，具体的进度计划如下： 第一周——第二周：收集资料，确定毕业设计的课题
第三周——第四周：整理材料，编写文献综述和开题报告
第五周：巩固以前学习的编程知识
第六周：学习单片机的相关知识
第七周：学习相关接口技术的知识
第八周：熟悉传感器，学习自动控制技术
第九周：设局电路图，并根据电路图进行仿真设计
第十周——第十一周：完成电子智能小车的制作
第十二周：对设计进行检测调试
第十三周：撰写课程设计说明书，准备毕业答辩材料
七、 主要参考文献
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