基于AVR单片机的多功能智能小车系统设计

2019-10-22来源: 51hei关键字:AVR  单片机  智能小车

第1章 绪论

1.1 研究的背景和意义

智能车辆技术集成了机械、电子、自动化等多学科的发展,代表了现代技术发展的前沿。是未来车辆发展的必然趋势。在实际生活中,智能车辆通常需要根据人们的预设程序完成跟踪和避障。其中,大多数依靠传感器技术来获取路线和周围的环境。


本文以AVR作为控制核心,设计制作了智能寻线小车。它使用光线对管和红外传感器收集周围的各种信息,自动沿着地面设定的路线行走,并且可以在行走过程中自动躲避障碍物。智能小车采用前轮驱动,两轮采用直流电机,后轮采用万向轮。为了确保小车平稳正常地运行,我们采用PID算法控制直流电机地运行。本系统具有操作简单、成本低、可靠性高、结构紧凑等特点[4]。


1.2 国内外研究现状及发展前景

智能车辆系统是一种集中了计算机技术、自动化技术、传感器技术等多种高科技技术于一体的综合系统。从目前的发展趋势来看,智能车辆将是未来世界汽车行业发展的最终形态。相比于传统汽车,智能车辆拥有无法比拟的巨大优势。


首先,智能车辆是由智能计算机系统控制、连接互联网自动驾驶,相比于传统汽车,不仅将驾驶人员从繁重的驾驶工作中解放了出来,还可以大大地提高汽车行驶的安全系数。据谷歌调查,大部分交通事故都是人为造成的。目前随着辅助驾驶技术、半自动驾驶技术的发展普及,智能驾驶系统可以实时监控驾驶人员的状态,防止驾驶人员醉酒驾驶、疲劳驾驶、不遵守交通规则驾驶等行为,交通事故的发生率降低了50%~60%。在未来,随着技术的发展,全自动驾驶普及后,完全不需要驾驶人员,甚至可以完全避免交通事故的发生。

其次,智能车辆拥有更为先进的人机交互界面。智能车辆不仅搭载有智能驾驶系统,还拥有智能生活系统,使驾驶人员和乘客可以更舒适的享受在车上的时光。假如乘客有什么突发情况,智能生活系统还可以提供紧急解决方案。例如,在行驶过程中,如果乘客突发疾病,智能生活系统会主动提出医疗知识提示,防止周围的朋友因为不懂医疗知识而妄动患者造成二次伤害。并且,智能生活系统会自动将情况上传至互联网,将病情告知医院。而且,智能生活系统还会凭借车联网疏散通往医院车辆,使得汽车可以尽快到达医院,使病人得到及时的治疗。


最后,相比传统汽车,智能车辆更为节能、环保。据谷歌调查,传统汽车大部分时间都处于停用状态,利用率较低。智能车辆可以整合车辆信息,将车辆按需分配,提高车辆的利用率,从而减少车辆数量,达到节能、环保的效果。


国外许多发达国家大约在1950年左右就开始研究智能车辆了,截止到目前,一些简单地半自动智能车已经得到广泛地应用,但是,全自动智能汽车仍然遥遥无期。2017年9月,美国运输部对汽车的无人驾驶系统的安全性做出了评估,为以后在国家层面制定相关法律法规奠定了基础。截止现在,美国已经有22个州以上通过了相关的法律。目前,辅助驾驶技术和半自动驾驶技术已经得到广泛的普及,世界汽车巨头正在致力于发展第三阶段的全自动驾驶。


与美国等发达国家相比,我国的智能车辆技术的发展之路还比较漫长。我国的智能车辆技术大约是从1980年左右开始起步研究的,目前在一些沿海城市有了很大的发展。在我国,人们正在不断地加深对智能车辆的重视程度,国家正在不断加大对智能车辆的研发资金投入力度。相信经过我国的大力研究,以及庞大的市场刺激,我国戴尔智能车辆技术将会飞速提高。据大数据调查分析,未来我国对智能车辆的需求非常大,在2020年左右,半自动驾驶汽车的市场占有率将达到30%,在2025年左右,将达到50%。在2018年,中国的智能汽车将达到50万辆。到时候,巨大的市场将会推动技术的快速发展,刺激我国的汽车产业寻求技术突破,促进智能汽车产业的优胜劣汰。如图1-1为常见的智能小车。

图1-1 智能小车

1.3 本次设计的主要任务

本次课题主要设计的是一个简易的智能电动车,采用AVR单片机作为小车的检测和控制核心。采用RPR220型光电对管来检测道路上的黑线,从而把反馈到的信号送单片机,是单片机按照预定的工作模式控制小车在各区域按预定的轨迹行驶。并且在小车的行驶过程中,可以自动识别障碍物并自动躲避。


第2章 系统方案设计

2.1 总体设计框图

在系统层面而言,本系统由四个部分组成。控制核心、循迹模块、避障模块、电机驱动模块。首先,循迹模块和避障模块获取周围的信息,然后将信息传递至控制核心,控制核心进行信息处理后,根据预习设定的程序,将信号传递至电机驱动模块,驱动电机运行。这样,就完成了小车的循迹和避障功能。系统组成框图如图2-1所示[5]。

图2-1 总体设计框图

2.2 核心控制单元的选择

本课题采用ATmega16单片机作为核心控制单元,ATmega16单片机是采用 RISC结构的AVR内核单片机。ATmega16单片机拥有131个机器指令,32个8位通用工作寄存器等,并且在内部具有2个时钟周期的硬件乘法器。ATmega16单片机功耗低、价格便宜、运行速度快,十分适合作为嵌入式控制核心。ATmega16单片机的实物图如图2-2所示。

图2-3 ATmega16单片机的实物图

2.3 循迹方案设计

方案1:用光敏电阻组成光敏探测器

光敏电阻的阻值会随着周围环境中的光线强度变化而变化,光照越强,阻值就越低。当小车行驶时,光敏探测器会不断地对周围的环境进行探测。小车的行驶环境为纯白色背景下的黑色轨迹。当光敏探测器探测到白色背景时,反射光强度较强,光敏电阻的阻值会降低;当探测到黑色轨迹时,由于黑色的吸光作用,发射光的强度将会降低,光敏电阻的阻值将会变大。正是根据以上原理,小车可以使用光敏探测器进行循迹检测。但是由于光敏探测器受环境中光照强度的影响较大,不能稳定的工作。


方案2:用CCD摄像头传感器

线性CCD传感器摄像头可以将光线信号转换为电荷信号,再传送至单片机进行处理。CCD摄像头传感器的优点是探测距离远,可以提前探测道路情况,以便做出减速转弯等操作。使得小车的整体平均速度得到提高,具有良好的前瞻性。但是CCD摄像头传感器对于单片机小车来说,消耗资源略大,而且在实际过程中,发现CCD摄像头在市场上比较稀少,购买难度较大。


方案3:用RPR220型光电对管

RPR220与光敏探测器相似,是一款反射型的光电探测器。首先,RPR220型光电对管会发射出红外线,当红外线传至白色背景时,会反射回来重新被探测器接收,进而输出一个高电平;若红外线传至黑色轨迹时,黑色轨迹会将红外吸收,探测器检测不到反射光,就会输出低电平。RPR220型光电对管具有体积小、结构紧凑、电路简单、性能稳定等优点。

由于光敏电阻易受周围环境光照强度影响,CCD 摄像头对单片机片内资源消耗大等原因,本课题最终确定选择方案3 。


2.4 避障方案设计


方案1:使用超声波探测器

超声波探测器的原理是由探测器发出人耳不可听见的超声波,超声波触碰到物体后反射回探测器。通过检测超声波从发射到反射回来所使用的时间,就可以计算出与物体的距离。超声波探测器的优点是可以在较差的环境中正常工作,缺点是探测精度较低,使用成本较高。


方案2:使用激光测距传感器

激光测距传感器的测距原理与超声波探测器类似,传感器发射出激光,经反射后回到传感器,经过处理计算后即可得到相应的距离。激光测距传感器的优点是测量距离较长,测量精度较高;缺点是对资源的消耗较大,价格略昂贵。


方案3:使用红外避障传感器

E18-D80NK传感器的逻辑非常简单,它由发射器和红外接收器组成,负责感知某个物体的存在。它有一个圆柱形主体,通过钻孔可以很容易地安装到原型中,其中2个环用于固定,一个在内部,另一个在原型外部。它的连接通过3个引脚完成,传感器可以有两种不同的连接模式,它有两个信号电平,低电平(0.3到1.5V)和高电平(2.3到5V)。检测距离可以在3到80厘米之间进行调整,通过位于传感器底部的电位计进行。


由以上分析,本课题最终确定选择方案3。


2.5 电机驱动方案选


方案1:采用由晶体管组成的H桥电路

H桥电路可以将直流电逆变为可变频率的交流电,采用PWM 方式控制电机的运行。PWM是一种脉冲宽度调制方式,其原理是通过调整脉冲的占空比来调整一个周期内电机的通电时间,进而调节电机的运转速度。H桥电路的优点是稳定性好,应用广泛。


方案2:采用L298N驱动芯片

L298N属于H桥集成电路,可驱动大功率直流电机、步进电机等。L298N的优点是它的输入端可以直接与单片机相连,这样,可以便于直接受单片机控制。最重要的是,L298N可以同时驱动两台直流电机,恰好与本课题相符。


由于以上分析,本课题最终确定选择方案2 。

2.6 电机选择


方案1:采用步进电机

步进电机是由脉冲信号驱动转动的,其特点是可以精

[1] [2] [3] [4]
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