毕业设计开题报告 - 图文

武汉工业学院

毕业设计（论文）开题报告

2012届

毕业设计(论文)题目 智能循迹小车控制系统的

设计

院（系） 电气与电子工程学院 专业名称 自动化 学生姓名 管磊玺 学生学号 080408531 指导教师 张柱华

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武汉工业学院学生毕业设计（论文）开题报告表

课题名称 课题来源 学生姓名 管磊玺 智能循迹小车控制系统的设计 自拟 学 号 080408531 课题类型 导 师 专 业 论文 张柱华 自动化 一、课题的发展状况和研究意义： 1.发展状况 智能循迹小车的发展主要是在自动化控制领域，一些大中专院校为了培养学生动手及编程能力，同时提高学生的兴趣，为智能小车控制领域提供了环境。同时一些比较大型的比赛，如全国电子设计大赛开始采用这类的题目，虽然都是用小车，但是控制方式都是不一样。在智能小车现今发展最好的当时 飞思卡尔 举行的比赛，采用先进的摄像头采集黑线线路，此时要求芯片的运算速度是非常高的。 其他的一些黑线检测题目，都加了其他的一些要求，如两辆小车交叉抢跑等。 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。 无容置疑，机电一体化人才的培养不论是在国外还是国内，都开始重视起来，主要表现在大学生的各种大型的创新比赛，比如：亚洲广播电视联盟亚太地区机器人大赛（ABU ROBCON）、全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛等众多重要竞赛都能很好的培养大学生对于机电一体化的兴趣与强化机电一体化的相关知识。但很现实的状况是，国内不论是在机械还是电气领域，与国外的差距还是很明显的，所以作为机电一体化学生，必须加倍努力，为逐步赶上国外先进水平并超过之而努力。 为了适应机电一体化的发展在汽车智能化方向的发展要求，提出简易智能小车的构想，目的在于：通过独立设计并制作一辆具有简单智能化的简易小车，获得项目整体设计的能力，并掌握多通道多样化传感器综合控制的方法。所以立“智能循迹小车”一题作为尝试。 美国开始组织实施智能车辆先导( intelligent vehicle ini2tiative, IV I) 计划, 欧洲提出公路安全行动计划( roadsafety action p rogram, RSAP) ,日本提出超级智能车辆

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系统。我国科技部则于2002年正式启动了“十五”科技攻关计划重大项目,智能交通系统关键技术开发和示范工程,其中一个重要的内容就是进行车辆安全和辅助驾驶的研究。预计在2020年之前进入智能交通发展的成熟期,人、车、路之间可以形成稳定、和谐的智能型整体。为了使智能机器能更好的应用于工业，各工业发达国家的大学、研究机构和大工业企业对智能机器系统开发投入了大量的人力财力。在美国和加拿大，各主要大学都设有智能机器研究室，如麻省理工学院侧重于制造过程机器人系统的研究，卡耐基—梅隆机器人研究所侧重于挖掘机器人系统的研究，而斯坦福大学则着重于系统应用软件的开发。德国正研究开发“MOVE AND PLAY”机器人系统，使机器人操作就像人们操作录像机、开汽车一样。 除了这些研究单位，各智能机器企业也投入大量人力、财力开发机器人等智能系统。国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势： (1)、工业智能机器如：机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操做和维修)，而单机价格不断下降，平均单机价格从1991年的10.3万美元降至2002年的6.5万美元。 (2)、机械结构向模块化、可重构化发展。 例如关节模块中的伺服电机、减速机检测系统三位一体化，由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机，国外已有模块化装配机器人产品问世。 (3)、当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控、遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入使用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名的实例。 2．研究意义 随着我国科学技术的进步，智能化和自动化技术越来越普及，各种高科技也广泛应用于智能小车和机器人玩具制造领域，使智能机器人越来越多样化。智能小车是一个多种高新技术的集成体，它融合了机械、电子、传感器、计算机硬件、软件、人工智能等许多学科的知识，涉及到当今许多前沿领域的技术。而智能电动车正是智能机器人的一种，具有不可估量的实际意义。智能车辆是一个运用计算机、传感、信息、通信、导航、人工智能及自动控制等技术来实现环境感知、规划决策和自动行驶为一体的高新技术综合体。它在军事、民用和科学研究等方面已获得了应用，对解决道路交通安全提供了一种新的途径。随着汽车工业的迅速发展，关于汽车的

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研究也就越来越受人关注。全国电子大赛和省内电子大赛几乎每次都有智能小车这方面的题目，全国各高校也都很重视该题目的研究，许多国家已经把电子设计比赛作为创新教育的战略性手段。电子设计涉及到多个学科，机械电子、传感器技术、自动控制技术、人工智能控制、计算机与通信技术等等，是众多领域的高科技。电子设计技术，它是一个国家高科技实例的一个重要标准，可见其研究意义很大。 二、课题主要研究内容、方案和进度计划 1. 研究内容： 1、规划层：上位机控制系统，规划层提供的是小车行驶的全局信息，包括路径处理模和通信模块。它要解决的基本问题有： (1) 使用什么工具处理小车的路径图形； (2) 建立小车的运动模型，计算出小车行驶所需的数据； (3) 采用什么方式发送数据。 2、行为层：下位机控制系统，行为层是智能小车控制系统的底层结构，实现对小车行驶的实时控制，它包括通信模块、电机控制模块和数据采集模块。它要解决的基本问题有： (1) 接收、处理上位机发送的数据信息； (2) 设计步进电机的控制系统； (3) 采集小车的位移和转角信息，定位小车姿态，分析系统控制误差； 采用电机专用驱动芯片L298N进行电机驱动控制，它的使能端可以外接高低电平，也可以利用单片机进行软件控制，极大地满足各种复杂电路需要。另外，L298N的驱动功率较大，能够根据输人电压的大小输出不同的电压和功率，解决了负载能力不够这个问题。 本次设计虽然只是一个演示模型，但是具有充分的科学性和实用性。首先我们根据交通路面的复杂情况，按照适当的比例制作出一个路况模型，包括弯道、直道以及路面上设置的障碍物等。在弯、直道上，小车沿着预定轨道自由行使，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，进行倒车、前进、左转、右转等动作。 2．方案： 1、循迹控制模块

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采用STC89C52R作为控制核心。STC89C52RC单片机成本低、性能高，超强抗干扰(电源、复位电路都经过特殊处理，每个I／O口接有二极管钳位保护)，超低功耗，无法解密，低EMI(电磁干扰)，而且与传统805l单片机程序兼容，硬件无需改动，支持ISP(在系统编程)及IAP( 在应用编程)技术。使用ISP可不用编程器直接在用户控制系统板上烧录程序，修改调试非常方便。 2、寻迹传感器模块 脉冲调制的反射式红外发射接收器。由于采用带有交流分量的调制信号，可大幅度减少外界的干扰t此外，红外发射接收管的工作电流取决于平均电流，如果采用占空比小的调制信号，在平均电流不变的情况下，瞬时电流很大(50—100mA)(ST—188允许的最大输入电流为50mA)，则大大提高了信噪比。此种测试方案反应速度大约在5us．信号采集部分相当于智能循迹小车的眼睛，由他来完成自线识别并产生高低电平信号传送给控制单元使之对驱动模块发出指令控制小车的转弯最终完成自动循迹。该部分主要由JY043W型光电对管和电压比较器LM393为核心，再配以必要的外围电路组成。 3、电机模块 采用直流电机。直流电机的控制方法比较简单，只需给电机的两根控制线加上适当的电压即可使电机转动起来，电压越高则电机转速越高。对于直流电机的速度调节，可以采用调节电压的方法，也可采用PWM调速方法。PWM调速就是使加在直流电机两端的电压为方形波形，通过改变方形的占空比实现对电机转速的调节。 4、电机驱动模块 采用专用芯片L298N作为电机驱动芯片。L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它响应频率高，一片L298N可以分别控制两个直流电机，而且还带有控制使能端。用该芯片作为电机驱动，驱动能力大，操作方便，稳定性好，性能优良。 3、系统框图 自动循迹小车控制系统由主控制电路模块、稳压电源模块、红外检测模块、电机及驱动模块等部分组成,控制系统的结构框图如图2-1 所示。 1、 主控制电路模块：用AT89C52单片机、复位电路，时钟电路 2、 红外检测模块：光电传感器ST188,比较器LM324 3、 电机及驱动模块:电机驱动芯片L298N、两个直流电机 5

4、 电源模块：双路开关电源 图2-1控制系统的结构框图 开关按键 单 遥控按键 片 机 电源 电机驱动 4. 设计的时间安排： 第 1周～第 4周： 毕业实习，并且查找资料，完成英文翻译和开题报告的准备工作；学习相关应用软件的使用方法，初步了解其工作环境，熟悉利用软件和编程原理； 第 5周～第 6周： 参考书籍，系统学习STC89C52R芯片的原理与开发应用；L298N芯片的工作原理与应用；做总体结构设计，初步搭建整体的网络结构； 第 7周～第 9周： 针对课题，利用所学的专业知识，做硬件设计、电路设计、综合布线设计、算法模型设计等； 第10周～第11周： 应用相关的应用平台，进行试验的运行、调试和测试； 第12周～第13周： 通过不断的调试和测试发现存在的问题和可以改进的地方，进一步修改和完善整体的设计，为中期检查作好准备。 第14周～第16周：总结设计的成果，进行最后的修改，整理项目文档，书写论文准备答辩。 三、参考文献 [1]徐国华 主编，移动机器人的发展现状及其趋势[J]，机器人技术与应用，2001(3) [2]党宏社 主编，智能车辆系统发展及其关键技术概述[J]．公路交通科技，2002(4) [3]尹念东 主编，智能车辆的研究及前景[J]．上海汽车，2002(2) [4]王荣本 主编，世界智能车辆研究概述[J]．公路交通科技，2001(10) 6

[5]王建农 主编．自主移动机器人的导航研究[R]．机器人，1997 [6]Dickmanns，E．DA．Zapp．Autohighspeedroadvehicleguidance[J]． computer,1987 [7]姚 佳 主编，智能小车的蔽障及路径规划[D]．东南大学硕士论文．2005． [8]徐国华 主编，谭民移动机器人的发展现状及其趋势[J]．机器人技术与应用，2001(3) [9]白井良明[同]，机器人工程[M]．北京：科学出版社，2001． [10]张毅刚 主编，新编MCS-51单片机应用设计，第一版,哈尔滨工业大学出版社,2003 [11]刘南平 主编，电子产品设计与制作技术，科学出版社，2008 [12]杨 刚 主编，电子系统设计与实践，电子工业出版社，2009.3 [13]余祖俊 主编，微机监测与控制应用系统设计， 北方交通大学出版社，2001.12 [14]温志明 主编，运动控制系统分析与应用，国防工业出版社，2008.2 [15]催维娜 主编，智能电子制作，科学出版社，2007 [16]李忠文 主编，实用电机控制电路，化学工业出版社，2003.4 [17]张红润 主编，智能技术——系统设计与开发，北京航空航天出版社，2007.2 [18]陈铁军 主编，智能控制理论及应用，清华大学出版社，2009.1 [19]刘少强 主编，传感器设计与应用实例，中国电力出版社，2008 [20]何立民 主编，单片机应用系统设计,北京：航天航空大学出版社, [21]李广弟 主编，单片机基础,北京：北京航空航天大学出版社,2001 指导教师签名： 日期：2012年3月13日星期二 注：1、课题类型：设计或论文。 2、课题来源：纵向、横向或自拟课题，对于纵向和横向课题并要用括号括起填写确切基金项目、企事业单位项目。

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