智能小车跟随系统的设计与制作分析.doc

本科毕业论文(设计)

题目： 智能小车跟随系统设计和制作

学院： 物理和电子科学学院

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智能小车跟随系统设计和制作

摘要:
现在，小车跟随系统正处于研发和试用阶段，它有着多方面优势：首先,充足利用现有道路资源，有效缓解交通阻塞；其次，能够大幅提升驾驶安全性，降低交通事故发生。所以推广和应用小车跟随系统已经成为处理交通问题一个关键路径。
本文关键研究工作是设计和制作智能小车跟随系统，整个系统包含硬件及软件两个部分。硬件部分包含控制电路，蓝牙通信电路，路径循迹电路，电源驱动电路，电机驱动电路等。软件部分关键包含经过编程使得小车按设定路径实现前进，左拐，右拐，加速，减速，并在小车前进过程中不停调整小车所在位置等功效。
本文是以电动小车为基础，增加红外传感器，蓝牙等。利用传感器来有效地确定小车前进路径、小车所在位置等信息。单片机接收并处理传感器所产生信号并加以一定算法来判定两个小车状态及其相互间距。最终经过蓝牙来进行小车间通信，从而控制两个小车加、减速度来使得小车间距相对恒定。该智能小车跟随系统能够实现功效有：自动循迹；保持车距；紧急停车等。

关键词：智能小车跟随系统；蓝牙通信；单片机；软件设计

目 录

1 引言 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 智能车辆研究现实状况 1
1.3 研究内容 1
2 功效分析 2
2.1 主控模块 2
2.2 循迹模块 3
2.3 电机驱动模块 3
2.4 电源模块 3
2.5 通信模块 3
3 硬件设计 3
3.1 主控硬件设计 4
3.2 循迹硬件设计 4
3.3 驱动硬件设计 5
3.4 电源硬件设计 5
3.5 蓝牙通信串口硬件设计 6
3.6 本章总结 6
4 软件设计和实现 6
4.1 概述 6
4.2 软件结构设计 7
4.3 关键模块实现 8
4.3.1循迹步骤图 8
4.3.2 电机驱动步骤图 8
4.3.3 位置判定步骤图 10
4.3.4 蓝牙通信步骤图 11
4.4 本章小结 11
5 系统功效测试 11
5.1 系统功效测试 12
5.2 测试结果分析 13
6 结论和展望 13
6.1 结论 13
6.2 展望 13
参考文件 14
致谢 15

1 引言
1.1 研究背景及意义
伴随经济快速发展，城市人口不停增加，从而城市交通压力也越来越大。在中国部分大中型城市，因为严重堵车问题，上、下班路途中所消耗时间可能会长达数个小时。另外，近些年来，交通事故频繁发生，这已经危害到了很多人生命和财产。所以，想要处理交通问题已经不能仅仅依靠交通管理部门，更需要从科技角度来处理这一问题。幸运是，在最近几年传感器、单片机技术突飞猛进，受此影响，智能小车跟随技术正在逐步从可能转为现实。智能小车跟随技术是指经过车载传感系统感知道路环境，经过现代通信技术使车间进行通信，同时加以一定算法分析，使得后车紧跟前车行驶。这一特点使得它含有以下优点：首先，充足利用道路资源，降低堵车事件发生概率。另外，它还能够在行驶过程中探测可能发生危险事故，因为计算机有着比人脑愈加快反应速度，从而能够避免交通事故发生。
1.2 智能车辆研究现实状况
智能车辆发展过程能够分为以下三个阶段：
第一阶段：20世纪50年代。在这一时期，大家刚刚开始接触研究智能车辆。尽管这一时期智能小车系统仅能在一个固定轨道上运行，自动化水平比较低，但已经符合智能车辆基础要求。
第二阶段：80年代中后期。在这一阶段，伴随计算机应用和传感器技术不停发展，智能车研究有了较大进展，尤其在部分发达国家，取得了巨大进步，促进智能车辆不停深入各个实用领域。
第三阶段：90年代至今，智能车辆研究取得了愈加快发展。尤其是近些年来，伴随各个国家在智能车辆研究之中投入人力、财力不停加大，智能小车发展越来越快。现在，智能车辆已经不仅仅局限于科学研究和工厂使用，它也不停地走入了很多人日常生活中。
1.3 研究内容
本设计是基础AT89S52单片机，经过蓝牙使两个智能电动车相互通信来组成智能小车跟随系统。设计关键内容是对电动车进行硬件电路和软件设计。其中硬件电路关键包含控制电路，蓝牙通信电路，路径循迹电路，电源驱动电路，电机驱动电路等。其中，AT89S52单片机作为每个小车控制关键，控制着电动车各个模块正常工作，并经过编程使得小车根据预定路径实现前进，左拐，右拐，紧急停车，加速，减速等功效。
本设计是以电动小车为基础，增加红外传感器，蓝牙等。利用传感器来有效地确定小车前进路径、小车所在位置等信息。单片机接收并处理传感器所产生信号并加以一定算法来判定各个小车状态及其相互间距。最终经过蓝牙来进行小车间通信，从而控制各个小车加、减速度来使得小车间距相对恒定。
总而言之，本设计中整个系统电路结构简单，性能相对较高。关键采取以下技术：首先是选择合适传感器。利用传感器来实时监测小车位置并传送给单片机，单片机依据传感器所传回信息来控制小车两个电机运转，实现循迹行走功效。其次，利用蓝牙设备在两个小车之间进行通信，由其中一个小车单片机来判定两小车相对位置，从而产生控制指令，来改变小车行驶速度。
2 功效分析
依据设计内容要求，采取基于单片机控制方法，使用蓝牙设备进行通信。图2-1为系统框图。

图2-1 系统框图
2.1 主控模块
现在，含有些人工智能电子产品、设备通常采取控制器全部是单片机。现在市场上单片机厂商很多，单片机种类也不尽相同，功效更是各具特色。本文设计是一个相对简单控制系统，无需采取部分特殊功效单片机。所以，依据实际条件，最终选择在两辆小车上各搭载一片ATMEL企业AT89S52芯片作为每个小车主控器件。图2-2为AT89S52控制原理图。

图2-2 AT89S52控制原理图
2.2 循迹模块
循迹装置类型选择：采取集成QTI传感器DM-S53401，它是一个经过光电接收管来探测其下表面反射光强度传感器。依据反射光强度不一样，从而造成传感器输出改变。因为它体积较小、含有日光过滤器，所以在小车中使用性能很好。
循迹硬件数目选择：采取4路QTI传感器循迹。在小车行驶过程中，依据轨道设计，小车会碰到直行或左、右拐弯路段，所以能够使用中间2路来判定小车和直行道相对位置，而用外侧2路来判定小车是否在拐弯路段。所以，4路循迹能够完成任务要求，且设备数目最少。
2.3 电机驱动模块
电机选择：采取直流伺服电机，它关键经过接收脉冲来运转。相比于步进电机，直流伺服电机有着一定优势：精度更高，克服了步进电机中失步问题；高速性能好；抗过载能力强；运行稳定；反应时间短；发烧和噪声全部有着显著降低。
2.4 电源模块
电源选择：采取干电池组加移动电源共同供电，即在采取4节1.5V干电池经过稳压单元降至5V后给单片机及其它设备（如传感器、电机等）供电基础上，增加一个移动电源同时供电。首先，能够确保小车电压稳定，设备正常运行而不会断电。其次，也不像蓄电池所占体积那么大，安装相对轻易。
2.5 通信模块
通信设备选择：采取蓝牙装置进行通信。尽管相比红外通信，它成本相对较高。但其有着很多特有优点：通信距离相对较长，通常在10米左右，且能够转弯，不用对准。传输速度快，且能够加密，愈加安全。
3 硬件设计
3.1 主控硬件设计
对于每个小车而言，主控电路关键器件为AT89S52单片机，经过此单片机来控制小车完成估计功效。其中，小车开启、复位、断电全部需要手动开关来控制。由QTI循迹模块组成循迹电路进行实时监测，不停判定小车位置，并将检测到信息发回给单片机，单片机经过运算后，发送PWM波给电机，从而控制小车速度、启停、转弯、直线行驶等。除此之外，两个小车单片机还全部需要连接一个蓝牙设备，用于在两个单片机之间传输信息。系统框图图3-1所表示。

图3-1 主控电路连接图
3.2 循迹硬件设计
因为本设计在循迹模块中采取是集成QTI循迹模块，故循迹装置内部电路无需再重新设计，仅需将集成QTI循迹模块正确连入AT89S52单片机中集可。具体电路连接图见图3-2。

图3-2 QTI设备连接图
3.3 驱动硬件设计
电机选择：采取直流伺服电机。伺服电机含有以下特点：它在接收到一个PWM波形脉冲时就会旋转一定角度，经过不停接收脉冲就能够使得小车连续运动。对于本设计所选择电机而言，当接收到脉冲是高电平连续时间为1.5ms而低电平连续时间是20ms时，电机不发生转动；当低电平时间保持不变，高电平连续时间越靠近1.7ms时，电机顺时针转速越快，在1.7ms时，电机顺时针旋转速度达成最大；反之，高电平连续时间越靠近1.3ms时，电机逆时针转速越快，在1.3ms时，电机逆时针旋转速度达成最大。
在小车运行过程中，单片机AT89S52经过P1.1和P1.2口发送脉冲波形来分别控制左右电机运转，立即左右电机分别和P1.1和P1.2口相连即可。
3.4 电源硬件设计
本系统中单片机所需供电电压为+5V工作电压，而电路板设计是采取6-9V直流电输入，再经过稳压芯片来为单片机输入5V工作电压。每节干电池所提供电压为1.5V，采取4节干电池串联后能够得到直流电输入口所要求最小电压6V。所以，选择4节干电池串联后接入单片机供电口。另外，因为干电池所供电压并不稳定，轻易造成小车传感器、蓝牙等设备掉电，从而影响小车正常工作，故再额外经过USB-ISP线将输出为5V移动电源连接至小车ISP下载口即可。
3.5 蓝牙通信串口硬件设计
本系统中两辆小车需要在一定情况下进行通信，所以需要使用一个近距离无线通信装置。在本设计中，选择蓝牙通信装置HC-05来实现此功效。HC-05引脚原理图如图3-3所表示。

图3-3 蓝牙引脚原理图
此蓝牙在配对成功后使用方法和串口使用方法一样，故一样是将蓝牙接口TXD、RXD分别连至单片机P3.0、P3.1口，VCC接高电平，GND接地即可正常使用。
3.6 本章总结
本章关键分析了小车实现各个功效所需硬件设备，硬件选择，硬件设备连接等问题，关键包含主控硬件、循迹硬件、驱动硬件、电源硬件、蓝牙硬件等，经过对硬件分析和设计，为小车能正常运行做好硬件方面准备工作。
4 软件设计和实现
4.1 概述
在基于单片机系统设计中，除了要对系统硬件进行设计外，还要对系统软件进行设计。在本设计之中，大量实施工作需要对程序进行设计，这一工作对于系统而言尤为关键。
在编写程序时，要注意一下几点要求：
1. 实时性，即软件反应、实施速度快。
2. 程序简练，即要求既要完成目标，又要以最简练方法表述出来。
3. 程序灵活性和可拓展性，即程序拥有较强适应能力，在功效需要拓展时能够方便修改。
4. 可靠性，即在系统运行过程中因为软件方面故障而造成系统错误尽可能少。
另外，在用C语言进行程序设计时，具体步骤以下：
1. 明确要求，确定软件所要实现功效。
2. 分析具体问题，建立数学模型。
3. 绘制出各个程序模块步骤图。
4. 将各个程序组合在一起，组成一个完整程序。
最终，在程序设计过程中，应注意一下几点要求：
1. 各个功效、模块尽可能层次化。
2. 存放空间合理，节省内存。
3. 软件步骤要合理，软件布局要清楚。
4.2 软件结构设计
在本设计中，软件结构设计采取了模块化结构设计，将整个系统分成五大模块，包含主程序模块、循迹程序模块、电机程序模块、蓝牙通信程序模块、位置判定程序模块等，依次设计系统整体软件结构和各个模块软件结构，最终再将其汇总成为一个完整系统。系统软件结构图图4-1所表示。

图4-1系统软件结构图
4.3 关键模块实现
4.3.1循迹步骤图
循迹步骤图图4-2所表示。

图4-2循迹步骤图
小车在开启后会直接进入循迹路段，正常直行情况下，有且只有中间两路QTI装置(中左和中右)将能够探测到黑线。而在实施前进过程中，会因为部分原因而造成略微偏离轨道，此时，小车中间两路QTI装置可能将会存在其中一路脱离黑线。此时，则应向单片机发出调整指令，改变小车行驶状态，使其回归黑线中央行驶。当小车来到拐弯路段时，外部两个QTI装置(左和右)将会探测到黑线，表明小车来到拐弯路段，则应向单片机发出调整指令，改变小车行驶状态，使其完成拐弯任务。而当小车抵达定位处时，四路QTI循迹装置将全部探测到黑线，此时则应向单片机发出计数自加指令后使小车继续向前行驶。
4.3.2 电机驱动步骤图
电机驱动步骤图如4-3所表示。

图4-3电机驱动功效步骤图
在两个小车进行通信时，根据预期，伴随两个小车位置改变，两个小车行驶速度也应该随之改变。在此设计中，整个轨道共有8个定位点。对于小车A，速度改变是从检测到定位点时开始，所以小车A驱动步骤图应从检测到定位点开始。而对于小车B，速度改变是在中止中产生，所以小车B驱动步骤图应从中止中开始。另外，本设计要求是使小车B跟随小车A行驶，使得小车A和小车B距离一直保持在大约等于两个定位点间距离。所以，想要确定两个小车速度，首先要计算两个小车距离。本设计是经过计算两小车共检测到定位点数之差来判定两个小车距离。当两个小车所探测到定位点数相差为1，表示两车距离适中，驱动电机使两车全部快速行驶；当两个小车探测到定位点数相同，表示两车距离过近，驱动电机使前车快速行驶以后车慢速行驶，从而拉大两车间距；而当两个小车所探测到定位点数相差大于1，表示两车距离过远，驱动电机使前车慢速行驶以后车快速行驶，以此来缩短两车距离。另外，前车发生故障时，应使得后车在和其距离过近时自动停车，预防出现两车相撞情况。
4.3.3 位置判定步骤图
位置判定步骤图图4-4所表示。

图4-4 位置判定步骤图
本设计中，两个小车需要组成一个协作系统平台，所以，需要不停地判定自己位置。在此设计中，在完整轨道中平均选择了8个定位点，在小车途经这8个定位点时，单片机选择一个变量来计算小车在行驶过程中所经过总点数，从而来大致判定小车所在位置。当计数达成8时，表示小车已经运行了一整圈回到出发点，故计数清零。
轨道图图4-5所表示。

图4-5 轨道图
4.3.4 蓝牙通信步骤图
在本设计中，两个小车要经过相互协作来组成一个智能小车系统，所以，在小车运行过程中，两小车需要在必需时刻相互通信并发送指令。在此系统中，小车A为整个系统中枢，一切信息要在小车A单片机中进行运算处理，再将控制命令由小车A发出。蓝牙通信步骤图图4-6所表示。

图4-6 蓝牙通信步骤图
4.4 本章小结
本章首先介绍了针对软件设计要求、过程等注意事项，然后系统介绍了针对本设计软件结构各个模块设计方案、思绪，并列出了各个关键模块设计步骤图。
5 系统功效测试
在完成系统设计和制作后，必需要对所设计系统进行测试。经过测试，检测需要单片机所完成功效是否能够实现。
5.1 系统功效测试
测试过程中，首先依次对各个小车进行单独模块功效测试，然后再进行整个系统功效测试。即首先分别对小车A、小车B进行单独循迹功效测试，查看小车A、B性能。然后再将小车A、B经过蓝牙连接相互通信，测试整个系统性能。
小车A循迹功效单独测试，结果如表5-1所表示。
表5-1 小车A循迹测试结果

1
2
3
4
5
6
7
8
第一圈
完成
完成
完成
完成
卡顿
完成
完成
完成
第二圈
完成
卡顿
完成
完成
完成
完成
完成
完成
第三圈
完成
完成
完成
完成
完成
完成
完成
完成
第四圈
完成
完成
完成
完成
卡顿
完成
完成
完成
第五圈
卡顿
完成
完成
完成
完成
完成
完成
完成
小车B循迹功效单独测试，结果如表5-2所表示。
表5-2 小车B循迹测试结果

1
2
3
4
5
6
7
8
第一圈
完成
完成
完成
完成
卡顿
完成
完成
完成
第二圈
完成
完成
完成
完成
完成
完成
完成
完成
第三圈
完成
完成
完成
完成
完成
完成
完成
完成
第四圈
完成
完成
完成
完成
完成
完成
完成
完成
第五圈
完成
完成
完成
完成
完成
完成
完成
完成
系统性能测试，结果如表5-3所表示。
表5-3 系统功效测试结果
第一圈
运行正常
第二圈
运行正常
第三圈
小车A在定位点3处连续探测到2次定位标志，造成犯错
第四圈
运行正常
第五圈
运行正常
5.2 测试结果分析
小车A在运行过程中，因为传感器、电机等设备问题，有时会造成中途卡顿，造成小车无法正常运行，但总体结果基础正确，不影响试验结果。
小车B和小车A相比，运行较为流畅，基础能够正常运行，极少会出现故障，达成预期目标。
在整个系统协调运行时，除了小车偶然发生卡顿意外，基础不会造成其它故障，基础能够达成预期效果。
总体而言，关键是因为传感器并不正确，在室内光线、太阳光等灯光影响下，偶然会造成运行出现故障。但从整体来看，基础功效全部能够正常实现，不影响观察结果，系统基础能够正常运行。
6 结论和展望
6.1 结论
在本设计中，A、B两个小车控制关键全部选择是AT89S52单片机，这使得小车含有很好稳定性和连续性。循迹装置选择是体积小、功耗低、应用方便、集成度高QTI传感器DM-S53401。电机选择是两轮独立直流伺服电机，经过控制两个轮不一样转速来改变方向。车间通信选择是蓝牙通信装置HC-05，它含有较高可靠性，能够确保两车顺利完成通信功效。
在小车运行过程中，利用QTI传感器来实时监测小车路面信息，单片机接收并处理传感器监测到信号，将运动控制指令发送给电机，使得小车正常行驶。另外，两个小车还经过蓝牙装置进行车间通信，并依据两车状态调整小车运动情况。该系统最终能够完成功效有：循迹、变速、保持两车间距稳定、紧急停车。
6.2 展望
本智能小车系统最关键前景是利用到无人驾驶汽车上。首先，能够经过小车系统车间通信计划行车路径，充足利用现有道路资源，提升道路利用率，降低堵车事件发生；其次，还经过安装多种传感器感知路面情况来避免交通事故发生。

参考文件：
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[2] 李晓莹.传感器和测试技术.高等教育出版社，.1
[3] 禹帆.蓝牙技术.清华大学出版社，
[4] 杨代强.基于单片机智能玩具电动车设计和实现.电子科技大学硕士论文，.11
[5] 高峰.单片微机应用系统设计及实用技术.北京：机械工业出版社，.4
[6] 刘彩虹.智能小车路径跟踪技术研究.浙江大学硕士论文，.6
[7] 碰新荣.基于智能小车平台多车协作研究.上海交通大学硕士论文，.2
[8] 谭浩强.MCS-51单片机应用教程.清华大学出版社，.5
[9] V.Gradinescu, C.Gorgorin, R.Diaconescu, V.Cristea, L.Iftode. Adaptive traffic lights using car-to-car communication. IEEE Vehicular Technology Conference,
[10] Seki K. Applications of DSRC in Japan. ITS Center,Japan Automobile Research Institute,

致谢
历时四个多月本科毕业论文立即完成了，心中有着很多感慨。这多个月来，从最初选题、查找资料、撰写开题汇报、选择零件设备、学习软硬件使用、测试、撰写初稿、和后期论文修改，无时无处不存在卢教授帮助和指导，这一幕幕全部在我脑海中留下了深深印象，这让我心中有着无限感激和感动。
因为考研复试占用了一定设计论文时间，所以在开始毕业设计时侯时间已经有点儿担心。在回到学校开始做毕业设计前两个月，几乎天天全部呆在试验室。在此，我很感谢仝老师提供给我试验环境。假如没有一个理想试验环境，我论文和设计根本无法在短短多个月内完成。
同时，在这十二个月里，我也查阅了不少资料，这些资料使我论文愈加完整。所以，很感谢大同大学图书馆，感谢参考文件中每一位作者。
最终，还要感谢我同学、好友在我做毕业设计时为我提供帮助和支持！