超聲波避障小車的設(shè)計書

1、<p>　　超聲波避障小車的設(shè)計書</p><p><b>　　立項目的</b></p><p>　?。?）設(shè)計一輛利用超聲波傳感器來實現(xiàn)避障功能的小車，使小車對其運動方向受到的阻礙作出各種躲避障礙的動作。</p><p>　?。?）進一步學(xué)習(xí)單片機原理及其應(yīng)用，了解超聲波傳感器的工作原理。</p><p>&

2、lt;b>　　立項意義</b></p><p>　　在科學(xué)探索及緊急搶險中經(jīng)常要對一些危險或人類不能直接到達的地域進行探測，這就需要用機器人來完成。而機器人在復(fù)雜地形行進時自動避障是一項必不可少也是最基本的功能。因此，自動避障系統(tǒng)的研發(fā)也就應(yīng)運而生。</p><p>　　自動避障小車就是基于這一系統(tǒng)開發(fā)而成的。隨著科技的發(fā)展，對于未知空間和人類所不能直接到達的地域的探索逐

3、步成為熱門，這就使機器人自動避障功能的研發(fā)有了重大意義。</p><p>　　通過對自動避障小車的設(shè)計，我們可以將其運用于自動避障小車，以作為地域探索機器人和緊急搶險機器人的運動系統(tǒng)，讓機器人在行進中自動避過障礙物。</p><p><b>　　設(shè)計要求</b></p><p>　?。?）在車前方?jīng)]有障礙物時，小車沿直線向前走。</p&g

4、t;<p>　?。?）在車前方有障礙物時，小車能避開障礙物，避障方法如下：</p><p>　?、傧认蜃筮呣D(zhuǎn)90度，如果前面沒有障礙物，再沿直線向前走；</p><p>　　②如果前面仍有障礙物，則向右轉(zhuǎn)180度，如果前面沒有障礙物，則直線行走；</p><p>　　③如果前面仍有障礙物，則向右90度，然后直線行走</p><p&g

5、t;<b>　　課題設(shè)計</b></p><p><b>　　設(shè)計原理</b></p><p>　　該智能車系統(tǒng)可分為四個主要模塊：傳感器避障模塊，單片機主控核心模塊，電機驅(qū)動模塊，USB下載模塊。鑒于電機驅(qū)動模塊、USB下載模塊已經(jīng)由實驗室直接提供了，我們對于傳感器避障模塊和單片機主控核心模塊進行了討論。</p><p>

6、;　?。?）傳感器避障模塊。智能車避障系統(tǒng)中的傳感器一般分為接觸型和非接觸型兩種，接觸型相對比較簡單。這里我們使用了超聲波傳感器進行測量，也即非接觸型傳感器。</p><p>　　超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生震動產(chǎn)生的，在碰到雜質(zhì)獲分界面會產(chǎn)生顯著反射從而形成反射回波，超聲波傳感器就是根據(jù)超聲波在障礙物界面上的反射來判斷檢測物體的存在以及距離的。超聲波頻率高，波長短，繞射現(xiàn)象

7、小，方向性好，再加上信息處理簡單且價格低廉，所以這里我們使用28015-PING-v1.6超聲波傳感器對小車行進前方路況進行探測以及判斷，它能實現(xiàn)從3cm到1.8m距離的測量，從而識別出范圍內(nèi)的障礙物。我們將其作為傳感器避障模塊，利用其返回的數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)小車避障的功能。</p><p>　　圖2.1.1超聲波傳感器</p><p>　?。?）單片機主控核心模塊。在這次設(shè)計中我們選用已經(jīng)學(xué)

8、過的MCS-51單片機為核心作為控制模塊。MCS-51系列單片機是美國Intel公司于1980年推出的產(chǎn)品，MCS-51系列單片機的影響及其深遠(yuǎn)，許多公司都推出了兼容系列單片機，使MCS-51內(nèi)核成為一個8位單片機的標(biāo)準(zhǔn)，其典型產(chǎn)品有8031、8051、8751等等。</p><p>　　（3）電機驅(qū)動模塊。電機驅(qū)動模塊是由兩個伺服電機組成，伺服電機控制原理如下所示：控制電機運動轉(zhuǎn)速的是高電平持續(xù)的時間，當(dāng)高電平

9、持續(xù)時間為1.3ms時，電機順時針全速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)高電平持續(xù)時間1.7ms時，電機逆時針?biāo)傩D(zhuǎn)。</p><p>　　圖2.1.2伺服電機控制時序圖</p><p><b>　　2.2設(shè)計內(nèi)容</b></p><p>　　系統(tǒng)主要原理是：通過超聲波避障模塊（即感測模塊）實時監(jiān)測路面情況并及時傳輸給單片機。由單片機主控核心模塊根據(jù)感測模塊給予的信息控

10、制小車兩電機轉(zhuǎn)動工作狀態(tài)。電機驅(qū)動模塊驅(qū)動兩電機轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)前進或者左、右轉(zhuǎn)。</p><p>　　小車的避障流程如下：</p><p>　　（1）在車前方?jīng)]有障礙物時，小車沿直線向前走。</p><p>　?。?）在車前方有障礙物時，小車能避開障礙物，避障方法如下：</p><p>　?、傧认蜃筮呣D(zhuǎn)90度，如果前面沒有障礙物，再沿直線向前走；

11、</p><p>　?、谌绻懊嫒杂姓系K物，則向右轉(zhuǎn)180度，如果前面沒有障礙物，則沿直線向前行走；</p><p>　　③如果前面仍有障礙物，則向右90度，然后直線行走</p><p>　　根據(jù)小車的避障流程畫出小車避障程序的程序流程圖如下：</p><p>　　根據(jù)程序流程圖編寫單片機控制程序（見附錄）</p><p&

12、gt;<b>　　2.3設(shè)計結(jié)果</b></p><p>　　組裝出來的避障小車圖2.3.1所示。將編寫好的C語言程序轉(zhuǎn)換成.hex文件，將.hex文件“燒入”單片機中，接通電源，小車向前沿直線行走，把手放在傳感器前，小車立即向左旋轉(zhuǎn)90度；放開手，小車又沿直線向前走。把手一直放在傳感器前面，小車會先向左轉(zhuǎn)90度，再右旋轉(zhuǎn)180度，再接著向右旋轉(zhuǎn)90度，再向左旋轉(zhuǎn)90度，然后一直循環(huán)……通過

13、不同的測試發(fā)現(xiàn)下車完全滿足設(shè)計要求。</p><p><b>　　圖2.3.1</b></p><p><b>　　結(jié)題報告</b></p><p>　　1、課題完成情況介紹</p><p>　　將編寫好的C語言程序轉(zhuǎn)換成.hex文件，將.hex文件“燒入”單片機中，接通電源，小車向前沿直線行走，把

14、手放在傳感器前，小車立即向左旋轉(zhuǎn)90度；放開手，小車又沿直線向前走。把手一直放在傳感器前面，小車會先向左轉(zhuǎn)90度，再右旋轉(zhuǎn)180度，再接著向右旋轉(zhuǎn)90度，再向左旋轉(zhuǎn)90度，然后一直循環(huán)……通過不同的測試發(fā)現(xiàn)下車完全滿足設(shè)計要求。</p><p>　　2、設(shè)計中發(fā)現(xiàn)的問題及相應(yīng)的解決情況</p><p><b>　　2.1、發(fā)現(xiàn)的問題</b></p>&l

15、t;p>　?。?）通電之后，小車不停地旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)次序與設(shè)計的避障旋轉(zhuǎn)次序一致，說明子函數(shù)“getx（）”返回的Dis 的值一直小于10.</p><p>　?。?）小車通電之后，小車在避障功能上完全滿足要求，但是前進時，小車卻每行進兩三厘米就停頓一下，然后再行進兩三厘米就停頓。</p><p><b>　　2.2、解決情況</b></p><

16、p>　　（1）出現(xiàn)這個結(jié)果的問題是子函數(shù)“getx（）”里面的子函數(shù)delay_nus(1)，因為delay_nus(1)的實現(xiàn)的延時時間實際上不是1us，因為delay_nus()函數(shù)里面有這樣的語句“i=i/10”，這樣實際上i就等于0；為了解決這個問題我們重新編寫了一個延時函數(shù)delay_nus1(1)，結(jié)果小車正常運行。</p><p>　?。?）出現(xiàn)這個問題的原因是程序每循環(huán)一次時都應(yīng)該初始化Si

17、g口，我們在程序中加上了“delay_nus(20000);Sig=0;” 結(jié)果小車正常運行。</p><p>　　3、課程設(shè)計的心得體會</p><p>　　通過這次課程設(shè)計，我對單片機的原理和應(yīng)用有了更深的理解。在這次課程設(shè)計中，我重新學(xué)習(xí)了一遍張毅剛老師編寫的教材《單片機原理及應(yīng)用》，將以前學(xué)習(xí)的知識重新看了一遍，加深了我對單片機知識的印象。最重要的是，我知道如何在實際設(shè)計中使用單片

18、機，這個是在課本上學(xué)不來的。</p><p>　　在這次課程設(shè)計中我們遇到了很多問題，尤其是在調(diào)試程序的時候，雖然我們嚴(yán)格的按照程序流程圖的邏輯來編寫程序，編譯也沒有出錯，但是把程序“燒入”單片機運行時小車總是不能按照預(yù)想的情況運行，經(jīng)過我們耐心的調(diào)試和修改，以及在胡瑞強老師的耐心指導(dǎo)下，我們最終還是成功了。</p><p><b>　　4、參考文獻</b></

19、p><p>　　【1】張毅剛.《單片機原理及應(yīng)用》.高等教育出版社。</p><p><b>　　附錄</b></p><p>　　#include <reg51.h></p><p>　　int dis,ltime,htime,time;//dis代表距離，time代表時間</p><p

20、>　　sbit SIG=P3^4;//P3^4控制和讀取傳感器IO口狀態(tài)</p><p>　　sbit left=P1^0;//左輪</p><p>　　sbit right=P1^1;//右輪</p><p><b>　　//延時程序</b></p><p>　　void delay

21、(int i)//用于延時i微秒</p><p><b>　　{</b></p><p>　　i=i/10-14;//這里減去14因為通過debug得到精確時間</p><p>　　while(i--);</p><p><b>　　}</b></p><p

22、>　　void delay1(int i)//用于產(chǎn)生脈沖，激發(fā)超聲波</p><p><b>　　{</b></p><p>　　while(i--);</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　//初始化</b></p>

23、<p>　　void init()</p><p><b>　　{</b></p><p>　　TMOD=0x01;//T0方式1</p><p>　　TH0=0;TL0=0;//計時器清零</p><p>　　ET0=1;//定時器0中斷允許</p><

24、;p>　　EA=1;//總中斷允許</p><p>　　TR0=0;//定時器0先不開始計時</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　//行車程序</b></p><p>　　void xingjin(int l,int r)//方便

25、下面程序的編寫</p><p><b>　　{</b></p><p>　　left=1;//給左輪提供長度為l微秒的脈沖</p><p><b>　　delay(l);</b></p><p><b>　　left=0;</b></p><p&

26、gt;　　right=1; //給右輪提供長度為r微秒的脈沖</p><p><b>　　delay(r);</b></p><p><b>　　right=0;</b></p><p>　　delay(18000);</p><p><b>　　}</b><

27、/p><p>　　void left_90()//原地左轉(zhuǎn)90度，兩輪均為順時針</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　inti=30;</b></p><p><b>　　while(i)</b></p><p>

28、<b>　　{</b></p><p>　　xingjin(1300,1300);</p><p><b>　　i--;</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　v

29、oid right_90()//原地右轉(zhuǎn)90度，兩輪均為逆時針</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　inti=30;</b></p><p><b>　　while(i)</b></p><p><b>　　{</b&

30、gt;</p><p>　　xingjin(1700,1700);</p><p><b>　　i--;</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　void right_180()

31、//原地右轉(zhuǎn)180度，兩輪均為逆時針</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　inti=60;</b></p><p><b>　　while(i)</b></p><p><b>　　{</b></p>&l

32、t;p>　　xingjin(1700,1700);</p><p><b>　　i--;</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　void forward()//前行，左輪逆時針，右輪順時針&l

33、t;/p><p><b>　　{</b></p><p>　　xingjin(1700,1300);</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　//測距子程序</b></p><p>　　int getx(int a)</p&

34、gt;<p><b>　　{</b></p><p>　　TH0=TL0=0;</p><p>　　if(a)//通過產(chǎn)生一個脈沖，使發(fā)出超聲波</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　SIG=0;</b></p&g

35、t;<p><b>　　SIG=1;</b></p><p>　　delay1(1); </p><p><b>　　SIG=0;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　while(SIG);//除噪</p&

36、gt;<p>　　while(!SIG);//當(dāng)超聲波發(fā)出時低電平結(jié)束</p><p>　　TR0=1;//定時器0開始計時</p><p>　　while(SIG);//當(dāng)收到回波或超時時高電平結(jié)束</p><p>　　TR0=0;//定時器0停止計時</p><p>　　lti

37、me=TL0;//分別存儲定時器高低位的數(shù)據(jù)</p><p>　　htime=TH0;//經(jīng)過debug可知每次計時約為1.085us</p><p>　　time=htime*256+ltime;//將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為時間，單位為微秒</p><p>　　dis=time/(2*29);//將時間轉(zhuǎn)化為距離，單位為厘米</p&g

38、t;<p><b>　　}</b></p><p><b>　　//主程序</b></p><p>　　void main()</p><p><b>　　{</b></p><p>　　init();//對定時器進行初始化，為計時測距做準(zhǔn)備</

39、p><p>　　while(1)//保證小車始終進行下面的判斷</p><p><b>　　{</b></p><p>　　getx(1);//獲得小車行進方向的障礙物信息</p><p>　　if(dis>=10)//若距離大于10cm則繼續(xù)前行，結(jié)束本循環(huán)</p><

40、;p><b>　　{</b></p><p>　　forward();</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　else</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　left

41、_90();//否則左轉(zhuǎn)90度，并進行下一次判斷</p><p><b>　　getx(1);</b></p><p>　　if(dis>=10)//若距離大于10cm則繼續(xù)前行，結(jié)束本循環(huán)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　forward();<

42、/p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　else</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　right_180();//否則右轉(zhuǎn)180度，并進行下一次判斷</p><p><b>　　getx

43、(1);</b></p><p>　　if(dis>=10)//若距離大于10cm則繼續(xù)前行，結(jié)束本循環(huán)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　forward();</p><p><b>　　}</b></p><p><b

44、>　　else</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　right_90();//否則右轉(zhuǎn)90度，結(jié)束本循環(huán)</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　} </b></p><p>

45、;<b>　　}</b></p><p>　　delay(20000);//這里考慮到有時會出現(xiàn)運行出錯的現(xiàn)象</p><p>　　SIG=0;//加入了一個延時與清零的過程</p><p><b>　　} </b></p><p><b>　　}</b>