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基于单片机的智能小车硬件电路设计与控制算法研究

内容摘要

近年来，智能车辆在智能交通系统中起着重要的作用。他们引起了研究界和行业的极大关注。商用车已经提供了不同的功能，例如，较早的成熟技术包括防抱死制动系统、牵引力控制系统、电子稳定程序、电动助力转向系统、电子制动系统和自动制动系统。还有更新的技术，例如自适应巡航控制系统、自动停车系统、防撞系统、以及其他高级驾驶辅助系统，最终的目标技术发展是实现自动驾驶。

本文设计了一台以单片机为核心控制器的智能小车，设计包括各传感器的硬件电路及合理算法，使智能车可以稳定移动。硬件电路包括电源电路、直流电机驱动电路、图像采集电路等。在智能车行驶的过程中，需要采集的信号主要有：编码器信号、线性CCD图像、蓝牙信号、陀螺仪信号。将线性CCD作为循迹传感器，核心处理单元得到每个传感器反馈的数据后，按照设定的算法计算控制左右轮直流电机的转速，通过对线性CCD信号的处理控制舵机从而实现智能循迹。在控制算法上，采用动态PID，行驶速度最快2.0m/s。四轮智能车遇到急转弯、直角弯、十字交叉道路、坡道等复杂道路时也能够平稳地前进。

关键词：智能循迹，控制算法，编码器，线性CCD

目录

TOC\o1-3\h\z\u内容摘要 1

1绪论 4

1.1课题的背景及意义 4

1.2国内外发展现状 5

1.2.1国外智能小车发展现状 5

1.2.2我国智能小车发展现状 6

1.3本文的主要内容 7

2系统整体方案设计 8

2.1设计要求 8

2.2方案设计 8

2.3机器视觉系统设计方案 9

2.3.1线性CCD的安装位置 9

2.3.2线性CCD的选择 10

3硬件系统设计 10

3.1系统芯片介绍 10

3.2硬件电路设计 11

3.2.1单片机电路设计 13

3.2.2电机驱动模块 16

3.2.3编码器电路 16

3.2.4无线蓝牙模块 17

3.2.5陀螺仪模块 17

4软件程序设计 18

4.1系统控制流程图 19

4.2控制算法的设计 19

4.2.1PID算法 19

4.2.2速度闭环控制 20

4.2.3线性CCD数据采集 21

4.2.4CCD数据处理 23

4.2.5动态PID调节 24

4.2.6调试步骤及环境 25

5结论 25

参考文献 26

1绪论

1.1课题的背景及意义

自从第一台工业机器人诞生以来，机器人的发展已经在机械、电子、冶金、交通、宇航、国防等领域遍布。由于机器人的智能水平的不断提高，人们的生活方式迅速地改变着。在人们不断认识、改造、探讨自然的过程中，替代人劳动的机器的实现一直是人类的梦想。

由于科学技术的进一步发展，机器人的感觉传感器种类逐渐增加，视觉传感器对自动行走和驾驶的功能的实现起到主要作用。自主式智能导航系统是视觉的典型应用领域，图像处理技术对于视觉的各种技术而言已相当发达，而基于图像的理解技术相对落后，需要通过大量的运算的机器视觉也只能识别部分结构化环境相对简单的目标。摄像管或CCD是视觉传感器的核心器件，CCD目前已能实现自动聚焦。但CCD传感器的使用方式、价格、体积上不占优势，因此在只需要粗略感觉不要求清晰图像的系统中的一种实用有效方法是使用接近觉传感器。

机器人想要实现自动导引、避障功能需感知导引线和障碍物，感知导引线相当于给机器人添加一个视觉功能。自动导引小车（AGV—Auto-GuideVehicle）系统使智能小车基于它实现自动识别、判定进而自动避开障碍，选择正确的行驶路径。传感器用于感知路线和障碍并且做出判定和相应的执行动作。

在我国，单片机已不是一个陌生的名词，它的出现是近代计算机技术的里程碑事件，因为单片机的诞生标志着计算机正式形成了通用计算机系统和嵌入式计算机系统两大分支。在单片机诞生之前，为了满足工控对象的嵌入式应用要求，只能将计算机进行机械加固、电气加固后嵌入到对象体系中构成自动控制。但由于体积过大，无法嵌入到大多数对象体系，如家电、玩具、仪器仪表等。单片机则应嵌入式应运而生。单片机的微小体积和极低的成本，可广泛应用到如玩具、家电、仪器仪表、汽车电子系统、工业控制单元、办工自动化系统、金融电子系统、个人信息终端及通信产品中，成为现代化电子系统中最重要的智能化工具。

随着微电子技术的不断发展，单片机不但集成程度越来越高，已可以在一块芯片上同时集成CPU、存储器、定时器／计数器、并行和串行接口、看门狗、前置放大