基于无线传输的智能巡航小车的设计 5.docx
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基于无线传输的智能巡航小车的设计5
毕业设计说明书
基于无线传输的智能巡航小车的设计
学生姓名:
李璐学号:
0805054117
学院:
信息与通信工程学院
专业:
自动化
指导教师:
贾建芳
2012年6月
基于无线传输的智能巡航小车的设计
摘要
本文设计的可控智能小车,采用AT89S52单片机作为小车的检测和控制核心;采用金属探测传感器等组成不同的检测电路,实现小车在行驶中遇到金属时改变速度并循迹前进;采用霍尔元件A44E检测小车行驶速度和行驶里程;采用集成的语音识别芯片RSC-364、射频发送模块F05C和编码芯片PT2262组成语音无线遥控器,并且采用射频接收模块J05C和解码芯片PT2272组成无线接收模块,使小车可以“听懂”人的命令,互动性更强;采用1602LCD时显示小车行驶的时间,小车停止行驶后,轮流显示小车行驶时间、行驶距离、平均速度以及各速度区行驶的时间。
本设计结构简单,较容易实现,但具有高度的智能化、人性化,在一定程度上体现了智能。
关键词:
无线传输,简单控制,智能小车
Designoftheintelligentcruisecarbasedonthewirelesstransmission
ABSTRACT
InthispaperitshowsaintelligentcarcontrolledbytheSCM,withAT89S52SCMasthedetectionandcontrolcore;Adoptingphotoelectricsensor,metaldetectionsensors,ultrasonicsensorsandothercomponentsofdifferentdetectioncircuit,tomakethedrivingcartraceautomatical,andmeasuringitsmileage,etc.withusingthehallelementA44Etomeasurethecarspeeds;SpeechrecognitionchipsRSC-364,RfsendF05CandcodingICmodulePT2262integralvoiceremotecontrol,andusingreceivemoduleJ05CanddecoderchipPT2272tocomposewirelessreceivingmodules,sothecarcan"understand"man'scommand,itmakesthecaralive;whenthecarmovesthe1602LCDwasusedtodisplaythetime,itcanshowthesmallcartraveltime,drivingdistance,speedandthetimeofeachspeedofdrivingzone.Thisdesignissimpleinstructure,it'seasytoimplement,thecarhaveahighlevelofintelligenceandhumannature.Itembodiestheintelligenceinacertainextent.
Keywords:
wirelesstransmission,Simplecontrol,Intelligentcar
目录
1绪论1
1.1研究背景1
1.2智能小车研究现状1
1.3课题在理论和实际应用方面的价值3
1.4无线射频识别技术4
1.5短距离无线通信技术4
1.6主要研究内容5
2智能小车硬件系统6
2.1总体设计6
2.2语音无线遥控器7
2.2.1语音控制模块7
2.2.2无线发送模块8
2.3车载无线接收模块8
2.4路面检测模块:
9
2.5LCD显示模块:
9
2.6测速模块10
2.7控速模块10
2.8模式选择模块11
3智能小车硬件电路设计13
3.1最小系统13
3.1.1复位电路13
3.2.2时钟电路设计14
3.2.3电源电路14
3.2显示电路15
3.3测量里程与速度电路16
3.4电机驱动电路18
4智能小车软件设计20
4.1智能小车运行主程序流程图20
4.2测量里程程序设计21
4.3语音控制流程图21
结论22
参考文献23
致谢25
1绪论
1.1研究背景
智能小车,又称轮式机器人。
机器人的应用越来越广泛,几乎渗透到所有领域。
机器人的发展体现了一个国家技术水平的高低,现代机器人从其诞生到现在,己经发展到了第三代。
第一代机器人是示教再现型机器人。
它们装有记忆存储器,由人将作业的各种操作要求示范给机器人,使之记住操作的程序和要领。
当它接到再现命令时,则自主地再现示教的动作。
第二代机器人是装有小型计算机和简单传感器的离线编程的工业机器人。
它能感知外界信息和进行“思维”,比第一代机器人更灵活、更能适应环境变化的需要。
第三代是智能机器人。
智能机器人是“具有感知、思维和动作的机器”。
它装有多种传感器,能识别作业环境,能自主决策,具有人类大脑的部分功能,且动作灵活,是人工智能技术发展到高级阶段的产物[1][2]。
近些年中国航天事业飞速发展,是不折不扣的航天年,随着实现载人上天以及太空行走,中国在世界的航空领域也有了一席之地。
而对于地外星球的研究,智能小车也发挥着它极大的作用,可以完成星球表面岩石采集等任务,从而代替人类完成一些比较危险的工作。
智能车是一个集环境感知、规划决策等功能于一体的综合系统。
它在各个领域都具有广泛的应用前景。
与智能小车密切相关的就是无线传输技术,随着集成电路技术和计算机技术的成熟,无线通信技术向高速率、大容量、小型化的无线多媒体通信方向发展,使得各种短距离无线通信(Short-rangeWirelessCommunications)应用不断涌现,并得到了广泛的研究和使用。
蓝牙V3.0、ZigBee、微波RFID(RadioFreqencyIdentification)以及60GHz毫米波个域通信(Millimeter-waveWPAN)技术等新一代短距离无线通信应用的出现,显示出短距离无线通信技术强大的生命力和广阔的应用前景[3][4]。
1.2智能小车研究现状
国外移动机器人的发展:
移动机器人的研究始于60年代末期,斯坦福研究院的NilsNilssen和CharlesRosen等人,在1966年至1972年间研制出了名为Shakey的自主移动机器人。
进入20世纪80年代以后,人们的研究方向逐渐转移到了面向实际应用的室内移动机器人的研究,并逐步形成了自主式移动机器人AMR(IndoorAutonomousMobileRobot)概念。
美国国防高级研究计划局(DARPA)专门立项,制定了地面天人作战平台的战略计划。
从此,在全世界掀开了全面研究室外移动机器人的序幕,如DARPA的“战略计算机”计划中的自主地面车辆(ALV)计划(1983~1990),能源部制订的为期10年的机器人和智能系统计划(RIPS)(1986~1995),以及后来的空间机器人计划;日本通产省组织的极限环境下作业的机器人计划;欧洲尤里卡中的机器人计划等。
初期的研究,主要从学术角度研究室外机器人的体系结构和信息处理,并建立实验系统进行验证。
虽然由于80年代对机器人的智能行为期望过高,导致室外机器人的研究未达到预期的效果,但却带动了相关技术的发展,为探讨人类研制智能机器人的途径积累了经验,同时,也推动了其它国家对移动机器人的研究与开发[5]。
进入90年代,随着技术的进步,移动机器人开始在更现实的基础上,开拓各个应用领域,向实用化进军。
美国NASA研制的火星探测机器人索杰那于1997年登上火星,这一事件向全世界进行了报道。
为了在火星上进行长距离探险,又开始了新一代样机的研制,命名为Rocky7,并在Lavic湖的岩溶流上和干枯的湖床上进行了成功的实验。
德国研制了一种轮椅机器人,并在乌尔姆市中心车站的客流高峰期的环境和1998年汉诺威工业商品博览会的展览大厅环境中进行了实地现场表演。
该轮椅机器人在公共场所拥挤的、有大量乘客的环境中,进行了超过36个小时的考验,所表现出的性能是其它现存的轮椅机器人或移动机器人所不可比的。
这种轮椅机器人是在一个商业轮椅的基础上实现的[6]。
2004年,美国的火星车“勇气”号和“机遇”号登上火星,并且圆满完成了预期的探索任务:
每辆火星车都需要至少工作90个火星日(约相当于地球上的92天),在火星上行驶总里程至少达到600米,至少造访8个不同地点,必须拍下周围环境的立体和彩色全景照片。
“勇气”号和“机遇”号火星车,代表着当前世界上移动机器人的最高水平[7]。
国内移动机器人的发展:
国内对于移动机器人的起步比较晚。
从“七五”开始,我国的移动机器人研究开始起步,经过多年来的发展,己经取得了一定的成绩。
清华大学智能移动机器人于1994年通过鉴定。
涉及到五个方面的关键技术:
基于地图的全局路径规划技术研究(准结构道路网环境下的全局路径规划、具有障碍物越野环境下的全局路径规划、自然地形环境下的全局路径规划);基于传感器信息的局部路径规划技术研究(基于多种传感器信息的“感知一动作”行为、基于环境势场法的“感知一动作”行为、基于模糊控制的局部路径规划与导航控制);路径规划的仿真技术研究(基于地图的全局路径规划系统的仿真模拟、室外移动机器人规划系统的仿真模拟、室内移动机器人局部路径规划系统的仿真模拟);传感技术、信息融合技术研究(差分全球卫星定位系统、磁罗盘和光码盘定位系统、超声测距系统、视觉处理技术、信息融合技术);智能移动机器人的设计和实现(智能移动机器人THMR-III的体系结构、高效快速的数据传输技术、自动驾驶系统)。
香港城市大学智能设计、自动化及制造研究中心的自动导航车和服务机器人。
中国科学院沈阳自动化研究所的AGV和防爆机器人。
中国科学院自动化所自行设计、制造的全方位移动式机器人视觉导航系统。
哈尔滨工业大学于1996年研制成功的导游机器人等[8][9]。
1.3课题在理论和实际应用方面的价值
(1)智能小车,最适合在那些人类无法工作的环境中工作,它们已在许多工业部门获得广泛应用。
它们可以比人类工作得更好并且成本低廉。
以下列举了机器人的一些应用,所有这些用途正逐步渗入到工业和社会的各个层面。
焊接这时机器人与焊枪及相应配套装置一起将部件焊接在一起,这是机器人在自动化工业中最常见的一种应用。
由于机器人连续运动,可以焊接得非常均匀和准确。
喷漆这是另一种常见的机器人应用,尤其是在汽车工业上。
由于人工喷漆时要保持通风和清洁,因此创造适合人们工作的环境是十分困难的,而且与人工操作相比,机器人更能持续不断地工作,因此机器人非常适合喷漆工作。
检测对零部件、线路板及其它类似产品的检测也是机器人比较常见的应用。
一般说来,检测系统中还集成有其他一些设备,它们是视觉系统、X射线装置、超声波探测仪或其他类似仪器。
医疗应用由于要求机器人完成的许多操作(如切开颅骨、在骨体上钻孔等)比人工操作更为准确,因此手术中许多机械操作部分都由机器人来完成。
帮助残疾人在日常生活中,机器人可以做很多事情来帮助残疾人,诸如将盛着食品的盘子放入微波炉,从微波炉中取出盘子,并且将盘子放到残疾人面前给他用餐等。
其他许多任务也可通过编程让机器人来执行。
危险环境机器人非常适合在危险的环境中使用。
在这些险恶的环境下工作,人类必需采取严密的保护措施。
而机器人可以进入或穿过这些危险区域进行维护和探测工作,且不需要得到像对人一样的保护。
水下、太空及远程机器人也可以用于水下、太空及远程的服务和探测。
虽然尚没有人被送往火星,但已有许多太空漫游车在火星登陆并对火星进行探测。
如美国的“勇气”号和“机遇”号的主要任务是在火星上探水,它们已分别在其着陆区域附近找到火星上过去曾有过水的证据。
另外,智能小车自动行驶功能的研究将有助于智能车辆的研究。
智能车辆驾驶任务的自动完成将给人类社会的进步带来巨大的影响,例如能切实提高道路网络的利用率、降低车辆的燃油消耗量,尤其是在改进道路交通安全等方面提供了新的解决途径[10][11]。
(2)对于无线传输技术来说,主流的无线技术不外乎FM、红外、蓝牙和2.4G,最近由2.4G技术衍生出的Kleer技术。
FM无线技术,这可能是目前发展最为成熟、应用范围最广、成本最低的无线技术之一了,手边的收音机就是最简单的FM无线接收设备,缺点也很明显,音质不好,容易受干扰。
红外无线技术最多应用的就是遥控器,早期的一些无线鼠标也是无线传输技术;随着红外无线技术的成熟,它越来越多的被采用高高端音频产品解决方案上。
最大的优点就是带宽大,缺点是指向性不好,蓝牙技术最广的应用就是蓝牙耳机。
由于大部分的手机都集成蓝牙功能,而部分MP3音频产品也集成了蓝牙模块,所以蓝牙耳机“群众基础”广泛,成本稍高,带宽不大,但性能好,加密性好。
2.4G技术的保密性高、省电、传输距离远等优点,被认为这是今后无线耳机的发展趋势[12]。
1.4无线射频识别技术
无线射频识别技术是一项利用射频信号通过空间耦合实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。
近距离无线通信产品通常都是低成本、低功耗的,在各个领域得到广泛应用[13]。
利用无线传输对智能巡航小车的基本数据(速度、行驶距离、位置信息等),在远端进行监视(液晶或者LED上显示)或者简单的控制。
本设计以无线射频识别技术为基础,进行基于单片机的智能巡航小车的硬件和软件设计。
1.5短距离无线通信技术
短距离无线通信技术一般指作用距离在毫米级到千米级的,局部范围内的无线通信应用。
短距离无线通信涵盖了无线个域网(WirelessPersonalAreaNetworks,WPAN)和无线局域网(WirelessLocalAreaNetworks,WLAN)的通信范围。
其中WPAN的通信距离可达约10m左右,而WLAN的通信距离可达100m左右[14]。
1.6主要研究内容
(1)熟悉短距离无线通讯的工作原理;
(2)熟悉单片机的相关理论;
(3)理解无线射频识别技术的基本原理和相关方法;
(4)进行基于无线传输的智能巡航小车的设计。
2智能小车硬件系统
2.1总体设计
智能小车通过位置传感器、速度传感器等多种传感器感知小车周围的道路信息以及小车自身的运动状态信息,并对多传感器的数据进行分析、融合,调整小车的运动状态,实现在一定条件下的行驶。
智能小车作为一个系统,它由以下软硬件构成:
轮式小车轮式小车是智能小车机械结构的主题部分,由车身,轮子、变速器、传动轴等结构部件构成。
轮式小车还包括提供动力的驱动器。
传感器传感器用来收集智能小车的自身状态信息或外部环境信息。
安装在智能小车上的传感器将智能小车自身的状态信息以及外部环境信息发给控制器,于是控制器就能决定智能小车的行驶速度和方向。
智能小车通常的传感器包括:
视觉传感器、加速度传感器、红外传感器、超声传感器等。
控制器智能小车的驱动器与人的小脑十分相似,虽然小脑的功能没有人的大脑功能强大,但是却控制着人的运动。
智能小车控制器从计算机获取数据,控制驱动器的动作,并与传感器反馈信息一起协调智能小车的运动。
处理器智能小车的处理器相当于人的大脑,用来计算智能小车的运动,确定智能小车移动的方向和速度,并且监督控制器与传感器协调动作。
处理器通常就是一台计算机,只不过是一种专用计算机,如单片机、数字信号处理器(DSP)。
它也需要拥有操作系统、程序等。
在许多系统中,控制器和处理器放置在同一单元中甚至集成在同一电路中。
导航算法模糊控制是以模糊集理论为基础的一种新兴的控制手段,它是模糊集理论和模糊技术与自动控制技术相结合的产物。
模糊逻辑控制系统既可以用来控制智能小车,也可用于将智能加入到其他系统不适合或难以使用的应用中。
模糊逻辑可以用来代替经典控制系统或与经典控制系统相结合控制智能小车。
在智能小车的应用中,虽然模糊逻辑不能说是唯一的方法,但也许是更适合的方法[15][16]。
根据设计任务要求,并且根据我们自己的需要而附加的功能,该电路的总体框图可分为几个基本的模块,框图如图2.1所示:
图2.1电路总体框图
2.2语音无线遥控器
遥控器主要由语音识别模块和无线发送模块(编码芯片、射频发送模块)组成,如图2.2所示。
遥控器的工作原理为:
控制者通过麦克风发出控制命令,该命令经过语音识别模块识别后,根据控制信号的类型产生一个8位的控制码,语音识别模块通过其P1端口将控制码输出至无线发送模块,然后语音识别模块发出控制信号,控制无线发送模块将该控制码以无线电波形式发送出去,车载控制部分接收到后便控制小车产生预期的动作[17]。
图2.2遥控器携带的控制部分框图
2.2.1语音控制模块
语音控制模块主要由Sensory公司的集成语音识别芯片RSC-364组成。
该芯片是专门为语音控制家电产品而设计的,外围辅助器件少,采用典型应用电路时只需要一个麦克风、一个晶体振荡器、一个小场声器和几个电阻、电容即可。
该芯片内部集成了语音识别、语音合成、语音身份识别、录音回放功能。
芯片内部采用的是神经网络的语音识别算法,和说话者无关的语音识别准确率可以达到97%,和说话者相关的语音识别准确率可以达到99%。
该芯片内部集成了一个八位的可编程微处理器,对外有16个可编程控制的I/O口,16位地址总线和8位数据总线及相应的控制信号,可方便地扩展外部ROM以及与外部器件通讯。
本设计对RSC-364的资源使用情况为:
其P1口用于传输与控制命令相应的控制码,P0.7口用于启动无线发送模块发送数据[18]。
2.2.2无线发送模块
为了提高无线收发的可靠性,本文采用集成的射频发送模块F05C和编码芯片PT2262组成无线编码发送模块。
PT2262外围电路简单,只需外接一个电阻调节载波频率。
PT2262的电源电压范围广,4~15V均能正常工作。
PT2262可以对12位二进制信号进行编码输出,足以满足本文的要求。
PT2262的控制也极为简单,在PT2262的TE端为0时,PT2262自动将地址引脚和数据引脚A0~A11的数据编译成适合RF电路发射的串行编码波形,然后通过DOUT端口串行输出。
应用时只需将PT2262的DOUT端口连接到RF电路的数据输入端即可将数据通过无线电波发送出去。
本文中RF电路选用集成的射频发送模块F05C。
F05C采用声表谐振器稳频,SMT树脂封装,频率一致性较好,免调试。
F05C具有较宽的工作电压范围及低功耗特性,当发射电压为3V时,发射电流约为2mA,发射功率较小;12V为最佳工作电压,具有较好的发射效果,发射电流约为5~8mA;当发射电压大于l2V时直流功耗增大,有效发射功率不再明显提高。
F05系列采用AM方式调制以降低功耗。
因为本文无线发送的命令的种类较少,所以不需要全部使用PT2262的12个数据引脚,鉴于RSC-363内核和AT89S52均为八位机,为了数据传输方便,只使用PT2262的低八位数据引脚传输数据,其余的四个数据引脚直接接地,其上数据没有意义[16][18]。
2.3车载无线接收模块
无线接收模块由射频接收模块J05C和解码芯片PT2272组成。
J05C是F05C的配对功能模块。
J05C采用超外差电路结构和温度补偿电路,具有较高的接收灵敏度及稳定性,芯片内含低噪声射频放大器、混频器、本地振荡器、中频放大器、滤波器及限幅比较器,输出为数据电平信号。
其功能是自动接收无线电波并对电波进行处理,输出适合解码芯片解码或单片机解码的波形。
PT2272是PT2262的配对芯片,其外围电气特性和PT2262相同。
工作时,PT2272自动对从DIN端口输入的编码波形进行解码,解码成功则将地址和数据输出到对应的地址引脚和数据引脚,同时将EN端口置为高电平,数据在各个引脚上的排列顺序和PT2262完全相同。
和无线发送模块相对应,这里也只使用其低八位数据引脚传输八位有效数据[19]。
图2.3车载无线接收模块连接图
2.4路面检测模块:
采用铁片感应器TL-Q5MC来检测路面上的铁片从而给单片机中断脉冲。
原理图接线如图2.4所示:
图2.4TL-Q5MC原理图接线图
金属感应器,安装在车盘下,离地略小于或约四毫米。
当金属传感器检测到铁片时将对单片机发送中断信号,单片机运行中断,改变输给电机驱动信号的电压占空比来控制小车的速度[20]。
2.5LCD显示模块:
采用1602LCD,由单片机的总线模式连接。
为节约电源电量并且不影响LCD的功能,LCD的背光用单片机进行控制,使LCD的背光在小车行驶的过程中不亮,因为我们不必看其显示;在其它我们需要看显示的内容的时候LCD背光亮[18]。
2.6测速模块
2.6.1方案1:
采用霍尔开关元器件A44E检测轮子上的小磁铁从而给单片机中断脉冲,达到测量速度的作用。
霍尔元件具有体积小,频率响应宽度大,动态特性好,对外围电路要求简单,使用寿命长,价格低廉等特点,电源要求不高,安装也较为方便。
霍尔开关只对一定强度的磁场起作用,抗干扰能力强,因此可以在车轮上安装小磁铁,而将霍尔器件安装在固定轴上,通过对脉冲的计数进行车速测量。
2.6.2方案2:
采用红外传感器进行测速。
但无论是反射式红外传感器还是对射式红外传感器,他们对都对外围环境要求较高,易受外部环境的影响,稳定性不高,且价格较为昂贵。
通过对方案1、方案2的比较其优缺点,综合多方面因素决定选用方案1[19]。
2.7控速模块
2.7.1方案1:
使用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。
线性型驱动的电路结构和原理简单,成本低,加速能力强,但功率损耗大,特别是低速大转距运行时,通过电阻R的电流大,发热厉害,损耗大,对于小车的长时间运行不利。
2.7.2方案2:
采用继电器对电动机的开或关进行控制,通过开关的切换对小车的速度进行调整.此方案的优点是电路较为简单,缺点是继电器的响应时间慢,易损坏,寿命较短,可靠性不高。
2.7.3方案3:
采用由双极性管组成的H桥电路。
用单片机控制晶体管使之工作在占空比可调的开关状态,精确调整电机转速。
这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下,效率非常高;H桥电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制;电子开关的速度很快,稳定性也很高,是一种广泛采用的调速技术。
综合3种方案的优缺点,决定选择方案3[20]。
2.8模式选择模块
模式选择模块通过一个74LS00与非门和两个不带锁按钮来控制单片机的两个中断口,从而按动按钮来选择小车走动的路型、来选择小车的速度是快速、中速、慢速;走完路程小车停止后还可以通过按钮选择想要在LCD上想看的信息,比如总时间、平均速度、总路程等。
小车走动的模式选择有:
(
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