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2021-01-21 11:40:21
说是智能循迹小车,其实一点也不智能,仅仅是几个判断语句而已。更高级的可以使用PID算法控制小车双轮的转速,从而实现智能小车控制。
作为一个项目作业,完成后想删掉的,但是感觉有些可惜,故发布于博客上以便于其他人参考。
使用两个红外线接收器接受红外线探测到的黑色轨迹,实现转大小弯,直角(因为直角处轨迹宽度超过了探测器的宽度,所以有一些额外处理),但是无法通过锐角。
遇到转弯的时候就将直行的速度降低到最高速度的slow%,以防止小车冲出弯道。保持直行状态达到speedUp时间后,在fullGear-speedUp时间内将速度提升到最高,用来提升小车平均速度。每时每刻保存前一个转向状态,在传感器全为黑时执行保存的转向,以达到通过直角弯道的目的。流程图如下
完整代码如下
#include<reg52.h> #include<intrins.h> #define uint unsigned int #define uchar unsigned char // 电机部分 sbit P00 = P0^0; sbit P01 = P0^1; sbit P02 = P0^2; sbit P03 = P0^3; sbit P04 = P0^4; // 左电机使能 sbit P05 = P0^5; // 右电机使能 // 显像器部分 sbit P20 = P2^0; sbit P21 = P2^1; sbit P22 = P2^2; sbit P23 = P2^3; sbit P24 = P2^4; sbit P25 = P2^5; sbit P26 = P2^6; sbit P27 = P2^7; // 红外部分 sbit P33 = P3^3; sbit P35 = P3^5; // 左边红外 sbit P36 = P3^6; // 右侧红外 uint num; // 计数器 uint pwmR; uint pwmL; // 其它参数 uint speedUp = 5000; // 开始加速的直行时间 uint fullGear = 8000; // 加速到满速的时间 uint slow = 60; // 遇到转弯时的直行速度 uint delayMs = 0; // 转弯延迟时间 unsigned long count = 0; uchar status = 'F'; uchar pstatus = 'F'; int flag = 0; // 为0时代表全速,为1时代表转弯 void init(); void leftFdw(); void leftBack(); void rightFdw(); void rightBack(); void back(); void forward(); void turnLeft(); void turnRight(); void stop(); void closeLight(); void delayms(uint); void printChar(uchar x); void motorsWrite(int speedL, int speedR); /*************************** 车轮控制基本程序 ***************************/ void leftFdw(){ // 左轮前进 P00 = 1;P01 = 0; } void leftBack(){ // 左轮后退 P00 = 0;P01 = 1; } void rightFdw(){ // 右轮前进 P02 = 1;P03 = 0; } void rightBack(){ // 右轮后退 P02 = 0;P03 = 1; } /*************************** 方向控制程序 ***************************/ void turnLeft(){ // 左转 status = 'L'; printChar('L'); motorsWrite(0, 90); } void turnRLeft(){ // 左转 status = 'L'; printChar('L'); motorsWrite(-70, 100); } void turnRight(){ // 右转 status = 'R'; printChar('R'); motorsWrite(90, 0); } void turnRRight(){ // 右转 status = 'R'; printChar('R'); motorsWrite(100, -70); } void forward(){ // 前进 status = 'F'; printChar('F'); if(flag){ // 转弯 motorsWrite(slow,slow); } else { // 直线加速 uint dSpeed = slow; motorsWrite(dSpeed,dSpeed); } } void back(){ // 后退 status = 'B'; printChar('B'); motorsWrite(-100,-100); } void stop(){ // 停车 status = 'S'; printChar('S'); motorsWrite(0,0); } /********************** 延时程序 **********************/ void delayms(unsigned int xms){ unsigned int i,j; for(i=xms;i>0;i--) for(j=110;j>0;j--); } /********************** 数码管显示程序 **********************/ void closeLight(){ P21 = 1;P22 = 1;P23 = 1;P24 = 1;P25 = 1;P26 = 1;P27 = 1; } void printChar(uchar x){ closeLight(); // if(x == 'L'){ // P22 = 0;P23 = 0;P24 = 0; // } else if(x == 'R'){ // P22 = 0;P23 = 0;P27 = 0; // } else if(x == 'F'){ // P21 = 0;P22 = 0;P23 = 0;P27 = 0; // } else if(x == 'B'){ // P21 = 0;P22 = 0;P23 = 0;P24 = 0;P25 = 0; // } else if(x == 'S'){ // P21 = 0;P24 = 0;P27 = 0; // } } /********************** 电机控制程序 **********************/ void motorsWrite(int speedL, int speedR){ // 电机控制 if(speedL > 100) speedL=100; if(speedR > 100) speedR=100; if(speedL < -100) speedL=-100; if(speedR < -100) speedR=-100; if(speedL < 0) { pwmL = -speedL; leftBack(); } else { pwmL = speedL; leftFdw(); } if(speedR < 0){ pwmR = -speedR; rightBack(); } else { pwmR = speedR; rightFdw(); } } void init(){ // PWM控制程序 // 100us计时器 TMOD = 0x01; // 定时器0模式1 TH0 = 0x0FF; // 定时器0的高八位 TL0 = 0x0A4; //TF0;// 如果定时器中断(溢出),则TF0=1; EA = 1; ET0 = 1; TR0 = 1; // 表示开启定时器0 } void main(){ init(); while(1){ if(P35 == 0 && P36 == 0){ forward(); } else if(P35 == 0 && P36 == 1){ turnRight(); flag = 1; pstatus = 'R'; } else if(P35 == 1 && P36 == 0){ turnLeft(); flag = 1; pstatus = 'L'; } else if(P35 == 1 && P36 == 1){ if(pstatus == 'F'){ forward(); } else if(pstatus == 'R'){ turnRRight(); delayms(delayMs); } else if(pstatus == 'L'){ turnRLeft(); delayms(delayMs); } } } } void Timer0Interrupt(void) interrupt 1 { TH0 = 0x0FF; TL0 = 0x0A4; if(num <= pwmL)P04 = 1; else P04 = 0; if(num <= pwmR)P05 = 1; else P05 = 0; num++; if(num >= 100)num=0; if(status == 'F') { count++; } else { count = 0; } if(count == speedUp && status == 'F') { flag = 0; } }
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1、单片机STM32F407
2、树莓派3B+
3、OpenMV4摄像头
4、L298N四路电机驱动模块
5、OLED屏幕总IO口接线:
各部分功能:
STM32:
作为主控,完成的功能为:
1、控制小车运动:通过STM32输出PWM波给驱动模块进行小车运动状态的控制。
2、与OpenMV4串口通信:实现与OpenMV4的串口收发字符类型数据功能。
3、与树莓派串口通信:实现与树莓派的串口收发字符类型数据功能。
4、OLED屏的显示:让OLED屏能显示表示当前状态的字符。
OpenMV4:
主要完成循迹部分图像数据采集:
1、寻线:OpenMV4摄像头将获得的轨迹进行处理,得到轨迹的一个偏离角度,然后通过偏转角判断给STM32发送左转或右转的信号。
2、停止:MV4通过模板匹配和识别圆双重判断是否目标为圆,如果是则给STM32发出信号来停止小车运动并开始树莓派识别。
树莓派3B+:
通过树莓派上的摄像头模块(Pi Cam)进行目标识别:
树莓派通过颜色识别和形状判断,如果发现绿色的圆,即发现目标,则显示发现目标。
电机驱动和OLED屏:
电机驱动主要通过STM3给的PWM波对小车运动进行控制。
OLED屏主要显示表示当前状态的字符,主要为了能更加清楚当前状态,并进行调试。
资源链接:
总项目文件:下载链接
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摘 要:随着科技的高速发展,人们对生活质量的要求越来越高,无人驾驶汽车已经被广为研发和试用,由此智能小车的快速发展也是在情理之中。通过对基于单片机的智能小车的硬件及软件设计分析,实现红外避障循迹功能,并给出程序系统框图加以分析,最后通过实践证明这一设计的可行性和可靠性。
关键词:AT89S52 单片机;智能小车;系统框图;红外避障;循迹
1 系统总体设计
2 系统的硬件设计与制作
在智能小车红外避障循迹系統的设计上,其硬件设计主要在电机模块和传感器模块等这两个部分的内容。
2.1 硬件的设计
硬件的设计主要体现在电机和传感器的选择上,在电机设计上采取360度伺服舵机,可以实现连续的速度与位移控制,且其本身存在分别负责伺服舵机的电源、接地、信号控制的红、黑、白三条输入线,还存在基准电路及比较器。这一结构可以更好地实现智能小车的控制。传感器的设计上选择了QTI红外传感器,通过接受不同的反射光强度 ,实现对不同颜色物体的探测 ,且探测QTI传感器能够自动输出不同的电平信号,为智能小车避障的实现提供了有力的保障。
2.2 硬件的制作
硬件的制作主要介绍电路板的焊制及焊制方法,为智能小车的功能实现提供坚实的基础。
2.2.1 电路板的焊制
电路板的焊制优劣直接影响到成果的效果展示,电路板的焊接内容主要是焊接电阻、电容、发光二极管、晶振、三极管、STM32、USB、三端稳压、电机驱动。
2.2.2 元件的焊制方法
按照先焊一边再焊另一边的方法,先把焊锡丝放在焊盘的中间,放上电烙铁,焊锡丝融化后立马拿开焊锡丝,再拿开电烙铁,一定要注意焊锡的量不能过多也不能过少,一只手用镊子把贴片元件放平夹着,另一只手用电烙铁把焊盘上的焊锡融化,马上把贴片元件的一端推到焊锡处,再把元件的另一端焊盘焊上少量焊锡,推到元件的一端处。由于元件种类较多,一般按照元件的大小从小到大的顺序焊接。焊接完成后就可以进行组装,组装完毕后,组装过程中,要注意电源的正负极,不可接反。
3 系统软件的设计
智能小车软件的设计也是系统设计的重要组成部分,主要由C语言实现,通过编程实现避障与循迹功能。在此,用系统框图的形式介绍软件的设计。
3.1 红外循迹功能的实现
3.2 红外避障功能的实现
4 结论
本文论述了基于单片机的智能小车的硬件制作设计及软件的设计分析,这一设计在实践中取得了较为理想的结果,小车运行灵活,稳定可靠,识别能力较强,完美的实现了避障循迹功能,但也存在一些问题,小车转弯时会出现抖动比较厉害的情况,应该适当改变程序中的参数或适当改变QTI传感器的安装高度,所以仍然需要继续创新与实践!
参考文献
[1]陈海洋,李东京.基于单片机的智能循迹避障机器人小车设计[J].科技风,2014.
[2]钱栢霆,李娟.基于单片机的循迹避障智能小车系统的设计[J].电子制作,2015.
[3]寸巧萍.基于Mega16单片机的智能小车循迹避障设计方案[J].电子技术与软件工程,2015.
[4]周生远,王浩,于汇鑫.基于单片机的智能小车避障循迹系统设计[J].科技传播,2017.
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我们本次智能小车制作主要是让小车实现根据黑线的路径进行循迹的功能(避障功能可自由完成)
智能小车可以分成三个部分——传感器部分、控制器部分、执行器部分
控制器部分:接收传感器部分传递过来的信号,并根据事前写入的决策系统(软件程序),来决定机器人对外部信号的反应,将控制信号发给执行器部分。好比人的大脑。
执行器部分:驱动机器人做出各种行为,包括发出各种信号(点亮发光二极管、发出声音)的部分,并且可以根据控制器部分的信号调整自己的状态。对机器人小车来说,最基本的就是轮子。这部分就好比人的四肢一样。
传感器部分:机器人用来读取各种外部信号的传感器,以及控制机器人行动的各种开关。好比人的眼睛、耳朵等感觉器官。
一、智能循迹小车简介
小车工作原理
本系统采用较为简单的设计方案,通过红外传感器循迹模块判断黑线的路径,然后由80C51单片机通过IO口控制L298N电机驱动模块改变两个直流电机的工作状态,最后实现循迹功能。
系统构成——系统框图
系统构成——工作流程
二、组件说明
1、单片机主控电路
本次小车制作用89C51单片机作为其主要控制器部分,接受由传感器传输来的信息,进行判断后将控制信号发送给执行部分。
控制器部分的制作即是制作一个51单片机最小系统。通过传感器部分和执行部分的连接,编写程序来判断接收到的信息然后做出响应。
2、红外传感器模块
采用的是TCRT5000红外循迹探头传感器,检测发射距离:1mm~25mm适用。所以安装红外传感模块要尽量在此检测距离内。其上有三个引脚,分别是VCC、GND、OUT。VCC:连接电源正极;GND:连接电源负极;OUT:输出信号端口,与单片机IO口相连。
工作原理:传感器的红外发射二极管不断发射红外线,当发射出的红外线没有被反射回来或被反射回来但强度不够大时,光敏三极管一直处于关断状态,此时模块的输出端为低电平(即输出0),指示二极管一直处于熄灭状态;被检测物体出现在检测范围内时,红外线被反射回来且强度足够大,光敏三极管饱和,此时模块的输出端为高电平(即输出1),指示二极管被点亮
注意:由于各个厂家生产的红外传感器模块原理图不尽相同,高低电平逻辑也不相同。例如模块发射的光线被反射回并被模块识别到,即输出高电平信号,但是,不同厂家生产的可能输出低电平信号。因此红外传感器的工作模式需要自己甄别。
3、超声波测距模块
采用HC-SR04,有四个引脚分别是VCC、GND、TRIG(控制开始测距)、ECHO(响应输出)
工作原理:
(1)通过TRIG触发测距,给至少10us的高电平信号;
(2)模块自动发送8个40khz的方波,自动检测是否有信号返回;
(3)有信号返回,通过ECHO输出一个高电平,高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离=(高电平时间*声速(340M/S))/2;
本模块使用方法:一个控制口(TRIG)发一个10US以上的高电平,就可以在接收口(ECHO)等待高电平输出。一有输出就可以开定时器计时,当此口变为低电平时就可以读定时器的值,此时就为此次测距的时间,方可算出距离。如此不断的周期测,即可以达到你移动测量的值。
4、L298N电机驱动模块
采用光电耦合器件隔离单片机与L298N的控制电路,工艺精度高,性能可靠。L298N模块内部通过H桥电路实现直流电机的正转,反转,还可以通过单片机输出PWM控制使能端进而控制直流电机的转速,实现前进、后退、转弯。
主要参数:
电流-输出\通道:2A
电流-峰值输出:3A
电源电压:4.5~46V(一般采用12V供电)
工作温度:-25℃~130℃
工作原理及实物图:
通过改变逻辑输入端,输入高\低电平使直流电机工作状态发生改变。
5、直流电机
电机有正负极,把电机的+和-分别接到电源的正极和负极,电机即可转动,如果要改变电机的转动方向,改变正负极即可。电机的转速我们可以理解为和外接的电压是正相关的。电源电压一般是已经确定了,因此如果我们要对电机进行调速,就需要用PWM波对电机进行调速。
6、电源模块
电源建议采用两个18650电池给L298N电机模块供电,再通过L298N上的5V输出端口给单片机和传感器供电。
三、PWM简介
什么是PWM:
PWM是脉冲宽度调制的简称,脉冲宽度调制是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术,广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。
PWM产生过程:
利用51单片机的T0定时计数器,工作在预装载模式下。设置定时器定时中断时间(本次设计采用0.1ms)中断一次从而产生占空比可调的方波信号,即PWM信号。
(占空比是指在一个脉冲循环内,通电时间相对于总时间所占的比例。)
PWM调速原理:
通过输出PWM调节驱动电压脉冲宽度的方式,并与电路中一些相应的储能元件配合,改变了输送到电枢电压的幅值,从而达到改变直流电机转速的目的
PWM产生流程图
那么如何编写程序使51单片机产生PWM信号呢?
你们可以参考以下例程
四、程序设计思路
我们组装好小车后,关键的是如何编写小车的程序
程序决定了小车能否根据黑线的路径
正确平稳地运行
以下是程序设计的思路框图
除此之外,我们还需要了解小车循迹的流程
以三路循迹为例,当中间的红外传感器检测到黑线,则小车在轨道中间,直流电机正转,两个轮子保持前进;当左边的红外传感器检测到黑线,则说明小车要进行左拐弯,左边的电机停止转动,右边的电机保持转动,实现左转弯;当右边的红外传感器检测到黑线,则说明小车要进行右拐弯,右边的电机停止转动,左边的电机保持转动,实现右转弯。
根据以上的分析,我们就可以动手编写小车的循迹程序了
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