基于单片机的多功能智能小车的设计【开题报告】

毕业设计开题报告

电子信息工程

基于单片机的多功能智能小车的设计

1选题的背景、意义

智能车也叫无人车辆，是一个集环境感知、规划决策和多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统[1]。它具有道路障碍自动识别、自动报警、自动制动、自动保持安全距离、车速和巡航控制等功能[2]。这种汽车不需要人去驾驶，人只舒服地坐在车上享受这高科技的成果就行了。因为这种汽车上装有相当于汽车的“眼睛”、“大脑”和“脚”的电视摄像机、电子计算机和自动操纵系统之类的装置，这些装置都装有非常复杂的电脑程序，所以这种汽车能和人一样会“思考”、“判断”、“行走”，可以自动启动、加速、刹车，可以自动绕过地面障碍物。在复杂多变的情况下，它的“大脑”能随机应变，自动选择最佳方案，指挥汽车正常、顺利地行驶。

当前，在企业生产技术不断提升、对自动化技术要求不断加深的背景下，智能车以及在智能车基础上开发出来的产品已成为自动化物流运输、柔性生产组织等系统的关键设备。世界上很多国家都在积极进行智能车的研究和开发设计。移动机器人是机器人学中的一个重要分支，出现于20世纪60年代。当时斯坦福研究院SRI的Nils Nilssen和Charles Rosen[3]等人，在1966年至1972年中研制出了取名Shakey的自主式移动机器人，目的是将人工智能技术应用在复杂环境下，完成机器人系统的自主推理、规划和控制。从此，移动机器人从无到有，数量不断增加，智能车作为移动机器人的一个重要分支也越来越多的受到关注。

智能车致力于提高汽车的安全性、舒适性、适应性和提高优良的人车交互界面，是世界车辆工程领域研究的热点和汽车工业增长的新动力。随着企业生产技术的不断提高以及对自动化技术要求的不断加深，智能车已在许多工业部门获得了广泛的应用。在发达国家，有些智能车已实现商品化。由于成本低廉，环保，交通安全性高，慢慢地它已逐步渗入到工业和社会的各个层面,比如在智能运输系统ITS上、物流运输方面、军事领域方面、社会生活中。

2相关研究的最新成果及动态

2.1智能车辆技术

智能车辆技术按功能可分为三层，即智能感知/预警系统、车辆驾驶系统和全自动操作系统[4]。上一层技术是下一层技术的基础。

(1}智能感知系统，利用各种传感器来获得车辆自身、车辆行驶的周围环境及驾驶员本身的状态信息，必要时发出预警信息。主要包括碰撞预警系统和驾驶员状态监控系统。碰撞预警系统可以给出前方碰撞警告、盲点警告、车道偏离警告、换道/并道警告、十字路口警告、行人检测与警告、后方碰撞警告等。驾驶员状态监控系统包括驾驶员打吨警告系统、驾驶员位置占有状态监测系统等[5]。

(2)辅助驾驶系统，利用智能感知系统的信息进行决策规划，给驾驶员提出驾驶建议或部分地代替驾驶员进行车辆控制操作[6]。主要包括:巡航控制、车辆跟踪系统、准确泊车系统及精确机动系统。

(3)车辆自动驾驶系统，这是智能车辆技术的最高层次，它由车载计算机全部自动地实现车辆操作功能。目前，主要发展用于拥挤交通时低速自动驾驶系统、近距离车辆排队驾驶系统等。

智能小车是一个集环境感知、规划决策，自动行驶等功能于一体的综合系统。它集中地运用了计算机、传感、信息、通信、导航、人工智能及自动控制等技术，是典型的高新技术综合体[7]。

2.2国外发展现状和发展方向

国外智能车的研究历史较长，始于上世纪50年代[8]。它的发展历程大体可以分成三个阶段：

第一阶段20世纪50年代是智能车研究的初始阶段。1954年美国Barrett Electronics公司研究开发了世界上第一台自主引导车系统AGVS（Automated Guided Vehicle System）。该系统只是一个运行在固定线路上的拖车式运货平台，但它却具有了智能车最基本的特征即无人驾驶。早期研制AGVS的目的是为了提高仓库运输的自动化水平，应用领域仅局限于仓库内的物品运输。随着计算机的应用和传感技术的发展，智能车的研究不断得到新的发展和突破。

第二阶段从80年代中后期开始，世界主要发达国家对智能车开展了卓有成效的研究。在欧洲，普罗米修斯项目于1986年开始了在这个领域的探索。在美

洲，美国于1995年成立了国家自动高速公路系统联盟（NAHSC），其目标之一就是研究发展智能车的可行性，并促进智能车技术进入实用化。在亚洲，日本于1996年成立了高速公路先进巡航/辅助驾驶研究协会，主要目的是研制自动车辆导航的方法，促进日本智能车技术的整体进步。进入80年代中期，设计和制造智能车的浪潮席卷全世界，一大批世界著名的公司开始研制智能车平台。

第三阶段从90年代开始，智能车进入了深入、系统、大规模研究阶段。最为突出的是，美国卡内基海隆大学机器人研究所一共完成了Navlab系列的10台自主车的研究，取得了显著的成就。

目前，智能车的发展正处于第三阶段[9]。这一阶段的研究成果代表了当前国外智能车的主要发展方向。

荷兰鹿特丹港口的研究——智能车的研究主要体现在工厂货物的运输。荷兰的Combi road系统，采用无人驾驶的车辆来往返运输货物，它行驶的路面上采用了磁性导航参照物，并利用一个光阵列传感器去探测障碍。荷兰南部目前正在讨论工业上利用这种系统的问题，政府正考虑沿已有的高速公路新建一条专用的车道，采用这种系统将货物从鹿特丹运往各地[10]。

2.3国内发展现状和发展方向

相比于国外，我国开展智能车技术方面的研究起步较晚，开始于20世纪80年代。而且大多数研究尚处在针对某个单项技术研究的阶段[11]。例如：（1）20世纪80年代，沈阳自动化研究所采用地下埋线式导航技术，开始了我国的自动引导车辆（AGVS）的研究。

（1）清华大学在20世纪90年代中期也曾研究过一种采用图像识别来实现自动导航的智能车。

（2）国防科技大学进行过基于图像视觉导航的车辆研究。

（3）北京理工大学近年来也在进行用GPS与数字地图导航的智能车方面的研究。

（4）吉林大学智能车课题组1994年研制出第一辆模型车JUTIV_I型智能车，实现了自主驾驶功能。1998年课题组又研制出JUTIV_II型智能车，实现了车道线作为导航路线的自动导航，车辆时速达30km/h。

虽然我国在智能车辆技术方面的研究总体上落后于发达国家，并且存在一定

的技术差距，但是我们也取得了一系列的成果，主要有：

(1)中国第一汽车集团公司和国防科技大学机电工程与自动化学院于2003年研制成功我国第一辆自主驾驶轿车。该自主驾驶轿车在正常交通情况下的高速公路上，行驶的最高稳定速度为13 km／h，最高峰值速度可达170 km／h，并且具有超车功能，其总体技术性能和指标已经达到世界先进水平[12]。

(2)南京理工大学、北京理工大学、浙江大学、国防科技大学、清华大学等多所院校联合研制了7B．8军用室外自主车，该车装有彩色摄像机、激光雷达、陀螺惯导定位等传感器[13]。

智能车辆研究也是智能交通系统ITS的关键技术[14]。目前，国内的许多高校和科研院所都在进行ITS关键技术、设备的研究。随着ITS研究的兴起，我国已形成一支ITS技术研究开发的专业技术队伍。并且各交通、汽车企业越来越加大了对ITS及智能车辆技术研发的投入，整个社会的关注程度在不断提高。交通部已将ITS研究列入“十五”科技发展计划和2010年长期规划。

可以预计，我国飞速发展的经济实力将为智能车的研究提供一个更加广阔的前景[15]。我们要结合我国国情，在某一方面或某些方面，对智能车进行深入细致的研究，为它今后的发展及实际应用打下坚实的基础。

3课题的研究内容及拟采取的研究方法、研究难点及预期达到的目标3.1、研究内容

采用单片机为控制核心，利用光电传感器检测道路上的障碍，控制小车的自动避障，快、慢速行驶，以及自动停车，并可以自动记录时间、里程和速度，自动寻迹、倒车、运料等功能。

3.2、研究难点——方案的选择

3.2.1电源选择方案

方案一：采用两节7.5V锂电池产生15V的电压，并通过7812、7805产生5V和12V的稳压供给电路使用。安全性能好，锂电池厚度小，重量轻，容量大，但是价格过于昂贵，会大大加大成本。因此本设计中不予使用。

方案二：采用小型9V蓄电池，并通过过滤电路，通过7805采集5V的电压。因为9V的蓄电池其具有稳定的9V输出，可以正常的供给小车电机使用，且价格

便宜，所以本设计采用这种方案作为电源。

3.2.2电机模块方案

方案一：采用步进电机作为小车的驱动电机。步进电机有个非常好的精度，有利于控制小车的定位。但是步进电机有个很大的缺点就是力矩不足，不利于小车这种需要高速度的使用。所以舍弃步进电机这个方案。

方案二：采用直流电机作为小车的驱动电机，直流电机的转动力矩很大，使用起来也方便，其价格也比步进电机便宜很多，效果也很好，所以在选择电机上采用直流电机。

3.2.3电机驱动模块方案选择

方案一：采用三极管驱动电机，滤波效果好，在单片机跟电机共用一个电源，在电流较高的情况下，单片机仍能不受干扰而正常工作。优点：电路压降较小，所以在大电流的情况下，发热很小。缺点：电路连接较为复杂，驱动功率较小，不适于大功率驱动。该驱动电路的功率不能满足要求，故放弃此方案。

方案二：使用专用芯片L298所组成的电机驱动电路。驱动芯片L298是驱动步进电机的专用芯片，我们利用它内部的桥式电路来驱动直流电机。优点：控制比较简单，电路简单，集成芯片简化了电路的复杂性，驱动功率大。缺点：电路发热较大，成本略高。结合设计要求，采用此方案。

3.2.4距离控制方案

方案一：采用软件控制距离，即：根据小车的平均速度设定相应前进/后退时间，达到控制前行/后退目的。优点：无需其他硬件支持，节约成本，制作简单。缺点：不易自动控制，距离控制不精确，多次循环后会导致小车偏离预定路径。考虑到设计要求的距离控制精度较高，放弃此方案。

方案二：采用光电传感器测距，对固定在地面上的边线进行探测，通过固定边线之间的距离来达到距离控制的距离的目的，进而达到要求。缺点：增加成本，增加软件设计难度，制作较为困难。优点：距离控制精确，易于自动控制。由于本设计对距离有较高的要求，故采用此方案。

3.2.5运料卸料方案

方案一：手动加料。每次小车回到A点时加入事先测定好的料。这样控制加料量精确，误差小。但是本次设计突出自动性能，故舍弃。

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