第一章简介
1.1 智能汽车的含义和作用
自第一台工业机器人诞生以来，机器人的发展已遍及机械、电子、冶金、交通、航天、国防等领域。 近年来，机器人的智能化水平不断提高，迅速改变了人们的生活方式。 在人们对自然不断探索、改造和认识的过程中，创造能够代替人类劳动的机器一直是人类的梦想。
随着科技的发展，机器人拥有的感知传感器种类越来越多，其中视觉传感器已成为自动行走和驾驶的重要组成部分。 一个典型的应用领域是自主智能导航系统。 对于各种视觉技术来说，图像处理技术已经相当先进，但基于图像的理解技术仍然滞后。 机器视觉需要大量的计算，只能识别一些结构。 改变环境的目标很简单。 视觉传感器的核心器件是摄像管或CCD。 目前的CCD可以实现自动对焦。 然而，CCD传感器在价格、尺寸和用途方面并不具有优势。 因此，在不需要清晰图像而只需要粗略感知的系统中考虑使用接近传感器是一种实用且有效的方法。
为了让机器人实现自动引导和避障功能，它必须感知引导线和障碍物。 感知引导线相当于赋予机器人视觉功能。 避障控制系统是基于自动导引车（AVG-自动导引车）系统。 基于其智能车辆，能够自动识别路线，判断并自动避开障碍物，选择正确的路线。 使用传感器感知路线和障碍物，并做出相应的判断并采取行动。
这种智能汽车可以作为机器人的典型代表。 它可分为三大部分：传感器检测部分、执行部分、CPU。 为了实现自动避障功能，机器人还可以扩展跟踪等功能来感知引导线和障碍物。 汽车可以自动识别路线，选择正确的路线，并在检测到障碍物时自动避让。 基于以上要求，传感检测部分认为汽车一般不需要感知清晰的图像，只需要粗略的感知，因此可以放弃昂贵的CCD传感器而采用廉价优质的红外反射式传感器予以考虑。 智能小车的执行部分由直流电机担当，主要控制小车的行驶方向和速度。 使用单片机驱动直流电机一般有两种选择：一是不需要占用单片机资源，可以直接选择带有PWM功能的单片机，可以实现精确调速； 其次，可以通过软件模拟PWM输出调制，但需要占用单片机资源。 精确调节速度较困难，但单片机型号选择较多。 考虑到实际情况，本文选择第二种方案。 CPU采用STC89C52单片机，通过软件编程实现。
1.2 智能汽车现状
如今，智能汽车发展迅速，从智能玩具到其他行业各个行业都取得了丰硕的成果。 基本可以实现跟踪、避障、斑块检测、灯光搜索与存储、悬崖避让等基本功能。 在这些板块中，电子设计大赛的智能汽车正在向语音控制系统发展。 比较有名的飞思卡尔智能汽车走在了前列。 我这次的设计主要实现了跟踪和避障两个功能。
第二章 方案设计与论证
根据需求，确定了以下方案：在现有玩具电动车的基础上，安装光电探测器，实现电动车速度、位置、运行状态的实时测量，并获取测量数据传输到单片机进行处理，然后单片机根据各种检测数据实现电动汽车的智能控制。 该方案可以实现电动汽车运动状态的实时控制。 控制灵活、可靠、精度高，能满足系统的各种要求。
2.1 主控系统
根据设计要求，我认为本设计是一个具有多个输入量的复杂程序控制问题。 在此基础上，制定了以下两个方案，并进行了综合比较论证，具体如下：
选项一：
选用CPLD(如EPM7128LC84-15)作为系统的核心部件来实现控制和处理功能。 CPLD具有速度快、编程方便、资源丰富、开发周期短等优点。 可以使用VHDL语言进行编写和开发。 但CPLD在控制方面比微控制器有更大的缺点。 同时CPLD的处理速度很快，汽车的行驶速度不可能太高，所以对系统处理信息的要求不会太高。 至此，MCU已经可以胜任了。 如果采用这种方案，控制上会遇到很多不必要的问题。 为此，我们不采用这种方案，并提出第二种想法。
选项二：
单片机作为整个系统的核心，用于控制移动小车实现其既定的性能指标。 要充分分析我们的系统，关键是要实现小车的自动控制，而此时，单片机就显示出了它的优势——控制简单、方便、快捷。 这样，单片机就可以充分发挥其资源丰富、控制功能和可位寻址操作功能比较强大、价格低廉等优势。 因此，该方案是一种较为理想的方案。
鉴于本设计的特点——具有多个开关输入的复杂程序控制系统，需要善于处理多个开关的标准微控制器，但不能使用具有简化的I/O端口和程序存储器的小尺寸微控制器，D/A、A/D 功能无需选择。 基于这些分析，笔者选择P89C51RA单片机作为本设计的主控器件。 51单片机具有强大的位操作指令，I/O端口可按位寻址，程序空间高达8K，对于本设计来说绰绰有余。 ，更可贵的是51单片机的价格非常低。
综合考虑传感器、两个电机的驱动等诸多因素后，我们决定采用单片机，以充分利用STC89C52单片机的资源。
2.2 电机驱动模块
选项一：
采用继电器控制电机的通断，通过切换开关来调节小车的速度。 这种方案的优点是电路比较简单，缺点是继电器响应时间慢、容易损坏、寿命短、可靠性不高。 。
选项二：
利用电阻网络或数字电位器调节电机的分压，达到分压的目的。 但电阻网络只能实现步进级调速，且数字电阻的元件价格相对昂贵。 更重要的问题是普通电机的电阻很小，但电流却很大。 分压不仅降低了效率，而且实现起来也比较困难。
第三种解决方案：
功率晶体管作为功率放大器的输出来控制直流电机。 线性驱动器的电路结构和原理简单，加速能力强。 它采用达林顿管组成的H形桥电路（图2.1）。 采用单片机控制达林顿管工作在占空比可调的开关状态，以精确调节电机转速。 这种电路由于工作在管子的饱和截止模式，效率很高。 H型桥式电路确保速度和方向的简单控制。 电子管的开关速度非常快，稳定性极强。 它是一种广泛应用的采用PWM调速技术。 市场上有很多这样的芯片，我选择了L298N（图2.2）。
这种调速方式的优点是调速特性优良，调节平稳，调速范围宽，过载能力大，能承受频繁的负载冲击，还可以实现频繁的无级快速起动、制动和反转。 因此，决定采用功率三极管作为功率放大器的输出来控制直流电机。
2.3 追踪模块
选项一：
采用简单的光电传感器结合外围电路检测，但实际效果并不理想。 行驶过程中稳定性要求高，误检测概率大，易受光环境和道路介质影响。 使用过程中极容易出现问题，而且这个组件很容易造成整个系统的不稳定。 因此，这个方案最终没有被采纳。
选项二：
使用两个红外管（如图2.3所示），分别放置在车体前轨道两侧。 根据接收白线和黑线的两个光电开关，控制小车转向，调整小车的方向。 测试表明，只要将两个光电开关安装在合理的位置就可以很好地实现跟踪功能。 （参考文献[3]）
第三种解决方案：
使用三根红外管，一根放置在轨道中间，两根放置在轨道外侧。 当汽车离开轨道时，也就是放置在中间的光电开关离开轨道时，等待外面任何一个人检测到黑线。 最后进行相应的转向调整，直到中间的光电开关再次检测到黑线（即回到赛道），然后恢复向前行驶。 现场测量显示，车辆在跟踪过程中出现了一定程度的晃动。 虽然它可以正确跟踪，但其成本和稳定性不如第二种方案。
相比之下，我选择了第二种方案来实现跟踪。
2.4 避障模块
选项一：
车中央放置有红外线对管。 它安装方便，可以检测障碍物的存在，但很难判断汽车是否会在水平方向与障碍物发生碰撞，而且汽车也很难做出精确的转向响应。
选项二：
两根红外线管放置在汽车前端两侧，方向与汽车前进方向平行。 它可以对汽车与障碍物的相对距离和方位做出更准确的判断并及时响应。 但这种方案过于依赖硬件，成本较高，且缺乏创造性。 而且，放置在车左侧的红外线管，使用的几率较低，所以最终没有采用。
第三种解决方案：
红外线管安装在车的右侧。 通过测试该解决方案，汽车可以避开障碍物并充分利用资源而不浪费资源。 （参考文献[3]）
相比之下，我采用方案三。
2.5 机械系统
这个问题要求汽车的机械系统稳定、灵活、简单，而三轮运动系统就具备上述特点。
驱动部分：由于玩具车的直流电机功率较小，且车上装有电池、电机、电子装置等，电机负担较重。 为了使汽车起步平稳、行驶平稳，在直流电机与轮轴之间安装了三级减速齿轮。
电池安装：将电池放置在车体电机前后，降低汽车重心，提高稳定性。 同时可以增加驱动轮的抓地力，减少车轮空转带来的误差。 简单，三轮运动系统具有以上特点。
2.6 电源模块
选项一：
采用实验室有线电源通过稳压芯片供电。 优点是可以稳定提供5V电压，但占用资源太多。
选项二：
它使用四节1.5V电池作为单一电源，但6V电压太小，无法同时为微控制器和电机供电。
方案三：采用8节1.5V电池双电源分别给单片机和电机供电，可以解决方案二的问题，让小车完成其功能。
因此，我选择方案三来实现供电。
第三章硬件设计
3.1总体设计
智能车采用前轮驱动。 前轮左右两侧由电机驱动。 前两个轮的速度启动和停止来控制转向。 后轮为万向轮，起支撑作用。 车体下方左右两侧分别安装跟踪光电管。 当车体下方左侧传感器检测到黑线时，主控芯片控制左轮电机停止，汽车向左修正。 当车体下方右侧传感器检测到黑线时，主控芯片控制右轮电机停止，汽车向右纠偏。
避障原理与循线相同。 车体右侧安装有光电管。 当检测到障碍物时，主控芯片发出信号报警，并控制小车倒车、转弯避障。
3.1.1 主板设计框图如图3.1所示，所需原件清单如表3.1所示。
3.2 驱动电路（详见下载）
3.3 信号检测模块（详见下载）
3.4 主控制电路
该模块主要对采集到的信号进行分析并提供PWM波来控制电机的转速、启动和停止。 以及再次检测到障碍物时发出警报等功能。 电路图如图5所示。
第四章软件设计
4.1 主程序框图
4.2 电机驱动器（详见下载）
4.3 追踪模块（详见下载）
4.4 避障模块
避障框图：
避障程序：（详见下载）
第五章 制作、安装与调试
5.1 PCB设计、制作和安装
使用DXP2004绘制原理图和PCB板。 布线过程中，必须注意焊盘的尺寸和铜线的宽度。 我选择的焊盘内径为0.8mm，外径为2mm，铜线宽度为1mm。 从制板情况来看，基本满足生产要求。
用螺丝将跟踪板安装在小车的前面，主板和电机驱动器安装在小车的后面。
5.2 小车调试
通过改变跟踪板滑动变阻器的大小来调节红外管的灵敏度，通过改变延时程序来改变速度。 下表显示了小车的运行状态：
结论
整个系统以单片机为核心，采用多种传感器，软硬件结合的方式设计。 该系统可以实现以下功能：
(1)自动沿着预设轨迹行驶。 行驶过程中，小车可以自动检测预设轨迹，实现直线和弧线轨迹的前进。 如果出现偏差，可以自动修正并返回到预设轨迹。
（2）当小车检测到前方有障碍物时，能够自动报警并调整，避开障碍物并通过无障碍区域。小车通过障碍区域后，能够自动按照路径行驶
(3)自动检测停车线并自动停车。
从运行情况来看，跟踪效果比较好，但避障效果不是很好。 我想是因为电源不稳定而车速难以控制。 这也是我这次设计最大的误区。 我没有选择稳定的电源。 我相信，如果实验条件和时间允许，我一定能够解决这个问题。
通过这次设计，我掌握了很多以前不熟悉的东西，了解了很多以前不熟悉的东西，使我的人生又向前迈进了一步。 我也认识到了很多不足。
