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基于ATmega16单片机的智能小车避障系统设计
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更新于2024-06-17
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基于单片机的避障小车设计与实现是一个创新性的毕业设计项目,旨在构建一款具备自主避障功能的轮式移动机器人。研究者陈艳东在本论文中选择了8位AVR微控制器——ATmega16作为核心处理器,其16KB的系统内可编程Flash提供了足够的存储空间进行软件开发。 设计的核心模块包括控制模块,负责处理接收到的各种传感器信息并作出决策;检测模块,利用超声波传感器进行环境感知,通过循环发射的方式获取准确的距离数据,避免了回波信号间的干扰。通过1发射器和2接收器的配置,智能小车能够获取同一方向上的多组距离信息,这有助于更精确地判断障碍物的位置和距离。 超声波传感器的作用至关重要,它不仅提供了距离测量,还能提供角度信息,这些数据都被ATmega16单片机高效地处理。作者创新性地设计了一种控制算法,结合PWM(脉宽调制)技术,用于调整L298N电机驱动器的转速,使得小车能够根据障碍物信息进行精确的路径规划和动作执行,从而实现自主避障。 整个设计过程包含了编码、调试以及反复验证,确保系统的稳定性和准确性。通过这样的设计,小车能够在复杂的环境中自主导航,避开障碍物,展现了单片机在智能化控制领域的应用潜力。关键词“避障”、“ATmega16单片机”、“超声波传感器”和“L298N电机驱动”突出了论文的主要技术和工具,表明了这项研究的技术含量和实用性。 这篇论文的研究成果对于推动单片机在移动机器人避障技术中的应用具有重要意义,也为相关领域的学生和工程师提供了宝贵的参考案例。同时,它也展示了如何将理论知识与实际项目相结合,锻炼学生的实践能力和创新思维。
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2 总体方案设计
2.1 引言
实验的机械载体是四轮小车,车体中部安装 2 个主驱动直流电机,前端和后端安装
万向轮。
避障小车是一个机电一体化系统,选用微机作为控制器,系统设计就是选用微机、
设计接口、选用控制形式和动作控制方式的问题。其系统设计的一般步骤为:确定系统
总体控制方案;选用微型计算机;系统总体设计;确定控制算法;软件设计等。
2.2 系统总体控制方案的确定
本设计系统主要由四个模块组成,分别是供电模块、检测模块、控制模块、运动模
块。对于总体方案的图解如图 2.1 所示
图 2.1 总体方案图解
2.2.1 系统任务描述
题目要求基于单片机与传感器,完成自主式避障小车的设计。单片机作为系统检测
和控制的核心,实现对机器人小车的控制。传感器检测障碍物,使机器人能穿越障碍物
到达目的地。
控制系统要求
该控制系统要满足以下几点要求:
〔1〕能对车体四周的环境进行探测以获得障碍物的存在情况。
〔2〕实时性要求。
〔3〕交互功能。主要是设定小车正常行进、转弯时驱动电机的速度;初始化系统
时的一些参数设定;显示驱动电机运行速度;功能调用时,显示参数设定情况。
避障小车
供电模块
检测模块
控制模块
运动模块
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〔4〕故障检测与报警功能。能实时检测到控制系统的一些故障,并通过指示灯和
蜂鸣器来报警。
〔5〕驱动电机稳速运行要求。
〔6〕控制系统工作可靠、耐用,抗干扰能力强。
控制对象与环境探测
该系统的控制对象是车体中部的 2 个主驱动直流电机,要求驱动电机稳速运行,采
用闭环控制,速度反馈可以采用数字式或模拟式,待实验后决定。电机驱动方式应能高
效率地使用电源,而且能实现正反转。
该系统要求对车体四周环境进行探测,显然,单一传感器是不能满足要求的。考虑
到传感器价位和技术水平的实际情况,用多个超声波传感器组成传感器网络对周围环境
进行探测是较好的选择。利用超声波探测距离远的优点可以与早发现远处存在的障碍物,
依据一定的算法,对传感器给出的不确定信息融合,可以得出较为真实的环境状况,从
而有利于小车作出正确的判断。
微机的作用
在该系统中,微机要完成的任务有:实时采集传感器网络的输出信息;依据采集到
信息,按照一定的算法对环境进行估计,指导避障行为;实时控制驱动电机,使其稳速
运转;微机还要完成一些交互功能,如报警显示、功能调用等。
基于上述任务,可以看出微机必须具备的功能有二:一是数据处理、计算功能,且
速度要快;二是中断功能。
2.3 系统总体方案论证
2.3.1 参数输入方案
增加输入和显示模块的目的是能在脱离上位机的情况下,仍能进行较复杂的小车控
制系统的控制策略、控制参数的改变。把输入的内容存到 RAM 单元中,根据相应 RAM
单元的不同内容可以调用不同的子函数;调用同一子函数时根据 RAM 内不同的内容采
用不同的入口参数。这样便于小车的调试和性能的提高。
方案一:键盘输入(4×4 或 3×3)。4x4 按键扫描检测原理,即判断键盘中有无键按
下,将全部行线置低电平,然后检测列线的状态。只要有一列的电平为低,则表示键盘
中有键被按下,而且闭合的键位于低电平线与四根行线相交叉的 4 个按键之中。若所有
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的列线均为高电平,则键盘中无键按下。判断闭合键所在的位置在确认有键按下后,即
可进入确定具体闭合键的过程。其方法是:一次将行线置为低电平,即在置某根行线为
低电平时,其他线为高电平。在确定某根行线位置为低电平后,再逐行检测各列线的电
平状态。若某列为低,则该列线与置为低电平的行线交叉处的案件就是闭合的按键。
方案二:拨码开关。特性:接点容量,切换 25mA,24VDC ,接通时 100mA,
50VDC ;接触电阻,初始值 50mΩ 24VDC/100mA ,绝缘电阻≥100MΩ,500VDC 。
通过综合分析以上各个方案的优缺点与考虑性价比等客观因素,本文选择了方案二,
即使用了拨码开关。
2.3.2 直流电机方案
方案一:步进电机。步进电动机的一个显著的特点就是具有快速启动和停止能力,
并且易于测量电机转动的角度或圈数。如果负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值,
就能够立即使步进电机启动或反转。其转换灵敏度比较高。正转、反转控制灵活,运用
于智能小车上,能很方便的测量出小车进行的距离。其转速最高能超过 1000r/min。价
格较为昂贵。
方案二:直流减速电机。直流减速电机,即齿轮减速电机,是在普通直流电机的基础
上,加上配套齿轮减速箱。齿轮减速箱的作用是,提供较低的转速,较大的力矩。齿轮箱
不同的减速比可以提供不同的转速和力矩。选用减速电机可省去设计复杂减速机构的麻
烦,且输出力矩大,速度反馈相对易于设计。其转速一般在 15~100r/min 。
方案三:普通直流电机,一般转速较高,力矩较小,具有优良的调速特性,调速平滑、
方便。调整范围广;过载能力强,能承受频繁的冲击负载,可实现频繁的无极快速启动、
制动和反转。能满足各种特殊运行要求。在上述电机当中,该类电机具有最高的转速上
限。
方案四:伺服电动机,又称执行电动机。其功能是将电信号转换成转轴的角位移或
角速度。在讯号来到之前,转子静止不动;讯号来到之后,转子立即转动;当讯号消失,
转子能即时自行停转。
通过综合分析以上各个方案的优缺点与考虑性价比等客观因素,本文选择方案三,
即普通直流电机。
2.3.3 电机驱动与调速方案
方案一:采用电阻网络或数控电位器调整电动机的分压,从而达到调整速度目的。
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但是电阻网络只能是有极调速,而数控电阻的元器件价格比较昂贵,且可能存在干扰。
此外,一般电动机的电阻比较小但电流很大,分压不仅会降低效率,而且实现起来比较
困难。
方案二:基于 PWM 脉宽调速的思想,采用 PWM 整流的方法改变直流电机的端电
压。采用功率器件或集成芯片构成 PWM 变换器,具有开关频率高,脉动电流小,开关
状态功耗小的优点。(可采用 L293D、L298、LMD18200 等 PWM 调速集成芯片)
方案三:继电器输出。基于 PWM 脉宽调速的思想,通过单片机控制继电器〔含固
态继电器〕的开合来实现脉宽调速,通过控制继电器开关的切换速度实现对小车的速度
进行调整。这个电路的优点是电路较为简单,缺点是继电器的响应时间长,寿命较短;
电机端电压不易准确控制。〔主触点 24V 固态继电器〕
[17]
通过综合分析以上各个方案的优缺点与考虑性价比等客观因素,本文选择方案二,
即 PWM 调速。
2.3.4 障碍检测方案
方案一:脉冲调制的反射式红外线发射接受器。若接收到反射回来的红外线,则通
知单片机前方有障碍物。由于采用该有交流分量的调制信号,则可大幅度减少外界干扰;
另外红外线接受官的最大工作电流取决于平均电流。如果采用占空比小的调制信号,再
品均电流不变的情况下,顺势电流很大〔50~100mA〕,则大大提高了信噪比。并且其反
应灵敏,外围电路也很简单。它的优点是消除了外界光线的干扰提高了灵敏度,但是难
以凭低成本完成小车到障碍物的距离的测量。
方案二:采用超声波传感器。如果传感器接收到反射的超声波,则通知单片机前方
有障碍物,根据单片机发出超声波和接收到返回的超声波的时间差,可以计算出小车距
离障碍物的距离;这是超声波传感相比红外传感的优势。但是,超声波受环境影响较大,
电路复杂,而且地面对超声波的反射,会影响系统对障碍物的判断。
方案三:CCD。CCD 图像传感器可直接将光学信号转换为数字电信号,实现图像
的获取、存储、传输、处理和复现。其显著特点是:1、体积小重量轻;2、功耗小,工
作电压低,抗冲击与震动,性能稳定,寿命长;3、灵敏度高,噪声低,动态范围大;
4、响应速度快,有自扫描功能,图像畸变小,无残像;5、应用超大规模集成电路工艺
技术生产,像素集成度高,尺寸精确,商品化生产成本低。因此,许多采用光学方法测
量外径的仪器,把 CCD 器件作为光电接收器
[16]
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