智能机器人小车-毕业设计论文.doc

南京机电职业技术学院毕 业 设 计(论 文) 题目 智能机器人小车 系部 电气自动化 专业 机电一体化 姓名 潘乔翔 学号 G1020744 指导教师 蒋雯 2013 年 4 月 23 日智能机器人小车摘要智能作为现代社会的新产物，是以后的发展方向，他可以按照预先设定的模式在一个特定的环境里自动的运作，无需人为管理，便可以完成预期所要达到的或是更高的目标。本设计主要体现多功能小车的智能模式，设计中的理论方案、分析方法及特色与创新点有一定的参考意义。同时小车可以作为玩具的发展对象，为中国玩具市场技术含量的缺乏进行一定的弥补，实现经济收益，形成商业价值。整个小车平台主要以51单片机为控制核心，通过自动控制实现前进停止行驶；通过红外线传感器,实现小车的自适应巡航、避障等功能。设计采用对比选择，模块独立，综合处理的研究方法。通过翻阅大量的相关文献资料，分析整理出有关信息，在此基础上列出不同的解决方案，结合实际情况对比方案优劣选出最优方案进行设计。最后将各个调试成功的模块结合到小车的车体上，结合程序，通过单片机的控制，将各模块有效整合在一起，达到所预期的目标，完成最终设计与制作，能使小车在一定的环境中智能化运转。关键词：智能，红外线传感器，自动寻迹，AbstractSmart as a new product of modern society, is the future development direction, he can follow the pattern set in advance in a specific environment where automatic operation, without human management, can achieve the expected higher goal. Mainly reflected a smart-car model of the design scheme, design theory, the analysis has certain reference significance and characteristic and innovation. This car can be used as a toy development object, as the lack of technical content in the Chinese toy market must make up, to realize economic profit, the formation of commercial value.The whole car platform mainly by 51 single chip microcomputer as control core, through the realization of stops running automatic control; through the infrared sensor, trolley achieve adaptive cruise, functions such as obstacle avoidance.The design uses a comparative selection, module independent, comprehensive treatment of research methods. Through a large number of relevant literature, analysis of sorting out the relevant information, list of different solutions on the basis of this, combined with the actual situation of contrast and choose the best scheme to design. Finally, the various debugging module to the body of the car, with the program, through the MCU control, each module effectively integrate together, achieve the desired objectives, the final design and production, can make the car intelligent operation in the environment.Keywords: intelligent, infrared sensor, automatic tracing,目录摘要2Abstract3第一章 绪论41.2 课题的目的和意义5第二章 系统方案比较与论证62.1车体设计62.2控制器模块72.3电源模块72.4寻迹传感器模块82.5电机模块92.6电机驱动模块92.7 直流调速系统92.8 检测放大器方案112.9 最终方案12第三章 硬件实现及单元电路设计123.1 系统总体设计框图123.2 微控制器模块的设计133.3 光电对管电路的设计133.4 单片机控制模块143.5 时钟电路153.6 复位电路163.7 红外对管寻迹模块16第四章 软件设计184.1 程序设计总体思路184.2小车状态定义184.3程序主函数流程图214.4 模糊控制算法214.4.1 模糊理论的发展214.4.2 模糊控制算法原理224.4.3 智能小车中的模糊控制算法234.5 软件抗干扰技术23第五章 结束语25第六章 结论与展望26 参考文献27第一章 绪论1.1 课题背景 随着汽车工业的迅速发展，关于汽车的研究也就越来越受人关注。全国电子大赛和省内电子大赛几乎每次都有智能小车这方面的题目，全国各高校也都很重视该题目的研究。可见其研究意义很大。本设计就是在这样的背景下提出的，指导教师已经有充分的准备。本题目是结合科研项目而确定的设计类课题。设计的智能电动小车应该能够实时显示时间、速度、里程，具有自动寻迹、寻光、避障功能，可程控行驶速度、准确定位停车。1.2 课题的目的和意义在现有玩具电动车的基础上，加装光电红外传感器实现对电动车的实时检测和调节，然后由单片机根据所检测的各种数据实现对电动车的智能控制。这种方案能实现对电动车的运动状态进行实时控制，控制灵活、可靠，精度高，可满足对系统的各项要求。本设计采用MCS-51系列中的STC12C5410AD单片机。以STC12C5410AD为控制核心，利用超声波传感器检测道路上的障碍，控制电动小汽车的自动避障，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，自动寻迹和寻光功能。STC12C5410AD是一款八位单片机，它的易用性和多功能性受到了广大使用者的好评。它是第三代单片机的代表。第三代单片机包括了Intel公司发展MCS-51系列的新一代产品，如8C15280C51FA/FB80C51GA/GB8C4518C452,还包括了PhilipsSiemensADMFujutsuOKIHarria-MetraATMEL等公司以80C51为核心推出的大量各具特色与80C51兼容的单片机。新一代的单片机的最主要的技术特点是向外部接口电路扩展，以实现Microcomputer完善的控制功能为己任，将一些外部接口功能单元如A/DPWMPCA(可编程计数器阵列)WDT(监视定时器)高速I/O口计数器的捕获/比较逻辑等。这一代单片机中，在总线方面最重要的进展是为单片机配置了芯片间的串行总线，为单片机应用系统设计提供了更加灵活的方式。Philips公司还为这一代单片机80C51系列8C592单片机引入了具有较强功能的设备间网络系统总线-CAN(Controller Area Network BUS).本设计就采用了比较先进的STC12C5410AD为控制核心，STC12C5410AD采用CHOMS工艺，功耗很低。该设计具有实际意义，可以应用于考古、机器人、医疗器械等许多方面。尤其是在足球机器人研究方面具有很好的发展前景；在考古方面也应用到了超声波传感器进行检测。所以本设计与实际相结合，现实意义很强。第二章 系统方案比较与论证根据设计要求，本系统主要由控制器模块、电源模块、寻迹传感器模块、直流电机及其驱动模块、电压比较模块等模块构成。为较好的实现各模块的功能，我们分别设计了几种方案并分别进行了论证。2.1车体设计方案1：购买玩具电动车。购买的玩具电动车具有组装完整的车架车轮、电机及其驱动电路。但是一般的说来，玩具电动车具有如下缺点：首先，这种玩具电动车由于装配紧凑，使得各种所需传感器的安装十分不方便。其次，这种电动车一般都是前轮转向后轮驱动，不能适应该题目的方格地图，不能方便迅速的实现原地保持坐标转90度甚至180度的弯角。再次，玩具电动车的电机多为玩具直流电机，力矩小，空载转速快，负载性能差，不易调速。而且这种电动车一般都价格不菲。因此我们放弃了此方案。方案2：自己制作电动车。经过反复考虑论证，我们制定了左右两轮分别驱动，后万向轮转向的方案。即左右轮分别用两个转速和力矩基本完全相同的直流电机进行驱动，车体尾部装一个万向轮。这样，当两个直流电机转向相反同时转速相同时就可以实现电动车的原地旋转，由此可以轻松的实现小车坐标不变的90度和180度的转弯。在安装时我们保证两个驱动电机同轴。当小车前进时，左右两驱动轮与后万向轮形成了三点结构。这种结构使得小车在前进时比较平稳，可以避免出现后轮过低而使左右两驱动轮驱动力不够的情况。为了防止小车重心的偏移，后万向轮起支撑作用。对于车架材料的选择，我们经过比较选择了有机玻璃。用有机玻璃做的车架比塑料车架更加牢固，比铁制小车更轻便，美观。综上考虑，我们选择了方案2。小车底盘如图2所示：图2 车体底盘图2.2控制器模块方案1：采用可编程逻辑期间CPLD作为控制器。CPLD可以实现各种复杂的逻辑功能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、IO资源丰富、易于进行功能扩展。采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模控制系统的控制核心。但本系统不需要复杂的逻辑功能，对数据的处理速度的要求也不是非常高。且从使用及经济的角度考虑我们放弃了此方案。方案2：采用intel公司的AT89s52单片机作为主控制器。AT89s52是一个低功耗，高性能的8位单片机，片内含32k空间的可反复擦些100,000次的Flash只读存储器，具有2Kbytes的随机存取数据存储器（RAM），32个IO口，2个8位可编程定时计数器，1个16位可编程定时计数器，四通道PWM，内置8路10 位ADC。且maga系列的单片机可以在线编程、调试，方便地实现程序的下载与整机的调试。从方便使用的角度考虑，我们选择了方案2。2.3电源模块由于本系统需要电池供电，我们考虑了如下集中方案为系统供电。方案1： 采用2节3.7V干电池供电，电压达到7.5V，经7805稳压后给支流电机供电，然后将7.5V电压再次降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。但干电池电量有限，使用大量的干电池给系统调试带来很大的不便，因此，我们放弃了这种方案。方案2：采用4节1.5V可充电式锂电池串联共6V给直流电机供电，经过7805的电压变换后给支流电机供电，然后将6V电压再次降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。锂电池的电量比较足，并且可以充电，重复利用，因此，这种方案比较可行。但锂电池的价格过于昂贵，使用锂电池会大大超出我们的预算，因此，我们放弃了这种方案。综上考虑，我们选择了方案2。2.4寻迹传感器模块方案1：用光敏电阻组成光敏探测器。光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变化。当光线照射到白线上面时，光线发射强烈，光线照射到黑线上面时，光线发射较弱。因此光敏电阻在白线和黑线上方时，阻值会发生明显的变化。将阻值的变化值经过比较器就可以输出高低电平。但是这种方案受光照影响很大，不能够稳定的工作。因此我们考虑其他更加稳定的方案。方案2：用红外发射管和接收管自己制作光电对管寻迹传感器。红外发射管发出红外线，当发出的红外线照射到白色的平面后反射，若红外接收管能接收到反射回的光线则检测出白线继而输出低电平，若接收不到发射管发出的光线则检测出黑线继而输出高电平。这样自己制作组装的寻迹传感器基本能够满足要求，但是工作不够稳定，且容易受外界光线的影响，因此我们放弃了这个方案。方案3：用RPR220型光电对管。RPR220是一种一体化反射型光电探测器，其发射器是一个砷化镓红外发光二极管，而接收器是一个高灵敏度，硅平面光电三极管。RPR220采用DIP4封装，其具有如下特点：塑料透镜可以提高灵敏度。内置可见光过滤器能减小离散光的影响。体积小，结构紧凑。当发光二极管发出的光反射回来时，三极管导通输出低电平。此光电对管调理电路简单，工作性能稳定。因此我们选择了方案3。2.5电机模块本系统为智能电动车，对于电动车来说，其驱动轮的驱动电机的选择就显得十分重要。由于本实验要实现对路径的准确定位和精确测量，我们综合考虑了一下两种方案。方案1：采用步进电机作为该系统的驱动电机。由于其转过的角度可以精确的定位，可以实现小车前进路程和位置的精确定位。虽然采用步进电机有诸多优点，步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，其转速较低，不适用于小车等有一定速度要求的系统。经综合比较考虑，我们放弃了此方案。方案2：采用直流减速电机。直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便。由于其内部由高速电动机提供原始动力，带动变速（减速）齿轮组，可以产生较大扭力。能够较好的满足系统的要求，因此我们选择了此方案。2.6电机驱动模块方案1：采用专用芯片L298N作为电机驱动芯片。L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它相应频率高，一片L298N可以分别控制两个直流电机，而且还带有控制使能端。用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。方案2：对于直流电机用分立元件构成驱动电路。由分立元件构成电机驱动电路，结构简单，价格低廉，在实际应用中应用广泛。因此我们选用了方案2。2.7直流调速系统方案一：串电阻调速系统。方案二：静止可控整流器。简称V-M系统。方案三：脉宽调速系统。旋转变流系统由交流发电机拖动直流电动机实现变流，由发电机给需要调速的直流电动机供电，调节发电机的励磁电流即可改变其输出电压，从而调节电动机的转速。改变励磁电流的方向则输出电压的极性和电动机的转向都随着改变，所以G-M系统的可逆运行是很容易实现的。该系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机，还要一台励磁发电机，设备多、体积大、费用高、效率低、维护不方便等缺点。且技术落后，因此搁置不用。V-M系统是当今直流调速系统的主要形式。它可以是单相、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型，可实现平滑调速。V-M系统的缺点是晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。它的另一个缺点是运行条件要求高，维护运行麻烦。最后，当系统处于低速运行时，系统的功率因数很低，并产生较大的谐波电流危害附近的用电设备。采用晶闸管的直流斩波器基本原理与整流电路不同的是，在这里晶闸管不受相位控制，而是工作在开关状态。当晶闸管被触发导通时，电源电压加到电动机上，当晶闸管关断时，直流电源与电动机断开，电动机经二极管续流，两端电压接近于零。脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation），简称PWM。脉冲周期不变，只改变晶闸管的导通时间，即通过改变脉冲宽度来进行直流调速。与V-M系统相比，PWM调速系统有下列优点：（1）由于PWM调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得脉动很小的直流电流，电枢电流容易连续，系统的低速运行平稳，调速范围较宽，可达1：10000左右。由于电流波形比V-M系统好，在相同的平均电流下，电动机的损耗和发热都比较小。（2）同样由于开关频率高，若与快速响应的电机相配合，系统可以获得很宽的频带，因此快速响应性能好，动态抗扰能力强。（3）由于电力电子器件只工作在开关状态，主电路损耗较小，装置效率较高。根据以上综合比较，以及本设计中受控电机的容量和直流电机调速的发展方向，本设计采用了PWM驱动直流电机进行调速。PWM由单片机AT89S52直接调制输出，通过调节PWM的占空比来调制电机转速。2.8检测放大器方案方案一：使用普通单级比例放大电路。其特点是结构简单、调试方便、价格低廉。但是也存在着许多不足。如抗干扰能力差、共模抑制比低等。方案二：采用差动放大电路。选择优质元件构成比例放大电路，虽然可以达到一定的精度，但有时仍不能满足某些特殊要求。例如，在测量本设计中的光电检测信号时需要把检测过来的电平信号放大并滤除干扰，而且要求对共模干扰信号具有相当强的抑制能力。这种情况下须采用差动放大电路，并应设法减小温漂。但在实际操作中，往往满足了高共模抑制比的要求，却使运算放大器输出饱和；为获得单片机能识别的TTL电平却又无法抑制共模干扰。方案三：电压比较器方案。电压比较器的功能是比较两个电压的大小，例如将一个信号电压Ui和一个参考电压Ur进行比较，在UiUr和UiUr两种不同情况下，电压比较器输出两个不同的电平，即高电平和低电平。而Ui变化经过Ur时，比较器的输出将从一个电压跳变到另一个电平。比较器有各种不同的类型。对它的要求是：鉴别要准确，反应要灵敏，动作要迅速，抗干扰能力要强，还应有一定的保护措施，以防止因过电压或过电流而造成器件损坏。方案四：选用集成运放构成比较器，为了提高响应速度可以加限幅措施，以避免集成运放内部的管子进入深饱和区。具体措施多为在集成运放的两个输入端并联二极管。在本设计中，光电传感器只输出一种高低电平信号且伴有外界杂波干扰，所以我们尝试采用了一种滞回比较器。简单电压比较器结构简单，而且灵敏度高，但它的抗干扰能力差，也就是说如果输入信号因受干扰在阈值附近变化，则比较器输出就会反复的从一个电平跳到另一个电平。如果用这样的输出电压控制电机或继电器，将出现频繁动作或起停现象。这种情况，通常是不允许的。而滞回比较器则解决了这个问题。滞回比较器有两个数值不同的阈值，当输入信号因受干扰或其他原因发生变化时，只要变化量不超过两个阈值之差，滞回比较器的输出电压就不会来回变化。所以抗干扰能力强。但是，滞回比较器毕竟是模拟器件，温度的漂移是它无法消除的。综合考虑，我们决定使用方案四，使用比较简单和准确，而且增幅比较大，同时价格也更加便宜。2.9最终方案经过反复论证，我们最终确定了如下方案：（1）车体用有机车架手工制作。（2）采用AT89s52单片机作为主控制器。（3）用稳压后为直流电机供电，将6V电压经7805降压、稳压后为单片机系统和其他芯片供电。（4）用RPR220型光电对管进行寻迹。（5）三极管作为直流电机的驱动芯片。第三章 硬件实现及单元电路设计3.1系统总体设计框图1.系统工作原理及功能简介：本系统利用单片机AT89S52单片机作为本系统的主控模块，该单片机可以将从传感器的输出信号得到外界的信息，然后在程序中控制单片机对电动车上的直流电机的输出，从而实现电动车的前进以及转弯等循迹行驶。2.系统框架图3.2微控制器模块的设计本系统采用AT89S52作为核心控制部件，通过对小车前下端的左中右三对红外对管组成的寻迹带你路电路所采集的信号进行分析使小车在行驶偏离正常轨道时及时进行分析校正，以保证其直向行驶；用单片机控制电机专用驱动芯片驱动前后两个电机是后轮做匀速行驶，前轮作为左右转向轮；采用Atmel公司的AT89s52单片机，不用烧写器而只用串口或者并口就可以往单片机中下载程序。3.3光电对管电路的设计我们设计并论证了两种光电对管检测及调理电路，电路原理图分别如4和图5所示： 图4 光电对管检测电路10图10所示电路中，R1起限流电阻的作用，当有光反射回来时，光电对管中的三极管导通，R2的上端变为高电平，此时VT1饱和导通，三极管集电极输出低电平。当没有光反射回来时，光电对管中的三极管不导通，VT1截至，其集电极输出高电平。VT1在该电路中起到滤波整形的作用。经试验和示波器验证，该电路工作性能一般，输出还有杂散干扰波的成分。如果输出加施密特触发器就可以实现良好的输出波形。但是这种电路用电量比较大，给此种传感器调理电路供电的电池压降较快。究其原因，是因为光敏三极管和三极管VT1导通时的导通电流较大。因此我们考虑用比较器的方案。可调电阻R3可以调节比较器的门限电压，经示波器观察，输出波形相当规则，可以直接够单片机查询使用。而且经试验验证给此电路供电的电池的压降较小。因此我们选择此电路作为我们的传感器检测与调理电路。3.4单片机控制模块本模块采用51系列单片机作为核心处理器。单片机控制系统基本由最小系统和外围信号I/O口组成，其中最小系统包括电源（地），CPU时序电路（一般使用11.0592M或者12M和30P电容组成），复位电路。有了以上三块，单片机就能够正常工作。AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。其应用范围广，性能良好，可用于解决复杂的控制问题。利用AT89S51的IO端口对传感器信号进行实时判断监控来控制步进电机做出相应的反映。如图4-1是较为常见的带烧录接口的单片机最小系统图。图4-1 带烧录接口的单片机最小系统3.5时钟电路单片机的时钟产生有两种方法：内部时钟方式和外部时钟方式。系统的时钟电路设计是采用的内部方式，即利用芯片内部的振荡电路。AT89单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。外接晶体谐振器以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响震荡器频率的高低、震荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。因此，此系统电路的晶体振荡器的值为12MHz，电容应尽可能的选择陶瓷电容，电容值通常取30PF。在焊接刷电路板时，晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证震荡器稳定和可靠地工作。3.6复位电路复位是由外部的复位电路来实现的。片内复位电路是复位引脚RST通过一个触发器与复位电路相连，触发器用来抑制噪声，它的输出在每个机器周期中由复位电路采样一次。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。所谓上电复位，是指计算机加电瞬间，要在RST引脚出现大于10MS的正脉冲，使单片机进入复位状态。按钮复位是指用户按下“复位”按钮，使单片机进入复位状态5。如图4-1是上电复位及按钮复位的一种实用电路。上电时，+5V电源立即对单片机芯片供电，同时经电阻R对电容C3充电。C3上电压建立的规程就产生一定宽度的负脉冲，经反向后，RST上出现正脉冲使单片机实现了上电复位。按钮按下时，RST上同样出现高电平，实现了按钮复位。在应用系统中，有些外围芯片也需要复位。如果这些芯片复位端的复位电平和单片机一致，则可以与单片机复位脚相连，非门在这里不仅起了反向作用，还增大了驱动能力，电容C1，C2起虑波作用，防止干扰窜入复位端产生误动作。3.7红外对管寻迹模块寻迹是指小车在白色地板上循黑线行走，本系统采取的方法是红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点，在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射，反射光被装在小车上的接收管接收；如果遇到黑线则红外光被吸收，小车上的接收管接收不到红外光7。由此过程来改变接收管的输出电压，单片机以电压的变化为依据来执行小车电机确定行走路线。图4-8为红外线寻迹安装图，图3-9为寻迹模块实现原理图，分析如下：图 4-8 红外线寻迹安装图图 4-9寻迹模块原理图如图4-9是整个红外线寻迹过程实现的原理图。四针接口处P3，P4的1，2脚是跟红外线发射管连接，3，4则是跟接收管相连，放置插针是为了更容易实现红外线管的放置。由于红外线接收光的变化可以让接收管上的电压发生变化，相当于可变电阻，这种特性为设计提供基本的保障。比较芯片LM358（LM393）可以根据接收管的电压和参考电压进行比较后输出相应电平。此图的比较接法为正接法，就是当红外线管遇到黑线时，反射减少，“+”断输入电压增加，使的输出端输出电压为高，经上拉电阻R12（R20）上拉后达到单片机有效接收电平。小车进入寻迹模式后，即单片机开始不停地扫描与探测器连接的单片机I/O口，一旦检测到某个I/O口有信号，即进入判断处理程序,先确定2个探测器中的哪一个探测到了黑线，如果左面传感器（红灯亮）探测到黑线，即小车左半部分压到黑线，车身向右偏出，此时应使小车向左转；如果右面传感器（黄灯亮）探测到了黑线，即车身右半部压住黑线，小车向左偏出了轨迹，则应使小车向右转。在经过了方向调整后，小车再继续向前行走，并继续探测黑线重复上述动作，实现方向控制，按照黑线行驶。其中，R11和R19为限流电阻，防止红外线发生管因电流过大而烧坏；由R14和一个可变电阻组成的电路为参考电压电路，由于检测小车行驶的过程会因环境或则黑线材料的改变使输出电压成一个变化值，所以通过可变电阻来改变参考电压，使能正常运行；同时R12和R20为上拉电阻，让输入单片机的电压达到高电平；发光二极管则是能更直观的判断出哪对传感器在起作用。第四章 软件设计4.1程序设计总体思路小车通过红外传感器获得路径信息。通过AT89S52进行判断小车所处的状态，通过控制H桥驱动芯片来控制电机加速或减速及转向进行相应的动作，小车的速度通过PWM控制进行调速，小车转弯的力度通过PWM控制。4.2小车状态定义小车通过两组传感器获得信息，因此可将小车分成5种状态，不同的状态下，小车有不同的动作。 4.2.1黑线正中状态 传感器 黑线 黑线处在中间位置时，中间两个传感器都能检测到黑线存在，当小车处于此状态时，小车方向不变，如果小车没有达到最大速度则逐渐加速到最大速度。4.2.2黑线偏左状态 只有左传感器检测到黑线存在，当小车处于此状态时，小车必须保证能寻找黑线而必须减速，并且小车略微左转。4.2.3黑线偏右状态 传感器 黑线 只有右传感器检测到黑线存在，当小车处于此状态时，小车必须保证能寻找到黑线而必须减速，并且小车略微右转。避免左边有传感器坏掉，或防止左边有一个传感器检测不到黑线存在，当小车处于此状态时，小车必须保证能寻找黑线而必须减速，并且小车尽最大可能向左转。避免右边有传感器坏掉，或者右边防止一个传感器检测不到黑线，所以右传感器检测到黑线存在，当小车处于此状态时，小车必须保证能寻找到黑线而必须减速，并且小车尽最大可能向右转。4.3程序主函数流程图小车初始化函数开始获得小车状态函数根据得到的状态实时调节小车的速度 图 程序主函数流程图4.4模糊控制算法4.4.1模糊理论的发展20世纪60年代，美国加利福尼亚大学著名教授扎德发表了一篇关于模糊集合的论文，由此提出了模糊理论。四十多年来，在模糊理论算法、模糊推理、工业控制应用，以及稳定性理论研究方面，都有不少研究论文发表。80年代后，自动控制系统随着被控对象的复杂化，它不仅表现在控制系统具有多输入、多输出的强偶合性、参数时变性和严重的非线性等特性，更突出的是从系统对象所能获取的知识信息量相对的减少，以及与此相反的对控制性能的要求却日益高度化。如今，对模糊控制系统的结构、模糊推理算法，以及模糊控制稳定性等问题的研究成果已进入实用化时期，其成果应用主要集中于工业窑炉方面，如退火炉，电弧冶炼炉，水泥炉及造纸机的控制等。目前，模糊控制技术有了更大的发展，过去将大型机械设备和生产过程作为控制对象，而现在模糊控制技术已经开始大量应用在家用电器、交通工具等方面。4.4.2模糊控制算法原理模糊控制的关键和核心是模糊控制规则，即用人的自然语言对操作者的手动控制策略加以描述，得到一些不精确的、定性的、判定的规则，这些规则就是模糊控制技术中的模糊控制规则。这些模糊控制规则的来源是根据操作者对被控制对象的动态性的认识、表达和对被控对象的控制经验，从这些抽出输入和输出关系，加以描述，实质上就是被控对象的数学模型。在实际应用中，特别是人工操作控制，并不需要建立被控对象的数学模型。为了模拟人工控制过程，对人工控制操纵的经验和策略进行归纳、总结，建立一系列的模糊控制规则，将这些规则进行一定的处理便产生相应的模糊控制算法，利用计算机来实现这些模糊语句，此时就构成了一个模糊控制器，而其中的模糊控制算法则描述了控制器的行为特征。对于模糊控制规则的建立方法很多，主要有：以专家知识、经验为依据建立模糊控制规则；以熟练操作者的手动操作策略、经验和测试数据来建立模糊控制规则，根据被控对象的模糊模型建立模糊控制规则以及根据学习算法建立模糊控制规则等。模糊控制的控制过程，如果由人来实现，都是按照这样的一个顺序进行的：感觉器官的观测（获取信息）-人脑的思维、判断（存储和处理信息）-手动的调整（信息的实施）。4.4.3智能小车中的模糊控制算法本设计的模糊控制规则的建立方法是：智能小车通过经验和测试数据来建立模糊控制规则。其主要控制过程为：寻迹与避障的红外发射装置发送信息，由收装置接收，接收装置相当于人的感觉器官获取信息传给单片机，单片机相当于人的大脑，可以存储和处理信息，通过训练样本库，测试出小车寻迹最佳偏转角度，最佳避障距离等，包括其他的遥控信号、语音信号等，从而命令智能小车执行相应的操作，完成智能行驶。4.5软件抗干扰技术提高玩具车智能控制的可靠性，仅靠硬件抗干扰是不够的，需要进一步借助于软件抗干扰技术来克服某些干扰6。在单片机控制系统中，如能正确的采用软件抗干扰技术，与硬件干扰措施构成双道抗干扰防线，无疑为了将大大提高控制系统的可靠性。经常采用的软件抗干扰技术是数字滤波技术、开关量的软件抗干扰技术、指令冗余技术、软件陷阱技术等。4.5.1数字滤波技术：一般单片机应用系统的模拟输入信号中，均含有种种噪音和干扰，它们来自被测量本身、传感器、外界干扰等。为了进行准确测量和控制，必须消除被测信号中的噪音和干扰。对于这类信号，采用积分时间等于20ms的整数倍的双积分A/D转换器，可有效的消除其影响。后者为随机信号，它不是周期信号。对于随机干扰，我们可以用数字滤波方法予以削弱或滤除。所谓数字滤波，就是通过一定的计算或判断程序减少干扰在有用信号中的比重。故实质上它是一种程序滤波。数字滤波克服了模拟滤波器的不足，它与模拟滤波器相比 ，有以下几个优点：数字滤波是用程序实现的，不需要增加硬设备，所以可靠性高，稳定性好。数字滤波可以根据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤波参数，具有灵活、方便，功能强的特点。数字滤波可以对频率很低的信号实现滤波，克服了模拟滤波器的缺陷。数字滤波器具有以上优点，所以数字滤波在微机应用系统中得到了广泛应用。4.5.2开关量的软件抗干扰技术：干扰信号多呈毛刺状，作用时间短，利用这一点，我们在采集某一开关量信号时，可多次重复采集，直到连续两次或两次以上结果完全一致方为有效。若多次采样后，信号总是变化不定，可停止采集，给出报警信号，由于开关量信号主要是来自各类开关型状态传感器，如限位开关、操作按钮、电气触点等，对这些信号的采集不能用多次平均的方法，必须绝对一致才行。如果开关量信号超过8个，可按8个一组进行分组处理，也可定义多字节信息暂存区，按类似方法处理。在满足实时性要求的前提下，如果在各次采集数字信号之间接入一段延时，效果会好一些，就能对抗较宽的干扰。输出设备是电位控制型还是同步锁存型，对干扰的敏感性相对较大。前者有良好的抗毛刺干扰能力，后者不耐干扰，当锁存线上出现干扰时，它就会盲目锁存当前的数据，也不管此时数据是否有效。输出设备和惯性（响应速度）与干扰的耐受能力也有很大关系。惯性大的输出设备（如各类电磁执行机构）对毛刺干扰有一定的耐受能力。惯性小的输出设备（如通行口、显示设备）耐受能力就小一些。在软件上，最为有效的方法就是重复输出同一个数据。只要有可能，其重复周期尽可能短些。外设设备接受到一个被干扰的错误信息后，还来不及作出有效的反应，一个正确的信息又来了，就可及时防止错误动作的产生。另外，各类数据锁存器尽可能和CPU安装在同一电路板上，使传输线上传送的都是锁存好的电位控制信号，对于重要的输出设备，最好建立检测通道，CPU可以检测通道来确定输出结果的正确性。4.5.3指令冗余技术：当CPU受到干扰后，往往将一些操作数当作指令码来执行，引起程序混乱。当程序弹飞到某一字节指令上时，便自动纳入正轨。当弹飞到某一双字节指令上时，有可能落到其操作数上，从而继续出错。当程序弹飞到三字节指令上时，因它有两个操作数，继续出错的机会就更大。因此，我们应多采用单字节指令（NOP)或将单字节指令重复书写，这便是指令冗余。指令冗余无疑会降低系统的效率，但在绝大多数情况下，CPU还不至于忙到不能多执行几条指令的程度，故这种方法还是被广泛采用。在一些对程序流向起决定作用的指令之前插入两条NOP指令，以保证弹飞的程序迅速纳入正确轨道。在某些对系统工作状态重要的指令前也可插入两条NOP指令，以保证正确执行。指令冗余技术可以减少程序弹飞的次数，使其很快进入程序轨道，但这并不能保证在失控期间不干坏事，更不能保证程序纳入正常轨道后