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超声波避障小车设计

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2020年4月19日
文档仅供参考

Harbin Institute of Technology
课程设计说明书（论文）

设计题目： 超声波避障小车
院 系： 电气工程及自动化
班 级： 1 21
设 计 者： 张佳炜
学 号： 11 0316
指导教师： 周庆东
设计时间： .09.14- .09.25

哈尔滨工业大学

课程设计考核表

题目： 超声波避障小车
学生姓名： 张佳炜 班级： 1 21 学号： 11 0316

实验部分考核
考核内容
分值
得分
基本设计任务的完成情况
40

附加设计任务的完成情况
10

对教师提问的回答情况
10

总结报告评分
评分内容
分值
得分
内容完整、字数达标
20

层次清晰、重点突出、分析透彻
10

书写规范、文字流畅
5

有独特看法、有一定的创新
5

总成绩： 指导教师签字：

哈尔滨工业大学课程设计任务书
姓 名： 张佳炜 院 （系）： 电气工程及自动化学院
专 业： 测控技术与仪器 班 号 ：1 21
任务起至日期： 9月14日 至 年9 月25 日

课程设计题目： 超声波避障小车

已知技术参数和设计要求：

已知技术参数：
1. 工作电压：5v
2. 工作电流：30mA 典型，50mA 最大
3. 工作频率：38.5KHz
4. 最大探测距离：1.8 m
5. 最小探测距离：3 cm
6. 输入触发器：上升沿触发
7. 回波脉冲：正TTL高电平脉冲宽度
8. 下一次测量的延时：20 mS
设计要求：
实现小车自动避障任务，采用超声波模块实现小车避障功能。

工作量：
总工作时间为10天；
完成硬件电路的设计工作；
设计程序流程图并编写、调试程序；
硬件连接调试，完成设定的功能；
最后撰写开题报告和结题报告各一份。

工作计划安排：

1) .9.14—— .9.16：任务布置；查阅资料，设计方案，完成开题报告；熟悉智能小车工作原理，实现基本功能。
2) .9.17—— .9.22：根据要实现的功能及采用的方法设计程序流程并编写程序，调试运行。
3) .9.23—— .9.23：撰写结题报告，准备验收。
4) .9.24—— .9.25：完成硬件调试、验收。

同组设计者及分工：

张佳炜：资料查找、电路搭建与调试、方案设计
魏孙贵：程序设计及编写

指导教师签字___________________

年 月 日

教研室主任意见：

教研室主任签字___________________

年 月 日

开题报告
1 立项依据
1.1立项目的
（1）设计一辆利用超声波传感器来实现避障功能的小车，使小车对其运动方向受到的阻碍作出各种躲避障碍的动作。
（2）深入学习单片机原理及其应用，提高程序的编写能力。
（3）掌握单片机系统外围电路的设计，了解超声波传感器的工作原理。
（4）掌握软件和硬件调试的基本技巧与方法。
1.2立项意义
汽车作为人们不可缺少的交通工具，给人类带来了极大的便利，但随着汽车的量越来越多，交通事故也越来越多。交通事故成为了现在越来越严重的安全隐患。我们必须加强对汽车安全性能的考虑。随着电子技术、信息技术、网络技术的发展，智能汽车概念应运而生，将电子信息网络和汽车接合起来实现汽车的智能化，是传统汽车产业的机遇也是的挑战。汽车的智能化必将是未来汽车产业发展的趋势，在这样的背景下，我们开展了基于超声波的智能小车的避障研究。
超声波具有穿透力强、方向性好、操作简单、方便、快速和安全等的特点，在很多
领域有着广泛的应用前景。超声波作为智能车避障的传感信号，以其避障实现方便，计算简单，易于做到实时控制，测量精度也能达到实用的要求，在未来汽车智能化进程中必将得到广泛应用。作为一个发展大国，应该把握未来汽车产业发展的方向，在这种情况下研究超声波在智能车避障上的应用具有深远意义，这将对中国未来智能汽车的研究在世界高科技领域占据领先地位具有重要作用。
2 主要设计内容及方案
2.1总体方案
系统采用51单片机作为核心控制单元用于智能车系统的控制,在超声波检测到障碍物之后,主控芯片根据距离值控制直流电机的转动,在与障碍物距离较大的情况下，快速前进，在与障碍物距离较小但还未到达临界转弯方向值的时候，慢速前进。在与障碍物距离很近需要转向避障时，方案上将尝试进行转向，来进行避障。
2.2设计原理
该智能车系统可分为三个主要模块：单片机主控核心模块，传感器避障模块，电机驱动模块。系统主要原理是：经过超声波避障模块（即感测模块）实时监测路面情况并及时传输给单片机。由单片机主控核心模块根据感测模块给予的信息控制小车两电机转动工作状态。电机驱动模块驱动两电机转动，实现前进或者左、右转。
（1）单片机主控核心模块。在这次设计中我们选用已经学过的MCS-51单片机为核心作为控制模块。MCS-51系列单片机是美国Intel公司于1980年推出的产品，MCS-51系列单片机的影响及其深远，许多公司都推出了兼容系列单片机，使MCS51内核成为一个8位单片机的标准，其典型产品有8031、8051、8751等等。
（2）传感器避障模块。智能车避障系统中的传感器一般分为接触型和非接触型两种，接触型相对比较简单。这里我们使用了超声波传感器进行测量，也即非接触型传感器。
超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生震动产生的，在碰到杂质获分界面会产生显著反射从而形成反射回波，超声波传感器就是根据超声波在障碍物界面上的反射来判断检测物体的存在以及距离的。超声波频率高，波长短，绕射现象小，方向性好，再加上信息处理简单且价格低廉，因此这里我们使用28015-PING-v1.6超声波传感器对小车行进前方路况进行探测以及判断，它能实现从3cm到1.8m距离的测量，从而识别出范围内的障碍物。我们将其作为传感器避障模块，利用其返回的数据，从而实现小车避障的功能。图1为超声波传感器。

图1 超声波传感器
超声波探测模块的基本原理及使用方法如下：IO口触发，给Sin口至少5~10us的高电平，启动测量；模块自动发送8个40Khz的方波，自动检测是否有信号返回；有信号返回，经过IO口Sin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*340）/ 2。超声波探测模块的时序图如图2所示。

图2 超声波探测模块时序图
（3）电机驱动模块。电机驱动模块是由两个伺服电机组成，伺服电机控制原理如下图3所示： 控制电机运动转速的是高电平持续的时间，当高电平持续时间为1.3ms时，电机顺时针全速旋转，当高电平持续时间1.7ms时，电机逆时针速旋转。

图3 电机顺、逆时针旋转控制脉冲图
伺服电机与单片机接口的连接，图4为电机连接原理图和实际接线图，P1_0引脚的控制输出用来控制右的伺服电机，而P1_1则用来控制左边的伺服电机。

图4 左、右电机连接图
因此可知，若令左、右车轮电机高电平持续时间为1.5ms时，小车将处于静止状态。
若令左车轮电机高电平持续时间为1.7ms，右车轮电机高电平持续时间为1.3ms时，则左车轮电机逆时针，右车轮电机顺时针，小车将会以最快的速度前进。此时，若想改变小车的前进速度，则逐渐减小左电机的高电平时间，逐渐增加右电机的高电平时间，则能够减小车速。
同理可知，若令左车轮电机高电平持续时间为1.3ms，右车轮电机高电平持续时间为1.7ms时，则左车轮电机顺时针，右车轮电机逆时针，小车将会以最快的速度后退。
当需要转弯时，经过分析和测试我们能够知道，当小车想左转时，需令左右两轮均顺时针旋转，而当小车想右转时，需令左右两轮均逆时针旋转。
2.3具体实施方案及程序流程图
小车的避障流程如下：
（1）在车前方没有障碍物时，小车沿直线向前走。
（2）在车前方有障碍物时，小车能避开障碍物，避障方法如下：
①先向左边转90度，如果前面没有障碍物，再沿直线向前走；
②如果前面仍有障碍物，则向右转180度，如果前面没有障碍物，则沿直线向前行走；
③如果前面仍有障碍物，则向右90度，然后直线行。
主程序流程图如图5所示