基于STC单片机的红外循迹小车的设计（含CAD图纸）.zip

摘要近几年无人驾驶技术取得了突飞猛进的进步， 大规模商业化应用的日子越来越近了。 为赶上无人驾驶技术发展 的世界潮流，在高校和中等职业学校中，智能小车的教学和竞赛正如火如荼地展开。本文通过对循迹小车的分析与设计，让我们了解了循迹小车，为深入研究自动驾驶奠定了基础。分析了红外循迹小车组成和工作原理，系统地分析了小车运动的组成和重要零部件结构，进行了小车四轮运动整体传动设计。在对循迹小车分析设计以及计算中，自己的机械设计能力取得了实质性进展。关键词：循迹小车；机械设计；传动系统动关键词：循迹小车；机械设计；传动系统动AbstractDriverless technology has advanced by leaps and bounds in recent years, and large-scale commercial use is drawing closer. In order to catch up with the world trend of driverless technology development, in universities and secondary vocational schools, the teaching and competition of smart cars are in full swing.In this paper, through the analysis and design of tracking car, let us understand the tracking car, for in-depth study of automatic driving laid the foundation. The composition and working principle of the infrared tracking car are analyzed, the composition of the car movement and the structure of important parts are systematically analyzed, and the whole transmission design of the car four-wheel movement is carried out. In the analysis and calculation of tracking car, my mechanical design ability has made substantial progress.Key words: tracking car; Mechanical design; The transmission system.Key words: tracking car; Mechanical design; The transmission system.目 录1 绪论.11.1 研究背景 .11.2 国外发展现状 .11.3 国内发展现状 .11.4 研究的内容和方法 .21.5 本章小结 .32 总体方案设计.42.1 总体方案.42.2 机械结构方案.42.3 控制系统方案 .62.3.1 总体结构框图 .62.3.2 红外传感器 .63 循迹小车结构设计计算.83.1 运动学分析.83.2 车轮受力分析.103.3 车轮电机的选择.104 循迹小车控制系统设计.134.1 单片机最小系统 .134.1.1.电源电路 .144.1.2 复位电路 .154.1.3 晶振电路 .154.2 直流电机驱动电路 .154.3 数码管显示电路 .164.4 蜂鸣器电路 .174.5 按键电路 .174.6 红外遥控信号接收电路 .184.7 红外循迹电路 .184.8 程序下载 .194.9 系统调试和测试 .195 总结和展望.215.1 设计总结 .215.2 未来展望 .21致 谢.22参考文献.2311 绪论1.1 研究背景进入21世纪以来，科学技术特别是信息技术以前所未有的速度高速发展， 并渗透到社会生活的所有领域。在“互联网+”的号角下，社会各个领域开始了 全新一轮的整合与发展，智能控制技术广泛应用于各行各业，改进了生产技术和 工艺，大大提高了生产效率，对不断推动国家现代化发展起到了重要作用。在此 技术背景下，无人驾驶技术取得了突飞猛进的进步，大规模商业化应用的日子越 来越近了。智能小车可以说是无人驾驶汽车的缩微版，它涉及的领域很多，是自动化控 制技术和机器人技术推广和普及的重要载体。智能小车是以汽车电子技术为背 景，综合多学科技术，包括计算机、机械以及控制、传感技术等，属机器人的一 个分支。1.2 国外发展现状20世纪70年代以前，国外一些汽车厂商已经开始进行自动驾驶的研发，釆 用的原理和方法是射频和磁针。从上世纪70年代开始，西方一些发达国家加大 力度投入无人驾驶技术的研发，首先在车辆自身结构和部件上进行了改进，取得 了一些成果。1977年到2000年期间，欧洲、日本及美国的几所高校对自动驾驶 技术进行了实验并开展了一些开放性的项目， 这些国家的高校和研究所开展的开 放性项目有：EUREKA Prometheus. CMU NAVLAB、AHS Demo等。2004到2006年期间，西方国家鼓励各个高校校内及校际组织无人驾驶车 辆竞赛。2007年，在美国举办了一场城市挑战赛，直接以城市中交叉纵横的道 路作为比赛的环境，相较于以往的比赛，难度颇高。2015年夏，谷歌研发的无 人驾驶汽车在城市路段中进行了运行测试。2016年1月15 H,美国政府宣布， 为了促进无人驾驶汽车研发，加快其商用化步伐，缓解交通拥堵状况和减少交通 意外事故死亡率，政府将拨出专项资金用于无人驾驶汽车研发。该资金总额为 40亿元，十年规划。2016年1月29 H,英国交通部也做出大胆的尝试，放宽对 自动驾驶汽车的行驶限制，准许其在划定的道路范围内进行实地测试。从2016 年7月起，“格林威治自动化交通环境项目”也加快步伐，测试该项目的无人驾 驶汽车的一些重要性能。2016年2月，谷歌的无人驾驶汽车得到了美国政府的 认可，它不仅仅是机械式的汽车，而是获得了智能“司机”的头衔。这一举措标 志着无人驾驶技术已在全球范围内取得了一项重大突破，无人驾驶汽车也在其发 展道路上极速前行。1.3 国内发展现状2当前，我国经济发展形势喜人，公民的购买能力也大幅提高，随着全国汽车 保有量的迅速增长，各种各样的交通安全问题有日益严重之势。解决目前面临的 各种各样的恶性交通问题是经济可持续发展的当务之急， 智能车辆技术作为交通 运输领域里的关键环节之一，研发应用更显得迫切。国外汽车厂商已掌握相关技 术，并进行自主研发与实践。我国情况则不大相同，厂家一般是通过与顶尖的科 研院所或者具有相关资质的高校合作探索该领域中的重要技术。当前环境下，智 能车辆技术的重要研究任务主要落到了高校、科研机构等单位上。1992年，中国的首辆无人驾驶汽车诞生，这辆具有划时代意义的汽车由国 防科技大学与中国一汽联手打造。其导航设备釆用了计算机视觉技术，这项技术 在当时颇为先进。除具有基本的智能识别功能之外，还能够适应天气的变化，适 应车辆的各种不同的运动模式，具备较强的自适应能力和自调节能力。2005年， 上海交大在无人驾驶技术上取得了重大突破， 其研发的无人驾驶汽车能够在城市 道路上自由行驶，从而揭开了汽车自主驾驶的世纪之梦，为推动我国汽车产业的 深远发展做出了极大贡献。2011年夏，中国一汽与国防科技大学再次合作，携 手推出了 “红旗HQ3”，这一次的挑战地点是城际高速公路，路况复杂，“红 旗HQ3”出色地实现了 286公里的自动驾驶里程，人工干预的里程数仅占总里 程的0.78%,创造了我国自主研制的无人驾驶汽车的自主驾驶里程纪录。2012 年，军事交通学院研制的无人驾驶汽车以最高速度达到105公里/小时的无人 驾驶状态行进了 114公里。2015年12月初，百度也加入到研制无人驾驶汽车 的队伍。其测试地点选在北京，在整个测试的过程中，汽车完成了多个以前只有 人工操作和控制才能实现的动作，包括基本的减速以及变换车道，还有罕见的超 车与颇具难度的优雅调头的动作，最高时速可达到100公里/小时，在高速公 路上行进到驶出高速公路完成了不同道路场景之间的切换，当时的路况接近于真实环境，难度系数可以说是到目前为止最大的一次。2015年末，百度正式成立 了自动驾驶事业部，并做出阶段性的规划，在三年之内开始投入商业化生产，在 五年内实现量产，对外销售。尽管如此，中国的无人驾驶技术落后国外还是有一 定的距离。1.4 研究的内容和方法这款红外循迹小车研究内容主要包括前期资料查询、 查找成功案例并且对案例进行分析，从而设计改造，并且对设计改造完的自动化机构进行分析，通过分析将红外循迹小车分成机械设计控制系统和动力的选取， 采用电气自动化控制系统，动力采用伺服电机方式，设计完成后进行可靠性分析，验证结束后进行产品说明和机械制图等主要工作4。提出设计思路和问题与老师和同学们进行设计分析， 认真学习循迹小车领域3的相关资料，明确需要分析的成功案例，了解红外循迹小车的机构和控制系统的相关知识，争取在毕业设计每个时间段内提前完成相应的任务，与此同时多了解一些自动上料结构及设计的相关参数和最新的技术发展。 通过实际生产调查和相关行业查阅书籍资料，不断分析和优化成功案例的优点与不足，利用汇集的技术资料设计一款满足要求的红外循迹小车5。1.5 本章小结本章主要是对红外循迹小车的研究背景、 国内外的发展现状和需求分析进行了初步的研究6，对自动分料上料系统目前的状况有了比较清晰的认识和了解，明确了设计的内容和研究的方法，确定了接下来需要做的事情和研究计划，通过上述分析让自己对后期的资料研究、问题发现和设计分析更加的有信心42 总体方案设计2.1 总体方案循迹小车全向移动是一种自由度比较高的移动方式， 与传统的移动方式相比较，它可以实现沿着任意平面方向灵活的运动，尤其是具有左右横移和原地仅以自身半径转动的高难度动作，通常被应用在空间狭小的作业环境14。在基于实验室应用的基础上，将几种运动特性良好的全向移动方案相比较，选出最优方案。2.2 机械结构方案实现全向移动的关键点是车轮的选择， 依据车轮的选用搭配现有以下几种方案。方案一：四个McNam车轮用作驱动轮，每个车轮都有一个独立的动力源。Mecanum Wheel是瑞典公司McNaum的专利15。麦克纳姆车轮由两部分组成：主动的车轮和车轮外缘按一定方向倾斜并均匀分布的多个被动轮毂16。由四个麦克纳姆轮组成的全向移动方式是基于一个含有多个位于车轮周边的轮毂的中心轮的原理上， 这些成一定角度的周边轮毂把一部分的自身承受的转向力转化到一个整体车轮的法向力上面17。依靠各自轮毂的转动方向和速度，最终将这些力合成在任何所要求的方向上， 即产生一个合力矢量从而保证平台最终可以在合力矢量上任意的移动，而不改变车轮自身的方向18。四个麦克纳姆轮呈矩形放置时，各个方向进行平移运动时会更加容易控制19,20。具体车身底部与车轮的安放的位置如图2-1所示。方案二：由三个麦克纳姆轮作为主动轮，每个车轮配备独立动力源。这种放置方式会使车体更好的实现转向运动，但进行平移时，控制方式会较为复杂。具体车身底部与车轮安放的位置如图2-2所示。方案三：由三个全向轮作为主动轮，每个车轮配备独立动力源。全向轮是海单等人的一款专利产品21。全向车轮主要由两部分组成：轮毂和从动轮22。轮毂在外圆周上均匀分布有三个或更多个轮毂齿，每个轮毂齿设有从动轮。每个从动轮的径向垂直于轮毂外圆周的切线方向23。三个从动轮呈一定角度安放， 根据每个主动轮提供的转速整合到一起产生一个合力矢量从而保证平台可以进行各种方向的运动24。 具体车身底部与轮子安放的位置如图2-3所示。5图2-1 四个麦克纳姆轮构成的车身底部示意图图 2-