智能測量小車設計

智能測量小車設計,智能,測量,丈量,小車,設計 本科畢業(yè)論文(設計)開題報告 論 文 題 目： 智能測量小車設計 學 院：專 業(yè) 、班 級：學 生 姓 名：指導教師（職稱） 一、選題依據(jù) 1. 論文（設計）題目智能測量小車設計 2. 研究領域： Arduino 的應用以及舵機和步態(tài)的控制，機器視覺及三維重構 3. 論文（設計）工作的理論意義和應用價值 十三五中，其中充當工業(yè)機器人“火眼金睛”角色的機器視覺功不可沒!那么機器視覺究竟給工業(yè)機器人一雙怎么樣的“慧眼”，能夠大助工業(yè)機器人在未來工業(yè)自動化、智能化的工業(yè) 4.0 發(fā)展道路上大展拳腳大展拳腳，引導和定位，視覺定位要求機器視覺系統(tǒng)能夠快速準確的找到被測零件并確認其位置，上下料使用機器視覺來定位，引導機械手臂準確抓取。 智能小車是移動式機器人的重要組成部分，而移動機器人不僅能夠在經(jīng)濟、國防、教育、文化和生活中起到越來越大的作用，也是研究復雜智能行為的產(chǎn)生、探索人類思維模式的有效工具與實驗平臺。本次設計的是一款基于 Arduino 的智能小車，它利用 Arduino 作為主控系統(tǒng)。它用藍牙模塊進行無線數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)無線控制。同時它利用超聲波測距模塊來進行測距，將測得的距離數(shù)據(jù)傳給 Arduino，經(jīng)過 Arduino 處理給出反饋，驅動電機轉動，實現(xiàn)自動避障的功能。 智能小車作為智能交通系統(tǒng)的關鍵技術，是許多高新技術綜合集成的載體。智能車輛技術是涵蓋智能控制、模式識別等學科前沿的熱點研究領域，其研究與應用具有巨大的理論和現(xiàn)實意義。在交通安全方面，由無人駕駛車輛研究形成的輔助安全駕駛技術，可以通過傳感器準確、可靠地感知車輛自身及周邊環(huán)境信息，及時向駕駛員提供環(huán)境感知結果，從而有效地協(xié)助提高行車安全，同時也能降低駕駛員對車輛駕駛管理的復雜度，提高單個車輛的運行效率，可以緩解我國城市道路擁堵、交通系統(tǒng)運行效率較低的現(xiàn)狀。在汽車產(chǎn)業(yè)自主創(chuàng)新方面，通過對無人駕駛車輛理論、技術研究， 突破國外汽車行業(yè)專利壁壘，掌握具有核心競爭力的關鍵技術，可以為我國汽車產(chǎn)業(yè)自主創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供強有力的支撐。同時在國防科技方面，“快速、精確、高效” 的地面智能化作戰(zhàn)平臺是未來陸軍的重要力量，無人駕駛車輛將能代替人在高危險環(huán)境下完成各種任務，在保存有生力量、提高作戰(zhàn)效能方面具有重要意義，也是無人作戰(zhàn)系統(tǒng)的重要基礎。 4. 目前研究的概況和發(fā)展趨勢 9 相比于國外，我國開展智能車輛技術方面的研究起步較晚，開始于 20 世紀 80 年代。而且大多數(shù)研究處在于針對某個單項技術研究的階段。雖然我國在智能車輛技術方面的研究總體上落后于發(fā)達國家，并且存在一定得技術差距，但是我們也取得了一系列的成果，主要有： （1） 中國第一汽車集團公司和國防科技大學機電工程與自動化學院與 2003 年研制成功我國第一輛自主駕駛轎車。該自主駕駛轎車在正常交通情況下的高速公路上， 行駛的最高穩(wěn)定速度為 13km/h,最高峰值速度達 170km/h，并且具有超車功能，其總體技術性能和指標已經(jīng)達到世界先進水平。 （2） 南京理工大學、北京理工大學、浙江大學、國防科技大學、清華大學等多所院校聯(lián)合研制了 7B.8 軍用室外自主車，該車裝有彩色攝像機、激光雷達、陀螺慣導定位等傳感器。計算機系統(tǒng)采用兩臺 Sun10 完成信息融合、路徑規(guī)劃，兩臺 PC486 完成路邊抽取識別和激光信息處理，8098 單片機完成定位計算和車輛自動駕駛。其體系結構以水平式結構為主，采用傳統(tǒng)的“感知-建模-規(guī)劃-執(zhí)行”算法，其直線跟蹤速度達到 20km/h，避障速度達到 5-10km/h。 隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，關于汽車的研究也就越來越受人關注。全國電子大賽和省內(nèi)電子大賽幾乎每次都有智能小車這方面的題目，全國各高校也都很重視該題目的研究?？梢娖溲芯恳饬x很大。本設計就是在這樣的背景下提出的，指導教師已經(jīng)有充分的準備。本題目是結合科研項目而確定的設計類課題。設計的智能電動小車應該能夠實現(xiàn)適應能力，能自動避障，可以智能規(guī)劃路徑。 智能化作為現(xiàn)代社會的新產(chǎn)物，是以后的發(fā)展方向，他可以按照預先設定的模式在一個特定的環(huán)境里自動的運作，無需人為管理，便可以完成預期所要達到的或是更高的目標。同遙控小車不同，遙控小車需要人為控制轉向、啟停和進退，比較先進的遙控車還能控制器速度。常見的模型小車，都屬于這類遙控車；智能小車，則可以通過計算機編程來實現(xiàn)其對行駛方向、啟停以及速度的控制，無需人工干預。操作員可以通過修改智能小車的計算機程序來改變它的行駛方向。因此，智能小車具有再編程的特性，是機器人的一種。 智能化全面的發(fā)展是實現(xiàn)其對資源的合理充分利用，以盡可能少的投入得到最大的收益，大大提高工業(yè)生產(chǎn)的效率，實現(xiàn)現(xiàn)有工業(yè)生產(chǎn)水平從自動化向智能化升級， 從先前的模擬電路設計，到數(shù)字電路設計，再到現(xiàn)在的集成芯片的應用，各種能實現(xiàn)同樣功能的元件越來越小為智能化產(chǎn)物的生成奠定了良好的物質基礎 二、論文（設計）研究的內(nèi)容 1. 重點解決的問題 （1） 紅外線傳感器避障設計 （2） 圖像的傳送以及三維圖像的建立 （3） Arduino 單片機的組成及其端口的應用. 2. 擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設計思路） 首先通過查閱大量的相關資料，在論文前面要突出地介紹一下Arduino 系統(tǒng)的重要性； 并說明其現(xiàn)在的研究成果以及今后的發(fā)展趨勢。本次設計的智能小車在進行圖像處理之前，先要用攝像機獲取三維物體的二維圖像。光照條件、相機的幾何特性等對后續(xù)的圖像處理造成很大的影響。所以首先檢測到目標物體，測量距離后，進行定位，移動到指定距離根據(jù)要求拍攝照片，實現(xiàn)測量。 1. 緒論 1.1 課題研究背景 1.2 國內(nèi)外應用現(xiàn)狀 2. 系統(tǒng)總體設計 2.1 系統(tǒng)總體結構設計 2.2 小車的點位及運動軌跡設計 2.3 本章小結 3. Arduino 器件選型及系統(tǒng)搭建 3.1 Arduino 簡介3.2Arduino 的特點3.3Arduino 的運行環(huán)境 3.4 本章小結 4. 系統(tǒng)調(diào)試 4.1 拍照系統(tǒng)調(diào)試 4.2 避障系統(tǒng)調(diào)試 4.3 本章小結 3.本論文（設計）預期取得的成果(1)Arduino 模塊選型及電路設計(2)避障系統(tǒng)結構設計 (3)智能測量小車 三、論文（設計）工作安排 1. 擬采用的主要研究方法（技術路線或設計參數(shù)） Arduino 系統(tǒng)平臺的搭建控制電路的設計 圖像的接收與三維重構處理紅外避障程序的編寫 2. 論文（設計）進度計劃 第 1 周：收集研究方向相關資料、研究資料。 第 2 周：閱讀參考文獻，確定研究內(nèi)容。 第 3 周：撰寫開題報告，擬訂總體設計方案。 第 4 周：修改、完善開題報告；完成文獻翻譯。 第 5 周：完成系統(tǒng)總體方案設計。 第 6 周：主要器件選型，主體結構搭建。 第 7 周：繪制系統(tǒng)原理圖，控制電路功能設計。 第 8 周：各模塊連接實現(xiàn)，傳感器連接實現(xiàn)。 第 9 周：設計程序流程框圖和主要算法。 第 10 周：完成程序編制、編譯。 第 11 周：進行實驗，分析實驗結果。 第 12 周：進行實驗，分析實驗結果。 第 13 周：完善設計內(nèi)容，撰寫設計說明書。 第 14 周：完成畢業(yè)論文。 第 15 周：修改畢業(yè)論文及準備答辯。 第 16 周：準備答辯內(nèi)容，參加畢業(yè)答辯。 四、需要閱讀的參考文獻 [1] 潘元驍. 基于Arduino 的智能小車自動避障系統(tǒng)設計與研究[D]. 長安大學 2015 [2] 丁小妮. 基于 Arduino&Android 小車的倉儲搬運研究[D]. 長安大學 2015 [3] 侯亮,王浩倫,賈鴻翅. 支持產(chǎn)品平臺創(chuàng)新的知識分類及其本體建模研究[J]. 機電工程. 2010(11) [4] 陳永亮,焦明生. 基于產(chǎn)品平臺和機械總線的爬行機器人可適應設計[J]. 工程設計學報. 2005(05) [5] 紀欣然. 基于 Arduino 開發(fā)環(huán)境的智能尋光小車設計[J]. 現(xiàn)代電子技術. 2012(15) [6] 蔡睿妍. 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Production Engineering . 2013 (4) 1 Arduino 簡介 文獻綜述 Arduino 是源自意大利的一個教學用開源硬件項目，主要是為希望嘗試創(chuàng) 建交互式物理對象的實踐者、喜歡創(chuàng)造發(fā)明的人及藝術家所構建的，它秉承開源硬件思想， 程序開發(fā)接口免費下載，也可依需求自己修改。 其硬件系統(tǒng)是高度模塊化的，通過 USB 接口與計算機連接，包括 14 通道數(shù)字輸入/輸出，其中包括 6 通道 PWM 輸出、6 通道 10 位 ADC 模擬輸入/輸出通道，電源電壓主要有 5V 和 3.3V。在核心控制板的外圍，有開關量輸入輸出模塊、各種模擬量傳感器輸入模塊、總線類傳感器的輸入模塊，還有網(wǎng)絡通信模塊，只要在核心控制板上增加網(wǎng)絡控制模塊，就可以容易地與互聯(lián)網(wǎng)連接。Arduino 還提供了自己的開發(fā)語言，支持 Windows、Linux、MacOS 等主流的操作系統(tǒng)。Arduino 系統(tǒng)是基于單片機開發(fā)的，并且大量應用通用和標準的電子元器件，包括硬件和軟件在內(nèi)的整個設計，代碼均采用開源方式發(fā)布，因此采購的成本較低，在各種電子制作競賽、電子藝術品創(chuàng)意設計等越來越多地使用 Arduino 作為開發(fā)平臺。甚至可以接受Macromedia Flash 軟件制作的動畫發(fā)送的信號, 并由此來控制一些動作器件(如舵機等)。 2 尋光小車的尋光原理 引導智能尋光小車運動的“光”信號是紅外線。波長在７８０ｎｍ～１０００μｍ 之間，與可見光相比，將紅外線作為引導信號受環(huán)境中光線的干擾較小， 且依然能夠保持直線傳播。采用臺灣億光（Ｅｖｅｒｌｉｇｈｔ）生產(chǎn)的ＩＲ３３３－Ａ紅外發(fā)射管作為紅外線發(fā)射源，該紅外發(fā)射管發(fā)射的紅外線定向性好，發(fā)射的紅外線強度與通過紅外發(fā)射管的電流成正比，發(fā)射出的紅外線中， 波長為９４０ｎｍ 的紅外線強度最大。與紅外發(fā)射管對應，采用紅外光敏三極管檢測紅外線，檢測范圍約為６０°，當紅外線波長為９４０ｎｍ 時，相對敏感度最高。 3 爬行機器人的可適應性設計 現(xiàn)今對機器人的研究越來越多 ,而其中爬行機器人是其中的一個重要方向 . 但是大多的爬行機器人的研究都是基于特定的任務進行的 ,單機單用 ,具有很強的定向單任務性 . 為了實現(xiàn)單個機械裝置的多功能性 ,不同的機器人結構設計方法學開始嶄露頭角 ,包括模塊化機器人、可重構機器人等形式 .而在相關的機械、工程領域 , Gu Peihua 提出了可 適 應 設 計 方 法 學( adaptable design methodology)和機械總線(mechBus)的概念.可適應產(chǎn)品可適應性的實現(xiàn)有兩種方式 ,一是基本結構體系平臺不變 ,通過總線接口實現(xiàn)功能結構的外擴性、可升級性 ,從而適應新形勢;二是基本架構體系或者某些連接作用結構體系的柔性 (可變適應性),通過自身結構的改變來適應新的附加結構 .后者要考慮結構柔性的可能性以及柔性的變化程度.結構柔性的產(chǎn)生包括結構自身變化產(chǎn)生柔性和結構組合產(chǎn)生柔性 . 4 Arduino 互動媒體開發(fā) 正是由于 Arduino 易于使用，才能使用戶或開發(fā)者把精力關注于設計本身。Arduino 甚至提供了自己的開發(fā)語言，這種借鑒了 C/C++和 Java 的語言，對于有一定 Flash 的 ActionScript 腳本的開發(fā)者也相對容易掌握。再次，Arduino 基于單片機開發(fā)，并且大量應用通用和標準的電子元器件，包括硬件和軟件在內(nèi)的整個設計， 代碼均采用開源方式發(fā)布，因此采購的成本較低。由于開源 （open source）的緣故，Arduino 周邊聚集豐富的外圍軟件庫和硬件控制器、傳感器。另外，Arduino 可以支持 Windows、Linux、MacOS 等主流的操作系統(tǒng)。綜上所述， 互動媒體的制作者擁有更多的自由度，為互動媒體的創(chuàng)作奠定堅實的基礎。利用Arduino 提高 Flash 的互動能力的途徑有很多，比如利用聲音傳感器、紅外傳感器、 重力傳感器等。作為互動媒體而言，其主要特征是通過與周圍環(huán)境的交流、反饋來展現(xiàn)自身內(nèi)容，而各種類型的傳感器能很好 地傳達環(huán)境給予的各類刺激。 5 基于 Arduino 的智能小車自動避障系統(tǒng) 設計與研究 在智能小車的避障策略研究方面，設計采用紅外光電傳感器對地面的黑色軌 跡進行檢測從而實現(xiàn)自動循跡，使用超聲波測距來獲取智能小車與障礙物的距離，通過距離的判斷與比較以達到避障的目的。采用動態(tài)路徑規(guī)劃算法設計了未 知環(huán)境下智能小車的控制策略，提出智能小車通過連續(xù)型獎勵、懲罰信號完成自己尋找 運動路線、自動避障的控制策略。設計的智能小車避障系統(tǒng)采用 車頭安裝多個測距傳感器測距，然后根據(jù)探測到障礙物的傳感器數(shù)量進行轉向控制。設計的智能小車前輪安裝了舵機，通過控制方向舵機進行轉向，完成避障動作。 設計的智能小車采用超聲波傳感器檢測障礙物信息，當檢測到障礙物時，首先判斷障礙物與小車之間的位置關系，根據(jù)障礙物當前位置以及避障規(guī)則輸出 PWM (Pulse Width Modulation)波控制電機運轉、調(diào)速完成避障動作。上述設計的信息采集系統(tǒng)和避障策略基本可以滿足避障要求，但是采用紅外接近開 關、紅外線二極管、超聲波發(fā)射器、超聲波接收器作為避障傳感器只能感知智能小車前 方有障礙物，無法獲得障礙物與智能小車距離數(shù)據(jù)值，不利于智能小車完成復雜的避障 動作。車頭安裝多個超聲波測距傳感器會造成傳感器之間互相干擾。同時，上述設計只 考慮車頭部位安裝傳感器探測前方障礙物，沒有考慮車體兩側障礙物，探測的信息不全面。在避障策略方面，循線壁障的方式使智能小車只能按照地面劃定的路線運動，不具 有自適應性。并且，目前沒有關于轉彎后返回原來運動方向的設計，沒有完成繞過障礙 物的要求，避障功能不完善。論文針對存在的這些問題，依賴于測距技術，圍繞智能小車自動避障的相關技術，力求得到實時、全面的信息采集系統(tǒng)和高效、實用的避障系統(tǒng)。 論文以改裝的 Arduino 平臺智能小車為研究環(huán)境，進行了智能小車自動避障技術的 研究。論文的研究內(nèi)容主要包括：智能小車自動避障的信息采集系統(tǒng)設計、障礙物信息分類、自動避障策略設計以及智能小車自動避障系統(tǒng)的設計與開發(fā)等。 （1） 自動避障的信息采集系統(tǒng)研究：通過分析超聲波傳感器和紅外傳感器的結構、 原理、優(yōu)缺點，結合具體設計中影響傳感器選擇的性能指標，選擇 H C-S R04 超聲波測 距傳感器和夏普GP2D12 紅外測距傳感器組成智能小車自動避障的信息采集系統(tǒng)。然后 基于能全面、實時的采集智能小車運行時周圍障礙物信息，設計了環(huán)境信息采集系統(tǒng)傳 感器的配置方案為車頭安裝兩個紅外測距傳感器，車體兩側分別裝載一個超聲波測距傳 感器。 （2） 自動避障策略設計：根據(jù)障礙物與智能小車的位置關系將其分為 4 種基本類 型，然后綜合考慮智能小車原地繞一個車輪做圓周運動的最大半徑和慣性的影響確定了 智能小車自動避障的安全距離，根據(jù) 4 種類型障礙物設計了智能小車的自動避障策略。 （3） 自動避障系統(tǒng)設計：采用 Arduino 開發(fā)平臺設計實現(xiàn)了論文設計的信息采集 系統(tǒng)和自動避障策略，通過實驗驗證，該系統(tǒng)成功的完成了自動避障要求。 11 審 簽字： 年 月 日 核 意 見 教研室主任意見 簽字： 年 月 日 學院教學指導委員會意見 簽字： 年 月 日公章：