单片机实训嵌入式案例教学平台

时间:2024-03-21 点赞:47383 浏览:93832 作者原创标记本站原创

本文是一篇嵌入式论文范文,关于嵌入式研究生毕业论文开题报告,关于单片机实训嵌入式案例教学平台相关毕业论文开题报告范文。适合嵌入式及单片机实训及小车方面的的大学硕士和本科毕业论文以及嵌入式相关开题报告范文和职称论文写作参考文献资料下载。

【摘 要】本文主要介绍了基于GPS的可避障智能车导航系统设计.智能车采用三路超声波测距传感器模块探测障碍物,利用核心控制板来进行对GPS定位数据采集,超声波测距数据采集,电子罗盘数据采集,并且对这些数据进行处理.最后,通过应用避障策略和导航算法,实现智能车的自主导航和避障.该智能车导航系统可作为单片机实训嵌入式教学平台,可用于单片机课程的实验教学展示和课程设计.

【关 键 词】嵌入式案例;教学平台;GPS;避障;导航

0引言

轮式移动机器人又名无人自主车或智能车,它是一类能够通过传感器感知环境和自身状态,实现在有障碍物的环境中面向目标自主运动,从而完成一定功能的移动平台.它不仅拥有巨大的军用价值潜力,而且也拥有广阔的民用市场.全国大学生“飞思卡尔杯”智能车竞赛是以智能汽车为研究对象的创意性科技竞赛,是面向全国大学生的一种具有探索性工程实践活动,是教育部倡导的大学生科技竞赛之一.为了培养大学生的嵌入式系统开发能力和创新意识,我们近年来多次组队参加智能车竞赛,既获得了良好成绩,又积累了丰富的科技竞赛经验.为让更多学生了解和参与此项赛事,我们利用赛事组办方提供的A型车模和单片机核心板,设计了基于GPS的具备避障能力的智能车导航系统,并以它为基础形成一个单片机实训嵌入式案例教学平台.

1智能车导航系统硬件电路设计

智能车导航系统的硬件电路如图1所示.图1中,三路超声波测距模块的核心MCU为增强型的51单片机,超声波探头分为左前、中、右前三组,用来获取障碍物信息.GPS模块主要核心为ubloxneo-6m接收机天线一体式模组,为主控板提供位置信息.电子罗盘主要为主控板提供车子航向信息,核心部件为HMC5883.无线模块核心部件为nrf905,提供主控板和上位机的通信功能.电源模块为整个系统提供稳定可靠的电源,电源侦测模块可以测量电池的使用情况.主控板通过控制主电机和舵机驱动模块实现车子的行进和转向功能.

图1硬件总框图

1.1GPS模块

本设计用到的GPS模块为u_blox公司的neo_6m接收模块.该模块具有功耗低(100mw),灵敏度高(-158dbm),高定位精度(开阔地2.5m),启动速度开(冷启动34s,热启动3.5s),体积小等特点.Neo_6m模块提供I2C、SPI、USART等接口.定位数据每秒从数据接口输出一次(可以配置每秒输出4次).

GPS接收机数据主要输出NMEA0183的四种协议,其中GPS定位信息的协议格式如下:

GPS定位信息(帧头$GPGGA)

$GPGGA、<1>、<2>、<3>、<4>、<5>、<6>、<7>、<8>、<9>、M,<11>、<12>*hh

1.2超声波测距模块

超声波具有较强的方向性,频率越高,指向性越强.方向每偏移10度,信号电平就衰减10db,所以经常用于测量距离,而且声波测距往往比较迅速、方便、计算简单.因此为了能及时探测到小车左前、中、右前方向的障碍物,设计了左前、中、右前三路超声波模块进行测距.自行设计的三路超声波测距模块的总响应时间为60ms,采用轮询的工作方式,每路超声波模块工作20ms.

1.3电子罗盘模块

本设计利用电子罗盘进行智能车的航向角测量.鉴于成本和体积的考虑,这里选用HMC5883三维电子罗盘.HMC5883采用Honeywell各向异性磁阻技术,采用该项技术的磁阻传感器具有轴向灵敏高和线性度高的特点.该传感器的正交轴上的磁阻电桥可以测量地磁场的大小和方向.其磁场测量范围从毫高斯到8高斯.

2避障原理和导航算法

2.1避障原理

智能车采用相对简单的环境未知的避障控制,利用左前、正前、右前三个方向的超声波测距模块获得当前的环境信息,根据避障策略做出相应的避障动作.三路测距传感器探测小车前方障碍物时,存在如图2所示的6种情况,其中左前、正前、右前三个方向测得的距离分别是dl、dm、dr.如果任意方向上测得的距离大于D(D为避障范围临界值,取1.2米)时,都为远,小车不考虑避障;如果小于D,小车将通过进一步判断实现避障.

图2智能车接近障碍物示意图

分析智能车接近障碍物的几种情况,制定的避障策略如下:

(1)当dl、dm、dr都为远时,无需转向,小车以最大速度前进.

(2)当dl、dm、dr至少一个为近时,小车减速.若dl>dr,小车左转向,转向角a等于n*(D-dm);若dl

(3)当dl、dm、dr至少一个小于安全距离,小车倒退.当dl>dr,打右舵后退;当dl

2.2导航算法

假设已知目标点坐标,则智能车通过GPS获得当前位置的坐标,通过计算得到当前位置到目标位置跟地理北极方向的夹角;再通过电子罗盘获得小车的航向角.再由小车航向角和当前位置到地理北极方向的夹角比较,得到小车面向目标点的转向角,根据转向角即可使小车趋向目标.如图3所示,A点为小车当前位置,箭头所指方向为小车当前航向.θ为航向跟北极方向的夹角,α为A点到目标点T连线跟北极的夹角.β为小车转向目标点所需的转向角.只需要根据β就可以调整小车向目标点前进.当小车行驶到B点时,遇到障碍物,小车进入避障控制.避开障碍物后到达C点,又继续向目标点前进.到达距离目标点一个范围后小车停止.

图3智能车导航示意图

3测试结果

对于智能车测试,主要是对自主导航和避障这两个功能的测试.测试的环境是室外空旷的操场,用空纸箱作为障碍物(方便移动).首先,设置好小车的终点坐标,将小车带到一个远离终点的地点,作为起点.为了证明小车能自动调节方向奔向终点,小车的车头最好不要对着终点.打开启动开关,小车奔向终点,记录到从起点到终点的行驶用时,包括遇到障碍物和没有遇到障碍物两种情况.小车行驶到终点后停车,记录停车位置到终点的距离,即定位误差.经多次外场试验,得到如表1数据:表1智能车系统运行测试数据

实际测试发现,无论小车被放置在哪个地点,车头方向如何,小车都可以到达目的地.在测试中,我们发现小车停车后距离终点的平均值为约为2.5米,即定位误差约2.5米.经过测试,小车的避障和导航功能良好.小车的实际运行情况如图4.

智能车导航系统在避障过程中的运行情况如下:


图(a)为通过PC或小车的按键设置好终点坐标后,小车启动开始向终点行驶.

图(b)为驶向终点途中遇到障碍物,小车启动避障行为.

图(c)为小车正在右转避开障碍物.

图(d)为小车成功避开障碍物后,调整航向,继续奔向终点.

(a)行驶中(b)遇障碍

(c)绕行(d)继续行进

图4智能车行驶过程

4结束语

本文在分析了智能车避障环境信息的基础上,提出了合理的多传感器布局方案,并设计了智能车的避障策略和导航算法.并在室外环境中进行了智能车的导航和避障实验,对小车导航系统的精确度和避障能力进行了测试与评估.该导航系统在实现基本功能的同时,还有存在一定的不足和不小的改进空间.比如使用惯性导航和GPS结合的方案,可进一步提高导航精度;使用红外线和超声波测距结合的传感器结构,可提高智能车的避障能力;如给智能车加装监控摄像头,可以让小车具有自主巡逻监视的功能等.总的来说,该智能车导航系统完成可以作为一个单片机实训嵌入式教学平台,用于单片机课程的实验教学展示和课程设计.

【参考文献】

[1]宋永端.移动机器人及其自主化技术[M].北京:机械工业出版社,2012:5.

[2]王军,苏剑波,席裕庚.多传感器集成于融合概述[J].机器人,2001,23(2):183-192.

[3]欧阳正柱,何克忠.GPS在智能移动机器人中的应用[J].微计算机信息,2001,17(11):56-58.

[4]马潮.嵌入式G短信息接口121的软硬件设计[J].单片机与嵌入式系统用,2002(7):21-24.

[5]张强,吴云东,杨天恒.数字罗盘在超低空遥感平台的应用[J].测绘科学技术学报,2007(2):56-61.

[6]Madhan&Durrant-WhyteH,DissanayakeGNaturallandmark--basedautonomousnigationusingcurvaturescalespace[C]//Proceedingsofthe2002IEEEInternationalConferenceonRobotics&Automation.2002,4:3936-3941.

[责任编辑:汤静]

相关论文

单片机实训教学模式的设计

此文是一篇嵌入式论文范文,关于嵌入式类论文例文,与单片机实训教学模式的设计相关毕业论文开题报告范文。适合不知如何写嵌入式及电气类及操。

新型单片机实训平台的与设计唐启见

本文是一篇实验教学改革论文范文,实验教学改革方面毕业论文参考文献格式,关于新型单片机实训平台的与设计唐启见相关硕士论文范文。适合实验。

单片机实训教学模式的设计

本文是一篇嵌入式论文范文,嵌入式类本科毕业论文范文,关于单片机实训教学模式的设计相关电大毕业论文范文。适合嵌入式及电气类及操作系统方。

单片机实训课程教学模式

本文是一篇单片机实训论文范文,单片机实训方面有关毕业论文格式,关于单片机实训课程教学模式相关硕士学位毕业论文范文。适合单片机实训及农。

数控车工实训课的教学策略

本文是一篇操作系统论文范文,操作系统方面毕业论文参考文献格式,关于数控车工实训课的教学策略相关本科毕业论文范文。适合操作系统及安全生。

实训在高职教学中的运用

本论文为关于学生市场营销大专毕业论文,关于实训在高职教学中的运用相关毕业论文的格式,可用于学生论文写作研究的大学硕士与本科毕业论文。