1、棗 莊 學 院本科生畢業設計（論文）開題報告題目： 液位流量前饋反饋控制設計與調試 姓名： 胡向東 學號： 201215120111 年級： 2012 專業： 機械設計制造及其自動化 指導教師：姓名 楊中國 職稱 講 師 學科 機械設計制造及其自動化 棗莊學院教務處制2015年3月15日一、選題依據（擬開展研究項目的研究目的、意義）研究目的：通過智能小車控制系統的設計與實現，我們可以知道智能小車機器人的設計涉及到傳感技術，電路設計，程序設計，控制理論等多方面的知識學科，是一項綜合設計。智能控制技術是當代十分活躍的研究，更是一門跨學科的綜合性技術，應用的領域也是日益廣泛。通過此次設計可以開拓我們

2、眼界，熟悉以單片機為核心控制芯片，了解各種傳感器的選擇應用原則等等，加深對控制理論的理解和認識，使我們能把理論與實際有機的結合，加深我們對未來科技發展潮流的認知與把握，為我們在“新常態”下的社會中更好的工作積累經驗與智慧。研究的意義：本課題所設計的智能小車機器人，方案中的理論設計、分析方法及特色創新等可以為智能運輸機器人、殘疾人智能輪椅系統、家庭智能清潔機器人等的設計提供一定的參考意義。同時這種智能小車機器人還可以作為玩具進行開發改進，提高中國玩具市場技術的含量，實現經濟收益，形成商業價值。并且隨著計算機，微電子技術的迅猛發展，智能化控制系統技術日益成熟，機器人技術的發展日新月異，其應用于考古

3、，探測，國防等眾多領域。一些發達國家更是把機器人設計制作競賽作為創新教育的戰略手段，從某種意義上來說，機器人技術高低衡量的是一個國家綜合科技實力的高低。而智能小車機器人作為機器人家族的一員，它的控制系統的研究與制作將有助于推動智能機器人控制系統的發展。而在中國近幾年的全國電子競賽與各省電子競賽幾乎每次都有智能小車機器人方面的題目，智能小車機器人的開發與研究可以提升我國的科技實力與綜合國力，方便人的日常生產生活，提高學生的創造實踐能力，故其具有較大的研究意義。二、文獻綜述內容（在充分收集研究主題相關資料的基礎上，分析國內外研究現狀，提出問題，找到研究主題的切入點，附主要參考文獻）1、國內外智能車

4、輛研究現狀的分析：（一）、國外智能車輛的研究歷史較長，始于上世紀50年代。它的發展歷程大體可以分成三個階段：第一階段：20世紀50年代是智能車輛研究的初始階段。1954年美國Barrett Electronics 公司研究開發了世界上第一臺自主引導車系統AGVS（Automated Guided Vehicle System）。該系統只是一個運行在固定線路上的拖車式運貨平臺，但它卻具有了智能車輛最基本的特征即無人駕駛。早期研制AGVS的目的是為了提高倉庫運輸的自動化水平，應用領域僅局限于倉庫內的物品運輸。隨著計算機的應用和傳感技術的發展，智能車輛的研究不斷得到新的發展。第二階段：從80年代中后

5、期開始，世界主要發達國家對智能車輛開展了顯有成效的研究。在歐洲，1986年開始了普羅米修斯項目進行這個領域的探索。在美洲，美國于1995年成立了國家自動高速公路系統聯盟（NAHSC），其目標之一就是探究研究發展智能車輛的可能性，并促進智能車輛技術進入實用化。在亞洲，日本于1996年成立了高速公路先進巡航/輔助駕駛研究會，主要目的是研究自動車輛導航的方法，促進日本智能車輛技術的整體進步。進入80年代中期，設計和制造智能車輛的浪潮席卷全世界，一大批世界著名的公司開始研制智能車輛平臺。第三階段：從90年代開始，智能車輛進入了深入、系統、大規模研究階段。最為突出的是，美國卡內基梅隆大學（Carnegi

6、e Mellon University）機器人研究所一共完成了Navlab系列的10臺自主車（Navlab1Navlab10）的研究，取得了顯著的成就1。目前，智能車輛的發展正處于第三階段。這一階段的研究成果代表了當前國外智能車輛的主要發展方向。在世界科學界和工業設計界中，眾多的研究機構研發的智能車輛具有代表性的有：德意志聯邦大學的研究：1985年，第一輛VAMORS智能原型車輛在戶外高速公路上以100km/h的速度進行了測試，它使用了機器視覺來保證橫向和縱向的車輛控制。1988年，在都靈的PROMRTHEUS項目第一次委員會會議上，智能車輛維塔進行了展示，該車可以自動停車、行進，并可以向后方

7、車輛傳送相關駕駛信息。這兩種車輛都配備了UBM視覺系統，這是一個雙目視覺系統，具有極高的穩定性2。 荷蘭鹿特丹港口的研究：智能車輛的研究主要體現在工廠貨物的運輸，荷蘭的Combi road系統，采用無人駕駛的車輛來往返運輸貨物，它行駛的路面上采用了磁性導航參照物，并利用一個光陣列傳感器去探測障礙。荷蘭南部目前正在討論工業上利用這種系統的問題，政府正考慮已有的高速公路新建一條專用的車道，采用這種系統將貨物從鹿特丹運往各地3。日本大阪大學的研究：大阪大學的Shirai實驗室所研制的智能小車，采用了航位推測系統（Dead Reckoning System），分別利用旋轉編碼器和電位計來獲取智能小車的

8、轉向角，從而完成了智能小車的定位4。（二）、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5。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于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達到世界先進水平6。南京理工大學、北京理工大學、浙江大學、國防科技大學、清

9、華大學等多所院校聯合研制了軍用室外自主車，該車裝有彩色攝像機、激光雷達、陀螺慣導定位等傳感器。其體系結構以水平式結構為主，采用傳統的“感知建模規劃執行”算法，其直線跟蹤速度達到20km/h，避障速度達到5-10km/h7。智能小車研究也是智能交通系統ITS的關鍵技術，目前，國內的許多高校和科研院所都在進行ITS關鍵技術、設備的研究。隨著ITS研究的興起，我國已形成一支ITS技術研究開發的技術專業隊伍。并且各交通、汽車企業越來越加大了對ITS及智能車輛技術研發的投入，整個社會的關注程度在不斷提高。交通部已將ITS研究列入“十五”科技發展計劃和2010年長期規劃。相信經過相關領域的共同努力，我國I

10、TS及智能車輛的技術水平一定會得到很大提高8。隨著我國飛速發展的經濟實力，智能車輛的研究開發應用將會進入一個更加廣闊的前景。我們要結合中國國情，對智能小車進行一方面或某些方面的深入細致研究，為它今后的發展及實際應用打下堅實的基礎9。2、提出問題：談到智能小車機器人的發展與科研，我們就不得不考慮其經濟效益和可實現程度，了解一下其基本組成和其核心元件。一般智能小車機器人由傳感器檢測部分、執行部分、控制系統三大部分組成，其中控制系統和傳感元件是小車機器人的靈魂，而控制系統中的核心控制元件是單片機，傳感器檢測部分的核心元件是各類傳感器10，因此我們還要了解一下單片機的發展史及特點和傳感器的分類選用原則

11、，為下一步工作做好鋪墊。單片機（Micro Controller Unit）就是把組成微型計算機的各功能部件：CPU、RAM、ROM、定時/計數器、中斷控制器、并行和串行接口均集成在一個芯片中。其一個芯片就構成了一個比較完整的計算機系統。由于單片機的特點為體積小、價格低，適合于儀器、設備的控制，常常嵌入到儀器、設備中，故單片機也稱作微控制器（Microcontroller）。目前世界上單片機的生產公司有上百家，如Intel、Philips、Microchip、Motorola、Siemens、NEC、AMD、Zilog、TI、Atmel等。但在國內廣泛應用的只有Intel 系列和Microch

12、ip PIC系列11。單片機發展至今已有30余年，其發展史大致分為四個階段：第1階段（19761980）：單片機發展初級階段。集成了8位CPU、RAM、ROM、定時器、并行口（無串行口）等部件，但性能低，尋址范圍小（4KB），中斷系統、定時器也簡單。典型機型：Intel MCS-48系列。第2階段（19801983）：高性能單片機階段。此階段的單片機普遍帶有串行口，有多級中斷處理系統，多個16位定時/計數器，片內ROM、RAM的容量加大，尋址范圍達64KB。典型機型：Intel MCS-51系列。第3階段（198380年代末）：16位單片機和高性能8位機并行發展階段。此階段Intel推出16位

13、單片機MCS-96系列，其他公司也推出了各種16位單片機。同時高性能8位單片機的性能更為完善。第4階段（90年代）：單片機在集成度、功能、速度、可靠性等方面全面發展，如采用Flash ROM，加入了一些特殊功能部件（AD轉換器，PWM輸出，監視定時器WDT，DMA，調制解調器，通信控制器，浮點運算單元等）12。單片機由于體積小，價格低，功耗低、控制功能強且控制邏輯可由軟件來實現，因此可以很方便地完成由一般數字電路很難實現的控制邏輯。所以在測控系統、智能儀表、機電一體化產品、智能接口、智能民用產品、機器人等領域得以廣泛應用。而為了適應各種嵌入式系統的應用需求，單片機正向著高集成度、增強工能，提高

14、速度、降低成本和功耗等方向發展，并且由于近年來，單片機結合專用集成電路（Application Specific Integrated Circuit, ASIC）和精簡指令集計算機（Reduced Instruction Set Computer, RISC）技術，發展成為了嵌入式處理器（Embedded Processor），更加適用于數據與數值分析、信號處理、智能機器人及圖像處理等高技術領域13。傳感器是以一定的精度和規律把被測量轉換為與之有確定關系的、便于應用的某種物理量的測量裝置,已經成為20世紀90年代的關鍵技術之一。其由基本的三部分組成：（1）、敏感元件：直接感受被測量,輸出與被

15、測量成確定關系的某一物理量。（2）、轉換元件：敏感元件的輸出就是轉換元件的輸入,它把輸入轉換成電路參量。（3）、轉換電路：把轉換元件的電路參量轉換為便于處理、顯示、記錄或控制的有用的電信號。常用傳感器的分類:(1)、按被測量分類：位移、速度、加速度、力、溫度。(2)、按傳感器工作原理分類： 機械、電器、光學、流體式。(3)、按信號變換特征分類：物性型、結構型。(4)、根據敏感元件與被測對象之間的能量關系分類： 能量轉換（無源傳感器）、能量控制型（有源傳感器）。(5)、按輸出信號分類：模擬式、數字式。我們在選用傳感器時應該考慮到傳感器的靈敏度、響應特性、線性范圍、可靠性、精確度、測量方法、整體結

16、構、體積大小、質量輕重、價格與維護等等，只有這樣我們才能做好產品，獲得效益14。3、研究主題的切入點：隨著微型計算機技術、微電子技術、集成模塊技術等等的發展，智能小車機器人的研究亦日新月異。由于近幾年起源于韓國的“飛思卡爾杯”智能車大賽在中國大陸的風靡推動，以智能小車機器人的各種功能為課題的探究更是五花八門15。本課題立足于智能小車機器人的循跡功能，實現智能小車在彎曲不平的道路上自主循跡運行，不偏離道路。完成智能小車機器人的硬件設計、軟件及智能控制算法的設計。通過市場調查，我們用MCS-51系列單片機作為控制系統的核心，用主動式紅外探測器作為小車機器人的傳感檢測部分。因為單片機比PLC便宜且能

17、滿足開發需求，紅外傳感器因其發射功率大、抗干擾能力強更是在工業生產中有著廣泛的應用。我們利因其自帶紅外光源，通過對光源的遮擋、反射、折射等光學手段完成對被探測物體位置的判別。采用交流耦合方式解決了放大器的直流漂移問題從而提高檢測的距離，同時由于環境光產生的干擾多數情況是信號的直流或低頻分量可以由濾波器加以隔絕，把經過單片機處理的信號發送給小車執行部分，來滿足設計要求16。參考文獻：1 Oppenhein AV, Schafer R.Discrete-Time Signal Processing M.Englewood Cliffs,NJ: Prentice-Hall,1987.45.2 D.G

18、aponstev.Quasi-single-mode fiber laser nears 2kW output with high-quality beam J.Laser Focus World.2005,43(6):3-9.3 張世生.科技情報開發與經濟J2006,(3):25-27 4 錢江一號 .第六屆“飛思卡爾”杯全國大學生智能車大賽技術報告J， 杭州電子科技大學，2011.5 劉湘濤，江世明.單片機原理與應用M北京，電子工業出版社,2006：1-46 何立民.單片機初級教程M北京，北京航空航天大學出版社，1999：25-327 劉勇 .數字電路M.電子工業出版社，2003.1.8

19、馬明建 .數據采集與處理技術M.西安交通大學出版社，1998.12. 9 趙家貴，付小美.新編傳感器電路設計手冊M北京，中國計量出版社，2002:180-181,337-338,287-28810 卓晴，黃開勝.學做智能車M北京.北京航空航天大學出版社，2007. 11 楊西明.單片機編程與應用入門M.機械工業出版社，2005.12 王福瑞.單片微機測控系統設計大全M.北京航空航天大學出版社，2005.5.13 蔡美琴，張為民.MCS-51 系列單片機系統及其應用M.第二版，北京，高等教育出版社，2004.6.14 劉參軍，實用傳感器M.國防工業出版社，2004.6.15 韓毅，楊天.基于HCS12單片機的智能尋跡模型車的設計與實現J.學術期刊，2008，29（18）：1535-1955.16 徐科軍 .傳感器與檢測技術M.電子工業出版社，2004.5.三、研究方案（主要研究內容、目標，研究方法）研究內容：論文研究的是智能小車機器人控制系統的