智能測量小車設(shè)計(jì),智能,測量,丈量,小車,設(shè)計(jì) 本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))開題報(bào)告 論 文 題 目： 智能測量小車設(shè)計(jì) 學(xué) 院：專 業(yè) 、班 級：學(xué) 生 姓 名：指導(dǎo)教師（職稱） 一、選題依據(jù) 1. 論文（設(shè)計(jì)）題目智能測量小車設(shè)計(jì) 2. 研究領(lǐng)域： Arduino 的應(yīng)用以及舵機(jī)和步態(tài)的控制，機(jī)器視覺及三維重構(gòu) 3. 論文（設(shè)計(jì)）工作的理論意義和應(yīng)用價(jià)值 十三五中，其中充當(dāng)工業(yè)機(jī)器人“火眼金睛”角色的機(jī)器視覺功不可沒!那么機(jī)器視覺究竟給工業(yè)機(jī)器人一雙怎么樣的“慧眼”，能夠大助工業(yè)機(jī)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(dǎo)和定位，視覺定位要求機(jī)器視覺系統(tǒng)能夠快速準(zhǔn)確的找到被測零件并確認(rèn)其位置，上下料使用機(jī)器視覺來定位，引導(dǎo)機(jī)械手臂準(zhǔn)確抓取。 智能小車是移動式機(jī)器人的重要組成部分，而移動機(jī)器人不僅能夠在經(jīng)濟(jì)、國防、教育、文化和生活中起到越來越大的作用，也是研究復(fù)雜智能行為的產(chǎn)生、探索人類思維模式的有效工具與實(shí)驗(yàn)平臺。本次設(shè)計(jì)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(lán)牙模塊進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)無線控制。同時(shí)它利用超聲波測距模塊來進(jìn)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(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)自動避障的功能。 智能小車作為智能交通系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，是許多高新技術(shù)綜合集成的載體。智能車輛技術(shù)是涵蓋智能控制、模式識別等學(xué)科前沿的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域，其研究與應(yīng)用具有巨大的理論和現(xiàn)實(shí)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(shù)，可以通過傳感器準(zhǔn)確、可靠地感知車輛自身及周邊環(huán)境信息，及時(shí)向駕駛員提供環(huán)境感知結(jié)果，從而有效地協(xié)助提高行車安全，同時(shí)也能降低駕駛員對車輛駕駛管理的復(fù)雜度，提高單個(gè)車輛的運(yùn)行效率，可以緩解我國城市道路擁堵、交通系統(tǒng)運(yùn)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(shù)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(guān)鍵技術(shù)，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(qiáng)有力的支撐。同時(shí)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(xiǎn)環(huán)境下完成各種任務(wù)，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(chǔ)。 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(shù)方面的研究起步較晚，開始于 20 世紀(jì) 80 年代。而且大多數(shù)研究處在于針對某個(gè)單項(xiàng)技術(shù)研究的階段。雖然我國在智能車輛技術(shù)方面的研究總體上落后于發(fā)達(dá)國家，并且存在一定得技術(shù)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(tuán)公司和國防科技大學(xué)機(jī)電工程與自動化學(xué)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(dá) 170km/h，并且具有超車功能，其總體技術(shù)性能和指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平。 （2） 南京理工大學(xué)、北京理工大學(xué)、浙江大學(xué)、國防科技大學(xué)、清華大學(xué)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(jī)、激光雷達(dá)、陀螺慣導(dǎo)定位等傳感器。計(jì)算機(jī)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(jī)完成定位計(jì)算和車輛自動駕駛。其體系結(jié)構(gòu)以水平式結(jié)構(gòu)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(dá)到 20km/h，避障速度達(dá)到 5-10km/h。 隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，關(guān)于汽車的研究也就越來越受人關(guān)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。可見其研究意義很大。本設(shè)計(jì)就是在這樣的背景下提出的，指導(dǎo)教師已經(jīng)有充分的準(zhǔn)備。本題目是結(jié)合科研項(xiàng)目而確定的設(shè)計(jì)類課題。設(shè)計(jì)的智能電動小車應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)適應(yīng)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(yù)先設(shè)定的模式在一個(gè)特定的環(huán)境里自動的運(yùn)作，無需人為管理，便可以完成預(yù)期所要達(dá)到的或是更高的目標(biāo)。同遙控小車不同，遙控小車需要人為控制轉(zhuǎn)向、啟停和進(jìn)退，比較先進(jìn)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(jì)算機(jī)編程來實(shí)現(xiàn)其對行駛方向、啟停以及速度的控制，無需人工干預(yù)。操作員可以通過修改智能小車的計(jì)算機(jī)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(jī)器人的一種。 智能化全面的發(fā)展是實(shí)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(shí)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(shè)計(jì)，到數(shù)字電路設(shè)計(jì)，再到現(xiàn)在的集成芯片的應(yīng)用，各種能實(shí)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(zhì)基礎(chǔ) 二、論文（設(shè)計(jì)）研究的內(nèi)容 1. 重點(diǎn)解決的問題 （1） 紅外線傳感器避障設(shè)計(jì) （2） 圖像的傳送以及三維圖像的建立 （3） Arduino 單片機(jī)的組成及其端口的應(yīng)用. 2. 擬開展研究的幾個(gè)主要方面（論文寫作大綱或設(shè)計(jì)思路） 首先通過查閱大量的相關(guān)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(shè)計(jì)的智能小車在進(jìn)行圖像處理之前，先要用攝像機(jī)獲取三維物體的二維圖像。光照條件、相機(jī)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(biāo)物體，測量距離后，進(jìn)行定位，移動到指定距離根據(jù)要求拍攝照片，實(shí)現(xiàn)測量。 1. 緒論 1.1 課題研究背景 1.2 國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀 2. 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.2 小車的點(diǎn)位及運(yùn)動軌跡設(shè)計(jì) 2.3 本章小結(jié) 3. Arduino 器件選型及系統(tǒng)搭建 3.1 Arduino 簡介3.2Arduino 的特點(diǎn)3.3Arduino 的運(yùn)行環(huán)境 3.4 本章小結(jié) 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(jié) 3.本論文（設(shè)計(jì)）預(yù)期取得的成果(1)Arduino 模塊選型及電路設(shè)計(jì)(2)避障系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) (3)智能測量小車 三、論文（設(shè)計(jì)）工作安排 1. 擬采用的主要研究方法（技術(shù)路線或設(shè)計(jì)參數(shù)） Arduino 系統(tǒng)平臺的搭建控制電路的設(shè)計(jì) 圖像的接收與三維重構(gòu)處理紅外避障程序的編寫 2. 論文（設(shè)計(jì)）進(jìn)度計(jì)劃 第 1 周：收集研究方向相關(guān)資料、研究資料。 第 2 周：閱讀參考文獻(xiàn)，確定研究內(nèi)容。 第 3 周：撰寫開題報(bào)告，擬訂總體設(shè)計(jì)方案。 第 4 周：修改、完善開題報(bào)告；完成文獻(xiàn)翻譯。 第 5 周：完成系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)。 第 6 周：主要器件選型，主體結(jié)構(gòu)搭建。 第 7 周：繪制系統(tǒng)原理圖，控制電路功能設(shè)計(jì)。 第 8 周：各模塊連接實(shí)現(xiàn)，傳感器連接實(shí)現(xiàn)。 第 9 周：設(shè)計(jì)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 第 12 周：進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 第 13 周：完善設(shè)計(jì)內(nèi)容，撰寫設(shè)計(jì)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(zhǔn)備答辯。 第 16 周：準(zhǔn)備答辯內(nèi)容，參加畢業(yè)答辯。 四、需要閱讀的參考文獻(xiàn) [1] 潘元驍. 基于Arduino 的智能小車自動避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[D]. 長安大學(xué) 2015 [2] 丁小妮. 基于 Arduino&Android 小車的倉儲搬運(yùn)研究[D]. 長安大學(xué) 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(jī)電工程. 2010(11) [4] 陳永亮,焦明生. 基于產(chǎn)品平臺和機(jī)械總線的爬行機(jī)器人可適應(yīng)設(shè)計(jì)[J]. 工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào). 2005(05) [5] 紀(jì)欣然. 基于 Arduino 開發(fā)環(huán)境的智能尋光小車設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù). 2012(15) [6] 蔡睿妍. 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Production Engineering . 2013 (4) 1 Arduino 簡介 文獻(xiàn)綜述 Arduino 是源自意大利的一個(gè)教學(xué)用開源硬件項(xiàng)目，主要是為希望嘗試創(chuàng) 建交互式物理對象的實(shí)踐者、喜歡創(chuàng)造發(fā)明的人及藝術(shù)家所構(gòu)建的，它秉承開源硬件思想， 程序開發(fā)接口免費(fèi)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(jì)算機(jī)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(guān)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(luò)通信模塊，只要在核心控制板上增加網(wǎng)絡(luò)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(jī)開發(fā)的，并且大量應(yīng)用通用和標(biāo)準(zhǔn)的電子元器件，包括硬件和軟件在內(nèi)的整個(gè)設(shè)計(jì)，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(shù)品創(chuàng)意設(shè)計(jì)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(jī)等)。 2 尋光小車的尋光原理 引導(dǎo)智能尋光小車運(yùn)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(dǎo)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(qiáng)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(qiáng)度最大。與紅外發(fā)射管對應(yīng)，采用紅外光敏三極管檢測紅外線，檢測范圍約為６０°，當(dāng)紅外線波長為９４０ｎｍ 時(shí)，相對敏感度最高。 3 爬行機(jī)器人的可適應(yīng)性設(shè)計(jì) 現(xiàn)今對機(jī)器人的研究越來越多 ,而其中爬行機(jī)器人是其中的一個(gè)重要方向 . 但是大多的爬行機(jī)器人的研究都是基于特定的任務(wù)進(jìn)行的 ,單機(jī)單用 ,具有很強(qiáng)的定向單任務(wù)性 . 為了實(shí)現(xiàn)單個(gè)機(jī)械裝置的多功能性 ,不同的機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法學(xué)開始嶄露頭角 ,包括模塊化機(jī)器人、可重構(gòu)機(jī)器人等形式 .而在相關(guān)的機(jī)械、工程領(lǐng)域 , Gu Peihua 提出了可 適 應(yīng) 設(shè) 計(jì) 方 法 學(xué)( adaptable design methodology)和機(jī)械總線(mechBus)的概念.可適應(yīng)產(chǎn)品可適應(yīng)性的實(shí)現(xiàn)有兩種方式 ,一是基本結(jié)構(gòu)體系平臺不變 ,通過總線接口實(shí)現(xiàn)功能結(jié)構(gòu)的外擴(kuò)性、可升級性 ,從而適應(yīng)新形勢;二是基本架構(gòu)體系或者某些連接作用結(jié)構(gòu)體系的柔性 (可變適應(yīng)性),通過自身結(jié)構(gòu)的改變來適應(yīng)新的附加結(jié)構(gòu) .后者要考慮結(jié)構(gòu)柔性的可能性以及柔性的變化程度.結(jié)構(gòu)柔性的產(chǎn)生包括結(jié)構(gòu)自身變化產(chǎn)生柔性和結(jié)構(gòu)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(guān)注于設(shè)計(jì)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(jī)開發(fā)，并且大量應(yīng)用通用和標(biāo)準(zhǔn)的電子元器件，包括硬件和軟件在內(nèi)的整個(gè)設(shè)計(jì)， 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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。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(dá)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(shè)計(jì)與研究 在智能小車的避障策略研究方面，設(shè)計(jì)采用紅外光電傳感器對地面的黑色軌 跡進(jìn)行檢測從而實(shí)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(dá)到避障的目的。采用動態(tài)路徑規(guī)劃算法設(shè)計(jì)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(yùn)動路線、自動避障的控制策略。設(shè)計(jì)的智能小車避障系統(tǒng)采用 車頭安裝多個(gè)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(jìn)行轉(zhuǎn)向控制。設(shè)計(jì)的智能小車前輪安裝了舵機(jī)，通過控制方向舵機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)向，完成避障動作。 設(shè)計(jì)的智能小車采用超聲波傳感器檢測障礙物信息，當(dāng)檢測到障礙物時(shí)，首先判斷障礙物與小車之間的位置關(guān)系，根據(jù)障礙物當(dāng)前位置以及避障規(guī)則輸出 PWM (Pulse Width Modulation)波控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、調(diào)速完成避障動作。上述設(shè)計(jì)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(guān)、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(fù)雜的避障 動作。車頭安裝多個(gè)超聲波測距傳感器會造成傳感器之間互相干擾。同時(shí)，上述設(shè)計(jì)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(cè)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(yùn)動，不具 有自適應(yīng)性。并且，目前沒有關(guān)于轉(zhuǎn)彎后返回原來運(yùn)動方向的設(shè)計(jì)，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(shù)，圍繞智能小車自動避障的相關(guān)技術(shù)，力求得到實(shí)時(shí)、全面的信息采集系統(tǒng)和高效、實(shí)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(jìn)行了智能小車自動避障技術(shù)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(shè)計(jì)、障礙物信息分類、自動避障策略設(shè)計(jì)以及智能小車自動避障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)、 原理、優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合具體設(shè)計(jì)中影響傳感器選擇的性能指標(biāo)，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(shí)時(shí)的采集智能小車運(yùn)行時(shí)周圍障礙物信息，設(shè)計(jì)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(gè)紅外測距傳感器，車體兩側(cè)分別裝載一個(gè)超聲波測距傳 感器。 （2） 自動避障策略設(shè)計(jì)：根據(jù)障礙物與智能小車的位置關(guān)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(gè)車輪做圓周運(yùn)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(shè)計(jì)了智能小車的自動避障策略。 （3） 自動避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)：采用 Arduino 開發(fā)平臺設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了論文設(shè)計(jì)的信息采集 系統(tǒng)和自動避障策略，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(xué)院教學(xué)指導(dǎo)委員會意見 簽字： 年 月 日公章：