基于视觉的危险环境探测小车研究与设计田凯摘要版

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1、基于视觉的危险环境探测小车研究与设计1绪论机器人作为人类20世纪最伟大的发明之一，在短短的40年内发生了日新月异的变化。无线遥控小车作为机器人的一种，也得到了长足的发展。在工业应用方面，智能小车可以代替人进入危险环境进行探测和工作，如进入矿井下测量有毒瓦斯浓度，进入辐射区域搜索辐射源，人只需在控制中心进行监控。利用导航技术、路径规划技术、多传感器信息融合技术，智能小车将更加智能化，应用更广。本文介绍了基于视觉的危险环境探测小车总体方案，并进行了核心器件的选择。对各功能模块进行了硬件和软件设计与实现，如电源模块、电机驱动模块、温湿度检测模块、空气质量检测模块

2、、测速模块、路障检测模块、射频调制模块、无线通信模块等，并对各模块进行方案论证，合理的选择各模块器件以及实现电路。此外本设计做了硬件的安装并进行了整体的调试，给出了调试中出现问题的解决方法，完成了系统设计所要求的功能。2基于视觉的危险环境探测小车的总体方案设计2.1系统整体设计基于视觉的危险环境探测小车主要由主控制器、被控小车和图像显示终端组成。主控制器主要一方面向被控小车发送控制指令，另一方面接收被控小车传送回来的信息并显示。被控小车用于对危险环境的探测，车上的摄像头由两个舵机驱动，用于改变监控角度。另外，小车上还有危险环境检测传感器和温湿度传感器，用于

3、对环境信息进行实时检测，小车四周的障碍物传感器用于向主机返回小车周边的路况信息。显示终端主要用于接收被控小车发出的视频信息并显示。其控制系统结构如图2-1。2.1.1系统硬件设计本设计采用自顶向下的设计方法，将本系统的功能进行了合理的划分，使其每一部分分别完成较小的任务，形成应用系统常用的结构形式—积木式结构框架，有利于功能的扩大和更换，能够增加了系统的灵活性。本设计主控制器采用ATmega16作为主控芯片，被控小车采用功能强大的MC9S12XS128单片机作为主控芯片。系统主机硬件框图如图2-2所示，被控小车硬件框图如图2-3所示。图2-1基于视觉的危险

4、环境探测小车系统结构图图2-2基于视觉的危险环境探测小车主机硬件框图图2-3被控小车硬件框图2.1.2系统软件设计系统主机软件流程框图如图2-4所示，从机软件流程图如图2-5所示。图2-4主控制器软件流程图图2-5被控小车软件流程图本系统中，主控制器主要用于向被控小车发送控制命令，并接收小车传回来的危险环境温湿度、空气质量、小车电池电量、小车速度、小车周围障碍物等数据。主控制器接收到数据处理后并在液晶屏上显示出来。系统的主控制器采用ATmega16作为主控芯片。3系统硬件功能模块的设计与实现3.1基础功能模块3.1.1电源功能模块设计与实现本设计采用LM2

5、596S开关电压调节器构成系统的开关稳压电源，LM2596S是降压型电源管理单片集成电路，能够输出3A的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。固定输出版本有3.3V、5V、12V，可调版本可以输出小于37V的各种电压。本设计采用的是12V电压输入，5V电压固定输出模式。具体电路如图3-1。图3-1电源电路图3.1.2人机接口功能模块设计与实现1.输入功能模块在本系统中，输入功能模块用于用户控制被控小车的运动状态。其电路原理图如图3-2所示。图3-2输入功能模块电路图2.输出功能模块本系统中，选用金鹏电子的LCD128*64汉字液晶作为输出显示界面。它

6、能显示字母、数字、符号、中文字型及图形，足以满足本设计需要。另外，用一个LED指示灯来指示老年人拨打电话的状态。LCD128*64液晶屏的电路原理图如图3-3所示。主机发送成功指示灯电路如图3-4所示，当主机数据发送成功后，指示灯亮，用来指示数据发送成功。图3-3LCD128*64接口电路图图3-4通话指示灯电路图3.1.3蜂鸣器报警模块设计与实现蜂鸣器报警模块主要用于在主控制器发出控制指令后，若被控制器返回控制成功指令，则蜂鸣器鸣叫两声。同时，若被控制器检测到危险气体浓度超标或者小车周围有障碍物，蜂鸣器会鸣叫五声。本模块选用大功率蜂鸣器，用于增强报警效果

7、，主要用于系统各部分的报警，原理图如图3-5所示。图3-5蜂鸣器报警电路图3.2检测功能模块3.2.1温湿度检测功能模块设计与实现由于系统既要对湿度进行测量，又要对温度进行测量，为了降低硬件和软件复杂度，节约成本，本设计采用DHT11温湿度传感器。硬件电路如图3-6所示。图3-6温湿度传感器电路原理图3.2.2空气质量检测功能模块设计与实现本文采用MQ-2作为危险气体检测功能模块的主元件。该元件具有以下特点。1)在较宽的浓度范围内对可燃气体有良好的灵敏度；2)对液化气、丙烷、氢气的灵敏度较高；3)长寿命、低成本；4)简单的驱动电路即可。其结构图如图3-7所

8、示。图3-7MQ-2结构图2.信号调理电路危险气体检电路工作原理如