自动寻迹（精选5篇）
自动寻迹 篇1
随着智能交通系统研究的深入, 小车的智能控制已成为未来发展趋势。智能车控制系统综合了传感器、自动控制、信号处理及微机控制等多学科知识的交叉融合, 为智能搬运小车, 无人驾驶汽车等技术领域的研究提供技支撑[1,2]。
本文的研究背景针对小车在白色赛道沿着黑色引导线快速行驶。系统通过光电传感器采集路面信息, 测量当前位置与目标位置之间的误差, 通过PID环路控制, 达到小车按照预定位置行驶的功能。
1 智能车系统硬件设计
智能车系统从传感器接收、单片机判断到执行机构执行的整个过程, 如图1所示。系统主要包括:MCU主控模块、光电传感器模块、速度检测模块、舵机控制模块及电机驱动模块。MCU是系统的核心部分, 负责接收光电传感器信号、小车速度等反馈信息, 并对这些信息进行处理, 执行PID控制算法对舵机和驱动电机进行控制;路径识别模块由A/D转换模块、相应电路以及光电传感器组成, 其功能是获取前方路况的信息。
1.1 光电传感器模块
路径检测电路由红外发射管和红外接收管组成。红外发射管用场效应管IRF120驱动, 由MCU控制场效应管的通断。场效应管导通时, 电源加在红外发射管上, 发射管发射红外线;场效应管截至时, 发射管停止发射红外线。
通过红外接收管和电阻串联, 组成分压电路来测量路面信息, 电路如图2所示。光电管的布局采用“一”字等间距式排列, 传感器前面加有弹性的塑性的保护条, 保护光电管, 以及调试过程中, 防止智能车跑出轨道后与其他物体发生碰撞损坏, 重要的是可以减少太阳光照对传感器的影响。
红外传感器的原理是:路径轨迹由黑线指示, 落在黑线区域内的光电二极管接收到的反射光线强度与白色区域的不同。在白色区域内, 光电接收管导通, OUT为低电平。在黑色区域内, 光电接收管截止, OUT为高电平。根据检测到的高低电平可以判断行小车的位置偏差量。为了增加判断时间, 采用脉冲发射红外线的方法, 以提高发射管的电流, 让发射管照射更远的距离。
1.2 车速检测模块
采用霍尔传感器作为速度传感器。在后轮输出齿轮轴上附近固定一个霍尔传感器633, 如图3所示。633有3个引脚, 其中2个电源和地, 第3个是输出信号。只要通过一个上拉电阻接至5V电压, 就可以形成开关脉冲信号, 然后通过对应的算式可以将脉冲信号转化为速度信号。
1.3 舵机控制模块
舵机是一种位置伺服驱动器, 采用PWM控制方式。为提高舵机控制精度, 本系统采用单片机的PWM0、PWM1两路8位PWM通道组成一路16位的PWM。如果只使用单个PWM通道, 精度只有1/255, 舵机的转向角细分精度不能满足转向需要。将两个8位的PWM通道合并为16位, 提供的精度就可以达到1/65536, 大大提高了控制精度。通过测量目标位置与实际位置误差, 并执行PID控制算法得到舵机转向控制量, 实现小车位置的控制。
PID控制中, 积分环节消除稳态误差, 但会使系统稳定性下降, 动态响应变慢。智能车控制器由于对动态特性要求较高, 因此在实际设计系统的时候, 可以适当地减小积分环节的作用, 增大比例、微分环节的作用, 控制流程如图4所示。
舵机控制量公式:
yk=22yk-1+5xk-4xk-1 (1)
其中:xk为第k次偏差, xk-1为第k-1次的偏差, yk为第k次输出, yk-1为第k-1次输出。
1.4 电机驱动模块
电机驱动芯片采用MC33886, 单片MC33886在工作时过载较严重, 为了减小温升过高, 采用2片并联驱动方式, 如图5所示。
2 智能车的软件设计
智能车的控制是根据路径识别和车速检测所获得的当前路径和车速信息, 控制舵机和驱动电机动作, 从而调整智能车的行驶方向和速度, 程序流程如图6所示。
3 结论
本文提出了一自主寻迹的智能车控制系统。以单片机做主控制器, 直流电机作执行元件, 完成了智能车的硬件及软件设计。实验结果表明该智能车能平稳地按照任意给定的路径引导线行驶, 具有控制响应速度快、稳定性好, 并具有较强的抗干扰能力。
参考文献
[1]卓晴, 黄开胜, 邵贝贝.学做智能车-挑战“飞思卡尔杯”[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2007.
[2]杨明, 程磊, 黄卫华, 等.基于光电寻迹的智能车舵机控制[J].光电技术应用, 2007.
[3]高月华.基于红外光电传感器的智能车自动寻迹系统设计[J].半导体光电, 2009.
[4]周斌, 李立国, 黄开胜.智能车光电传感器布局对路径识别的影响研究[J].电子产品世界, 2006, (09) :139-140.
自动寻迹 篇2
智能寻迹小车设计与研究
智能寻迹小车的控制模块采用的是飞思卡尔半导体公司的16位单片机MC9S12DG128.根据黑白两种颜色对光线反射率的.不同,在车体上安装多对红外光电管,经A/D采样确定智能车与轨道黑线的相对位置后,采用数字式PID控制算法控制PWM波形的占空比,实现直流电机的加减速和舵机的转向,从而达到寻迹行驶的目的.
作 者：祝胜光 作者单位：深圳大学机电与控制工程学院,广东深圳,518060刊 名：科技风英文刊名：TECHNOLOGY WIND年，卷(期)：“”(14)分类号：U4关键词：智能寻迹小车 红外光电管 PID
自动寻迹小车的传感器模块设计 篇3
随着科学技术的发展,机器人的应用已经遍及机械、电子、冶金、交通、宇航、国防等领域。利用传感器进行自动导航的机器人已得到初步应用。但传感器CCD价格较高、体积较大、数据处理复杂,因此在按路面画好既定路线行走的自寻迹机器人设计中,红外反射式传感器以其体积小、价格低、数据处理方便显得更有优势。因此该设计采用红外反射式传感器,成功实现了小车的寻黑线行走。
2 传感器的选择和介绍[1]
本文采用型号为ST188的反射式红外光电传感器。其内部电路如图1所示。即由1个红外发射管(发射器)和1个光电二极管(接收器)构成。红外发射管发出的红外光在遇到反光性较强的物体(表面为白色或近白色)后被折回,其被光电二极管接收到,引起光电二极管光生电流的增大。将这个变化转为电压信号,就可以被处理器接收并处理,进而实现对反光性差别较大的2种颜色(如黑白两色)的识别。
3 具体设计与实现
单片机对传感器的检测信号的处理有连续和离散2种方式。在实际中连续控制比离散控制更具优势。在离散控制中检测到的是离散的信号,舵机的控制也只能是针对离散量进行控制,这一般在低速的情况下是适用的;在高速情况下过于离散的控制将造成系统控制缓慢、滞后。所以对小车进行连续控制很有必要。而一般认为传感器分辨黑线白线时只能输出0和1两种信号,即黑线低电压,白线高电压,通过这两种信号来对黑白进行区分。然而通过测量可知,其输出电压的大小与传感器距离黑色路径的垂直距离有关,距黑线越近,则电压越低;距黑线越远,则电压越高。因此,这里把传感器所检测到的信号接入单片机的模数转换端口,具体电路如图2所示。
3.1 电路中元件和参数的选择[2]
(1) R1阻值的选择
由于Q2的Ib约为10 mA就能正常工作,所以可以取R1为510 Ω,则根据电路算得此时Q2的Ib=5 000/510=10 mA。
(2) R2阻值的选择
R2即接收管的负载电阻,其选择是至关重要的,首先因为单片机的每一路A/D转换时间约为7 ms,因为有7路传感器,则7路的转换时间至少为49 ms。R2取的越大则白区的输出越高,这样传感器输出的变化范围就越大,这样看似R2越大越好。但通过实际的测试可知,导通发射管发光后,传感器的输出电压的上升需要一定的时间,加的负载电阻越大,所需的上升时间就越大。但是PWM的有效持续时间又不能太长,应限制在100 ms左右,否则容易损坏传感器。这样就对R2的取值造成了限制。在实践中,当R2取2 kΩ时,其白区电压大约为1.2 V,黑线大约为200 mV,上升时间大约为40 ms,总的加起来不过100 ms,所以可行。但是必须注意在程序中当开通了发射管发光后,必须同样延时40 ms才能开始采样,这样才能得到正确的结果。
(3) R5阻值的选择
由于Q1通过的电流为70 mA以上,而Q1的hfe约为200,所以R5选择1 kΩ这一典型值就以驱动Q1,此时Q1的Ib=5 000/1 000=5 mA。
3.2 传感器的PWM控制信号
这里所设计的红外传感器工作在其极限状态,即采用脉冲大电流发光的方式。由于红外传感器的发光强度与其通过的电流有关,电流越大则发光越强,且发光越强则作用的距离越远。但是查资料得ST188型传感器的极限工作电流为50 mA,如果电流长时间大于此值,则传感器很可能会损坏。所以采取脉冲发光的方式,用PWM来控制传感器发射管的导通和关闭。通过实验,Front-PWM的频率为1 kHz,低电平的占空比为10%(本电路是低电平有效导通的),低电平的持续时间为100 ms。这样传感器的瞬时电流就可以提高到500 mA左右。因为PWM的占空比仅为10%,即使其瞬时电流为500 mA,其平均电流也仅为50 mA,这样就不会对传感器造成损坏,实践证明100 ms是安全的,如果过长则也可能会损坏传感器。
3.3 传感器的排列[3,4]
本次设计采用单排共7个红外传感器等间距排列的方式,传感器间隔为3.7 cm,离地高度为8 cm,传感器与地面成一定的夹角,以此来提高前瞻性。如此设计是因为实际上红外传感器发出的红外光是一些锥形的光线,而不是一条直线(如图3所示)。所以通过抬高传感器,使传感器与地面有一定的距离,则传感器的敏感距离就会加长,成线性变化。即距黑线越近,则电压越低;距黑线越远,则电压越高,而不是在黑线上输出就为0,在白线上就为1。实践中的测试证明传感器间隔为3.7 cm,高度为8 cm时,各传感器间没有出现死区。而且也便于安装,所以这样的布置方式是可行的。另外由于传感器制作工艺的差异,每个传感器的输出都是不一样的,为了简化算法,可以选择一些输出特性相对一致的传感器。
4 传感器的数据处理
首先,要通过测试得知传感器的敏感距离即传感器的敏感点距黑线中心的距离。传感器的输出距黑线越近,则电压越低;距黑线越远,则电压越高。但是当传感器距离黑线到达某一距离后,向远离黑线的方向移动时,其输出电压已经没有变化了,即已经达到饱和,达到白区的最大电压。此时需要对每个传感器进行测试,把它们的这个敏感距离记下来,以供程序算法用。本次设计所采用的传感器的敏感距离大约为3.7 cm,这个敏感距离其实就可以得出在算法中的它们的坐标。
设MAX为传感器在道路白区的最大输出,MIN为黑区的最小输出,各传感器的敏感距离约为3.7 cm,为了便于计算采用37表示,设此时传感器的输出为OUT。于是,把距离作为横坐标,把传感器的输出作为纵坐标模拟成三角形(如图4所示)得出以下比例关系:
即:
其中求得的x为黑线中心与本传感器的距离。
举例说明,设各传感器的敏感点为3.7 cm,MAX=80,MIN=10,若此时传感器F的输出OUT为50,则有x=21,又因为75-21=54,即5.4 cm。实际上所求得的21在坐标上可能有2种情况:即可能出现在位置a或b,就是75-21或75+21。要确定是这两种情况中的哪一个,可以根据F传感器两旁的传感器的输出情况来判断。显然,当E传感器的输出比G传感器的输出小时,黑线中心在a点,反之,黑线的中心在b点。所以,要先找出相对输出最小的传感器即距离黑线中心最近的传感器,其中相对输出值用
5 MCU控制与算法实现
系统控制由微处理器完成,微处理器采用飞思卡尔公司的单片机MC9S12DG128B,当单片机通过A/D口读入传感器的信号后即可判断小车当前的行驶状态,具体流程如图5所示。
6 结 语
本文给出了自动寻迹小车传感器模块设计的全过程,经试验验证,用光电传感器作为机器人的近距离感觉传感器是可行的。
在非强光直射的条件下有良好的可靠性和抗干扰能力,而传感器的探头尺寸仅为几个毫米,特别适合小型化,在寻迹领域,反射式红外光电传感器能较好的实现寻迹要求,且成本低廉。这为进一步研究机器人自动行走技术提供了很大借鉴作用。
参考文献
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[8]清源科技.Protel 2004电路原理及PCB设计[M].北京:机械工业出版社,2005.
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[10]金以慧.过程控制[M].北京:清华大学出版社,1996.
非编程寻迹车 篇4
一、电路原理
本小车使用了四路与非门芯片SN74HC00N芯片, 来完成路径的识别。该芯片是CMOS器件, 工作电压2.0～6.0 V, 可以满足小车3V供电的要求。小车的驱动电路, 主要分为电源电路、光电传感器检测电路、路径判别电路、电机驱动电路和指示灯电路。下面主要介绍一下光电传感器检测电路和路径判别电路, 如图1所示。印制板图如图2, 图3所示。
为了更方便的讲解这个电路, 我们给电路图中的节点信号起几个名字:SD:光敏三极管PHTR1集电极C输出给与非门4、5的信号;RD:光敏三极管PHTR2集电极C输出给与非门1、2的信号;Q:与非门11脚输出的信号;Q:与非门8脚输出的信号。
1.光电传感器检测电路
光电传感器检测电路由一个发光二极管和一个光敏三极管组成, 如图4所示。光敏三极管的特性是, 如果基极B没有接收到光线, 三极管的C和E之间就截止, 那么SD、RD信号就为1;如果基极B接收到光线, 三极管的C和E之间就导通, 那么SD、RD信号为0。所以光敏三极管在这里就起到了一个光控开关的作用。
发光二极管发出的光线通过地面的反射后, 送给光敏三极管。我们知道不同颜色的物体对光线的吸收度不同, 简单的讲, 颜色浅的物体反射光线能力强, 颜色深的物体吸收光线能力强, 如果反射物体是纯白色, 我们就认为光线几乎没有损失, 全部反射出去;如果反射物体是纯黑色, 我们就认为光线被全部吸收, 没有反射出来。这样一来, 如果地面是白色的, 那么光敏三极管就收到发光二极管反射过来的光线后导通, 则SD、RD信号就为0;如果地面是黑色的, 那么光敏三极管就接收不到发光二极管反射过来的光线, 则SD、RD信号就为1。所以非编程寻迹车运动跑道, 我们选择是白底黑线, 以增强跑道和非跑道的颜色差异。
2.路径判别电路
路径判别电路, 主要功能是, 对两路光电传感器送来的信号进行状态判别, 从而更好的控制小车沿着黑线行走。
从电路图1中画框的部分, 我们可以知道, 这是一个由四个与非门组成的RS基本触发器。SD和RD分别为RS基本触发器的置位端和复位端。那么RS基本触发器输出信号Q和Q, 则和SD、RD信号有关 (具体对应关系, 请读者朋友自行查阅RS基本触发器资料) 。根据RS基本触发器的特性, 我们通过表1来简单介绍一下小车路径的判别原理。
这样通过光电传感器的自动修正功能, 小车就可以沿着黑线前进了。这里需要特别说明的一点是, 和左路电机有关的光电传感器LED2和PHTR1, 安装在小车的右边;和右路电机有关的光电传感器LED3和PHTR2, 安装在小车的左边。
二、元件清单
元件清单见图表2所示。
三、安装过程
电子元器件安装:
焊接线路板 (PCB板) 上对每个元件的摆放位置进行了标注。焊接时遵循从低到高的顺序进行元器件焊接。通常先是电阻然后电容, 然后集成电路等。焊接完元器件后把管脚剪掉, 这样就可以在线路板留出更多的空间焊接其他元器件。也不容易造成短路。焊接前我们建议先对元器件进行检测, 确保电阻、电容等没有问题, 这样焊接完毕一旦有故障, 就可以排除元器件的问题。电解电容、发光二极管、光电传感器和集成电路IC是有极性和方向的, 在焊接时要注意放置方向。如无其他原因, 不要直接将IC焊接在PCB板上。尽量通过IC座, 以免焊接IC出现问题, 不能更改。新IC可能因管脚外扩, 不能很好的放入IC座。这时可以在平坦的硬物上 (如桌子) 整排折弯, 以得到合适的宽度。焊接的时候PCB板必须是不带电的。
1.线路板的焊接
请根据图示焊接线路板上各电子元件
2.焊接完成的状态
3.黑色遮光塑料件和二极管的安装
4.管状螺母的固定
5.马达和短轴的安装
6.长轴的安装
7.齿轮和橡胶前轮安装
8.电池盒安装
9.万向轮安装
10.分别接电源“-”“+”极
(红线为“+”, 黑线为“-”)
11.将马达用导线焊接起来
马达上有红点的一端接“+”极
四、调试与故障排除
智能寻迹小车 篇5
本车除一般非编程寻迹车具有的寻迹功能外, 还增加了遇障停车、报警, 转弯时转向灯提示功能。同时在电路原理上作了较大改变, 是车寻迹灵敏度更高, 实现较小的转弯半径。
设计方案
根据不同的颜色 (黑、白) 对光的反射强度不同, 光敏电阻受不同强度光感应阻值不同的特性。分别将两电位器与两固定电阻分压后的电压作为电压比较器的基准电压, 两光敏电阻与两固定电阻分压后电压作为电压比较器的比较电压, 电压比较器的输出电流经三极管放大后分别控制两个电动机的转速, 以达到转向的目的, 从而实现智能车按既定轨道行走。通过红外传感器检测障碍实现避障报警功能 (见图1) 。电路原理图见图2。
控制原理
(1) 如图2中电位器R12、R13、R17与R5、R6、R15组成分压电路为电压比较器提供基准电压, 光敏电阻R1、R2、红外接收器VD5与电R3、R4、R18组成比较电压, 发光二极管LED1、LED2与三极管T1、T2及电阻R9、R10组成转向灯, 发光二极管LED3、LED4与R7、R8组成光敏电阻的补光灯, 红外发射二极管VD6及电阻R16组成红外发射源, R14、三极管VT5及蜂鸣器组成报警装置, 三极管VT3、VT4与电动机及电容组成动力部分。
(2) 当前方无障碍时, 红外接收器不能接收到红外线呈高阻态, 电压比较器IC3输出低电平, 三极管VT5不导通, 光敏电阻输入电压较高, 电压比较器IC1、IC2正常工作, 蜂鸣器不响。当前方有障碍时, 红外接收器接收到红外线呈低阻态, 电压比较器IC3输出高电平, 三极管VT5导通, 光敏电阻输入电压被拉低, 电压比较器IC1、IC2通向输入端收入电压较低, 三极管VT3、VT4不导通, 故小车不前进同时蜂鸣器报警。
(3) 正常行走时两光敏电阻R1、R2都在强光区, 阻值较小, 电压比较器IC1、IC2输出高电平, 两个电动机都转动, 小车直线前进, 两个转向灯都不发光。当小车偏向轨道右侧时, 左边的光敏电阻R1转向弱光区, 其阻值变大, 相应电压比较器IC1输出低电平, 左边电动机M1停止转动, 小车向左转弯, 同时左边转向灯LED1发光。当小车偏向轨道左侧时, 右边的光敏电阻R2转向弱光区, 其阻值变大, 相应电压比较器IC2输出低电平, 右边电动机M2停止转动, 小车向右转弯, 同时右边转向灯LED2发光。
(4) 其中R17用来调节红外线感应距离, R12用来调节比较电压大小, 以实现感光灵敏度的调节, R13用来调节左右比较电压的比值, 使左右灵敏度一致, R11用来调节通过两电动机的电流比值, 使两电动机的转速一致。LED3、LED4用来补偿光敏电阻所需光源, 防止外界光照不均匀造成左右电动机转速不一致, 这样即使在黑暗中小车也能正常行走。电容C1、C2用来稳定电压, 防止电动机启动和停止时过大的电流对其他元器件的干扰。
制作过程
电子元器件见表1。此电路工作电压范围可在6~9V之间任选, 除电动机外其他元件工作电压可达30V。若选用其他参数电动机, 可根据电动机额定电压选择适当工作电压 (工作电压不高于电动机额定电压3V) 。电源可采用干电池供电。结构部分可以买现成套件, 当然最好是自己制作, 因为我们爱好DIY。如图3。
1.电路板焊接
由于电路板还是车架的一部分, 所以电路板的焊接要做好电子元件的布置:两个光敏电阻R1、R2和两个补光灯LED3、LED4安装在小车前面的两侧, 并向下离地面5mm左右。两个转向灯LED1、LED2安装在小车前面的两侧指向前方。红外收发器VD5、VD6最好用成对反射型的, 装在前侧面水平指向前方。电池最好装在车体偏前侧以增大小车驱动轮的摩擦力。其他元件要偏后一点以便安装电池盒和驱动轮。注意后侧中间还要装万向轮。
2.结构部分制作
用通用电路板充当车架, 为了转向更灵活最好使用前轮驱动, 后轮只在中间装一个万向轮。电动机可以买带有减速器的, 也可以用废旧玩具车的减速器自己组装。为有效利用空间电池盒可分两部分固定在电路板上下两面, 然后用导线串联起来。其他结构件制作安装可充分发挥自己的想法, 做出自己的风格。最后可以给小车制作一个漂亮的外壳。
如图4, 将玩具车减速器的输入轴拔掉, 将电动机的输出轴插入原减速器输入轴位置, 然后将电动机与减速器外壳固定好 (可用强力胶粘接) 。选择并截取适当长度的笔芯, 将其一端与玩具车减速器的输出轴配合安装, 另一端与车轮配合安装。然后将两组组装好的驱动轮对称地粘接在车架上。小车底部结构布置见图5。
万向轮装在小车尾部的中间, 小车外壳采用仿真木制模型的废料做成, 将废掉的木片裁成适当长度材料, 然后用白乳胶粘接而成。制作前最好先大概画个图, 然后一边粘接一边修剪木料, 以便得到适合的长度。小车外壳完工图见图6。成品见图7。
调试
1.将小车放在空白的纸上, 打开电源并调节电位器17使蜂鸣器不鸣。
2.调节电位器12使小车正常前进, 转向灯不亮。
3.调节电位器11使小车能沿直线行走。
4.将小车放在印有黑线的纸上, 反复调节电位器12使小车在空白处正常前进且转向灯不亮, 遇到黑线停止且转向灯亮。
5.将小车放在空白的纸上的障碍物前, 反复调节电位器17使小车在没遇到障碍时正常行走且蜂鸣器不鸣叫, 遇到障碍时停止且蜂鸣器鸣叫。