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電動玩具

循跡智能小車方案開發


智能車近年來獲得了較大的發展,除了專門的飛思卡爾智能車大賽之外,在全國大學生電子設計大賽中也經常以智能車做為考題,智能車巡線技術的發展使智能車具備了更強的“智能性”。

一、智能車的整體結構

智能車可以分成三個部分——傳感器部分、控制器部分、執行器部分。即信號捕獲、控制、驅動。

傳感器將外界光、電、聲音、電磁波以及其他信號轉變為電信號后發送給上級,在智能車上的傳感器有電壓輸出、脈沖輸出、數字總線輸出等幾種形式。

傳統的控制器包含程序計數器、指令寄存器、指令譯碼器、時序發生器以及操作控制器等,用來實現整個微機系統的操作。在智能車系統中,控制器負責將各類傳感器采集到的信息進行分析處理,并將指令傳遞給執行器。執行器部分負責執行控制器傳達的各項指令,進而調整各個模塊的工作狀態,使之協同完成智能車的各項操作。

二、什么是智能車巡線技術

簡單來說,智能車巡線技術就是通過智能車得到一個合適的圖像,并從中分析出部分可以用來控制車體的信息。

在智能車巡線過程中,使智能車在引導信息下去逼近預定的行駛軌道是智能車巡線技術的一個基本目標,其行駛路線與實際預定軌道之間的誤差率可以用來判別一種巡線技術的優劣程度。在同一種巡線技術下,采用不同的傳感器也會對智能車的巡線準確度產生影響。

深圳循跡智能小車方案設計

三、黑線循跡法

目前被廣泛采用的循跡方式有多種,包括黑線循跡、紅外對管循跡法、攝像頭循跡法、激光管循跡法、激光管循跡法、電磁循跡法等。相比較于其他幾種循跡方法,黑線循跡的電路設計相對而言簡單,檢測信息速度快且成本低。黑線循跡示意圖如圖1所示。

黑線循跡中主要采用紅外探測法,依靠光電傳感器來實現對道路的識別。由光電傳感器的發射管發射出一定波長的紅外線,當紅外線照射在不同的物體表面時具有不同的反射強度。利用黑色對可見光的強吸收率,當智能車行駛到預定黑線軌道,低反射率的黑線與其他高反射率地帶形成強烈的對比。在對智能車巡線技術的內部編碼中,就是利用這一特點進行路徑識別。光電傳感器原理如圖2所示。

智能車行駛過程中,想要從賽道中提取我們想要的黑線信息,首先需要做的是提取出完整的賽道輪廓。賽道不可避免的會有各種彎道,交叉等。在機器看來這些賽道信息就是一堆一堆的點。為了幫助智能車較好的運行,需要有良好的路徑識別方法。路徑識別主要是對普通彎道、小S形彎道、大S行彎道、十字交叉道的識別。

普通彎道對于智能車來說是最容易識別的,可以根據偏移量、曲率等來識別。根據曲率來識別是目前采用較多的一種方法。曲率最大的意義在于可以同時包含速度和轉向兩種信息。求取曲率在高等數學中有明確的方法,除此之外我們可以利用圓的特性來逼近曲率。

根據所求出來的曲率,就可以判斷出彎道情況。當然,在判斷曲率之前,首先要為智能車的路徑識別程序設定一個閾值,當所求出來的曲率大于設定的閾值時即可判斷為屬于彎道的情況。根據所需要的精確度,可以選取適當的閾值。智能車會根據當前的道路情況做加減速控制。

四、巡線中的速度控制策略

相對于智能車這類微機系統電子設備,慣性在加減速過程中造成的影響并不是很大,但為了能夠使得智能車更加高效的到達既定目的地而不偏離原來的行駛軌道,有必要對智能車行駛過程中的速度進行控制。

在直道行駛過程中,車身抖動對光電傳感器造成的影響較小,因此在直道行駛時可以適當采用較大的速度控制方案。在快要接近彎道的情況下提前將速度設定為可以控制的最大入彎速度,駛離彎道后必須進行加速控制。

在彎道行駛過程中的速度控制是智能車行駛過程中的重點。在入彎的過程中,路況的急劇變化使得光電傳感器的識別壓力增大,出于穩定性考慮,應當適當做減速處理,避免偏離軌道。與此同時,應將速度設置為彎道曲率的線性函數關系,在曲率急劇增大時,速度應將減小到適當的臨界值。若速度沒有降到入彎臨界值,除了在入彎的過程中可能導致偏離軌道的情況,在出彎進入直道時車身也會因調控不及時而出現S形運動軌跡。

在實現智能車速度控制的過程中,除了通過軟件設計實現上述速度控制流程外在硬件方面還要設計合理的電機電流采樣方案,包括使用常用的霍爾電流傳感器和采樣電阻等。

五、紅外循跡智能小車設計方案

無人駕駛技術是汽車工業智能化發展的趨勢,它是集傳感檢測、物聯網技術、通信技術、智能導航及自動控制等功能于一體的復雜綜合系統,可以實現在復雜的路況下,車輛根據預先設置的程序自動駕駛,同時有效的避開障礙物。本文通過研究紅外尋跡技術來了解智能小車在不同的路面情況做出的不同反應,進而將紅外尋跡技術推廣應用,擬解決生產實踐中遇到的一些問題。

系統由單片機模塊、尋跡檢測模塊、液晶顯示模塊、電機驅動模塊等組成。其中尋跡檢測模塊使用紅外線發射管與光敏接收管TCRT5000;單片機選擇AT89S52芯片,通過單片機最終完成電機控制,實現紅外尋跡功能。

5.1紅外尋跡電路設計

(1)電機驅動模塊方案設計:智能小車使用的是前輪驅動,通過AT89S52控制兩個電機的轉向實現控制小車運動的目的。四個紅外傳感器裝在車體的底盤前端,小車根據傳感器檢測到的情況來執行相應的動作。由于單片機輸出的信號功率很弱,不能直接驅動電機,因此需要電機驅動芯片來提高功率。本系統采用了L298N驅動芯片,最大輸出電壓可高達50V,同時該芯片集成了兩個完整的H橋電路,恰好能控制兩個電機。

(2)尋跡檢測電路設計:智能小車行駛的路面模擬為白色,按黑線進行尋跡,根據黑、白兩種顏色對光照的反射系數不同的原理,利用紅外線發射管不斷的向地面發射紅外線,光敏接收管接收到的反射光的強弱就可以進行尋跡判斷。當接收管接收到弱信號或無信號,則可判斷遇到黑線。本設計選用了TCRT5000型的紅外傳感器,通過LM339作比較器來采集高低電平,從而實現信號的檢測。

5.2紅外檢測的技術實現

(1)路面檢測模塊的技術實現:紅外接收電路應用紅外接收頭1838T,它將接收來的信號進行處理后送到單片機中進行解碼。紅外傳感器TCRT5000輸出端與電壓比較器LM339的輸人端相連,LM339的另一個輸入端接一個基準電壓。當紅外接收端檢測不到信號,或者信號很弱,光敏三極管就處于關閉狀態,檢測電路輸出高電平;當紅外光被反射回來時,光敏三極管處于導通狀態,檢測電路輸出低電平。單片機根據接收回來高低電平的不同來控制電機的轉動,從而實現小車的尋跡功能。路面測試模塊一共用了四個紅外光電傳感器,實現組合式的方向控制檢測。

通過設置循環程序不斷檢測小車當前尋線的位置,并根據狀態表反饋量由單片機控制電機,實現小車的左轉彎、右轉彎、直線運動。

(2)PWM的電機控制實現:PWM(Pulse Width Modulation)是對電機調速的常用方式,脈沖周期不變,只改變晶閘管的導通時間,就可以改變脈沖寬度對電機進行直流調速。即保持加在電機上的脈沖電壓頻率不變,調節其脈沖寬度,從而實現電機調速功能。本設計中使用軟件的方法利用單片機產生PWM信號,該信號分別接人電機驅動芯片L298N的ENA、ENB兩個使能端,通過控制使能端的通斷時間來控制電機的行駛速度,從而實現控制小車運動。PWM信號軟件實現通過改變f0r語句中變量的值來控制高低電平持續的時間。

5.3智能巡線小車測試

系統測試可以根據模塊設計法,對電路各個模塊逐級進行功能測試。使用Keil進行程序編寫并編譯,然后將程序導人到Proteus進行仿真,仿真通過后在實際電路中進行調試。電機驅動模塊調試可以通過程序產生的PWM信號調試電機轉速。路面檢測模塊調試4路有效信號,當紅外傳感器都放置在白色路面時,單片機接收到的信號電平為0.27V左右,當右邊的一個或者兩個紅外對管進入黑線范圍時,對應的I/0口電平變高,電壓為4.32V左右。

總結

在完整的智能車設計中,除了巡線控制外還應有其他各種控制方法輔助智能車完成行駛目標,完善的速度優化算法以及精準的傳感器設備可以幫助智能車更加平穩高效的完成所需要的工作。智能車的研究是對不斷發展的電子技術在應用與實踐上的檢驗與延伸。智能車不再僅僅局限于使用藍牙、紅外線等短距離信息控制方式,也不再僅僅局限于少數的幾個單一功能。在IOT迅速發展的當下,智能車的應用領域不斷擴展,未來可見的成果也會越來越多。

文章所研究的紅外尋跡技術應用在小車模型上,能夠自動沿設定的軌跡行駛;實現了尋跡功能、紅外遙控功能。研究過程中還存在以下問題需要改進和完善:小車靠前輪兩個電動機的轉向來實現轉彎,轉彎時尋跡檢測信號控制著電動機的具體轉向,由于在實際檢測中會存在很多不同的檢測信號,小車在轉彎處會出現要檢測較長時間才能通過弧線的情況;針對這一問題,可以通過改變程序的相應參數來得以改善。

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