智能傳感尋跡小車的研究與設(shè)計(jì)

1、智能傳感尋跡小車的研究與設(shè)計(jì)本篇文章來源于 rfid 射頻快報(bào) 【摘要】本文對(duì)目標(biāo)識(shí)別與跟蹤技術(shù)進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上結(jié)合智能小車目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)的開發(fā)，詳細(xì)討論了特定目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)方法，紅外傳感器在目標(biāo)識(shí)別中的應(yīng)用以及小車智能控制的軟、硬件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)通過配置在智能小車上的紅外傳感器，采用紅外傳感技術(shù)對(duì)特定目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別，在目標(biāo)運(yùn)動(dòng)過程中，通過單片機(jī)接收計(jì)算機(jī)發(fā)出的命令控制智能小車跟蹤目標(biāo)，在沒有人為干預(yù)的情況下，能夠自主運(yùn)行，穩(wěn)定地跟蹤目標(biāo)，該設(shè)計(jì)為機(jī)器智能系統(tǒng)提供了一個(gè)研究平臺(tái)。關(guān)鍵詞: 目標(biāo)識(shí)別與跟蹤智能控制 紅外傳感器 飛思卡爾本設(shè)計(jì)采用飛思卡爾的 mc9s12db128b 作為智

2、能小車核心控制器1，路面黑線檢測(cè)采用反射式紅外傳感器，車速檢測(cè)是通過改造結(jié)構(gòu)，并使用反射式光電傳感器實(shí)現(xiàn)的。電源供電是由電池提供的，我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)將后輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和前輪轉(zhuǎn)向舵機(jī)驅(qū)動(dòng)分開供電，采用了強(qiáng)電流、弱電流分開，數(shù)字、模擬獨(dú)立供電。同時(shí)合理利用了單片機(jī)的 pwm 控制口對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，在此可靠硬件設(shè)計(jì)的同時(shí)，使用了一套獨(dú)特的軟件算法實(shí)現(xiàn)了小車根據(jù)檢測(cè)黑線的結(jié)果使系統(tǒng)達(dá)到在高速運(yùn)動(dòng)中的精確控制，取得了很好的效果。圖 1 智能小車實(shí)物與結(jié)構(gòu)框圖根據(jù)設(shè)計(jì)要求我們對(duì)小車的硬件部分分別介紹：1、路面黑線檢測(cè)模塊2關(guān)于檢測(cè)模塊大致可實(shí)現(xiàn)的方案有以下幾種：方案 1：采用發(fā)光二極管+光敏電阻，該方案

3、缺點(diǎn)：易受到外界光源的干擾，有時(shí)甚至檢測(cè)不到黑線，主要是因?yàn)榭梢姽獾姆瓷湫Ч乇淼钠教钩潭?、地表材料的反射情況均對(duì)檢測(cè)效果產(chǎn)生直接影響?？朔巳秉c(diǎn)的方法：采用超高亮度的發(fā)光二極管能降低一定的干擾，但這又會(huì)增加檢測(cè)系統(tǒng)的功耗。方案 2：脈沖調(diào)制的反射式紅外發(fā)射接收器。由于采用帶有交流分量的調(diào)制信號(hào)，則可大幅度減少外界的干擾；此外紅外發(fā)射接收管的工作電流取決于平均電流，如果采用占空比小的調(diào)制信號(hào)，在平均電流不變的情況下，瞬時(shí)電流很大（50100ma）（st-188 允許的最大輸入電流為 50ma），則大大提高了信噪比。此種測(cè)試方案反應(yīng)速度大約在 5us。方案 3：采用多路陣列式光敏電阻組成的光電

4、探測(cè)器。方案 4：采用 ccd 傳感器，此種方法雖然能對(duì)路面信息進(jìn)行準(zhǔn)確完備的反應(yīng)，但它存在信息處理滿，實(shí)時(shí)性差等缺點(diǎn)，而且此次比賽不允許用其它處理器，因此若采用 ccd 傳感器，無疑會(huì)加重單片機(jī)的處理負(fù)擔(dān)，不利于實(shí)現(xiàn)更好的控制策略（控制策略才是此次比賽的核心）。根據(jù)以上分析我們采用方案 2，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)的反射式紅外發(fā)射接收器眾多，我們選擇了市場比較多見的 st-168，st-178，st-188，st-198，利用下面的電路對(duì)這四款對(duì)管進(jìn)行測(cè)量比較，最終選擇 st-178 作為我們檢測(cè)黑線的傳感器。圖 2檢測(cè)黑線電路圖 3電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路2、整車動(dòng)力系統(tǒng)小車的動(dòng)力系統(tǒng)由車上自帶的 rs-380sh

5、 電機(jī)提供，并規(guī)定不能改動(dòng)，因此我們可以設(shè)計(jì)的就是電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路。考慮到小車空載跑直線時(shí)的速度較快，若在小車進(jìn)入彎道時(shí)不采取減速措施，小車極易跑飛，我們經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)通過改變 pwm 的占空比能使電機(jī)減速，但此種方法沒有我們?cè)O(shè)計(jì)小車剎車裝置好。此剎車裝置是由一個(gè)受單片機(jī)控制的單刀雙擲繼電器與電機(jī)串聯(lián)構(gòu)成的，當(dāng)小車處于正常工作時(shí)，電池兩端的電壓全部正方向加載與電機(jī)兩端，當(dāng)小車需要減速過彎時(shí)，繼電器動(dòng)作，將電池兩端電壓反向加載于電機(jī)兩端，產(chǎn)生瞬時(shí)反轉(zhuǎn)。3、傳感器的安裝方式及機(jī)械改造在小車尋跡行走中，為了能精確判斷出地面黑線位置并確定小車行走方向，因此需要對(duì)傳感器的排布及安裝位置進(jìn)行設(shè)計(jì)，以達(dá)到提高尋

6、跡可靠性的目的。我們對(duì)以下幾種傳感器排布進(jìn)行了研究：圖 4傳感器排布方式分析上圖的 4 種傳感器排布，依據(jù)設(shè)計(jì)者的算法不同，可以采用其中的任意一種，它們之間沒有絕對(duì)的優(yōu)略，設(shè)計(jì)者還可以根據(jù)自己的要求單獨(dú)設(shè)計(jì)，根據(jù)我們下面將采用的算法，采取布局 4。由于比賽的限定，機(jī)械設(shè)計(jì)上空間有限。我們依據(jù)說明書將小車安裝好后，對(duì)以下兩個(gè)部分改動(dòng)，一是舵機(jī)的連桿處，在未作修改前，測(cè)試發(fā)現(xiàn)舵機(jī)的響應(yīng)時(shí)間為 5ms，其動(dòng)作時(shí)間偏大。此處調(diào)整目的是為了讓舵機(jī)的響應(yīng)時(shí)間更短，并且直接操作舵機(jī)動(dòng)作一個(gè)小角度后，前輪能有更大的轉(zhuǎn)向角。為了提高舵機(jī)的動(dòng)作時(shí)間，還可以將傳感器板向前探伸，此種為被動(dòng)調(diào)整，這樣做只能讓小車較早知

7、道前方道路時(shí)間以抵消舵機(jī)的動(dòng)作時(shí)間。二是在后輪處貼上特意制作的帶有白黑相間的標(biāo)簽，將反射式紅外傳感器對(duì)準(zhǔn)此標(biāo)簽，通過檢測(cè)黑線來達(dá)到測(cè)速的目的。此種方法比安裝測(cè)速電機(jī)簡單，而且測(cè)速電機(jī)的齒輪是與后輪的動(dòng)力齒輪咬合，會(huì)給小車帶來一定的阻力，這是與設(shè)計(jì)相背離的。4、電源管理模塊智能車系統(tǒng)根據(jù)各部件正常工作的需要，對(duì)配發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)車模用 7.2v 2000mah ni-cd 蓄電池進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。其中，單片機(jī)系統(tǒng)、路面黑線檢測(cè)的光電傳感器、車速傳感器電路需要 5v電壓，舵機(jī)機(jī)工作電壓范圍采用 6v，后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以使用 7.2v 2000mah ni-cd 蓄電池直接供電。考慮到由驅(qū)動(dòng)電機(jī)引起的電壓瞬間下降

8、的現(xiàn)象，因此采用低壓差穩(wěn)壓芯片 max603。5、軟件控制方式單片機(jī)系統(tǒng)根據(jù)接收路徑識(shí)別電路的信號(hào)、車速傳感器的信號(hào)，采用特定尋線算法3進(jìn)行判斷，進(jìn)而控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向和后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作。下面是尋線的算法說明：表 1 傳感器編碼表傳感器的排布：0 1 2 3 4 5 6 70 1 2 3 4 5 6 7b765432101-6111-531-4211-3611-2121-181102411161124811396146411519616128流程圖中變量名的含義:sensora：存放 a 排傳感器的取反后的值sensorb：存放 b 排傳感器的取反后的值angel_1：判定|sensora|的值a

9、ngel_2：判定| sensora_sensorb|的值angel_3：計(jì)算2 中的參數(shù)之一angel_4：計(jì)算中的參數(shù)之一theta_1：theta_1 = theta_2：theta_2 =2delltat：deltat = =deltat_1：deltat_1=outangle： outangle=maxangle：maxangle=45長延時(shí)=50ms，短延時(shí)=34ms傳感器對(duì)應(yīng)的編碼表見表 1。圖 5軟件流程圖6、結(jié)論從本次設(shè)計(jì)大賽的汽車智能控制中體會(huì)到，要對(duì)高速行駛中的汽車實(shí)施控制并不是一個(gè)簡單的自動(dòng)控制問題，它涉及到了機(jī)械學(xué)、力學(xué)、光學(xué)、電子學(xué)等方面的知識(shí)，并與單片機(jī)相互配合，利用單片機(jī)的強(qiáng)大功能實(shí)現(xiàn)了路面黑線檢測(cè)、帶速度反饋的閉環(huán)速度控制系統(tǒng)、智能轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等功能。從最終測(cè)試結(jié)果來看，本系統(tǒng)具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，很好的完成了題目的要求。參考