一種基于光電傳感器組的智能車尋跡算法.doc

精品論文大集合一種基于光電傳感器組的智能車尋跡算法魯盼，王換換，歐意文 長安大學電子與控制工程學院，陜西西安（710064） e-mail: 272955740摘要: 針對基于光電傳感器尋跡的自動導引智能車, 設(shè)計了一種傳感器陣列的布置方式。根據(jù)此布置方式布置的光電傳感器組, 提出了三個處理規(guī)則結(jié)合而成的軌跡識別算法。該算 法能準確引導智能車尋跡，即使在導引線復雜的情況下,也能使智能車檢測出引導線, 并控制智能車沿引導線運動。當遇到干擾走錯時, 智能車能夠退回到上一正確狀態(tài)，自動重新檢測、運行，具有自動糾錯功能。系統(tǒng)硬件電路簡單，算法先進，可廣泛用于模型車競賽、教學和 實際運用。關(guān)鍵詞:智能車；尋跡算法；規(guī)則1. 引言近年來, 汽車智能化越來越受到人們重視, 汽車的智能水平不斷提高。在自主式智能導 航系統(tǒng)中, 智能車要實現(xiàn)自動導引功能就必須要感知導引線, 即常說的“尋跡”, 這相當于給 汽車一個視覺功能。本文設(shè)計的智能車是一個自動導引小車(agv), 包括兩大部分: 一是行進方向的檢測處 理; 二是步進電機的驅(qū)動。在該系統(tǒng)里, 采用與地面顏色有較大差別的線條作引導,使用傳感器感知導引線, 用單 片機 mc9s12dg128 掃描光電傳感器組, 對采集到的信號進行分析處理并做出邏輯判斷后, 得到行進方向, 然后根據(jù)一定的步數(shù)去驅(qū)動步進電機, 實現(xiàn)機器人的循跡行進。小車的驅(qū)動 采用步進電機, 因為步進電機具有快速起停能力, 且轉(zhuǎn)換精度高, 正反轉(zhuǎn)控制靈活。2. 硬件電路采用 mc9s12dg128 單片機作為控制核心對光電傳感器送來的各種信號進行分析處理14, 以控制機器人的方向和驅(qū)動及數(shù)據(jù)顯示等, 如圖 1 所示。圖1 硬件框圖為了檢測黑色導引線, 采用了 8 個光電傳感器組成的矩陣組。如圖 2 所示, 相對于小車 底盤的中心, 我們布置了內(nèi)外兩層各 4 個傳感器。每層 4 個傳感器對應著中心的 4 個方向: 前、后、左前、右前。可采用掃描方式分兩次得到各行數(shù)據(jù)。- 5 -圖2 光電傳感器矩陣組導引線檢測的具體電路如圖 3 所示。此處采用的是 tcrt5000 反射式紅外光電傳感器。 以第 1 行第 1 列的光電傳感器為例, 其工作原理是這樣的: p1 .0 輸出低電平時, 三極管 a1015 導通, 光電傳感器工作, tcrt5000 的發(fā)射端發(fā)出不可見的紅外光。當反射物由非黑 色導引線變?yōu)楹谏珜б€時, 光電三極管的基極接受不到反射光, 從而光敏三極管由導通變 為截止, 使得集電極電壓由低電平變?yōu)楦唠娖? 經(jīng)過 74ls14 反相器反相整形, 輸出值由邏 輯 1 變?yōu)檫壿?0 后, 送入單片機中進行進一步處理5。vccr11r12r21r22r31r32r41r4227033k27033k27033k27033ktcrt5000tcrt5000tcrt5000tcrt5000p35100a1015npntcrt5000tcrt5000tcrt5000tcrt5000p34100a1015npnp1374l814p1274l814p1174l814p1074l814圖3 光電傳感器電路圖值得指出的是在此處 pnp 三極管 a1015 的使用。此處如果選用 npn 三極管, 則在開 機或復位時 p1 口各位輸出高電平會誤掃描傳感器矩陣, 而選用 pnp 三極管就可以避免這 種情況, 能很好的控制光電傳感器的工作, 并可以增加驅(qū)動能力。3. 尋跡單片機控制尋跡的原理是這樣的: 第一步, 通過矩陣式掃描, 即給光電傳感器矩陣分別 輸入兩個“1”信號的行值, 將輸出的 4 個列值信號分別存入兩個地址( 如 30h、31h) 的低 4 位, 低 4 位從高到低分別對應著 4 個方向: 前、后、左前、右前。然后用“f0”與這八位做“或”邏輯運算, 即屏蔽掉高四位后作為本次的信號值; 第二步, 將本次的信號值與上一次掃描處理后的信號值進行邏輯處理, 得出一個新方向, 作為智能車行進的方向。在這個程序里, 邏輯處理內(nèi)外層得到新方向是尋跡的關(guān)鍵。筆者在其中按先后步驟使用 了 3 種規(guī)則:前后比較規(guī)則, 內(nèi)外層切換規(guī)則, 優(yōu)先級規(guī)則。( 1) 前后比較規(guī)則 此規(guī)則是這個算法的核心規(guī)則。它的目的是盡可能的用新探測到的黑點作為新方向。新方向 f 通過f = ( pi pi 1 ) pi 1(1)來求得。( 其中 pi 為本次的信號值, pi- 1 為前次的信號值) 邏輯處理前“0”表示黑線軌 跡, 邏輯處理后“1” 表示軌跡行進方向。舉例如下: 以內(nèi)層為例, 設(shè)當前測得的值為 pi=1,1,1,1,ai,bi,ci,di且前一次測得的值為pi- 1=1,1,1,1,ai- 1,bi- 1,ci- 1,di- 1經(jīng)過上述( 1) 邏輯處理后, 假設(shè)結(jié)果為 f=0,0,0,0,1,0,0,0,則正前方是行進的新方向。( 2) 內(nèi)外層切換規(guī)則如果光電傳感器組前后兩次所檢測的值完全一樣, 則在邏輯處理后會出現(xiàn)全零, 這時保 持原方向行進。如果碰到曲線拐彎或者曲線斷續(xù), 則有可能出現(xiàn)多個“1”即多個方向, 這時可 采用“內(nèi)外層切換規(guī)則”, 也就是說從內(nèi)層切換到外層, 啟用外層掃描值重復上述前后比較規(guī) 則來進行判斷。啟用外層信號進行二次判斷能很好的處理曲線拐彎及曲線斷續(xù)等內(nèi)層處理不 好的情況。但用外層信號判斷, 因為其傳感器布置的間隙距離比內(nèi)層大, 其控制精度不如用 內(nèi)層信號判斷高。( 3) 糾錯規(guī)則在運行中, 傳感器有可能受到干擾而發(fā)出錯誤信號導致智能車走錯或迷失方向, 這個時 候糾錯規(guī)則能讓智能車后退起到糾錯作用。所謂糾錯規(guī)則就是在走錯后出現(xiàn)了內(nèi)外層左前、 前、右前均沒有探測到引導線, 而后向探測到了導引線的情況下,讓智能車后退, 一直退到前 面三個方向傳感器里有傳感器探測到導引線為止。此時再用( 1) 式求得新的行進方向, 從而 實現(xiàn)糾錯功能。其中前后比較法的邏輯處理及隨后的判斷程序具體如下: ( 30h 放本次信號 值, 32h 放前次信號值)datadeal:mov a, 30h xrl a, 32hanl a, 32h ; 按( 1) 式求新向mov 36h, a ; 保存mov r3, #8mov r4, #0count: jb acc.0, addn count1: rr adjnz r3, countcjne r4, #1h, judge ; r4 里所含不是1 個“1”時, ; 轉(zhuǎn)“judge”再判斷ajmp motorrun ; r4 里只有一個“1”時, 以此;“1”所代表的方向作為新方向addn: inc r4ajmp count1judge: jc keepmove ; 少于一個“1”, 保持原方向ajmp outcheck ; 多于一個“1”, 則取用外層 motorrun: ; 電機驅(qū)動子程序keepmove: ; 保持原運動狀態(tài)子程序outcheck: ; 取用外層信號值判斷子程序4. 執(zhí)行導引智能車的驅(qū)動方式采用一驅(qū)動輪一轉(zhuǎn)向輪方式: 將后輪作為驅(qū)動輪, 前輪作為轉(zhuǎn)向 輪, 通過切換轉(zhuǎn)向輪向左或向右的方式改變智能車的方向。這種方式與汽車的控制方式一樣, 直線行進性能好, 可以高速移動。從 1 個步進脈沖對應的行進路程, 可以預算出應給步進電 機發(fā)出的脈沖數(shù)。預定的行進路程以小于內(nèi)層傳感器間隙距離的 1/2 為宜, 這樣可以保證智 能車位置測量的連續(xù)性和方向識別的準確性。單片機 at89c52 根據(jù)其邏輯處理出來的方向, 調(diào)用步進電機的驅(qū)動程序即可實現(xiàn)智能車循跡連續(xù)運動的功能。5. 總結(jié)在做好硬件部分的基礎(chǔ)上, 根據(jù)上述思路編制了程序進行實驗。實驗中采用了與底色有 較大差異的黑色膠帶作導引線, 膠帶寬 1.8cm, 其中導引線總長 6000mm, 斷續(xù)部分的間斷距 離不大于 10mm, 步進電機執(zhí)行一次驅(qū)動預定的行進路程為 4mm。在沒有強烈日光干擾的情 況下, 尋跡系統(tǒng)能自動識別黑色導引線并選擇正確的方向運動。測試結(jié)果: 系統(tǒng)總能在 60s 內(nèi)連續(xù)正確地走完全程, 而且機器人( 中心) 所走的軌跡基本上在黑線上?？梢? 即使是比 較復雜的曲線, 智能車也能準確地實現(xiàn)尋跡功能。本文的創(chuàng)新點是: 針對基于光電傳感器組尋跡的智能車, 設(shè)計了一種新的傳感器陣列的 布置方式。根據(jù)此布置方式, 提出了三個處理規(guī)則結(jié)合而成的軌跡識別算法。參考文獻1 卓晴,黃開勝,邵貝貝等.學做智能車挑戰(zhàn)“飛思卡爾”杯.北京航空航天出版社,2007.3. 2 邵貝貝,單片機嵌入式應用的在線開發(fā)方法.清華大學出版社,2004（2007重?。? 楊國田,白焰.摩托羅拉（motorola）68hc12系列微控制器原理、應用與開發(fā)技術(shù).中國電力出版社,2003. 4 劉慧銀,龔光華,王云飛等.motorola（freescale）微控制器mc68hc08原理及其嵌入式應用.清華大學出版 社,2005.15光電開關(guān)應用簡介.db/dl/article/jyxuyingyong/quanganqi/200709/6037.html6kwok l. tang, robert j. mulholland. comparing fuzzy logic with classical controller designs. ieee transactions on systems. man. and cybernetics, 1987,17(6): 1085-10877/an algor ithm of navigation for smart car which is guided by the photoelectric sensors setlu pan, wang huanhuan, ou yiwenschool of electronic and control engineering, chang-an university, xian (710062)abstractsensor - array are newly laid out for smart car which is guided by the photoelectric sensors set.analgorithm of navigation is provided which is combined in three rules according to the layout of sensors. even if the track is complex,direction can be calculated by the arithmetic,and the smart car can be steered to follow the track.errors can be corrected by smart car when disturbs ap