智能傳感尋跡小車的研究與設(shè)計

1、智能傳感尋跡小車的研究與設(shè)計本篇文章來源于 rfid 射頻快報 【摘要】本文對目標識別與跟蹤技術(shù)進行了分析，在此基礎(chǔ)上結(jié)合智能小車目標跟蹤系統(tǒng)的開發(fā)，詳細討論了特定目標跟蹤系統(tǒng)的具體實現(xiàn)方法，紅外傳感器在目標識別中的應(yīng)用以及小車智能控制的軟、硬件設(shè)計。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)對特定目標進行識別，在目標運動過程中，通過單片機接收計算機發(fā)出的命令控制智能小車跟蹤目標，在沒有人為干預的情況下，能夠自主運行，穩(wěn)定地跟蹤目標，該設(shè)計為機器智能系統(tǒng)提供了一個研究平臺。關(guān)鍵詞: 目標識別與跟蹤智能控制 紅外傳感器 飛思卡爾本設(shè)計采用飛思卡爾的 mc9s12db128b 作為智

2、能小車核心控制器1，路面黑線檢測采用反射式紅外傳感器，車速檢測是通過改造結(jié)構(gòu)，并使用反射式光電傳感器實現(xiàn)的。電源供電是由電池提供的，我們在設(shè)計時將后輪電機驅(qū)動電路和前輪轉(zhuǎn)向舵機驅(qū)動分開供電，采用了強電流、弱電流分開，數(shù)字、模擬獨立供電。同時合理利用了單片機的 pwm 控制口對電動機進行轉(zhuǎn)速控制，在此可靠硬件設(shè)計的同時，使用了一套獨特的軟件算法實現(xiàn)了小車根據(jù)檢測黑線的結(jié)果使系統(tǒng)達到在高速運動中的精確控制，取得了很好的效果。圖 1 智能小車實物與結(jié)構(gòu)框圖根據(jù)設(shè)計要求我們對小車的硬件部分分別介紹：1、路面黑線檢測模塊2關(guān)于檢測模塊大致可實現(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：易受到外界光源的干擾，有時甚至檢測不到黑線，主要是因為可見光的反射效果跟地表的平坦程度、地表材料的反射情況均對檢測效果產(chǎn)生直接影響?？朔巳秉c的方法：采用超高亮度的發(fā)光二極管能降低一定的干擾，但這又會增加檢測系統(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，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，在平均電流不變的情況下，瞬時電流很大（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、探測器。方案 4：采用 ccd 傳感器，此種方法雖然能對路面信息進行準確完備的反應(yīng)，但它存在信息處理滿，實時性差等缺點，而且此次比賽不允許用其它處理器，因此若采用 ccd 傳感器，無疑會加重單片機的處理負擔，不利于實現(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，同時能實現(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，利用下面的電路對這四款對管進行測量比較，最終選擇 st-178 作為我們檢測黑線的傳感器。圖 2檢測黑線電路圖 3電機驅(qū)動電路2、整車動力系統(tǒng)小車的動力系統(tǒng)由車上自帶的 rs-380sh

5、 電機提供，并規(guī)定不能改動，因此我們可以設(shè)計的就是電機的驅(qū)動電路?？紤]到小車空載跑直線時的速度較快，若在小車進入彎道時不采取減速措施，小車極易跑飛，我們經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)通過改變 pwm 的占空比能使電機減速，但此種方法沒有我們設(shè)計小車剎車裝置好。此剎車裝置是由一個受單片機控制的單刀雙擲繼電器與電機串聯(lián)構(gòu)成的，當小車處于正常工作時，電池兩端的電壓全部正方向加載與電機兩端，當小車需要減速過彎時，繼電器動作，將電池兩端電壓反向加載于電機兩端，產(chǎn)生瞬時反轉(zhuǎn)。3、傳感器的安裝方式及機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，因此需要對傳感器的排布及安裝位置進行設(shè)計，以達到提高尋

6、跡可靠性的目的。我們對以下幾種傳感器排布進行了研究：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，它們之間沒有絕對的優(yōu)略，設(shè)計者還可以根據(jù)自己的要求單獨設(shè)計，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，機械設(shè)計上空間有限。我們依據(jù)說明書將小車安裝好后，對以下兩個部分改動，一是舵機的連桿處，在未作修改前，測試發(fā)現(xiàn)舵機的響應(yīng)時間為 5ms，其動作時間偏大。此處調(diào)整目的是為了讓舵機的響應(yīng)時間更短，并且直接操作舵機動作一個小角度后，前輪能有更大的轉(zhuǎn)向角。為了提高舵機的動作時間，還可以將傳感器板向前探伸，此種為被動調(diào)整，這樣做只能讓小車較早知

7、道前方道路時間以抵消舵機的動作時間。二是在后輪處貼上特意制作的帶有白黑相間的標簽，將反射式紅外傳感器對準此標簽，通過檢測黑線來達到測速的目的。此種方法比安裝測速電機簡單，而且測速電機的齒輪是與后輪的動力齒輪咬合，會給小車帶來一定的阻力，這是與設(shè)計相背離的。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，對配發(fā)的標準車模用 7.2v 2000mah ni-cd 蓄電池進行電壓調(diào)節(jié)。其中，單片機系統(tǒng)、路面黑線檢測的光電傳感器、車速傳感器電路需要 5v電壓，舵機機工作電壓范圍采用 6v，后輪驅(qū)動電機可以使用 7.2v 2000mah ni-cd 蓄電池直接供電。考慮到由驅(qū)動電機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系統(tǒng)根據(jù)接收路徑識別電路的信號、車速傳感器的信號，采用特定尋線算法3進行判斷，進而控制舵機轉(zhuǎn)向和后輪驅(qū)動電機的工作。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：計算2 中的參數(shù)之一angel_4：計算中的參數(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=50ms，短延時=34ms傳感器對應(yīng)的編碼表見表 1。圖 5軟件流程圖6、結(jié)論從本次設(shè)計大賽的汽車智能控制中體會到，要對高速行駛中的汽車實施控制并不是一個簡單的自動控制問題，它涉及到了機械學、力學、光學、電子學等方面的知識，并與單片機相互配合，利用單片機的強大功能實現(xiàn)了路面黑線檢測、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。從最終測試結(jié)果來看，本系統(tǒng)具有較強的環(huán)境適應(yīng)能力，很好的完成了題目的要求。參考