《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁 > 通信與網(wǎng)絡(luò) > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 一項(xiàng)基于光電管路徑識(shí)別的智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì)
一項(xiàng)基于光電管路徑識(shí)別的智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì)
Icbuy
Icbuy
摘要:   隨著控制技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,,智能車系統(tǒng)將在未來工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中扮演重要的角色,。本文所述智能車尋跡系統(tǒng)采用紅外反射式光電管識(shí)別路徑上的黑線,,并以最短的時(shí)間完成尋跡,。通過加長轉(zhuǎn)臂的舵機(jī)驅(qū)動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向,,使用符合PI算法的控制器實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)速,。為了使智能車快速,、平穩(wěn)地行駛,,系統(tǒng)必須把路徑識(shí)別,、相應(yīng)的轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)控制以及直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制準(zhǔn)確地結(jié)合在一起。
Abstract:
Key words :
 

  引言

  隨著控制技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,,智能車系統(tǒng)將在未來工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中扮演重要的角色,。本文所述智能車尋跡系統(tǒng)采用紅外反射式光電管識(shí)別路徑上的黑線,并以最短的時(shí)間完成尋跡,。通過加長轉(zhuǎn)臂的舵機(jī)驅(qū)動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向,,使用符合PI算法的控制器實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)速。為了使智能車快速,、平穩(wěn)地行駛,,系統(tǒng)必須把路徑識(shí)別、相應(yīng)的轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)控制以及直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制準(zhǔn)確地結(jié)合在一起,。

  1 硬件設(shè)計(jì)

  本系統(tǒng)硬件部分以飛思卡爾公司的16位微處理器MC9S12DG128為控制核心,,由電源模塊、主控制器模塊,、路徑識(shí)別模塊,、車速檢測模塊,、舵機(jī)控制模塊和直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制模塊組成。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示,。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

  1.1 主控制器模塊

  本系統(tǒng)主控制器模塊采用的MC9S12DG128主要特點(diǎn)是功能高度集中,,易于擴(kuò)展且支持C語言程序設(shè)計(jì),從而降低了系統(tǒng)開發(fā)和調(diào)試的復(fù)雜度,。

  1.2 電源模塊

  本系統(tǒng)由7.2V/2000mAh的Ni-cd蓄電池組直接供電,。鑒于單片機(jī)系統(tǒng)的核心作用,主控制器模塊采用單獨(dú)的穩(wěn)壓電路進(jìn)行供電,;為提高舵機(jī)響應(yīng)速度,,將電源正極串接一個(gè)二極管后直接加在舵機(jī)上;電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片MC33886直接由電源供電,。通過外圍電路整定,,電源被分配給各個(gè)模塊。電源調(diào)節(jié)分配圖如圖2所示,。

電源調(diào)節(jié)分配圖

  1.3 路徑識(shí)別模塊

  路徑識(shí)別模塊采用收發(fā)一體的紅外反射式光電管JY043作為路徑的基本檢測元件,。本系統(tǒng)選用11個(gè)JY043按“一”字形排列在20cm長的電路板上,相鄰兩個(gè)光電管之間間隔2cm,。因?yàn)槁窂杰壽E由黑線指示,,落在黑線區(qū)域內(nèi)的光電二極管接收到的反射光線強(qiáng)度與白色的不同,,所以根據(jù)檢測到黑線的光電管的位置可以判斷行車方向,。光電傳感器尋跡的優(yōu)點(diǎn)是電路簡單、信號(hào)處理速度快,。在不受外部因素影響的前提下,,光電管能夠感知的前方距離越遠(yuǎn),,行駛效率越高,即智能車的預(yù)瞄性能越強(qiáng),。圖3為其硬件原理圖,。

路徑檢測電路圖

  1.4 車速檢測模塊

  車速檢測模塊采用韓國Autonics公司的E30S-360-3-2型旋轉(zhuǎn)編碼器作為車速檢測器件。該旋轉(zhuǎn)編碼器硬件電路簡單,、信號(hào)采集速度快,,360線的精度足以滿足PI控制算法調(diào)節(jié)的需要。旋轉(zhuǎn)編碼器與直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過齒數(shù)為1:1的兩齒輪連接在一起,,所以智能車車輪轉(zhuǎn)動(dòng)一圈即可以用360個(gè)脈沖表示,。因此一定時(shí)間內(nèi)單片機(jī)累加器獲得的脈沖數(shù)值可以用來表示車速,并可直接作為控制器參數(shù),。圖4為車速檢測模塊硬件電路圖,。

車速檢測模塊電路圖

  1.5 舵機(jī)控制模塊

  本系統(tǒng)使用SANWASRM102型舵機(jī)完成智能車轉(zhuǎn)向。舵機(jī)屬于位置伺服電機(jī),,控制信號(hào)是MC9S12DG128單片機(jī)產(chǎn)生的PWM信號(hào),。舵機(jī)自身硬件特性決定:在給定電壓一定時(shí),,空載和帶載時(shí)的角速度分別保持恒值,而線速度,,正比于轉(zhuǎn)臂的長度R,。當(dāng)舵機(jī)所需轉(zhuǎn)動(dòng)幅度一定時(shí),長轉(zhuǎn)臂要比短轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動(dòng)的角度小,,即響應(yīng)更快,。如圖5所示,對(duì)于轉(zhuǎn)臂1和2,,當(dāng)R1,。因此對(duì)于相同的角速度,可得轉(zhuǎn)臂響應(yīng)時(shí)間t1>t2,。顯然利用舵機(jī)的轉(zhuǎn)距余量可以提高系統(tǒng)整體的響應(yīng)速度,。

舵機(jī)轉(zhuǎn)臂加長結(jié)構(gòu)分析圖

  智能車在行駛過程中,舵機(jī)的響應(yīng)時(shí)間決定著系統(tǒng)的穩(wěn)定性及快速性,。為了減小舵機(jī)的時(shí)滯現(xiàn)象,,充分利用舵機(jī)的轉(zhuǎn)矩余量,本系統(tǒng)采用了以下三種方法:

 ?。?)提高舵機(jī)工作電壓,,使其工作在額定電壓之上,從而減小舵機(jī)的響應(yīng)時(shí)間,;

 ?。?)將舵機(jī)轉(zhuǎn)臂加長至3.5cm,充分利用轉(zhuǎn)矩余量,;

 ?。?)將兩個(gè)8位PWM寄存器合并為一個(gè)16位PWM寄存器,將舵機(jī)的PWM控制周期放大至2000,,從而細(xì)化PWM控制量,,使轉(zhuǎn)臂變化更加靈活,、均勻,。

  1.6 直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制模塊

  本系統(tǒng)中,直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制模塊由RS-380SH型直流電機(jī),、功率驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003,、電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片MC33886及MC9S12DG128微處理器組成。

  功率驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003為單片高電流增益雙極型大功率高速集成電路,,本系統(tǒng)采用了其中兩組用于增強(qiáng)單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力,。

  圖6為直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)硬件控制電路圖。

直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)硬件控制電路圖

  其中,,電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片MC33886是單片集成的H橋元件,,它適用于驅(qū)動(dòng)小馬力直流電機(jī),,并且有單橋和雙橋兩種控制方式。D1,、D2為使能端,,IN1、IN2為PWM信號(hào)控制輸入端,,OUT1,、OUT2為輸出端。由于智能車從直道高速進(jìn)彎時(shí)需通過緊急降速來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定,,所以電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)必須能夠產(chǎn)生反向制動(dòng)力矩,。因此本系統(tǒng)選擇了MC33886的全橋工作方式。

  當(dāng)需要智能車減速時(shí),,PI控制器計(jì)算值為負(fù),,令PWM5輸出的PWM信號(hào)占空比為零,PWM3輸出的PWM信號(hào)占空比與計(jì)算值的絕對(duì)值相同,,并且計(jì)算值越負(fù),,OUT2的電平高出OUT1越多,電機(jī)有反轉(zhuǎn)趨勢,。反之,,當(dāng)需要智能車加速時(shí),PI控制器計(jì)算值為正,,PWM3輸出的PWM信號(hào)占空比為零,,PWM5輸出的PWM信號(hào)占空比與計(jì)算值的絕對(duì)值相同,計(jì)算值越大,,OUT1的電平高出OUT2越多,,電機(jī)有正轉(zhuǎn)趨勢。

  2 軟件設(shè)計(jì)

  本系統(tǒng)的控制方案是根據(jù)路徑識(shí)別模塊和車速檢測模塊所獲得的當(dāng)前路徑和車速信息,,控制舵機(jī)和直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)作,,從而調(diào)整智能車的行駛方向和速度。

  圖7為系統(tǒng)程序流程圖,。

系統(tǒng)程序流程圖

  智能模型車的路徑搜索算法(LineSearchingAlgorithm)是智能車設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵部分,。本系統(tǒng)路徑搜索算法采用簡單的switch語句,根據(jù)檢測到黑線的光電管的位置判斷舵機(jī)的偏轉(zhuǎn)角度,,同時(shí)給出相應(yīng)的速度控制信號(hào),。

  其程序流程圖如圖8所示。

路徑搜索算法流程圖

  3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

  智能車路徑識(shí)別的關(guān)鍵在于快速地判斷彎道并快速,、準(zhǔn)確地響應(yīng),。智能車行進(jìn)過程中,從長直道進(jìn)入連續(xù)彎道時(shí),由于曲率變化很小,,此時(shí)轉(zhuǎn)速的設(shè)定值較大,,加之舵機(jī)響應(yīng)時(shí)間的限制,智能車極易脫離軌跡,。采用加長轉(zhuǎn)臂的舵機(jī)及合理的路徑搜索算法,,可以增強(qiáng)智能車對(duì)軌跡的跟隨性能。圖9所示為智能車尋跡連續(xù)彎道試驗(yàn)效果圖,。其中,,粗線為所尋跡的黑線,細(xì)線為智能車實(shí)際運(yùn)行軌跡,。

小車過彎效果圖

  4 結(jié)語

  本文設(shè)計(jì)了一個(gè)智能車控制系統(tǒng),,實(shí)現(xiàn)了快速自動(dòng)尋跡功能。在硬件上,,該系統(tǒng)采用MC9S12DG128B單片機(jī)為控制核心,,協(xié)調(diào)電源模塊、路徑識(shí)別模塊,、車速檢測模塊,、舵機(jī)控制模塊及直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制模塊的工作;在控制算法上,,采用路徑搜索算法和類PI控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)智能車的舵機(jī)轉(zhuǎn)角和電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制,。此外,系統(tǒng)還完成了對(duì)加長轉(zhuǎn)臂舵機(jī)的控制,,實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)與車速的配合控制,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該智能車系統(tǒng)響應(yīng)快,,動(dòng)態(tài)性能良好,,整體控制性能良好。

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),,未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載,。