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电动玩具

循迹智能小车方案开发


智能车近年来获得了较大的发展,除了专门的飞思卡尔智能车大赛之外,在全国大学生电子设计大赛中也经常以智能车做为考题,智能车巡线技术的发展使智能车具备了更强的“智能性”。

一、智能车的整体结构

智能车可以分成三个部分——传感器部分、控制器部分、执行器部分。即信号捕获、控制、驱动。

传感器将外界光、电、声音、电磁波以及其他信号转变为电信号后发送给上级,在智能车上的传感器有电压输出、脉冲输出、数字总线输出等几种形式。

传统的控制器包含程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序发生器以及操作控制器等,用来实现整个微机系统的操作。在智能车系统中,控制器负责将各类传感器采集到的信息进行分析处理,并将指令传递给执行器。执行器部分负责执行控制器传达的各项指令,进而调整各个模块的工作状态,使之协同完成智能车的各项操作。

二、什么是智能车巡线技术

简单来说,智能车巡线技术就是通过智能车得到一个合适的图像,并从中分析出部分可以用来控制车体的信息。

在智能车巡线过程中,使智能车在引导信息下去逼近预定的行驶轨道是智能车巡线技术的一个基本目标,其行驶路线与实际预定轨道之间的误差率可以用来判别一种巡线技术的优劣程度。在同一种巡线技术下,采用不同的传感器也会对智能车的巡线准确度产生影响。

深圳循迹智能小车方案设计

三、黑线循迹法

目前被广泛采用的循迹方式有多种,包括黑线循迹、红外对管循迹法、摄像头循迹法、激光管循迹法、激光管循迹法、电磁循迹法等。相比较于其他几种循迹方法,黑线循迹的电路设计相对而言简单,检测信息速度快且成本低。黑线循迹示意图如图1所示。

黑线循迹中主要采用红外探测法,依靠光电传感器来实现对道路的识别。由光电传感器的发射管发射出一定波长的红外线,当红外线照射在不同的物体表面时具有不同的反射强度。利用黑色对可见光的强吸收率,当智能车行驶到预定黑线轨道,低反射率的黑线与其他高反射率地带形成强烈的对比。在对智能车巡线技术的内部编码中,就是利用这一特点进行路径识别。光电传感器原理如图2所示。

智能车行驶过程中,想要从赛道中提取我们想要的黑线信息,首先需要做的是提取出完整的赛道轮廓。赛道不可避免的会有各种弯道,交叉等。在机器看来这些赛道信息就是一堆一堆的点。为了帮助智能车较好的运行,需要有良好的路径识别方法。路径识别主要是对普通弯道、小S形弯道、大S行弯道、十字交叉道的识别。

普通弯道对于智能车来说是最容易识别的,可以根据偏移量、曲率等来识别。根据曲率来识别是目前采用较多的一种方法。曲率最大的意义在于可以同时包含速度和转向两种信息。求取曲率在高等数学中有明确的方法,除此之外我们可以利用圆的特性来逼近曲率。

根据所求出来的曲率,就可以判断出弯道情况。当然,在判断曲率之前,首先要为智能车的路径识别程序设定一个阈值,当所求出来的曲率大于设定的阈值时即可判断为属于弯道的情况。根据所需要的精确度,可以选取适当的阈值。智能车会根据当前的道路情况做加减速控制。

四、巡线中的速度控制策略

相对于智能车这类微机系统电子设备,惯性在加减速过程中造成的影响并不是很大,但为了能够使得智能车更加高效的到达既定目的地而不偏离原来的行驶轨道,有必要对智能车行驶过程中的速度进行控制。

在直道行驶过程中,车身抖动对光电传感器造成的影响较小,因此在直道行驶时可以适当采用较大的速度控制方案。在快要接近弯道的情况下提前将速度设定为可以控制的最大入弯速度,驶离弯道后必须进行加速控制。

在弯道行驶过程中的速度控制是智能车行驶过程中的重点。在入弯的过程中,路况的急剧变化使得光电传感器的识别压力增大,出于稳定性考虑,应当适当做减速处理,避免偏离轨道。与此同时,应将速度设置为弯道曲率的线性函数关系,在曲率急剧增大时,速度应将减小到适当的临界值。若速度没有降到入弯临界值,除了在入弯的过程中可能导致偏离轨道的情况,在出弯进入直道时车身也会因调控不及时而出现S形运动轨迹。

在实现智能车速度控制的过程中,除了通过软件设计实现上述速度控制流程外在硬件方面还要设计合理的电机电流采样方案,包括使用常用的霍尔电流传感器和采样电阻等。

五、红外循迹智能小车设计方案

无人驾驶技术是汽车工业智能化发展的趋势,它是集传感检测、物联网技术、通信技术、智能导航及自动控制等功能于一体的复杂综合系统,可以实现在复杂的路况下,车辆根据预先设置的程序自动驾驶,同时有效的避开障碍物。本文通过研究红外寻迹技术来了解智能小车在不同的路面情况做出的不同反应,进而将红外寻迹技术推广应用,拟解决生产实践中遇到的一些问题。

系统由单片机模块、寻迹检测模块、液晶显示模块、电机驱动模块等组成。其中寻迹检测模块使用红外线发射管与光敏接收管TCRT5000;单片机选择AT89S52芯片,通过单片机最终完成电机控制,实现红外寻迹功能。

5.1红外寻迹电路设计

(1)电机驱动模块方案设计:智能小车使用的是前轮驱动,通过AT89S52控制两个电机的转向实现控制小车运动的目的。四个红外传感器装在车体的底盘前端,小车根据传感器检测到的情况来执行相应的动作。由于单片机输出的信号功率很弱,不能直接驱动电机,因此需要电机驱动芯片来提高功率。本系统采用了L298N驱动芯片,最大输出电压可高达50V,同时该芯片集成了两个完整的H桥电路,恰好能控制两个电机。

(2)寻迹检测电路设计:智能小车行驶的路面模拟为白色,按黑线进行寻迹,根据黑、白两种颜色对光照的反射系数不同的原理,利用红外线发射管不断的向地面发射红外线,光敏接收管接收到的反射光的强弱就可以进行寻迹判断。当接收管接收到弱信号或无信号,则可判断遇到黑线。本设计选用了TCRT5000型的红外传感器,通过LM339作比较器来采集高低电平,从而实现信号的检测。

5.2红外检测的技术实现

(1)路面检测模块的技术实现:红外接收电路应用红外接收头1838T,它将接收来的信号进行处理后送到单片机中进行解码。红外传感器TCRT5000输出端与电压比较器LM339的输人端相连,LM339的另一个输入端接一个基准电压。当红外接收端检测不到信号,或者信号很弱,光敏三极管就处于关闭状态,检测电路输出高电平;当红外光被反射回来时,光敏三极管处于导通状态,检测电路输出低电平。单片机根据接收回来高低电平的不同来控制电机的转动,从而实现小车的寻迹功能。路面测试模块一共用了四个红外光电传感器,实现组合式的方向控制检测。

通过设置循环程序不断检测小车当前寻线的位置,并根据状态表反馈量由单片机控制电机,实现小车的左转弯、右转弯、直线运动。

(2)PWM的电机控制实现:PWM(Pulse Width Modulation)是对电机调速的常用方式,脉冲周期不变,只改变晶闸管的导通时间,就可以改变脉冲宽度对电机进行直流调速。即保持加在电机上的脉冲电压频率不变,调节其脉冲宽度,从而实现电机调速功能。本设计中使用软件的方法利用单片机产生PWM信号,该信号分别接人电机驱动芯片L298N的ENA、ENB两个使能端,通过控制使能端的通断时间来控制电机的行驶速度,从而实现控制小车运动。PWM信号软件实现通过改变f0r语句中变量的值来控制高低电平持续的时间。

5.3智能巡线小车测试

系统测试可以根据模块设计法,对电路各个模块逐级进行功能测试。使用Keil进行程序编写并编译,然后将程序导人到Proteus进行仿真,仿真通过后在实际电路中进行调试。电机驱动模块调试可以通过程序产生的PWM信号调试电机转速。路面检测模块调试4路有效信号,当红外传感器都放置在白色路面时,单片机接收到的信号电平为0.27V左右,当右边的一个或者两个红外对管进入黑线范围时,对应的I/0口电平变高,电压为4.32V左右。

总结

在完整的智能车设计中,除了巡线控制外还应有其他各种控制方法辅助智能车完成行驶目标,完善的速度优化算法以及精准的传感器设备可以帮助智能车更加平稳高效的完成所需要的工作。智能车的研究是对不断发展的电子技术在应用与实践上的检验与延伸。智能车不再仅仅局限于使用蓝牙、红外线等短距离信息控制方式,也不再仅仅局限于少数的几个单一功能。在IOT迅速发展的当下,智能车的应用领域不断扩展,未来可见的成果也会越来越多。

文章所研究的红外寻迹技术应用在小车模型上,能够自动沿设定的轨迹行驶;实现了寻迹功能、红外遥控功能。研究过程中还存在以下问题需要改进和完善:小车靠前轮两个电动机的转向来实现转弯,转弯时寻迹检测信号控制着电动机的具体转向,由于在实际检测中会存在很多不同的检测信号,小车在转弯处会出现要检测较长时间才能通过弧线的情况;针对这一问题,可以通过改变程序的相应参数来得以改善。

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