小車循跡原理

1、小車循跡原理2009-07-11 12:40.小車控制及驅(qū)動單元的選擇此部分是整個小車的大腦，是整個小車運行的核心部件，起著控制小車所有運行狀態(tài)的作用。通常選用單片機作為小車的核 心控制單元，本文以臺灣凌陽公司的 SPCE061即片機為例予以介紹。SPCE06促一款擁有2K RAM 32KFlash 32個I/O 口, 并集成了 AD/DA功能強大的16位微處理器，它還擁有豐富的語音處理功能，為小車的功能擴展提供了相當大的空間。只要按 照該單片機的要求對其編制程序就可以實現(xiàn)很多不同的功能。小車驅(qū)動電機一般利用現(xiàn)成的玩具小車上的配套直流電機?？紤]到小車必須能夠前進、倒退、停止，并能靈活轉(zhuǎn)向，在左

2、右 兩輪各裝一個電機分別進行驅(qū)動。當左輪電機轉(zhuǎn)速高于右輪電機轉(zhuǎn)速時小車向右轉(zhuǎn)，反之則向左轉(zhuǎn)。為了能控制車輪的轉(zhuǎn)速， 可以采取PWM調(diào)速法，即由單片機的IOB& IOB9輸出一系列頻率固定的方波，再通過功率放大來驅(qū)動電機，在單片機中編程 改變輸出方波的占空比就可以改變加到電機上的平均電壓，從而可以改變電機的轉(zhuǎn)速。左右輪兩個電機轉(zhuǎn)速的配合就可以實現(xiàn) 小車的前進、倒退、轉(zhuǎn)彎等功能。.小車循跡的原理這里的循跡是指小車在白色地板上循黑線行走，通常采取的方法是紅外探測法。紅外探測法，即利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質(zhì)的特點，在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光,當紅外光遇到白色紙質(zhì)地板時

3、發(fā)生漫反射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，小車上的接收 管接收不到紅外光。單片機就是否收到反射回來的紅外光為依據(jù)來確定黑線的位置和小車的行走路線。紅外探測器探測距離有 限，一般最大不應超過15cm。對于發(fā)射和接收紅外線的紅外探頭，可以自己制作或直接采用集成式紅外探頭。(1)自制紅外探頭電路如圖1所示，紅外光的發(fā)送接收選用型號為 ST168的對管。當小車在白色地面行駛時，裝在車下的紅外 發(fā)射管發(fā)射紅外線信號，經(jīng)白色反射后，被接收管接收，一旦接收管接收到信號，那么圖中光敏三極管將導通，比較器輸出為 低電平；當小車行駛到黑色引導線時，紅外線信號被黑色吸收后，光敏三極管截

4、止，比較器輸出高電平，從而實現(xiàn)了通過紅外 線檢測信號的功能。將檢測到的信號送到單片機I/O ，當I/O 檢測到的信號為高電平時，表明紅外光被地上的黑色引導線吸 收了，表明小車處在黑色的引導線上；同理，當 I/O 口檢測到的信號為低電平時，表明小車行駛在白色地面上。此種方法簡單， 價格便宜，靈敏度可調(diào)，但是容易受到周圍環(huán)境的影響，特別是在圖 1較強的日光燈下，對檢測到的信號有一定的影響。(2)集成式紅外探頭可以采用型號為 E3F-DS10C4成斷續(xù)式光電開關(guān)探測器，它具有簡單、可靠的工作性能，只要調(diào)節(jié)探頭上的一個旋鈕就可以控制探頭的靈敏度。該探頭輸出端只有三根線(電源線、地線、信號線)，只要將信

5、號線接在單片機的I/O口，然后不停地對該I/O 進行掃描檢測，當其為高電平時則檢測到白紙，當為低電平時則檢測到黑線。此種探頭還能有效地防止普通光源(如日光燈等)的干擾。其缺點則是體積比較大，占用了小車有限的空間。.紅外探頭的安裝在小車具體的循跡行走過程中，為了能精確測定黑線位置并確定小車行走的方向，需要同時在底盤裝設(shè)4個紅外探測頭，進行兩級方向糾正控制，提高其循跡的可靠性。這4個紅外探頭的具體位置如圖2所示。圖中循跡彳感器共安裝 4個，全部在一條直線上。其中InfraredMR與InfraredML為第一級方向控制傳感器，InfraredSR與InfraredSL為第二級方向控制傳感器。小車

6、行走時，始終保持黑線（如圖2中所示的行走軌跡黑線）在InfraredMR和InfraredML這兩個第一級傳感器之間，當小車偏離黑 線時，第一級探測器一旦探測到有黑線，單片機就會按照預先編定的程序發(fā)送指令給小車的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)再對小車路徑予以糾正。若小車回到了軌道上，即 4個探測器都只檢測到白紙，則小車會繼續(xù)行走；若小車由于慣性過大依舊偏離軌道，越 出了第一級兩個探測器的探測范圍，這時第二級動作，再次對小車的運動進行糾正，使之回到正確軌道上去。可以看出，第二 級方向探測器實際是第一級的后備保護，從而提高了小車循跡的可靠性。oira-cdSR“!方羽一段慢懸揖kInbaAHlMk/和第審齊立

7、檢;Cn-fTnrtdML史制茶端K富輪2（也就3!描做金基卜.軟件控制其程序控制框圖如圖3。小車進入循跡模式后，即開始不停地掃描與探測器連接的單片機I/O 口，一旦檢測到某個I/O 口有信號，即進入判斷處理程序（swLh）,先確定4個探測器中的哪一個探測到了黑線，如果InfraredML（左面第一級傳感器）或者InfraredSL即面第二級傳感器）探測到黑線，即小車左半部分壓到黑線，車身向右偏出，此時應使小車向左轉(zhuǎn)；如果是InfraredMR（右 面第一級傳感 器）或InfraredSR（&面第二級傳感器）探測到了黑線，即車身右半部壓住黑線，小車向左偏出了軌跡，則應使小車 向右轉(zhuǎn)。在經(jīng)過了方

8、向調(diào)整后，小車再繼續(xù)向前行走，并繼續(xù)探測黑線重復上述動作。圖3由于第二級方向控制為第一級的后備，則兩個等級間的轉(zhuǎn)向力度必須相互配合。第二級通常是在超出第一級的控制范圍的情況下發(fā)生作用，它也是最后一層保護，所以它必須要保證小車回到正確軌跡上來，則通常使第二級轉(zhuǎn)向力度大于第一級，即level2level1（level1、level2為小車轉(zhuǎn)向力度，其大小通過改變單片機輸出的占空比的大小來改變），具體數(shù)值在實地實驗中得到專家點評：根據(jù)本文所講述的方法，我們可以較容易地做出按照一定軌跡行走的智能電動小車。但是按照該方法行走的小車 如果是走直線，有可能會是蛇形前進。為了使小車能夠按軌跡行走的更流暢，可以

9、在軟件編程時運用一些簡單的算法。例如, 在對小車進行糾偏時，適當提前停止糾偏，而不要等到小車完全不偏時再停止，以防止小車的過沖。電源電路:由于本系統(tǒng)需要電池供電，我們考慮了如下幾種方案為系統(tǒng)供電。方案1:采用10節(jié)干電池供電，電壓達到15V,經(jīng)7812穩(wěn)壓后給支流電機供電，然后將12V電壓再次降壓、穩(wěn)壓后給單片機 系統(tǒng)和其他芯片供電。但干電池電量有限，使用大量的干電池給系統(tǒng)調(diào)試帶來很大的不便，因此，我們放棄了這種方案。方案2:采用3節(jié)可充電式鋰電池串聯(lián)共給直流電機供電， 經(jīng)過7812的電壓變換后給支流電機供電，然后將12V電壓再次降壓、穩(wěn)壓后給單片機系統(tǒng)和其他芯片供電。鋰電池的電量比較足，并且

10、可以充電，重復利用，因此，這種方案比較可行。但鋰電池的價格過于昂貴，使用鋰電池會大大超出我們的預算，因此，我們放棄了這種方案。方案3:采用12V蓄電池為直流電機供電，將12V電壓降壓、穩(wěn)壓后給單片機系統(tǒng)和其他芯片供電。蓄電池具有較強的電流驅(qū) 動能力以及穩(wěn)定的電壓輸出性能。雖然蓄電池的體積過于龐大，在小型電動車上使用極為不方便，但由于我們的車體設(shè)計時留 出了足夠的空間，并且蓄電池的價格比較低。因此我們選擇了此方案。綜上考慮，我們選擇了方案3。這個黑呼呼的東西，讓我們可愛的小車變得很難看二二!二 7穩(wěn)壓模塊:方案1:采用兩片7812將電壓穩(wěn)壓至12V后給直流電機供電，然后采用一片 7809將電壓穩(wěn)

11、定至9V,最后經(jīng)7805將電壓穩(wěn)至 5V,給單片機系統(tǒng)和其他芯片供電，但 7809和7805壓降過大，使7809和7805消耗的功率過大，導致7809和7805發(fā)熱量過 大，因此，我們放棄了這種方案。方案2:采用兩片7812將電壓穩(wěn)壓至12V后給直流電機供電，然后采用 2576將電壓穩(wěn)至5V。2576的輸出電流最大可至3A,完全滿足系統(tǒng)要求。綜上考慮，我們選擇了方案2。穩(wěn)壓模塊如下圖：循跡傳感器模塊方案1:用光敏電阻組成光敏探測器。光敏電阻的阻值可以跟隨周圍環(huán)境光線的變化而變化。當光線照射到白線上面時，光線 發(fā)射強烈，光線照射到黑線上面時，光線發(fā)射較弱。因此光敏電阻在白線和黑線上方時，阻值會發(fā)

12、生明顯的變化。將阻值的變 化值經(jīng)過比較器就可以輸出高低電平。但是這種方案受光照影響很大，不能夠穩(wěn)定的工作。因此我們考慮其他更加穩(wěn)定的方案。方案2:用紅外發(fā)射管和接收管自己制作光電對管尋跡傳感器。紅外發(fā)射管發(fā)出紅外線，當發(fā)出的紅外線照射到白色的平面后 反射，若紅外接收管能接收到反射回的光線則檢測出白線繼而輸出低電平，若接收不到發(fā)射管發(fā)出的光線則檢測出黑線繼而輸 出高電平。這樣自己制作組裝的尋跡傳感器基本能夠滿足要求，但是工作不夠穩(wěn)定，且容易受外界光線的影響，因此我們放棄 了這個方案。方案3:用RPR220型光電對管。RPR220是一種一體化反射型光電探測器，其發(fā)射器是一個神化錢紅外發(fā)光二極管，而

13、接收器 是一個高靈敏度，硅平面光電三極管。RPR22林用DIP4封裝，其具有如下特點：塑料透鏡可以提高靈敏度。內(nèi)置可見光過濾器能減小離散光的影響。體積小，結(jié)構(gòu)緊湊。當發(fā)光二極管發(fā)出的光反射回來時，三極管導通輸出低電平。此光電對管調(diào)理電路簡單，工作性能穩(wěn)定。此我們選擇了方案3。安裝后效果如下圖:下圖是電壓比較器:電設(shè)小車循跡模塊2007-10-14 14:06.1 c.5 f7f2008-07-11車控制及驅(qū)動單元的選擇此部分是整個小車的大腦，是整個小車運行的核心部件，起著控制小車所有運行狀態(tài)的作用。通常選用單片機作為小車的核心控制單元，本文以臺灣凌陽公司的 SPCE061A單片機為例予以介紹。

14、SPCE061是一款擁有2KRAM、32KFlash、32個I/O 口，并集成了 AD/DA功能強大的16位微處理器，它還擁有豐富的語音處理功能，為小車的功能擴展提供了相當大的空間。只要按照該單片機的要求對其編制程序就可以實現(xiàn)很多不同的功能。小車驅(qū)動電機一般利用現(xiàn)成的玩具小車上的配套直流電機?？紤]到小車必須能夠前進、倒退、停止，并能靈活轉(zhuǎn)向，在左右兩輪各裝一個電機分別進行驅(qū)動。當左輪電機轉(zhuǎn)速高于右輪電機轉(zhuǎn)速時小車向右轉(zhuǎn)，反之則向左轉(zhuǎn)。為了能控制車輪的轉(zhuǎn)速，可以采取PWM調(diào)速法，即由單片機的 IOB8、IOB9輸出一系列頻率固定的方波，再通過功率放大來驅(qū)動電機，在單片機中編程改變輸出方波的占空比

15、就可以改變加到電機上的平均電壓，從而可以改變電機的轉(zhuǎn)速。左右輪兩個電機轉(zhuǎn)速的配合就可以實現(xiàn)小車的前進、倒退、轉(zhuǎn)彎等功能。.小車循跡的原理這里的循跡是指小車在白色地板上循黑線行走，通常采取的方法是紅外探測法。紅外探測法，即利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質(zhì)的特點，在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當紅外光遇到白色紙質(zhì)地板時發(fā)生漫反射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，小車上的接收管接收不到紅外光。單片機就是否收到反射回來的紅外光為依據(jù)來確定黑線的位置和小車的行走路線。紅外探測器探測距離有限，一般最大不應超過15cm。對于發(fā)射和接收紅外線的紅外探頭，可

16、以自己制作或直接采用集成式紅外探頭。（1）自制紅外探頭電路如圖1所示，紅外光的發(fā)送接收選用型號為ST168的對管。當小車在白色地面行駛時，裝在車下的紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線信號，經(jīng)白色反射后，被接收管接收，一旦接收管接收到信號，那么圖中光敏三極管將導通，比較器輸出為低電平；當 小車行駛到黑色引導線時，紅外線信號被黑色吸收后，光敏三極管截止，比較器輸出高電平，從而實現(xiàn)了通過紅外線檢測信號的功能。將檢測到的信號送到單片機I/O ，當I/O 口檢測到的信號為高電平時，表明紅外光被地上的黑色引導線吸收了，表明小車處在黑色的引導線上；同理，當I/O 檢測到的信號為低電平時，表明小車行駛在白色地面上。此種方法

17、簡單，價格便宜，靈敏度可調(diào)，但是容易受到周圍環(huán)境的影響，特別是在圖1較強的日光燈下，對檢測到的信號有一定的影響。（2）集成式紅外探頭可以采用型號為E3F- DS10C4集成斷續(xù)式光電開關(guān)探測器，它具有簡單、可靠的工作性能，只要調(diào)節(jié)探頭上的一個旋鈕就可以控制探頭的靈敏度。該探頭輸出端只有三根線（電源線、地線、信號線），只要將信號線接在單片機的I/O 口，然后不停地對該 I/O 進行掃描檢測，當其為高電平時則檢測到白紙，當為低電平時則檢測到黑線。此種探頭還能有效地防止普通光源（如日光燈等）的干擾。其缺點則是體積比較大，占用了 小車有限的空間。.紅外探頭的安裝在小車具體的循跡行走過程中，為了能精確測

18、定黑線位置并確定小車行走的方向，需要同時在底盤裝設(shè)4個紅外探測頭，進行兩級方向糾正控制，提高其循跡的可靠性。這4個紅外探頭的具體位置如圖2所示。圖中循跡傳感器共安裝4個，全部在一條直線上。其中 InfraredMR與InfraredML為第一級方向控制傳感器，InfraredSR與InfraredSL為第二級方向控制傳感器。小車行走時，始終保持黑線（如圖 2中所示的行走軌跡黑線）在 InfraredMR和 InfraredML這兩個第一級傳感器之間，當小車偏離黑線時，第一級探測器一旦探測到有黑線，單片機就會按照預先編定的程序發(fā)送指令給小車的控制系 統(tǒng)，控制系統(tǒng)再對小車路徑予以糾正。若小車回到了軌道上，即4個探測器都只檢測到白紙，則小車會繼續(xù)行走；若小車由于慣性過大依舊偏離軌道，越出了第一級兩個探測器的探測范圍，這時第二級動作，再次對小車的運動進行糾正，使之回到正確軌道上去。可以看出，第二級方向探測器實際是第 一級的后備保護，從而提高了小車循跡的可靠性?！颈眹?.聯(lián)情鵬泰IrJraitfcMK牌耕/黑nfnvrtH上工霹一疆行jFii）電動循跡小車設(shè)計來源：忸!笠時間：2008-07-11評論0條（訪問論壇）RobotSky恭傳I您的投稿.軟件