基于激光传感器的循迹智能车设计
基于激光传感器的循迹智能车设计
基于激光传感器的循迹智能车设计作者：高正中孙鸿李尧张步晓孟祥杰来源：《科技视界》 2013年第28期高正中孙鸿李尧张步晓孟祥杰（山东科技大学信息与电气工程学院，山东青岛 266590）【摘要】本文提供了一种可以实现自主循迹的智能车设计方案。
该方案论证了一种采用激光传感器检测黑白线路径信息进而实现小车自主循迹的方法，阐述了智能车的硬件电路设计和软件编程算法。
自主循迹的实现方法是由激光传感器将检测到的黑白线路径信息传给微处理器，软件编程采用速度和转角的闭环控制算法，进而实现了驱动电机的速度控制和转向舵机的转角控制。
实验证明，该智能车具有较强的抗干扰能力和较好的前瞻性，能够快速稳定地实现循迹功能。
【关键词】智能车；激光传感器；自主循迹；数码舵机0 引言激光传感器作为一种新型传感器，凭借其发射距离远、抗干扰性能好、散射角小等优点，广泛应用于工程机械领域[1]。
本设计将激光传感器应用于智能车光电循迹中，由激光传感器采集道路黑白线信息。
微处理器采用Freescale公司生产的MK60DN512型号单片机，完成数据处理和对智能车行驶速度和转向角度的控制。
转向控制采用数码舵机代替传统的模拟舵机，最终实现小车的快速稳定循迹。
1 系统设计智能车硬件系统主要包括：微处理器模块、电源模块、激光传感器模块、电机驱动模块、舵机转向模块、人机交互模块、无线通信模块、测速模块。
硬件系统结构框图如图1所示。
CPU接收激光传感器检测到的路径信息和测速传感器检测到的小车速度信息，经处理后控制转向舵机的角度和驱动电机的速度，同时数据可以通过无线模块传到上位机，方便数据分析和小车调试。
人机交互模块设有多个拨盘开关，可设置小车不同行驶速度。
2 硬件电路设计２．１微处理器模块MK60DN512是飞思卡尔公司于2010年下半年推出的基于ARM Cortex-M4内核的32位微控制器，是业内首款ARM Cortex-M4内核芯片[2]。
其数据处理能力较Cortex-M3内核提高了20%左右。
基于激光传感器的循迹智能车设计
Science &Technology Vision科技视界0引言激光传感器作为一种新型传感器,凭借其发射距离远、抗干扰性能好、散射角小等优点,广泛应用于工程机械领域[1]。
本设计将激光传感器应用于智能车光电循迹中,由激光传感器采集道路黑白线信息。
微处理器采用Freescale 公司生产的MK60DN512型号单片机,完成数据处理和对智能车行驶速度和转向角度的控制。
转向控制采用数码舵机代替传统的模拟舵机,最终实现小车的快速稳定循迹。
1系统设计智能车硬件系统主要包括:微处理器模块、电源模块、激光传感器模块、电机驱动模块、舵机转向模块、人机交互模块、无线通信模块、测速模块。
硬件系统结构框图如图1所示。
图1硬件系统结构框图CPU 接收激光传感器检测到的路径信息和测速传感器检测到的小车速度信息,经处理后控制转向舵机的角度和驱动电机的速度,同时数据可以通过无线模块传到上位机,方便数据分析和小车调试。
人机交互模块设有多个拨盘开关,可设置小车不同行驶速度。
2硬件电路设计2.1微处理器模块MK60DN512是飞思卡尔公司于2010年下半年推出的基于ARM Cortex-M4内核的32位微控制器,是业内首款ARM Cortex-M4内核芯片[2]。
其数据处理能力较Cortex-M3内核提高了20%左右。
MK60DN512单片机共有144引脚,其中具有多达100个I/O 引脚,每个引脚均具有多个功能。
CPU 频率最高可达200MHz,保证系统快速运行。
单片机内置看门狗电路,防止程序意外跑飞。
通过BDM 接口可以实现向单片机下载程序以及在线调试仿真功能。
2.2电源模块小车供电采用一节7.2V 镍-铬充电电池。
其优点是可重复500次以上充放电,经济耐用;内阻小,可实现快速充电;可为负载提供大电流,是一种理想的直流供电电源。
在电池充满电的情况下电池电压约为8.2V。
各模块工作电压如图2所示。
实验证明,在电池充满电的情况下,驱动电机启动瞬间,空载加速到占空比为80%时,电池电压瞬间下降至6.5V 左右,带载的情况下电压更低。
基于激光传感器的自动巡迹智能车控制系统
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ＺＨＡＮＧ Ｙｕ ｎ ，Ｈ ＡＮ Ｙｏ ｎ ｇ ｑ ｉ
・
信息技术 ・
农业网络信 息
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２ ０ １ ６年 第 １ ２期
基 于激光传 感器 的 自动巡迹智 能车控 制 系统
张 芸 ， 韩永奇
（ １ ． 长 春科 技学 院 ，吉林 长 春 １ ３ ０ ６ ０ ０ ；２ ． 吉林 农业 大 学 ，吉林 长春 １ ３ ０ １ １ ８ ）
ｓ ｐ ｅｄ ｄ ｅ ｖ ｉ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｂ ｙ ｃ ｏ ｍ ｐ ａ ｒ ｉ ｎ ｇ ｗ ｉ ｔ ｈ ｈｅ ｔ ｃ ｕ ｒ ｒ ｅ ｎ ｔ ｓ ｅ ｔ ｖ ａ ｌ ｕ ｅ ． Ｉ ｔ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｄ ｅ ｎｄ ａ ｏ ｕ ｔ ｐ ｕ ｔ ｔ ｈ ｅ Ｐ ＷＭ ｐ ｕ ｌ ｅ ｓ ｔ ｏ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｈｅ ｔ ｍ ｏ ｔ ｏ ｒ ｔ ｏ ａ ｄ ｊ ｕ ｓ ｔ ｈｅ ｔ
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基于光电传感器自动循迹的智能车系统设计
第一章绪论1.1智能小车的意义和作用自第一台工业机器人诞生以来，机器人的开展已经普及机械、电子、冶金、交通、宇航、国防等领域。
近年来机器人的智能水平不断提高，并且迅速地改变着人们的生活方式。
人们在不断探讨、改造、认识自然的过程中，制造能替代人劳动的机器一直是人类的梦想。
随着科学技术的开展，机器人的感觉传感器种类越来越多，其中视觉传感器成为自动行走和驾驶的重要部件。
视觉的典型应用领域为自主式智能导航系统，对于视觉的各种技术而言图像处理技术已相当兴旺，而基于图像的理解技术还很落后，机器视觉需要通过大量的运算也只能识别一些构造化环境简单的目标。
视觉传感器的核心器件是摄像管或CCD，目前的CCD已能做到自动聚焦。
但CCD传感器的价格、体积和使用方式上并不占优势，因此在不要求清晰图像只需要粗略感觉的系统中考虑使用接近觉传感器是一种实用有效的方法。
机器人要实现自动导引功能和避障功能就必须要感知导引线和障碍物，感知导引线相当给机器人一个视觉功能。
避障控制系统是基于自动导引小车〔AVG—auto-guide vehicle〕系统，基于它的智能小车实现自动识别路线，判断并自动避开障碍，选择正确的行进路线。
使用传感器感知路线和障碍并作出判断和相应的执行动作。
该智能小车可以作为机器人的典型代表。
它可以分为三大组成局部：传感器检测局部、执行局部、CPU。
机器人要实现自动避障功能，还可以扩展循迹等功能，感知导引线和障碍物。
可以实现小车自动识别路线，选择正确的行进路线，并检测到障碍物自动躲避。
基于上述要求，传感检测局部考虑到小车一般不需要感知清晰的图像，只要求粗略感知即可，所以可以舍弃昂贵的CCD传感器而考虑使用价廉物美的红外反射式传感器来充当。
智能小车的执行局部，是由直流电机来充当的，主要控制小车的行进方向和速度。
单片机驱动直流电机一般有两种方案：第一，勿需占用单片机资源，直接选择有PWM功能的单片机，这样可以实现准确调速；第二，可以由软件模拟PWM输出调制，需要占用单片机资源，难以准确调速，但单片机型号的选择余地较大。
毕业设计---基于光电传感器的自动循迹智能车系统设计
摘要新一代汽车研究与开发将集中表现在信息技术、微电子技术、计算机技术、智能自动化技术、人工智能技术、网络技术、通信技术在汽车上的应用。
智能汽车是是现代汽车发展的方向。
大学生智能车比赛是智能汽车设计的一个实践平台，光电传感器的自动循迹智能车系统，采用光电传感器作为道路信息的采集传感器，单片机为控制系统的核心来处理信号和控制小车行驶。
MC9S12系列单片机在汽车电子控制领域得到广泛应用。
本课题就是利用Freescale的MC9S12XS128微控制器对智能车系统进行设计。
智能车系统设计包括硬件电路和控制软件系统的设计。
硬件系统使用专门软件Altium Designer设计。
硬件电路系统主要包括freescale单片机最小系统、电源管理系统、路径识别与检测系统、电机驱动系统。
而控制系统软件的设计主要包括单片机的初始化、PID控制算法、路径识别算法、舵机控制算法、速度控制算法。
软件设计是用Freescale公司的Codewarrior软件作为软件开发和仿真下载的平台。
最后完成了整个自动循迹智能车系统设计。
关键字：智能车；光电传感器；自动循迹；控制算法；PID;I基于光电传感器的自动循迹智能车系统设计ABSTRACTThe design of autoguiding smartcar system based onphotoelectric sensorN ew generation automobile development and researched focus on information technology, microelectronic technology, computer technology, intelligent automation technology, artificial intelligence technology, networking technology, communication technology and so on. The intelligent automobile is the direction in which the modern automobile developed.The university students intelligence vehicle competition is a practice platform in which intelligence automobile designed , we use the photoelectric sensor as gathering sensor to take path information , The microcontroller is used as the control system core ,and process the signal, and controls car to run . signal-chip microcomputer MC9S12 series be widespread utilized in the automobile electronic control domain. I use the Freescale microcontroller MC9S12XS128 to design the intelligent vehicle system. The design of intelligent vehicle system including hardware circuit and control software system. I adopt the software of electronics design Altium Designer to complete designing the hardware . Hardware circuit system mainly includes the freescale ’s Single-chip Microcomputer smallest system, the power source management system , the way recognition and the detecting system, the motor-driven system. But the control software system mainly includes Single-chip Microcomputer 's initialization, the PID control algorithm, the way recognition algorithm, the steering engine control algorithm, the speed control algorithm . It uses Freescale Corporation's Codewarrior as the software development ,the simulation and downloading…s platform in the software designing . Finally The design of auto track smartcar system based on photoelectric sensor is completed.Key words: Intelligent vehicle; photoelectric Sensor; auto track; Control algorithm ;PID；II摘要 (I)ABSTRACT ........................................................................................................................ I I 插图清单 (I)第1章绪论................................................................................................................. - 1 -1.1 毕业设计（论文）内容及研究意义（价值）............................................. - 1 -1.2 毕业设计（论文）研究现状和发展趋势..................................................... - 2 -第2章控制系统整体方案设计................................................................................... - 3 -2.1 整体设计方案概述........................................................................................... - 3 -2.2 控制系统整体方案设计................................................................................. - 4 -2.2.1 模型车硬件整体方案设计...................................................................... - 4 -2.2.2 系统软件模块分析 ................................................................................. - 7 -2.2.3 控制算法设计方案 ................................................................................. - 8 -第3章单片机最小系统模块....................................................................................... - 9 -3.1 单片机以及最小系统简介............................................................................... - 9 -3.2 MC9S12XS128最小系统设计 ...................................................................... - 9 - 第4章电源管理模块................................................................................................. - 11 -第5章路径识别模块和测速检测模块..................................................................... - 13 -5.1 路径识别模块................................................................................................. - 13 -5.1.1 光电传感器 ........................................................................................... - 13 -5.1.2 光电传感器发射与接收电路设计 ....................................................... - 13 -5.1.3 路径识别传感器布局设计 ................................................................... - 14 -5.2 测速检测模块 .......................................................................................... - 16 -第6章电机驱动模块................................................................................................. - 19 -6.1 直流电机驱动模块......................................................................................... - 19 -6.1.1 电机的工作原理 ................................................................................... - 19 -6.1.2 MC33886介绍....................................................................................... - 21 -6.1.3 PWM信号控制电机的转速.................................................................. - 22 -6.2 舵机驱动模块............................................................................................... - 23 -第7章智能车软件的设计......................................................................................... - 29 -7.1 单片机初始化................................................................................................. - 30 -7.2 PID控制算法 ............................................................................................... - 32 -7.3 路径识别算法............................................................................................... - 34 -7.4 舵机控制算法............................................................................................... - 34 -7.5 速度控制算法............................................................................................... - 36 -I基于光电传感器的自动循迹智能车系统设计第8章开发制作与调试............................................................................................. - 38 -8.1 CodewarriorV4.7软件及其应用.................................................................. - 38 -8.2 BDM for S12的使用.................................................................................... - 43 -结论和展望................................................................................................................... - 44 - 致谢........................................................................................................................... - 45 - 参考文献....................................................................................................................... - 46 - 主要参考文献摘要....................................................................................................... - 48 - 附录A ........................................................................................................................... - 50 -II插图清单图2-1 系统信息的控制流程图....................................... - 4 - 图2-2 智能车控制系统整体结构图................................... - 5 - 图2-3 系统硬件结构图............................................. - 6 - 图2-4 系统软件结构............................................... - 7 - 图3-1 最小系统原理图和PCB图.................................... - 10 - 图4-1 电源系统结构框图.......................................... - 11 - 图4-2 LM7805电路图.............................................. - 12 - 图4-3 LM7806电路图.............................................. - 12 - 图5-1 光电传感器的基本组成...................................... - 13 - 图5-2 单对红外传感器电路图...................................... - 14 - 图5-3 红外探测布局的PCB图...................................... - 16 - 图5-4 霍尔原理.................................................. - 17 - 图5-5 霍尔测速电路图............................................ - 18 - 图6-1 H桥式电机驱动电路......................................... - 20 - 图6-2 H桥电路驱动电机顺时针转动................................. - 20 - 图6-3 H桥电路驱动电机逆时针转动................................. - 21 - 图6-4 MC33886电机驱动原理图..................................... - 22 - 图6-5 舵机工作原理示意图........................................ - 24 - 图6-6 舵机输出转角与控制信号脉宽之间关系........................ - 25 - 图6-7 不同占空比的PWM波形控制的转向伺服电机状态图.............. - 26 - 图6-8 转向伺服电机控制方法图.................................... - 27 - 图6-9 舵机转角控制模块程序流程图................................ - 28 - 图7-1 光电传感器方案主程序流程图................................ - 29 - 图7-2 典型PID控制结构.......................................... - 33 - 图7-3 舵机控制流程图............................................ - 35 - 图7-4 速度控制流程图............................................ - 37 - 图8-1 CodearrierV4.7 创建新的工程窗口........................... - 40 - 图8-2 CodearrierV4.7的工程的初始设置窗口........................ - 41 - 图8-3 CodearrierV4.7的编译窗口.................................. - 42 -图8-4 BDM的PCB原理图........................................... - 43 -I第1章绪论自动循迹智能车是一个集环境感知、规划决策、自动驾驶等多种功能于一体的综合系统。
基于激光传感器的自主循迹智能车设计
Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｆ ｉ ｎ ｔ ｅ ｌ ｌ ｉ ｇ ｅ ｎ ｔ ｖ ｅ ｈｉ ｃ ａ ｌ ｗｉ ｔ ｈ ｉ ｎｄ ｅ ｐ ｅ ｎｄ ｅ ｎ ｔ ｔ ｒ ａ ｃ ｋｉ ｎｇ
ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ｓ ｅ ｎｓ ｏ ｒ
白路 径 的 智 能 车 ， 设计一组 共 １ ８个 激 光 传 感 器组 ， 并 在 传感 器 布 局 和 路 径 识 别 算 法 中将 激 光 头 分 成 ３组 形 成 分 时 复 用， 通 过 寄 存 器 赋 值 用 以 区 分 黑 线 的 不 同位 置 。 而后 根据 寄 存 器 的 值 ， 分 别 调 试 出舵 机 的 期 望 脉 冲 值 和 当 前 脉 冲 值 ， 通 过 二 者 作 差 从 而 获 得 方 向控 制 的偏 差 值 ， 并对偏 差采取 Ｐ Ｄ控 制。实际 凋试表 明 ， 所提传感 器布 局、 路 径 识 别 和 处
理方法可 以有效识别道路信息 ， 并 使 得 智 能 车方 向控 制 精 确 平 稳 。 关 键 词 ：激 光 传感 器 ； 智能车 ； 路径识别 ； 路 径 处 理 中图 分 类 号 ：ＴＮ ２ ４ ７ 文 献 标 识 码 ：Ａ 国 家 标 准 学 科 分 类 代 码 ：５ １ ０ ． ８ ０ ６ ０
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：ｉ ｎ ｔ ｈｅ ｓ ｅ ｎｓ ｏｒ ｓ ｕ ｓ ｅ ｄ ｆ ｏｒ ｐ ａｔ ｈ ｒ ｅ ｃ ｏｇ ｎｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎ ｉ ｎｔ ｅ ｌ ｌ ｉ ｇｅ ｎｔ ｒ ｏ ｂ ｏｔ ，ｔ ｈｅ ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ｓ ｅ ｎ ｓ ｏｒ ｉ ｓ ｗｉ ｄ ｅ ｌ ｙ ｕｓ ｅ ｄ ｂ ｅ ｃ ａ ｕ ｓ ｅ ｏｆ ｉ ｔ ｓ ｈｉ ｇｈ ｐｒ ｅ ｃ ｉ ｓ ｉ ｏｎ ａ ｎｄ ｓ ｔ ｒ ｏ ｎｇ ｒ ｅ ａ ｌ — ｔ ｉ ｍｅ ．Ｉ ｎ ｔ ｈｉ ｓ ｐ ａ ｐｅ ｒ ，ｆ ｏｒ ｔ ｈｅ ｉ ｎ ｔ ｅ ｌ ｌ ｉ ｇｅ ｎｔ ｖｅ ｈｉ ｃ ｌ ｅ ｗｈｉ ｃ ｈ ｎ ｅ ｅ ｄｓ ｔ ｏ ｒ ｅ ｃ ｏ ｇｎｉ ｚ ｅ ｔ ｈｅ ｂｌ ａ ｃ ｋ ａ ｎｄ ｗｈｉ ｔ ｅ ｐ ａｔ ｈ， ａ ｓ ｅ ｔ ｏｆ Ｉ ８ ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ｓ ｅ ｎ ｓ ｏｒ ｓ ｗｅ ｒ ｅ ｄｅ ｓ ｉ ｇｎ ｅ ｄ． Ａ ｎ ｄ ｉ ｎ ｓ ｅ ｎｓ ｏｒ ｐｌ ａ ｃ ｅ ｍｅ ｎｔ ａ ｎｄ ｐａ ｔ ｈ ｉ ｄ ｅ ｎｔ ｉ ｆ ｉ ｃ ａｔ ｉ ｏ ｎ，ｔ ｈｅ ｓ ｅ ｌ ａｓ ｅ ｒ ｓ ｅ ｎｓ ｏｒ ｓ ｗｅ ｒ ｅ ｄ ｉ ｖ ｉ ｄｅ ｄ ｉ ｎｔ ｏ ３ ｔ ｅ ａｍ ｓ ｆ ｏ ｒ ｔ ｉ ｍｅ ｓ ｈａ ｒ ｉ ｎ ｇ ｍ ｕｌ ｔ ｉ ｐ ｌ ｅ ｘ ｉ ｎ ｇ．ａ ｎ ｄ ｄｉ ｆ ｆ ｅｒ ｅ ｎｔ ｖａ ｌ ｕｅ ｓ ｗｅ ｒ ｅ ａ ｓ ｓ ｉ ｇｎｅ ｄ ｆ ｏ ｒ ｄｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎｔ ｂ ｌ ａ ｃ ｋ ｗｉ ｒ ｅ ｐ ｏｓ ｉ ｔ ｉ ｏｎ ｓ ． Ｔｈｅ ｎ ｆ ｏｒ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅｒ ｅ ｎｔ ｖ ａ ｌ ｕ ｅ ｓ， ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｓ ｉ ｒ ｅ ｄ ｐｕ ｌ ｓ ｅ ｖ ａ ｌ ｕｅ ｓ ｆ ｏｒ ｓ ｔ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ｅ ｎｇｉ ｎｅ ａ ｎｄ ｃ ｕｒ ｒ ｅ ｎｔ ｐ ｕｌ ｓ ｅ ｖ ａ ｌ ｕ ｅ ｓ ｗｅ ｒ ｅ ｄｅ ｂｕ ｇｇｅ ｄ． Ｗ ｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｄｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎｃ ｅ ｏｆ ｔ ｈｅ ｓ ｅ ｔ ｗｏ ｐ ｕｌ ｓ ｅ ｖａ ｌ ｕ ｅ ｓ，ｔ ｈｅ ｅ ｒ ｒ ｏ ｒ ｗａ ｓ ｏｂ ｔ ａ ｉ ｎｅ ｄ． Ｔｈｕｓ ＰＤ ｃ ｏｎｔ ｒ ｏｌ ｗａ ｓ ａ ｄｏ ｐｔ ｅ ｄ ． Ｆｉ ｎ ａ ｌ ｌ ｙ，ｉ ｔ ｗａ ｓ ｓ ｈｏ ｗｎ ｂ ｙ ｐｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｃ ａｌ ｄ ｅ ｂｕ ｇｇｉ ｎｇ ｔ ｈａ ｔ ｔ ｈｉ ｓ ｌ ａｙ ｏｕ ｔ ｏｆ ｓ ｅ ｎｓ ｏｒ ｓ， ｐ ａ ｔ ｈ ｉ ｄｅ ｎｔ ｉ ｆ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏｎ ａｎ ｄ ｐ ｒ ｏｃ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎ ｇ ｍｅ ｔ ｈｏ ｄ ｃ ａ ｎ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｌ ｙ ｉ ｄ ｅ ｎｔ ｉ ｆ ｙ ｔ ｈｅ
基于激光传感器的智能循迹小车设计
不恰当的话 ，将会导致转 向的滞后和机械 。 本 系 统采用 算 术平均 法进 行滤 波。每 次 将采集的信号进行加权，判断等处理方法进行 单次滤波，保留数据；等待采集满二十个采样
值后进行算术平均运算，给 出一次转角 。这种
方法适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤 波。需要注意的是：运用算术平均滤波需充分 考虑程序的执行时间和舵机的延迟时间 ，要经
小 Ｓ小车 舵机 转 的太厉 害等 。这些 问题 需要 现场调试 ，修 改路径识别算法 。本 系统直 接用 Ｃ ｏ ｄ ｅ Ｗａ ｒ ｒ ｉ ｏ ｒ ６ ． ０开发环 境编程和调 试，可 以在 线查看 当前路径信 息和各个 寄存器 的值 ，还可 以在线修 改程序和设置参数 ，但是这种 方式看 的数据 不多，不能更全面 的掌握 路径信 息。系
汽车 电子 ・ Ａ ｓ
基于激 光传 感器 的智能循迹小车设计
文／ 朱 丹
智 能 小车 使用 ７ ． ２ Ｖ ２ ０ ０ ０ ｍＡｈ Ｎｉ 。 ｃ ｄ电池 在 试验 中根据 不同的安装而 定，适 当的值 会使 本 文介 绍 了基 于激 光传 感 器 作 为路 径识 别 装置 的智 能循 迹 小 车的设计 ， 本 系统选取激光传感 器 作 为路 径信 息采 集装 置， 以飞思 卡 尔 两片 ８位 单 片机 Ｍ Ｃ ９ Ｓ ０ ８ Ｄ Ｚ ６ ０ 作 为 系统 的控 制核 心 ，介绍 了基 于激 光传 感 器的数 据处 理 与算 法 设 计 ，并在 Ｃ ｏ ｄ ｅ Ｗ ａ ｒ ｒ ｉ ｏ ｒ ６ ． ０开 发 环境 上 采用 Ｃ语 言 进行 了软 件编 程 和 仿真 ，最后 经 过 实际 场地调 试和 多 次 系统 的改进 ，提 高 了小 车识 别 系统 的前 瞻性 和 准确度 ， 从 而达 到 了提 高小车运 行速 度 和
基于光电传感器的循迹车设计与实现
基于光电传感器的循迹车设计与实现
刘金栋 高荣
（ 长安大学电子与控制工程学院 陕西西安 ７ １ ０ ０ ６ ４ ）
摘 要： 针对 交通模 拟平 台对循迹 车稳定 性 以及便 于批 量制作 的要求， 设计 了一种 以Ｐ ｃ Ｂ 电路 板 兼作 车体 的 两轮 循迹 车。 圆形 电路板 紧凑的设 计 兼顾 车体 的机械 要 求与控 制 电路的 电气需 求。 为得 到较 高 的信 息利 用 率， 光 电传 感 器采 用 了一 种特 殊 的布 局 、 信 号 处理 方式 ， 仅 需４ 对光 电传 感单 元采 集路 面信 息即 可满足 循 迹的数 据 需 求 。 数 字 滤波 Ｖ Ａ ． Ｅ ｋ Ｐ Ｉ Ｄ调 节 器控 制 车 体 两侧 电机 的转速 ， 实现 了实验 车稳 定 、 流畅 的循 迹功 能 。 关 键￣ ： Ａ ｔ ｍｅ ｇ ａ １ ６ 红 外光 电管 金属 齿轮 电机 Ｐ Ｗ Ｍ Ｐ Ｉ Ｄ 中图分 类号： Ｔ Ｐ ２ ４ ２ ． ６ 文献标识 码： Ａ 文章 编号 ： １ ０ ０ ７ ＿ ９ ４ ｌ ６ （ ２ Ｏ １ ４ ） Ｏ １ ． ０ １ ４ ８ － ０ １
２ ． ２电 源 模 块
３ ． ２离散Ｐ Ｉ Ｄ调节器及其偏差量拟合算法
循迹 车控 制核 心采用单片机实现 ， 所 以需要将模 拟的Ｐ Ｉ Ｄ 调节 器 离散化 ， 以便 于程序实 现。 离散 化后Ｐ Ｉ Ｄ 调 节器 的差分 方程为 ：
土
ｕ （ ｎ ） ＝ Ｋ ｐ ｅ （ ｎ ） ＋ Ｋ Ｐ （ ｆ ） ＋ Ｋ （ ） 一 ｅ （ ｎ 一 １ ） ｊ
× １ 。 。 ％
２系统硬件设计
系统采用Ａ ｔ ｍｅ ｌ 公司的Ａｔ ｍｅ ｇ ａ ｌ ６ 单片机作为控 制核心 ， ７ ． ４ Ｖ可 充电锂 电池结合开关稳压模块实现系统供 电， 依靠红外光 电传感单 元采集路径中心引导 线（ 黑线） 信息 ， 金属齿轮减速 电机 由Ｌ ２ ９ ８ 直流 电机驱动 单元控 制 。 ２ ． １ Ａ ｔ ｍｅ ｇ ａ １ ６ 单 片机 Ａ ｔ ｍｅ ｇ ａ ｌ ６ 单片机是 高性 能、 低功耗 的８ 位ＡＶ Ｒ微处理器 ， 采用 先进的Ｒ Ｉ Ｓ Ｃ 结 构， 工作于 １ ６ ＭＨｚ 时， 其性能高达 １ ６ ＭＩ Ｐ Ｓ 。 此外 内置 ８ 路输入 的１ Ｏ 位Ａ ／ Ｄ 转换器 ， 最高分辨率 时采样率高达１ ５ ｋ Ｓ Ｐ Ｓ 。 自 带 四通道Ｐ ＷＭ信号输 出单元 ， 可 以用以产生控制 电机转速 的Ｐ ＷＭ 信号 。 其性 能可以满足本设计要求 。
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基于激光传感器的循迹智能车设计
【关键词】智能车；激光传感器；自主循迹；数码舵机
0 引言
激光传感器作为一种新型传感器，凭借其发射距离远、抗干扰性能好、散射角小等优点，广泛应用于工程机械领域[1]。
本设计将激光传感器应用于智能车光电循迹中，由激光传感器采集道路黑白线信息。
微处理器采用freescale公司生产的mk60dn512型号单片机，完成数据处理和对智能车行驶速度和转向角度的控制。
转向控制采用数码舵机代替传统的模拟舵机，最终实现小车的快速稳定循迹。
1 系统设计
智能车硬件系统主要包括：微处理器模块、电源模块、激光传感器模块、电机驱动模块、舵机转向模块、人机交互模块、无线通信模块、测速模块。
硬件系统结构框图如图1所示。
cpu接收激光传感器检测到的路径信息和测速传感器检测到的小车速度信息，经处理后控制转向舵机的角度和驱动电机的速度，同时数据可以通过无线模块传到上位机，方便数据分析和小车调试。
人机交互模块设有多个拨盘开关，可设置小车不同行驶速度。
2 硬件电路设计
2.1 微处理器模块
mk60dn512是飞思卡尔公司于2010年下半年推出的基于arm cortex-m4内核的32位微控制器，是业内首款arm cortex-m4内核
芯片[2]。
其数据处理能力较cortex-m3内核提高了20%左右。
mk60dn512单片机共有144引脚，其中具有多达100个i/o引脚，每个引脚均具有多个功能。
cpu频率最高可达200mhz，保证系统快速运行。
单片机内置看门狗电路，防止程序意外跑飞。
通过bdm接口可以实现向单片机下载程序以及在线调试仿真功能。
2.2 电源模块
小车供电采用一节7.2v镍-铬充电电池。
其优点是可重复500次以上充放电，经济耐用；内阻小，可实现快速充电；可为负载提供大电流，是一种理想的直流供电电源。
在电池充满电的情况下电池电压约为8.2v。
各模块工作电压如图2所示。
实验证明，在电池充满电的情况下，驱动电机启动瞬间，空载加速到占空比为80%时，电池电压瞬间下降至6.5v左右，带载的情况下电压更低。
对于需要稳压到5v供电的器件，在这种低电压的情况下如果采用普通的三端稳压电源芯片，其输入电压将小于规定的最小输入电压，此时输出电压不稳定，将会导致器件无法正常工作。
同时考虑到系统的可扩展性，本设计选用低压差线性稳压芯片
ams1117，spx3940和tps7350。
2.3 激光传感器模块
光电传感器检测路面信息的原理是由发射管发射一定波长的光，经反射后由接收管接收[3]。
由于在黑色和白色表面反射系数不同，在黑色表面大部分光线被吸收，而在白色表面大部分光线被反射，所以接收管接收到的反射光强不同，从而输出引脚电压不同，就可
以将黑白路面区分开来[4]。
本方案选用激光传感器作为循迹传感器。
它具有原理简单、安装方便、检测速度快、数据量小、数据处理简单的优点[5]。
激光收发不受外界光线影响，前瞻较大，能够稳定工作，因此控制核心对赛道的预处理能力较好，可保证小车快速稳定行驶。
激光传感器由两部分构成，即发射部分和接收部分。
发射部分由激光管及其驱动电路组成，接收部分由接收管及其滤波电路组成。
激光管内有一个激光二极管，作为激光头中的发光器件。
它发出波长为650nm的激光光束。
接收管为数字输出光探测器，内部集成了光电二极管信号处理电路，其电路包括放大器、施密特触发器和电压调节器等。
接收管可接收频率为160khz-200khz、波长为
500nm-980nm、占空比为20-30%的调制波。
由于反射回来的激光光束是发散的，不易被接收管上的接收头捕捉，因此在接收管前方加一个透镜，将发散的光束汇聚到一个点，即透镜的焦点上。
然后调整透镜的位置，使透镜的焦点跟接收管的接收头重合。
实际测试中，前瞻距离在高度为15cm时，接收管稳定接收的最远距离可达60cm，远远满足小车大前瞻的要求。
激光传感器发射部分电路如图3所示。
激光传感器接收部分电路如图4所示。
本设计采用“二对一”的策略[6]，即两个激光发射管对应一个激光接收管。
本设计共使用8个激光发射管，采用“一字型”光点排布，两激光点之间距离约为2cm，激光前瞻约为40cm。
由于单个
接收管接收范围约为3.5cm，为有效防止距离较近的激光点之间的相互干扰，因此本设计采用分时发射策略。
2.4 电机驱动电路
直流电机驱动广泛采用h桥驱动电路。
设计中可以使用集成h桥驱动芯片，也可以使用mos管设计h桥电路。
但是用mos管设计的驱动电路相对复杂，电路容易出现问题。
本设计中电机驱动芯片选用英飞凌公司生产的半桥驱动芯片
btn7970。
它是一款针对电机驱动应用的完全集成的大电流半桥芯片，其作用是将恒定的直流电源电压（电池电压）调制成频率一定、宽度可变的pwm脉冲电压序列，进而改变输出平均电压的大小。
btn7970的内部在上桥臂集成了一个p沟道场效应管，在下桥臂集成一个n沟道场效应管。
btn7970内部结构示意图如图5所示。
当输入高电平时，上桥臂场效应管导通，输出端与正电源形成电流通路；当输入低电平时，下桥臂场效应管导通，输出端与地形成电流通路。
本设计使用两片btn7970构成全桥驱动电路。