基于光電傳感器的智能尋跡車設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引 言

智能運(yùn)輸系統(tǒng)是未來交通運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)，智能汽車在智能運(yùn)輸系統(tǒng)中扮演著十分重要的角色。作者提出智能尋跡車作為構(gòu)建未來智能交通運(yùn)輸系統(tǒng)中重要部分，針對(duì)未來交通運(yùn)輸系統(tǒng)有導(dǎo)航線的環(huán)境命題假設(shè)下智能汽車的自主尋跡問題，提出一種基于視覺的智能尋跡車模設(shè)計(jì)方案，作為該假設(shè)問題的解決方案。

基于視覺的智能尋跡車模設(shè)計(jì)方案能夠在線型復(fù)雜，轉(zhuǎn)彎半徑不確定性大的情況下，利用視覺自主尋跡前進(jìn)，分級(jí)精確轉(zhuǎn)向。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于視覺的智能尋跡車模系統(tǒng)以AVR單片機(jī)MEGA16為核心，由單片機(jī)模塊、路徑識(shí)別模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等組成，如圖1所示。

直流電動(dòng)機(jī)為車輛的驅(qū)動(dòng)裝置，轉(zhuǎn)向電動(dòng)機(jī)用于控制車輛行駛方向。智能尋跡車模利用視覺在跑道上自主尋跡前進(jìn)，分級(jí)精確轉(zhuǎn)向。道路為318 mm寬白色底板，其中間粘貼18 mm寬且線型不斷變化的黑膠帶。

2 硬件設(shè)計(jì)

2．1 控制模塊

尋跡車模采用AVR內(nèi)核的ATMEGAl6。該芯片能夠不需要外圍晶振和復(fù)位電路而獨(dú)立工作，非常適合智能尋跡車模的要求?？刂破髂K安裝在廣東奧迪玩具實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的雷速登1：24比賽級(jí)遙控車模上。

2．2 路徑識(shí)別模塊

采用反射式光電傳感器來區(qū)分跑道上的黑色與白色，反射式光電傳感器有光線發(fā)射端和光線接收端，白底與黑線對(duì)發(fā)射端發(fā)出光線的反射度不同，從而影響接收端產(chǎn)生的電壓。用反射式光電傳感器、可調(diào)電阻和運(yùn)算放大器LM324組成傳感器模塊，如圖2 所示。實(shí)現(xiàn)在不同賽道上輸出高低電平，自主尋跡。

2．3 轉(zhuǎn)向電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

采用H橋電路來驅(qū)動(dòng)智能尋跡車的前輪轉(zhuǎn)向電機(jī)和后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)智能尋跡車左右轉(zhuǎn)向、前進(jìn)、后退、加速、減速等功能。轉(zhuǎn)向電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。其中前輪轉(zhuǎn)向電機(jī)控制方案為分級(jí)轉(zhuǎn)向控制，后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制方案亦為開環(huán)控制。

2．4 分級(jí)轉(zhuǎn)向模塊

為了實(shí)現(xiàn)在不同的轉(zhuǎn)彎半徑處實(shí)現(xiàn)不同角度的精確轉(zhuǎn)向，設(shè)計(jì)了分級(jí)轉(zhuǎn)向電路，如圖3所示。車模舵機(jī)中可變電阻阻值為1．8～4．2 kΩ，1接單片機(jī)A／D管腳。電壓V為片內(nèi)穩(wěn)定基準(zhǔn)電壓，且可以看出：

以1號(hào)傳感器為例，說明分級(jí)轉(zhuǎn)向角度計(jì)算。

傳感器模塊安裝如圖4所示，所有尺寸經(jīng)過前期設(shè)計(jì)計(jì)算，D點(diǎn)為前輪舵機(jī)可調(diào)電阻轉(zhuǎn)向中心，A點(diǎn)為小車轉(zhuǎn)向中心。當(dāng)1號(hào)傳感器檢測(cè)到黑線時(shí)，前輪轉(zhuǎn)向角度以及與前輪轉(zhuǎn)向角度對(duì)應(yīng)的前輪舵機(jī)中可變電阻轉(zhuǎn)向角度計(jì)算為：

V3值線性正比于前輪舵機(jī)中可變電阻角度α1，因此，不同的傳感器探測(cè)位置，可以計(jì)算得出不同的理想前輪轉(zhuǎn)向角度，不同的理想轉(zhuǎn)向A／D電壓，通過單片機(jī)測(cè)量V3，即可換算前輪舵機(jī)中可變電阻轉(zhuǎn)向角度a1，并與理想轉(zhuǎn)向A／D電壓比較，當(dāng)V3達(dá)到理想轉(zhuǎn)向A／D電壓，單片機(jī)控制給舵機(jī)低電平，舵機(jī)停轉(zhuǎn)，保持轉(zhuǎn)向，從而實(shí)現(xiàn)精確分級(jí)轉(zhuǎn)向。