智能循线避障小车设计与制作

智能循线避障小车设计与制作周义 张坤 韩彪（黄石理工学院机电工程学院 湖北黄石 435003）【摘 要】: 提出了一种智能循线避障小车的设计方法，利用红外技术检测障碍物和采集地面信息，采用AT89S51单片机进行适时控制，实现智能循线和避障，并且精确地显示运行速度等参数。智能小车采用后轮驱动，两轮各用一个步进电机执行，速度检测的传感器采用红外对射式，寻路避障用的传感器采用红外反射式，速度检测的码盘采用手工制作。【关键词】: 循线 避障 红外传感 码盘A Design of an Intelligent Patrol and Obstacle Avoidance Car Zhou Yi Zhang Kun Han Biao(Department of mechanical and electronic engineering，Huangshi institute of technology，Huangshi Hubei 435003)【Abstract】: This paper presents a design method of smart car which can patrol and avoid obstacles intelligently. We use infrared technique to detect obstacles and gather ground information and use AT89S51 SCM to make a timing control. Then it not only can achieve the routes patrol and obstacle avoidance, but also show the speed and precision parameters. The smart car uses the rear-wheel drive, which is executed by a stepper motor. The infrared sensors for detecting speed use the infrared correlation type. The way-finding of infrared seasons to avoid obstacles use the infrared reflection type. And the encoder of speed detection is made by hand.【Keywords】: go on circuit； avoid obstacle；Infrared Sensors ；encoder ；1 前言随着生产自动化的发展，机器人已经越来越广泛地应用到生产自动化上，随着科学技术的发展，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发达，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结构化环境简单的目标。视觉传感器的核心器件是摄像管或CCD，但其价格、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。故对机器人的研究已成为必要。 智能循线和避障是基于智能导引小车系统，采用红外传感器实现小车速度检测，判断并检测障碍物。本文对智能小车的循线，避障以及速度的采集进行了研究。2 硬件设计智能小车采用后轮驱动，后轮左右两边各用一个电机驱动，调制两个后面两个轮子的转速从而达到控制转向的目的，前轮是万象轮，起支撑的作用。将三个红外线光电传感器分别装在车体的左中右，当车的左边的传感器检测到黑线的边界时，主控芯片控制左轮电机减速，车向右修正，当车的右边传感器检测到黑线时，主控芯片控制右轮电机减速，车向左修正，中间的传感器起附带修正的作用，黑线在车体的中间，中间的传感器一直检测到黑线，当偏离黑线时也开始修正，从而使小车沿着黑色的轨道行走，装中器是为了防止控制电路频繁的修正。 避障的原理和循线一样，在车头的前中后各装了一个传感器，当左边传感器检测到障碍物时，车子右轮减速，车体向右转，当右边检测到障碍物时，车子左轮减速，当中间或全部的传感器都检测到障碍物时，车子定向转动，从而避开障碍物。 车子速度的检测也是靠的红外线，只不过是器件的型号不同，速度检测的传感器用的是对射式，避障用的是直射式。把码盘装在电机的轴上，码盘随电机一起转动，码盘是自己手工制作的，把光碟外形切制成直径为25mm的圆，再把圆周用锯条均匀切8条缝，缝的宽度为1mm。21 主控芯片的选择本设计的主控芯片选择AT89S51，采用双CPU设计，两块单片机的作用:一块负责采样速度并显示，一块负责检测传感器的状态并控制电机，这部分还有一个PWM调速的任务，PWM是通过调制电平高低占空比来实现调速的，其调制频率要求很高，频率太低了电机会很明显的振动，由于PWM调速需要用定时器频繁地产生中断，后一块CPU消耗的相当厉害，用PROTUES软件仿真，CPU消耗是百分之九十几左右，经过测算，调制PWM的定时器设的初值为OxFF00，定时工作方式为1，晶振的频率为12M，可以计算出每隔256us产生中断，中断频率为3906HZ，用Keil51仿真程序，仿真结果是程序每扫描一次传感器所用的时间为28us，就是是说程序扫描9次才产生一次中断，中断基本上不会影响程序的主任务。22 机械构架的设计在材料的选择上选择铝合金。在结构的选择上，底架结合了汽车悬挂式系统，用减震弹簧把车架和动力结构连接器起来，这样做有诸多优点，系统实现了减震，这是其它类型的机器人所不具备的，悬挂式在机器安装的调试方面也方便快捷。前轮用的是万向轮，结构的长度我们做成的时可拉伸的，拉伸的范围在15-30cm。该结构非常灵活。结构设计时我们考虑到传感器的安装问题了，避障传感器装在前面的两个铝合金夹层里，循线传感器装在机器人的中间，这样才可以保证两组传感器不会发生冲突，使整体显得协调。23 电源电路的设计 本系统所有芯片都需要+5V的工作电压，而干电池只能提供的电压为15V的倍数的电压，并且随着使用时间的延长，其电压会逐渐下降，则需要L7805稳压芯片。L7805能提供300至500mA的电流，足以满足芯片供电的要求。虽然微处理器和微控制器不需要支持电路，功耗也很低，但必须要加以考虑。设计采用蓄电池供电模式，一个12伏电压，可提供最大12A的驱动电流。电机驱动电源和控制电路的电源都是由它来提供的。 24 检测电路设计智能小车速度检测的传感器采用红外对射式，寻路避障用的传感器采用红外反射式，速度检测的码盘采用手工制作。ST系列反射式光电传感器是经常使用的传感器。这个系列的传感器种类齐全、价格便宜、体积小、使用方便、质量可靠、用途广泛。我们采用ST168作为小车的速度传感器。在电机测速中，使用较多的有编码盘与色码盘，不同的是，色码盘在一个扇形区域里只有一种颜色，而编码盘在同样的扇形区域有多种颜色，假设黑色表示0，白色表示1，则这样的扇形组成二进制编码，并且相邻的区域编码连续。这样我们就可以据此判断电机的速度和方向了，但是，它需要的传感器较多，使用较复杂，而小车的空间很紧张，并且对方向要求不高，所以在小车上使用不多，我们采用手工制作的码盘。如果发射管和接收管之间的障碍物时有时无，则接收管的状态就呈现0和1的交替，形成脉冲信号。只要对这个脉冲信号计数，就可以得到小车的行程。我们在车轮的轴上安装手工制作的码盘与车轮同轴同步旋转，就可以得到车轮旋转的脉冲信号。它常用的检测电路与反射式光电传感器一样，这里就不再赘述。在避障的测试中，室内无障碍的情况下，发射管发射的红外线没有反射到接收管，测量接收管的电压为48 ，有白色障碍物情况下，接收管接受到发射管发射的红外线，电阻发生变化，所分得的电压也就随之发生变化，测的接收管的电压为05，避障的测试基本满足要求，判断有无障碍物我们用的一块比较器LM324， 比较基准电压由30K的变阻器调节，各个接收管的参数都不一致，每个传感器的比较基准电压也不尽相同，我们为每个传感器配备了一个变阻器。25 电机控制部分电机的选择，有以下几种电机可供选择：步进电机，伺服电机，直流电机，直流减速电机。根据实际的情况和要求，由于伺服电机在市面上很难买到，且价格过于昂贵，直流电机虽说价格低易于购买，但我们须增加减速机构，而直流减速电机省去了设计复杂减速机构的麻烦，且输出力矩大，虽说须设计速度反馈电路，但速度反馈比较易于设计，所以我们选择直流减速电机。电机的控制部分采用直流H桥集成功放电路直流H桥功放电路是用于控制直流电机双向运动的基本电路，该电路使电机在单电源供电下可以双向运转。图示电路为用三极管构成的H桥集成功放电路基本形式。为使电机顺时针转，应接通三极管A和D，对电机而言，其电压右负左正，通过改变不同的三极管导通状况，可改变电机两端电压，达到反转目的。 图3 电机控制电路 图4 H桥集成功放电路由主控程序控制这几个脚就可以达到控制电机正反转的目的。为了提高机器人的循线成功系数，我们采用了PWM进行机器人运转速度控制，当两个传感器感知到引导线条，点亮指示灯并准备做出改变机器人行进方向的响应时，靠程序的PWM控制降低电机的转速，实现平滑的转向过程。PWM调速的基本原理和思想即使通过反复循环改变ON/OFF的时间分配。但机器人无法借助循环处理实现PWM，需要通过中断处理方式实现。设计靠的是89S51的两个定时器实现的，需要对定时器设定中断周期，也就是PWM的频率。请注意，PWM的频率即时达到数十千赫兹也能满足平滑控制的要求，当产生一个很大的弊端，就是中断次数过多，导致CPU大部分时间都在处理中断，实时检测和控制不能很快的响应和处理。而且电机也存在一个变化速率匹配的问题，所以不妨通过不断的尝试，适当地改变上述设定值以便得到最佳的效果。26 主控的电路图图1 主控电路启动机器人，PWM调制为50%系统初始化扫描传感器并进行判断处理速度检测并送显示左行控制速度检测并送显示直行控制右行控制3主程序设计 图5 系统主程序设计结论本文提出了一种经济实用的智能小车系统设计方法，采用了直流减速电机作为执行元件，系列红外传感器作为检测元件，89S51单片机作为主控芯