基于红外传感器的自动寻迹智能小车设计

基于红外传感器的自动寻迹智能小车设计内容摘要：

日光等 ,因此 ,为了提高系统的可靠性和准确性 ,通常是将发射信号经调制后送红外管发射 ,再由光敏管接收调制的红外信号 [3]。 同时，要保证发射管和接收管的波长匹配。 接收的反射光强度经检测电路转换得到的输出信号电压 Vout 是反射面与传感器之间距离 x 的函数 ,当反射面物质为同种物质时 , x 与 Vout 的响应曲线是非线性的 ,如图 1 所示。 设定输出电压达到某一阈值时作为目标 ,不同的目标距离阈值电压是 不同的。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 5 页 图 输出信号与距离的关系曲线 当 x 一定时 ， 接收的反射光强度还与反射面的特性有关。 在智能车系统中 ， 红外发射管发射的红外线具有一定的方向性 , 当红外线照射到白色地面时会有较大的反射 ， 如果距离 x 取值合适 ,红外接收管接收到反射回的红外线强度就较大。 如果红外线照射 黑色标志线 ,黑色标志线会吸收大部分红外光 ,红外接收管接收到红外线强度就很弱。 这样 ,利用红外光电传感器检测智能车行驶道路上的黑色标志线 ,就可以实现智能车的自动寻迹。 红外光电传感器的输出可分为数字式与模拟式两种。 数字式红外传感器具有 与微处理器相对应的接口 ,硬件电路简单 ,但存在采集路径信息粗糙、丢失路径信息的缺点。 模拟式红外传感器输出的模拟信号 ,通过将多个模拟式红外传感器进行适当的组合形成光电传感器阵列 ,可以再现道路的准确信息 ,具有较高的可靠性与稳定性。 图 2 为沿车道黑色标志线分布的阵列光电传感器的输出。 实际工作时利用传感器对白色和黑色的反射率大小 ,把最大、最小值之间分为 n 个 index 区间 , 通过对各个传感器 index 值的组合来获得车身相对路径标志线的位置 ,从而对位置和行驶方向都能做较精确的控制。 图 沿黑色标志线分布 的阵列光电传感器输出 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 6 页 传感器布局对路径识别的影响 使用光电传感器实现智能车的路径识别 ,除了要求使用的发射 / 接收器件的波长特性一致 ,发射 /接收传感器组对时 ,各方面性能尽量接近外 ,传感器的安装布局对寻迹效果也有非常大的影响 [4]。 布局相关参数 （ 1）传感器间隔 各个传感器的布局间隔对智能车行车是有一定的影响的。 道路中间黑色导引线的宽度为 25mm，因此如果要求传感器间不出现同时感应现象（即每次采集只出现一个传感器值为 1），那么传感器间隔就必须大于 25mm。 如果将间隔设计成 小于 25mm，从而产生更多的情况，有利于模型车与道路偏移距离的判断。 此外，如果间隔过大，还会出现另一种情况，即在间隔之间出现空白对于防飞车能力，可以用最大限制速度来衡量。 20mm 间隔的最大限制速度在 3m/s， 40mm 间隔的最大限制速度则为。 经过分析后可知，这是由于传感器间隔大造成车的横向控制范围较大（ 40mm 的车控制在 177。 13mm内，而 20mm 的则在177。 7mm 内），因此它不易造成迷失。 （ 2）径向探出距离 径向探出距离是指光电传感器离车头的径向距离。 它主要影响智能车的预测性能。 对于未知的路径，如果能 早一步了解到前方道路的情况，那么就可以早些做出调整，从而使车以相应最优策略通过道路。 所以，理论上探出距离是越大越好，但是如果距离过大，智能车可能会发生重心偏移，造成行驶不稳、振动等一系列问题。 因此，为了既能增加径向距离，又不引起重心偏移，本文可以采用带倾角的传感器安装方式。 一字型与八字型布局研究 （ 1）一字型布局 一字型布局是传感器最常用的布局形式，即各个传感器都在一条直线上，从而保证纵向的一致性，使其控制策略主要集中在横向上。 对于不同的间隔选 择， 其出现情况数也相对不同。 本文仿真试验采用的是间 隔大于 25mm 且两两并列的布局方式，这样在跑车时可以产生 13 种不同的情况。 首先，对于传感器有输出值的 (即其中有一传感器照到黑道 )情况，则根据其所在的位置进行相应控制；其次，对于迷失情况，可利用之前哪 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 7 页 个传感器输出情况来推断模型车时进入了哪一段区域。 本文选用两两并列就是为了能明确区分出具体区域，如果不这样排列，则当出现迷失时，将无法判断黑道在左边还是右边。 （ 2）八字型布局 八字型布局从横向来看与一字型类似，但它增加了纵向的特性，从而具有了一定的前瞻性。 将中间两传感器进行前置的主要目的在于能够早一步了解到车前方 是否为直道，从而可以进行加速。 值得一提的是，由于纵向的排列不一致，就比一字型更增加了多传感器同时感应的可能性 (一字型只可能是所有传感器同时感应，而八字型则可能出现几个传感器同时感应的现象 )。 因此，在决定控制策略时，必须要考虑这种情况，但反过来说，我们也可以利用这种情况的发生来完成一些特定的判断 (比如某弯道角度的确定等 )。 最终选定一字型排布方式。 发射管选择台湾亿光生产的大功率红外管 HIR383（如图 ） , 在应用时串联一个 50Ω 的限流电阻，发射电流增大到 100mA。 对应选取波长与 HIR383 相近的 pt334 作为接收管。 并且把接收电阻增大到 50KΩ，放大接收到的光电信号。 此外，由于采用分离式红外接收管，增大了发射功率和发射半径，相邻的红外发射管会对同一个接收管产生干扰，因此，给每个接收管套上热缩管，使得每个接收管只在相对应的一小块区域内接受红外信号。 图 HIR383C 发射管 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 8 页 图 单排 HIR333C 红外光电管实物图 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 9 页 第 3 章 智能车机械结构的调整 车体结构是硬件中一个很重要的方面，从控制的角度来说，这部分既是系统的执行机构又是被控对象。 车模底盘参数优化 和前轮参数优化等调整可以保证车体在机械结构方面具有良好的性能，使其拥有较强的执行能力，其重要性丝毫不亚于良好的控制决策 ；而保证被控对象的轻便与灵活同样有利于提高控制效果。 所以，在整车的机械结构方面 ，我们对 转向机构 、前轮 定位 、 重心位置、 车模 底盘 、后轮差速及齿轮传动进行了改进。 赛车参数 我们选用 1/10 Matiz 仿真车模。 车模基本尺寸参数如表。 表 车模基本尺寸 基本参数 尺寸 轴距 197mm 前轮距 124mm 后轮距 136mm 车轮直径 5cm 车长 316mm 车宽 172mm 传动比 18/76 智能车参数（如表 ）： 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 10 页 表 模型车主要技术参数说明 车模长（ cm） 车模宽（ cm） 车模高（ cm） 13 电路功耗 2A 探测距离（ cm） 32 传感器个数 13 车模重量（ kg） 增加电机个数 0 赛道检测精度 5ms 赛道检测频率（次 /S） 20 舵机安装方式调整 舵机转动一定角度有时间延时，时间延时正比于旋转过的角度，反比于舵机的响应速度。 通过控制策略分析可知，舵机的响应速度直接影 响模型车通过转弯通道时的最高速度，提高舵机的响应速度是提高模型车平均速度的一个关键。 提高舵机响应速度有二个方法，一是提高舵机的工作电压；二是在机械上进行调整，根 据杠杆原理， 将舵机的输出舵盘适当加长，将转向传动杆连接在加长的输出盘的末端。 这样就可以在舵机输出较小的 转角下，取得最大的前轮转角，提高了舵机的响应的灵敏度。 前轮定位 现代汽车在正常行驶过程中，为了使汽车直线行驶稳定，转向轻便，转向后能自动回正，并减少轮胎和转向零件的磨损等，在转向轮、转向节和前轴之间须形成一定的相对安装位置，称作车轮定位，其 主要定位参数包括 :主销后倾、主销内倾、车轮外倾和前束。 Matiz 车模前轮的四项定位参数均可调 [5]。 主销后倾角 主销指转向轮在转向是围绕其转动的轴。 主销在汽车的纵向平面内由一个向后的倾角 γ，即主销轴线与地面垂直线在汽车纵向平面内的夹角，成为“主销后倾角”，如图 所示。 采用主销后请的原因是由于汽车在车轮偏转后会产生一回正力矩，纠正车轮 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 11 页 的偏转。 后倾 角 γ 越大，车速越高，车轮偏转后自动恢复能力越强。 而回正力矩过大，会引起前轮回正过猛，加速前轮摆震，并导致转向沉重。 图 主销后倾角 实验 中发现，在其他情况相同的条件下，主销后倾角对车体的影响主要有以下三个方面 : (l)主销后倾角太小造成不稳定 :主销后倾角 γ 接近 0176。 甚至小于 0176。 的情况下，当车模在较高速度行驶时，转向后车模缺乏自动回正能力，舵机对转向控制过于灵活。 车速高时发飘，更容易在直道行驶时产生震荡。 (2)主销后倾角太大造成转向不灵活 :主销后倾角 γ 大于 6176。 的情况下，前轮的转向能力明显受到限制，表现为转向沉重，控制滞后严重。 (3)主销后倾角不对称造成跑偏 :左、右两轮之主销后倾角不相等时，车模出现跑偏，跑偏方向朝向主销后倾角较小的一侧。 基于以上分析，结合试验，将主销后倾角 γ 调整为 2176。 左右。 这种情况下，汽车转向较灵活，而且在高速行驶的时候，转向后车体有一定的自动回正能力，可以使车体运动轨迹更加平稳，行驶路线平滑。 主销内倾角 主销在汽车的横向平面内向内侧倾斜一个 β角，即主销轴线与地面垂直线在汽车横向断面内的夹角，成为“主销内倾角”，如图 所示。 主销内倾角 β也有利于车轮自动回正作用。 当转向轮在外力作用下发生偏转时，由于主销内倾的原因，车轮连同整个汽车的前部将被抬起一定高度，当外力消失后，车轮就会在重力作用下恢复到原来的正 中 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 12 页 位置。 另外，主销内倾还会使主销轴线延长线与路面的交点到车轮中心平面的距离减小，同时转向时路面作用在转向轮上的阻力矩也会减小，从而可减小转向时驾驶员 (舵机 )施加在方向盘上的力，使转向操纵轻便，同时也减小了由于路面不平而从转向轮输 出到转向盘上的力反馈。 但是主销内倾角不宜过大，否则在转向时车轮绕主销偏转的过程中，轮胎与路面间将产生较大的滑动，从而增加轮胎与路面之间的摩擦阻力。 这不仅会使转向变的沉重，还将加速轮胎的磨损，也容易在转向是造成前轮的滑移。 图 主销内倾角与前轮外倾角 模型车通过调整前轮定 位螺杆长度来改变主销内倾角，通过实验证实 6176。 ～ 8176。 的主销内倾角对于智能车对期望轨迹跟踪的稳定性、行驶路线的平滑性以及汽车的控制能力都比较有利，在实际调试的过程中也选择了这样的主销内倾角。 前轮外倾角 通过车轮中心的汽车横向平面与车轮平面的交线与地面垂线之间的夹角 α，称为 “前轮外倾 角”，如图 所示。 前轮外倾角一方面可以在汽车重载时减小或者消除主 销与衬套、轮与轴承等处的装配间隙，使车轮接近垂直路面滚动而滑动，同时减小转向阻力，使汽车转向轻便。 另一方面还可以防止由于路面对车轮垂直反作用力的轴 向分力对外端轴承的压迫，减少轴承及其锁紧螺母的载荷，从而增加这部分零件的使用寿命，提高汽车的安全性。 一般前轮外倾角为 1176。 左右。 而现代汽车高速化、急转向等工况要求前轮外倾角减小甚至为负值。 模型车前轮某配件用来调整前轮外倾角。 实验中发现 :由于智能车主要用于竞速，在设计中必然要求尽可能减轻重量，所以底盘承重不大，而且前轮外倾角只有两档可调， 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 13 页 故设定为 0176。 即可，关键是前轮前束要与之匹配。 前轮前束 当车轮有了外倾角后，在滚动是就类似于圆锥滚动，从而导致两侧车轮向外滚开。 由于转向横拉杆和车桥的约束使车 轮不可能向外滚开，车轮将在地面上出现边滚动边滑移的现象，从而增加轮胎的磨损。 在安装车轮是，为消除车轮外倾带来的这种不良后果，可以使汽车两前轮的中心面不平行，并使两轮前边缘距离小于后边缘距离，距离之差称为“车轮前束”。 内八字样的前端小后端大的称为“前束”，而外八字样后端小前端大的称为“后束”或者“负前束”。 图 前轮前束 重心位置 汽车重心的位置通常用重心距前轴中心线的水平距离和重心距水平路面的高度来表示。 可通过实验法、估算法测出重心位置。 模型车的控制方面，如果重心靠近后轴，对模型车的动 力性能有益，后轮抓地力增加，增大转向灵敏度，但会减少转向；如果重心靠近前轴，则对模型车的制动性和操纵稳定性有益，会增加转向，但会降低转向灵敏度，并且降低了后轮的抓地力。 考虑到模型车频繁转向， 对于智能车的动力性 要求没有操纵稳定性和制动性的要求高 ， 所以在不增加车重 和重心垂直位置尽量低 的前提下，通过电路板设计安装来使模型车的重心适当前移。