基于激光传感器的自主寻迹智能小车控制系统

基于激光传感器的自主寻迹智能小车控制系统内容摘要：

占用 MCU 端口资源较多 容易受外界光线影响 激光传感器 检测前瞻距离远 受外界光干扰小 检测信号数字化 电路设计相对复杂 成本高 质量大 从表 中可以看出，激光具有大前瞻和受外界光干扰小等优点。 检测信号的数字化具有比光电传感器检测到的模拟电压信号更高的可靠性 ，所以本控制系统采用激光传感器。 而激光传感器主要面临的就是大质量的问题，传感器的质量直接影响小车本身的重心，所以激光传感器的安放高度和位置都必须合理。 激光传感器工作原理 激光是 20 世纪 60 年代出现的最重大的科学技术成就之一。 它 发展 迅速，已广泛应用于国防、 生产 、医学和非电测量等各方面。 激光与普通光不同，需要用激光器产生。 激光器的 工作 物质，在正常状态下，多数原子处于稳定的低能级 E1， 在适当频率的外界光线的作用下，处于低能级的原子吸收光子能量受激发而跃迁到高能级 E2。 光子能量 E=E2E1=hv 式中 h 为普朗克常数， v 为光子频率。 反之，在频率为 v 的光的诱发下，处于能级 E2 的原子会跃迁到低能级释放能量而发光，称为受激辐射。 激光器首先使工作物质的原子反常地多数处于高能级（即粒子数反转分布），就能使受激辐射过程占优势，从而使频率为 v 的诱发光得到增强并可通过平行的反射镜形成雪崩式的放大作用而 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 8 页 产生强大的受激辐射光，简称激光。 激光具有 3 个重要特性 : ① 高方向性（即高定向性，光速发散角小），激光束在几公里外的扩展范围不过几厘米； ② 高单色性，激光的频率宽度比普通光小 10 倍以上； ③ 高亮度，利用激光束会聚最高可产生达几百万度的温度。 如图 所示， 为 激光 发射管 的工作原理 图。 图 激光发射管工作原理图 如图 ， IC1 是激光调制 器 ， OUT 输出 200kHZ 的方波（调制脉冲）。 SET_BIT0的作用是选通该激光发射，也就是控制调制管 IC1 控制的三级管和激光是否通电，当SET_BIT0 为高电平时， Q2(8050)导通，也就是将 Q1 的发射极与 GND 连接起来，此时调制管工作，输出调制波，然后经过 Q1 的放大之后控制激光管调制发射。 其中，与激光发射管串联的电阻 R1 可以用电位器代替，这样，就可以调节激光发射管的发射功率。 如图 所示， 为 激光接收管的工作原理图。 由激光发射管发射的激光，照射到赛道上，如果照射到中心黑色引导线上，大部分的光被吸收，反射光强度非常小，而如果照射到白色赛道上，大部分的光将被反射，反射光强度大。 对于激光管照射到赛道外部，反射光的强度会依赖于赛道外侧的地面的材质，所以反射光的强度不可知。 反射回来的光（与发射光频率相同）经过透镜，然后经过 IC2 内部处理，在 RECEIVE_0 口输出数字信号，图 中， D2 是为了测试用的。 当反射光强小（激光照射到黑线）， RECEIVE_0输出高电平， D2 熄灭；当反射光强大（激光照射到白线）， RECEIVE_0 输出低电平， 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 9 页 D2 点亮。 在测量激光管的前瞻时，观察 D2 的点亮与熄灭，便可方便的测出 不同激光管的前瞻。 测试完毕，可以将 D2 去掉，然后将 电阻直接上拉到 VCC_5V。 然后将RECEIVE_0 直接接到单片机的 IO 口。 图 激光接受管工作原理图 激光传感器布局 由于往届竞赛对光电传感器排布方式研究已经比较深入，传统的“一”字型排布方式在众多排布方式中效果显著，是最常用的一种排布方式。 模型车也充分利用了往年的成熟的传感器技术，其排布方式如图。 从图 可以看出，激光发射管的排布是中间密集（ 10mm 一个），两边稀疏（ 20mm一个），这么做的目的是：在规定使用的传感器个数（ 16 个 ） 范围内，使经常检测到黑线的中心位置具有较高的分辨率，增大检测精度，而两侧激光管间距加大是为了小车具有较宽的检测范围，以使小车在转弯时黑线不至于经常丢失。 图 激光发射管分布图 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 10 页 激光 接收 管理论上需要 16 个，即一个发射管对应一个接收管，但通过实验可以验证，激光接收管不必安装在激光发射管的正上方或者 正 下方才能接受到反射光， 可以安装在激光发射管向左或者向右 6cm 范围内，均可接受到反射光，所以接收管的安装方案为：在相间的 8 个发射管的下方安装 8 个激光接收管，每个接收管用于接收其上方发射管发射光的反射光和其相邻发射管发射光的反射光。 这样，传感器的总个数等于激光接收管的个数，为 8 个。 既增加了赛道检测点（一个激光发射管对应赛道上的一个检测点）个数，又满足比赛要求的传感器个数。 激光传感器信号读取方式 激光 接收 管接收到反射光之后，以数字量的形式将反射光的强弱反映给单片机。 此时，单片机只需要使用普通的 IO 口读取接受管传回来的 0、 1 信号即可知道当前发射管照射到黑色中心线上，还是白色赛道上。 其中，需要注意的是激光管的点亮方式，上文以及提到激光接收管不仅能够接受其正上（下）方的发射管的反射光，而且可以接收相邻发射管的反射光，如果距离太近的发射管同时发射，势必会 产生互相影响，从而产 生错误的检测结果。 故采用循环点亮的方式，即每次只点亮一个发射管和其对应的接收管，实验测定每个激光管从发射到接受到信号需要 100μs ～ 900μs不等的时间，从而需要试验获得每个激光管需要点亮的时间。 这样，就避免了相近发射管互相干扰的情况，使检测结果正确。 图 信号采集程序截选 图 如图 所示，信号采集程序截选， 用 MC9S12XS128 的 PORTB_PB7 输出高电平点亮其中一个激光发射管，即是图 中的 SET_BIT0 为高电平。 等待 850μs，即等到接收管接收到反射光， PORTA_PA7 接接收管的 RECEIVE_0（如图 ），如果该口为高电平（即 PORTA_PA7 == 1），则将已经初始化为 0 的传感器状态数组 sensorss 对应的位置 1，即表示此 时发射管照射到了黑线上。 如果 PORTA_PA7 == 0，则 sensorss 保持初始化值不变（即为 0），表示此时发射管照射到了白线上。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 11 页 舵机控制模块 舵机 （伺服马达） 使用智能汽车大赛组委会统一提供的 T170A， 是一个模拟伺服马达。 舵机在小车控制系统中起着重要的作用，它决定了小车的行进方向。 通过实验可知，对舵机的控制就是对一个积分环节 的控制 ，舵机这种特性导致舵机必须采用 PD 控制，来消除舵机的滞后。 舵机工作原理 伺服马达内部包括了一个小型直流马达；一组变速齿轮组；一个反馈可调电位器；及一块电子控制板 ，如图 所示。 其中，高速转动的直流马达提供了原始动力，带动变速（减速）齿轮组，使之产生高扭力的输出，齿轮组的变速比愈大，伺服马达的输出扭力也愈大，也就是说越能承受更大的重量，但转动的速度也愈低。 图 伺服马达内部结构图 伺服马达是一个典型闭环反馈系统，其原理可由图 表示。 减速齿轮组由马达驱动，其终端（输出端）带动一个线性的比例电位器作位置检测，该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给控制线路板，控制线路板将其与输入的控制脉冲信号比较，产生纠正脉冲，并驱动马达正 向或反向地转动，使齿轮组的输出位置与期望值相符，令纠正脉冲趋于 0，从而达到使伺服马达精确定位的目的。 图 伺服马达工作原理图 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 12 页 标准的微型伺服马达有三条控制线，分别为：电源 线 、地 线 及控制 信号线。 其中 白色 的线是控制线，接到控制芯片上 ， 中间的是 SERVO 工作电源线 （红色） ，一般工作电源是 5V， 第三条是地线。 电源线与地线用于提供内部的直流马达及控制线路所需的能源，电压通常介于 4V— 6V 之间，该电源应尽可能与处理系统的电源隔离（因为伺服马达会产生噪音）。 甚至小伺服马达在重负载时也会拉低放大器的电压，所以整个系统的电源供应的比例必须合理。 输入一个周期性的正向脉冲信号，这个周期性脉冲信号的高电平时间通常在 1ms～2ms 之间，而低电平时间应在 5ms～ 20ms 之间，并不很严格， 图 表示出一个典型的20ms 周期性脉冲的正脉冲宽度与微型伺服马达的输出臂位置的关系。 图 输入正脉冲宽度与伺服马达输出臂关 系 伺服马达的瞬时运动速度是由其内部的直流马达和变速齿轮组的配合决定的，在恒定的电压驱动下，其数值唯一。 但其平均运动速度可通过分段停顿的控制方式来改变，例如，我们可把动作幅度为 90176。 的转动细分为 128 个停顿点，通过控制每个停顿点的时间长短来实现 0176。 ~90176。 变化的平均速度。 对于多数伺服马达来说，速度的单位由 “ 度数/秒 ” 来决定。 使用模拟伺服马达时需要注意： 伺服马达输出臂位置只是一个不准确的大约数。 普通的模拟微型伺服马达不是一个精确的定位器件，即使是使用同一品牌型号的微型伺服马达产品，他们之间的差别也是非常大 的，在同一脉冲驱动时，不同的伺服马达存在 177。 10176。 的偏差也是正常的。 正因上述的原因， 应该不 使用小于 1ms 及大于 2ms 的脉冲作为驱 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 13 页 动信号，实际上，伺服马达的最初设计表也只是在 177。 45176。 的范 围。 而且，超出此范围时，脉冲宽度转动角度之间的线性关系也会变差。 要特别注意，绝不可加载让伺服马达输出位置超过 177。 90176。 的脉冲信号，否则会损坏伺服马达的输出限位机构或齿轮组等机械部件。 舵机的安装及其 转角的扩大 通过实验 测试了加长舵机臂的效果，加长舵机臂对提高舵机的响应 速度确实有一定的效果。 而舵机臂加长会降低舵机定位的精度、提高重心、造成舵机损坏等。 所以 不采用 加长 的 舵机臂，将舵机从车头移到车的 前端 ，直接安装在车的底盘上 ，如图 所示。 这样既可以降低车的重心， 又可以提高定位精度。 同时两边使用相同长度的舵机臂，保证转向的一致性。 图 舵机安装图 第五届智能汽车大赛的光电组车模，由于受到转向外套和前桥的影响，舵机的转角只有 177。 26176。 ，当小车过大弯时，不得不减速，以求平稳得过弯，否则小车就有冲出赛道的危险，因此严重影响了小车在转大弯时的速度。 从舵机的工作原理中可以了解到，舵机最初设计表的范围是 177。 45176。 ，此范围内舵机的输出转角与输入的周期性正脉冲宽度具有良好线性关系。 因此，对小车的机械机构进行改造，把前轮的转向外套和前桥削去一部分而增加轮胎左右摆动的角度至 177。 45176。 机械结构更改后的如图 所示。 图 转向外套消除 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 14 页 舵机模型 由于 T170A 从给定一个脉冲到舵机转角到达给定脉冲对应的转角，具有较长的反应与调节时间。 为了更好得 给出 PD 参数，有必要建立舵机的数学模型。 建立舵机模型，首先需要知道舵机的控制量，它为周期 20ms，具有一定正脉冲宽度的 PWM 波，正脉冲的宽度 D/20ms 为 PWM 波的占空比，由于周期固定，程序中设定舵机控制量时直接给定 D 即可， D 的单位为 μs。 然后需要知道的是舵机的输出量，即为舵机转过的角度 φ ，亦可用弧度表示 θ。 则可认为舵机的输入量为 D，输出量为 θ。 舵机是具有 内部 闭环反馈 的 系统 ，也就是说给定一个 D，也就有固定的 θ 与 D 相对应， 不具有稳态误差。 而动态的，给定一个新的 D 以后，舵机需要一定的反应时间才能到达预定的 θ ，这个反应时间正是需要通过实验测得的。 现通过实验获得舵机在带载情况下 D 变化 1， θ 到达预定值的平均反应时间。 （注：此实验是针对一个特定的舵机，不同的舵机经过同样的实验可能得出不同的平均反应时间） 实验过程如下：将激光管贴到小车一边轮胎上，激光管照射到白色墙面上，墙面上事先粘贴一条黑色胶带，首先让激光照射到白色墙面上，然后给定一个输入量 D， 同时开始计时，让舵机转动，并在结束时激光照射到黑色胶带上，让 IO 口获得一个上升沿的同时停止 计时，记录此时舵机旋转所需要的时间。 （ 1） 定义舵机延时时间检测需要的变量以及对涉及到的函数进行声明。 ulong DelayTime = 0。 //舵机延时时间（测量值） uint Time = 0。 //记录舵机到达目的角度时自由运行计数器溢出次数 uint TimeFirst = 0。 //记录舵机在开始角度时自由运行计数器溢出次数 uint TCNT_Time_First = 0。 //记录舵机在开始角度时自由运行计数器中的值 uint TCNT_Time = 0。 //记录舵机到达目的角度时自由运行计数器中的值 //延时测量函数，让舵机在。