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小型智能车自动驾驶是怎样设计实现的

0 小序

无人自动驾驶车辆作为一种高效、安然、机动的交通车辆,匆匆进了交通畅业的大年夜力成长。实际钻研证实,将人放在路 - 车系统之外,可以相对低落变乱率。[1] 近年来车辆无人驾驶作为智能交通的紧张组成部分,已徐徐成为钻研的热点。无人驾驶技巧中,智能小车成长快,利用广,从儿童玩具可推广到汽车工业。

今朝,智能小车已基础可实现循迹避障等功能,现本大年夜门生智能车设计大年夜赛又在向声控系统成长。本课题主要实现了小车的循迹避障自动驾驶功能。

1 小型智能车自动驾驶道理

1. 1 小车自动避障的道理

红外线发射管、PSD 与响应的谋略电路构成了功能强大年夜应用广泛的 GP2D12红外线传感器,位置敏感检测装配能够检测到光子在其上运动孕育发生的微量移动,微米级的分辨率使得丈量更正确。使用这一特点,几何道理测距可由GP2D12传感器轻松实现[2] 。光束由发射管发出,碰到障碍物再反射到PSD上,如图 1 所示,两条毫光与地面构成了等腰三角形,三角形的底边长度可由PSD测得,而两个底角的值由发射管确定,可由此推算出高,也便是与障碍物的间隔[3] 。

1. 2 小车循迹道理

用红外探测法循迹指的是小车在白色地面上跟随黑线行走,因为黑线和白色地面对毫光的反射程度不一样,可以根据接管到的反射光的强弱来探求路线。

红外探测法:路面信息的检测是由光电传感器发射管发射出必然波长的红外线,在地面反射后回到接管管。因为诟谇两色对毫光的反射程度不合,黑线接受了大年夜部分毫光,而白色赛道反射了大年夜部分毫光,使得接管到的反射毫光的强度存在差异,从而导致接管端特点曲线的变更程度不合,可近似觉得接管管两真个输出阻值不等,分压后的电压也不等,由此黑线白地便可区分开来[4] 。

1. 3 测速道理

因为霍尔元件在磁场相近时能够感应出高电平,稍偏离时感应强度较弱,可以经由过程霍尔元件的这一特点来实现测速[5] 。霍尔元件感应磁铁孕育发生脉冲旌旗灯号,将4个小磁铁平均放置于每个车轮之下,由此谋略每秒钟感应磁铁孕育发生的脉冲数,再谋略出每秒钟小车轮子迁移转变的转数,再乘以小车车轮总的周长,推算出小车当前运行速率,颠末累加运算获得当前路程。

2 系统硬件电路设计

2. 1 系统总体设计图

图 2 为系统的总体设计图。

2. 2 主控模块

因为智能小车的要求不是很高,Atmel 公司的 AT99C52 单片机可作为节制核心。AT99C52 的性价比高,耗能低,其主要的机能参数为:兼容标准的 MCS -51 指令系统、9 字节可重擦写闪存只读法度榜样存储器、256X9 字节随机存取数据储存器、可编程串行 UART 通道、时钟频率 0Hz ~24MH、3 个 16 位准时/ 计数器、9 其中断源、32 个可编程 I/0 口线[6] 。

2. 3 避障传感器模块

采纳 3 只 GP2D12 红外线传感器分手探测正前方,前右侧,前左侧障碍物信息,该传感器的匀称有效探测间隔在 10 ~90 cm 范围内可调,可以有效地抵抗滋扰光,能够在日光下正常运行(试验历程中应该只管即便避免日光或者较强的光源直接照射在传感器上)。小车颠末调速后的制动间隔应该节制在 30 cm 以内,一样平常保持在 10 ~20 cm,以是探测间隔该根据设计小车的需求来设定。

2. 4 循迹传感器模块

为了实现循迹传感,我们选择反射型光电探测器 RPR220。它是一种有着一体化优点的光电探测器。RPR 220 的发射器部分是一个 GaAs 红外发光二极管,而其接管器的构成中应用了一个灵敏度较高的硅光敏三极管。RPR220 采纳 DIP4 封装,具有如下特征:反映灵敏、受离散光的滋扰小、体积较小且布局紧凑一体化、可简化外围电路设计,且机能较为稳定。

2. 5 电机选择与驱动模块

电机的选择采纳直流电机。直流减速电机可供给较大年夜的迁移转变力矩,安装方便,操作简单,质量轻、体积小,能够较好的满意系统的要求。

如图 3 所示,应用 L299N 芯片驱动电机。采纳 SMT 工艺稳定性高,采纳高质量铝电解电容,使电路稳定事情。可以直接驱动两路 3 ~35V 直流电机,并供给了 5V 输出接口(输入最低只要 6V),可以给 5V单片机电路系统供电(低纹波系数),支持 3. 3V MCUARM 节制,可以方便的节制直流电机速率和偏向,也可以节制 2 相步进电机,5 线 4 相步进电机。用该芯片作为电机驱动,操作便捷,稳定性好,且事情机能较为凸起。

驱动模块主要功能是使主控芯片来发出的旌旗灯号并将该旌旗灯号发送给 L299N 电机节制芯片,L299N 电机节制芯片将使小车按照指令履行响应的动作。VDD 引脚和 VCC 引脚作为 L299N 芯片电源引脚,电机的电源是 VDD 引脚接的 +9V 电源,芯片由接到 VCC 引脚上的 +5V 电源供能。

为了包管小车转向成功,让转向电机以最大年夜功率输出以得到最大年夜的扭矩,转向电机的输出功率不需再节制,以是 ENA 引脚(即转向电机使能引脚)直接接入 +5V,即让转向电机不停使能。

对付后置的驱动电机,除了要节制着实现提高、退却撤退和竣事外,还需节制其转速以办理因电量不够而使小车速率变慢的问题。是以,可经由过程将 L299N 芯片的 ENB 引脚与 AT99C52 的 P1. 7 引脚连接起来,以实现 PWM 调速。

L299N 芯片的 IN1 和 IN2 引脚分手和 AT99C52 的 P1. 2 和 P1. 3 引脚连接用来接管主控芯片输出的动作指令,并经由过程端口 OUT1 和 OUT2 将指令转化为电机转向(正转或反转)的动作,至此实现了小车的横向节制。

L299N 芯片的 IN3 和 IN4 引脚分手与 AT99C52 的 P1. 4 和 P1. 5 引脚连接用来接管主控芯片输出的动作指令,并经由过程端口 OUT3 和 OUT4 来节制驱动电机的转向,终极功能的实现表现在小车的提高、退却撤退、竣事。

2. 6 直流调速模块

调速的实现是选择基于 PWM 为主控电路的调速系统。相较于传统的直流调速技巧,PWM(脉宽调制技巧)直流调速系统具有较大年夜的良好性:主电路线路简单,必要的功率元件少;主电路元件事情在开关状态,导通损耗小,低速机能好,稳速精度高,因而调速范围宽;系统频带宽,快速相应机能好,动态抗滋扰能力强;开关频率高,电流轻易继续,谐波少,电机损耗和发烧都较小;装配效率高[7] 。

一样平常经由过程调节各路 PWM 的占空最近改变直流电念头电枢两端电压,这里采纳定频调宽法。包管频率必然,经由过程法度榜样节制单片机的准时计数器计数次数,或应用软件延时等措施均可达到调剂脉宽的目的。此要领可以使硬件电路简化,且具有操作性强等优点。要求做直线运动时,分手节制阁下两电机的 PWM 的占空比使它们相同,即可让小车以响应速率的直线运动。

要求做曲线运动时,在初始状态给定小车车轮必然转速,将小车肇端位置设置在原点。由逆运动学进行速率阐发,要使小车沿着必然半径做曲线运动,则根据该半径大年夜小可以推算出小车阁下轮所需的速率大年夜小和差值。对拟合曲线方程进行阐发,可以获得响应的电机驱动右轮的 PWM 占空比。由于速率和PWM 的脉冲宽度有着正比例关系,以是我们在法度榜样中经由过程脉冲宽度调节速率。

3 系统的软件设计阐发

3. 1 法度榜样设计主流程图与主节制策略

在寻迹和避障中,节制的电机要领基础一样。当左边的避障传感器或右边的寻迹传感器检测到旌旗灯号时,都是左转速不变,右轮转速减小 PWM 的占空比,从而使右轮转速减慢,实现差速转弯,向右转的同时实现避障和寻迹;右边也是如斯。假如当阁下寻迹传感器同时检测到旌旗灯号,或是左边避障和左边寻迹、右边避障和右边寻迹。这种环境下不能同时满意避障和寻迹,只能使车停下。图 4 为法度榜样流程图。

3. 2 传感器数据处置惩罚及寻迹法度榜样流程

车底的 6 个传感器用一个字节来表示,并将传感器当前的检测状态用字节中的每一个位来表示,小车直线行驶时有三种环境。图 5 为传感器子法度榜样流程图。当位于车体中央的四个传感器都检测到黑线时,小车正好位于赛道正上方,此时系统节制两电机等速全速提高。当检测到某一侧一个或两个传感器偏离黑线,此时小车偏离黑线程度较小,系统将一个电机速率调快,另一个电机速率调慢,实现偏向上的微调。当传感器检测到有 3 个电机偏离运行,小车偏离范围较大年夜,这时系统大年夜幅低落一个电机速率,并使另一电机以最高速率运行,在短光阴内实现偏向调剂。应用这种 3 级调速的循迹算法法度榜样构思清晰,法度榜样履行靠得住性高。

4 结语

本文所设计的自动驾驶系统实现的功能和现有的智能小车近似。立异之处在于使用两个电机的差动调节,节制电动小车的自动避障、寻光及自动泊车;由单片机系统来节制智能车的行驶状态;并用 PWM技巧实现了电念头的多级调速,改革了节制策略与法度榜样,使整机事情加倍靠得住,节约能源,在将来的灵便车市场上能发挥更大年夜感化。

责任编辑:ct

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