论文

基于红外光电传感器的智能车自动寻迹系统设计
摘要:介绍了一种自动寻迹智能车的设计,研究了采用光电传感器作为路径采集模块实现自动寻迹的软硬件设计方法。

系统采用Freescale 16 位单片机MC9S12XS128 为核心控制器,利用11 个光电传感器构成的光电传感器阵列采集路面信息,单片机获得传感器采集的路面信息和车速信息,经过分析后控制智能车的舵机转向,同时对直流电机进行调速,从而实现智能车沿给定的黑线快速平稳地行驶。

关键词: 光电传感器; 智能车; 寻迹; 路径识别
前言
智能车即轮式移动机器人,是一种集环境感知、决策规划、自动行驶等功能于一体的综合智能系统,智能车集中地运用了自动控制、模式识别、传感器技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科的知识[1]。

随着控制技术、计算机技术和信息技术的发展,智能车在工业生产和日常生活中已经扮演了非常重要的角色,近年来,智能车在野外、道路、现代物流及柔性制造系统中都有广泛运用,已成为人工智能领域研究和发展的热点。

目前,智能车领域的研究已经能够在具有一定标记的道路上为司机提供辅助驾驶系统甚至实现无人驾驶,这些智能车的设计通常依靠特定道路标记完成识别,通过推理判断模仿人工驾驶进行操作。

本文所述智能车是一种自动导引小车,能够在给定的区域内沿着轨迹自动进行行进。

小车运行过程由方向检测和电机驱动两个部分控制,采用与白色地面颜色有较大差别的黑色线条作引导。

智能车寻迹系统采用反射式激光管识别路径上的黑线,并以最短的时间完成寻迹,并由对采集到的信号进行分析处理并做出逻辑判断后, 得到行进方向,再通过舵机驱动前轮转向,实现智能车的循迹行进。

智能车的驱动采用直流电机,并采用PWM 实现直流电机的调速,为了使智能车快速、平稳地行驶,系统必须把路径识别、相应的转向伺服电机控制以及直流驱动电机控制准确地结合在一起。

本文即在探究一种自主寻迹的智能车硬件系统的设计。

系统总体设计
1 总体设计思路
为了使小车沿着规定的赛道自动寻找黑色引导线并尽可能地高速前进，小车必须具备一套集导引线检测并实时控制汽车速度，姿态的智能处理单元。

小车主要由以下几大部分组成：信息处理芯片MC9S12XS128，电源管理模块，传感器检测模块，电机驱动模块，舵机驱动模块，速度采集模块，调试模块（LCD和遥控器）。

整个系统的机构示意图如下图所示
智能车的工作过程是:光电传感器探测路径信息,转速传感器检测当前车速,电池电压监测电路检测电池电压,并将这些信息输入到单片机控制系统进行处理。

通过控制算法对智能车发出控制命令,转向舵机和驱动电机对小车的运动轨迹和速度进行实时控制。

配以LCD和遥控器方便实时调试，进而实现整个系统的闭环反馈控制，最终实现了智能车对
路径的自动识别与寻迹。

此外,为了在线调整控制参数,智能车上还设置了键盘和显示等人机接口,通过按键设置控制参数,可调用不同的程序以适应不同场地条件的要求。

2 系统的硬件设计
2 电源管理模块
此模块对于一个控制系统来说极其重要，关系到整个系统是否能够正常工作，因此在设计控制系统时应选好合适的电源。

单片机系统、路径识别的光电传感器、光电码编码器等均需要5V 电源，而为了提高伺服电机响应速度，拟采用7.2V蓄电池直接供电，直流电机也使用7.2V蓄电池直接供电。

5V 电源模块用于为数字系统即：单片机系统、传感器模块、无线模块儿等供电。

常用的电源有串联型线性稳压电源和开关型稳压电源两大类。

前者具有纹波小、电路结构简单的优点，但是效率较低，功耗大；后者功耗小，效率高，但电路却比较复杂，电路的纹波大。

对于单片机，需要提供稳定的5V 电源，由于TPS7350 的稳压的线性度非常好，所以选用TPS7350 单独对其进行供电；而其它模块则需要通过较大的电流，而LM2940-5，转换效率高，带载能力大，对其它模块供电还是能保证充足的电源。

利用TPS7350 和LM2940-5 对控制系统和执行部分开供电，可以有效地防止各器件之间发生干扰，以及电流不足的问题，使得系统能够稳定地工作[2]。

3 传感器检测模块
红外反射式光电传感器由一个发射管和一个接收管组成，相应于不同的路面条件(主要是黑白度)，接收管接收到地面漫反射红外线后其两端电压将有所不同。

其电压大小与接收管距离黑色引导线的水平距离有定量关系:距离黑线越近，电压越低，距离黑线越远，电压越高(具体的对应关系与传感器的型号以及离地高度有关)。

因此，可以根据传感器电压的大小确定各个传感器与黑色引导线的距离，获得智能车的位里信息。

光电传感器使用过程中要注意几个问题。

首先，要提高器件的一致性:一是发射/接收器件两者的波长特性一致.二是发射/接收传感器组对时，各方面性能应尽量比较接近，三是安装状态一致，如各对传感器的间距、高低、偏角等，因为这些因素都会影响光的反射和接收;其次，光电传感器应尽量靠近地面，以便减少外界光源对传感器的干扰。

垂直高度为5~10mln 为宜，离地面过远，光反射信号差，信号不强;离地面过近，会导致反射角度太大，加剧光漫射干扰的影响，故应适当，以保证传感器具有最佳的反应。

4 电机驱动模块
目前，常用的电机驱动都是MOS 管构成的大电流H 桥驱动，而在市面上常见的集成H 桥式电机驱动芯片中，飞思卡尔公司的33886 型芯片性能较为出色，该芯片具有完善的过流、欠压、过温保护等功能，内部MOSFET 导通电阻为120 毫欧，具有最大5A的连续工作电流。

使用集成芯片的电路设计简单，可靠性高，但是性能受限。

由于比赛电机内阻仅为430 毫欧，而集成芯片内部的每个MOSFET导通电阻在120 毫欧以上，大大增加了电枢回路总电阻，此时直流电动机转速降落较大，驱动电路效率较低，电机性能不能充分发挥[3]。

而BTS7960 是集成的大电流半桥驱动，其内部包含了一片NMOS、一片PMOS和一片半桥门集驱动。

如图：
BTS7960 的芯片内部为一个半桥。

INH 引脚为高电平，使能BTS7960。

IN 引图 2 BTS7960 全桥驱动示意图脚用于确定哪个MOSFET 导通。

IN=1 且INH=1 时，高边MOSFET 导通，OUT 引脚输出高电平；IN=0 且INH=1 时，低边MOSFET 导通，OUT 引脚输出低电平。

SR 引脚外接电阻的大小，可以调节MOS 管导通和关断的时间，具有防电磁干扰的功能。

IS 引脚是电流检测输出引脚[4]。

其输入信号为标准的TTL 电平，直接与单片机相连就可以，降低系统的不稳定因素。

用两片BTS7960 即可构成全桥驱动电路，控制电机的正反转。

该驱动的具体参数表如下：电源输入：5-25V最大驱动电流：43A驱动类型：MOSFET控制电源：5V过压，过流，过温，短路保护：是内阻：7+9 毫欧频率输入：0-25kHz
5 舵机驱动模块
舵机采用Futaba牌S3010型电机,该舵机扭力大,稳定性好,角度控制准确。

S3010转动扭矩可达6.5 kg·cm,因此可以充分利用其转矩余量来提高舵机的响应速度。

设计中在舵机转盘和转向拉杆之间增加了一段输出臂,这样在舵机角速度恒定的情况下,由于输出臂的增长使得转向拉杆移动的线速度得到提升,从而可以有效提高智能车的转向灵敏度。

舵机电流变化大,是个很大的干扰源,因此,舵机采取单独供电。

6 速度采集模块
速度传感器一般有两种选择：
1）采用光电对射型的刻线光电码盘进行速度检测。

这种检测方式安装简单，电路轻便，使用电源为5V，非常适合在类似的模型上使用，但缺点为检测精度不高，稳定性不好，容易出现丢齿漏齿现象，大大影响了整个系统的调速平滑性。

2）使用精度较高的光电编码器，光电编码器使用5V-24V 电源，输出5%-85%VCC 的方波信号。

这种测试方式电路较为复杂，需要增加外围电路，但相对于其带来测量精度的提高和测量稳定性的提高而言，终究利大于弊[5]
3 系统的软件设计
智能车的运行控制是根据路径识别和车速检测所获得的当前路径和车速信息,控制舵机和直流驱动电机动作,从而调整智能车的行驶方向和速度。

控制系统的软件设计基于MetrowerksCodeWarrior 4.5编程环境,使用C语言实现。

下图为控制系统软件流程图。

信号采集部分设计
系统总体设计
设计中使用了11个“一”字形排列的光电传感器构成的传感器阵列来进行路径识别,工作时首先通过光电传感器阵列检测轨迹黑线的当前位置,然后根据检测结果判断智能车与轨迹偏离的情况。

若中间的光电传感器检测到黑线,则表明智能车未偏离轨迹,控制舵机使转向轮不偏转。

若左(右)边的光电传感器检测到黑线,则表示智能车向右(左)偏离轨迹,越靠左(右)的传感器检测到黑线,表示智能车向右(左)偏离轨迹的程度越大,控制舵机使转向轮向左(右)偏转,偏离程度越大,则偏转角度越大。

若光电传感器没有检测到黑线或是其他的检测结果,则表示智能车已脱离轨迹,则控制舵机使转向轮保持偏转原有角度不变,同时控制直流驱动电机使速度下降到速度最小设定值。

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[6]。

对于采用中间黑色导引线的智能车道路,若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检测到黑线,那么传感器间隔就必须大于黑线的宽度。

但如果间隔过大,就会在间隔之间出现空白。

如果将间隔设计成小于黑线宽度,则每次采集就会有多个传感器检测到黑线,这样有利于车与赛道偏移距离的判断。

传感器的径向探出距离是指光电传感器离车头的径向距离,理论上探出距离越大越好,因为对于未知赛道,如能早点了解到前方道路的情况,就可早些做出调整,从而使车以相应最优策略通过道路。

但如果距离过大,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,可以采用带倾角的传感器安装方式,如下图所示。

传感器的布局主要有一字型与八字型,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。

八字型布局是将中间的若干传感器前置,这样增加了纵向特性,能够早一点了解到车前方的道路情况。

需要注意的是由于纵向的排列不一致,八字型比一字型增加了多传感器同时感应的可能性,因此,在决定控制策略时,必须要考虑这种情况,同时,我们也可以利用这种情况的发生
来完成一些特定的判断,如确定弯道的角度等。

此外,光电传感器应尽量靠近地面,以便减少外界光源对传感器的干扰。

传感器垂直高度一般以5~10 mm为宜,离地面过远,光反射信号差,信号不强;离地面过近,会导致反射角度太大,加剧光漫射干扰的影响。

红外反射式光电传感器
1红外光电传感器寻迹工作原理
光电传感器按检测方式通常分为对射式和反射式。

反射式光电传感器的光源有多种,常见的有红外发光二极管、普通发光二极管和激光二极管,前两种光源容易受到外界光源的干扰,而激光二极管发出的光的频率较集中,传感器只接收很窄的频率范围信号,不容易被干扰,但价格较贵。

红外反射式光电传感器工作时会受到多种不确定因素的影响,如反射表面的形状、颜色、光洁度,以及日光等,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。

接收的反射光强度经检测电路转换得到的输出信号电压V out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V out的响应曲线是非线性的[7-8],如下图所示。

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。

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;如果红外线照射到黑色标志线,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。

下图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。

2 传感器的选择及其特性参数.技术性能
智能车的传感器系统包括车速检测传感器和路径采集传感器,为了使智能车能够平稳
地沿着黑色线条标记的道路行进,除了控制前轮转向外,还需要控制小车的车速,使小车能够在直线道路上以较快的速度行驶,遇到转弯时能够及时减速,这样可时刻把握当前小车的速度,并根据小车所处的位置来实时调整小车的速度。

采用欧姆龙公司的E6B2-CWZ6C型旋转编码器作为车速检测传感器,该旋转编码器硬件电路简单、信号采集速度快,分辨率为360脉冲/转。

旋转编码器与直流驱动电机通过齿数为1∶1的两齿轮连接在一起,所以智能车车轮转动一圈即可以用360个脉冲表示。

因此一定时间内单片机累加器获得的脉冲数值可以用来表示车速,并可直接作为控制器参数。

智能车在给定的道路上能够自主识别道路并行驶的关键问题是如何识别标志即探寻黑线,因此,准确的寻线系统是智能车设计的最重要的环节。

目前,光电传感器与CCD/CMOS 图像传感器是较为常见的应用于路径识别的传感器。

光电传感器由于本身物理结构、信号处理方式的简单而被广泛应用,但存在检测距离近、预测性差的弱点。

CCD/CMOS图像传感器能更早地感知前方的路径信息,但信号输出方式和数据处理方式复杂,运算量大,需要占用较多的MCU资源,且不适合在小体积系统中使用。

本智能车选择检测距离为1 ~ 2 cm 左右的TCRT5000反射式红外光电传感器来检测黑白线
这是一种自带发光二极管和光敏三极管的器件,TCRT500的应用电路下图所示。

当检测到黑线时,由于反射率不高,Ic太小,三极管T截止而输出高电平。

当检测到白色地面时,由于反射率较高,Id较大,三极管T饱和而输出低电平,从而实现了黑线的检测。

LM324N构成滞回比较器,对检测信号进行整形。

5结束语
本文提出了一种基于红外光电传感器寻迹的智能车系统设计方法,系统采用MC9S12DGl28单片机做主控制器,直流电机作执行元件,完成了智能车的硬件制作及软件设计。

在中间粘贴黑色引导线的白色KT板制成的车道上对智能车进行了测试,表明智能车在直道上可以达到很高的速度和稳定性,而在通过“s"型弯道时速度较慢且易冲出赛道.这主要是因为传感器感知车体前方的距离较近，影响了智能车的预侧性能。

为了能早一步了解到前方赛道的情况，可以采用带倾角的传感器安装方式。

但倾角不能过大，否则智能车可能会产生重心偏移，造成行驶不稳、振动等一系列问题。

此外，智能车受环境光线的影响也较大。

可增加滤波电路设计、优化控制算法等来提高其杭干扰能力. 如果增添相应的硬件设备,可使得小车实现更多的智能行为,如图像识别、行驶状态显示等。

当然,这对于智能小车的关键技术也提出了更高的要求,涉及到如何构造高完整性的导航系统以及多传感器数据的融合等,需要我们在实践中不断探索和研究。

实验证明，本系统可以达到良好的寻迹效果.
参考文献:[1]颜利彪,范蟠果.基于单片机的简易智能电动车[J].电子技
术,2004(4):8-10
[2] 王明顺，沈谋全.基于TPS7350 的智能车电源设计[J].嵌入式系统，2006,（12）：75-78..
[3] 北京科技大学科大中冶[R].第四届飞思卡尔智能车竞赛技术报告，2009.
[4] High Current PN Half Bridge NovalithICTM. Data Sheet , Rev. 1.1, December 2004.
[5] 北理风行者队[R].第四届飞思卡尔智能车竞赛技术报告，2009.
.[6]周斌,李立国,黄开胜.智能车光电传感器布局对路径识别的影响研究[J].电子产品世界,2006(9):139-140
[7]李翰山,雷志勇,王泽民,等.一种新型天幕交汇立靶精度测量系统[J].电光与控制,2007,14(5):153-154.
[8]李翰山,高洪尧,江铭.天幕靶光电探测性能改善研究[J].弹道学报,2007,19(1):33-36.。