基于激光传感器的循迹智能车设计

基于激光传感器的循迹智能车设计

【摘要】本文提供了一种可以实现自主循迹的智能车设计方案。该方案论证了一种采用激光传感器检测黑白线路径信息进而实现小车自主循迹的方法，阐述了智能车的硬件电路设计和软件编程算法。自主循迹的实现方法是由激光传感器将检测到的黑白线路径信息传给微处理器，软件编程采用速度和转角的闭环控制算法，进而实现了驱动电机的速度控制和转向舵机的转角控制。实验证明，该智能车具有较强的抗干扰能力和较好的前瞻性，能够快速稳定地实现循迹功能。

【关键词】智能车；激光传感器；自主循迹；数码舵机

0 引言

激光传感器作为一种新型传感器，凭借其发射距离远、抗干扰性能好、散射角小等优点，广泛应用于工程机械领域[1]。本设计将激光传感器应用于智能车光电循迹中，由激光传感器采集道路黑白线信息。微处理器采用Freescale公司生产的MK60DN512型号单片机，完成数据处理和对智能车行驶速度和转向角度的控制。转向控制采用数码舵机代替传统的模拟舵机，最终实现小车的快速稳定循迹。

1 系统设计

智能车硬件系统主要包括：微处理器模块、电源模块、激光传感器模块、电机驱动模块、舵机转向模块、人机交互模块、无线通信模块、测速模块。硬件系统结构框图如图1所示。

CPU接收激光传感器检测到的路径信息和测速传感器检测到的小车速度信息，经处理后控制转向舵机的角度和驱动电机的速度，同时数据可以通过无线模块传到上位机，方便数据分析和小车调试。人机交互模块设有多个拨盘开关，可设置小车不同行驶速度。

2 硬件电路设计

2.1 微处理器模块

MK60DN512是飞思卡尔公司于2010年下半年推出的基于ARM Cortex-M4内核的32位微控制器，是业内首款ARM Cortex-M4内核芯片[2]。其数据处理能力较Cortex-M3内核提高了20%左右。

MK60DN512单片机共有144引脚，其中具有多达100个I/O引脚，每个引脚均具有多个功能。CPU频率最高可达200MHz，保证系统快速运行。单片机内置看门狗电路，防止程序意外跑飞。通过BDM接口可以实现向单片机下载程序以及在线调试仿真功能。

2.2 电源模块

小车供电采用一节7.2V镍-铬充电电池。其优点是可重复500次以上充放电，经济耐用；内阻小，可实现快速充电；可为负载提供大电流，是一种理想的直流供电电源。在电池充满电的情况下电池电压约为8.2V。各模块工作电压如图2所示。

实验证明，在电池充满电的情况下，驱动电机启动瞬间，空载加速到占空比为80%时，电池电压瞬间下降至6.5V左右，带载的情况下电压更低。对于需要稳压到5V供电的器件，在这种低电压的情况下如果采用普通的三端稳压电源芯片，其输入电压将小于规定的最小输入电压，此时输出电压不稳定，将会导致器件无法正常工作。同时考虑到系统的可扩展性，本设计选用低压差线性稳压芯片AMS1117，SPX3940和TPS7350。

2.3 激光传感器模块

光电传感器检测路面信息的原理是由发射管发射一定波长的光，经反射后由接收管接收[3]。由于在黑色和白色表面反射系数不同，在黑色表面大部分光线被吸收，而在白色表面大部分光线被反射，所以接收管接收到的反射光强不同，从而输出引脚电压不同，就可以将黑白路面区分开来[4]。

本方案选用激光传感器作为循迹传感器。它具有原理简单、安装方便、检测速度快、数据量小、数据处理简单的优点[5]。激光收发不受外界光线影响，前瞻较大，能够稳定工作，因此控制核心对赛道的预处理能力较好，可保证小车快速稳定行驶。

激光传感器由两部分构成，即发射部分和接收部分。发射部分由激光管及其驱动电路组成，接收部分由接收管及其滤波电路组成。激光管内有一个激光二极管，作为激光头中的发光器件。它发出波长为650nm的激光光束。接收管为数字输出光探测器，内部集成了光电二极管信号处理电路，其电路包括放大器、施密特触发器和电压调节器等。接收管可接收频率为160KHz-200KHz、波长为500nm-980nm、占空比为20-30%的调制波。

由于反射回来的激光光束是发散的，不易被接收管上的接收头捕捉，因此在接收管前方加一个透镜，将发散的光束汇聚到一个点，即透镜的焦点上。然后调整透镜的位置，使透镜的焦点跟接收管的接收头重合。实际测试中，前瞻距离在高度为15cm时，接收管稳定接收的最远距离可达60cm，远远满足小车大前瞻的要求。激光传感器发射部分电路如图3所示。

激光传感器接收部分电路如图4所示。

本设计采用“二对一”的策略[6]，即两个激光发射管对应一个激光接收管。本设计共使用8个激光发射管，采用“一字型”光点排布，两激光点之间距离约为

2cm，激光前瞻约为40cm。由于单个接收管接收范围约为3.5cm，为有效防止距离较近的激光点之间的相互干扰，因此本设计采用分时发射策略。

2.4 电机驱动电路

直流电机驱动广泛采用H桥驱动电路。设计中可以使用集成H桥驱动芯片，也可以使用MOS管设计H桥电路。但是用MOS管设计的驱动电路相对复杂，电路容易出现问题。

本设计中电机驱动芯片选用英飞凌公司生产的半桥驱动芯片BTN7970。它是一款针对电机驱动应用的完全集成的大电流半桥芯片，其作用是将恒定的直流电源电压（电池电压）调制成频率一定、宽度可变的PWM脉冲电压序列，进而改变输出平均电压的大小。BTN7970的内部在上桥臂集成了一个P沟道场效应管，在下桥臂集成一个N沟道场效应管。BTN7970内部结构示意图如图5所示。

当输入高电平时，上桥臂场效应管导通，输出端与正电源形成电流通路；当输入低电平时，下桥臂场效应管导通，输出端与地形成电流通路。本设计使用两片BTN7970构成全桥驱动电路。