一種智能小車控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種智能小車控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)包括依次連接的循跡傳感器、CPU、驅(qū)動模塊和直流電機，所述循跡傳感器通過LM339比較器電路與所述CPU相連接，所述控制系統(tǒng)還包括電源模塊和避障模塊，所述電源模塊直接連接至所述CPU，所述避障模塊通過LM358連接至所述單片機，所述單片機與所述驅(qū)動模塊之間連接有顯示模塊；實現(xiàn)了機器人的自動避障功能，還可以擴展循跡等功能，感知導(dǎo)引線和障礙物，可以實現(xiàn)小車自動識別路線，選擇正確的行進路線，并檢測到障礙物自動躲避。
【專利說明】
一種智能小車控制系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于智能控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種智能小車控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]智能小車，也就是輪式機器人，主要有口令識別與語音合成、機器人自定位、動態(tài)隨機避障、多傳感器信息融合、實時自適應(yīng)導(dǎo)航控制等功能?，F(xiàn)在智能小車發(fā)展很快，從智能玩具到其它各行業(yè)都有實質(zhì)成果。其基本可實現(xiàn)循跡、避障、檢測貼片、尋光入庫、避崖等基本功能，這幾年的電子設(shè)計大賽智能小車又在向聲控系統(tǒng)發(fā)展。比較出名的飛思卡爾智能小車更是走在前列。2011-2012年世界智能機器人研究取得了新進展。美國研制出受傷后可自行調(diào)整的機器人，英國設(shè)計出吃蒼蠅老鼠的機器人家具，法國研發(fā)出“兒童機器人”，歐洲研發(fā)出超級機器人，能預(yù)知人類意圖等。
[0003]這些都與我們的生活息息相關(guān)，給我們的生活帶來了極大地方便。我國一直比較重視智能機器人的研究，國家“863”智能機器人專家組將智能機器人的研究作為今后發(fā)展的重點。許多大專院校和科研機構(gòu)都在著手智能機器人的研究和開發(fā)工作，相繼幾所高校進行了這方面的研究并取得了一定的成果，如沈陽自動化所的AGV小車，上海大學(xué)的導(dǎo)購機器人和哈工大研究所的導(dǎo)游機器人，清華大學(xué)智能技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗室研制的THMR系列微型移動車，整個系統(tǒng)包括攝像機，磁羅盤，差分GPS，電子地圖等車載設(shè)備，保證了移動車控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自主駕駛與輔助駕駛。除此之外，以哈爾濱工業(yè)大學(xué)為首的眾多高校也先后在“機器人足球賽” “機器人起重大賽”這些具有國際水平的人工智能競賽中取得優(yōu)異的成績，但是現(xiàn)有的智能小車在循跡和避障兩個功能上并不那么完善，沒有達到預(yù)期的效果。
[0004]因此，需要提供一種智能小車控制系統(tǒng)以實現(xiàn)循跡和避障兩個功能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種智能小車控制系統(tǒng)以實現(xiàn)循跡和避障兩個功能，可以擴展循跡等功能，感知導(dǎo)引線和障礙物，選擇正確的行進路線，并檢測到障礙物自動躲避。
[0006]—種智能小車控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)包括依次連接的循跡傳感器、CPU、驅(qū)動模塊和直流電機，所述循跡傳感器通過LM339比較器電路與所述CPU相連接，所述控制系統(tǒng)還包括電源模塊和避障模塊，所述電源模塊直接連接至所述CPU，所述避障模塊通過LM358連接至所述單片機，所述單片機與所述驅(qū)動模塊之間連接有顯示模塊。
[0007]優(yōu)選地，所述CPU為單片機。
[0008]優(yōu)選地，所述控制系統(tǒng)還包括外圍輔助模塊。
[0009]優(yōu)選地，所述避障模塊包括路線信息采集電路、放大電路和單片機控制電路。
[0010]優(yōu)選地，所述路線信息采集電路包括脈沖調(diào)制的反射式紅外發(fā)射接收器和信號放大器。
[0011]優(yōu)選地，所述電源模塊為LM2940穩(wěn)壓芯片提供穩(wěn)定的5V電源。
[0012]優(yōu)選地，所述循跡模塊包括發(fā)光二極管加光敏電阻、脈沖調(diào)制的反射式紅外發(fā)射接收器或C⑶傳感器中的任意一種。
[0013]優(yōu)選地，所述避障模塊包括紅外對管、超聲波模塊或光電開關(guān)中的任意一種。
[0014]優(yōu)選地，超聲波模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。
[0015]本發(fā)明的技術(shù)方案具有以下有益效果:
本發(fā)明提供的一種智能小車控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了機器人的自動避障功能，還可以擴展循跡等功能，感知導(dǎo)引線和障礙物，可以實現(xiàn)小車自動識別路線，選擇正確的行進路線，并檢測到障礙物自動躲避。
【附圖說明】
[0016]下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的詳細描述。
[0017]圖1是本發(fā)明一種智能小車控制系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
【具體實施方式】
[0018]為了清楚了解本發(fā)明的技術(shù)方案，將在下面的描述中提出其詳細的結(jié)構(gòu)。顯然，本發(fā)明實施例的具體施行并不足限于本領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟習(xí)的特殊細節(jié)。本發(fā)明的優(yōu)選實施例詳細描述如下，除詳細描述的這些實施例外，還可以具有其他實施方式。
[0019]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明。
[0020]本實施例中的小車采用RP5大功率坦克車體，它采用帶電感的大扭力280馬達，組合斜齒+金屬齒，形成大扭力、低噪音底盤系統(tǒng)，具有動力性能強、底盤穩(wěn)定性高、可原地轉(zhuǎn)圈、轉(zhuǎn)彎靈活等特點。負載能力至少3KG以上?？梢栽秸系K物，適合比較高要求的場合。因此可模擬家庭及工業(yè)等場合的一些環(huán)境。
[0021]小車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，所述控制系統(tǒng)包括依次連接的循跡傳感器、CPU、驅(qū)動模塊和直流電機，所述循跡傳感器通過LM339比較器電路與所述CPU相連接，所述控制系統(tǒng)還包括電源模塊和避障模塊，所述電源模塊直接連接至所述CPU，所述避障模塊通過LM358連接至所述單片機，所述單片機與所述驅(qū)動模塊之間連接有顯示模塊，所述CPU為單片機。
[0022]機器人要實現(xiàn)自動避障功能，還可以擴展循跡等功能，感知導(dǎo)引線和障礙物?？梢詫崿F(xiàn)小車自動識別路線，選擇正確的行進路線，并檢測到障礙物自動躲避?；谏鲜鲆?，傳感檢測部分考慮到小車一般不需要感知清晰的圖像，只要求粗略感知即可，所以可以舍棄昂貴的CCD傳感器而考慮使用價廉物美的紅外反射式傳感器來充當(dāng)。智能小車的執(zhí)行部分，是由直流電機來充當(dāng)?shù)?，主要控制小車的行進方向和速度。單片機驅(qū)動直流電機一般有兩種方案:第一，勿需占用單片機資源，直接選擇有PWM功能的單片機，這樣可以實現(xiàn)精確調(diào)速;第二，可以由軟件模擬PWM輸出調(diào)制，需要占用單片機資源，難以精確調(diào)速，但單片機型號的選擇余地較大。考慮到實際情況，本文選擇第二種方案。CPU使用Megal6單片機，配合軟件編程實現(xiàn)。
[0023]系統(tǒng)以Megal6單片機為核心，配合外圍電路共同完成信號采集、路線檢測、障礙檢測、按鍵輸入、信號顯示和小車姿態(tài)控制等功能。循跡采用單片機查詢脈沖調(diào)制的反射式紅外發(fā)射接收器返回的信號以獲取道路信息，避障則有中斷和查詢協(xié)同完成，并用發(fā)光二極管顯示障礙信息及小車運行狀態(tài)。系統(tǒng)采用高性能的單片機，要求工作穩(wěn)定、處理速度快、通用性強，保證小車循跡避障的穩(wěn)定性及可靠性，而且成本低。
[0024]CPU是小車的核心部分，主要完成對外圍各個模塊的管理，實現(xiàn)對外圍模塊的信號發(fā)送，以及對傳感器模塊的信號采集，并根據(jù)軟件算法對所采集的信號進行處理，發(fā)送信號給執(zhí)行模塊進行任務(wù)執(zhí)行，還對各種突發(fā)事件進行監(jiān)控和處理，保證整個系統(tǒng)的正常運作。這里采用AtmelMegal6單片機，該單片機是高性能、低電壓的8位4\^單片機，內(nèi)含161(字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash和512字節(jié)的EEPR0M，另外有兩個具有獨立預(yù)分頻器和比較器功能的8位定時器/計數(shù)器和一個具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時器/計數(shù)器，32個可編程的I/O 口。
[0025]小車循跡避障部分是能夠采集周圍環(huán)境障礙物的信息，并返回至單片機進行處理，其組成部分包括:路線信息采集電路、放大電路、單片機控制電路。路線采集電路一般有脈沖調(diào)制的反射式紅外發(fā)射接收器和信號放大器組成，脈沖調(diào)制的反射式紅外發(fā)射接收器根據(jù)不同顏色對光的反射程度不同，將路線信息送至放大器，放大器可作為比較器可作簡單的濾波，放大器將從脈沖調(diào)制的反射式紅外發(fā)射接收器返回的信號轉(zhuǎn)化為單片機可識別的電平信號后送入單片機。Megal6單片機可根據(jù)接收的信息判斷路線的信息，實現(xiàn)對左右兩側(cè)直流電機工作狀態(tài)的控制，以實現(xiàn)左右轉(zhuǎn)向，最終實現(xiàn)循跡功能。
[0026]避障部分則有超聲波模塊和兩路脈沖調(diào)制的反射式紅外發(fā)射接收器。超聲波可實現(xiàn)測距，利用超聲波返回的信號變化使單片機產(chǎn)生中斷，實現(xiàn)障礙的判斷，當(dāng)距離大與某個值時可繼續(xù)前進，當(dāng)距離小雨某個值時則單片機進行處理，實現(xiàn)避障。
[0027]LM2940是輸出電壓固定的低壓差三端穩(wěn)壓器，使用6節(jié)干電池供電，通過LM2940穩(wěn)壓芯片將干電池提供的9V電穩(wěn)壓至5V為Megal6單片機及其它電路供電。LM2940最大輸入電壓為26V，輸出電壓為5V，最大輸出電流為IA，且輸出電流為IA時，最小輸入輸出電壓差小于
0.8V。工作溫度-40?+125°C，內(nèi)含靜態(tài)電流降低電路、電流限制、過流保護、電池反接和反插入保護電路。LM2940工作穩(wěn)定，比7805轉(zhuǎn)換效率高;故該小車系統(tǒng)選用LM2940穩(wěn)壓芯片提供穩(wěn)定的5V電源。
[0028]小車車體為RP5-CH02玩具坦克車底盤，為差動式履帶車，由于其為大功率，采用帶電感的大扭力260型馬達，形成大扭力、低噪音底盤系統(tǒng)，具有動力性能強，因此也需要大電流大功率驅(qū)動模塊。左右兩側(cè)的電機分別由電機驅(qū)動芯片L298N來驅(qū)動。L298N是一種內(nèi)含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，接收標(biāo)準TTL邏輯電平信號，可驅(qū)動46V、2A以下的電機，可分別獨立驅(qū)動兩個直流電機。L298N的信號輸入端和使能端接收到來自單片機的信號，控制電機的通斷以及正、反轉(zhuǎn)，還可以通過向使能端輸入不同占空比的方波信號來調(diào)整電機轉(zhuǎn)速(PWM方式)1298N的最大驅(qū)動電流為1A。
[0029]可實現(xiàn)循跡避障功能的傳感器多種多樣，如循跡可以選用發(fā)光二極管+光敏電阻、脈沖調(diào)制的反射式紅外發(fā)射接收器、CCD傳感器等;避障則可選有紅外對管、超聲波模塊、光電開關(guān)等。
[0030]可實現(xiàn)循跡避障功能的傳感器多種多樣，如循跡可以選用發(fā)光二極管+光敏電阻、脈沖調(diào)制的反射式紅外發(fā)射接收器、CCD傳感器等;避障則可選有紅外對管、超聲波模塊、光電開關(guān)等。[0031 ]小車的循跡主要是循黑線前進，可采取的方案如下:方案1:采用發(fā)光二極管加光敏電阻，該方案缺點:易受到外界光源的干擾，有時甚至檢測不到黑線，主要是因為可見光的反射效果跟地表的平坦程度、地表材料的反射情況均對檢測效果產(chǎn)生直接影響?？朔巳秉c的方法:采用超高亮度的發(fā)光二極管能降低一定的干擾，但這又會增加檢測系統(tǒng)的功耗;方案2:脈沖調(diào)制的反射式紅外發(fā)射接收器。由于采用帶有交流分量的調(diào)制信號，則可大幅度減少外界的干擾;此外紅外發(fā)射接收管的工作電流取決于平均電流，如果采用占空比小的調(diào)制信號，在平均電流不變的情況下，瞬時電流很大(50?100mA)(ST-188允許的最大輸入電流為50mA)，則大大提高了信噪比。此種測試方案反應(yīng)速度大約在5us;方案3:采用CCD傳感器，此種方法雖然能對路面信息進行準確完備的反應(yīng)，但它存在信息處理滿，實時性差等缺點，因此若采用CCD傳感器，無疑會加重單片機的處理負擔(dān)，不利于實現(xiàn)更好的控制策略;其中，脈沖調(diào)制的反射式紅外發(fā)射接收器工作穩(wěn)定，價格便宜，又可減輕單片機的負擔(dān)。
[0032]避障則可選用超聲波模塊和脈沖調(diào)制的反射式紅外發(fā)射接收器協(xié)同工作。由于超聲波反射聲波對所測物體的斜度有一定要求，而紅外對管對光線有限制，因此，兩者協(xié)同作用，同時，兩側(cè)的紅外對管還可實現(xiàn)對左右兩側(cè)障礙物的檢測，使得小車對障礙物的檢測更加準確。即聲波通過測距判斷障礙物的距離并通過左右兩側(cè)的紅外發(fā)射接收器判斷左前右前方障礙的情況，控制小車的行進方向?qū)崿F(xiàn)避障。
[0033]小車循跡避障傳感器的工作原理:循跡模塊有三路紅外探測模塊，均使用紅外線發(fā)射和接收管等分立元器件組成探頭，又由于所采用的紅外反射式傳感器屬于接近式傳感器，其光電二極管光生電流隨所受到的反射光的強度而連續(xù)變化，因而會引起其兩端電壓的連續(xù)變化。因此，若直接把這個電平信號供給單片機，容易產(chǎn)生誤讀情況，因此使用LM339或LM358比較器(加入遲滯電路)，防止臨界輸出抖動作為核心器件構(gòu)成中控電路。當(dāng)有路線為黑色時，則對應(yīng)的接收管返回給單片機的信號為I;為白色或地面時，則單片機相應(yīng)端口接收到的信號為O。用電位器產(chǎn)生一個基準電平，當(dāng)光電二極管的光生電流超過某一值時，運放的正向輸入端電平高于基準電平，這時運放的輸出電平發(fā)生跳變，該信號即可被單片機處理。通過對基準電平的調(diào)整，還可以調(diào)整傳感器的靈敏度和探測距離，以改變單片機接收到信號的強弱和探測的靈敏度。三路探頭協(xié)同工作，根據(jù)三路探頭返回值的不同確定路線的方向，通過單片機改變兩個直流電機的運行狀態(tài)，來調(diào)整小車的姿態(tài)，以完成隨導(dǎo)引線完成循跡的任務(wù)。
[0034]避障模塊應(yīng)用聲波和脈沖調(diào)制的反射式紅外發(fā)射接收器協(xié)同工作。其中，超聲波模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。
[0035]紅外反射式傳感器由I個紅外發(fā)射管(發(fā)射器)和I個光電二極管(接收器)構(gòu)成。紅外發(fā)射管發(fā)出的紅外光在遇到反光性較強的物體(表面為白色或近白色)后被折回，被光電二極管接收到，引起光電二極管光生電流的增大。將這個變化經(jīng)LM339或LM358比較器處理即可變?yōu)殡妷盒盘?，就可以被處理器接受并處理，進而實現(xiàn)對反光性差別較大的兩種顏色(如黑白兩色)的識別。其安全工作電壓范圍在3伏特至6伏特之間；US-020超聲波測距模塊可提供2cm-400cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可高達3mm。
[0036]本實施例中的小車以Megal6單片機為控制核心，采用脈沖調(diào)制的反射式紅外發(fā)射接收器采集道路信息，采用超聲波和紅外反射式傳感器采集前方以及左右放障礙的情況。
[0037]首先，脈沖調(diào)制的反射式紅外發(fā)射接收器對道路信息，即對黑線信息進行采集，并經(jīng)過LM339比較器轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的電平信號送至Megal6單片機，然后在Megal6單片機內(nèi)對信號進行處理，如中間傳感器下為黑線時，由于黑色對光的反射能力最弱，因此傳感器返回給單片機的信號為高電平，即I，兩側(cè)均為白色，則返回給單片機的信號為低電平，即0，此時，小車前進。其余情況則小車根據(jù)傳感器的信息進行運行狀態(tài)的調(diào)整，以實現(xiàn)準確循黑線行進。
[0038]另外，避障模塊則由中間的超聲波模塊和左右兩側(cè)的紅外傳感器組成，由超聲波模塊對所測物體斜度有要求，并且紅外對斜度無要求但對光線有要求，因此，兩者協(xié)同工作，超聲波通過測距實現(xiàn)障礙的判斷，一旦距離小于某個定值，便是小車轉(zhuǎn)向，同時考慮左右兩側(cè)紅外傳感器的信息，以確定障礙物的信息，實現(xiàn)小車的準確避障。其中超聲波利用Megal6單片機的中斷2對小車控制，同時單片機查詢左前右前方紅外對管返回的信號，確定小車應(yīng)該采取的控制狀態(tài)。
[0039]本發(fā)明提供的一種智能小車控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了機器人的自動避障功能，還可以擴展循跡等功能，感知導(dǎo)引線和障礙物，可以實現(xiàn)小車自動識別路線，選擇正確的行進路線，并檢測到障礙物自動躲避。
[0040]最后應(yīng)當(dāng)說明的是:以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對其限制，盡管參照上述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員依然可以對本發(fā)明的【具體實施方式】進行修改或者等同替換，這些未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，均在申請待批的權(quán)利要求保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種智能小車控制系統(tǒng)，其特征在于，所述控制系統(tǒng)包括依次連接的循跡傳感器、CPU、驅(qū)動模塊和直流電機，所述循跡傳感器通過LM339比較器電路與所述CPU相連接，所述控制系統(tǒng)還包括電源模塊和避障模塊，所述電源模塊直接連接至所述CPU，所述避障模塊通過LM358連接至所述單片機，所述單片機與所述驅(qū)動模塊之間連接有顯示模塊。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能小車控制系統(tǒng)，其特征在于，所述CRJ為單片機。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的智能小車控制系統(tǒng)，其特征在于，所述控制系統(tǒng)還包括外圍輔助豐吳塊。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的智能小車控制系統(tǒng)，其特征在于，所述避障模塊包括路線信息采集電路、放大電路和單片機控制電路。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的智能小車控制系統(tǒng)，其特征在于，所述路線信息采集電路包括脈沖調(diào)制的反射式紅外發(fā)射接收器和信號放大器。6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的智能小車控制系統(tǒng)，其特征在于，所述電源模塊為LM2940穩(wěn)壓芯片提供穩(wěn)定的5V電源。7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的智能小車控制系統(tǒng)，其特征在于，所述循跡模塊包括發(fā)光二極管加光敏電阻、脈沖調(diào)制的反射式紅外發(fā)射接收器或CCD傳感器中的任意一種。8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的智能小車控制系統(tǒng)，其特征在于，所述避障模塊包括紅外對管、超聲波模塊或光電開關(guān)中的任意一種。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的智能小車控制系統(tǒng)，其特征在于，超聲波模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。
【文檔編號】G05D1/02GK105929831SQ201610484766
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年6月28日
【發(fā)明人】王玉華
【申請人】王玉華