基于红外传感器的自寻迹小车控制系统的设计

第34卷第11期　　　　　　　　　　　　　　电子工程师. 34No . 11

　　　　　　　　　　　　　　　　Vol

2008年11月　E LECTRON I C E NGI N EER Nov . 2008

基于红外传感器的自寻迹小车控制系统的设计

王超艺, 王宜怀

(苏州大学计算机科学与技术学院, 江苏省苏州市215006)

摘　要:介绍了基于红外传感器的自寻迹小车的设计和实现。自寻迹指小车可自主沿黑色引导线前进, 并实现对舵机和电机的自动控制。由于不同的颜色具有不同反射强度, 通过合理安排红外传感器的数量和空间位置, 智能车可以感知道路状况的变化。系统控制核心采用单片机, 使用驱动芯片MC33886驱动直流电机。、仓库、服务机器人等领域。

关键词:红外传感器; 自寻迹; 智能车中图分类号:TP274. 5

轮附近。前进中, 车轮每转动一圈, 将产生12个脉冲信号。通过HS12输入捕捉功能即可以计算出当前车速。辅助调试模块主要用于赛车系统的程序烧写、功能调试和测试、赛车状态监控、赛车系统参数和运行策略设置等方面。通信模块包括SC I 通信和无线nRF2401通信。系统结构如图1所示

。

0　引　言

、规划决策和多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统。它集中运用了计算机、现代传感、信息融合、通信、人工智能及自动控制等技术, 是典型的高新技术综合体。本智能车系统以MC9S12DG128芯片为核心, 由电源模块、红外传感器

模块、电机舵机驱动模块、速度传感器模块、通信模块、调试模块和MCU 模块组成。智能车根据红外传感器采集的数据以及从速度传感器得到的速度信息, 判断直道、弯道以及转弯方向和转弯半径等信息, 并由核心控制单元进行P I D 控制算法处理后, 调整伺服电机的转角和驱动电机的速度。

图1　系统结构框图

1　系统设计

MC9S12DG128单片机使用16位HCS12内核, 支

2　路径识别原理

本系统使用的红外传感器I T R9904为连续型红外

传感器, 其工作电路如图2所示, ADT 为电压采样点。共使用两排传感器, 前排8个, 间距30mm , 负责模糊判断; 后排6个, 间距25mm , 负责精确判断。连续型红外传感器的特点是其返回值根据红外线强度的变化而变化, 而不是返回“0”或“1”来表示有没有检测到黑线。因此, 可以根据各个传感器的返回值和各自的相对位置计算出黑线的相对位置, 计算出的位置也是连续变化的。为了避免传感器性能的差异造成影响, 本系统使用相对红外强度计算黑线位置。开始前, 让每个传感器扫描赛道, 得到并存储各个传感器的最大、最小值。前进过程中用实际得到的值减去最小值, 再除以最大值与最小值之差, 即可以得到其相对强度。然后用传感器的相对位置和传感器的相对强度作加权平均计算出黑线的相对位置。

持断点功能和背景调试模式, 具有128k B Flash EEP 2ROM 、8k B RA M 、2k B EEPRO M, 核心运算频率50MHz, 总线频率可达32MHz, 具有丰富的I/O接口, 能够满足本设计的需要。本系统采用7. 2V 电池供电, 共需要4种电源, 其中7. 2V 供驱动电机使用, 6V 供舵机使用, 5V 供控制芯片和速度传感器使用, 3V 供红外传感器使用。各种所需电源均从7. 2V 经电源转换芯片转换得到。

红外采集模块由DG128的AD 模块、红外传感器I TR9904及其供电电路组成。其功能是获取前方赛道的信息, 供HCS12作进一步处理。速度传感器模块由霍尔元件A04E 、磁钢和HCS12输入捕捉功能构成。12个磁钢均匀分布在后轮齿槽中, 霍尔元件固定在后

收稿日期:2008206216; 修回日期:2008208207。

・60・

第34卷第11期王超艺, 等:基于红外传感器的自寻迹小车控制系统的设计・计算机与自动化技术・

4　具体设计与实现

本智能车系统软件设计基于Code W arri or V4. 6,

使用C 语言实现。整个系统的开发、写入、调试均在此环境下实现。为了使智能车能够快速行驶, 单片机必须把路径的迅速判断、相应的转向伺服电机控制以及直流驱动电机的控制紧密地结合起来。如果传感器部分的数据没有正确地采集和识别, 转向伺服电机控制失当, 都会造成模型车严重抖动甚至偏离赛道; 如果, 也会造成直线路段速度上不去。

。

图2　红外传感器电路

　　以前排传感器为例(传感器间距30mm ) :传感器位置依次为-7, -5, -3, -1, 1, 3, 5, 7。黑线相对位[4]

置公式如下:

n

n

n

n

n

P =

∑v p ∑v

i =0

i 式中:P 度值; p n 为第n 。

这种方法消除了传感器差异造成的影响, 而且可以得到连续的位置信息, 相邻两次位置的变化小于0. 5mm 。

3　驱动控制原理

MC33886作为一个单片电路H 桥, 是理想的功率

图4　软件运行总流程

分流直流电机和双向推力电磁铁控制器。它的集成电路包含内部逻辑控制、电荷泵、门控驱动及低读选通(on ) 金属-氧化物半导体场效应晶体管输出电路。MC33886能够控制连续感应直流负载上升到5. 0A, 输出负载P WM (脉宽调制) 的频率可达10kHz 。一个故障状态输出可以报告欠压、短路、过热等情况。两路独立输入控制两个半桥的推拉输出电路的输出, 两个无效输入使H 桥产生三态输出(呈现高阻抗) 。MC33886的驱动电路包括一个芯片电路和驱动方式选择电路。图3为MC33886驱动电路

。

图3　M C33886驱动芯片

首先, 智能车系统通过红外采集模块获取前方引导线的信息, 同时通过速度传感器模块实时获取车的速度。然后, HCS12利用获得的传感器的数据, 计算出当前车与引导线的相对位置, 求得车身与黑线位置的偏差, 接着采用P I D 控制方法对舵机进行反馈控制。最后, 赛车根据检测到的速度, 结合速度控制策略, 采用P I D 闭环控制, 及时调整车速到预定速度, 在保证小车不脱离轨道的情况下, 以尽可能快的速度前进。

利用前后排传感器得到的赛道的位置之差和前后排的间距(100mm ) , 可以计算出此时车身与赛道的夹角。但是, 只有夹角并不能表明车身偏移赛道中心的情况, 还要考虑赛道的相对位置。综合两个因素, 误差的总公式如下:

(1) e (t ) =a +kP

式中:e (t ) 为误差; a 为车身与赛道的夹角; P 为引导线在后排传感器上的相对位置; k 为P 的权值。

然后对误差进行P I D 调节, 并计算出实际的舵机控制信号。

由于硬件上安装了速度传感器, 利用HCS12单片机上的脉冲捕捉端口, 通过计算由速度传感器产生的脉冲数转换得到当前车速, 采用P I D 闭环控制, 可以及时快速调节车速达到预定值。通过P WM 波调制给驱动电机输入一定的占空比, 使电机工作在一定转矩, 由

・61・

・计算机与自动化技术・电子工程师2008年11月

于车在赛道上行驶时负载不断变化带来了电机工作时的波动, 影响了车的实际速度, 采用P I D 调节控制算法能对直流电机的加减速度进行快速准确的调节, 可以减小由于电池或场地等原因造成的速度无规则变化。

参　考　文　献

[1]卓晴, 黄开胜, 邵贝贝, 等. 学做智能车[M].北京:北京

航空航天大学出版社, 2007.

[2]杨明, 程磊, 黄卫华, 等. 基于光电管寻迹的智能车舵机

5　结束语

本文提出了基于红外传感器的自寻迹小车的设计方案。该方案以16位微控制器DG128为核心, 以双

排红外传感器作为路径信息采集手段, 并使用霍尔传感器作为测速传感器, 利用传统的P I D 控制方法来控制舵机和电机。最终实现智能车在保证不脱离轨道的情况下, 以尽可能快的速度自主循黑色引导线前进。红外传感器在路径信息采集中的优良表现说明其作为机器人的近距离传感器是完全可行的。

控制[J ].光电技术应用, 2007, 22(1) :50253.

[3]吴建平, 殷战国, 曹思榕, 等. 红外反射式传感器在自主

式寻迹小车导航中的应用[J ].中国测试技术, 2004, 30

(6) :21223.

[4]邓岳, 周辉, 谈英姿. MC9S12DG128单片机智能车

设计与实现[J ]., 2008, 26(1) :672

69.

　　19862, 。

Desi gn of Control Syste m Based on I nfrared Sensor

W ANG Chaoy i , W ANG Y i hua i

(School of Computer Science &Technol ogy, Suzhou University, Suzhou 215006, China )

Abstract:This article intr oduces the design and i m p le mentati on of a self 2tracking car based on infrared sens or . Self 2tracking means the car can move f or ward without exte mal guidance al ong the black guiding line and contr ol by itself the Servo mot or and the drive mot or . Because different col ors have different intensity of re 2flecti on, s o thr ough reas onable arrange ment of the nu mber and the s pace l ocati on of the infrared sens ors, the s martcar can sense the change of the line conditi on . The HCS12DG128is used as heart of contr ol in this sys 2te m , and MC33886f or drive of DC mot or . This technol ogy could be used t o no 2driver car, r obot fact ory, ware 2house, service r obot etc .

Keywords:infrared sens or; self 2tracking; s mart car

(上接第55页)

Study on Si gnal Acquisiti on and D i git al Processi n g

of Dat a fro m M E M S Hu m i dity Sensor

W ANG Kang, Q I N M i n g

(Key Laborat ory ofME MS of Educati onalM inistry, Southeast University, Nanjing 210096, China ) Abstract:ME MS (M icr o Electr o Mechanical syste m s ) hu m idity sens or manufactured by standard C MOS technol ogy and ME MS post p r ocessing technol ogy is becom ing more and more popular because of having such advantages as s mall size and fast res ponse ti m e . This paper describes the theory of ME MS p iez oresistive hu 2m idity sens or devel oped by our lab, intr oduces the design of hard ware , s oft w are, and packaging, establish 2ment of the model of trans m issi on functi on . Finally we p resent the test result of the packaged sens or .

Keywords:ME MS; p iez oresistive hum idity sens or; signal acquisiti on; trans m issi on functi on; package de 2sign

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第34卷第11期　　　　　　　　　　　　　　电子工程师. 34No . 11

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2008年11月　E LECTRON I C E NGI N EER Nov . 2008

基于红外传感器的自寻迹小车控制系统的设计

王超艺, 王宜怀

(苏州大学计算机科学与技术学院, 江苏省苏州市215006)

摘　要:介绍了基于红外传感器的自寻迹小车的设计和实现。自寻迹指小车可自主沿黑色引导线前进, 并实现对舵机和电机的自动控制。由于不同的颜色具有不同反射强度, 通过合理安排红外传感器的数量和空间位置, 智能车可以感知道路状况的变化。系统控制核心采用单片机, 使用驱动芯片MC33886驱动直流电机。、仓库、服务机器人等领域。

关键词:红外传感器; 自寻迹; 智能车中图分类号:TP274. 5

轮附近。前进中, 车轮每转动一圈, 将产生12个脉冲信号。通过HS12输入捕捉功能即可以计算出当前车速。辅助调试模块主要用于赛车系统的程序烧写、功能调试和测试、赛车状态监控、赛车系统参数和运行策略设置等方面。通信模块包括SC I 通信和无线nRF2401通信。系统结构如图1所示

。

0　引　言

、规划决策和多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统。它集中运用了计算机、现代传感、信息融合、通信、人工智能及自动控制等技术, 是典型的高新技术综合体。本智能车系统以MC9S12DG128芯片为核心, 由电源模块、红外传感器

模块、电机舵机驱动模块、速度传感器模块、通信模块、调试模块和MCU 模块组成。智能车根据红外传感器采集的数据以及从速度传感器得到的速度信息, 判断直道、弯道以及转弯方向和转弯半径等信息, 并由核心控制单元进行P I D 控制算法处理后, 调整伺服电机的转角和驱动电机的速度。

图1　系统结构框图

1　系统设计

MC9S12DG128单片机使用16位HCS12内核, 支

2　路径识别原理

本系统使用的红外传感器I T R9904为连续型红外

传感器, 其工作电路如图2所示, ADT 为电压采样点。共使用两排传感器, 前排8个, 间距30mm , 负责模糊判断; 后排6个, 间距25mm , 负责精确判断。连续型红外传感器的特点是其返回值根据红外线强度的变化而变化, 而不是返回“0”或“1”来表示有没有检测到黑线。因此, 可以根据各个传感器的返回值和各自的相对位置计算出黑线的相对位置, 计算出的位置也是连续变化的。为了避免传感器性能的差异造成影响, 本系统使用相对红外强度计算黑线位置。开始前, 让每个传感器扫描赛道, 得到并存储各个传感器的最大、最小值。前进过程中用实际得到的值减去最小值, 再除以最大值与最小值之差, 即可以得到其相对强度。然后用传感器的相对位置和传感器的相对强度作加权平均计算出黑线的相对位置。

持断点功能和背景调试模式, 具有128k B Flash EEP 2ROM 、8k B RA M 、2k B EEPRO M, 核心运算频率50MHz, 总线频率可达32MHz, 具有丰富的I/O接口, 能够满足本设计的需要。本系统采用7. 2V 电池供电, 共需要4种电源, 其中7. 2V 供驱动电机使用, 6V 供舵机使用, 5V 供控制芯片和速度传感器使用, 3V 供红外传感器使用。各种所需电源均从7. 2V 经电源转换芯片转换得到。

红外采集模块由DG128的AD 模块、红外传感器I TR9904及其供电电路组成。其功能是获取前方赛道的信息, 供HCS12作进一步处理。速度传感器模块由霍尔元件A04E 、磁钢和HCS12输入捕捉功能构成。12个磁钢均匀分布在后轮齿槽中, 霍尔元件固定在后

收稿日期:2008206216; 修回日期:2008208207。

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第34卷第11期王超艺, 等:基于红外传感器的自寻迹小车控制系统的设计・计算机与自动化技术・

4　具体设计与实现

本智能车系统软件设计基于Code W arri or V4. 6,

使用C 语言实现。整个系统的开发、写入、调试均在此环境下实现。为了使智能车能够快速行驶, 单片机必须把路径的迅速判断、相应的转向伺服电机控制以及直流驱动电机的控制紧密地结合起来。如果传感器部分的数据没有正确地采集和识别, 转向伺服电机控制失当, 都会造成模型车严重抖动甚至偏离赛道; 如果, 也会造成直线路段速度上不去。

。

图2　红外传感器电路

　　以前排传感器为例(传感器间距30mm ) :传感器位置依次为-7, -5, -3, -1, 1, 3, 5, 7。黑线相对位[4]

置公式如下:

n

n

n

n

n

P =

∑v p ∑v

i =0

i 式中:P 度值; p n 为第n 。

这种方法消除了传感器差异造成的影响, 而且可以得到连续的位置信息, 相邻两次位置的变化小于0. 5mm 。

3　驱动控制原理

MC33886作为一个单片电路H 桥, 是理想的功率

图4　软件运行总流程

分流直流电机和双向推力电磁铁控制器。它的集成电路包含内部逻辑控制、电荷泵、门控驱动及低读选通(on ) 金属-氧化物半导体场效应晶体管输出电路。MC33886能够控制连续感应直流负载上升到5. 0A, 输出负载P WM (脉宽调制) 的频率可达10kHz 。一个故障状态输出可以报告欠压、短路、过热等情况。两路独立输入控制两个半桥的推拉输出电路的输出, 两个无效输入使H 桥产生三态输出(呈现高阻抗) 。MC33886的驱动电路包括一个芯片电路和驱动方式选择电路。图3为MC33886驱动电路

。

图3　M C33886驱动芯片

首先, 智能车系统通过红外采集模块获取前方引导线的信息, 同时通过速度传感器模块实时获取车的速度。然后, HCS12利用获得的传感器的数据, 计算出当前车与引导线的相对位置, 求得车身与黑线位置的偏差, 接着采用P I D 控制方法对舵机进行反馈控制。最后, 赛车根据检测到的速度, 结合速度控制策略, 采用P I D 闭环控制, 及时调整车速到预定速度, 在保证小车不脱离轨道的情况下, 以尽可能快的速度前进。

利用前后排传感器得到的赛道的位置之差和前后排的间距(100mm ) , 可以计算出此时车身与赛道的夹角。但是, 只有夹角并不能表明车身偏移赛道中心的情况, 还要考虑赛道的相对位置。综合两个因素, 误差的总公式如下:

(1) e (t ) =a +kP

式中:e (t ) 为误差; a 为车身与赛道的夹角; P 为引导线在后排传感器上的相对位置; k 为P 的权值。

然后对误差进行P I D 调节, 并计算出实际的舵机控制信号。

由于硬件上安装了速度传感器, 利用HCS12单片机上的脉冲捕捉端口, 通过计算由速度传感器产生的脉冲数转换得到当前车速, 采用P I D 闭环控制, 可以及时快速调节车速达到预定值。通过P WM 波调制给驱动电机输入一定的占空比, 使电机工作在一定转矩, 由

・61・

・计算机与自动化技术・电子工程师2008年11月

于车在赛道上行驶时负载不断变化带来了电机工作时的波动, 影响了车的实际速度, 采用P I D 调节控制算法能对直流电机的加减速度进行快速准确的调节, 可以减小由于电池或场地等原因造成的速度无规则变化。

参　考　文　献

[1]卓晴, 黄开胜, 邵贝贝, 等. 学做智能车[M].北京:北京

航空航天大学出版社, 2007.

[2]杨明, 程磊, 黄卫华, 等. 基于光电管寻迹的智能车舵机

5　结束语

本文提出了基于红外传感器的自寻迹小车的设计方案。该方案以16位微控制器DG128为核心, 以双

排红外传感器作为路径信息采集手段, 并使用霍尔传感器作为测速传感器, 利用传统的P I D 控制方法来控制舵机和电机。最终实现智能车在保证不脱离轨道的情况下, 以尽可能快的速度自主循黑色引导线前进。红外传感器在路径信息采集中的优良表现说明其作为机器人的近距离传感器是完全可行的。

控制[J ].光电技术应用, 2007, 22(1) :50253.

[3]吴建平, 殷战国, 曹思榕, 等. 红外反射式传感器在自主

式寻迹小车导航中的应用[J ].中国测试技术, 2004, 30

(6) :21223.

[4]邓岳, 周辉, 谈英姿. MC9S12DG128单片机智能车

设计与实现[J ]., 2008, 26(1) :672

69.

　　19862, 。

Desi gn of Control Syste m Based on I nfrared Sensor

W ANG Chaoy i , W ANG Y i hua i

(School of Computer Science &Technol ogy, Suzhou University, Suzhou 215006, China )

Abstract:This article intr oduces the design and i m p le mentati on of a self 2tracking car based on infrared sens or . Self 2tracking means the car can move f or ward without exte mal guidance al ong the black guiding line and contr ol by itself the Servo mot or and the drive mot or . Because different col ors have different intensity of re 2flecti on, s o thr ough reas onable arrange ment of the nu mber and the s pace l ocati on of the infrared sens ors, the s martcar can sense the change of the line conditi on . The HCS12DG128is used as heart of contr ol in this sys 2te m , and MC33886f or drive of DC mot or . This technol ogy could be used t o no 2driver car, r obot fact ory, ware 2house, service r obot etc .

Keywords:infrared sens or; self 2tracking; s mart car

(上接第55页)

Study on Si gnal Acquisiti on and D i git al Processi n g

of Dat a fro m M E M S Hu m i dity Sensor

W ANG Kang, Q I N M i n g

(Key Laborat ory ofME MS of Educati onalM inistry, Southeast University, Nanjing 210096, China ) Abstract:ME MS (M icr o Electr o Mechanical syste m s ) hu m idity sens or manufactured by standard C MOS technol ogy and ME MS post p r ocessing technol ogy is becom ing more and more popular because of having such advantages as s mall size and fast res ponse ti m e . This paper describes the theory of ME MS p iez oresistive hu 2m idity sens or devel oped by our lab, intr oduces the design of hard ware , s oft w are, and packaging, establish 2ment of the model of trans m issi on functi on . Finally we p resent the test result of the packaged sens or .

Keywords:ME MS; p iez oresistive hum idity sens or; signal acquisiti on; trans m issi on functi on; package de 2sign

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