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基于红外传感器的自动寻迹智能小车设计

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移动机器人的研究涉及了自动控制、机械、计算机、电子以及人工智能等众多不同学科的研究成果。其基本原理是利用控制器和传感器对信息进行采集、处理和执行。随着 21 世纪科学技术的发展,特别是计算机、自动控制、人工智能等技术的发展,移动机器人在国防、工农业生产、抢险等领域中都有着巨大的应用价值。国防上,未来战争中为了最大程度地减少士兵伤亡,将出现大量各种类型的移动机器人,它们在跟踪、导航、干扰、攻击等方面发挥重要作用:生活中, 移动机器人正慢慢同计算机网络一样改变着人们的生活方式,逐步成为人们生活中不可缺少的部分。同时,许多传统的行业因此重新定位。此外,在科学研究、海洋开发、核废料处理等各个方面,移动机器人都将代替人类从事探索和作业工作。在大量的移动机器人研究领域中,智能小车算的上一个重要的研究分支。
20世纪50年代初,美国BarretElectronics公司成功开发出了世界上第—台自动引导车辆系统(AGVS),由此智能车辆的研究也拉开了序幕。该系统搭建的平台能够运行在指定的线路上,具备了无人驾驶功能,是智能车辆技术研究的雏形。60年代至70年代,除BarrettElectronics公司以外,其他两家公司Webb和Clark在市场中也逐步占有了一定量的份额。美国“机遇”号火星车于2004年4月17日在火星上驶出140多米,成功跑完一个“马拉松式”的长途,创下火星车迄今为止在火星上单日行车最远的新纪录。其在火星上凭借新的自动导航软件指引累计行驶达627.7米远,突破了600米大关。意大利帕尔玛大学研制的基于立体视觉并配有障碍物避让和路径跟踪系统的ARGO实验车,借助于车前的视觉传感器能够实现障碍物避让与路径跟踪,并根据路径跟踪技术设计和优化其控制器。德国慕尼黑国防军大学也与奔驰合作开发VaMoRS实验车,实现了在高速公路及较平坦的乡间公路上自主驾驶。此外日本在60年代也开始了对智能车辆的研究。
而我国对智能车辆的研究却相对较晚,“七五”开始移动机器人研究才开始逐步起步,然而截止到目前我们也在这个方面取得了不小的成绩。其中关于智能车辆路径跟踪的研究主要集中在各个高校内,例如在清华大学的智能技术与系统国家重点实验室,成功研制了THMR系列机器移动车,该机器移动车车载设备包括摄像机、光码盘、磁罗盘、差分GPS和电子地图,且控制系统能够接受自主驾驶和辅助驾驶两种不同的方式。此外,如浙江大学、上海交通大学、国防科技大学等其他高校也都在智能车辆方面进行了很多相关的研究。2013年,我国成功研制了嫦娥三号探测器,这是中国第一个月球软着陆的无人登月探测器,也标志着中国继前苏联、美国之后成为第三个实现月球软着陆的国家,是中国向航天大国迈进的重要一步。随着经济的进步和我国航空航天事业的不断发展,智能车辆的发展领域也必将越来越广阔。
小车作为一种效率高、灵活性强、有机动性且制作简单的托运工具,是移动机器人的最佳选择。在小车模型上放置些驱动芯片、传感器以及控制板之后,简易的智能小车模型将会被搭建。由于可以在车上安装各种设备进行定位、测距、数据和图像采集、避障等功能且其整体造价不高,所以智能小车是一个搭建人工智能设计的良好平台。故搭建基于红外线传感器的智能小车,并对相关软件和硬件进行设计和研究具有重要意义。

在智能小车的制作过程中,我们主要会应用直流电机、步进电机、舵机以及减速电机这几大类。由于直流电机相比于其他电机价格较为便宜,型号也较多,而无刷直流电机虽然效果更好,但相较于有刷直流电机却操作控制更为复杂且成本较高,故本文主要采用有刷直流电机。其主要由定转子和电刷三部分组成。且工作原理更为简单易懂。对于智能小车而言,其主要功能是进行测距和避障,不需要其行驶速度过快,通常采用降低电机两端电压或 PWM 的方式进行调速,但这两种方式会使所输出的转矩低于正常值或令其无法带载,所以可以采用附加机械装置的方式使其减速,常见的减速器有齿轮、皮带、蜗轮及蜗杆,由于市场上直齿减速电机较全,型号繁多,所以本文采用直齿齿轮电机。
智能小车驱动电路主要负责控制小车的运行、速度以及方向三个方面。根据原有电机知识,通过通断电可以控制小车运行,改变电机两级电流方向即可实现小车转向,故采用双路全桥控制电路对小车进行驱动。为了便于制作,本文电机驱动模块选用已经集成好的双 L298 电机驱动芯片,如下图3.2所示:

3.2  L298 电机驱动芯片
L298芯片由SGS公司生产,是一款单片集成的高电压、高电流的双路全桥式驱动芯片,采用线性驱动模式,可以同时驱动两个电机或一个步进电机,其具有两个使能输入端,可以不依赖于输入信号使能或禁用。其具有过温保护功能和较高的抗噪能力,工作电压为4.8~46V,逻辑“0”端输入电压1.5V,输出电流值最高可达到2A。在直流电机、步进电机、移动机器人、数字控制系统、伺服机构系统、电脑打印机以及绘图仪方面都有广泛的应用。其原理图如3.3所示,是一个有15个引出脚的多瓦数直插式封装集成芯片。

3.3  L298电机驱动模块原理图
 
在小车的调速方面,最简单的调速方法是改变电机两端的输入电压,但这种方式在低速时消耗能量较大且无法直接用单片机进行控制,本文采用了脉冲宽度调制(PWM)方式,将L298模块使能端加上PWM信号来对小车进行调速。该方法以固定的频率产生脉冲,调节信号产生脉冲的占空比,高电平持续时间越长,其占空比越大,导通时间越长,能耗越大,输出转速也就越大,反正输出转速越小。在电机上加装光电传感器和编码盘检测速度,形成闭环控制,实时控制小车运行,使小车运行速度与设定值减小偏差。
3.3  控制电路
在小车控制器方面,可以采用 51 单片机芯片作为智能小车的主控芯片并对小车进行控制,具体型号为 STC89C52RC 如图3.4(a)所示,是一款速度较快、功耗较低且具有超强抗干扰能力的 CMOS8 位微控制器,程序空间大小为 8KB,指令代码完全兼容 8051。其具有 32 个 I/O 通用接口,3 个 16 位定时器/计数器和4 个外部中断,通用异步串行口,支持 STC 两线制下载方式和 6T 模式,集成512BRAM,PDIP 封装,工作频率为 0~40MHz,具备 4KBEEPROM 和看门狗功能,引脚图如图3.4(b)所示。Keil uv4  是由美国 Keil Software  研制的一款应用 C 语言的 51 系列单片机的集成开发环境。其生成效率高,易于理解。可以采用该开发环境进行编译。
 

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