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基于红外光电传感器的智能车自动寻迹系统设计
资料介绍
介绍了一种自动寻迹智能车的设计 ,研究了采用红外反射式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 MC9S12D G128 为核心控制器 ,利用 11 个红外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 。 介绍了光电传感器的寻迹原理 ,讨论了光电传感器排列方法、布局、间隔等对寻迹结果的影响。
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（完整内容请下载后查看）SEMICONDUCTOR OPTOELECTRONICS ꢀVol. 30 No. 1
Feb. 2009
光电技术应用
基于红外光电传感器的智能车自动寻迹系统设计
高月华
( 重庆科技学院 机械工程系 ,重庆 400042)
摘 ꢀ要 : ꢀ介绍了一种自动寻迹智能车的设计 ,研究了采用红外反射式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 MC9S12D G128 为核心
控制器 ,利用 11 个红外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。介绍了光电传感器的寻迹原理 ,讨论了光电传感器排列方
法、布局、间隔等对寻迹结果的影响。
关键词 : ꢀ光电传感器 ; 智能车 ; 寻迹 ; 路径识别
(
)
中图分类号 : TP23 ꢀ文献标识码 : A ꢀ文章编号 : 1001 - 5868 2009 01 - 0134 - 04
Design of Autonomous Tracing System in Intelligent Vehicle Based on Infrared Photoelectric Sensor
GAO Yue2hua
( College of Mechanical Engineering , Chongqing Science and Technology University , Chongqing 400042 , CHN)
Abstract : ꢀA design of autonomous tracing system in intelligent vehicle is introduced. The
software and hardware design method which realizes the autonomous tracing using the infrared
reflective photoelectric sensors as the path recognition module is researched. The system employs
Freescale HCS series 16 bit single2chip microcomputer MC9SD G128 as its main controller and an
array of photoelectric sensors for recognizing the path information. Single2chip Microcomputer
energizes the servor to steer and control the speed of the DC electric motor according to the
analysis of the path and speed information from sensors. Consequently , this intelligent vehicle
can track the black2guide2line automatically and move forward following the line quickly and
smoothly. The autonomous tracing principle of photoelectric sensor is presented. The effects of
sensors’ array , overall arrangment , and space on theautonomous trace are discussed.
Key words : ꢀphotoelectric sensor ; intelligent vehicle ; autonomous tracing ; path recognition
流及柔性制造系统中都有广泛运用 ,已成为人工智
0 ꢀ引言
能领域研究和发展的热点。
智能车即轮式移动机器人 ,是一种集环境感知、
目前 ,智能车领域的研究已经能够在具有一定
决策规划、自动行驶等功能于一体的综合智能系统 ,
标记的道路上为司机提供辅助驾驶系统甚至实现无
智能车集中地运用了自动控制、模式识别、传感器技
人驾驶 ,这些智能车的设计通常依靠特定道路标记
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
完成识别 ,通过推理判断模仿人工驾驶进行操作。
本文所述智能车就是一种自动导引小车 ,能够在给
展 ,智能车在工业生产和日常生活中已经扮演了非
定的区域内沿着轨迹自动进行行进。小车运行过程
常重要的角色 ,近年来 ,智能车在野外、道路、现代物
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
收稿日期 :2008 - 09 - 23.
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ꢀ
《半导体光电》2009 年 2 月第 30 卷第 1 期
高月华 : ꢀ基于红外光电传感器的智能车自动寻迹系统设计
迹系统采用红外反射式光电管识别路径上的黑线 ,
并以最短的时间完成寻迹 ,用单片机 A T89C52 扫
描光电传感器组 , 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 ,再通过加长转臂
的舵机驱动前轮转向 ,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。本文对智能车
的寻迹、避障及速度控制等进行了研究。
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。图 2 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。
1 ꢀ红外光电传感器寻迹原理
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 Vout 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 Vout 的响
应曲线是非线性的[223 ] ,如图 1 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。
图 2 ꢀ沿黑色标志线分布的阵列光电传感器输出
2 ꢀ智能车系统硬件设计
智能车由车架、电源、传感器、驱动电机、转向电
机和单片机控制系统等组成 ,如图 3 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。
智能车的主控制器采用飞思卡尔半导体公司生
产的 16 位微控制器 MC9S12D Gl28 ,其具有高度的
功能集成 ,易于扩展 ,低电压检测复位 ,看门狗计数
器 ,低电压低功耗 ,自带 PWM 输出等功能[4 ] 。系统
I/ O 口具体分配如下 : PA0～ PA7 及 PB0～PB2 共
11 位用于小车前面路径识别的输入口 ; PACNO 用
于车速检测的输入口 ; PWM01 用于伺服舵机的
PWM 控制信号输出 ; PWM23、PWM45 用于驱动
电机的 PWM 控制信号输出。
图 1 ꢀ输出信号与距离的关系曲线
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
电源是智能车系统稳定可靠运行的基础 ,智能
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