一種基于光電傳感器組的智能車尋跡算法.doc

精品論文大集合一種基于光電傳感器組的智能車尋跡算法魯盼，王換換，歐意文 長安大學(xué)電子與控制工程學(xué)院，陜西西安（710064） e-mail: 272955740摘要: 針對基于光電傳感器尋跡的自動(dòng)導(dǎo)引智能車, 設(shè)計(jì)了一種傳感器陣列的布置方式。根據(jù)此布置方式布置的光電傳感器組, 提出了三個(gè)處理規(guī)則結(jié)合而成的軌跡識(shí)別算法。該算 法能準(zhǔn)確引導(dǎo)智能車尋跡，即使在導(dǎo)引線復(fù)雜的情況下,也能使智能車檢測出引導(dǎo)線, 并控制智能車沿引導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)。當(dāng)遇到干擾走錯(cuò)時(shí), 智能車能夠退回到上一正確狀態(tài)，自動(dòng)重新檢測、運(yùn)行，具有自動(dòng)糾錯(cuò)功能。系統(tǒng)硬件電路簡單，算法先進(jìn)，可廣泛用于模型車競賽、教學(xué)和 實(shí)際運(yùn)用。關(guān)鍵詞:智能車；尋跡算法；規(guī)則1. 引言近年來, 汽車智能化越來越受到人們重視, 汽車的智能水平不斷提高。在自主式智能導(dǎo) 航系統(tǒng)中, 智能車要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)引功能就必須要感知導(dǎo)引線, 即常說的“尋跡”, 這相當(dāng)于給 汽車一個(gè)視覺功能。本文設(shè)計(jì)的智能車是一個(gè)自動(dòng)導(dǎo)引小車(agv), 包括兩大部分: 一是行進(jìn)方向的檢測處 理; 二是步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。在該系統(tǒng)里, 采用與地面顏色有較大差別的線條作引導(dǎo),使用傳感器感知導(dǎo)引線, 用單 片機(jī) mc9s12dg128 掃描光電傳感器組, 對采集到的信號(hào)進(jìn)行分析處理并做出邏輯判斷后, 得到行進(jìn)方向, 然后根據(jù)一定的步數(shù)去驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī), 實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的循跡行進(jìn)。小車的驅(qū)動(dòng) 采用步進(jìn)電機(jī), 因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)具有快速起停能力, 且轉(zhuǎn)換精度高, 正反轉(zhuǎn)控制靈活。2. 硬件電路采用 mc9s12dg128 單片機(jī)作為控制核心對光電傳感器送來的各種信號(hào)進(jìn)行分析處理14, 以控制機(jī)器人的方向和驅(qū)動(dòng)及數(shù)據(jù)顯示等, 如圖 1 所示。圖1 硬件框圖為了檢測黑色導(dǎo)引線, 采用了 8 個(gè)光電傳感器組成的矩陣組。如圖 2 所示, 相對于小車 底盤的中心, 我們布置了內(nèi)外兩層各 4 個(gè)傳感器。每層 4 個(gè)傳感器對應(yīng)著中心的 4 個(gè)方向: 前、后、左前、右前。可采用掃描方式分兩次得到各行數(shù)據(jù)。- 5 -圖2 光電傳感器矩陣組導(dǎo)引線檢測的具體電路如圖 3 所示。此處采用的是 tcrt5000 反射式紅外光電傳感器。 以第 1 行第 1 列的光電傳感器為例, 其工作原理是這樣的: p1 .0 輸出低電平時(shí), 三極管 a1015 導(dǎo)通, 光電傳感器工作, tcrt5000 的發(fā)射端發(fā)出不可見的紅外光。當(dāng)反射物由非黑 色導(dǎo)引線變?yōu)楹谏珜?dǎo)引線時(shí), 光電三極管的基極接受不到反射光, 從而光敏三極管由導(dǎo)通變 為截止, 使得集電極電壓由低電平變?yōu)楦唠娖? 經(jīng)過 74ls14 反相器反相整形, 輸出值由邏 輯 1 變?yōu)檫壿?0 后, 送入單片機(jī)中進(jìn)行進(jìn)一步處理5。vccr11r12r21r22r31r32r41r4227033k27033k27033k27033ktcrt5000tcrt5000tcrt5000tcrt5000p35100a1015npntcrt5000tcrt5000tcrt5000tcrt5000p34100a1015npnp1374l814p1274l814p1174l814p1074l814圖3 光電傳感器電路圖值得指出的是在此處 pnp 三極管 a1015 的使用。此處如果選用 npn 三極管, 則在開 機(jī)或復(fù)位時(shí) p1 口各位輸出高電平會(huì)誤掃描傳感器矩陣, 而選用 pnp 三極管就可以避免這 種情況, 能很好的控制光電傳感器的工作, 并可以增加驅(qū)動(dòng)能力。3. 尋跡單片機(jī)控制尋跡的原理是這樣的: 第一步, 通過矩陣式掃描, 即給光電傳感器矩陣分別 輸入兩個(gè)“1”信號(hào)的行值, 將輸出的 4 個(gè)列值信號(hào)分別存入兩個(gè)地址( 如 30h、31h) 的低 4 位, 低 4 位從高到低分別對應(yīng)著 4 個(gè)方向: 前、后、左前、右前。然后用“f0”與這八位做“或”邏輯運(yùn)算, 即屏蔽掉高四位后作為本次的信號(hào)值; 第二步, 將本次的信號(hào)值與上一次掃描處理后的信號(hào)值進(jìn)行邏輯處理, 得出一個(gè)新方向, 作為智能車行進(jìn)的方向。在這個(gè)程序里, 邏輯處理內(nèi)外層得到新方向是尋跡的關(guān)鍵。筆者在其中按先后步驟使用 了 3 種規(guī)則:前后比較規(guī)則, 內(nèi)外層切換規(guī)則, 優(yōu)先級(jí)規(guī)則。( 1) 前后比較規(guī)則 此規(guī)則是這個(gè)算法的核心規(guī)則。它的目的是盡可能的用新探測到的黑點(diǎn)作為新方向。新方向 f 通過f = ( pi pi 1 ) pi 1(1)來求得。( 其中 pi 為本次的信號(hào)值, pi- 1 為前次的信號(hào)值) 邏輯處理前“0”表示黑線軌 跡, 邏輯處理后“1” 表示軌跡行進(jìn)方向。舉例如下: 以內(nèi)層為例, 設(shè)當(dāng)前測得的值為 pi=1,1,1,1,ai,bi,ci,di且前一次測得的值為pi- 1=1,1,1,1,ai- 1,bi- 1,ci- 1,di- 1經(jīng)過上述( 1) 邏輯處理后, 假設(shè)結(jié)果為 f=0,0,0,0,1,0,0,0,則正前方是行進(jìn)的新方向。( 2) 內(nèi)外層切換規(guī)則如果光電傳感器組前后兩次所檢測的值完全一樣, 則在邏輯處理后會(huì)出現(xiàn)全零, 這時(shí)保 持原方向行進(jìn)。如果碰到曲線拐彎或者曲線斷續(xù), 則有可能出現(xiàn)多個(gè)“1”即多個(gè)方向, 這時(shí)可 采用“內(nèi)外層切換規(guī)則”, 也就是說從內(nèi)層切換到外層, 啟用外層掃描值重復(fù)上述前后比較規(guī) 則來進(jìn)行判斷。啟用外層信號(hào)進(jìn)行二次判斷能很好的處理曲線拐彎及曲線斷續(xù)等內(nèi)層處理不 好的情況。但用外層信號(hào)判斷, 因?yàn)槠鋫鞲衅鞑贾玫拈g隙距離比內(nèi)層大, 其控制精度不如用 內(nèi)層信號(hào)判斷高。( 3) 糾錯(cuò)規(guī)則在運(yùn)行中, 傳感器有可能受到干擾而發(fā)出錯(cuò)誤信號(hào)導(dǎo)致智能車走錯(cuò)或迷失方向, 這個(gè)時(shí) 候糾錯(cuò)規(guī)則能讓智能車后退起到糾錯(cuò)作用。所謂糾錯(cuò)規(guī)則就是在走錯(cuò)后出現(xiàn)了內(nèi)外層左前、 前、右前均沒有探測到引導(dǎo)線, 而后向探測到了導(dǎo)引線的情況下,讓智能車后退, 一直退到前 面三個(gè)方向傳感器里有傳感器探測到導(dǎo)引線為止。此時(shí)再用( 1) 式求得新的行進(jìn)方向, 從而 實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò)功能。其中前后比較法的邏輯處理及隨后的判斷程序具體如下: ( 30h 放本次信號(hào) 值, 32h 放前次信號(hào)值)datadeal:mov a, 30h xrl a, 32hanl a, 32h ; 按( 1) 式求新向mov 36h, a ; 保存mov r3, #8mov r4, #0count: jb acc.0, addn count1: rr adjnz r3, countcjne r4, #1h, judge ; r4 里所含不是1 個(gè)“1”時(shí), ; 轉(zhuǎn)“judge”再判斷ajmp motorrun ; r4 里只有一個(gè)“1”時(shí), 以此;“1”所代表的方向作為新方向addn: inc r4ajmp count1judge: jc keepmove ; 少于一個(gè)“1”, 保持原方向ajmp outcheck ; 多于一個(gè)“1”, 則取用外層 motorrun: ; 電機(jī)驅(qū)動(dòng)子程序keepmove: ; 保持原運(yùn)動(dòng)狀態(tài)子程序outcheck: ; 取用外層信號(hào)值判斷子程序4. 執(zhí)行導(dǎo)引智能車的驅(qū)動(dòng)方式采用一驅(qū)動(dòng)輪一轉(zhuǎn)向輪方式: 將后輪作為驅(qū)動(dòng)輪, 前輪作為轉(zhuǎn)向 輪, 通過切換轉(zhuǎn)向輪向左或向右的方式改變智能車的方向。這種方式與汽車的控制方式一樣, 直線行進(jìn)性能好, 可以高速移動(dòng)。從 1 個(gè)步進(jìn)脈沖對應(yīng)的行進(jìn)路程, 可以預(yù)算出應(yīng)給步進(jìn)電 機(jī)發(fā)出的脈沖數(shù)。預(yù)定的行進(jìn)路程以小于內(nèi)層傳感器間隙距離的 1/2 為宜, 這樣可以保證智 能車位置測量的連續(xù)性和方向識(shí)別的準(zhǔn)確性。單片機(jī) at89c52 根據(jù)其邏輯處理出來的方向, 調(diào)用步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)程序即可實(shí)現(xiàn)智能車循跡連續(xù)運(yùn)動(dòng)的功能。5. 總結(jié)在做好硬件部分的基礎(chǔ)上, 根據(jù)上述思路編制了程序進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中采用了與底色有 較大差異的黑色膠帶作導(dǎo)引線, 膠帶寬 1.8cm, 其中導(dǎo)引線總長 6000mm, 斷續(xù)部分的間斷距 離不大于 10mm, 步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行一次驅(qū)動(dòng)預(yù)定的行進(jìn)路程為 4mm。在沒有強(qiáng)烈日光干擾的情 況下, 尋跡系統(tǒng)能自動(dòng)識(shí)別黑色導(dǎo)引線并選擇正確的方向運(yùn)動(dòng)。測試結(jié)果: 系統(tǒng)總能在 60s 內(nèi)連續(xù)正確地走完全程, 而且機(jī)器人( 中心) 所走的軌跡基本上在黑線上?？梢? 即使是比 較復(fù)雜的曲線, 智能車也能準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)尋跡功能。本文的創(chuàng)新點(diǎn)是: 針對基于光電傳感器組尋跡的智能車, 設(shè)計(jì)了一種新的傳感器陣列的 布置方式。根據(jù)此布置方式, 提出了三個(gè)處理規(guī)則結(jié)合而成的軌跡識(shí)別算法。參考文獻(xiàn)1 卓晴,黃開勝,邵貝貝等.學(xué)做智能車挑戰(zhàn)“飛思卡爾”杯.北京航空航天出版社,2007.3. 2 邵貝貝,單片機(jī)嵌入式應(yīng)用的在線開發(fā)方法.清華大學(xué)出版社,2004（2007重?。? 楊國田,白焰.摩托羅拉（motorola）68hc12系列微控制器原理、應(yīng)用與開發(fā)技術(shù).中國電力出版社,2003. 4 劉慧銀,龔光華,王云飛等.motorola（freescale）微控制器mc68hc08原理及其嵌入式應(yīng)用.清華大學(xué)出版 社,2005.15光電開關(guān)應(yīng)用簡介.db/dl/article/jyxuyingyong/quanganqi/200709/6037.html6kwok l. tang, robert j. mulholland. comparing fuzzy logic with classical controller designs. ieee transactions on systems. man. and cybernetics, 1987,17(6): 1085-10877/an algor ithm of navigation for smart car which is guided by the photoelectric sensors setlu pan, wang huanhuan, ou yiwenschool of electronic and control engineering, chang-an university, xian (710062)abstractsensor - array are newly laid out for smart car which is guided by the photoelectric sensors set.analgorithm of navigation is provided which is combined in three rules according to the layout of sensors. even if the track is complex,direction can be calculated by the arithmetic,and the smart car can be steered to follow the track.errors can be corrected by smart car when disturbs ap