一個(gè)低成本的自主導(dǎo)航車的制作

一個(gè)低成本的自主導(dǎo)航車的制作

CREATINGALOW-COSTAUTONOMOUSVEHICLE摘要自治小車是由許多零件和控制器組成的。而這些是取決于車自身要完成的任務(wù)的。在開(kāi)發(fā)低風(fēng)險(xiǎn)自主車時(shí)，一個(gè)最大的挑戰(zhàn)就是保持低成本。因?yàn)榈统杀静拍軒?lái)高的消費(fèi)者應(yīng)用。便宜的微控制器，超聲波傳感器，和一個(gè)全球定位系統(tǒng)組成的低成本自主車將導(dǎo)航避免障礙直到一個(gè)預(yù)定的位置。這篇論文給出了一個(gè)低成本的自主車的設(shè)計(jì)，使用了一個(gè)修改的雷達(dá)控制裝在小車底板的GPS和超音速傳感器，來(lái)達(dá)到一個(gè)預(yù)定的地理位置。我們主要關(guān)注的是在一個(gè)最小預(yù)算的情況下，車能完成多少任務(wù)。一個(gè)預(yù)算表明使用低成本的處理器和和商業(yè)可獲得的零部件可以很好的完成高性能要求。因?yàn)檫@個(gè)系統(tǒng)要用到電池，所以我們對(duì)能耗給予了很大的關(guān)注。引言

一個(gè)自主小車是一個(gè)自導(dǎo)航的車就是不需要任何操作員來(lái)導(dǎo)航或者完成它的任務(wù)。自主車是最近發(fā)展起來(lái)的機(jī)器人的一個(gè)分支學(xué)科，主要包括三種形式：對(duì)空的，陸地的和海下的。很多公司和組織花很多的時(shí)間和金錢來(lái)開(kāi)發(fā)自主車以滿足不同的應(yīng)用。包括精確的固定飛行，探測(cè)危險(xiǎn)區(qū)域（如：生化污染區(qū)，以及雷達(dá)輻射區(qū)）檢查水下管道的完整性，和探險(xiǎn)其它星球的表面等等。自主車的一個(gè)可能的任務(wù)就是按照一個(gè)預(yù)先編好的路線一避免任何可能遇到的障礙，這個(gè)功能在一些應(yīng)用領(lǐng)域是十分有效的，比如：自動(dòng)伐木車，安全檢查機(jī)器人，滅火系統(tǒng)，和一個(gè)地形地圖車。這個(gè)車可以自己通過(guò)傳感器來(lái)看到自己的位置以及周圍的東西。這些傳感器因距離的遠(yuǎn)近而不同。作一個(gè)自主車來(lái)完成這個(gè)任務(wù)是愛(ài)何華大學(xué)的一個(gè)主要研究課題?；饋?lái)自于電子電氣工程系。這個(gè)項(xiàng)目的目的就是設(shè)計(jì)和建造一個(gè)低成本的自主車控制系統(tǒng)對(duì)一個(gè)地面車實(shí)施控制。這個(gè)車必須能按照一個(gè)預(yù)定的路線避免障礙并以一定的速度行進(jìn)。開(kāi)發(fā)這個(gè)控制系統(tǒng)的平臺(tái)是一個(gè)音頻控制模式的小車。導(dǎo)航系統(tǒng)

為了自主地導(dǎo)航一個(gè)車，控制系統(tǒng)必須能夠有能力去確定他現(xiàn)在的位置和前進(jìn)的方向。位置可以通過(guò)一個(gè)外部的聲音利用像全球定位系統(tǒng)來(lái)確定，或者通過(guò)使用電子羅盤路徑計(jì)數(shù)器獲得一個(gè)已知的開(kāi)始點(diǎn)來(lái)計(jì)算一個(gè)前進(jìn)的路徑。然而，兩者都不是完美的。GPS系統(tǒng)提供了很好的整體定位信息而不依賴于以前的路徑結(jié)果。這樣就避免了來(lái)自于以前路徑的計(jì)算錯(cuò)誤。由于這個(gè)原因我們就選擇了低成本，易于使用的GPS的方法來(lái)定位我們的自主車。然而衛(wèi)星信號(hào)接收的有限性限制了GPS系統(tǒng)的導(dǎo)航功能。這種限制可能通過(guò)使用不同的GPS來(lái)彌補(bǔ)這個(gè)不足，但是要花多一些花費(fèi)GPS16接口協(xié)議是基于國(guó)家潛水電子協(xié)會(huì)的NMEA0183ASCⅡ接口說(shuō)明的。GPS可以每一秒一次的速度被構(gòu)造成流標(biāo)準(zhǔn)句包括不同的GPS系統(tǒng)信息。通過(guò)GPS獲得的數(shù)據(jù)被使用在我們的工程里，主要包括經(jīng)度和緯度形成的一個(gè)ASCⅡ測(cè)試字符組，“ddmm，mmmm”代表度，分，秒，還包括GPS質(zhì)量標(biāo)尺，天線在平均海平面的相對(duì)高度，地面速度以及地形等等。分析這些字符流來(lái)把有效的相關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成有用的變量。絕對(duì)位置可以通過(guò)三維向量來(lái)準(zhǔn)確定位。在測(cè)試中，相對(duì)位置比較準(zhǔn)確，但絕對(duì)位置的獲得超時(shí)了。障礙避免

一個(gè)成本并不高但是也可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的探測(cè)的超聲波遠(yuǎn)距離探測(cè)器。他是通過(guò)產(chǎn)生一個(gè)電壓波然后在探測(cè)來(lái)自目標(biāo)物的返回信號(hào)。超聲波探測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)是能在光線差或者水下使用。它提供了相對(duì)比較好的深度解決方案。例如，一個(gè)聲音傳遞時(shí)是以下面的前兩個(gè)式子描述的進(jìn)行的，要求超聲波探測(cè)器在2到5個(gè)周期內(nèi)探測(cè)到。那么對(duì)于一個(gè)32KHZ的傳感器，可以計(jì)算如（3）和（4）。圖一說(shuō)明了一個(gè)電波模式,是一個(gè)關(guān)于SFR08超聲波傳感器的.電波帶寬是一個(gè)由傳感器的物理特性和操作頻率決定的函數(shù).等式(5)和(6)描述了描述了波角作為一個(gè)頻率的函數(shù).一旦傳感器接收到了開(kāi)始命令通過(guò)IIC總線時(shí).片上的微處理器就開(kāi)始產(chǎn)生一個(gè)電壓波并且在一個(gè)存儲(chǔ)器集里記錄16個(gè)回聲.如圖2所示,三個(gè)超聲波記錄探測(cè)器被安在了模式車的前面.6英尺高每個(gè)有45度的偏移角.由于它們很接近地面和傳感器的圓錐視角.傳感器被調(diào)整為大約高于平地30英尺的地方讀出反射信息.信息處理

任何的導(dǎo)航系統(tǒng)的一個(gè)核心就是他的處理來(lái)自傳感器的數(shù)據(jù)的能力,并以一個(gè)有效的方式控制它的輸出.處理器的復(fù)雜性取決于被處理數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量和處理器完成任務(wù)的耗時(shí).對(duì)于大而昂貴的系統(tǒng)而言,高性能的計(jì)算能力或許是必須的,但是,對(duì)于一個(gè)小的系統(tǒng)來(lái)說(shuō),專用領(lǐng)域的可編程門陣列(FPGA)或許比較適合于處理和速度的要求.這里有大量的微控制器可以獲得,有單片機(jī),有ARM等等.基于這些標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目,我們選擇了Rabbit2000處理器作為中央處理器單元.這個(gè)特殊的處理器有足夠的I/O口.可以裝50000行代碼并有浮點(diǎn)運(yùn)算功能.這個(gè)開(kāi)發(fā)環(huán)境和帶存儲(chǔ)器的處理器單元作為一個(gè)便宜的包裹.這些得益于Rabbit的使用通常的接口比如:RS232了,還有IIC信息傳送等.圖三顯示了它在項(xiàng)目中的連接.作出抉擇微控制器負(fù)責(zé)收集來(lái)自傳感器的所有的數(shù)據(jù),基于這些信息來(lái)作出決定并且控制電機(jī)控制算法中使用了一個(gè)多任務(wù)結(jié)構(gòu)包括三個(gè)獨(dú)立的環(huán)。所有的三個(gè)環(huán)平行執(zhí)行。他們?cè)试S每個(gè)都部件都可以以自己的節(jié)奏運(yùn)行。這個(gè)方案保證從GPS那里讀取合適的數(shù)據(jù)并從超聲波傳感器那里提供最及時(shí)的信息。第一個(gè)環(huán)刷新包括來(lái)自超聲波傳感器信息的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。如果在這個(gè)環(huán)里探測(cè)到了障礙，程序會(huì)設(shè)置一個(gè)標(biāo)志位來(lái)告訴其它的環(huán)有障礙存在，從而使得車子避免了障礙。當(dāng)傳感器不再探測(cè)障礙時(shí)障礙標(biāo)識(shí)就被清零。第二個(gè)環(huán)讀來(lái)自GPS的信息包括經(jīng)度緯度和位置和速度。第三環(huán)顯示當(dāng)前的位置離目的地的距離和角度。和當(dāng)前來(lái)自于超聲波傳感器的數(shù)據(jù)并在一個(gè)LCD上顯示?？刂扑俣群托D(zhuǎn)車子用了兩個(gè)電機(jī)：一個(gè)是導(dǎo)航一個(gè)為了速度。第一個(gè)通過(guò)FutaS3003伺服系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這個(gè)伺服系統(tǒng)是通過(guò)50HZ的PWM信號(hào)來(lái)控制的。脈寬是在1ms和2ms內(nèi)控制左右方向。伺服的手臂被連在前輪來(lái)導(dǎo)航小車。一個(gè)直直轉(zhuǎn)換器被用來(lái)控制電機(jī)。微控制器提供的PWM信號(hào)連接在呢個(gè)IRL3302門上。調(diào)整這個(gè)PWM責(zé)任環(huán)來(lái)控制電機(jī)的速度。這個(gè)方案在平地上工作的很好。但是就是沒(méi)有必要的反饋環(huán)來(lái)調(diào)整PWM來(lái)保持常速。當(dāng)通過(guò)不同的地形時(shí)。另外，這種方法不提供剎車技術(shù)。電源管理電源管理是一個(gè)大的挑戰(zhàn)在一個(gè)便攜式設(shè)備應(yīng)用上。車電源系統(tǒng)必須設(shè)計(jì)成能給各種部件提供它們需要的電壓。在車上的主要的電源消耗是電機(jī)的耗電。大的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大缺點(diǎn)就是會(huì)導(dǎo)致大的電壓作用于其它的電子部件。為了避免這種事情的發(fā)生，直流電機(jī)控制器自己連了12v的電源。結(jié)論這個(gè)車可以被自主導(dǎo)航到特定的位置。它確實(shí)避免了沿路的障礙。但是偏移確實(shí)是存在。另外的一個(gè)問(wèn)題是由于沒(méi)有剎車所以車子往往會(huì)走過(guò)預(yù)定的停留點(diǎn)。導(dǎo)致它不得不轉(zhuǎn)回來(lái)那個(gè)點(diǎn)。剎車可以被執(zhí)行通過(guò)控制電機(jī)用一個(gè)H橋轉(zhuǎn)換器來(lái)代替一個(gè)單單的轉(zhuǎn)換器。障礙避免很好的完成對(duì)于大多數(shù)的目標(biāo)。它可以探測(cè)的小車和其它的固體目標(biāo)。兩個(gè)問(wèn)題就是：及時(shí)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并作出調(diào)整和沒(méi)有看到適當(dāng)距離的路徑。這