《智能电子产品设计与制作教学课件作者谢完成项目6循迹避障智能车的设计与制作》由会员分享，可在线阅读，更多相关《智能电子产品设计与制作教学课件作者谢完成项目6循迹避障智能车的设计与制作（80页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、项目6 循迹避障智能车的设计与制作,6.1 项目描述 6.2 理论知识 6.3 项目原理 6.4 项目装配调试,返回,. 项目描述,自第一台工业机器人诞生以来， 机器人的发展已经遍及机械、电子、冶金、交通、宇航、国防等领域。近年来机器人的智能水平不断提高， 并且迅速地改变着人们的生活方式。人们在不断探讨、改造、认识自然的过程中， 制造能替代人劳动的机器一直是人类的梦想。 机器人要实现自动导引和避障功能就必须要感知导引线和障碍物， 感知导引线相当于给机器人一个视觉功能。避障控制系统基于自动导引小车（ ， ） 系统，可实现自动识别路线， 判断并自动避开障碍， 选择正确的行进路线。,下一页,返回,.
2、 项目描述,智能小车机器人作为机器人的典型代表， 它可以分为三大组成部分： 传感器检测部分、执行部分、。就功能任务来说， 机器人要能感知导引线和障碍物， 从而自动识别路线、自动避障、选择正确的行进路线， 还可以扩展循迹等。基于上述要求， 考虑到小车一般不需要感知清晰的图像， 只要求粗略感知即可， 所以对于传感检测部分可以舍弃昂贵的 传感器而考虑使用价廉物美的红外反射式传感器。智能小车的执行部分， 通常使用直流电机，主要控制小车的行进方向和速度。单片机驱动直流电机一般有两种方案： 第一， 无须占用单片机资源， 直接选择有 功能的单片机， 可以实现精确调速； 第二， 可以由软件模拟 输出调制， 单
3、片机型号的选择余地较大， 但是需要占用单片机资源， 难以精确调速。考虑到实际情况， 本文选择第二种方案。 使用 单片机， 配合软件编程实现。,上一页,下一页,返回,. 项目描述,.项目的功能和性能 能通过光电传感器识别黑色轨迹。 能跟随黑色轨迹线行进。 能检测前方障碍物并绕过。 .主要技术参数 额定工作电压： . 。 最小工作电压： 。 极限工作电压： 。,上一页,返回,. 理论知识,. 巡线原理介绍 这里的巡线是指小车在白色地板上循黑线行走， 由于黑线和白色地板对光线的反射系数不同， 可以根据接收到的反射光的强弱来判断“道路”， 通常采取的方法是红外探测法。 .比赛规则 凡以巡线避障为目的的
4、机器人， 大都是以速度快慢为优劣判定的依据， 如图 所示，机器人小车从起点出发， 沿赛道行进， 遇到弯道时沿赛道转向行驶， 行驶完一圈后， 用时最短的机器人小车获得胜利。同时， 在赛道上还可以增加障碍物， 让机器人绕过障碍物后继续向前， 也可以在行驶中增加追光， 让机器人根据光源前进、转向。,下一页,返回,. 理论知识,.小车直行原理 直行示意图如图 所示。当小车处于直道时， 只有中间的传感器检测到赛道， 那么系统判断小车居中， 此时控制转向的电机不动作， 小车前轮不动， 小车继续直行。 .小车转向原理 转向示意图如图 所示。当小车处于弯道时， 靠近弯道的两个传感器检测到了赛道，那么系统判断小
5、车进入了弯道， 此时控制转向的电机动作， 小车前轮左转， 小车由直行变成向左转弯。,上一页,下一页,返回,. 理论知识,.小车拐急弯原理 急转弯示意图如图 所示。和真实的汽车一样， 当处于急转弯道时， 为了保证能驶过较急的弯道， 除了转向需要更加剧烈外， 还需要将车辆的行驶速度降下来。对于自动循迹车辆， 当检测到赛道的传感器变成了更靠下方的两个时， 系统判断小车进入了较大弯道， 此时控制转向的电机使小车前轮左转角度更大， 控制速度的后轮电机则将转速降低， 使小车变成减速向左急转， 从而驶过弯道。 有的小车采用的不是前轮转向、后轮驱动行驶的四轮结构， 而是只有两个万向轮， 如图 所示， 它的前进
6、、后退转向只需控制左轮、右轮的不同速度、方向即可实现， 原理相同， 只是在舵机转动时程序设计略有不同而已。,上一页,下一页,返回,. 理论知识,. 巡线传感器常见种类 .红外传感器 红外线是不可见光线。所有高于绝对零度（.） 的物质都可以产生红外线。人的眼睛能看到的可见光按波长从长到短排列， 依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。其中红光的波长范围为.； 紫光的波长范围为.。比紫光波长还短的光称为紫外线， 比红光波长还长的光称为红外线。由于红外线是波长为 的电磁波，自然物理环境在该波段的辐射量是很微弱的， 所以红外反射式传感器受外界干扰较小， 可靠性高。设计技术成熟， 应用广泛。,上一页,下一页,
7、返回,. 理论知识,发射接收紫外线的就是紫外线传感器。在自然环境下该类传感器很难受干扰， 可靠性高， 但是它价格昂贵。所以通常实验或小型产品设计会选择红外光传感器作为传感器检测模块的基本器件。 优点： 结构简明， 实现方便， 成本低廉， 反应灵敏， 便于近距离路面情况的检测， 抗干扰能力强， 不会因为周围环境的差别而产生不同的结果。 缺点： 只能对路面情况做简单的黑白判别， 检测距离和精度有限， 传感器高度位置的差异可能会对其检测造成干扰。 红外巡线传感器实物图如图 所示。 .摄像头 可见光传感器是基于可见光源的传感器， 它结构简单、设计成熟， 但是它工作在可见光波段， 容易被外界干扰。,上一
8、页,下一页,返回,. 理论知识,优点： 作用距离远， 不易出现由于黑线检测不及时而冲出赛道的情况， 摄像头对道路的检测精细， 视角范围大， 不易出现黑线漏检的情况。 缺点： 容易被干扰， 受周围光线的影响大； 数据量大， 处理复杂， 需要占有 的大量资源。 目前市场上的摄像头常分为 摄像头和 摄像头。 方案一： 采用 摄像头 优点： 成像质量高。 缺点： 供电， 功耗相对较大， 价格较高。 方案二： 采用 摄像头 优点： 供电， 功耗较小， 价格较低。 缺点： 成像质量不及 摄像头。,上一页,下一页,返回,. 理论知识,.激光探头 采用红外线循迹价格便宜、设计简单， 但探测距离较近。因此为了提
9、高前瞻性， 另一种方案采用的是激光探头构成的循迹传感器。 激光传感器由发射管、接收管、调制管、大透镜等组成。 激光传感器由两部分构成， 发射部分和接收部分。在发射部分中， 由振荡管发出的 频率的振荡波经晶体管放大后， 由激光管发光； 在接收部分中， 一个匹配 的接收管接收返回的光强， 经过电容滤波后直接接入单片机的 口， 检测返回电压的高低。由于激光传感器使用了调制处理， 接收管只能接收相同频率的反射光， 因而可以有效防止可见光对反射激光的影响。另外， 配合大透镜使用， 可使接收效果和抗干扰能力更强。 激光循迹传感器实物图如图 所示。,上一页,下一页,返回,. 理论知识,. 避障种类 机器人在
10、行进过程中， 很可能碰到障碍物， 如果不及时检测到并采取对应动作措施， 机器人就会撞击上去， 因此机器人比赛一般除了将巡线作为比赛项目外， 还会在此基础上增加避障项目， 有的比赛还将避障作为单独的项目。 .红外避障 红外传感器的测距基本原理为发光管发出红外光， 光敏接收管接收前方物体反射光， 据此判断前方是否有障碍物。根据发射光的强弱可以判断物体的距离， 它的原理是接收管接收的光强随反射物体距离的变化而变化， 距离近则反射光强， 距离远则反射光弱。,上一页,下一页,返回,. 理论知识,目前， 使用较多的一种红外传感器红外光电开关的发射频率一般为 左右，探测距离比较短， 通常被用作近距离障碍目标
11、的识别。本系统便采用此种传感器。 红外避障传感器实物图如图 所示。 .超声波避障 超声波是指谐振频率高于 的声波， 频率越高， 反射能力越强。超声波传感器价格低廉， 其性能几乎不受光线、粉尘、烟雾、电磁干扰的影响， 并且， 金属、木材、混凝土、玻璃、橡胶和纸等可以反射近乎的超声波， 因而， 超声波常用来探测物体。,上一页,下一页,返回,. 理论知识,超声波测距避障的方法为回声探测法， 发射换能器不断发射声脉冲， 声波遇到障碍物后反射回来被接收换能器接收， 根据声速及时间差计算出障碍物的距离。距离与声速、时间的关系表示为 . 超声波传感器实物图如图 所示。,上一页,下一页,返回,. 理论知识,.
12、视觉避障 视觉避障即通过可见光， 利用摄像头采集图像信息， 然后分析障碍物信息， 再做出决策。人类从自然界中得到的信息有来自于视觉， 简单的避障只需要分辨可行区域和障碍物。近年来， 视觉传感器在移动机器人导航、障碍物识别中的应用越来越受到人们重视，一方面由于计算机图像处理能力和技术的发展， 加之视觉系统具有信号探测范围宽、目标信息完整等优势； 另一方面由于激光雷达和超声都是通过主动发射脉冲和接受反射脉冲来测距的， 多个机器人一起工作时相互之间可能产生干扰， 同时它们对一些吸收性、透明性强的障碍物无法识别。因此， 视觉导航技术逐渐成为移动机器人的关键技术之一。,上一页,下一页,返回,. 理论知识
13、,它的主要功能包括对各种道路场景进行识别和理解、障碍物的快速识别和检测， 确定移动机器人的可行区域。目前视觉避障技术仍存在着一些瓶颈问题有待解决， 如数据量大， 定位精确度低， 实时性差， 在雾天、太阳直射以及黑暗的环境下视觉信息获取性差等。 . 小车的行进 .小车的转向 一般的小车都是采用后轮驱动、前轮转向的原理， 这和我们日常生活中真实小车的转向前进是一样的， 但本项目中采用的是两轮结构的宝贝车机器人， 它的前进、后退、转向、直行等都是通过两个万向轮同时完成的。万向轮的控制通过两个伺服电机完成。,上一页,下一页,返回,. 理论知识,伺服电机由外部发出的 的 信号控制， 周期约为 ， 高电平
14、时间持续时间决定了电机的旋转方向与速度（如图 所示）。当需要转向时， 如左转向， 保持左轮不动， 右轮前进， 即可实现。 波形与伺服电机转动关系见表， 伺服电机实物图如图 所示。 .车的前进后退 两轮小车的前进后退通过输出不同的 波信号即可实现， 但需要注意的是： 小车前进时， 右轮前进为顺时针旋转， 而左轮前进是反方向的逆时针旋转； 而小车后退时， 右轮后退为逆时针旋转， 而左轮后退是反方向的顺时针旋转。在程序编写和调试中需要注意。,上一页,下一页,返回,. 理论知识,. 红外传感器介绍 常见的红外传感器探测距离、发射的波长可能会大不一样， 但结构上都大同小异， 常用的红外探测元件有红外发光
15、二极管、红外接收管、红外接收头、一体化红外发射接收管。 .红外发光二极管 红外发光二极管实物图如图 所示。外形和普通发光二极管 相似， 发出红外光。管压降约. ， 工作电流一般小于。为了适应不同的工作电压， 回路中常常串有限流电阻。红外线发射管有三个常用的波段， 、， 根据波长的特性，它们运用到了不同种类的产品中， 波长的主要用于红外线监控设备， 波长的主要用于医疗设备， 波长的主要用于红外线控制设备。,上一页,下一页,返回,. 理论知识,.红外接收管 红外接收管分为光敏二极管、三极管两类， 其实物图与电路符号如图、图 所示。无光照时， 有很小的饱和反向漏电流（暗电流）， 此时光敏管不导通。当有光照时， 饱和反向漏电流马上增加， 形成光电流， 在一定的范围内， 它随入射光强度的增大而增大。光敏二极管和光敏三极管的区别是光敏三极管具有放大作用。 .红外接收头 红外线接收头（又称红外线接收模组， ） 是集成了红外线接收管、放大、滤波和比较器输出等的 模块。红外接收头的种类很多
