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智能传感寻迹小车的研究与设计 本篇文章来源于 RFID 射频快报 【摘要】本文对目标识别与跟踪技术进行了分析，在此基础上结合智能小车目标跟踪系统的 开发，详细讨论了特定目标跟踪系统的具体实现方法，红外传感器在目标识别中的应用以及 小车智能控制的软、硬件设计。该系统通过配置在智能小车上的红外传感器，采用红外传感 技术对特定目标进行识别，在目标运动过程中，通过单片机接收计算机发出的命令控制智能 小车跟踪目标，在没有人为干预的情况下，能够自主运行，稳定地跟踪目标，该设计为机器 智能系统提供了一个研究平台。 关键词: 目标识别与跟踪 智能控制 红外传感器 飞思卡尔 本设计采用飞思卡尔的 MC9S12DB128B 作为智能小车核心控制器[1]，路面黑线检测采用反 射式红外传感器，车速检测是通过改造结构，并使用反射式光电传感器实现的。电源供电是 由电池提供的，我们在设计时将后轮电机驱动电路和前轮转向舵机驱动分开供电，采用了强 电流、弱电流分开，数字、模拟独立供电。同时合理利用了单片机的 PWM 控制口对电动机 进行转速控制，在此可靠硬件设计的同时，使用了一套独特的软件算法实现了小车根据检测 黑线的结果使系统达到在高速运动中的精确控制，取得了很好的效果。 1 智能小车实物与结构框图 根据设计要求我们对小车的硬件部分分别介绍： 1、 路面黑线检测模块[2] 关于检测模块大致可实现的方案有以下几种： 方案 1：采用发光二极管+光敏电阻，该方案缺点：易受到外界光源的干扰，有时甚至检测 不到黑线，主要是因为可见光的反射效果跟地表的平坦程度、地表材料的反射情况均对检测 效果产生直接影响。克服此缺点的方法：采用超高亮度的发光二极管能降低一定的干扰，但 这又会增加检测系统的功耗。 方案 2：脉冲调制的反射式红外发射接收器。由于采用带有交流分量的调制信号，则可大幅 度减少外界的干扰；此外红外发射接收管的工作电流取决于平均电流，如果采用占空比小的 调制信号，在平均电流不变的情况下，瞬时电流很大（50～100mA）（ST-188 允许的最大 输入电流为 50mA），则大大提高了信噪比。此种测试方案反应速度大约在 5us。 方案 3：采用多路阵列式光敏电阻组成的光电探测器。 方案 4：采用 CCD 传感器，此种方法虽然能对路面信息进行准确完备的反应，但它存在信 息处理满，实时性差等缺点，而且此次比赛不允许用其它处理器，因此若采用 CCD 传感器， 无疑会加重单片机的处理负担，不利于实现更好的控制策略（控制策略才是此次比赛的核 心）。 根据以上分析我们采用方案 2，同时能实现的反射式红外发射接收器众多，我们选择了市场 比较多见的 ST-168，ST-178，ST-188，ST-198，利用下面的电路对这四款对管进行测量比 较，最终选择 ST-178 作为我们检测黑线的传感器。 图 2 检测黑线电路 图 3 电机驱动电路 2、 整车动力系统 小车的动力系统由车上自带的 RS-380SH 电机提供，并规定不能改动，因此我们可以设计的 就是电机的驱动电路。考虑到小车空载跑直线时的速度较快，若在小车进入弯道时不采取减 速措施，小车极易跑飞，我们经过实验发现通过改变 PWM 的占空比能使电机减速，但此种 方法没有我们设计小车刹车装置好。此刹车装置是由一个受单片机控制的单刀双掷继电器与 电机串联构成的，当小车处于正常工作时，电池两端的电压全部正方向加载与电机两端，当 小车需要减速过弯时，继电器动作，将电池两端电压反向加载于电机两端，产生瞬时反转。 3、 传感器的安装方式及机械改造 在小车寻迹行走中，为了能精确判断出地面黑线位置并确定小车行走方向，因此需要对传感 器的排布及安装位置进行设计，以达到提高寻迹可靠性的目的。我们对以下几种传感器排布 进行了研究： 图 4 传感器排布方式 分析上图的 4 种传感器排布，依据设计者的算法不同，可以采用其中的任意一种，它们之间 没有绝对的优略，设计者还可以根据自己的要求单独设计，根据我们下面将采用的算法，采 取布局 4。 由于比赛的限定，机械设计上空间有限。我们依据说明书将小车安装好后，对以下两个部分 改动，一是舵机的连杆处，在未作修改前，测试发现舵机的响应时间为 5ms，其动作时间 偏大。此处调整目的是为了让舵机的响应时间更短，并且直接操作舵机动作一个小角度后， 前轮能有更大的转向角。为了提高舵机的动作时间，还可以将传感器板向前探伸，此种为被 动调整，这样做只能让小车较早知道前方道路时间以抵消舵机的动作时间。二是在后轮处贴 上特意制作的带有白黑相间的标签，将反射式红外传感器对准此标签，通过检测黑线来达到 测速的目的。此种方法比安装测速电机简单，而且测速电机的齿轮是与后轮的动力齿轮咬合， 会给小车带来一定的阻力，这是与设计相背离的。