【導(dǎo)讀】1. 目錄。避障單元的設(shè)

　　

【正文】 對式兩種，按其結(jié)構(gòu)劃分，常用的有光電碼盤和電磁式碼盤。我們采用的是光電碼盤。 圖 為增量式光電碼盤，它是一個旋轉(zhuǎn)的脈沖發(fā)生器，根據(jù)脈沖數(shù)目或頻率，可測出工作軸轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速。原理是在一圓盤上刻制節(jié)距和尺寸相等的透光小孔。圓盤與被測軸 相連，當(dāng)被測軸轉(zhuǎn)動時，圓盤跟著一起轉(zhuǎn)動，在圓盤的兩側(cè)，裝有發(fā)光元件和感光元件。根據(jù)光線時斷時續(xù)的變化（當(dāng)光線透過小孔時感光元件就感受信號，反之，當(dāng)光線被圓盤遮斷時，信號即被截止）來檢測旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。脈沖的頻率與圓盤的小孔數(shù) N 及轉(zhuǎn)速 n 有關(guān)，即為： ? ?HznNfc 60?? （ 8） 其中， N 是固定的，故輸出脈沖頻率 fc 與轉(zhuǎn)速 n 成正比。 為了判別方向，可以安裝兩對發(fā)光器和受光器。均對準(zhǔn)透光孔，嚴(yán)格地相距半個透光孔寬度，這樣安裝使得碼盤旋轉(zhuǎn)時這兩只受光器測得 的信號 V1 和 V2 在相位上總是差90 度（見圖 ）。若圓盤順時針轉(zhuǎn)動 V1 超前 V2，逆時針轉(zhuǎn)動則 V2 超前 V1。該相位上的差別通過鑒相電路就能區(qū)別出旋轉(zhuǎn)方向。 V1傳感器 V2傳感器 傳感器 參考點 0 1 V1 V2 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 V1 V2 向上計數(shù) 向下計數(shù) 圖 增量碼盤的相位輸出 17 測速傳感器完成了電機(jī)轉(zhuǎn)速向脈沖序列的轉(zhuǎn)換，把測速傳感器輸出的脈沖接到計數(shù)單元進(jìn)行計數(shù)，則將電機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。當(dāng)采樣周期確定之后，計數(shù)單元向單片機(jī)輸出的數(shù)字量大小就反映了電機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢。本系統(tǒng)采用單片機(jī)的硬件定時機(jī)計數(shù)器，工作穩(wěn)定。 鐵片檢測 鐵片的檢測用的是一體化電感式接近傳感器。 電感式接近覺 傳感器的工作原理是外界的金屬性物體對傳感器的高頻 —振蕩器產(chǎn)生非接觸式感應(yīng)作用。 震蕩器即是由纏繞在鐵氧體磁芯上的線圈構(gòu)成的 LC 震蕩電路。震蕩器通過傳感器的感應(yīng)面，在其前方產(chǎn)生一個高頻交變的電磁場。當(dāng)外界的金屬性導(dǎo)電物體接近這一磁場，并到達(dá)感應(yīng)區(qū)時，在金屬物體內(nèi)產(chǎn)生渦流效應(yīng)，從而導(dǎo)致 LC 震蕩電路震蕩減弱，振幅變小，即稱之為阻尼現(xiàn)象。這一震蕩的變化，即被開關(guān)的后置電路放大處理并轉(zhuǎn)換為一確定的輸出信號，觸發(fā)開關(guān)并驅(qū)動控制器件，從而達(dá)到非接觸式目標(biāo)檢測之目的 。 我們所選用的電感式鐵片傳感器的指標(biāo)為： 工作電壓： 530v； 檢測距離： 4mm： 工作方式：常開； 安裝尺寸；圓形 直徑 12mm 鐵片位置及其長度的測量方法示意圖如圖 。而鐵片的位置參數(shù) L 的計算公式為： 22 )()( 2121 SSrSrSL ?????? （ 9） 起跑線 鐵 片 r S 2 L S 1 r 為傳感器 作用半徑 圖 8 測量方法示意圖 小車距離及鐵片位置、長度的測量軟件流程為圖 。 18 開始 記錄行駛距離 S 1 檢測到信號？ Y 圖 2. 1 9 鐵片位置測定軟件流程圖 檢測信號停止？ Y N N 保存 S 1 聲光信息顯示 保存距離 S 2 計算鐵片距離 保存數(shù)據(jù) 結(jié)束 電機(jī)驅(qū)動單元 整個電機(jī)控制電路由上圖所示的閉合環(huán)路構(gòu)成， PWM 輸出脈沖信 號經(jīng)雙 H 橋功率驅(qū)動電路 L298 后接至左右輪電機(jī)，控制小車運(yùn)動。 在軟件的速度控制單元中我們用了簡單的閉環(huán)比例控制算法。 L298 是雙 H 橋高電壓大電流集成電路。由圖 可見，每個 H 橋的下側(cè)橋臂晶體管發(fā)射極連在一起，其輸出腳（ SENSEA 和 SENSEB）用來連接電流檢測電阻。 Vss 接邏輯控制的電源。 Vs 為電機(jī)驅(qū)動電源。 IN1IN4 輸入引腳為標(biāo)準(zhǔn) TTL 邏輯電平信號，用來控制 H 橋的開與關(guān)即實現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)， ENA、 ENB 引腳則為使能控制端，用來輸入 PWM信號實現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。 圖 L298 原理框圖 19 3 特色與創(chuàng)新 本設(shè)計在基于 Mega8 芯片并采用概率分析的避障單元的設(shè)計與實現(xiàn)、串行掃描方式實現(xiàn)的人機(jī)接口、尋光雷達(dá) 及 小車位姿控制等方面具有一定的特色與創(chuàng)新。 串行掃描實現(xiàn)的人機(jī)接口 串行工作方式使該功能模塊的引線少，便于長線安裝，有利于實際應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。同時，該接口電路擴(kuò)展方便，能以較高的性價比實現(xiàn)漢字顯示、 LCD 驅(qū)動等功能。與傳統(tǒng)的動態(tài)顯示方式和靜態(tài)顯示方式相比，該電路具有結(jié)構(gòu)簡潔、功能性強(qiáng)、成本低、編程簡單的特點，通過試運(yùn)行，證明該電路設(shè)計是非常成功的。 避障單元的設(shè)計 在避障單元的設(shè)計中， 判斷有無障礙物時使用的是求平均值，即求概率事件的值 的方式 。因為有外界的干擾和接收電路的延時，即使你發(fā)射出完全相同的十組信號，接收時也有所不同，基本上沒有兩組信號是完全相同，而且還有可能收到多于十組的信號（雖然這個是小概率事件），這時只能用軟件進(jìn)行排除和更正。先將所有低電平的時間計數(shù)下來，放入數(shù)據(jù)寄存器中。如果某些值太小或者太大就認(rèn)為是無效值，再將有效的幾組值求其平均值，再與閥值進(jìn)行比較。 運(yùn)行試驗也證明， 本設(shè)計中采用 的 Mega8 芯片基于概率分析的避障單元實現(xiàn)方式，取得很好的避障效果。 尋光雷達(dá) 及小車位姿控制 由于從 C 點到車庫一段，小車的運(yùn)行失去了引導(dǎo)線的作用，所以，設(shè)計中采用了 360精位 繞 線電位器 作為小車運(yùn)行角度參數(shù)反饋器件，該器件 的運(yùn)行方式近似與雷達(dá)，我們給它取名為尋光雷達(dá) 。將該尋光雷達(dá)檢測得到的標(biāo)志光信息送單片機(jī)，一方面控制小車下步運(yùn)行姿態(tài)，另外也送出控制“雷達(dá)”跟蹤光源的電機(jī)運(yùn)行。 這種方式 較好地解決了小車脫離引導(dǎo)線之后的運(yùn)行控制的問題。通過實驗也得到同樣的結(jié)論。 20 4 調(diào)試過程及測試數(shù)據(jù)分析 調(diào)試儀器儀表 設(shè)計及測試中所用的儀器及工具主要有： 測頻率： HCF1000Ｌ 微型數(shù)字頻率計 ， 用于記錄車輪光電采樣頻率 ， 進(jìn)而計算行車距離。 測時間： DM1 型電子秒表 ， 用于測量有關(guān)時間。 測距離： 313 型鋼卷尺 ， 用于測量行車距離和停車距離。 仿真： E200Ｌ型仿真器 ， 用于調(diào)試和修改軟硬件。 編程器： ICCAVR。 電源： WYJ301A/3A 型穩(wěn)壓電源 ， 干電池 。 用于研發(fā)期各路供電。 常用儀表： MF47 型模擬萬用表、 VC98 型數(shù)字萬用表 ， 用于電壓、電流以及其它電子元器件的測量 ， 數(shù)字萬用表、 TDS210 存儲式 示波器、 AVR Studio。 其它： PC 機(jī) ， 用于調(diào)試軟件及整理文檔 ， 調(diào)試數(shù)據(jù)及分析 尋線 表 光電管輸出電壓調(diào)試數(shù)據(jù)表 左 中 右 黑色 第 1 次 第 2 次 白色 第 1 次 第 2 次 脈沖 1． 編碼盤 光電管輸出電壓 表 光電管輸出電壓數(shù)據(jù)表 （ Vcc=5V，發(fā)射管電流 10mA） ?? KR 272 ?? KR 472 有阻擋 第 1 次 第 2 次 第 1 次 第 2 次 無阻擋 第 1 次 第 2 次 第 1 次 第 2 次 經(jīng)過實驗測得 R2=27K 時，光電管的輸出電壓范圍較大，所以可以采用。 2． 波形 21 v t v m i n R 2 = 27k v v m a x 圖 4. 1 單路未整形 光電對管 輸出 波形 v 通過實驗發(fā)現(xiàn)，輸出波形 幅值較小，所以需要外接整形電路。 3． 脈沖數(shù)與行進(jìn)距離的校正 整形后 A、 B 路同步輸出波形對比測試波形示意圖如下： V 圖 4. 2 整形后 A 、 B 路同步輸出波形對比圖 有實驗測得 A、 B 兩路光電對管輸出信號具有較為準(zhǔn)確的相位差，由此得出結(jié)論，可以可以采用判別編碼盤來測量轉(zhuǎn)動方向。 避障 一體化紅外接收頭輸出波形如下。 20 ms ms 圖 4. 3 一體化紅外接收頭輸出波形 整體聯(lián)調(diào) 在直道區(qū)和彎道區(qū)，兩方案是一樣的，區(qū)別在障礙區(qū)到車庫的過程和策略。因此測量分兩部分來測量。 下表為直道區(qū)和彎道區(qū)小車的相關(guān)運(yùn)動參數(shù)測量。 321 , LLL 分別為直道區(qū)中第一塊、第二塊、第三塊金屬片到出發(fā)點的距離。 22 表 小車 的相關(guān)運(yùn)動參數(shù)測量 數(shù)據(jù)表 A 到 C 的時間 B 到 C 的時間 在 C停留時間 金屬塊距出發(fā)線的距離 L1 L2 L3 實際值 ———— ———— ———— 測量值 6s 5s 6s 下表為方案一和方案二小車從障礙區(qū)到車庫運(yùn)動參數(shù)測量。每個參數(shù)測量了兩次。 表 入庫時間偏差 方案一 第 1 次 第 2 次 42s 39s 方案二 35s 未進(jìn)入