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1、技 术 创 新 中文核心期刊 微计算机信息(嵌入式与S O C) 2 0 0 8年第2 4卷第3 -2期 3 6 0元/年 邮局订阅号:8 2 - 9 4 6 现场总线技术应用2 0 0 例 电 子 设 计 智能寻迹小车的研究与设计 T h eR e s e a r c ha n dD e s i g no f I n t e l l i g e n t t r a j e c t o r yC a r ( 1 .湖南科技学院; 2 .湖南大学)谭永宏 1 张辉 2 T A NY O N G H O N G Z H A N GH U I 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
2、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 中图分类号: T P 2文献标识码: A A b s t r a c t :A f t e ra n a l y z i n gt a r g e t
3、 r e c o g n i t i o na n dt r a c k i n gt e c h n i q u e, am e t h o do f d e v e l o p i n gs p e c i f i c a l l yt a r g e t t a c k i n gs y s t e m i sp r o - p o s e d, w h i c hu s e si n f r a r e ds e n s o rt ot a r g e t r e c o g n i t i o n . S o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s
4、i g no f i n t e l l i g e n t v e h i c l ea r ep r e s e n t e di nd e t a i l . T h es y s t e mu s e si n f r a r e ds e n s o r t e c h n o l o g yt oc o g n i z et h ec e r t a i nt a r g e t t h r o u g hi n f r a r e ds e n s o r i n s t a l l e do nt h ef r o n t o f t h ei n t e l l i g e
5、n t v e h i c l e . Wh e nt h et a r g e t i sm o v i n g, s i n g l ec h i pr e c e i v e st h ec o m m a n d sf r o mt h ec o m p u t e ra n dt h e nc o n t r o l t h ev e h i c l et ot r a c et a r - g e t . T h es y s t e mc a nr u nb yi t s e l f , r e g a r d l e s so f a r t i f i c i a l c o
6、 n t r o l . T h i sd e s i g np r o v i d e sap l a t f o r mf o rt h er e s e a r c ho f M a c h i n eI n t e l - l i g e n c es y s t e m . K e yw o r d s : t a r g e t r e c o g n i t i o na n dt r a c k i n g,i n t e l l i g e n t c o n t r o l,i n f r a r e ds e n s o r 文章编号: 1 0 0 8 - 0 5 7 0
7、 ( 2 0 0 8 ) 0 3 -2- 0 3 1 0 - 0 3 本设计采用飞思卡尔的M C 9 S 1 2 D B 1 2 8 B作为智能小车核 心控制器, 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P WM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。 图
8、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 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
9、号,在平均电流不变的情况下,瞬时电流很大( 5 0 1 0 0 m A ) ( S T - 1 8 8允许的最大输入电流为5 0 m A ),则大大提高了 信噪比。此种测试方案反应速度大约在5 u s。 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C C D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C C D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
10、多,我们选择了市场比较多见的S T - 1 6 8,S T - 1 7 8,S T - 1 8 8,S T - 1 9 8,利用下面的电路对这四款对管进行测量 比较, 最终选择S T - 1 7 8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R S - 3 8 0 S H电机提供, 并规 谭永宏:在读硕士研究生 基金项目: (本文获国家级课题 地方多科性本科院校应用型人 才培养模式的研究与实践 的子课题 电子工程与物理系应用 人才培养模式的研究与实践 资助( 6 0 0 4 7 7 ) ;湖南省自然科学基 金( 0 4 J J 3 0
11、 0 7 ) 3 1 0 - 邮局订阅号:8 2 - 9 4 63 6 0元/年 技 术 创 新 电 子 设 计 P L C技术应用2 0 0例 您的论文得到两院院士关注 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P WM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
12、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
13、舵机的响应时间为5 m s, 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。 4电源管理模块 智能车系统根据各部件正常工作的需要, 对配发的标准车 模用7
14、 . 2 V2 0 0 0 m A hN i - c d蓄电池进行电压调节。其中, 单片机 系统.路面黑线检测的光电传感器.车速传感器电路需要5 V电 压, 舵机机工作电压范围采用6 V, 后轮驱动电机可以使用7 . 2 V 2 0 0 0 m A hN i - c d蓄电池直接供电。考虑到由驱动电机引起的电 压瞬间下降的现象, 因此采用低压差稳压芯片M A X 6 0 3。 5软件控制方式 单片机系统根据接收路径识别电路的信号.车速传感器的 信号, 采用特定寻线算法进行判断, 进而控制舵机转向和后轮 驱动电机的工作。下面是寻线的算法说明: 表1传感器编码表 流程图中变量名的含义: s e n
15、 s o r A :存放a排传感器的取反后的值 s e n s o r B :存放b排传感器的取反后的值 a n g e l _ 1 :判定| s e n s o r A |的值 a n g e l _ 2 :判定| s e n s o r A _ s e n s o r B |的值 a n g e l _ 3 :计算 2中的参数之一 a n g e l _ 4 :计算中的参数之一 t h e t a _ 1 : t h e t a _ 1= t h e t a _ 2 : t h e t a _ 2= 2 d e l l t a T : d e l t a T= d e l t a T _
16、1 : d e l t a T _ 1 = o u t a n g l e : o u t a n g l e = m a x a n g l e : m a x a n g l e = 4 5 长延时= 5 0 m s, 短延时= 3 4 m s 传感器对应的编码表见表1。 图5软件流程图 6结论 从本次设计大赛的汽车智能控制中体会到,要对高速行驶 中的汽车实施控制并不是一个简单的自动控制问题,它涉及到 3 1 1 - 技 术 创 新 中文核心期刊 微计算机信息(嵌入式与S O C) 2 0 0 8年第2 4卷第3 -2期 3 6 0元/年 邮局订阅号:8 2 - 9 4 6 现场总线技术应
17、用2 0 0 例 电 子 设 计 了机械学.力学.光学.电子学等方面的知识, 并与单片机相互配 合, 利用单片机的强大功能实现了路面黑线检测.带速度反馈的 闭环速度控制系统.智能转向系统等功能。 从最终测试结果来看, 本系统具有较强的环境适应能力, 很好的完成了题目的要求。 本文作者创新点: 1 .本文设计的智能小车具有自主感知.高速行驶的功能。 2 .采用f r e e s c a l单片机实现了小车的可靠高速运行。 3 .控制与检测系统可推广应用于智能汽车中。 参考文献: 1 邵贝贝， 单片机嵌入式应用的在线开发方法 M ， 北京: 清华大 学出版社， 2 0 0 4 2 何希才， 薛永毅
18、， 传感器及其应用实例 M ， 北京: 机械工业出 版社， 2 0 0 4 3 宋志平， 朱福海， 沈基仁等. 试验车运动控制系统 J 微计算机 信息， 2 0 0 5 , 2 1 - 2 , 3 6 - 3 7 作者简介:谭永宏( 1 9 7 5 - ), 男, 湖南大学在读硕士研究生。研究 方向:嵌入式系统应用, 信号处理; 张辉( 1 9 8 3 - ), 男, 湖南大学在 读研究生。研究方向:智能信息处理。 B i o g r a p h y : T a ny o n g h o n g, m a l e , ( 1 9 7 5 - ) , m a s t e r , h i sr e
19、 s e a r c hi n - t e r e s ti se m b e d d e ds y s t e m a p p l i c a t i o n l ; z h a n g h u i , m a l e , ( 1 9 8 3 - ) , m a s t e r , h i sr e s e a r c hi n t e r e s t si si n t e l l i g e n c ei n f o r m a t i o np r o c e s s . ( 4 2 5 1 0 0湖南永州 南科技学院 电子工程与物理系)谭永宏 ( 4 1 0 0 8 2湖 南长沙 湖
20、南大学 电气与信息工程学院)张辉 ( D e p a r t me n t o f E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n ga n dP h y s i c s H u n a nU - n i v e r s i t yo f S c i e n c e a n dE n g i n e e r i n g , Y o n g Z h o uH u n a nC h i n a 4 2 5 1 0 0 ) T a nY o n g - H o n g ( C o l l e g eo fE l e c t r i c a la n dI n f o
21、r ma t i o nE n g i n e e r i n g, H u n a n U n i v e r s i t y , H u n a nC h a n g s h a , 4 1 0 0 8 2 , C h i n a ) Z h a n gH u i 通讯地址: ( 4 1 0 0 8 2湖南省长沙市湖南大学电气院)谭永宏 (收稿日期: 2 0 0 8 . 0 1 . 0 5 ) (修稿日期: 2 0 0 8 . 0 2 . 2 0 ) (上接第2 9 9页) 但随着现代通讯技术的发展, 电力线载波通讯水平有了很大的 提高, 使采用电力线载波通讯方式进行远程控制以及数据采集
22、已经成为电力载波技术的一个新的发展方向, 使其有着良好的 发展前景和广阔的市场。 本文作者创新点:本文介绍的电力线载波技术, 灵活的运用 在路灯控制上, 可以和无线技术相互结合, 实现对路灯的智能 化管理以及控制。同时载波电路稍加改进便可以用在远程抄表 系统, 家电集中或远程智能化管理、 报警等服务系统上。 参考文献: 1 戴佳等. 5 1 单片机 C语言应用程序设计 M . 北京: 电子工业出 版社， 2 0 0 3 . 2 姚远, 吕康, 董世龙, 徐华中. 基于电力线载波通讯技术的公共 路灯远程监控系统. 武汉理工大学学报信息与管理工程版. J . 2 0 0 1 . ( 9 ) 3 杜
23、军， 邱瑞学. P L 2 1 0 1 在路灯控制系统中的应用. 国外电子元 件. J . 2 0 0 3 . ( 9 ) . 4 董小波. 徐军. 易波. 基于电力线载波的通信系统的设计与实现 J 微计算机信息， 2 0 0 1 . ( 1 0 ) 作者简介:邓庆( 1 9 8 2 - ) , 男 (汉族), 江苏南京市人, 南京工业大学 控制系硕士研究生, 研究方向为:电力线载波技术, 数字信号处 理D S P ;程明霄( 1 9 5 0 - ) , 男 (汉族), 江苏南京市人, 南京工业大学 控制系教授, 研究方向为测控技术。 B i o g r a p h y :D e n gQ i
24、 n g ( 1 9 8 2 - ) , M a l e ( H a nN a t i o n a l i t y ) ,N a n j i n g J i a n g s u P r o v i n c e , N a n j i n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y , M a s t e r , P L C & D S P . ( 2 1 0 0 0 9南京南京工业大学自动化学院)邓庆程明霄 ( N a n j i n gu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g ya u t o ma t
25、i o ni n s t i t u t e ) D e n gQ i n g , C h e n gmi n g x i a o 通讯地址: ( 2 1 0 0 0 9南京南京工业大学自动化学院)邓庆 (收稿日期: 2 0 0 8 . 0 1 . 0 5 ) (修稿日期: 2 0 0 8 . 0 2 . 2 0 ) (上接第3 0 9页) 图5接收探头控制电路 在此选用高速、 高可靠性的电磁继电器J R C 2 1 ,此继电器有 一个常开触点和一个常闭触点。电磁继电器通过单片机控制电 路来控制。 微机测控系统的开关信号,往往是通过芯片给出的低压直 流如T T L电平信号,这种电平信号一般不能
26、直接驱动外设,而需 经接口转换等手段处理后才能用于驱动设备的开启或关闭。由 于在开关过程中会产生电磁干扰信号,如不隔离可能会使微机 控制系统造成误动作或损坏,因此接口处理中也应当包括隔离 技术,选用的是最常用的光-电隔离技术,因为光信号的传送不 受电场、 磁场的干扰,可以有效地隔离电信号。接收探头控制电 路的光电隔离采用二极管-晶体管光电耦合器4 N 2 5。 本文作者创新点:本文主要介绍了基于脉冲回鸣法的声速 测量电路的设计方法。主要包括传感器驱动电路、 自动增益控 制电路、 接收探头控制电路等电路的设计。 项目经济效益(4 0万元) 参考文献 1 何希才. 传感器及其应用电路. 北京: 电
27、子工业出版社， 2 0 0 1 2 邓勇， 施文康. 8 0 3 1 单片机测量高频信号频率的一种方法. 电 测与仪表， 2 0 0 0 , 1 0 : 2 3 - 2 4 3 田胜军, 秦宣云, 何永强. 基于超声波测距系统的温度补偿电路 设计 J . 微计算机信息, 2 0 0 7 , 2 - 2 : 3 0 7 - 3 0 9 4 黄乐天, 谢意. 实用高精度智能恒温加热器系统设计 J . 微计 算机信息, 2 0 0 5 , 1 0 : 7 0 - 7 1 作者简介:刘辉,( 1 9 7 0 -),女, 副教授, 硕士研究生导师。主要研 究方向:计算机软件理论、 分布式应用系统开发。
28、B i o g r a p h y :L i uH u i , ( 1 9 7 0 -) , F e m a l e , A s s o c i a t eP r o f e s s o r , D i - r e c t o ro fp o s t g r a d u a t e , m a i nr e s e a r c hf i e l d s : C o m p u t e rS o f t w a r e T h e o r y , D i s t r i b u t e dA p p l i c a t i o nS y s t e m . ( 0 5 0 0 4 3河北石家庄 石家庄铁道学院信息技术研究所)刘辉 ( 0 5 6 0 5 3河北邯郸 邯郸学院)刘明生 通讯地址: ( 0 5 0 0 4 3河北省石家庄石家庄市北二环东路1 7号 石家庄铁道学院信息技术研究所)刘辉 (收稿日期: 2 0 0 8 . 0 1 . 0 5 ) (修稿日期: 2 0 0 8 . 0 2 . 2 0 ) 3 1 2 -