CN109947106B - 一种稳定可靠自动避障的智能小车及速度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种稳定可靠自动避障的智能小车及速度控制方法。在小车的车头左、右、正中分别安装超声波传感器，同时进行实时测距，距离信号传到控制器内进行数据融合，保证测距准确可靠。在控制器主板内设置小车速度智能缓冲控制算法，在检测到障碍物时能平稳减速，防止因惯性导致小车损坏。改进了传统小车电机驱动电路板，采用4个大功率达林顿功率管MJD210、MJD200代替8550、8050三极管，避免8055、8050三极管通流能力不足容易发热导致小车不能正常行驶的情况。

Description

一种稳定可靠自动避障的智能小车及速度控制方法

技术领域

本发明属于智能小车领域，特别涉及一种稳定可靠自动避障的智能小车。

背景技术

超声波测距是自动避障小车检测障碍物的一种常用方法，该方法由超声波发射器向某一方向发射超声波，并测量超声波遇到障碍物反射回来的时间，从而计算与障碍物的距离。现有的基于超声波测距的自动避障小车，通常只在小车头部正前方安装一个超声波传感器，在小车行驶方向与障碍物反射面的垂直方向偏离较大时，由于不能正常接收到反射回来的超声波，而使得传感器不能实现准确可靠的测距。同时，当小车检测到前方有障碍物时，由于缺乏必要的缓冲控制机制，导致小车因为惯性容易撞上障碍物而损坏。另外，现有的一种小车电机驱动电路，采用8055、8050三极管构成H桥，由于8055、8050三极管通流能力不足容易发热，使得小车不能正常行驶。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种稳定可靠自动避障的智能小车及

速度控制方法，该小车拥有面向三个面的超声波传感器，并对多个超声波传感器数据进行融合；设计了小车速度智能缓冲控制算法，可内置编程代码提供缓冲功能；改进了小车电机驱动电路，选择达林顿功率管MJD210 和MJD200。

一种稳定可靠自动避障的智能小车，包括底盘、电机驱动电路板、电池、车轮、电源开关、电机、控制器、超声波传感器；超声波传感器安装在小车车头的正中、左边和右边，分别用于小车前方、左方、右方测距；电池安装在底盘下侧，电池通过导线和控制器相连，控制器输出电压，供给三个超声波传感器；车轮位于小车两侧，分别由电机控制，电机由电机驱动电路板提供驱动信号；

当打开电源开关小车行驶时，车头左、右、正中这三个超声波传感器分别实时测距，距离信号传到控制器内进行数据融合，当检测到小车靠近障碍物时，控制车速和/或方向。

所述的数据融合：设D01为小车车头正中的超声波传感器实测的距离，D02小车车头左边的超声波传感器实测的距离，D03为小车车头右边的超声波传感器实测的距离，设置门槛距离D0、减速距离D1和转向距离D2，其中D1>D2；

在实测的距离D01>D1时，小车以最大速度Vmax行驶；此过程中左右超声波传感器实时测距，若左边的超声波传感器实测的距离D02小于门槛距离D0，向右调整；若右边的超声波传感器实测的距离D03小于门槛距离D0，向左调整；若左右传感器测得距离均小于门槛距离D0，继续直行；

当实测的距离D01≦D1，且D01>D2时，按以下方法进行速度智能缓冲控制：

其中，V为小车行驶速度，x=D01，即x为小车车头正中的超声波传感器实测的D01；

在实际距离D01<D2时停止，重复左右测距，当左边距离D02大于右边距离D03时左转，当左边距离D02小于右边距离D03时右转，随后重复检测与前方障碍物距离，如果D01>D1，则直行；否则小车继续重复左右测距，并根据左右距离调整小车方向，直到D01>D1时直行。

所述的电机驱动电路板电路采用4个达林顿功率管，构成小车电机驱动电路，并采用4个二极管对达林顿功率管进行保护。

一种稳定可靠自动避障的智能小车的速度控制方法，设D01为小车车头正中的超声波传感器实测的距离，D02小车车头左边的超声波传感器实测的距离，D03为小车车头右边的超声波传感器实测的距离，设置门槛距离D0、减速距离D1和转向距离D2，其中D1>D2；

在实测的距离D01>D1时，小车以最大速度Vmax行驶；此过程中左右传感器实时测距，若左边的超声波传感器实测的距离D02小于门槛距离D0，向右调整；若右边的超声波传感器实测的距离D03小于门槛距离D0，向左调整；若左右传感器测得距离均小于门槛距离D0，继续直行；

当实测的距离D01≦D1，且D01>D2时，按以下方法进行速度控制：

其中，x=D01，即x为小车车头正中的超声波传感器实测的距离D01；

在实际距离D01<D2时停止，重复左右测距，当左边距离D02大于右边距离D03时左转，当左边距离D02小于右边距离D03时右转，随后重复检测与前方障碍物距离，如果D01>D1，则直行；否则小车继续重复左右测距，并根据左右距离调整小车方向，直到D01>D1时直行。

本发明的有益效果：

本发明提供了一种稳定可靠自动避障的小车，该小车拥有面向三个面的超声波传感器，并对多个超声波传感器数据进行融合，解决单个传感器测距不准不可靠的问题；设计了小车速度智能缓冲控制算法，使小车在靠近障碍物时能平稳减速，防止小车的碰撞损坏；改进了小车电机驱动电路，提高了三极管通流能力，使得小车电机驱动可靠。

附图说明

图1是自动避障小车的结构示意图：

图1中，左超声波传感器21、右超声波传感器22、中间超声波传感器23、左车轮24、右车轮25、控制器26、电机驱动电路板27、后置万向轮28、电池29。

图2是传统电机驱动电路的原理示意图：

图2中， A0、A1为控制器主板数字量输出脚，T1、T2为NPN型三极管8050，T3、T4为PNP型三极管8550，R1、R2、R3、R4为阻值1千欧姆电阻，A为电机。

图3是本发明电机驱动电路的原理示意图：

图3中，2为控制器主板，1、3为控制器主板数字量输出脚，4、7为NPN型达林顿功率管MJD200，8、12为PNP型达林顿功率管MJD210，5、6、9、11为二极管，10为电机，Vc为+5伏电源。

具体实施方式

如图1所示，一种稳定可靠自动避障的智能小车，包括底盘、电机驱动电路板27、电池29、左车轮24、右车轮25、电源开关、电机、控制器26、超声波传感器（左超声波传感器21、右超声波传感器22、中间超声波传感器23）；超声波传感器安装在小车车头的正中、左边和右边，分别用于小车前方、左方、右方测距；万向轮28后置；电池29安装在底盘下侧，电池通过导线和控制器相连，控制器输出电压，供给三个超声波传感器；车轮位于小车两侧，分别由电机控制，电机由电机驱动电路板提供驱动信号。

电池29安装在底盘下侧，用螺栓和螺母安装电池盒，用导线将电池和控制器主板相连，控制器主板输出5V电压，供给3个超声波传感器，使用控制器主板6个数字脚提供Trig和Echo，同时5V电源供给控制面板，控制面板结构如图2所示，两个车轮分别由两个电机控制，每个电机对应一个电路，图中线圈代表电机。

电机驱动电路板电路设计：现有的一种小车电机驱动电路如图2所示，采用8055、8050三极管构成H桥，由于8055、8050三极管通流能力不足容易发热，使得小车不能正常行驶。本发明设计电机驱动电路，如图3所示，控制器主板2引出两个数字量输出引脚1、3，两个引脚1、3的输出反相，8、12为PNP型达林顿功率管(MJD210)，4、7为NPN型达林顿功率管(MJD200)。当数字引脚3输出为高电平，数字引脚1输出为低电平时，达林顿功率管4和8导通，7和12截止，电流从左向右流过电机10；当数字引脚1输出为高电平，数字引脚3输出为低电平时，达林顿功率管7和12导通，4和8截止，电流从右向左流过电机10。确保数字引脚1和3输出反相时电机有单方向电流流过。四个二极管５、6、9、11用来保护接在功率管4、7、8、12。

一种稳定可靠自动避障的智能小车的速度控制方法：设D01为小车车头正中的超声波传感器实测的距离，D02小车车头左边的超声波传感器实测的距离，D03为小车车头右边的超声波传感器实测的距离，设置门槛距离D0、减速距离D1和转向距离D2，其中D1>D2，

在实测的距离D01>D1时，小车以最大速度Vmax行驶；此过程中左右传感器实时测距，若左边的超声波传感器实测的距离D02小于门槛距离D0，向右调整；若右边的超声波传感器实测的距离D03小于门槛距离D0，向左调整；若左右传感器测得距离均小于门槛距离D0，继续直行。

当小车车头正中的超声波传感器实测的距离D01，小于减速距离D1时，按以下方法进行速度智能缓冲控制：

在实际距离D01≦D1，且D01>D2时，小车减速行驶，其行驶速度V按照以下算法进行控制

其中，x=D01，即x为小车车头正中的超声波传感器实测的距离D01。可见小车的速度

V是小车实际距离D01的函数，即V依据小车实际距离D01进行控制。当D01=D1时，V=Vmax; 随着D01减小，V也逐步减小；当D01=D2时，V=0。该减速控制规律的优点是减速曲线连续且处处可导，从而保证小车减速过程中平稳运行。

在实际距离D01<D2时停止，重复左右测距，当左边距离D02大于右边距离D03时左转，当左边距离D02小于右边距离D03时右转，随后重复检测与前方障碍物距离，如果D01>D1，则直行；否则小车继续重复左右测距，并根据左右距离调整小车方向，直到D01>D1时直行。

Claims (3)

1.一种稳定可靠自动避障的智能小车，其特征在于：包括底盘、电机驱动电路板、电池、车轮、电源开关、电机、控制器、超声波传感器；超声波传感器安装在小车车头的正中、左边和右边，分别用于小车前方、左方、右方测距；电池安装在底盘下侧，电池通过导线和控制器相连，控制器输出电压，供给三个超声波传感器；车轮位于小车两侧，分别由电机控制，电机由电机驱动电路板提供驱动信号；

当打开电源开关小车行驶时，车头左、右、正中这三个超声波传感器分别实时测距，距离信号传到控制器内进行数据融合，当检测到小车靠近障碍物时，控制车速和/或方向；

所述的数据融合：设D01为小车车头正中的超声波传感器实测的距离，D02小车车头左边的超声波传感器实测的距离，D03为小车车头右边的超声波传感器实测的距离，设置门槛距离D0、减速距离D1和转向距离D2，其中D1>D2；

在实测的距离D01>D1时，小车以最大速度Vmax行驶；此过程中左右超声波传感器实时测距，若左边的超声波传感器实测的距离D02小于门槛距离D0，向右调整；若右边的超声波传感器实测的距离D03小于门槛距离D0，向左调整；若左右传感器测得距离均小于门槛距离D0，继续直行；

当实测的距离D01≦D1，且D01>D2时，按以下方法进行速度智能缓冲控制：

其中，V为小车行驶速度，x=D01，即x为小车车头正中的超声波传感器实测的距离D01；

在实际距离D01<D2时停止，重复左右测距，当左边距离D02大于右边距离D03时左转，当左边距离D02小于右边距离D03时右转，随后重复检测与前方障碍物距离，如果D01>D1，则直行；否则小车继续重复左右测距，并根据左右距离调整小车方向，直到D01>D1时直行。

2.根据权利要求1所述的一种稳定可靠自动避障的智能小车，其特征在于：所述的电机驱动电路板电路采用4个达林顿功率管，构成小车电机驱动电路，并采用4个二极管对达林顿功率管进行保护。

3.一种稳定可靠自动避障的智能小车的速度控制方法，其特征在于：设D01为小车车头正中的超声波传感器实测的距离，D02小车车头左边的超声波传感器实测的距离，D03为小车车头右边的超声波传感器实测的距离，设置门槛距离D0、减速距离D1和转向距离D2，其中D1>D2；

在实测的距离D01>D1时，小车以最大速度Vmax行驶；此过程中左右传感器实时测距，若左边的超声波传感器实测的距离D02小于门槛距离D0，向右调整；若右边的超声波传感器实测的距离D03小于门槛距离D0，向左调整；若左右传感器测得距离均小于门槛距离D0，继续直行；

当实测的距离D01≦D1，且D01>D2时，按以下方法进行速度控制：

其中，x=D01，即x为小车车头正中的超声波传感器实测的距离D01；

在实际距离D01<D2时停止，重复左右测距，当左边距离D02大于右边距离D03时左转，当左边距离D02小于右边距离D03时右转，随后重复检测与前方障碍物距离，如果D01>D1，则直行；否则小车继续重复左右测距，并根据左右距离调整小车方向，直到D01>D1时直行。

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