CN201799111U - 基于单片机的自主循迹模型车 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于单片机的自主循迹模型车，包括模型车和控制器，控制器包括电源控制模块、路径识别模块、速度检测模块、主控制模块、电机驱动模块和转向舵机模块，模型车上设置有转向舵机，模型车前端还安装有红外传感器，工作时，由车体前端安装的红外传感器采集检测赛道信号(赛道是由黑色底板和赛道中央的狭窄且线型不断变化的白线组成)中的白线信息，并将采集到的赛道白线信息传送到H8/3048F-one单片机，再由单片机控制前轮舵机左右转向以及后轮驱动电机转动，从而实现寻迹模型车始终沿着赛道中线型不断变化的白线高速行驶。

Description

基于单片机的自主循迹模型车 

技术领域

本实用新型属于自动控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机应用、机械与汽车等多个专业学科领域，涉及一种模型车，尤其涉及到一种基于单片机的自主循迹模型车。 

背景技术

随着汽车智能化、电子化的高速发展，汽车的智能化已经成为行业发展的必然趋势，以智能汽车为研究背景的科技创意制作，智能模型车是一种具有探索性的工程实践活动。自主循迹是智能模型车的关键技术，路径识别是实现智能车自主沿赛道运行的信息基础，随着控制技术的进一步发展和完善，再加上新的更先进的制造工艺的不断产生，从而使得模型车发生了极大的变化，进一步推动了模型车朝着自动化，智能化的方向发展。 

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种基于单片机的自主循迹模型车，该模型车电路简单、成本低、受环境光影响小的能够自主循迹，能够在遇到直角弯道、错道时自动调节车速并且能自主实现倒车入库的动作。 

为了实现上述任务，本实用新型采取如下的技术方案予以实现：一种基于单片机的自主循迹模型车，包括模型车和控制器，其特征在于，所述的控制器包括电源控制模块、路径识别模块、速度检测模块、主控制模块、电机驱动模块和转向舵机模块，其中，路径识别模块、速度检测模块通过A/D转换器和信号处理模块与主控制模块连接，速度检测模块、电机驱动模块和转向舵机模块分别与主控制模块连接，由电源控制模块分别给路径识别模块、速度检测模块、主控制模块、电机驱动模块和转向舵机模块提供电源；在所述的模型车上设置有转向舵机，模型车前端还安装有红外传感器，红外传感器将采集到的路径和速度信号经A/D转换器处理后传入信号处理模块，信号处理处理后传入模块控制器上的主控制模块，主控制模块对信号进行判断处理后，发出PWM波对转向舵机进行控制，完成智能车的转向；速度检测模块将采集车轮速度的脉冲信号传到主控制模块，由主控制模块使用PID控制算法处理，并将处理后的控制量去改变电机驱动模块的PWM波占空比，控制智能车的行驶速度。 

本实用新型是其它一些特点是：所述的主控制模块选择H8/3048F-one单片机。 

所述的转向舵机选择HS-425BB型转向舵机。 

所述的红外传感器采用反射式光电传感器，红外传感器为8个。 

所述的路径识别模块采用单光束反射取样式光电传感器ST188芯片。 

本实用新型的基于单片机的自主循迹模型车，工作时，由车体前端安装的红外传感器采集检测赛道信号(赛道是由黑色底板和赛道中央的狭窄且线型不断变化的白线组成)中的白线信息，并将采集到的赛道白线信息传送到H8/3048F-one单片机，再由单片机控制前轮舵机左右转向以及后轮驱动电机转动，从而实现寻迹机器人始终沿着赛道中线型不断变化的白线高速行驶。 

附图说明

图1为本智能模型车的跑道示意图。其中，图1（a）是直道，从中间往两边分别为白色、灰色、黑色和白色，直道的宽度为300mm，中间的白色区域20mm，两边灰色区域各是10mm，两边上的白色区域30mm；图1（b）是直角弯道，直角弯道的行进方向上画有白色区域20mm、灰色区域10mm和白色区域20mm，从第一个白色区域至弯道的距离为500mm~1000mm；图1（c）为变线区域，变线区域长为600mm，车行方向同样画有白色区域20mm、灰色区域10mm和白色区域20mm，从第一个白色区域至变线区域的距离为200mm~1000mm，变线区域的两个方向的宽为300mm； 

图2为本实用新型的结构示意图。

图3为电源模块的结构示意图。 

图4为路径识别模块原理图。 

图5为“H”桥驱动电路原理图。 

图6为电机操纵原理图。 

图7为主程序流程图。 

以下结合附图对本实用新型作进一步的详细说明。 

具体实施方式

参照图1，所用跑道为黑色底板路面，其中央设置有线型不断变化的白线信息，黑白中间有灰色过渡颜色，所述传感器采用反射式光电传感器，采集赛道信息为白线信息。 

跑道由直道（图1a）、直角弯道（图1b）和变线区域（图1c）构成。由白、黑、灰三色组成，从中间往两边分别为白色、灰色、黑色和白色，直道的宽度为300mm，中间的白色区域20mm，两边灰色区域10mm，两边上的白色区域30mm；直角弯道的行进方向上画有白色区域20mm、灰色区域10mm和白色区域20mm，从第一个白色区域至弯道的距离为500mm~1000mm；变线区域长为600mm，车行方向同样画有白色区域20mm、灰色区域10mm和白色区域20mm，从第一个白色区域至变线区域的距离为200mm~1000mm，变线区域的两个方向的宽为300mm；当模型车在跑道上行驶时，光传感器边感应赛道中心的白线边向前行驶，当光传感器检测到直角弯道前方的横线时，会将这一信息传送给专门程序，从而在到达直角弯道处时拐弯。 

参照图2，本实用新型的基于单片机的自主循迹模型车，包括模型车和控制器，控制器包括电源控制模块1、路径识别模块2、速度检测模块3、主控制模块4、电机驱动模块5和转向舵机模块6，其中，路径识别模块2通过A/D转换器7和信号处理模块8与主控制模块4连接，速度检测模块3、电机驱动模块5和转向舵机模块6分别与主控制模块4连接，由电源控制模块1分别给路径识别模块2、速度检测模块3、主控制模块4、电机驱动模块5和转向舵机模块6提供电源；在所述的模型车上设置有转向舵机，模型车前端还安装有红外传感器，红外传感器将采集到的路径和速度信号经A/D转换器7传入信号处理模块8，经信号处理模块8处理后传入控制器上的主控制模块4，主控制模块4对信号进行判断处理后，发出PWM波对转向舵机进行控制，完成智能车的转向；速度检测模块3将采集车轮速度的脉冲信号传到主控制模块4，由主控制模块4使用PID控制算法处理，并将处理后的控制量去改变电机驱动模块5的PWM波占空比，控制智能车的行驶速度。 

本实施例的主控制模块4选择日本瑞萨公司的8位单片机H8/3048F-one；该单片机主要特点是片内硬件资源非常丰富、高速、低耗、大容量、易于拓展、支持C语言编程。针对本实施例的模型车，单片机I/O资源分配如下：P7口读取红外传感器检测信号；PB0用于启动开关信号输入；PB1控制模型车左侧电机PWM输出；PB2控制模型车左侧电机转向控制；PB3控制模型车右侧电机PWM；PB4控制模型车电机右侧转向控制；P60～P63控制电机正反转信号输出；PB5控制伺服舵机PWM信号输出；PA5用于车速检测信号的输入。软件设计基于Resenas Hi-performance Embedded Workshop编程环境开发和调试，使用C语言实现。 

参照图3，本实施例中，电源控制模块1采用8节5号电池(2000mAh)作为控制器的主电源。使用稳压芯片LM2940给单片机、路径识别模块2以及速度检测模块3供给5V电压。同时使用稳压芯片LM350作为6V电压给转向舵机供电。而对于直流电机驱动模块5，将电源电压9.6V直接用于直流电机驱动。 

图4则是路径识别模块2的原理图，路径识别模块2包括单光束反射取样式光电传 感器ST188芯片，ST188的第1脚通过5k电阻连接到5V电压上，第2脚接地，第3脚则直接连接在5V电压上，第4脚则是通过一个10k电阻接地。 

信号处理模块8由比较器LM324和20K可调电阻组成，20K可调电阻输出比较电压到比较器LM324的第5脚，光电传感器的第4脚连接比较器的第6脚，比较器的第7脚连接至单片机，单片机接收计数脉冲，然后根据设定的程序计算出模型车速度。使用一个可变电阻可以调节红外线的发射量，因为跑道上有灰色的部分，通过调节可变电阻的敏感度，可以使灰色区域探测出来的结果是白色或者是黑色的。对于本实施例的程序设计，把灰色区域设计为探测出来的结果是白色的。 

参照图5和图6，本实施例的模型车采用四轮驱动方式，对于本车的电机驱动的控制采用了基于“H”桥驱动电路的PWM控制原理。电机驱动模块5选用2SJ530、2SK2869效应管作为H桥开关元件。2SJ530、2SK2869场效应管具有输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、功耗小以及便于集成化等优点。可以通过控制电机两端的电压来控制模型车的转向，如图6，当1接地2接正极的时候电机控制模型车向前行驶，当1接地2接正极的时候电机控制模型车反向行驶，当1和2同时接地时电机控制模型车刹车。 

参照图7知道，工作时，首先进行初始化，然后根据红外传感器采集到的数据信息经过A/D转换和信号处理模块8的处理，得到目前模型车的所在位置；同时，速度检测模块3测得当前模型车的速度并反馈给单片机；最后，单片机综合利用当前模型车的位置以及车速作出相应的判断，由电机驱动模块5和转向舵机模块6控制电机的转速以及转向舵机的角度，以保证模型车按照特定的跑道进行平稳的寻迹行驶。 

综合以上，模型车在直线跑道上时，稳定性特别好，能保持高速行驶。直角转弯时，距弯道前500-1000mm有两条宽20mm、间隔为30mm的垂直于赛道的白线。这表明在直角转弯前处传感器将经历两次全检测到白线的状态。当传感器检测到第一条白线时，舵机不转向，这时忽略第二条白线，模型车减速行驶，当以模型车中心线为对称轴的一边4个传感器同时检测到白线时，控制舵机输出转角θ为45°，顺利通过直角弯。若模型车转过直角弯后，传感器只检测到一条宽20mm的垂直于赛道的白线，那么传感器把信号传达给单片机，控制单元则会控制模型车倒车。 

变线区域时，距变线区域前200mm～1000mm有两条宽20mm、间隔为30mm的垂直于赛道的单侧白线。这表明变线区域前传感器将经历两次4个全检测到单侧白线的状态。当传感器检测到第一条半侧白线时，舵机不转向，这时我们忽略第二条单侧白线，模型车减速行驶，当8个检测器全检测到黑线时，控制舵机输出转角θ为20°使模型车通过变线区 域。 

本实用新型成本低廉，所用元器件都是通用性器件，电路简单，可靠性能好，在跑道上行驶时能准确检测路面信息并作出正确判断，顺利快速的跑完预定跑道。 

Claims (6)

1.一种基于单片机的自主循迹模型车，包括模型车和控制器，其特征在于，所述的控制器包括电源控制模块(1)、路径识别模块(2)、速度检测模块(3)、主控制模块(4)、电机驱动模块(5)和转向舵机模块(6)，其中，路径识别模块(2)通过A/D转换器(7)和信号处理模块(8)与主控制模块(4)连接，速度检测模块(3)、电机驱动模块(5)和转向舵机模块(6)分别与主控制模块(4)连接，由电源控制模块(1)分别给路径识别模块(2)、速度检测模块(3)、主控制模块(4)、电机驱动模块(5)和转向舵机模块(6)提供电源；在所述的模型车上设置有转向舵机，模型车前端还安装有红外传感器，红外传感器将采集到的路径和速度信号经A/D转换器(7)传入信号处理模块(8)，信号处理模块(8)处理后传入控制器上的主控制模块(4)，主控制模块(4)对信号进行判断处理后，发出PWM波对转向舵机进行控制，完成智能车的转向；速度检测模块(3)将采集车轮速度的脉冲信号传到主控制模块(4)，由主控制模块(4)使用PID控制算法处理，并将处理后的控制量去改变电机驱动模块(5)的PWM波占空比，控制智能车的行驶速度。

2.如权利要求1所述的基于单片机的自主循迹模型车，其特征在于，所述的主控制模块(4)选择H8/3048F-one单片机。

3.如权利要求1所述的基于单片机的自主循迹模型车，其特征在于，所述的转向舵机选择HS-425BB型转向舵机。

4.如权利要求1所述的基于单片机的自主循迹模型车，其特征在于，所述的红外传感器采用反射式光电传感器。

5.如权利要求1所述的基于单片机的自主循迹模型车，其特征在于，所述的路径识别模块(2)采用单光束反射取样式光电传感器ST188芯片。

6.如权利要求1所述的基于单片机的自主循迹模型车，其特征在于，所述的红外传感器为8个。

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