CN201853137U - 基于光电传感器的智能化自循迹小车控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于光电传感器的智能化自循迹小车控制系统，该控制系统将基于光电传感器和语音识别技术相结合，采用凌阳16位单片机SPCE061A作为系统控制处理器，以反射式红外光电传感器获取路径信息，根据路径信息中黑线的位置来调整小车的运动方向及速度，从而实现自循迹功能，而且结合SPCE061A片内资源，编写了语音处理API函数，实现语音人机交互的智能化控制；该控制系统结构简单，体积小，可实现小车运行灵活，且运行可靠稳定；该控制系统还可以应用于残障人智能轮椅、服务机器人、无人驾驶机动车、无人生产线、仓库等领域。

Description

基于光电传感器的智能化自循迹小车控制系统

技术领域

本实用新型涉及一种小车控制系统，尤其涉及一种基于光电传感器的智能化自循迹小车控制系统。

背景技术

作为20世纪的重大成就，机器人已经和人类社会的生产、生活密不可分。智能小车，也就是轮式机器人，主要有口令识别与语音合成、机器人自定位、动态随机避障、多传感器信息融合、实时自适应导航控制等功能。

但现有技术中的智能机器人，其循迹并没有完全正确地采集和识别，易造成舵机不能精确、及时的转向，导致模型车严重抖动甚至偏离赛道；且对语音识别控制不强，无法准确、及时的进行智能识别；同时也存在结构复杂，体积大，运行不灵活等缺陷。 

实用新型内容

针对现有技术中的不足之处，本实用新型提供了一种将红外光电传感器应用于路径识别，同时具有语音控制功能的基于光电传感器的智能化自循迹小车控制系统。该控制系统的红外光电传感器结构简单，形式灵活，体积小，可实现非接触采集和识别轨迹信息等优点。

本实用新型提供的基于光电传感器的智能化自循迹小车控制系统，包括SPCE061A单片机、电源模块、光电传感器、电机驱动模块和语音识别控制模块；所述光电传感器用于采集小车运行的道路信息，并将该信息输入SPCE061A单片机；所述SPCE061A单片机通过电机驱动模块控制小车的舵机转向和直流电机的速度；所述电源模块向光电传感器、SPCE061A单片机和电机驱动模块供电；所述语音识别控制模块包括音频输入模块和音频输出模块，所述音频输入模块包括设在SPCE061A单片机上的MICP引脚端口和MICN引脚端口，所述MICP引脚端口和MICN引脚端口把随着麦克风输入的声音产生变化的波形在这两个端口处形成两路反相的波形送到SPCE061A芯片内部的第一级运算放大器进行音频放大，放大的语音信号经ADC转换后输入SPCE061A单片机进行处理；所述音频输出模块采用SPY0030A芯片，所述SPY0030A芯片上设有与播放设备外接的连接端口。

进一步，所述光电传感器由多个发光二极管和接收二极管组成，一个发光二极管与一个接收二极管对应。

再进一步，所述光电传感器采用红外光电传感器，设置与小车同步运行的单排多个等间距排列的红外光电传感器，红外光电传感器间隔为1.5cm，离地高度为1cm，且红外光电传感器与地面成一定的夹角。

与现有技术相比，本实用新型的基于光电传感器的智能化自循迹小车控制系统具有如下优点：

 1、该控制系统采用光电传感器进行非接触路径的采集和识别，采集和识别的数据及时、准确，避免了转向电机控制不当而造成模型车严重抖动甚至偏离赛道的现象。

 2、该控制系统将SPCE061A单片机和语音识别控制模块相结合，实现语音人机交互的智能化控制。

 3、该控制系统结构简单，体积小，可实现小车运行灵活，且运行可靠稳定。

4、该控制系统还可应用于残障人智能轮椅、服务机器人、无人驾驶机动车、无人生产线、仓库等领域。

附图说明

图1为智能小车控制系统的结构框图；

图2为电源模块的结构框图；

图3为TCRT5000内部电路图；

图4为光电传感器发光示意图；

图5为光电传感器TCRT5000电路图；

图6为主程序流程图；

图7为语音识别流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细地描述。

如图1、2所示，基于光电传感器的智能化自循迹小车控制系统包括SPCE061A单片机、电源模块、光电传感器、电机驱动模块和语音识别控制模块。光电传感器用于采集小车运行的道路信息，并将该信息输入SPCE061A单片机。SPCE061A单片机通过电机驱动模块控制小车的舵机转向和直流电机的速度。电源模块向光电传感器、SPCE061A单片机和电机驱动模块供电。语音识别控制模块包括音频输入模块和音频输出模块，音频输入模块包括设在SPCE061A单片机上的MICP引脚端口和MICN引脚端口，MICP引脚端口和MICN引脚端口把随着麦克风输入的声音产生变化的波形在这两个端口处形成两路反相的波形送到SPCE061A芯片内部的第一级运算放大器进行音频放大，放大的语音信号经ADC转换后输入SPCE061A单片机进行处理；音频输出模块采用SPY0030A芯片，所述SPY0030A芯片上设有与播放设备外接的连接端口。

SPCE061A单片机通过光电传感器采集道路信息，根据算法分析得出此时的智能小车与道路的偏离状况，然后再据此采用一定的控制算法控制智能车的舵机转向和直流电机的速度，从而实现智能车对路径的自动识别与循迹。

一、下面根据该控制系统的结构框图（如图1、2），分别介绍各功能模块:

SPCE061A单片机

该控制系统采用高性能16位SPCE061A单片机作为控制核心。SPCE061A单片机采用3.3伏供电，最大工作速率49.152MHZ，内有32位通用可编程输入/输出端口，2K字SRAM，32K FLASH，7通道10位电压模-数转换器(ADC)和单通道声音模-数转换器，2个16位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值)，声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制(AGC)功能，内置在线仿真电路ICE（In-Circuit Emulator）接口，具备串行设备接口，可编程音频处理；使用凌阳音频编码SACM_S240方式(2.4K位/秒)，能容纳210秒的语音数据。

考虑到智能小车自主循迹和语音识别功能，在设计和制作智能车的时候，选择了其中的一部分作为输入输出端口。这里IOA口的一部分作为传感器的输出信号的输入端口，一部分作为按键输入；IOB口一部分驱动电机驱动板的控制端口，其中APWMO和BPWMO控制舵机。

电源模块

智能小车的总电源采用7.2伏的镍铬电池供电。该控制系统选定SPY0029A（低压差）三端稳压芯片为3.3V稳压芯片，输出作为单片机及外围电路电源；选定5V的LM2940（低压差）为稳压芯片，输出作为传感器电源；舵机和直流电机直接采用7.2V电源供电。

光电传感器模块

该控制系统的光电传感器（即路径识别电路）由一系列发光二极管、接收二极管组成，一个发光二极管和一个接收二极管构成一对，这也相等于摄像头的一个像素。当红外线照射到白色地面时会有较大的反射，如果光电对管与反射面的距离取值合适，红外接收管接收到反射回的红外线强度就较大；如果红外线照射到黑色标志线，黑色标志线会吸收大部分红外光，红外接收管接收到红外线强度就很弱。这样，利用红外光电传感器检测智能小车行驶道路上的黑色标志线，就可以实现智能小车的自动循迹。

本实施例中的光电传感器采用TCRT5000型红外光电传感器，其内部电路如图3所示。

本实施例中，设置与小车同步运行的单排共7个、且等间距排列的红外光电传感器，传感器间隔为1.5cm，离地高度为1cm，红外光电传感器与地面成一定的夹角，以此来提高前瞻性。如此设置是因为实际上红外光电传感器发出的红外光是一些锥形的光线，而不是一条直线，红外光电传感器的发光示意图如图4所示。经测试证明红外光电传感器间隔为1.5cm，高度为1cm时，各红外光电传感器间没有出现死区。而且也便于安装，红外光电传感器的数量和空间位置设置是合理的和可行的。

光电传感器要输出高低两种电平来表示白色路面和黑色导引线的区别。光电传感器输出的模拟信号需要通过电压比较器，转换成数字信号的高低电平，再输入SPCE061A单片机进行离散控制。本实施例设定的光电传感器模块在白色路面上输出为低电平，检测到黑色导引线时输出为高电平（如图5）。

电机驱动模块对车体的控制

本实施例采用的智能循迹小车为四轮结构，其中前面两个车轮由前轮电机控制，在连杆和支点作用下控制前轮左右摆动，来调节小车的前进方向。在自然状态下，前轮在弹簧作用下保持中间位置。后面两个车轮由后轮电机驱动，为整个小车提供动力。

动力驱动由后轮驱动实现，负责小车直线方向的运动，包括前进和后退。后轮驱动电路是一个全桥驱动电路，这样就可以通过单片机上的两个IO口控制四个桥臂的导通与关断控制后轮电机的运行状态，使之正转反转或者停转，进而控制小车的前进和后退。

转向电机由前轮驱动实现，包括左转和右转，前轮驱动电路也是一个全桥驱动电路，也可以通过两个IO口控制前轮电机的正转和反转，进而控制小车的左转和右转。若前轮电机停转，在弹簧作用下前轮被拉回到中间位置，保持直向。

音频输入输出模块

    本实施例充分利用凌阳SPCE061A单片机的可编程音频处理功能和凌阳音频压缩算法，从而调用和编写应用程序接口API函数，达到语音识别控制的目的。为了完成这一功能，这部分需要在单片机外围设计音频输入输出模块。

音频输入模块

MICP引脚端口和MICN引脚端口把随着MIC产生的波形变化在这两个引脚端口处形成两路反相的波形送到SPCE061A芯片内部的第一级运算放大器进行音频放大，把放大的语音信号交给ADC转换为数字量，这个时候就可以通过单片机编程对这些数据进行处理，比如说进行语音数据压缩、语音识别样本处理等。

音频输出模块

 音频输出部分主要由一只8脚功率放大器SPY0030A组成。SPY0030A是凌阳公司开发的专门用于语音信号放大的芯片，它的输入端输入的音频电压信号来自于单片机内部DAC的输出端，它的输出端可外接喇叭等播放设备。其增益大小可通过调节电阻的阻值实现。

二、下面结构主程序流程图和语音识别流程图对本实施例中优选的主程序设计和智能循迹小车语音控制的设计进行介绍：

主程序设计

在软件设计方面，本实施例使用了集成开发环境u’nSP IDE2.0.0。它是一款C语言集成开发环境，提供了一套有效的，灵活的软件开发工具。它可以支持C以及汇编语言等。在本系统的设计中，用到了两个单片机基本功能模块：PWM输出模块、普通I／O模块等。根据系统实际需求，对各个模块进行了初始化配置，实现其相应的功能。主程序流程图如图6所示。

智能循迹小车语音控制的设计

图7是语音识别的流程图。本设计为小车设计了两个语音命令：前进和停车。当为前进命令时，让相应的单片机的IOB口输出高电平，控制继电器导通传感器的供电电路；当为停车命令时，IOB[15：0]全部输出0，关闭传感器电源，控制小车停车。在“执行相应动作”这一步，小车根据语音命令执行动作，若为“前进”命令，则在执行动作后开启8Hz的时基中断，进入中断后进行路径识别及车体控制，如图6中进入中断后所示；若为停车命令，则进行停车，并等待下一个语音命令。这样就可以将智能小车的语音控制和自动循迹两个功能紧密结合起来。

将带有该控制系统的自循迹小车放置于白底黑线的赛道上，小车能沿着黑线的路径自行调整方向和速度行驶，实现了小车的自循迹功能。在小车的运行过程中，经过特定训练人发出设计的命令“小车”，则小车回复“yeah”的语音，并停止动作；当发出“前进”命令时，小车将开启红外光电传感器并继续自主循迹行驶。通过软硬件的联机调试结果表明，本文设计的智能模型车能够实现自主循迹行驶，所设计的控制策略在不同路径条件下可稳定行使，对语音命令识别准确，执行迅速。

智能小车技术是一项具有广泛应用前景的技术，不仅在科学探测领域、还是在工业应用领域；无论是在军事上还是在我们的生活中，智能小车发挥着越来越重要的作用。本实用新型在充分考虑智能小车系统结构的基础上，设计了基于SPCE061A单片机的智能小车自循迹控制系统，单片机对红外光电传感器检测信号的处理为离散方式，研究了红外传感器数量和空间位置布局对路径识别的影响，确定了采用7个红外传感器等间距排列的方式进行路径的识别。利用u’nSP IDE2.0.0集成开发环境，根据设计的控制系统流程图，对控制策略进行了编程。利用SPCE061A单片机的语音处理功能，编写语音处理API函数，实现可以根据语音命令开始自主循迹和停车的功能。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种基于光电传感器的智能化自循迹小车控制系统，其特征在于：包括SPCE061A单片机、电源模块、光电传感器、电机驱动模块和语音识别控制模块；

    所述光电传感器用于采集小车运行的道路信息，并将该信息输入SPCE061A单片机；

所述SPCE061A单片机通过电机驱动模块控制小车的舵机转向和直流电机的速度；

所述电源模块向光电传感器、SPCE061A单片机和电机驱动模块供电；

所述语音识别控制模块包括音频输入模块和音频输出模块，所述音频输入模块包括设在SPCE061A单片机上的MICP引脚端口和MICN引脚端口，所述MICP引脚端口和MICN引脚端口把随着麦克风输入的声音产生变化的波形在这两个端口处形成两路反相的波形送到SPCE061A芯片内部的第一级运算放大器进行音频放大，放大的语音信号经ADC转换后输入SPCE061A单片机进行处理；所述音频输出模块采用SPY0030A芯片，所述SPY0030A芯片上设有与播放设备外接的连接端口。

2.根据权利要求1所述的基于光电传感器的智能化自循迹小车控制系统，其特征在于：所述光电传感器由多个发光二极管和接收二极管组成，一个发光二极管与一个接收二极管对应。

3.根据权利要求2所述的基于光电传感器的智能化自循迹小车控制系统，其特征在于：所述光电传感器采用红外光电传感器，设置与小车同步运行的单排多个等间距排列的红外光电传感器，红外光电传感器间隔为1.5cm，离地高度为1cm，且红外光电传感器与地面成一定的夹角。

4.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述的基于光电传感器的智能化自循迹小车控制系统，其特征在于：所述电源模块采用7.2伏的镍铬电池。

5.根据权利要求4所述的基于光电传感器的智能化自循迹小车控制系统，其特征在于：所述镍铬电池通过SPY0029A三端稳压芯片向SPCE061A单片机及外围电路电源供电。

6.根据权利要求4所述的基于光电传感器的智能化自循迹小车控制系统，其特征在于：所述镍铬电池通过5V的LM2940稳压芯片向光电传感器供电。

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