CN205193589U - 基于多传感器的智能循迹小车控制系统 - Google Patents

基于多传感器的智能循迹小车控制系统 Download PDF

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Abstract

本实用新型涉及控制技术领域,具体说是基于多传感器的智能循迹小车控制系统,包括驱动小车行走的直流电机和获取小车前面路径信息的图像采集模块,还包括核心控制模块和驱动小车舵机工作的舵机转向模块,所述核心控制模块根据图像采集模块的信息控制所述直流电机和舵机转向模块的工作,一电源模块分别为直流电机、图像采集模块、核心控制模块和舵机转向模块供电。本实用新型不仅可实现自主智能循迹,也可通过核心控制模块、无线通信模块及PC控制上位机实现小车人工遥控循迹,具有循迹精度高、鲁棒性强、实时性好、人机交互的特点,能够迅速而准确地对路径信息进行辨识和跟踪。

Description

基于多传感器的智能循迹小车控制系统
技术领域
[0001]本实用新型涉及智能控制技术领域,具体说是基于多传感器的智能循迹小车控制系统。
背景技术
[0002] 智能循迹小车又被称为Automated Guided Vehicle,简称AGV,是二十世纪五十年代研发出来的新型智能搬运机器人。智能循迹小车是指装备如电磁,光学或其他自动导引装置,可以沿设定的引导路径行驶的安全运输车。工业应用中采用充电蓄电池为主要的动力来源,可通过电脑程序来控制其选择运动轨迹以及其它动作,也可把电磁轨道黏贴在地板上来确定其行进路线,无人搬运车通过电磁轨道所带来的讯息进行移动与动作,无需驾驶员操作,将货物或物料自动从起始点运送到目的地。
[0003] AGV的另一个特点是高度自动化和高智能化,可以根据仓储货位要求、生产工艺流程等灵活改变行驶路径,而且改变运行路径的费用与传统的输送带和传送线相比非常低廉。AGV小车一般配有装卸机构,可与其它物流设备自动接口,实现货物装卸与搬运的全自动化过程。
[0004]但现有的循迹小车智能化程度较低、循迹精度不高,无法有效地实现自动循迹与人工遥控循迹有机结合,循迹方式较单一,且在循迹过程中存在稳定性差的缺点。
实用新型内容
[0005]针对上述技术问题,本实用新型提供一种基于多传感器的智能循迹小车控制系统,通过该系统不仅可实现小车自主智能循迹,也可通过核心控制模块、无线通信模块及PC控制上位机实现小车人工遥控循迹。
[0006]本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为:基于多传感器的智能循迹小车控制系统,包括驱动小车行走的直流电机和获取小车前面路径信息的图像采集模块,还包括核心控制模块和驱动小车舵机工作的舵机转向模块,所述核心控制模块根据图像采集模块的信息控制所述直流电机和舵机转向模块的工作,一电源模块分别为直流电机、图像采集模块、核心控制模块和舵机转向模块供电。
[0007]作为优选,所述核心控制模块通过电机驱动模块控制直流电机的工作。
[0008]作为优选,设有车速检测模块,所述核心控制模块根据车速检测模块的信息控制所述直流电机和舵机转向模块的工作。
[0009] 作为优选,所述电源模块包括锂电池,该锂电池直接为所述直流电机供电,该锂电池通过电压转换模块分别为所述图像采集模块、核心控制模块、车速检测模块和舵机转向模块供电。
[0010]作为优选,所述核心控制模块通过无线通信模块与PC控制上位机通信。
[0011]从以上技术方案可知,本实用新型不仅可实现自主智能循迹,也可通过核心控制模块、无线通信模块及PC控制上位机实现小车人工遥控循迹,具有循迹精度高、鲁棒性强、 实时性好、人机交互的特点,能够迅速而准确地对路径信息进行辨识和跟踪。
附图说明
[0012]图1是本实用新型的结构框图。
[0013]图2是本实用新型中电源模块的结构框图。
[0014]图3是本实用新型中电机驱动模块电路图。
[0015]图4是本实用新型中车速检测模块的编码器三相输出波形图。
[0016]图5是本实用新型中核心控制模块与图像采集模块连接图。
具体实施方式
[0017]下面结合附图详细介绍本实用新型:
[0018]如图1,基于多传感器的智能循迹小车控制系统,其包括驱动小车行走的直流电机5和获取小车前面路径信息的图像采集模块2,还包括核心控制模块I和驱动小车舵机工作的舵机转向模块4,所述核心控制模块根据图像采集模块的信息控制所述直流电机和舵机转向模块的工作,一电源模块8分别为直流电机、图像采集模块、核心控制模块和舵机转向模块供电;同时还设有车速检测模块3,所述核心控制模块根据车速检测模块的信息控制所述直流电机和舵机转向模块的工作。其中,核心控制模块采用Freescale半导体公司的16位MC9S12XS128MAL单片机,它负责接收轨迹信息、小车速度等反馈量,并将这些反馈信息进行适当处理后,形成合适的控制量,对舵机和直流电机进行控制,进而实现智能循迹小车的转向、加减速和制动等动作;图像采集模块采用0V7620数字图像传感器获取车体前面的路径信息;车速检测模块采用欧姆龙公司生产的E5A2-CWZ3型增量式光电编码器测量小车的行驶速度;舵机转向模块采用Futaba S3010舵机来控制小车舵机转向。
[0019]在实施过程中,所述核心控制模块通过电机驱动模块6控制直流电机的工作,电机驱动模块采用两片BTS7960芯片接成全桥驱动电路,使整个电机驱动电路具有强劲的制动和刹车能力;所述电源模块8包括锂电池81,如图2,该锂电池直接为所述直流电机供电,该锂电池通过电压转换模块82分别为所述图像采集模块、核心控制模块、车速检测模块和舵机转向模块供电,电压转换模块采用LM2940和LM2596-ADJ电源电路。
[0020]本控制系统的核心控制模块I通过无线通信模块7与PC控制上位机9通信,本实用新型采用增量式PID算法控制直流电机的转速,通过核心控制模块对小车行驶线路进行处理;小车不仅可实现自主智能循迹,也可通过核心控制模块、无线通信模块及PC控制上位机实现小车人工遥控循迹。
[0021 ] 本系统的核心控制模块的主控芯片选择F r e e s c a I e半导体公司的I 6位MC9S12XS128MAL单片机(MCU),该芯片体积小(112个引脚),宽电压(3.1¥-5.5¥),运算速度快(16bit,40MHz),具有丰富的外设,很适合车模控制。主要片内资源包括8路8bit PTOl输出,8路12bit A/D转换,8路16bit定时器,最多59个普通I/O口,可与5V器件直接相连,内置128Kb Flash。电源模块主要为核心控制模块单片机主控芯片、图像采集模块、转向舵机模块、电机驱动模块及直流电机提供稳定的直流电源。单片机和大部分元器件都是5V供电,电机驱动电路是6.8V供电的,所以控制系统必须有完善的电源管理电路。18650锂电池电量充足,标准电压为3.7V,可将两颗18650锂电池串联提供7.4V电压,分别采用LM2940将7.4V转为 5V,采用 LM2596-ADJ 将 7.4V 转为 6.8V。
[0022]电机驱动模块用来驱动直流电机进行加速、减速、制动和停止动作。在智能循迹小车系统中,大部分的控制信号都是由单片机输出,设计要求单片机既要保证正常工作又要求低功耗,然而大多数单片机的工作电压都较低,远不足以驱动较大功率负载的能力。因此,必须在单片机与电机之间增加驱动电路提尚其驱动能力,使单片机能够完成对负载的控制。但在实际工作中,由于直流电机内阻仅有430πιΩ,而芯片内部每个金氧半场效晶体管导通电阻在120πιΩ以上,增大了回路中的总电阻值,导致电机驱动效率降低。而英飞凌公司出品的BTS7960半桥驱动芯片可以很好的解决驱动效率低的问题。它具有过压、过流、过温保护功能,输入P丽频率可达到25KHZ,电源电压5V~25V,最大驱动电流可达43A。此外,BTS960芯片输入信号为TTL电平,可直接与单片机相连,此外,为了防止干扰,该模块在OUTl,0UT2安装有两个谐波吸收电容。其中PWMl、PWM2为PWM信号输入端,在调试过程中,PWMl对应OUTl,PWM2对应0UT2;+5V和GND之间要加5V电源给隔离电路供电;当小车从高速行驶的直道突然进入急弯时,仅仅通过停止单向的PWM波输出是不行的,还要输出反向的P丽波,达到瞬间减速的的,因此,要求电机可以正反转,故采用两片BTS7960芯片接成全桥驱动电路,具体见图3所示,使整个电机驱动电路具有强劲的制动和刹车能力。
[0023]车速检测模块主要用于控制智能小车的行驶速度,使得小车在直道时可以全速行驶,在急转弯吋也不至于速度过快而冲出赛道。控制系统选用增量式光电编码器,它每转动一圈都会输出一定数目的脉冲信号,通过单位时间内测量得到的脉冲个数,即可得出电机的转速。实践证明,采用光电编码器虽然成本较高,但测量精度很高,稳定性好,因此选择使用欧姆龙公司生产的E5A2-CWZ3型增量式光电编码器测量智能小车的行驶速度,分辨率为500线/R,三相输出,可测正反转,各相输出波形如图4所示。
[0024]舵机转向模块主要涉及舵机的安装姿态问题,它关系到智能小车转向的响应速度及灵敏度。通常,舵机的安装有两种姿态:直立式安装和卧式安装。在卧式安装的情况下,由于舵机连接两边车轮的连杆长度不相等,造成两边力矩不等,极易造成舵机对两边车轮转向的响应吋间不相等,如果采用直立式安装的话,把舵机安放在小车前端中间位置,可以很好的避免舵机卧式安装的缺陷,保证两边车轮转向响应时间相等,提高转向灵敏度。舵机转向模块采用的是Futaba S3010舵机,S3010舵机输出端有三根线,分别为接地线(黑色)、电源线(红色)以及信号线(白色)。为了提高舵机响应速度,选择6.9V工作电压,并将MC9S12XS128单片机控制器内部的两路8位输出P丽2和PWM3级联成为一个16位P丽输出,然后通过PWM2通道输出脉冲调制信号。
[0025]图像采集模块采用采集图像传感器,单片机采集图像传感器的数据有模拟和数字两种方式。模拟信号采集方法需先将摄像头输出的复合视频信号进行分离,得到独立的同步信号和视频模拟量信号,然后根据同步信号对模拟视频信号进行A/D转换或者运用硬件二值化电路对模拟视频信号进行二值化。但是,由于使用的是单片机内部A/D,图像的分辨率完全取决于A/D的转换速率,此外,单片机超频是有极限的,单纯的靠超频来提高采集点数会造成系统的不稳定。而数字图像釆集方法是利用CMOS图像传感器可以直接输出并行数字信号和时序信号的特点,直接读取传感器的数字输出。该方案性能稳定,不需要A/D,也不需要增加外围的同步信号分离电路。图像釆集工作在单片机内部就变成了按照一定顺序将外部数据并行读入,故程序简单,采集速度快。因此,图像采集模块采用CMOS数字图像传感器0V7620获取车体前面的路径信息,单片机根据采集到的路径图像数据,提取和识别赛道引导线,并根据图像中黑色引导线与车体之间的偏离程度,通过PWM控制信号调节信号占空比,进而控制S3010舵机转角和直流电机转速,使得智能小车能够快速平稳的沿预定路径行驶功能,单片机MC9S12XS128MAL与0V7620端口连接如图5所示。
[0026]上述实施方式仅供说明本实用新型之用,而并非是对本实用新型的限制,有关技术领域的普通技术人员,在不脱离本实用新型精神和范围的情况下,还可以作出各种变化和变型,因此所有等同的技术方案也应属于本实用新型的范畴。

Claims (5)

1.基于多传感器的智能循迹小车控制系统,包括驱动小车行走的直流电机和获取小车前面路径信息的图像采集模块,其特征在于:还包括核心控制模块和驱动小车舵机工作的舵机转向模块,所述核心控制模块根据图像采集模块的信息控制所述直流电机和舵机转向模块的工作,一电源模块分别为直流电机、图像采集模块、核心控制模块和舵机转向模块供电。
2.根据权利要求1所述智能循迹小车控制系统,其特征在于:所述核心控制模块通过电机驱动模块控制直流电机的工作。
3.根据权利要求1或2所述智能循迹小车控制系统,其特征在于:设有车速检测模块,所述核心控制模块根据车速检测模块的信息控制所述直流电机和舵机转向模块的工作。
4.根据权利要求3所述智能循迹小车控制系统,其特征在于:所述电源模块包括锂电池,该锂电池直接为所述直流电机供电,该锂电池通过电压转换模块分别为所述图像采集模块、核心控制模块、车速检测模块和舵机转向模块供电。
5.根据权利要求3所述智能循迹小车控制系统,其特征在于:所述核心控制模块通过无线通信模块与PC控制上位机通信。
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