CN206781742U - 一种能够寻迹和避障的智能车 - Google Patents

Abstract

一种能够寻迹和避障的智能车，包括车体，在车体上设置有MCU和分别与MCU相连接的传输装置、初始设置装置、驱动装置、检测装置以及为各个装置供电的电源，还包括显示智能车状态的终端，初始设置装置由显示屏和设置按键组成；传输装置包括NRF模块，与MCU和终端相连接；驱动装置由电机驱动装置和轮组驱动装置组成，轮组驱动装置通过转向舵机与MCU相连接；检测装置由终点线检测装置、摄像头、陀螺仪和速度编码器组成，终点线检测装置设置在车头的下部，摄像头共有两个且均设置在垂直固定于车体前部的加高杆上，陀螺仪设置在转向舵机的侧后方，速度编码器与车体的后轮轴相连接。本实用新型信息采集及处理装置多样，整车智能程度高。

Description

一种能够寻迹和避障的智能车

技术领域

本实用新型涉及一种自动行驶车辆技术领域，具体的说是一种能够寻迹和避障的智能车。

背景技术

智能汽车是当今车辆工程领域研究的前沿，它体现了车辆工程、人工智能、自动控制、计算机等多个学科领域理论技术的交叉与结合，是未来汽车发展的趋势。对于智能车，需要采集到尽可能多的当前行驶的环境情况和信息，任何一个信息点的漏采都可能造成智能车对当前环境的错误判断，从而可能产生严重的后果。但是现有技术中的智能车，大多只是在信息采集后的软件处理上做功夫，而轻视了信息采集对于智能车的重要性。

实用新型内容

为了解决现有技术中的不足，本实用新型提供一种可以实现自动驾驶，而且能够充分采集行驶过程中的环境信息，提高行驶稳定性和安全性的智能车。

为了实现上述目的，本实用新型采用的具体方案为：

一种能够寻迹和避障的智能车，包括车体，在车体上设置有MCU和分别与MCU相连接的传输装置、初始设置装置、驱动装置、检测装置以及为各个装置供电的电源，还包括实时显示智能车状态的终端，所述初始设置装置由显示屏和设置按键组成，分别与MCU连接；

所述传输装置包括无线通信装置，与MCU相连接并且与所述终端无线连接；

所述驱动装置由电机驱动装置和轮组驱动装置组成，其中轮组驱动装置通过转向舵机与MCU相连接；

所述检测装置由停止线检测装置、摄像头、陀螺仪和速度编码器组成，其中停止线检测装置设置在车头的下部，摄像头共有两个且均设置在垂直固定于车体前部的加高杆上，陀螺仪设置在转向舵机的侧后方，速度编码器与车体的后轮轴相连接；

所述停止线检测装置包括一个双运算电压比较器，每个运算电路包括一个光电对管，光电对管发射管的输入端与电源相连接、输出端接地，且发射管的输入端与电源之间的电路还与电压比较器的一个输入端相连接，光电对管接收管的一端与电源连接、另一端接地，所述电源还连接有电位器，电位器的流出端与电压比较器另一个输入端相连接，所述电压比较器的输出端与MCU相连接。

所述两个摄像头分别为设置在加高杆顶端的障碍监测摄像头和设置在加高杆底端的路况监测摄像头。

所述停止线检测装置是由光电对管和电压比较器组成的红外检测电路。

所述电机驱动装置由电机控制机构和控制信号输入机构组成，所述MCU通过电机驱动接口与控制信号输入机构电连接。

所述陀螺仪为单轴陀螺仪，检测车头垂直方向的移动。

所述电源分别是MCU、检测装置、传输装置和初始设置装置供电的主板电源，以及为电机驱动装置供电的驱动电源，主板电源和驱动电源均连接有稳压器。

所述无线通信装置通过2.4G无线信号与终端相连接。

所述转向舵机为数字舵机，通过PWM波调整舵机转角。

所述设置按键为五个接上拉电阻的微动开关。

有益效果：

1、道路信息的检测采用双摄像头，位于上方的摄像头视线较远，用于观测车辆运行前方的障碍物和车道线等等，作出相应判断，将信息传回 MCU，使得小车在运行到相应位置之前作出预判，位于下方的摄像头用于对车辆前方的道路状况精确判断，视线小车道路信息的精确读取，用于小车的精确转向；

2、采用单轴陀螺仪，对车头的仰角和俯角进行实时监测，判断是否在上坡或者下坡，进而通过MCU对速度进行控制；

3、设置独立的停止线检测装置，并利用红外对管检测停车线，且设置在车头的最前方的下部，能够精准地控制小车稳定停在合适的范围内；

4、能够通过无线通信装置将智能车的运行信息实时传输到电脑等接受端，能够充分了解智能车的实际情况并可以对设定参数做一定的调试。

附图说明

图1是电源部分的电源输入及5V稳压部分电路示意图；

图2是电源部分的6V稳压部分电路示意图；

图3是电源部分的5V-3V变压部分电路示意图；

图4是电源部分的7V-12V升压部分电路示意图；

图5是电机控制电路图；

图6是MCU示意图；

图7是停止线检测装置电路图；

图8是电机控制信号输入电路图；

图9是速度编码器电路图；

图10是陀螺仪电路图；

图11是摄像头电路图；

图12是按键电路图；

图13是舵机电路图；

图14是无线通信部分电路图；

图15是显示屏电路图；

图16是运行流程图。

具体实施方式

下面根据附图具体说明本实用新型的实施方式。

一种能够寻迹和避障的智能车，包括车体，在车体上设置有MCU和分别与MCU相连接的传输装置、初始设置装置、驱动装置、检测装置以及为各个装置供电的电源，还包括实时显示智能车状态的终端，所述初始设置装置由显示屏和设置按键组成，分别与MCU连接；所述传输装置包括无线通信装置，与MCU相连接并且与所述终端无线连接；所述驱动装置由电机驱动装置和轮组驱动装置组成，其中轮组驱动装置通过转向舵机与MCU相连接；所述检测装置由停止线检测装置、摄像头、陀螺仪和速度编码器组成，其中停止线检测装置设置在车头的下部，摄像头共有两个且均设置在垂直固定于车体前部的加高杆上，陀螺仪设置在转向舵机的侧后方，速度编码器与车体的后轮轴相连接；所述停止线检测装置包括一个双运算电压比较器，每个运算电路包括一个光电对管，光电对管发射管的输入端与电源相连接、输出端接地，且发射管的输入端与电源之间的电路还与电压比较器的一个输入端相连接，光电对管接收管的一端与电源连接、另一端接地，所述电源还连接有电位器，电位器的流出端与电压比较器另一个输入端相连接，所述电压比较器的输出端与MCU相连接。除电机驱动装置之外，其余装置共同构成主板。

在实施时，将检测停止线的红外对管安装在车头最前部的正下方，使得智能车能够最快地检测到停止线并及时作出应对，同时停止线检测也起到了一个安全保护做用，在智能车正常行驶时，车头前的红外对管如果检测到车辆即将行驶出安全区域（假设安全区域与不安全区域之前用停止线隔开（如道路两边的车道线）），并及时停车以防出现意外情况。

所述两个摄像头分别为设置在加高杆顶端的障碍监测摄像头和设置在加高杆底端的路况监测摄像头。位于上方的障碍监测摄像头视线较远，用于观测车辆运行前方的障碍物和车道线等等，作出相应判断，将信息传回 MCU，使得小车在运行到相应位置之前作出预判，位于下方的路况监测摄像头用于对车辆前方的道路状况精确判断，视线小车道路信息的精确读取，用于小车的精确转向。

所述停止线检测装置是由光电对管和电压比较器组成的红外检测电路。

所述电机驱动装置由电机控制机构和控制信号输入机构组成，所述MCU通过电机驱动接口与电机驱动装置的控制信号输入接口电连接。

所述陀螺仪为单轴陀螺仪，检测车头垂直方向的移动。通过陀螺仪检测车是否在上坡或者下坡，进而通过MCU对速度进行调整，能够保证智能车的平稳、安全运行。

所述电源分别是MCU、检测装置、传输装置和初始设置装置供电的主板电源，以及为电机驱动装置供电的驱动电源，主板电源和驱动电源均连接有稳压器。

所述无线通信装置通过2.4G无线信号与终端相连接。

所述转向舵机为数字舵机，通过PWM波调整舵机转角。MCU通过两路PWM信号来控制电机的转速，用以控制智能车的速度，当MCU将控制电机速度的两路PWM传送至电机的驱动电路时，驱动电路参考两路PWM的在某一时刻的高低电平的差值，决定电机的正反转或者是否使其自由转动，通过控制电机的转动状态，来实现调速以及停车。

所述设置按键为五个接上拉电阻的微动开关。

各部分具体的零部件型号如下：

所述为主板电源的核心为LM2940-5.0V和ASM1117-3V3以及ASM117-ADJ集成芯片组成的稳压电路；所述MCU核心为蓝宙生产的第三代K60最小系统版，其主控芯片为K60DN512ZVLQ10；所述停止线检测装置是由光电对管和电压比较器LM358组成的红外检测电路；所述速度编码器的核心是欧姆龙500线单相速度编码器E6A2—CS3C；所述两个摄像头核心是两个鹰眼OV7725摄像头；所述舵机模块核心是SD5数字舵机，并且舵机输入信号与MCU之间用TLP181隔离；所述陀螺仪是核心为ENC-03MB的野火陀螺仪模块；所述无线通信装置核心是NRF24L01模块；所述电机驱动接口为4x1的排针；所述初始设置装置的显示屏为NOKIA5110显示屏。

所述驱动电源的核心是以MC34063为核心的7.2V-12V升压模块；所述电机驱动装置的控制信号输入机构的核心为74lvc245芯片；所述电机驱动装置中电机控制机构的核心为两个IR2104S和4个IR7843组成的H桥控制电路，H桥控制电路气输入端为PWM波，该电路输出端输出最高为7.2V的电压，该电路的输出端电压由输入端PWM波的占空比决定。

各部件具体的连接关系如下：

如图1至图15所示，CON1与CON2为接线端，CON1接线端与电池相连，CON2接线端与电机控制电路相相连。CON1的2端与开关S6的3端相连后与CON2并联，CON1的1端和CON2的1端相连后接GND，开关S6的3端与电容C1连接后与接地。电容C2，C3并联后与CON2的1端和2端相并联，然后CON2的2端与U1（LM2940）的IN端相连，U1（LM2940）的两个GND端与CON2的1端相连。C5和C4并联后C4的正极接U1（LM2940）的OUT端，另一端接CON2的1端，C4的正极输出5V电压。LED D1和电阻R1串联后，D1的正极接C4的正极，另一端接CON2的的1端。C6和C7相并联后一端接5V电压和U2（ASM1117）的IN端相连，另一端和U2（ASM1117）的GND相连，C9和C8并联后与U2（ASM1117）的OUT端相连U2（ASM1117）的两个OUT端短接），并输出3.3V的电压，C9和C8的另一端与U2（ASM1117）的GND相连。U3的IN端与7.2V电压源相连，7.2V的电压源接电容C12后与地相连，U3（ASM1117--ADJ）的TAB端与其OUT端相连，U3（ASM1117--ADJ）的OUT端通过电阻R9与其ADJ端相连OUT端经过电容C13与地端相连，R10与发光二极管D2串联后与C13并联，R10与U3（ASM1117--ADJ）的OUT端相连的一端输出6V电压，U3（ASM1117--ADJ）的ADJ端和GND端接电位器R16。

所述停止线检测装置中，以LM358为核心，LM358的VCC接5V电压端，GND接GND端，OUT1，IN1（+），IN1（-）与OUT2，IN2（+），IN2（-）完全相同。R11一端接LM358的OUT1端，发光二极管的正极与5V电压源相接，另一端与R12相接，R12的另一端与OUT1相接，同时OUT1还与MCU的PTB11引脚相连。R13与光电对管的接收管串联后R14远离接收管的一端与5V电压源相连。接收管远离电阻R13的一端接GND端。电容C11与光电对管的接收管相并联。R14与光电对管的发射管串联，R14与发射管相连的一端接LM358的IN1(+)相连，R14的另一端与5V电压源相连，发射管的另一端与GND端相连。电位器R15可调节电压的一端与LM358的IN（-）相连，另外两端分别于5V电压源和GND相连（如图LM358的OUT2，IN2（+），IN2（-）与OUT1，IN1（+），IN1（-）相同，不再叙述）。

所述速度编码器中P5口的1脚接电压为5V，电阻为R3的上拉电阻后与MCU的PTA9引脚相连，P5的2脚与5V电压源相连，P5的3脚与GND端相连，P5的2脚与3脚分别与电容C10的两端相连；在主板的独立按键中，五个按键的接法相同，如图均为一个电阻R和一个开关S串联，两者相连的一端与MCU的引脚相连，电阻的另一端与5V电压源相连，开关的另一端与GND端相连，开关S1到S5五个按键分别与MCU的PTD6、PTD9、PTD8、PTD11、PTD7相连；在所述电机驱动接口中，P4口的1引脚接GND端，2、3、4，引脚分别接MCU的PTC1、PTC2、PTC3引脚。

所述无线通信装置中，P9口的1、2脚分别接3.3V电压源和GND端，3、4、5、6、7、8,脚分别接MCU的PTE27、PTA14、PTA15、PTA17、PTA16、PTE28；在主板的陀螺仪中，P8口的1、2、3、4引脚分别接3.3V电压源、5V电压源、GND端和MCU的PTC0引脚；在主板的舵机中，T1（TLP181）的1脚通过R17与MCU的PTA9相连，T1（TLP181）的2脚接GND端，6脚接6V电压源，4脚接上拉电阻R28后与P3的1脚相连，P3口的2、3脚分别与5V电压源、GND端相连。

所述摄像头中，P2口的1、7、11、18、19、20分别与5V电压源、MCU的PTC9、MCU的PTC8、MCU的PTC4、GND端、MCU的PTC5脚相连，P2口的2、4、6、8、10、12、14、16分别与MCU的PTE0到PTE7脚相连，P1口的1、7、11、18、19、20分别与5V电压源、MCU的PTA27、MCU的PTA29、MCU的PTA26、GND端、MCU的PTA25脚相连，P2口的2、4、6、8、10、12、14、16分别与MCU的PTB0到PTB7脚相连。

所述NOKIA5110中，P7口的1、2、3、4、5、6、7、8脚分别接MCU的PTC15、PTC6、PTC7脚、PTB22、PTB21、3.3V电压源、MCU的PTC14和GND端。

在电机控制信号输入电路中，以U4（74LVC245）为核心，U4（74LVC245）的B3—B7、A3到A7、GND、DIR、OE非接GND端，U4（74LVC245）的VVC接3.3V电压源后通过C14与OE非相连。U4（74LVC245）的B0、B1、B2接R29、R36、R19上拉电阻之后与P1口的1、2、3脚相连（P1口的4脚接GND端），U4（74LVC245）的A0、A1、A2接网络标号Motor_In2、Motor_In1、Motor_In。

在电源部分中，7.2V-12V升压电路为电机驱动电路的电源，以U5（MC34063）为核心，U5的1脚经过稳压二极管D3后输出12V电压，稳压二极管的负极通过C17与GND相连，U5的2脚接GND端，U5的3脚通过C16与GND端相连，U5的4脚接GND端，R28和R29串联，R28和R29相连的一端接U5的5脚，R28的另一端接12V电压源，R29的另一端接GND端，U5的6脚与C15的正极端相连，C15的正极端接7.2V电压源。负极接GND端，R26与R27串联，一端接7.2V电压源一端接U5的8脚，U5的7脚连在R26和R27之间。

在电机驱动装置的电机控制机构中，IR2104和和LR7843构成的H桥全桥驱动，H桥的三个输入端分别接Motor_In1、Motor_In、Motor_In2（两个IR2104的IN端接Motor_In1和Motor_In2），H桥的电源部分分别接12V和7.2V电压源。H桥的输出端OUT1和OUT2分别接在电机的两端，R34和D4串联，R35和D5串联，然后均与电机想并联，特别需要注意的是两个LED，D1、D2的并联是正负极反向，且压敏电阻D9与电机并联。

如图16所示，具体的工作过程如下：系统开始运行后首先由NOKIA5110显示屏显示运行参数，然后通过按键修改参数后通过显示屏显示，然后按下按键确认系统开始运行，否则返回显示屏显示，重新设定参数，知道按下按键确认系统开始运行，系统开始运行后同时开始检测道路信息和停止线；在检测停止线时，如果检测到停止线则将停止标志变量置1；在摄像头检测道路信息之后，程序分为两部分，一部分根据道路信息调整方向，另一部分先判断停止标志变量是否为1，若为1，则停止电机工作，否则，根据道路信息整速度，然后两部分程序运行完成之后，判断是否接收到停止命令，接收到停止命令，则整个系统停止运行，否则返回到摄像头读取信息的代码执行处。

本实用新型的使用原理如下：

在开始运行时：主控芯片（K60DN512）对各模块进行初始化。完成初始化之后，在NOKIA5110显示屏给出提示信息，通过设置按键对系统运行的参数进行设定（如智能车的速度）。若未设定，则按照默认参数运行。参数设定完成后，按下按键，确认系统开始运行。系统运行时：通过摄像头（OV7725）对道路信息进行识别，摄像头讲道路图像进行二值化处理之后传回主控芯片（K60DN512）。主控芯片（K60DN512）对传回的二值化信息进行处理，识别出图片中道路的边界，通过左右边界计算出每一行像素中道路终点的值，存入一个数组中。对数组中的值求取平均值，减小误差，与标准值比较。计算偏差。利用偏差，通过PID算法计算出控制舵机转角的PWM波占空比，传送给SD5数字舵机，实现对方向的控制；在控制方向的同时，当摄像头和陀螺仪检测到道路信息发生改变时，主控芯片（K60DN512）向速度控制模块传递信号，改变智能车速度。该系统对每一种道路元素都设定了一个标准速度，当摄像头和陀螺仪识别到道路元素的改变，如出现弯道、障碍、坡道时，将当前速度与即将出现道路元素的设定速度进行对比，计算出速度差。通过PID算法利用速度差将速度调节到设定速度。当智能车在同一种道路元素中行驶时，如果直接给定一个恒定的速度，智能车会因为外界因素而影响速度发生改变，因此通过速度编码器测定小车当前的实际速度，与设定速度比较，计算速度差，通过PID算法，改变传输到速度控制模块的PWM的占空比，使速度动态的稳定在一个恒定的值。无线通信装置将智能车运行的信息直接传送给电脑等接受端，实现人机交互信息的传递。从而实现以下目的实现智能车系统的自动寻迹避障，以及速度的自动调节。

本实用新型并不限于上述实施方式，能够在权利要求书的范围、以及说明书和附图中记载的技术思想范围内做出的各种变形均是本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种能够寻迹和避障的智能车，包括车体，在车体上设置有MCU和分别与MCU相连接的传输装置、初始设置装置、驱动装置、检测装置以及为各个装置供电的电源，还包括实时显示智能车状态的终端，其特征在于：

所述初始设置装置由显示屏和设置按键组成，分别与MCU连接；

所述传输装置包括无线通信装置，与MCU相连接并且与所述终端无线连接；

所述驱动装置由电机驱动装置和轮组驱动装置组成，其中轮组驱动装置通过转向舵机与MCU相连接；

所述检测装置由停止线检测装置、摄像头、陀螺仪和速度编码器组成，其中停止线检测装置设置在车头的下部，摄像头共有两个且均设置在垂直固定于车体前部的加高杆上，陀螺仪设置在转向舵机的侧后方，速度编码器与车体的后轮轴相连接；

所述停止线检测装置包括一个双运算电压比较器，每个运算电路包括一个光电对管，光电对管发射管的输入端与电源相连接、输出端接地，且发射管的输入端与电源之间的电路还与电压比较器的一个输入端相连接，光电对管接收管的一端与电源连接、另一端接地，所述电源还连接有电位器，电位器的流出端与电压比较器另一个输入端相连接，所述电压比较器的输出端与MCU相连接。

2.如权利要求1所述的一种能够寻迹和避障的智能车，其特征在于：所述两个摄像头分别为设置在加高杆顶端的障碍监测摄像头和设置在加高杆底端的路况监测摄像头。

3.如权利要求1所述的一种能够寻迹和避障的智能车，其特征在于：所述停止线检测装置是由光电对管和电压比较器组成的红外检测电路。

4.如权利要求1所述的一种能够寻迹和避障的智能车，其特征在于：所述电机驱动装置由电机控制机构和控制信号输入机构组成，所述MCU通过电机驱动接口与控制信号输入机构电连接。

5.如权利要求1所述的一种能够寻迹和避障的智能车，其特征在于：所述陀螺仪为单轴陀螺仪，检测车头垂直方向的移动。

6.如权利要求1所述的一种能够寻迹和避障的智能车，其特征在于：所述电源分别是为MCU、检测装置、传输装置和初始设置装置供电的主板电源，以及为电机驱动装置供电的驱动电源，主板电源和驱动电源均连接有稳压器。

7.如权利要求1所述的一种能够寻迹和避障的智能车，其特征在于：所述无线通信装置通过2.4G无线信号与终端相连接。

8.如权利要求1所述的一种能够寻迹和避障的智能车，其特征在于：所述转向舵机为数字舵机，通过PWM波调整舵机转角。

9.如权利要求1所述的一种能够寻迹和避障的智能车，其特征在于：所述设置按键为五个接上拉电阻的微动开关。