CN209821671U

CN209821671U - 一种连杆转向智能换道小车

Info

Publication number: CN209821671U
Application number: CN201920663610.8U
Authority: CN
Inventors: 柏海舰; 潘泽昊; 周宇; 边星培; 王健; 郑宇宸
Original assignee: Hefei Polytechnic University
Current assignee: Hefei Polytechnic University
Priority date: 2019-05-10
Filing date: 2019-05-10
Publication date: 2019-12-20
Anticipated expiration: 2029-05-10

Abstract

本实用新型公开了一种连杆转向智能换道小车，包括：STC89C52RC单片机最小系统、电源模块、电机驱动模块、信息感知模块（包括红外循迹模块、超声波测距模块和红外检测模块）。电机驱动模块通过改变输入PWM波占空比以控制小车加减速以及转向；红外循迹模块安装于所述单片机小车底部并检测地面路径；红外检测模块由6个线式红外传感器构成，检测小车侧向障碍物；超声波模块安装于小车主体前部并向小车前方测距。本实用新型提出一种多传感器的布设方案，极大减少传感器检测盲区，提高小车决策可靠性。同时，提出一种小车转向机构改进措施，提高小车行为的平顺性。

Description

一种连杆转向智能换道小车

技术领域

本实用新型涉及自动控制技术领域，尤其涉及一种连杆转向智能换道小车。

背景技术

智能车的迅速发展也带动了智能小车的研究进展。现有的智能车路测存在着成本高，风险高、适应性差等缺点。用智能小车研究车辆的驾驶行为能有效的降低成本和风险，并能高效地研究多辆车的协同驾驶行为。而目前的智能小车功能较为简单，可实现跟车、避障、循迹、简单换道等动作，但由于感知信息范围的限制，其换道决策水平很难应对较为复杂的场景，如超车换道、协同换道、拥挤交通流中的换道等。且一般以左右车轮差速实现转向的小车难以实现平稳的换道。

实用新型内容

本实用新型目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种连杆转向智能换道小车。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种连杆转向智能换道小车，包括有车体，在车体的底盘上安装有单片机处理器、PWM电机驱动模块和电源模块，还包括有六个红外检测模块、两个红外循迹模块和超声波测距模块，所述的六个红外检测模块分别安装在车体的四个角以及车体的左右侧中间部位，所述的两个红外循迹模块并列的安装在车体的正前端的底部，所述的超声波测距模块安装在车体的正前端，所述的PWM电机驱动模块包括有三个PWM控制电机和一个齿轮齿条转向器，其中两个PWM控制电机控制车体的两个后轮转动，另一个PWM控制电机通过齿轮齿条转向器控制车体的两个前轮转向，所述的三个PWM控制电机、电源模块、六个红外检测模块、两个红外循迹模块和超声波测距模块均与单片机处理器通过杜邦线电连接。

所述的单片机处理器采用的是STC89C52RC单片机U1，单片机U1的XTAL1脚和XTAL2脚分别连接晶振X1的两端，晶振X1的两端还分别连接电容C1和电容C2，电容C1和电容C2的另一端接地；单片机U1的RST引脚分别连接电容C3和电阻R1，电容C3的两端并联有按钮开关S1，电阻R1的另一端接地；单片机U1的P2.0/A8引脚、P2.1/A9引脚、P2.2/A10引脚、P2.3/A11引脚、P2.4/A12引脚、P2.5/A13引脚、P2.6/A14引脚和P2.7/A15引脚分别连接超声波测距模块的接收端、超声波测距模块的发射端和六个红外检测模块，单片机U1的引脚和引脚分别连接两个红外循迹模块，控制车体后轮的其中一个PWM控制电机的控制端连接单片机U1的IN1、IN2和EN1端，控制车体后轮的另一个PWM控制电机的控制端连接单片机U1的IN3、IN4和EN2端，控制车体前轮的PWM电机的控制端连接单片机U1的IN5、IN6和EN3端。

所述的红外检测模块为线式红外传感器。

所述的红外循迹模块是由红外发射管和红外接收管构成的。两个红外循迹模块并列安装于所述单片机小车底部，检测用户布置的地面路径。

所述的超声波测距模块包括有超声波发射头和超声波接收头,安装于小车主体前部并向小车前方测距，超声波测距模块接收单片机信号后由发射头向外发射超声波信号,接收头接收超声波遇到物体后反射的回波。

所述红外检测模块、红外循迹模块和超声波测距模块为信息感知模块，用以检测环境信息，其信号输出为单片机的信号输入；电机驱动模块通过改变占空比控制小车的车速与方向；电源模块为各模块的运行提供能量。

六个红外检测模块安装于小车的4角和两侧，用于检测小车四周环境信息。

两个红外循迹模块安装于小车的正前端底部，用于实现小车的循迹功能。

在小车正前端安装超声波传感器，用于检测前方是否存在物体以及本小车与前方物体之间的距离。

在一种可能的实现方式中，在地面设置可检测宽度的黑实线，利用红外光对黑色与非黑色物体反射能力的不同，通过对小车底部传感器状态的判断，即可保证小车沿黑实线不断修正行驶方向。

通过超声波测距模块对前方物体距离的测定，使小车完成跟驰、换道等行为。当在设定时间内，小车与前方障碍物始终保持较小距离，此时小车通过判断左右侧车道情况，适时换道，并在换入相邻车道后继续循迹以修正行驶方向。

在无法换道即左右侧均有障碍物的路况，小车可在循迹的同时对前方车辆进行线性跟驰。

本实用新型的优点是：本实用新型多个多传感器的布局比较新颖，极大减少传感器检测盲区，增加感知信息的范围，提高小车换道决策可靠性；小车转向机构改进合理，提高小车行为的平顺性；本实用新型结构简单、工作平稳可靠，为智能小车的后续研究提供参考。

附图说明

图1为本实用新型的工作原理框图。

图2为车体内部电路连接图。

图3为车体底盘结构图。

图4为多个传感器布局图。

图5为传感器感知范围示意图。

图6为小车控制流程图。

具体实施方式

如图1所示，一种连杆转向智能换道小车，包括有车体，在车体的底盘1上安装有单片机处理器2、PWM电机驱动模块3和电源模块4，还包括有六个红外检测模块5、两个红外循迹模块6和超声波测距模块7，所述的六个红外检测模块5分别安装在车体的四个角以及车体的左右侧中间部位，所述的两个红外循迹模块6并列的安装在车体的正前端的底部，所述的超声波测距模块7安装在车体的正前端，所述的PWM电机驱动模块3包括有三个PWM控制电机8和一个齿轮齿条转向器9，其中两个PWM控制电机控制车体的两个后轮10转动，另一个PWM控制电机通过齿轮齿条转向器9控制车体的两个前轮11转向，所述的三个PWM控制电机8、电源模块4、六个红外检测模块5、两个红外循迹模块6和超声波测距模块7均与单片机处理器2通过杜邦线电连接。

如图2所示，所述的单片机处理器2采用的是STC89C52RC单片机U1，单片机U1的XTAL1脚和XTAL2脚分别连接晶振X1的两端，晶振X1的两端还分别连接电容C1和电容C2，电容C1和电容C2的另一端接地；单片机U1的RST引脚分别连接电容C3和电阻R1，电容C3的两端并联有按钮开关S1，电阻R1的另一端接地；单片机U1的P2.0/A8引脚、P2.1/A9引脚、P2.2/A10引脚、P2.3/A11引脚、P2.4/A12引脚、P2.5/A13引脚、P2.6/A14引脚和P2.7/A15引脚分别连接超声波测距模块的接收端、超声波测距模块的发射端和六个红外检测模块，单片机U1的引脚和引脚分别连接两个红外循迹模块，控制车体后轮的其中一个PWM控制电机的控制端连接单片机U1的IN1、IN2和EN1端，控制车体后轮的另一个PWM控制电机的控制端连接单片机U1的IN3、IN4和EN2端，控制车体前轮的PWM电机的控制端连接单片机U1的IN5、IN6和EN3端。

所述的红外检测模块5为线式红外传感器。

所述的红外循迹模块6是由红外发射管和红外接收管构成的。

所述的超声传感器模7块包括有超声波发射头和超声波接收头。

图1为整体框图，包括STC89C52RC单片机最小系统、电源模块、电机驱动模块、红外循迹模块、超声波测距模块和红外检测模块。小车底盘尺寸长24厘米，宽15厘米，用于焊接电源模块、电机驱动模块及各传感器。

单片机置于小车底盘之上，通过杜邦线将单片机芯片引脚与各模块连接，各模块连接引脚如图2所示。

电源模块包括两个3.7V可充电电池，放置于小车底盘后方，输出稳定电压使电机以及单片机稳定运行。

如图3所示，电机驱动模块包括包括三个步进电机：两个电机分别控制后驱动轮，通过改变输入PWM波占空比以控制驱动轮的转速完成前进、加减速等小车动作。一个电机通过齿轮齿条转向装置，实现前轮的左右摆动，控制小车前转向轮完成转向动作。电机利用两个输入端（如IN1,IN2）的状态来确定电机的正转或反转，利用一个使能端（如EN1）决定电机的接通，通过杜邦线将电机输入端与单片机引脚连接。

红外循迹模块包括两个红外传感器，安装于小车正前端。在一种可能实现的方式中，在地面设置可检测宽度的黑线，小车在行驶过程中，当红外传感器发射出的红外光照遇到黑线时，传感器输出高电平；反之，输出低电平。左右两侧红外传感器均输出高电平时，即小车左右两侧均检测到黑线，小车继续直行；当小车左侧传感器输出高电平，右侧输出低电平时，小车左转进行校正；同理小车左侧传感器输出低电平，右侧传感器输出高电平时，小车右转进行校正；当小车左右两侧传感器均输出低电平时，小车已偏离黑线，小车立即停止行驶。

超声波测距模块包括一个超声波传感器，安装于小车主体前部，布置位置如图3所示。型号为HC-SR04，探测距离为2厘米至400厘米，模块工作时接收单片机触发后测距，模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回。

红外检测模块包括6个红外传感器，小车左右两侧分别安装三个红外传感器，布置位置如图4所示。每个红外传感器包括一个红外发射管与一个红外接收管。在红外传感器检测距离内有障碍物时，传感器发射出去的红外光被大部分反射回接收管，于是传感器输出低电平。反之，反射回来的红外光很少，传感器输出高电平。以此达到检测侧方是否存在障碍物的目的。红外传感器检测距离设置在30厘米，即小车换道的侧方安全距离。

同时，针对单个直线型红外传感器存在一定感知盲区的缺陷，本实用新型采用多个红外传感器。如图5为传感器感知范围示意图，通过将传感器布设于不同方向，减少了小车的感知盲区，使之能够检测到危险范围内的其他同尺寸小车，保证了各个方向有小车换道或超车时，被换车道上直行的小车能够及时检测到其他小车的行驶情况。

在小车进行换道行为时（将左侧三个传感器称为左侧传感器组，右侧同理）左侧传感器组输出高电平时，即小车左侧无障碍物，小车左转，随后直行至检测到下一车道的黑线之后继续循迹；若左侧传感器组输出低电平，右侧传感器组输出高电平，即小车右侧无障碍物，小车右转，随后直行；若左侧传感器组与右侧传感器组均输出低电平，小车不具备换道条件，小车放弃换道，跟驰前方车辆行驶。

结合上述模块，在一种可能实现的方式中，小车以循迹行为开始行驶，启动超声波模块，探测前方障碍物距离S1，若S1<20cm不成立，认为小车前方无障碍物，小车加速行驶继续循迹行为，此加速设定上限即最大车速，加减速通过改变输入电机的PWM波占空比以实现；若S1<20cm成立，则认为小车有与前方障碍物相撞的危险，小车减速行驶并等待3秒，此减速下限速度为0，3秒后再次测距S2，若S2<20cm成立，小车触发换道控制模块，换道行为结束后继续循迹行为；若不成立，即小车前方无障碍物，小车加速行驶后继续循迹行为，流程图如图6所示。

Claims

1.一种连杆转向智能换道小车，其特征在于：包括有车体，在车体的底盘上安装有单片机处理器、PWM电机驱动模块和电源模块，还包括有六个红外检测模块、两个红外循迹模块和超声波测距模块，所述的六个红外检测模块分别安装在车体的四个角以及车体的左右侧中间部位，所述的两个红外循迹模块并列的安装在车体的正前端的底部，所述的超声波测距模块安装在车体的正前端，所述的PWM电机驱动模块包括有三个PWM控制电机和一个齿轮齿条转向器，其中两个PWM控制电机控制车体的两个后轮转动，另一个PWM控制电机通过齿轮齿条转向器控制车体的两个前轮转向，所述的三个PWM控制电机、电源模块、六个红外检测模块、两个红外循迹模块和超声波测距模块均与单片机处理器通过杜邦线电连接。

2.根据权利要求1所述的一种连杆转向智能换道小车，其特征在于：所述的单片机处理器采用的是STC89C52RC单片机U1，单片机U1的XTAL1脚和XTAL2脚分别连接晶振X1的两端，晶振X1的两端还分别连接电容C1和电容C2，电容C1和电容C2的另一端接地；单片机U1的RST引脚分别连接电容C3和电阻R1，电容C3的两端并联有按钮开关S1，电阻R1的另一端接地；单片机U1的P2.0/A8引脚、P2.1/A9引脚、P2.2/A10引脚、P2.3/A11引脚、P2.4/A12引脚、P2.5/A13引脚、P2.6/A14引脚和P2.7/A15引脚分别连接超声波测距模块的接收端、超声波测距模块的发射端和六个红外检测模块，单片机U1的引脚和引脚分别连接两个红外循迹模块，控制车体后轮的其中一个PWM控制电机的控制端连接单片机U1的IN1、IN2和EN1端，控制车体后轮的另一个PWM控制电机的控制端连接单片机U1的IN3、IN4和EN2端，控制车体前轮的PWM电机的控制端连接单片机U1的IN5、IN6和EN3端。

3.根据权利要求1所述的一种连杆转向智能换道小车，其特征在于：所述的红外检测模块为线式红外传感器。

4.根据权利要求1所述的一种连杆转向智能换道小车，其特征在于：所述的红外循迹模块是由红外发射管和红外接收管构成的。

5.根据权利要求1所述的一种连杆转向智能换道小车，其特征在于：所述的超声波测距模块包括有超声波发射头和超声波接收头。