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智能控制小车常用传感器实现

  摘要:本文详细讨论了电压,碰撞,红外控制,反碰撞系统,齿轮编码等传感器的实现原理。为智能小车的控制系统的实现提供了依据。


  关键词:智能小车传感器实现


  中图分类号: 文献标识码:A文章编号:1007-9416(2010)05-0000-00


  智能小车是当今机器人域的发展热点,它的智能控制的实现依赖于常用传感器。一般来说,通用的智能小车大概有以下6个传感器来实现。


  1 电池电压传感器


  这个传感器实际上是一个模数转换器,假定最高电压是10V(6个镍锌电池的最大电压最高为8.5V),ADC的参考电压,比较了电机的电压,设定为5V。这个5V的电压也是单片机的电压的最大值,任何时候电压都不能超过这个值。由于这个原因,电机的电压将被分成的两份,使用电阻做了电压分割器,使得电机的电压在ADC的电压(即单片机的电压)范围之内。模数转换可以达到10位的精度,则电压的最小值为10V/1024=9.765625mV。由于没使用精确的电阻,因此最后的电压的值有一些误差,只需要控制不超过最高电压就行了。如果能够允许更大的误差,可以将ADC估计为1000等份,则ADC的值为720时表示7.2V的电压,值为700时表示7V的电压,当ADC的值一直是560时,就可以认为电池需要充电了。


  2 光电传感器


  在小车前端有两个光电传感器,正中间有一个黑色的隔离元件,这个元件是为了防止左边的光透射到右边或右边的光透射到左边。和电压传感器的原理一样,利用电阻把电压值分成相等的若干部分,由光的亮度不同,传感器产生不同的电压,然后再送到AVR芯片的ADC模块中。两个传感器的电压值如果存在差别,就可以通过程序判断哪一边的光亮一些。通过光电传感器,在黑的地方,光电传感器能够感知到光亮,从而引导小车向有光的地方自动行驶过去。


  3 反碰撞系统


  反碰撞系统在这个小车中应该是最难的一个传感系统了,它含有两个红外接收电路和两个用于红外的IR-LED灯。其中IR-LED在36KHz的频率下不断的发射短红外脉冲,这种脉冲可以被红外接收电路收到。一旦红外接收电路接收到脉冲,就说明正前方有一个物体,然后就调用小车向后退的程序,为了避免小车的反映太灵敏,例如收到一个脉冲后就向后退,就设置了在一个周期时间内,如果收到的脉冲数大于一个值,那么小车将向后退。小车的左右两边各有一个IR-LED,可以根据返回的脉冲来判断出障碍物是在左边、右边或者正前方。在软件编程时,可以允许在三个级别下设定IR-LED改变脉冲的强度。即使在最高的等级下,也不可能探测出所有的障碍物,主要取决于障碍物的表面反射能力。理所当然,一个黑色的物体能反射的红外光将远远少于一个白色物体,一个方形的障碍物将会把脉冲反射到一些特定的方向上去。这也就是说,红外感应的好坏主要取决于障碍物的颜色、形状、反射等一些特性,这也是所有的红外传感的一个共同的缺陷。


  从理论上来说,小车的防碰撞系统还是能够避开许多障碍物的。即使防碰撞系统不起作用了,还有碰撞感应器可以使小车后退,碰撞感应器不起做用了,还有电流传感器对小车实施保护。


  4 碰撞感应器


  碰撞传感器为图2.2.5中所标的Bumper Sensors,它在小车的正前方,用单独的PCB版,用来保护红外传感器在有障碍物时,不至于被撞坏。它的实现原理较为简单,当前面有个障碍物时,传感器的开关为通路,能够把信号传送到单片机上去,单片机再控制小车转向行驶。开关的通路也连接到了LED灯上,当开关合上时,LED就发亮了。


  5 电机电流传感器


  总共有两个电机电流传感器,由欧姆定律的U=IR,我们可以知到,在一个定值电阻中,电压跟电流成正比。为了阻止电阻上产生过多的电压降,在相同的电流下,选取较小的阻值的电阻是一个好办法。这里选取了0.1欧的电阻。在这么小的阻值下,电压降将会相当低,在1A的电流的情况下,电压降才会达到0.1V.同时,在进行A/D转换之前,电路上的电流也会选得比较大。如果电机的电压不超过5V,那么在电流传感器可测出的电流值为1.8A的情况下,产生的电压降为0.18V,至少电机可以用到4V的电压。为了保护直流电机,当直流电机的电流比额定电流大时,软件就会关闭电源。不采取保护措施的话,电机很可能在电流过大时被烧坏。


  6 编码器


  编码器的工作方式完全与前面的传感器不同。它包括了反射断路和编码轮。它粘在齿轮系统的齿轮上,这样安装是为了测出电机运转速度。每一个编码轮总共有36节(18个黑节,18个白节),当齿轮开始转运时,产生一束红外光,黑块很少反射红外光,而白块可以反射回大部分红外光,然后编码器主产生一个模拟信号,但它经过了数字化处理。然后这些信号再经过施密特变换,转换成了方波,上升沿和下降沿(0V和5V)的个数可以用软件算出来。行驶距离和旋转速度也可以算出来。


  该编码器的主要用来确定电机的转速。编码器反馈是一种可靠的控制马达转速的方法。在一个控制系统,电机速度将取决于电池电压,负载和电机参数。高分辨率编码器甚至能够在小车速度相当缓慢时对电机的转速进行可靠的控制。


  由于大齿轮的齿数为50,小齿轮的齿数为12,则传送比为(50/12)×(50/12)=25×25/36,(25x25/36)×36=625,电机转运一圈时,编码器中就会产生625个脉冲,这也是编码器的码盘会分成36等份的原因。


  在齿轮的转速为每秒50节的速度下,可以算出履带小车的速度大约是1.25cm/s,这个速度是这个履带小车的最小速度了。 在速度为1200seg/s(节/秒)时,小车的速度能够达到30cm/s。但是这个速度只是个理论值,因为最大速度取决于电池的充电状态。因此,用软件限制了齿轮的转速最大是1000seg/s,使得电池的寿命更长一些。而且,在低速的行驶的条件下,电机,齿轮,电池的寿命也会更长。


  传感器的设计精度影响着小车的控制精度。传感器的研究将直接影响着智能小车的发展方向。


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