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類型分類：: 科普知識

數據分類：: 光電傳感器

循跡光電傳感器：光電傳感器在智能循跡小車中的應用

發布日期：2022-10-09 點擊率：100

循跡光電傳感器：光電傳感器在智能循跡小車中的應用第1張

循跡光電傳感器：光電傳感器在智能循跡小車中的應用

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光電傳感器在智能循跡小車中的應用
【摘要】以購買的玩具電動車為硬件平臺，Atmegel 16單片機為核心控制單元，光電傳感器為檢測手段，制作一款可以自動循跡的智能小車。通過光電傳感器采集路面信息，由單片機進行控制，使小車在規定的路徑上自動識別路線，快速平穩的行駛。本文主要說明光電傳感器在其中的應用。
【關鍵詞】光電傳感器;智能控制;可編程器件
0.引言
根據我們年級電子綜合設計課程的要求，我們自選命題制作了循跡小車，使小車鋪有黑線的白色跑道上自主循跡運行。在小車的制作中很關鍵的一點就是合理的選擇循跡傳感器和設計傳感器的布局，以提高小車循跡的精確程度。智能車的設計就是在保證小車可靠運行的前提下，以電路設計簡潔，靈活性高為原則，而傳感器電路的設計和布局，是信號采集的關鍵，相當于小車的“眼睛”，為了提高小車的自主循跡性能，需要對傳感器進行合理的選擇和布局。
1.解決方案
選用RPR220型光電對管。RPR220是一種反射型光電探測器，其發射器是一個砷化鎵紅外發光二極管，而接收器是一個高靈敏度，硅平面光電三極管。
為了能達到比較好的循跡效果，采用8個RPR220光電傳感器一排安裝在車頭位置。
將光電傳感器置于小車的最前方，能起到預先判斷路徑的作用，器發射的光對白色和黑色有不同的反射率，因此能得到不同的電壓值，采集進單片機后通過程序來判斷黑線的位置，從而控制小車的行進路線。

循跡光電傳感器：光電傳感器智能循跡小車

? ? ? ? ?2020年大三上的時候和同學們一起組隊參加了學校舉辦的機器人大賽，走的是循跡競速賽道，規則很簡單，就是看誰可以以最快的速度跑完全程，經過一個多月的學習與調試，最終我們的小車“德芙”（因為全程跑的十分絲滑）以26s的成績（領先第二名7s）獲得了第一，在此就寫一篇博客記錄記錄自己調車的經歷吧。

? ? ?我們隊在比賽中使用的是舵機加雙編碼電機的機械結構，以芯片主頻為72MHz的STM32F103ZET6為核心控制器，賽道的主要元素包括直道，環島，S彎和連續直角彎；我們通過一字排列的光電傳感器陣列對黑線進行識別，進而檢測車身在賽道上的位置；通過編碼電機檢測智能車的實時速度；使用結合BANGBANG算法的積分分離PI控制算法調節電機的轉速，通過基于分段控制思想的舵機轉向PD控制舵機的打角，通過基礎速度和偏離速度相結合的思想實現針對不同賽道元素的速度調節，實現了智能車在運動過程中速度和方向的閉環控制。

一、路徑識別模塊的設計

? ? ? ?在選擇傳感器的時候，我們最初選擇的是TCRT5000紅外反射式開關傳感器，但是發現因為賽道和車子結構的原因，其實際的循跡效果不是特別好，經常會誤判，故而我們便改用了數字灰度傳感器，其靈敏度更高，抗干擾能力強；普通照明燈基本對其無影響，其發光源常用高度良白色聚光LED,接收管對不同的發射光的強弱進行對比處理，只要對白光發射強弱不同即可，差值越大，分辨越好，比普通的紅外傳感器抗干擾能力要強的多。

? ? ? ?其輸出為數字輸出，即1或0輸出，需要根據場地，光線等基本情況來調節基準電壓，電壓比較器有著兩個電壓輸入，一個為接受管的電壓，另一個是電位器輸入的基準電壓，需要根據接受管在2種色的電壓值來調節基準電壓，一般將電位器電壓調到2種電壓的中間值。

? ? ? ? 我們將七個傳感器按一字型非等距排列在超前于車身主體的橫桿上，正中間的傳感器在正常情況下正對于賽道的黑線，兩邊的傳感器則按間隔距離則由小到大對稱分布排列，用以確定小車與中心線的偏差大小，我們根據各個傳感器返回的01值來確定小車與中心線偏差的大小，同時我們將偏差的大小分為9級，并由參數error來表征，0代表小車循跡無偏差，不需要進行轉彎，正數代表左轉，負數代表右轉，而數字越大代表小車偏離中心的程度越大。對于十字圓環而言，所有的傳感器均會檢測到黑線，此時應題目要求是向前走直道，故而將error設定為0。當小車超過終止區域黑線時，所有的傳感器都檢測不到黑線，此時比賽完成，故而小車要停止，此時令兩個電機反轉，消除其慣性，使其迅速停下來，當檢測到實際速度為 0 時則斷開電源，實現制動的同時避免反接制動運行情況發生。

二、舵機

? ? ? ? ?該循跡系統選用的是HS-425BB型舵機，HS-425BB型舵機是一款高性能舵機，扭力大，穩定性好，角度控制準確。由于舵機所需要的電壓較大，運行過程中電流也會發生很大變化，還會帶來不同程度的干擾，因此，舵機往往采用單獨供電，舵機的輸入線有三根，其中紅色的線用于接電源，黑色的線用于接地，白色的線為信號線，對舵機的控制過程比較簡單，提供主控制器產生的PWM控制信號輸出至舵機的信號線接口，在輸出PWM波頻率不變的情況下，通過改變PWM波的占空比，就能相應地改變機器人的轉角，從而實現舵機的轉角控制。

三、電機

? ? ? ?在該系統的設計中，我們選擇了GB37-520編碼電機。電機編碼器由光電模塊和光柵組成，光電模塊輸出的信號有AB兩相。電機的主軸連接著編碼器并帶動編碼器的光柵盤轉動，光電模塊檢測其輸出的脈沖數。由于AB兩相相差90°，可通過比較A相在前還是B相在前，以判別編碼器的正轉與反轉，通過零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位；絕大部分的直流電機采用的是開關驅動方式，采用這種方式，半導體功率器件有開啟和關閉兩種狀態，然后用輸出可調的PWM電平實現對電機電壓的控制，實現調速功能。

四，PID算法控制

? ? ? ?PID控制是工程實際中應用最為廣泛的調節器控制規律，單位反饋的PID控制原理框圖如圖：

e(t)代表理想輸入與實際輸入的誤差，這個誤差信號被送到控制器，控制器算出誤差信號的積分值和微分值，并將它們與原誤差信號進行線性組合，得到輸出量。

? ?

其中，kp、kd、ki分別為比例系數、積分系數、微分系數。

PID各個參數作用基本介紹：

（1）比例調節(p)：是按比例反應系統的偏差，系統一旦出現了偏差，比例調節立即產生調節作用，以減少偏差。比例作用大，可以加快調節，減少誤差，但是過大的比例，會使系統穩定性下降，甚至造成系統的不穩定。

（2）積分調節(I)：使系統消除穩態誤差，提高無差度，因為有誤差，積分調節就進行，直至無差，積分調節停止，積分調節輸出一個常值。

（3）微分調節(D)：微分作用反映系統偏差信號的變化率，具有預見性，能預見偏差變化的趨勢，因此能產生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調節作用消除。因此，可以改善系統的動態性能。在微分時間選擇合適情況下，可以減少超調，減少調節時間。微分作用對噪聲干擾有放大作用，因此過強的微分調節，對系統抗干擾不利。此外，微分反應的是變化率，而當輸入沒有變化時，微分作用輸出為零。微分作用不能單獨使用，需要與另外兩種調節規律相結合，組成 PD?或 PID?控制器。

? ? ? ? ? 以 T 作為采樣周期，則離散采樣時間對應著連續時間，用矩形法數值積分近似代替積分，用一階向后差分近似代替微分，可得到離散 PID公式為：

位置式 PID 算法具有以下優點：比例部分只與當前的偏差有關，而積分部分則是系統過去所有偏差的累積。故而位置式 PI 調節器的結構清晰，P 和 I 兩部分作用分明，參數調整簡單明了，編寫代碼更為簡單。

? ? ? ? 速度策略是影響智能車速度快慢的一個重要因素。首先速度控制必須配合方向控制，即在直道或類似直道時，應該將PWM波提到最高，讓通過主電機的電流達到最大，從而讓智能車以最快的速度行駛；當進入彎道時，應該根據彎道的曲率大小，適當的較低小車的基礎速度，使得小車不容易沖出賽道，對于該基礎速度v_set的設定，我們采用PD控制，以小車與中線的偏差大小為輸入，以速度的設定量為輸出，實現不同賽道類型下的自主速度調整。

? ? ? ? ?我們的小車轉彎方式不同于其他萬向輪轉彎的智能小車，我們采用差速轉向和舵機轉向方式相配合，相比之下其靈活性提高了很多。小車利用差速電機實現轉彎，其原理是利用兩個電機的轉速不同構成轉速差；舵機控制前輪是從動輪，不需要有轉速。舵機的位置是在兩個前輪的中間，控制兩個前輪的轉向。

? ? ? ? 整個比賽過程，從最開始的選擇車型和主控芯片到后來的編程和現場實際的調車，可以說那段時間一有空，我們就呆在調試賽道旁邊，不斷改善程序，同時因為我們是舵機和差速控制的方案，故而pid的參數較多，我們需要一個一個的慢慢整定，一遍遍的跑去確定一個合適的參數；當時的我們參數整定全靠自己的判斷和車子跑的情況，故而效率其實還是很低的，如果可以的話，其實可以運用無線模塊將每一次車子的PWM數據實時的傳送到電腦上，畫出相應的曲線，這樣的話調試會快一點，還有就是最后因為時間等緣故，我們的速度到最后其實沒有閉環，即沒有用編碼電機將實際的速度值傳送回來，這樣輸出的PWM和實際的還是會有一定的區別的，這個以后也可以加上，如果有機會的話，其實我還是想去參加一下飛思卡爾智能車比賽的，再享受一次調車的樂趣，享受看著小車一次又一次以更快的速度跑完全程的那種喜悅！

循跡光電傳感器：基于紅外反射式光電傳感器的智能循跡小車

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