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轮式 智能 小车 行驶 距离 速度 检测

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传感器技术( J o u r n a l o f T r a n s d u c e r T e c h n o l o g y ) 2 0 0 5年 第2 4卷 第 7期 轮式智能小车行驶距离和速度的检测 王俭 ( 苏 州科技学院 电子与信息工程 系 。 江苏 苏 州 2 1 5 0 1 1 ) 摘要 ：采用 由黑 白间隔条纹码盘和红外发射接收装 置组成反 射式增 量编码器 ， 将 2个反射式 增量 编码 器以一定角度安装组成相位编码器， 适当选择 2个编码器的采样频率、 中断方式， 通过驱动程序来测量基 于 Ha n d y b o a r d主板 的智 能小车的进退 的距离 和速度 。实验表 明 ： 2 0 0 C B 距离 内 以不 大于 2 5 c m s速度行 驶， 测量结果具备用于估计小车位置、 姿态的条件 ， 也具备用其进行路径规划、 导航以及其他一系列小车行 为 的条件 。 关键词 ：智 能小 车 ； 行驶距离 ； 速度测量 ；相位编码 中图分 类号 ：T P 2 4 2 6 文献标识码 ：A 文章编号 ：1 0 0 0 9 7 8 7 ( 2 0 0 5 ) O 7 0 0 6 6一 O 3 Di s t a n c e a n d s p e e d me a s u r e me n t o f i n t e l l i g e n t d o l l y wi t h wh e e l s WANG J i a n ( D e p t o f E l c t a n d I n f o E n g i n ， Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， S u z h o u 2 1 5 0 1 1 ， Cn a ) Ab s t r a c t： Re fle c t i ng i n c r e me nt e n c o d e r c o n s i s t i ng o f b l a c k a n d wh i t e s t r i p e c o d e t r a y a n d i nf r a r e d e mi t t e r r e c e i v e r i s ma de， t h e n qu a dr a t ur e e nc od e r i s c o n s t r u c t e d b y i ns t a l l i n g t wo i n c r e me n t e nc od e r s i n pr o p e r a n g l eThe o ut pu t v al u e s o f q ua d r a t u r e en c o d e r i s t e s t e d b y s i n gl e c hi p c o mpu t e r i n i nt e r r u p t mod e， a n d t h e d r i v e di s t an c e an d s p e e d o f i n t e l l i g e n t d o l l y b a s e d o n Ha n d y b o a r d i s c alc u l a t e d T h e e x pe ri me n t s h o w s t h a t t h e me asu ri n g r e s u l t s C an b e a p p l i e d t o p o s i t i o n e s t i ma t i o n， p a t h p l an n i n g an d n a v i g a t i o n i n t h e d i s t a n c e o f 2 0 0C B an d a t t h e s pe e d o f 低 门限值? 当前值 低 门限值? 计 数 器+ 1 计 数 器+ 1 置编码 器状 态= 0 0 l I 置编码器状态= F F N 图 2中断程序 图 F i g 2 Di ag r mn o fi nt e r r u p t pr o g r mn 4 相位 编码器及其驱动程序 4 1 相位编码器工作原理 增量型编码器的这种简单运用存在无法检测出驱动轮 转动方 向的缺点 ， 即无论驱 动轮正转或反转 ， 驱 动程序都是 同样累加计数。相位编码器可以解决这一问题， 在相位编 码器 中， 将用 2个增量 型编码 器 同时测量 一个驱 动轮 的转 速 ， 但安 装位置偏 移一 个角度 ， 如图 3 ， 使 它们 产 生的 波形 相位相差 1 4周期。在任一时刻， 只可能有 1个编码器的 输 出状态发 生变 化 ， 根据 2个编码器状 态的变化趋势 。 可 以 判断出驱动轮的转动方向。相位编码器运用于轮式智能小 车的行驶距离检测， 其检测结果可作为航位推算法的重要 依据 。 为了产 生 1 4周 期相 位 差的 波形 ， 2个 编码器 输 出信 号 同时被连续采样 ， 每 次采样 所得状 态 和前 一次 采样状 态 进行比较。当采样频率足够快时， 2个编码传感器状态反 复变化中， 在任何同一时刻只可能有 1个编码器状态发生 变化， 通过与前次采用结果的比较， 就能判断驱动轮旋转方 维普资讯 6 8 传感器技术 第 2 4卷 向。 图 3 相位编码器 的安装位 置 Fi g 3 M o u nt i n g o f q u a dr a t u r e e n c o de r 设 2个编码器 历次采样状态如 图 4所示 。若第 一次检 测编码器 A B的状 态 是 l O ， 则 若 第 二 次 采 样 编码 器状 态 A B= 0 0 时 ， 意味着码 盘逆时针 转 动 ， 令 位置 计数 器加 1 ； 而 若编 码器状态 A B=1 1时 ， 意味 着码盘顺 时针转 动 ， 令位置 计数 器减 1 。 A 闸 ! ：厂 ： 编码 器 B 第 第 第 ； 一 二 三 ； 次 次 次 样 样 样 图4相位编码器相位 图 4 S t a t e t r a n s i t i o n d i a g r a m i n qu a d r at u r e e n c o d e r 图 5是 相位 编码 器状 态转换 图 ， 2个 编码 器输 出 AB 共有 4个可能 的前次采样状 态及 4个当前采样状 态。如最 后一次和当前采样状态相同时， 不进行任何操作； 当 1个编 码器状态位发生变化 时 ， 位置计数 器将 加 1 或减 1 操作 ； 如 2位 同时变化时 ， 表示 系统出错 ， 如转速 太快来 不及采样 或 2个传感 器安装位置无 1 4周期相位 角偏 差。 图 5相 位 编 码 器 状态 转换 图 5 St a t e t r a ns f or m d i a g r a m o f q ua d r a t u r e e nc o d e r 4 2 相位编码器的驱动程序 相位编码器信号处理和无相位编码器一样 ， 同样需微 处理器连续不断地对 2个传感器进行采样， 故驱动程序仍 采用中断方式， 仍采用和无相位编码器同样的中断程序插 入方法， 使用中断时钟 T O C 4 。根据图 5的状态图， 程序通 过查表方式执行计数器动作。中断程序调入后， 先进行中 断程序初始化 ， 即插 入相 位编码器 中断程序。执行 主中断程 序时， 先凋入编码器状态转换图地址至寄存器 x， 然后， 对编 码器取样 ， 并将 当前相位 编码器状 态存入寄存 器 B中， 并将 寄存器 B左移 1 位， 因而， 寄存器 B中的数值可能位 0 ， 2 ， 4 或 6 ， 这是编码器状态转换 图 4个块 的块内地址偏 移量。再 将寄存器 B调入 一次相位编码器取样状态， 左移 3位， 因 而， 寄存器B中的数值可能为0 ， 8 ， 1 6和 3 2 ， 这是编码器状态 转换 图 4个块的块地址偏移量 ， 将块内地址偏移量和块地址 偏移量加入寄存器 X中， 由寄存器 x指向编码器状态转换 图中的值( 0 ， +1 ， 一1 ) ， 最后， 程序执行累加操作。 5 实验及其 结果分析 本文 以 H a n d y b o a r d主板 为核心制 做 r 智 能小 车 ， 三 轮 结构 ， 两 前轮驱动 ， 后 轮 为万 向轮 ， 并用其进 行 了前进 和后 退直行 的多 次实验。实验方 案为 ： 当 H a n d y b o a r d通过 编码 器测得行驶距离为某整数值时， 令小车停车， 该距离为理想 行走距离， 除以时间即得理想行走速度。实际测量行驶距 离并除以时间， 即得实际速度。由于时间为同一数值， 故理 想距离和实际距离的相对误差等于理想速度和实际速度的 相对误 差。 驱动轮转速取 5 7 5 ， 8 7 5 r m i n 2个值， 理想行走距离 取 5 0， 2 0 0 c m2个值 ， 实验次数为 8次 。实验 所测得 的数据 见表 1 。 表 1 距离和速 度测量 实验的数据 Ta b 1 Ex pe r i me n t a l da t a o f d i s t a n c e a n d s p e e d m e a s u r e m e n t 选取的驱动轮转速( r mi n ) 距 离 速度 前 进 后 退 5 7 5 8 7 5 5 7 5 8 7 5 理 想行走距 离 ( c m) 实际测量距离 ( c m) 理 想行走速度 ( c m s ) 实际测量速度 ( c m s ) 5 0 2 0 0 5 O 2 0 0 5 O 2 0 0 5 O 2 0 0 4 8 4 1 9 8 1 4 8 2 1 9 7 9 4 7 3 1 9 7 0 4 7 0 1 9 6 7 1 6 6 1 6 6 2 5 2 2 5 2 1 5 7 1 5 7 2 4 3 2 4 3 1 6 0 1 5 8 2 4 3 2 4 O 1 5 0 1 4 4 2 3 1 2 3 O 实验 表 明 ： 最 大距 离误 差为 3 3 e m， 最 大速 度 误差 为 1 3 a m。引起误 差的原 因是 ： 首先 ， 是传 感器精度 和小车机 械精度 引起 的系统误差 ； 其次 ， 是 由小 车行 走路 线轻微地在 直线 两边摆动造成随机 误差 ； 还有 后退 行走 开始时 由万 向 轮偏转 引起 的附加误差 。前两项误差 可以通过 程序设置予 以消除， 后一项误差也 具有 系统误 差和 随机误 差的一 定特 征 ， 也可 以在一定程 度 予 以减轻 ， 当然 ， 还 要根 据其他 传 感器的测量数据综合修正。 ( 下转第 7 5页 ) 维普资讯 第 7期 黄家锐等 ： 基于单传感器动态检测和神经网络的气体监测 7 5 体 的测试数据进行处理后 ( 处理方法 同上 ) ， 输 入 网络 进行 仿真估计 ， 其仿真结果见图 3 。从图中所示的异丙醇估计 体积分数和真实体积分数可以看出： 绝大多数异丙醇气体 的体积分数估计值与其真实值绝对误差较小， 只有少数点 出现较大偏离( 如第2 5 ， 2 6数据点， 该点较大误差可能主要 来 自神经网络本身) 。其中， 异丙醇体积分数估计值与其 真实值 相 比， 平 均 相 对误 差 2 1 4 ， 最 大 相 对 误 差 为 7 0 ( 第 3数据点) 。由此可见， 单个气体传感器动态检 测， 通过小波变换与 B P神经 网络相结合的方法能够较好 地估计待测气体的体积分数。 爱 蛙 拄 磕 m 异丙 醇 真实体积分数 l 图 3 异丙醇气体的体积分数的仿真估计结果 F i g 3 Pr l Mi e t e d r e s i s t s 0 fpr o p a ne - 2- o l g a s v o l umef r a c tio n p p p ( 上接第 6 8页) 6 结束语 本 文采用 2个简单反射 式编码 器安装 成相 位 编码 器 ， 并将其运用于轮式智能小车的行走距离测试。实验结果表 明 ： 在 2 0 0 c m距 离范 围 内 ， 小车 以不 大于 2 5 c m s速度 行 驶 ， 小车具备 用于估 计其 自身位 置、 姿态 的条 件 ， 也 具 备用 其进行路径规划 、 导航 和定位以及其他一系列行为 的条件 。 ( 上接第 7 1页 ) 通过对文献 6 和本文算法的分析得 出， 改进的算法 物理意义更加直接 明了 ， 且计算速度更快 。这是 因为 ： 假设 当目标数为 m， 目标属性数为 n ( mn ) 时 ， 其计算复杂度 由 降为 n ， 大大提高了计算速度。 4 结论 本文阐述了一种基于 D S 理论的多传感器目标属性识 别的改进算法， 通过对这种算法进行 目标敌我属性识别的 仿真， 结果表明： 该算法是有效的。由于改进的算法利用了 信任 函数和基本可信 度分配 的关 系 ， 这使 得它 在融合 过程 中删除了冗余数据 ， 并对有效的数据进行 了组合， 因而 ， 相 比更具有可分析性和高效率的优势。这种在数据融合的过 程 中对数据进行适 当处理 的思想在 目标识别和分类 中是 十 分有用 的。 参考 文献 ： 1 曲东才 敌我识 别系统 的发展及 给我们 的启示 J 航空科 学 3 结论 本文将气体传感器动态检测与人工神经网络相结合 ， 对 3种有机气体进行 定性识 别和体积分数估计 。对试验 采 集到 的气体样本 数据进 行小波 变换和 归一化 处理 ， 用于 网 络训练和仿真识别。结果表明： 该方法对 3种有机气体的 正确识别率达到 1 0 0； 将响应信号小波变换系数幅值进 行全局归一化处理， 输入神经网络， 成功实现对有机气体的 定 量分 析 ， 为今后 在有湿度 影响和 混合气 体 中检 测 日标 气 体 的研究奠定 了基础 。 参 考文献 ： 1 O r t e g a A， M a r c o S， P e r e r a A， e t a 1 A n i n t e l l i g e n t d e t e c t o r b a s e d o n t e mp e r a t u r e mo d u l a t i o n o f a g a s s e n s o r wi t h a d i g i ta l s i g n a l p r o c e s s o r J S e n s o r a n d A c t u a t o r s B， 2 0 0 1 ， 7 8： 3 23 9 2 黄行九 S n O 2气体传感器动态测试原理及其与 S P ME联用技 术研究 D 合肥 ： 中国科学 院智能 机械研 究所 ， 2 0 0 4 3 3 3 4 3 张晓文， 杨煜普， 许晓鸣 基于小波变换的特 征构造与选择 J 计算机工程 与应 用 ， 2 0 0 3 ， 1 9 ： 2 52 8 作者简 介： 黄家锐 ( 1 9 7 6一) ， 男 ， 安徽 寿县人 ， 现在 中国科 学技 术大学 化 学 系攻读博士学位 ， 主要从事敏感材料和检测技术的研究 。 t 0 ； ； ； t p t 。 ) 参考 文献： 1 马净， 王峰 ， 李 晓光 ， 等 编码 器原理 及应用 J 中国仪 器仪表， 2 0 0 2 ， ( 5 ) ： 4 3 4 4 2 白井 良明 王棣棠( 译) 机器人工程 M 北京 ： 科学 出版社 ， 2 o o1 1 l 7一 l l 8 作 者简介 ： 王俭 ( 1 9 5 6一)， 男 ， 安徽蚌埠人 ， 副教 授 ， 研究领域 为传感器 及 其应用。 ；