利用Arduino控制板的光引导运动小车设计_崔才豪.doc

DOI:10.16086/ki.issn1000-0380.2011.09.017利用 Arduino 控制板的光引导运动小车设计崔才豪，等利用 Arduino 控制板的光引导运动小车设计Design of the Light-guided Car by Using Arduino Control Board崔才豪1张玉华2杨树财2( 哈尔滨理工大学自动化学院1 ，黑龙江 哈尔滨150080; 哈尔滨理工大学工程训练中心2 ，黑龙江 哈尔滨150080)摘 要: 为降低生产成本、提高运输的灵活性，提出了一种以 Arduino 控制板为核心的光引导小车设计方案，并给出了该方案的软硬件设计方法。该方案基于光线沿直线传播的原理，通过光敏元件设计传感器并检测小车不同方向上的光强，计算出小车和光源之间的相对位置; 然后，利用 PWM 直流电机调速技术控制小车的启动、加减速和转弯等操作; 最后，利用红外线反射式脉冲编码器对小车的转速和位移进行反馈。试验证明，光引导小车在实验室中运行稳定，设计方案切实可行。关键词: PWM直流电机红外线脉冲传感器高精度中图分类号: TP242 + 2文献标志码: AAbstract: To reduce the production cost and enhance the flexibility of transportation，the design scheme of the light-guided car based on Arduino control board is proposed The design procedures for hardware and software of this scheme are given In this scheme，by adopting the principle of straight propagation of the light，through detecting the light intensity on the car from different direction，by the transducer designed with photosen-sitive element，the relative position between light source and the car is calculated The launch，acceleration，deceleration，and turning around of the car are controlled by PWM DC motor speed modulation technology The rotating speed and displacement are fed back by using infrared reflective pulse encoder The experiments verify that the light-guided car is running stably in the lab，and the design scheme is feasibleKeywords: PWMDC motorInfrared pulseTransducerHigh accuracy0 引言在人类的生产生活中，很多货物的运输路线在短时间内是固定的。因此，若为满足这种运输要求而铺设轨道或增设传送带，就会增加相应的生产成本，降低运输的灵活性。传统的运输方式是依靠人驾驶装卸车运输货1物 。人在货物运输中的主要作用就是控制车的启动、停止、运动方向和速度，这类相对简单的劳动可以通过改进自动控制技术来实现。本文提出了利用普通光源来引导小车运动的设计方案。这种利用光信号引导小车运动的设计，节约了人力，并提高了生产效率和工作的灵活性。1 主要技术核心1 1 光引导技术2器 。这种测量方法具有结构简单、非接触、可靠性高、精度高和反应快等优点，因此，被广泛地应用于自3动检测系统中 。光引导技术就是基于上述原理，通过光电阻传感器检测小车在不同方向上的光强，从而判断出小车引导光源的方向，实现以光源为基准的趋光运动。本设计采用光电阻传感器对光信号进行采集。在光源引导方向上，分别设置 1 号、2 号、3 号光电阻传感器，其中 2 号传感器和小车轴线平行。3 个传感器轴线所构成的夹角 1 和 2 保持相等，光源引导信号的采集如图 1所示。光是沿直线传播的，物体接收光能的大小与受光面积成正比，单位面积所获得的光能称为光强。光电图 1 信号采集示意图Fig 1 Schematic of signal collection阻传感器是将光信号转换成为电阻变化的一种传感设 1 号和 3 号传感器分别与光源引导方向形成的夹角分别为 1 和 2 ，当小车运动方向偏离光源引导方修改稿收到日期: 2010 12 27。向时，小车的实际运动方向与光源的引导方向产生了第一作者崔才豪，男，1989 年生，现为哈尔滨理工大学自动化专业在一个偏差角。小车偏离光引导方向示意图如图 2( a)读本科生; 主要从事自动控制、信号检测和电源方面的研究。自动化仪表第 32 卷第 9 期 2011 年 9月 5利用 Arduino 控制板的光引导运动小车设计崔才豪，等所示。设小车的实际运动方向与光源的引导方向产生的偏差角大小为 。此时调整小车的运动方向，就等价于调整偏差角 ，使其平衡在零度，从而使小车的运动方向和光源引导方向一致，达到了光引导的效果。小车恢复光引导方向示意图如图 2( b) 所示。图 2小车光引导示意图Fig 2Schematic of the light-guided car1 2运动控制技术小车运动控制系统设计的核心在于如何使小车以最快的速度从偏离光引导的状态中修正过来，从而恢复到正常的运动状态，并且不会有较大的超调或调整时间。对于小车的方向控制，可以采用 为调节变量，通过 Andriod 控制板调节驱动电机的 PWM 信号，改变电机输出功率，从而控制左右电机的转速，以实现方向4的修正。控制算法可以使用经典的 PID 控制方法 。 PID 就是利用小车与引导光源的方向偏差，通过比例、积分和微分作用控制电机的运动。当电机的转速和方向经过调节后，小车对光引导信号就会有较快的反应速度和较高的调节精度。由于小车在路面粗糙度或负载变化时车轮转速误差变大，因此，采用红外线反射式脉冲编码器对小车的转速进行测量。这种传感器可以将测量信号反馈给 Andriod 控制器，控制器根据传感器返回的数值，实现对小车速度和位移的监控。闭环控制系统由传感器与直流电机控制系统构成，它能使5小车运动稳定精确。2 系统的硬件设计2 1 Arduino 控制板Arduino 是一块基于开放源代码的接口板，包括 12通道数字 GPIO、4 通道 PWM 输出和 6 8 通道的 10 bit ADC 输入通道。本设计中采用 Arduino-duemilanove 控制板，它的核心是一片 AVRmega168 单片机。2 2光信号采集和方向运算光引导信号发出的引导光照射在光电阻传感器上，从而改变了光敏电阻的阻值，进而改变了光敏电阻两端的电压值。光敏电阻的两端电压经过分压电阻和运算放大器进行信号调整后，由 Arduino 控制板进行6A /D 转换。3 个传感器产生 3 组数字量，比较后可7以得到 1 个偏差值 。运动控制系统根据偏差值调整小车的运动方向。2 3直流电机控制小车采用双直流电机加万向轮的驱动方式，通过控制左右直流电机来控制小车的前进、后退或左右转向。直流电机采用直流电机驱动芯片 L298。双路全桥电机驱动芯片 L298 的最大输出电流为 4 A，具有过温保护功能和较高的噪声抑制比。2 路输出正好可以满足小车的左右直流电机的驱动要求。L298 的主要引脚功能及其主要逻辑功能分别如表 1 和表 2 所示。表 1L298 主要引脚功能Tab 1 Functions of the main pins of L298引脚序号名称主要功能1，Sense，SenseB检测负载电流15A2，Out，Out2A桥输出端口314Vs功率输出电源5，Input; Input2A桥控制输入716，Enable，EnableBA、B桥使能输入11A8GND接地9Vss数字逻辑电源，Input，Input4B桥控制输入10 123，Out，Out4B桥输出端口13 143表 2L298 主要逻辑功能Tab 2Main logical functions of L298参数条件输入信号功能Enable = HInput1 ( 3) = H，Input2( 4) = L前进Input1( 3) = L，Input2 ( 4) = H后退Input1( 3) = Input2 ( 4)停止Enable = LInput1( 3) = X，Input2( 4) = X无表 2 中: L = Low ; H = High ; X = Dont care。本设计使用 Arduino 控制板上的数字输入输出端控制驱动芯片的 Input1 、Input2 、Input3 、Input4 引脚，从而控制直流电机的旋转方向; 使用 Arduino 控制板上的 PWM 输出引脚控制驱动芯片的 EnableA 和 EnableB8引脚，最终实现了 2 路直流电机控制 ，进而控制了小车的运动方向。6 PROCESSAUTOMATION INSTRUMENTATIONVol.32 No. 9 September 2011利用 Arduino 控制板的光引导运动小车设计崔才豪，等利用红外线遇黑线被吸收、遇白线被反射的原理，在小车 2 路车轴上分别设计 2 组红外反射式传感器，将小车的转速和位移以脉冲的方式反馈给 Arduino 控制器。控制器将脉冲信号在单位时间计数后，就可以得到小车的实际速度。将实际速度和设计输出速度相比较后，可以实时调节小车的速度。系统硬件结构如图 3 所示。图 3系统硬件结构图Fig 3Hardware structure of system3 系统的软件设计3 1 Arduino IDE 集成开发环境Arduino 具有类似于 Java 和 C 语言的 IDE 集成开发环境，其编程语言类似于 C 语言，用户可以通过 USB接口直接进行编程和通信。3 2系统软件流程设计光引导小车首先需要对自身周围环境进行检测，判断引导光源的方向，然后根据引导光源的强弱，以适当的速度向光源运动。当光源强度达到预定值时，默认已经寻找到了光源，小车即停止运动，进入等待状态; 当引导光源发生变化时，退出等待状态，进入光引导状态，直9到再次找到光源。程序设计流程图如图 4 所示。要程序代码如下。void control_driction( ) int x，y;x = Lleft( 1) Lmiddle( 1) ;检测左侧光强y = Lright( 1) Lmiddle( 1) ;检测右侧光强if( | x y | 100)限制误差调节范围 if( x = = y) keepstill( ) ;保持先前状态if( x y) stop( ) ;delay( 5) ;turn_right( PID( x y) ，( x y) /100) ;向右调整if( x y) stop( ) ;delay( 5) ;turn_left( PID( x y) ，( y x) /100) ;向左调整else restart( ) ;误差溢出，程序重启以上程序中，Lleft( 1) 、Lmiddle( 1) 和 Lright( 1) 为光敏传感器检测函数的返回光强值; PID( number) 为速度设置函数根据 number 值返回的最佳调节参数; turn_left( number，n) 和 turn_right( number，n) 为小车调整角度函数; number 为调节转速 n 的位置标号。4 试验结果在实验室条件下，光引导运动小车实现了 3 种常规运动，即直线运动、曲线运动和折线运动，3 种运动路线如图 5 所示。图 4程序设计流程图Fig 4Procedure flowchart程序主要功能是: 首先由 3 路传感器对光引导信号进行 A /D 采集，然后由 1 号和 3 号传感器的检测值图 53 种运动路线分别与 2 号传感器的检测值作差，由差值的正负来决Fig 5Three of the moving routes定小车的行走方向是偏左还是偏右，最终根据差值的10。主( 下转第 11页)绝对值大小来决定需要调整的方向角的大小自动化仪表第 32 卷第 9 期 2011 年 9月 7面向自动抄表系统的智能消息语言 侯维岩，等 传输数据块开始求回复或者拒绝收取数据块。1b 1b 1b 1b02 00UU VV ( 数据传输)4 结束语1b 1b 1b 1b03 00RR RR ( Timeout)1b 1b 1b 1b04 00SS SS ( 数据块长度)本文从自动抄表系统的背景和需求这两个方面介1b 1b 1b 1b1a xx yy zz( 结束标志)绍了智能消息语言( 协议) SML。SML 是用于规范抄表如果传输的开端数据编码错误或没有被收到，那网络传输中消息的传输标准，解决了在读取抄表数据么接收方不会有任何反应，这时发送方必须重新发送或者设置参数中没有统一数据结构及编码形式的问传输的开始端。题。SML 已经于 2008 年成为德国国家标准并得到广 传输的签收使用泛应用，已有约 35 万台计量仪表使用了 SML 标准。1b 1b 1b 1b02 80UU VV该语言非常值得借鉴，且对于研究制定我国的标准有1b 1b 1b 1b03 00RR RR很大的参考价值。1b 1b 1b 1b04 00SS SS参考文献1b 1b 1b 1b1a xx yy zz1 谭志强，黄懿 自动抄表技术的发展J 电测与仪表，2009( 1) :在上面两个过程中，无线模块与 AP 已建立连接。 第一次负载传输使用1b 1b 1b 1b 02 01 UU VV负载数据1b1b 1b1b1axx yy zz使用 ACK 接收第一次发送的负载数据1b1b 1b1b02 81 UU VV1b1b 1b1b1axx yy zz使用 NAK 拒绝第一次负载数据1b1b 1b1b02 80 UU VV ( 依据排列数据块编号为 0x80)1b1b 1b1b1axx yy zz以上 SML 示例编码描述了一次完整的数据传输过程，包括数据块开始的描述、数据传输描述、ACK请1 52 Neuhaus T，Wisy MThe system conceptEB /OL 2008 11 12 http: www sym2 org /eng /syskonz_eng html3 王月志，刘伯刚 自动抄表系统J 电测与仪表，2004( 9) : 48 514 Neuhaus T Die KM des Sym2EB /OL2009 05 05 http: www sym2 org /docs /03_Das_SyM2_KM-Neuhaus pdf5 Emsycon G，Wisy M Smart message language version 1 03EB/OL2008 11 12 http: www sym2 org/docs/SML_081112_103 pdf6 Emsycon G Wisy M Smart message language version 1 02EB/OL2008 01 19 http: www t l z org/docs/SML_080711_102_eng pdf7 张方昌，刘晓丹，侯维岩，等 一种基于 Wi-Fi 的计量抄表系统的设计和实现J 自动化与仪表，2010，25( 6) : 18 218 郭丹，李俊芳 ZigBee 无线网络技术在抄表系统中的应用J自动化仪表，