【基于光电传感器的避障小车的设计6900字（论文）】

PAGE3基于光电传感器的避障小车的设计本论文介绍的是一种基于光电传感器的避障小车的设计。由于普通的红外发射管具有漫反射效应，在接收信息的时候容易受接收管的影响。如果将其应用于避障小车控制系统中，小车对障碍物的识别灵敏度不高。利用接收一体化的激光测距传感器来采集前方路况信息，可以克服接收之间的相互干扰。因此选用了激光传感器对障碍物进行识别的智能避障小车控制，完成导航车辆的自主避障。汽车可以根据激光传感器所采集的信息进行快速处理。该传感器具有速度快、精度高、抗干扰能力强等优点，可以达到了预期的识别效果。关键词：传感器；避障；激光测距前言随着国家的发展，人民的生活水平普遍提高，对于物质文化的要求也在提高，这不仅促进了汽车行业的快速发展，同时对汽车的要求也变得越来越高[1]。除了要求汽车具有动力性、操控性、经济型还要求汽车具有安全性。智能避障汽车的提出给汽车工业带来了机遇和挑战，智能化将是发展的新趋势，在这样的背景下，我们开展了基于光电传感器的避障小车的研究。近几年光电传感器这项应用技术在小车上被普遍应用，但是光电管发射功率和其它管间相互干扰会使避障小车在进行路径识别时产生错误，从而影响行驶。目前一些汽车在行驶过程当中识别、躲避障碍物的方式基本上都是采用摄像头收集前方路况信息[2]。这种方式旌旗灯号不仅收集的慢、而且容易受外界环境干扰，影响小车正常行驶。一但信号灯处于中止状态，就会导致小车在行驶中不能实时有效地躲开前方的障碍物，从而发生车祸。为了实时有效地避开道路前方的障碍物，小车就需要降低车速，这样小车的行驶效率就会大大降低，影响人们的出行时间[3]。为了解决上面的问题，本论文提出了基于光电传感器避障小车控制系统。传感器的应用迅速发展，并且随着传感技术不断增强、应用领域的拓宽，传感器种类更是逐渐增多。其中光电传感器发展最为迅速，作为新兴技术之一的光电传感器，在技术发达的国家更是投入大量人力物力以及技术资源。对射型光电传感器凭借着简单可靠、经济实惠等优点迅速的成为应用最广的一类。针对一种基于光电传感器、单片机的避障小车，通过对电路的介绍和调试，避障小车通过传感器感知外部环境，在复杂环境中自主运动，激光传感器以其独特的特性而受到青睐。采用两个激光传感器进行定位，使车辆能够达到避障的效果。智能避障汽车系统涉及到计算机控制技术、路径识别、传感技术、电子设计、程序设计、机械设计等学科，设计智能避障小车不仅可以考察我的整体知识体系，还能锻炼了我的动手能力。我们设计的这个小车采用的是STC89C52芯片为主要核心，它不仅功耗低，与标准的51系列单片机相比具有运算速度快、抗干扰能力强的优点，这些优点对于我们研究避障小车来说具有不同寻常的意义，它不仅能给人们的交通带来变化，而且也为汽车的自主导航系统提供重要的技术。第1章光电传感器的原理及应用1.1光电传感器的原理光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。一般由发射器、接收器和检测电路三部分构成。发射器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管、激光二极管及红外发射二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号[4]。1.2几种常见的光电传感器1.2.1槽型光电传感器槽型光电传感器是把一个光发射器和一个光接收器面对面地装在一个凹槽的两侧。光发射器能发出红外光和可见光，在光发射器和接收器之间没有障碍物时光接收器能收到光，但是当有物体从槽中通过时，光就会被遮挡，光接收器不能接受到传递过来的光，光电开关便会工作，发出一个切断控制开关信号，从而完成一次控制动作。它的响应速度快，能很好地检测出物体的位置，在生产加工中得到了广泛的应用。1.2.2对射型光电传感器对射型光电传感器分为发出光的部分和接收光的部分，在安装时即使两端的光轴中心没有对准，但因为光具有发散性，发射出去的光并不是一条直线，而是呈扇形扩散，在远处它的光斑就会变得非常大，监测的范围也会变大，只要传感器处于两个漏斗型光斑的重叠区，传感器就会相互看得见且正常工作。最好的位置还是光轴整中心的位置[5]。它容易受强光高光干扰，还有它不能检测透明物体和半透明物体，所以在生活中应用对射型光电传感器时要注意这一点。1.2.3反射式光电传感器反射式光电传感器配有光源和光接收装置。光源发出的光被被测物体反射后，由光敏元件接收，再经相关电路处理，获得所需要的信息。它可以检测到路面上的光、影和颜色的变化，也可以检测到是否有物体接近[6]。1.3光电传感器的应用1.3.1光电传感器在变电站通信控制系统中的应用变电站自动化通讯系统包含内部的现场通信和自动化系统与上级调度通信两部分。光电传感器由于具有抗干扰能力强、体积小、重量轻、对物体的限制较少、分辨率较高、便于调整、成本低等优点被广泛应用于通信系统当中[7]。目前国外已经有一些产品被投放到市场当中使用了，但要得到大规模应用还有一段路要走。国内变电站自动化系统的水平也不尽相同，主要流行的是分散分布式布局，这样的布局可以使系统得到进一步的优化。随着光电传感器在变电站上的应用，变电站通信控制系统的完善将跨越一大步，大幅度提高了自动化的应用水平[7]。1.3.2光电传感器在生活中的应用一、光电速度传感器。把光电传感器固定在小孔和轴之间测量速度，可以调节盘侧面产生的白炽灯，光电转换器通过木板孔的感光二极管组成部分，转换成电脉冲信号对应的脉冲信号放大后和整形电路输出整齐，速度由脉冲频率决定。二、光电池。当光电池作为光电探测器时，它的基本原理和光电二极管虽然大致相同，但是它们的基本结构和制造工艺不全相同。由于光电池工作电压，光电转换效率高，光谱范围宽，频率特性好，噪声低，已经被广泛应用于光电传感、光电耦合、光栅测距、激光准直、电影声音、紫外监测和燃气轮机熄火保护装置等。三、烟尘浊度监测仪。防止工业烟尘污染是环保的重要任务之一。为了消除工业烟尘污染，首先要知道烟尘排放量，因此必须对烟尘源进行监测、自动显示和超标报警。烟道里的烟尘浊度是用通过光在烟道里传输过程中的变化大小来检测的，如果烟道浊度增加，光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射增加，到达光检测器的光减少，因而光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。四、条形码扫描笔当扫描笔头在条形码上移动时，若遇到黑色线条，发光二极管的光线将被黑线吸收，光敏三极管接收不到反射光，呈高阻抗，处于截止状态。当遇到白色间隔时，发光二极管所发出的光线，被反射到光敏三极管的基极，光敏三极管产生光电流而导通。整个条形码被扫描过之后，光敏三极管将条形码变形一个个电脉冲信号，该信号经放大、整形后便形成脉冲列，再经计算机处理，完成对条形码信息的识别。1.3.3光电传感器在转速测量系统中的应用在机械自动化高速发展的今天，转速是动力机械性能测试中的一个重要的特性参量，其大小和变化关系着机械运转是否正常。动力机械的许多特性参数往往通过转速来确定，例如电机的输出功率，而且动力机械的振动、管道气流脉动与各种工作零件的磨损状态等也与转速密切相关。及时监测转速的变化可以及时排除机器运转中的许多故障，避免造成更大损失。1.3.4光电传感器在军事领域的应用近年来，我国在常规武器领域也采用了多种新型传感器，如压力、转速及角度传感器等，其中采用的光电传感器数量很多，如高精度的光栅式角度传感器用于火炮的高低角、方位角检测，普遍的光电式数字传感器用于枪械方面的测量，高精度的光电数字传感器用于目标角速度测量，光电测速仪用于火炮反后座装置运动特性的检测，光电转速传感器用于车辆的性能检测等。1.3.5光电传感器在继电保护中的应用随着电力工业的发展，电力系统的输送容量和电压等级的不断提高，传统的互感器对电网进行测量和监控存在着许多的缺点。目前，应用光电传感器的光纤互感器和光纤通讯网构成的光纤发变电站综合自动化系统，已成为电力自动化技术最有前景的发展方向之一。电力互感器是电力系统中重要的电量测量设备，也是实现电力自动化的关键设备。1.4光电传感器的优缺点1.4.1光电传感器的优点一、探测距离长。市场上大多数的传感器的探测距离都不远，新型光电传感器在对向式中能够保持10m以上的探测距离。二、对物体的探测限制少。光电传感器是基于探测物体产生的阴影和反射的探测原理，它可以探测几乎所有的物体，如玻璃、塑料、液体等，不像接近传感器将探测物体限制在金属上。三、响应时间短。众所周知，因为光的传播速度约是3×105km/s，而且光电传感器是通过光来传递信号，所以它的响应时间短。光电传感器的电路由电子元件组成，不包括任何机械工作的时间。四、便于调整。光电传感器在投射式可视光的类型当中，投处的光束是人肉眼可见的，便于我们对检测物体的位置进行调整[8]。五、分辨率高。光电传感器可以通过高级设计技术使投光光束集中在小光点上，或者是通过构成特殊的受光光学系统，来实现较高的分辨率。也可以进行微小物体的检测和高精度的位置检测。六、可以实现对颜色的判别。光电传感器可以通过检测物体形成的光的吸收率和反射率，根据被投光的光线波长和检测物体的颜色组合而有所差异。正是利用这种特性来对需要检测的物体进行颜色检测。1.4.2光电传感器的缺点一、环境适应性较差，激光光源可以略有提高，但也有局限性。二、如果不在密封的环境中使用，很容易被污染和失效。三、成本比其他的检测开关要高一些。四、透镜容易受到粉尘和油污的污染。透镜一旦弄脏，不仅会使光束散乱，又会挡住一部分光，因而在恶劣环境下，必须采取切实可行的保护措施。五、周围光线强弱对开关的影响。对于通常的照明光，光电开关几乎不受影响，但是背景光太强，以致超过数万勒克斯，就会引起开关误动作而造成损失。第2章避障小车模块选择2.1传感器模块反射式激光传感器由激光器、激光检测器和激光电路组成。激光管发射出激光，经过障碍物的反射后由光敏接收管接收。它速度快、精度高、抗光、电干扰能力强、可以实现无接触式测量，被应用于小车的避障。激光测量原理图如图2-1所示。图2-1激光测量原理图2.2稳压电源模块小车所用到的电机、单片机和一些其它元件的电源都采用5V的电压。为了避免电源之间的相互磁扰需要把电源分成两个，这样可以提高系统的稳定性，保障系统的正常运行，但是它没有一个电源用的方便灵活。本设计所使用的L298N电机驱动电路板可以提供+5V，可以给5V单片机供电。但只有它提供的电源高于6V时才能提供+5V电压，低于6V是提供不了+5V电压的。因为我们采用的直流电机对电压的要求较高，所以选用7.2V镍镉充电电池组作为电源，电源的系统框图如图2-2所示。图2-2电源系统框图2.3电机驱动模块小车最重要的功能是它可以在地面上自由灵活地移动，小车的整体动力都来自于电机。本论文选用直流电机作为小车的驱动，选择L293D芯片作为驱动控制芯片，L293D电机驱动原理图如图2-3所示，它是利用H桥路驱动电机的，而H桥路驱动器能够在电机上正向和反向上对绕组供电。L293D电机驱动芯片是一种集成四通道高压大电流芯片。输出电压可由电源直接调节。它可以直接利用单片机的IO口提供信号，并且电路简单，使用方便[9]。图2-3L293D电机驱动原理图[9]2.4避障模块智能避障小车行驶在复杂的环境中难免会遇到障碍物，在小车的左右两侧分别安装一个红外避障模快用来检测障碍物。当前方两侧都没有障碍物时，红外传感器输出的电平就会由高电平变为低电平，单片机上的I/O端口就会识别出信息控制电机正转；当前方检测到障碍物时，红外传感器输出由低电平转变为高电平，单片机控制电机反转直到躲避开障碍物为止[9]。因为大部分的红外传感器对于外界的光比较敏感，所以选择型号为FS2359F反射红外传感器作为小车的避障模快，其优点是不易受日光的干扰、形状规则、便于安装。2.5报警模块报警模块属于汽车的防盗系统。为了对付盗车贼，人们研究出一代又一代的防盗器，当车辆受到破坏时，车辆就会发出声响，引起他人的注意，从而使偷盗者知难而退。报警系统不仅可以用于车辆的丢失和损坏，还可以把它和红外光电传感器连接起来，红外光电传感器接受的信息传递给报警模块，报警模块收到信息后由三极管来控制蜂鸣器发出不同的声音。报蜂鸣器装配结构流程图如图2-4所示[10]。图2-4蜂鸣器装配结构流程图2.6控制模块在智能车辆控制系统中，采取了STC89C52作为智能车辆的控制模块。它带有8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器、32个I/O端口、高性能CMOS八位微处理器。它的制作技术采用了美国爱特梅尔公司（ATMEL）的高密度非易失存储器技术，与标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于具有运算速度快、抗干扰能力强等优点。为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高价格低廉的方案。在应用过程中，因为它的精度和速度完全满足我们需要设计系统的要求，所以选用STC89C52单片机为整个系统的控制核心[11]。第3章系统设计及调试3.1系统电路设计避障小车主要由传感器模块、稳压电源模块、电机驱动模块、避障模块、报警模块、控制模块六个模块组成。红外传感器采集前方道路信息，信息会通过I/O端口传递给STC89C52，单片机对信息进行处理后进而控制转向电机驱动模块控制小车的行驶[12]。3.2电路调试按照电路原理图进行电路检查，看电路的连接是否正确，需要特别注意的是电机正负极不要接反。给小车按上电池后打开开关，检查电机的正负极连接是否正确，如果小车不工作，需要用万用表检查一下小车的电路是否出现了短路或者是断路现象，用焊锡重新焊接后再次打开控制开关。在小车的左前方设立障碍物，观察小车在行使过程中是否可以躲避障碍物，如果没有躲开障碍物，需要检车一下左侧的红外传感器是否正常工作或者电机是否正常工作。在右端检设立障碍物再次进行检查，如果小车自主避开障碍物，则说明小车的右端红外光电传感器和电机正常工作，没有避开障碍物，则需要检查右端的红外光电传感器和电机是否正常工作；在正前方设立障碍物，如果小车的红外传感器检测到了障碍物并且继续向前行驶，则说明小车的电机正负极连接反接，需要把电机的正负极换一下位置；若小车一直在原地转圈，说明其中的一个电机的正负接反了，需要把其中一个电机的正负级反接；如果小车是一直沿直线后退，则说明两个电机的正负极都接反了，需要把两个电机各自的两根电极线都调换过来。3.3电机调试由于电机的电源电压为7.2V，而电机的额定电压为6V，因此电机旋转的脉宽调制（PWM）值可以在5%~65%之间变化[13]。PWM频率的变化可以使电流发生改变。如果想要使转矩变小，就必须增加频率，使电流变小。因为我们采用的电机为遥控汽车的电机，它的额定电流较小，线圈多，感应电抗大，PWM的原理实际上是面积等效原理。3.4系统组成智能避障小车的系统组成框图如3-1所示。 图3-1系统组成框图3.5系统软件流程智能避障小车的系统软件流程如图3-2所示。 图3-2系统软件整体流程图3.6测试结果与分析经过多次实验测量，取得红外光电传感器与功率测量值中线性最好的一组，红外光电传感器，一开始运行小车的时候小车并不工作，猜测可能是出现了断路，我用万用表来测量各种元件的两端电压，检查电压是否正常，发现一个元件的两端出现了0电压，说明在焊接过程中出现了断路。在小车的检查过程中发现不只是这个一个问题，还有许多问题，其中比较严重的是元件的一个基脚焊接不好，我用万用表接了很多次才发现，然后用一根小电线从下面把它穿上，然后把它焊牢。特别要注意色环电阻的识别和计算方法，这里我就不详细了。最困难的问题是电机的调试和汽车的机械布局，如车轮驱动、电路布局等。小车的电路方面检查没有任何问题之后，剩下的就是小车的避障测试了，把小车放在桌面上前面放上障碍物，驱动小车，小车可以顺利躲避障碍物到达目的地，任务就算完成了，设计也算是成功了。结论本论文所采用的光电传感器识别物体速度快，可以给小车充分的时间做准备来改变方向，但是如果应用到现实生活中的民用车辆是不行的，毕竟现实生活中的车辆速度较快，尤其是在高速上行驶时，车速更是快。如果给小车加上平台就可以实现物品的搬运，比较适用于物流公司。因为在车间的小车行驶速度并没有很快，所以可以应用到速度不是很快的车上。智能障小车还可以作为机器人的移动驱动平台，来代替人们一