【《基于单片机的避障循迹小车控制系统的硬件平台的搭建分析案例》2100字】

基于单片机的避障循迹小车控制系统的硬件平台的搭建分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u30512基于单片机的避障循迹小车控制系统的硬件平台的搭建分析案例 120261.1整体硬件 1325751.2传感器设计 213841.3传感器 3134101.3.1内部传感器 344201.3.2外部传感器 3293461.4工控机 415791.5单片机驱动模块 5小车在运行过程中，需要多方数据的分析与处理。为了实现小车的自动导航与远程控制等功能。需要在小车上配备内部传感器、外部传感器、工控机以及单片机驱动模块等硬件。共同组成小车硬件平台，以此作为小车实现自动导航的基础。本章设计了小车上的硬件，并对传感器原理做了分析。1.1整体硬件小车的硬件电路主要功能分为供电电路、驱动电路和串口通信电路。其中供电电路可以分为对激光雷达的供电、对单片机的供电以及对工控机的供电，驱动电路为从单片机中发出的PWM波需要输出到舵机和电机上，串口通信电路为上位机需要与下位机进行数据传输。设计的硬件电路需要以稳定性和可靠性为主要木丁，在进行PCB布局时需要合理规划，尽可能缩小电路板，防止远距离的信号干扰，以达到稳定的效果。图2.1小车PCB电路板小车配备工控机，通过Linux系统下的ssh命令，可以通过自己的电脑远程操纵小车，通过激光雷达所扫描的地图，可在上位机中传入目的地参数，利用A*算法、TEB算法和速度控制PID算法，获取当前需要的电机速度以及舵机打角。通过串口电路设计，将参数传入到下位机中，下位机通过一定的脉冲信号用于控制电机以及舵机。以此达到智能避障循迹的功能。图2.2小车整体架构图1.2传感器设计当小车处于一个未知或者部分已知的环境中，需要通过小车上配备的传感器完成对自身的位姿估计和构建当前地图。位姿估计和构建地图是小车路径规划的关键。用于小车的传感器可以分为外部传感器和内部传感器，外部传感器负责获取外围的环境信息，如激光雷达、光电传感器等。内部传感器是负责获取小车本身的信息的，可以获取小车自身的速度、加速度、摆动角度等，如陀螺仪、惯性测量仪器、编码器等。每个传感器都有自己的特点，不同的传感器获取的信息以及准确程度各不相同，且可能会存在较大差异，并且每个传感器所使用的算法也是不同的，所以要根据小车实际的运行环境以及所要求的信息来选择符合条件的传感器。1.3传感器1.3.1内部传感器在小车实际运行过程中，从上位机所发布的速度信息指令被下位机接收到之后，下位机会按照规定的速度信息去完成一个动作，但是在现实环境中，车辆很可能会发生一些未知情况，如行驶漂移、打滑等，造成速度信息匹配不一致的情况存在，小车控制机构难以按照理论上的速度进行决策。所以需要通过内部传感器测量出小车此时的速度信息，以便于再进行一次速度控制决策，提升小车的位姿估计准确度。惯性测量仪器内部是配备有加速度计和陀螺仪的。其中加速度是负责测量x、y、z三轴上的加速度的，陀螺仪也是测量坐标系上三个方向的角速度的ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>白石</Author><Year>2020</Year><RecNum>19</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[14]</style></DisplayText><record><rec-number>19</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="90twsesaxdrxd2efvtyx0p5wpatzs0ee5a20"timestamp="1618134981">19</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>白石</author><author>张小俊</author><author>杜珊</author></authors></contributors><auth-address>河北工业大学机械工程学院;</auth-address><titles><title>基于惯性测量单元的SLAM改进方法%J中国科技论文</title></titles><pages>1313-1320</pages><volume>15</volume><number>11</number><keywords><keyword>同时定位与地图构建</keyword><keyword>惯性测量单元</keyword><keyword>传感器融合</keyword><keyword>鲁棒性</keyword></keywords><dates><year>2020</year></dates><isbn>2095-2783</isbn><call-num>10-1033/N</call-num><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[14]。根据物理关系，通过对测量的加速度进行一次积分便可以获得速度大小，对速度积分便可以获得位移大小。陀螺仪测量的是实时的角速度，通过对角速度积分可以获得当前小车的三个方向的旋转角度。然而基于惯性测量仪器的原理，其测量的速度以及位移会随着时间的推移，误差越来越明显，累计误差不断增大。惯性测量仪器具有稳定性高、抗干扰能力强的优点，被广泛以应用于飞机、无人小车等领域中，本文选用惯性测量仪器作为内部传感器，用来测量速度信息，便于准确的位姿估计。图2.3小车上的惯性测量仪器1.3.2外部传感器激光雷达具有测距和定位的作用。相比普通雷达，激光雷达具有分辨率高，隐蔽性好、抗干扰能力更强等优势。其测距方法有TOF测距方法和三角测距法ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>金文燕</Author><Year>2006</Year><RecNum>20</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[15]</style></DisplayText><record><rec-number>20</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="90twsesaxdrxd2efvtyx0p5wpatzs0ee5a20"timestamp="1618136981">20</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>金文燕</author><author>赵辉</author><author>陶卫</author></authors></contributors><auth-address>上海交通大学信息检测技术及仪器系,上海交通大学信息检测技术及仪器系,上海交通大学信息检测技术及仪器系上海200030,上海200030,上海200030</auth-address><titles><title>激光三角测距传感器建模及参数优化研究%J传感技术学报</title></titles><pages>1090-1093</pages><number>04</number><keywords><keyword>激光三角测距</keyword><keyword>计算机辅助分析</keyword><keyword>建模</keyword><keyword>优化</keyword></keywords><dates><year>2006</year></dates><isbn>1004-1699</isbn><call-num>32-1322/TN</call-num><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[15]。三角测距法的原理如下图所示，激光雷达发射激光，当激光照射到障碍物时，反射光会被线性CCD所接收。CCD是ChargeCoupledDevice(电荷耦合器件)的缩写,它是一种半导体成像器件。由于激光发射器和接收器间隔了一段距离，所以按照光路径，不同距离的物体会在CCD上的成像具有不同的位置。按照三角公式，就可以得到被测物体的距离。关于TOF测距原理，激光雷达在发射激光时会记录下此时发射激光的时间，并且在这道激光返回时也记录下这段回返时间，通过两个时间差，可以得到光的传播时间，而光速是确定的，所以可以在已知速度和时间下计算出距离。考虑到传感器精确度、稳定性、成本等，本次小车采用激光雷达用来测距与定位。图2.4激光雷达三角测距原理图2.5激光雷达TOF测距原理1.4工控机小车需要远程操作，小车上需要配备工控机。工控机是专门为工业控制设计的计算机，用于对生产过程中使用的机器设备、生产流程、数据参数等进行监测与控制。在本次小车工控机上安装了Ubuntu16.04系统，开发人员可以通过Linux的远程连接ssh连接命令来远程操作小车。图2.6远程SSH命令连接小车上位机2.5单片机驱动模块在小车的上位机上确定了目标点，目标点传入控制函数中，根据速度控制算法可以算出当前小车需要达到的速度，此时上位机已经确定了速度信息，需要通过串口电路传递速度信