光電傳感器循跡：光電傳感器智能循跡小車
? ? ? ? ?2020年大三上的時候和同學(xué)們一起組隊參加了學(xué)校舉辦的機(jī)器人大賽，走的是循跡競速賽道，規(guī)則很簡單，就是看誰可以以最快的速度跑完全程，經(jīng)過一個多月的學(xué)習(xí)與調(diào)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(lǐng)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(diào)車的經(jīng)歷吧。
? ? ?我們隊在比賽中使用的是舵機(jī)加雙編碼電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，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(huán)島，S彎和連續(xù)直角彎； 我們通過一字排列的光電傳感器陣列對黑線進(jìn)行識別，進(jìn)而檢測車身在賽道上的位置；通過編碼電機(jī)檢測智能車的實時速度；使用結(jié)合BANGBANG算法的積分分離PI控制算法調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過基于分段控制思想的舵機(jī)轉(zhuǎn)向PD控制舵機(jī)的打角，通過基礎(chǔ)速度和偏離速度相結(jié)合的思想實現(xiàn)針對不同賽道元素的速度調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了智能車在運動過程中速度和方向的閉環(huán)控制。
一、路徑識別模塊的設(shè)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(guān)傳感器，但是發(fā)現(xiàn)因為賽道和車子結(jié)構(gòu)的原因，其實際的循跡效果不是特別好，經(jīng)常會誤判，故而我們便改用了數(shù)字灰度傳感器，其靈敏度更高，抗干擾能力強(qiáng)；普通照明燈基本對其無影響，其發(fā)光源常用高度良白色聚光LED,接收管對不同的發(fā)射光的強(qiáng)弱進(jìn)行對比處理，只要對白光發(fā)射強(qiáng)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(qiáng)的多。
? ? ? ?其輸出為數(shù)字輸出，即1或0輸出，需要根據(jù)場地，光線等基本情況來調(diào)節(jié)基準(zhǔn)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(zhǔn)電壓，需要根據(jù)接受管在2種色的電壓值來調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓，一般將電位器電壓調(diào)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(jù)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(shù)error來表征，0代表小車循跡無偏差，不需要進(jìn)行轉(zhuǎn)彎，正數(shù)代表左轉(zhuǎn)，負(fù)數(shù)代表右轉(zhuǎn)，而數(shù)字越大代表小車偏離中心的程度越大。對于十字圓環(huán)而言，所有的傳感器均會檢測到黑線，此時應(yīng)題目要求是向前走直道，故而將error設(shè)定為0。當(dāng)小車超過終止區(qū)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(jī)反轉(zhuǎn)，消除其慣性，使其迅速停下來，當(dāng)檢測到實際速度為 0 時則斷開電源，實現(xiàn)制動的同時避免反接制動運行情況發(fā)生。
二、舵機(jī)
? ? ? ? ?該循跡系統(tǒng)選用的是HS-425BB型舵機(jī)，HS-425BB型舵機(jī)是一款高性能舵機(jī)，扭力大，穩(wěn)定性好，角度控制準(zhǔn)確。由于舵機(jī)所需要的電壓較大，運行過程中電流也會發(fā)生很大變化，還會帶來不同程度的干擾，因此，舵機(jī)往往采用單獨供電，舵機(jī)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(jī)的控制過程比較簡單，提供主控制器產(chǎn)生的PWM控制信號輸出至舵機(jī)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(yīng)地改變機(jī)器人的轉(zhuǎn)角，從而實現(xiàn)舵機(jī)的轉(zhuǎn)角控制。
三、電機(jī)
? ? ? ?在該系統(tǒng)的設(shè)計中，我們選擇了GB37-520編碼電機(jī)。電機(jī)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(jī)的主軸連接著編碼器并帶動編碼器的光柵盤轉(zhuǎn)動，光電模塊檢測其輸出的脈沖數(shù)。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(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，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(jī)采用的是開關(guān)驅(qū)動方式，采用這種方式，半導(dǎo)體功率器件有開啟和關(guān)閉兩種狀態(tài)，然后用輸出可調(diào)的PWM電平實現(xiàn)對電機(jī)電壓的控制，實現(xiàn)調(diào)速功能。
四，PID算法控制
? ? ? ?PID控制是工程實際中應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)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(jìn)行線性組合，得到輸出量。
? ?
其中，kp、kd、ki分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)。
PID各個參數(shù)作用基本介紹：
（1）比例調(diào)節(jié)(p)：是按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，以減少偏差。比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但是過大的比例，會使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。
（2）積分調(diào)節(jié)(I)：使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度，因為有誤差，積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無差，積分調(diào)節(jié)停止，積分調(diào)節(jié)輸出一個常值。
（3）微分調(diào)節(jié)(D)：微分作用反映系統(tǒng)偏差信號的變化率，具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此，可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。在微分時間選擇合適情況下，可以減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時間。微分作用對噪聲干擾有放大作用，因此過強(qiáng)的微分調(diào)節(jié)，對系統(tǒng)抗干擾不利。此外，微分反應(yīng)的是變化率，而當(dāng)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(diào)節(jié)規(guī)律相結(jié)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(yīng)著連續(xù)時間，用矩形法數(shù)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(yōu)點：比例部分只與當(dāng)前的偏差有關(guān)，而積分部分則是系統(tǒng)過去所有偏差的累積。故而位置式 PI 調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)清晰，P 和 I 兩部分作用分明，參數(shù)調(diào)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(yīng)該將PWM波提到最高，讓通過主電機(jī)的電流達(dá)到最大，從而讓智能車以最快的速度行駛；當(dāng)進(jìn)入彎道時，應(yīng)該根據(jù)彎道的曲率大小，適當(dāng)?shù)妮^低小車的基礎(chǔ)速度，使得小車不容易沖出賽道，對于該基礎(chǔ)速度v_set的設(shè)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(shè)定量為輸出，實現(xiàn)不同賽道類型下的自主速度調(diào)整。
? ? ? ? ?我們的小車轉(zhuǎn)彎方式不同于其他萬向輪轉(zhuǎn)彎的智能小車，我們采用差速轉(zhuǎn)向和舵機(jī)轉(zhuǎn)向方式相配合，相比之下其靈活性提高了很多。小車?yán)貌钏匐姍C(jī)實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，其原理是利用兩個電機(jī)的轉(zhuǎn)速不同構(gòu)成轉(zhuǎn)速差；舵機(jī)控制前輪是從動輪，不需要有轉(zhuǎn)速。舵機(jī)的位置是在兩個前輪的中間，控制兩個前輪的轉(zhuǎn)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(xiàn)場實際的調(diào)車，可以說那段時間一有空，我們就呆在調(diào)試賽道旁邊，不斷改善程序，同時因為我們是舵機(jī)和差速控制的方案，故而pid的參數(shù)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(shù)；當(dāng)時的我們參數(shù)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(shù)據(jù)實時的傳送到電腦上，畫出相應(yīng)的曲線，這樣的話調(diào)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(huán)，即沒有用編碼電機(jī)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(qū)別的，這個以后也可以加上，如果有機(jī)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(diào)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！
光電傳感器循跡：基于光電傳感器自動循跡小車設(shè)計.pdf
江 西 理 工 大 學(xué)
本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計（論文）
題 目：基于光電傳感器的自動循跡小車設(shè)計
學(xué) 院：信息工程學(xué)院
專 業(yè)：電子信息工程
班 級：電信 072
學(xué) 號： 36
學(xué) 生：吳有帥
指導(dǎo)教師：黃友文 職稱：副高
摘 要
制作自動尋跡小車所涉及的專業(yè)知識包括控制、 模式識別、 傳感技術(shù)、 汽車
電子、電氣、計算機(jī)、機(jī)械等諸多學(xué)科。為了使小車能夠快速穩(wěn)定的行駛，設(shè)計
制作了小車控制系統(tǒng)。 在整個小車控制系統(tǒng)中， 如何準(zhǔn)確地識別路徑及實時地對
智能車的速度和方向進(jìn)行控制是整個控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。
由于此小車能夠自動尋跡 ,加速 ,減速 .故又被稱作為智能車 .本智能車控制系
統(tǒng)設(shè)計以 MC9S12XS128微控制器為核心，通過兩排光電傳感器檢測小車的位置
和運動方向來獲取軌道信息， 根據(jù)軌道信息判斷出相應(yīng)的軌道類型， 并分配不同
的速度給硬件電路加以控制， 完成了在變負(fù)荷條件下對速度的快速穩(wěn)定調(diào)節(jié)。 紅
外對射傳感器用于檢測智能車的速度，以脈寬調(diào)制控制方式（ PWM ）控制電機(jī)
和舵機(jī)以達(dá)到控制智能車的行駛速度和偏轉(zhuǎn)方向。
軟件是在 CodeWarrior 5.0 的環(huán)境下用 C 語言編寫的，用 PID 控制算法調(diào)節(jié)
驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速和舵機(jī)的方向，完成對模型車運動速度和運動方向的閉環(huán)控制。
智能車能夠準(zhǔn)確迅速地識別特定的軌道，并沿著引導(dǎo)線以較高的速度穩(wěn)定行駛。
整個智能車系統(tǒng)涉及車模機(jī)械結(jié)構(gòu)的改裝、 傳感器電路設(shè)計及控制算法等多
個方面。經(jīng)過多次反復(fù)的測試，最終確定了現(xiàn)有的智能車模型和各項控制參數(shù)。
關(guān)鍵詞：
MC9S12XS128；PID；PWM ；光電傳感器；智能車
ABSTRACT
Making automatic tracing car involved the professional knowledge including
control, pattern recognition, sensing technology, automobile electronics, electrical,
computer, machinery and so on many subjects. According to the technical
requirements of the contest, we design the intelligent vehicle control system. In the
entire control system of the smart car, how to accurately identify the road and
real-time control the speed and direction of the Smart Car is the key to the whole
control system.
Because this car can automatic tracing, accelerate, slowing down. So it is also
known as intelligent car this intelligent vehicle control system design take the
MC9S12XS128 micro controller as a core, examines car's posit
光電傳感器循跡：基于紅外反射式光電傳感器的智能循跡小車
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基于路徑記憶算法的轉(zhuǎn)向及驅(qū)動控制策略，在電源管理、噪聲抑制、驅(qū)動優(yōu)化等方面也都進(jìn)行了研究工作，通過大...
發(fā)表于 2010-09-16 16:35
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光電傳感器式三相斷相保護(hù)電路圖
光電傳感器式三相斷相保護(hù)電路圖
發(fā)表于 2010-04-03 13:51
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光電傳感器的電磁兼容設(shè)計
光電傳感器的電磁兼容設(shè)計
引 言
廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化領(lǐng)域的光電傳感器,一般是開關(guān)型的,被稱為光...
發(fā)表于 2010-03-26 12:18
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光電傳感器在機(jī)場物流行業(yè)的設(shè)計應(yīng)用
隨著國內(nèi)航空運輸業(yè)的持續(xù)快速發(fā)展，機(jī)場物流項目逐漸增多，技術(shù)水平不斷提高。民航總局預(yù)計...
發(fā)表于 2010-03-05 12:08
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微型光電傳感器,微型光電傳感器是什么意思
微型光電傳感器,微型光電傳感器是什么意思
微型光電傳感器概要
發(fā)表于 2010-03-03 15:39
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光電傳感器分類有哪些?
光電傳感器分類有哪些?
①按檢測方式分類(1)對射型 檢測方式
發(fā)表于 2010-03-03 14:48
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光電傳感器,光電傳感器是什么意思
電傳感器,光電傳感器是什么意思
光電傳感器的定義
「光電傳感器」是利用光的各種性質(zhì)，檢測物體的有...
發(fā)表于 2010-03-03 14:40
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光電傳感器,光電傳感器原理
光電傳感器,光電傳感器原理
光電傳感器是指能夠?qū)⒖梢姽廪D(zhuǎn)換成某種電量的傳感器。光敏二極管是最常見...
發(fā)表于 2010-03-02 14:27
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光電傳感器在自動化生產(chǎn)線上的應(yīng)用
光電傳感器在自動化生產(chǎn)線上的應(yīng)用
引言 光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件,首先把被測量的變化轉(zhuǎn)...
發(fā)表于 2009-11-25 10:07
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新型光電傳感器的原理及應(yīng)用
新型光電傳感器的原理及應(yīng)用
概況
隨著全球制造...
發(fā)表于 2009-11-25 09:59
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光電傳感器
光電傳感器
發(fā)表于 2009-09-22 16:48
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光電式傳感器工作原理
光電式傳感器的英文解釋：photoelectric transducer
發(fā)表于 2008-09-22 13:54
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光電傳感器工作原理與應(yīng)用
光電式傳感器工作原理與應(yīng)用
光電式傳感器 光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳...
發(fā)表于 2008-01-07 12:56
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光電傳感器循跡：紅外尋跡循跡避障傳感器模塊光電反射對管光電開關(guān)板智能小車e18-d80nk光電傳感器模塊1個.pdf
E18-D80NK 紅外避障傳感器使用說明書
簡介：
E18-D80NK-N這是一種集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器，發(fā)射光經(jīng)過調(diào)制后發(fā)
出，接收頭對反射光進(jìn)行解調(diào)輸出。有效的避免了可見光的干擾。透鏡的使用，也使
得這款傳感器最遠(yuǎn)可以檢測80厘米距離的問題（由于紅外光的特性，不同顏色的物
體，能探測的最大距離也有不同；白色物體最遠(yuǎn)，黑色物體最近）。
檢測障礙物的距離可以根據(jù)要求通過尾部的電位器旋鈕進(jìn)行調(diào)節(jié)。
該傳感器具有探測距離遠(yuǎn)、受可見光干擾小、價格便宜、易于裝配、使用方便等特
點，可以廣泛應(yīng)用于機(jī)器人避障、流水線計件等眾多場合。
電氣特
