南京工程学院车辆工程系本科毕业设计(论文)
Vout 4 10 光强度相应曲线 X/mm
图3.4.2 反射光强度相应曲线图
路径探测模块的设计主要包括：传感器的选型、传感器的布局、传感器的安装以及控制电路的设计。 3.2.1 传感器选型
选择发射功率大、接收灵敏度高的红外传感器是保证红外检测电路可靠工作的基础。传感器的选择大体上有两种：
1）可以选择独立的红外发射与接收管，如：TSAL6200、TSOP1738。 2）可以选择一体化的选择发射/接收管，如TCRT5000、ITR9908。
由于一体化发射/接收管集成度高，抗干扰能力强。结合本设计的特点，我们选用了TCRT5000作为探测模块传感器。 3.2.2 传感器布局
红外传感器安装在一整块的电路板上，电路板可以起到承载传感器的作用，同时在其上也可以安装驱动和接收电路，电路板固定在模型车的前方。其布局如下：
1）“一”字型布局
“一”字型布局是传感器最常用的布局形式，即各个传感器都在一条直线从而保证纵向的一致性，使其控制策略主要集中在横向上。如图3.5(a)所示。
2）“V”字型布局
“V”字型布局，从横向来看与“一”字型类似，但它增加了纵向的特性，从有了一定的前瞻性。将中间两传感器进行前置的主要目的在于能够早一步了车前
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方是否为直道，从而可以进行加速。如图3.5(b)所示。
3）“W”字型布局
对于智能车能否顺利跑完全程，最重要的一点是过弯道，特别是通过比较弯道的能力。因此为了能够更早地预测到弯道的出现，还可以将左右两端的传感器进行适当前置，从而形成“W”型布局。如图3.5(c)所示。
图3.5 红外传感器布局图
3.2.3传感器间隔距离确定
各个传感器的布局间隔对智能车行车有一定的影响的。根据运行跑道规则，中间黑线(导引线)的宽度为25mm，因此如果要求传感器间不出现同时感应现象（即每次采集只出现一个传感器值为“1”），那么传感器间隔就必须大于25mm。事实上这样做只能产生9种不同的情况（包括迷失，即传感器均为“0”），对于控制策略的设计会带有局限性。因此可以将间隔设计成小于25mm，从而产生更多种情况。此外，如果间隔过大，还会出现另一种情况，即在间隔之间出现空白，当线移动到该范围时，传感器感应不到，从而出现迷失现象。在设计中红外管的间距小于黑色导引线的宽度，从而使红外更容易感应到黑线，有利于车与赛道偏移距离的判断。由于小车的宽度不能超过250mm，而且车上最多安装16个红外传感器，为了检测更宽的横行信息，本设计最终安装了8个红外传感器且间隔为20mm。最终的红外传感器排列的正面图如图3.6所示。 3.2.4径向探出距离的设计
径向探出距离是指光电传感器离车头的径向距离。它主要影响智能车的预测性能。对于未知的赛道，如果能早一步了解到前方道路的情况，那么就可以早点做出调整，从而使车以相应最优策略通过赛道。所以，理论上探出距离是越大越好，但是如果距离过大，智能车可能会发生重心偏移，造成行驶不稳、振动等一系列问题。除此之外，红外传感器相对于地面的高度和角度决定了检测道路的范围。传感器的高度及相对地面的垂直角度越大，他的检测前瞻距离越远，同时检测道路的宽度也越远。因此，为了既能增加径向距离，又不引起重心偏移，红外
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传感器安装如图3.7所示。
图3.6 实际应用中红外传感器布局图
图3.7 传感器在小车上的安装实物图
3.2.5 探测模块控制电路设计
红外接收管接收道路反射的红外光后会产生变化电压，这样就可以反应出跑到中心线的位置。这个电压信息可以通过外部的电压比较器变成高低电平后由单片机的I/O口读取，也可以通过单片机A/D端口直接读取。
通过单片机的A/D口直接读取电压的变化量，可以简化单片机外部电路的设计，同时还可以保留红外接收管的连续变化电压信息，这样通过软件算法进行位置插值细化，不仅可以得更加准确的位置信息，同时还可以消除环境光线的影响。但是单片机I/O口较多，可以并行输入传感器的状态，读取速度快。虽然这种方
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式需要增加多路电压比较电路，增加了电路的复杂性，同时也可能将红外接收管上连续变化电压由于整形而丢失。但是结合本设计采用的红外传感器为一体化的TCRT5000，其采样得到的信号为单片机直接可采用的方波信号。因此在设计中直接通过红外传感器采集路面信号即可直接送单片机的I/O口进行处理。不仅没有增加硬件电路的复杂性，同时相对于用A/D口而言又减轻了软件设计的负担。
在能够实现小车安全稳定运行的基础上，遵循设计简单的原则，本设计采用的是I/O接口检测模块。
图3.8 探测模块控制电路图
如图3.8所示，每个红外传感器TCRT5000都由一个发射管和一个接收管组成。发射管发射的光线若照射在白色跑道上，则被吸收的光线少，反射光较强，对应的接收管导通，将低电平信号送至单片机。反之，如果发射光线照射在黑色引导线上，那么反射光很弱或几乎没有，此时接收管将被截止，通过一上拉电阻将高电平送至单片机。
3.3 速度检测模块的设计
为了使小车能够平稳的沿着跑道运行，除了控制前轮转向电机外，还需要控制车速，使模型车在急转弯时速度不要过快而冲出跑道。可以通过驱动电机上的平均电压控
速，如电池电压、电机传动摩擦力、道路摩擦力和前轮转向角度等。这些因素会造成行车的不稳定。通过速度检测，对小车的速度进行闭环反馈控制，可提高小车运行的精确度。
一般情况下，智能小车的车速与驱动电动机的转速成正比，这样可以通过检测驱动电动机的转速来计算当前车辆的行驶速度，可以通过电压来测速，也可以通过计数脉冲来进行测速。
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车速检测的方式有很多，大致有以下几种方式：
1.测速发电机。测速发电动机是一种典型的电压测速装置，它能把电动机的转速变换成电压信号，其输出电压在磁极磁通量为常数时满足输出电压与输入转速成正比关系且输出电压与输入的转速成正比关系，一般可以采用同轴直连的方式或者齿轮动的方式将测速发电动机与驱动电动机相连，但是测速发电动机在有负载和无载的情况下所反映的转速与输出电压的关系并非是线性关系，因为测速电动机受到电枢反应、电刷接触电阻、温度、纹波等影响，且因为重量关系，因此不用它。
2.转角编码盘。它常被用来测量旋转轴的位置和转速。分为“绝对式位置编码器”和“增量式轴编码器”，“绝对式位置编码器”被用来测量转轴的实际位置，这种编码器常被用于伺服系统中来获得一定的转轴位置。“增量式轴编码器”常被用来测量转轴的转速(速率和方向)。增量式轴编码器可以产生直接对应于轴转速的脉冲序列，如果采用有两相信号输出的增量式轴编码器，那么脉冲序列就可以直接表示出电机的旋转方向。
3.反射式光电检测。在后轮齿轮传动盘上粘贴一个黑白相间的光码盘，通过固定在附近的反射式红外传感器读取光码盘转动的脉冲。
通过计数脉冲来进行计数显得更为简单，只要微控制器在一定时间内对与速有一定关系的脉冲进行计数便可以实现测速，计数脉冲的形成有很多方法，以通过增量式转角编码盘来实现，它输出的脉冲个数与电动机转动的角度成比，然后根据单位时间内的转角来计算电动机角速度。也可以通过光电检测方来实现。 4.透射式光电检测。透射式红外传感器的工作原理与反射式光电检测的原理相似反射式是过红外光在不同的反射面上形成的反射光强不同来形成脉冲，透射式光电检测是通过齿槽对光线的遮挡来形成脉冲的。
5.霍尔传感器检测。在后轮输出轴上粘贴一个或者两个小型永磁体，附近固定一个霍尔传感器，如CS3020和CS10218型霍尔传感器。霍尔元件有3个引脚，其中两个是电源和地，第三个是输出信号，只要通过一个上拉电阻接至5V电压，就可以形成开关脉冲。
比较几种测速方式可知，使用霍尔传感器进行测速不仅可以简化电路，在软件控制算法上也比较简单那，因此本设计采用了CS3020进行测速控制的设计。其设计电路图如3.9所示。
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