循跡光電傳感器：光電傳感器在智能循跡小車中的應用
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光電傳感器在智能循跡小車中的應用
【摘要】以購買的玩具電動車為硬件平臺，Atmegel 16單片機為核心控制單元，光電傳感器為檢測手段，制作一款可以自動循跡的智能小車。通過光電傳感器采集路面信息，由單片機進行控制，使小車在規(guī)定的路徑上自動識別路線，快速平穩(wěn)的行駛。本文主要說明光電傳感器在其中的應用。
【關鍵詞】光電傳感器;智能控制;可編程器件
0.引言
根據(jù)我們年級電子綜合設計課程的要求，我們自選命題制作了循跡小車，使小車鋪有黑線的白色跑道上自主循跡運行。在小車的制作中很關鍵的一點就是合理的選擇循跡傳感器和設計傳感器的布局，以提高小車循跡的精確程度。智能車的設計就是在保證小車可靠運行的前提下，以電路設計簡潔，靈活性高為原則，而傳感器電路的設計和布局，是信號采集的關鍵，相當于小車的“眼睛”，為了提高小車的自主循跡性能，需要對傳感器進行合理的選擇和布局。
1.解決方案
選用RPR220型光電對管。RPR220是一種反射型光電探測器，其發(fā)射器是一個砷化鎵紅外發(fā)光二極管，而接收器是一個高靈敏度，硅平面光電三極管。
為了能達到比較好的循跡效果，采用8個RPR220光電傳感器一排安裝在車頭位置。
將光電傳感器置于小車的最前方，能起到預先判斷路徑的作用，器發(fā)射的光對白色和黑色有不同的反射率，因此能得到不同的電壓值，采集進單片機后通過程序來判斷黑線的位置，從而控制小車的行進路線。
循跡光電傳感器：光電傳感器智能循跡小車
? ? ? ? ?2020年大三上的時候和同學們一起組隊參加了學校舉辦的機器人大賽，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，經過一個多月的學習與調試，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車的經歷吧。
? ? ?我們隊在比賽中使用的是舵機加雙編碼電機的機械結構，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行識別，進而檢測車身在賽道上的位置；通過編碼電機檢測智能車的實時速度；使用結合BANGBANG算法的積分分離PI控制算法調節(jié)電機的轉速，通過基于分段控制思想的舵機轉向PD控制舵機的打角，通過基礎速度和偏離速度相結合的思想實現(xiàn)針對不同賽道元素的速度調節(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紅外反射式開關傳感器，但是發(fā)現(xiàn)因為賽道和車子結構的原因，其實際的循跡效果不是特別好，經常會誤判，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；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)射光的強弱進行對比處理，只要對白光發(fā)射強弱不同即可，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節(jié)基準電壓，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電壓，需要根據(jù)接受管在2種色的電壓值來調節(jié)基準電壓，一般將電位器電壓調到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，不需要進行轉彎，正數(shù)代表左轉，負數(shù)代表右轉，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，此時應題目要求是向前走直道，故而將error設定為0。當小車超過終止區(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，此時令兩個電機反轉，消除其慣性，使其迅速停下來，當檢測到實際速度為 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
? ? ? ? ?該循跡系統(tǒng)選用的是HS-425BB型舵機，HS-425BB型舵機是一款高性能舵機，扭力大，穩(wěn)定性好，角度控制準確。由于舵機所需要的電壓較大，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，舵機往往采用單獨供電，舵機的輸入線有三根，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，對舵機的控制過程比較簡單，提供主控制器產生的PWM控制信號輸出至舵機的信號線接口，在輸出PWM波頻率不變的情況下，通過改變PWM波的占空比，就能相應地改變機器人的轉角，從而實現(xiàn)舵機的轉角控制。
三、電機
? ? ? ?在該系統(tǒng)的設計中，我們選擇了GB37-520編碼電機。電機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。電機的主軸連接著編碼器并帶動編碼器的光柵盤轉動，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與反轉，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采用的是開關驅動方式，采用這種方式，半導體功率器件有開啟和關閉兩種狀態(tài)，然后用輸出可調的PWM電平實現(xiàn)對電機電壓的控制，實現(xiàn)調速功能。
四，PID算法控制
? ? ? ?PID控制是工程實際中應用最為廣泛的調節(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）比例調節(jié)(p)：是按比例反應系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調節(jié)立即產生調節(jié)作用，以減少偏差。比例作用大，可以加快調節(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，積分調節(jié)就進行，直至無差，積分調節(jié)停止，積分調節(jié)輸出一個常值。
（3）微分調節(jié)(D)：微分作用反映系統(tǒng)偏差信號的變化率，具有預見性，能預見偏差變化的趨勢，因此能產生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調節(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，減少調節(jié)時間。微分作用對噪聲干擾有放大作用，因此過強的微分調節(jié)，對系統(tǒng)抗干擾不利。此外，微分反應的是變化率，而當輸入沒有變化時，微分作用輸出為零。微分作用不能單獨使用，需要與另外兩種調節(jié)規(guī)律相結合，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：比例部分只與當前的偏差有關，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 調節(jié)器的結構清晰，P 和 I 兩部分作用分明，參數(shù)調整簡單明了，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，應該將PWM波提到最高，讓通過主電機的電流達到最大，從而讓智能車以最快的速度行駛；當進入彎道時，應該根據(jù)彎道的曲率大小，適當?shù)妮^低小車的基礎速度，使得小車不容易沖出賽道，對于該基礎速度v_set的設定，我們采用PD控制，以小車與中線的偏差大小為輸入，以速度的設定量為輸出，實現(xiàn)不同賽道類型下的自主速度調整。
? ? ? ? ?我們的小車轉彎方式不同于其他萬向輪轉彎的智能小車，我們采用差速轉向和舵機轉向方式相配合，相比之下其靈活性提高了很多。小車利用差速電機實現(xiàn)轉彎，其原理是利用兩個電機的轉速不同構成轉速差；舵機控制前輪是從動輪，不需要有轉速。舵機的位置是在兩個前輪的中間，控制兩個前輪的轉向。
? ? ? ? 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)場實際的調車，可以說那段時間一有空，我們就呆在調試賽道旁邊，不斷改善程序，同時因為我們是舵機和差速控制的方案，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，畫出相應的曲線，這樣的話調試會快一點，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！
循跡光電傳感器：基于紅外反射式光電傳感器的智能循跡小車
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VR/AR技術正在逐步、深刻地改造、變革甚至顛覆各個行業(yè)以及我們的生活。VR+時代已經開啟，站在未來看現(xiàn)在，虛擬現(xiàn)實產業(yè)是擁抱未來的新興朝陽產業(yè)，市場前景廣闊。
2022中國數(shù)博會|中國數(shù)字視覺科技博覽會
新物聯(lián)號：會展天下 2021-6-29 共有: 237 瀏覽
2022第三屆亞洲數(shù)字展覽展示博覽會將于2022年5月10在廣州·廣交會展館召開。
深圳物聯(lián)展|深圳人工智能展|2021第9屆深圳物聯(lián)網(wǎng)展覽會
新物聯(lián)號：物物智聯(lián) 2021-6-30 共有: 204 瀏覽
2021深圳國際物聯(lián)網(wǎng)展覽會將于11月3日在深圳國際會展中心（寶安新館）開幕，深圳大數(shù)據(jù)展，深圳人工智能展，智慧城市，智慧電氣等行業(yè)，近平方米展出400+展商云集
關于邀請參加2021廣州（粵港澳大灣區(qū)）智慧交通運輸展覽會的函
新聞來源：交通運輸會展覽會組委會 2021-7-1 共有: 356 瀏覽
2021廣州（粵港澳大灣區(qū)）智慧交通運輸展覽會，主要致力科技創(chuàng)新賦能交通發(fā)展。將于2021年9月14-15日在廣州白云國際會議中心舉辦。
遠景智能與ST Engineering攜手開發(fā)零碳智慧樓宇，助力實現(xiàn)新加坡2030年綠色發(fā)展藍圖
新聞來源：遠景智能 2021-7-1 共有: 222 瀏覽
新加坡2021年7月1日，總部位于新加坡的全球零碳技術伙伴、智能物聯(lián)網(wǎng)(AIoT)技術領導者遠景智能國際有限公司(簡稱“遠景智能”)與ST Engineering簽署諒解備忘錄(MOU)，攜手為公共和商業(yè)部門構建端到端的零碳城市基礎設施解決方案。 此次合作將結合兩家公司在數(shù)字化、智能物聯(lián)網(wǎng)(AIoT) 和智能城市解決方案方面的優(yōu)勢，建設更環(huán)保的商業(yè)、工業(yè)建筑以及可持續(xù)的城鎮(zhèn)和區(qū)域，從而推進新加坡
位移傳感器概述原理分類及應用
新聞來源：新物聯(lián)Newiot 整理 2021-7-1 共有: 236 瀏覽
位移傳感器又稱為線性傳感器，是一種屬于金屬感應的線性器件，傳感器的作用是把各種被測物理量轉換為電量。在生產過程中，位移的測量一般分為測量實物尺寸和機械位移兩種。按被測變量變換的形式不同，位移傳感器可分為模擬式和數(shù)字式兩種。模擬式又可分為物性型和結構型兩種。常用位移傳感器以模擬式結構型居多，包括電位器式位移傳感器、電感式位移傳感器、自整角機、電容式位移傳感器、電渦流式位移傳感器、霍爾式位移傳感器等。
虹膜識別技術概述功能及應用
新聞來源：新物聯(lián)Newiot 整理 2021-7-2 共有: 414 瀏覽
虹膜識別技術是基于眼睛中的虹膜進行身份識別，應用于安防設備（如門禁等）、安全級別較高的手機登陸及平臺身份驗證等，以及有高度保密需求的場所。
安森美半導體將在上海AMTS展示用于未來汽車的電源和感知方案
新物聯(lián)號：科技前沿 2021-7-2 共有: 174 瀏覽
推動高能效創(chuàng)新的安森美半導體 (ON Semiconductor，美國納斯達克上市代號：ON)將在7月7-10日舉行的上海國際汽車制造技術與裝備及材料展覽會(AMTS)上展示其業(yè)界領先、用于新能源汽車的最新電源及感知技術。
2022（天津）國際機器人展覽會
新物聯(lián)號：昶文展覽 2021-7-3 共有: 133 瀏覽
2022第18屆天津國際機器人展覽會將于2022年3月 9-12日在天津梅江會展中心舉辦。展會深入電子信息、物流運輸、醫(yī)療器械、新能源、汽車制造、磨具零件加工、廚衛(wèi)電器、視頻飲料、軌道交通應用領域需求，連接機器人行業(yè)上下游各環(huán)節(jié)，集中展示機器人整機、系統(tǒng)集成、機器人零部件、工廠自動化設備、軟件應用控制、3D技術設備等，重點邀約德國、韓國、日本、瑞士、中國臺灣等地的10余個展團亮相，世界機器人四大家
正達信通變電站智能輔助監(jiān)控系統(tǒng)
新聞來源：正達信通 2021-7-5 共有: 188 瀏覽
隨著電網(wǎng)規(guī)模建設越來越大，需要管理的變電站數(shù)量越來越多，各級電網(wǎng)公司對變電站無人值守及智能化提出更高的要求，因此，為提高變電站的運行效率及自動化管理水平，保障變電站設備運行安全，國家電網(wǎng)相繼出臺了智能變電站相關建設規(guī)范，為智能變電站輔助監(jiān)控系統(tǒng)提供建設依據(jù)。
加雷斯·威爾默談：制定物聯(lián)網(wǎng)的長期愿景和發(fā)展目標
新聞來源：新物聯(lián)Newiot翻譯 原創(chuàng)Gareth Willmer 2021-7-5 共有: 197 瀏覽
未來幾年，物聯(lián)網(wǎng)有望連接數(shù)十億臺以上的設備，從傳感器、聯(lián)網(wǎng)汽車到全面建成的智能城市，都有多種機會。但物聯(lián)網(wǎng)市場似乎正處于一個關鍵時刻，隨著5G的出現(xiàn)，需要研究如何最好地運營和協(xié)調全球平臺，以支持從大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)中獲利所需的新型交付方式。
人工智能的安全可控成為迫切需要解決的問題
新聞來源：經濟日報 作者：李芃達 2021-7-6 共有: 175 瀏覽
未來人工智能如何兼顧創(chuàng)新發(fā)展與安全可控？在前不久舉辦的北京智源大會AI安全與產業(yè)治理論壇上，中國科學院院士、清華大學人工智能研究院院長張鈸表示，未來人工智能產業(yè)發(fā)展在擴大應用場景的同時，必須實現(xiàn)數(shù)據(jù)、算法與應用層的安全可控。
2021世界人工智能大會定于7月8日起在上海舉行
新聞來源：新物聯(lián)Newiot 整理 2021-7-6 共有: 243 瀏覽
2021年6月21日下午，上海市政府新聞辦舉行市政府新聞發(fā)布會，介紹了2021世界人工智能大會相關情況。經國務院批準，2021世界人工智能大會定于2021年7月8日至10日，以線下線上結合的方式召開，主會場繼續(xù)設在浦東世博中心，聯(lián)動徐匯等區(qū)。展覽設在世博展覽館，提早一天于7月7日開展。
中國·杭州|2021中國國際數(shù)字技術、數(shù)據(jù)與安全展覽會
新物聯(lián)號：米奧蘭特 2021-7-6 共有: 453 瀏覽
中國國際數(shù)字技術、數(shù)據(jù)與安全展覽會是將于2021年9月23-26日在杭州國際博覽中心，由米奧蘭特會展及園聚智谷、深圳市信息服務業(yè)區(qū)塊鏈協(xié)會共同舉辦的行業(yè)盛會。本屆展會聚焦AI人工智能區(qū)塊鏈、云計算、大數(shù)據(jù)、5G網(wǎng)絡安全等前沿技術趨勢，以“智慧社會、數(shù)字化世界”、“行業(yè)新型智能軟件”、“產業(yè)區(qū)塊鏈”及“大數(shù)據(jù)”領域為發(fā)展重點，探索數(shù)字化、智能化網(wǎng)絡化解決方案，加速新一代信息技術與各大產業(yè)鏈融合。
2021河北·中俄新一代信息技術合作云論壇 將于7月13日舉辦
新聞來源：河北新一代技術合作云論壇 2021-7-6 共有: 199 瀏覽
信息技術產業(yè)是河北省重點發(fā)展產業(yè)之一，為貫徹落實《河北省電子信息產業(yè)重點攻堅行動計劃》等一系列戰(zhàn)略部署，有力地推動我省包括石家莊、唐山、邢臺等重點城市新一代信息技術產業(yè)的發(fā)展。“2021河北·中俄新一代信息技術合作云論壇”將于2021年7月13日舉辦。
2022天津國際嵌入式系統(tǒng)展覽會
新物聯(lián)號：昶文展覽 2021-7-7 共有: 131 瀏覽
隨著物聯(lián)網(wǎng)產業(yè)的快速發(fā)展，深度學習與AI人工智能技術在各行業(yè)開始應用，嵌入式技術的發(fā)展將備受矚目。 在各級主管部門的領導下，由浙江省機械工業(yè)聯(lián)合會主辦“2022天津國際嵌入式系統(tǒng)展覽會”定于2022年3月09日-12日在天津梅江會展中心舉辦。
智能家居概念發(fā)展歷程及前景
新聞來源：新物聯(lián)Newiot 整理 2021-7-9 共有: 446 瀏覽
智能家居（smart home, home automation）是以住宅為平臺，利用綜合布線技術、網(wǎng)絡通信技術、 安全防范技術、自動控制技術、音視頻技術將家居生活有關的設施集成，構建高效的住宅設施與家庭日程事務的管理系統(tǒng)，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術性，并實現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境。
