專利名稱：一種模型車避障控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于模型車智能化控制領(lǐng)域，特別涉及一種模型車避障控制裝置。
背景技術(shù)：
智能車輛是當(dāng)今車輛工程技術(shù)領(lǐng)域的前沿，它體現(xiàn)了車輛工程，信息工程，電子技 術(shù)，計算機技術(shù)等多個領(lǐng)域理論與實踐的交叉。智能技術(shù)在模型車方面的大量應(yīng)用，使得模 型車在自動控制方面有了深遠(yuǎn)的進(jìn)步，進(jìn)一步推動了模型車的技術(shù)朝著自動化，智能化的 方向發(fā)展。避障技術(shù)的運用和發(fā)展必將促使智能控制掀起一場高潮。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的在于提供一種模型車避障控制裝置。它能夠解決模型車行駛遇 到障礙物時的問題，即通過單片機來處理超聲波傳感器單元采集的信息，然后將處理后的 轉(zhuǎn)向控制信號傳送給轉(zhuǎn)向控制舵機。從而達(dá)到模型車避障行駛，隨前方障礙物距離模型車 的遠(yuǎn)近，自動控制轉(zhuǎn)向的目的，實現(xiàn)避障。為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)一種模型車避障控制裝置，包括模型車及其前輪舵機和后輪驅(qū)動電機，所述的模 型車上設(shè)置有電源管理單元、傳感器單元、自動控制單元、舵機轉(zhuǎn)向單元和電機驅(qū)動單元， 所述的自動控制單元分別與傳感器單元、舵機轉(zhuǎn)向單元和電機驅(qū)動單元相連，電源管理單 元分別與傳感器單元、自動控制單元、舵機轉(zhuǎn)向單元和電機驅(qū)動單元相連。本實用新型的其他技術(shù)特點為所述的電源管理單元由穩(wěn)壓模塊和升壓模塊兩部分組成，其中穩(wěn)壓模塊由 LT1084-5組成，升壓模塊由LT1070u89、100微亨電感、二極管in5819、穩(wěn)壓芯片7815構(gòu)成。所述的傳感器單元由超聲波發(fā)射模塊和超聲波接收模塊組成，其中超聲波發(fā)射模 塊由一個NPN三極管和發(fā)射換能器組成，超聲波接收模塊由9013NPN型三極管和LM358運 算放大器組成。所述的自動控制單元采用單片機MC9S12XDP512。所述的舵機轉(zhuǎn)向單元采用FUTABA公司的S3010舵機。所述的電機驅(qū)動單元為兩個N型和兩個P型場效應(yīng)管組成的H橋驅(qū)動電路。本實用新型根據(jù)傳感器單元所采集的前方障礙物信息，判斷模型車車體前方那個 方向上的障礙物距離模型車最遠(yuǎn)，從而控制轉(zhuǎn)向舵機，使模型車轉(zhuǎn)向該方向，然后驅(qū)動電機 驅(qū)動模型車前進(jìn)或后退，控制單元重復(fù)執(zhí)行此控制操作。這種控制方法具有制作方便、電路 設(shè)計簡單、響應(yīng)快速、控制準(zhǔn)確和成本低等特點。

圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為電源管理單元的布置示意圖。其中圖2a表示穩(wěn)壓模塊布置示意圖，圖2b為升壓模塊布置示意圖。圖3為傳感器單元的布置示意圖。圖4為傳感 器單元超聲波發(fā)射、接收原理圖。其中圖4a為超聲波發(fā)射電路圖，圖 4b為超聲波接收電路圖。圖5為電機驅(qū)動單元電路原理圖。圖6為自動控制單元的引腳接線原理圖。
以下結(jié)合附圖對本實用新型的具體內(nèi)容進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。
具體實施方式
參見圖1，本實用新型的模型車避障控制裝置，包括模型車及其前輪舵機和后輪 驅(qū)動電機，所述的模型車上設(shè)置有電源管理單元、傳感器單元、自動控制單元、舵機轉(zhuǎn)向單 元和電機驅(qū)動單元，所述的自動控制單元分別與傳感器單元、舵機轉(zhuǎn)向單元和電機驅(qū)動單 元相連，電源管理單元分別與傳感器單元、自動控制單元、舵機轉(zhuǎn)向單元和電機驅(qū)動單元相 連，電池使用7. 2伏鎳鎘可充電電池。本實用新型車模采用“飛思卡爾”杯智能汽車競賽用車模，該車模前方安裝轉(zhuǎn)向舵 機實現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能，車體后部自帶直流電機，通過控制單元控制，使模型車前進(jìn)后退，加減速 等功能。該車模機械性能穩(wěn)定可靠，前輪方向控制靈活省力，準(zhǔn)確提供車模行駛方向；后輪 驅(qū)動，自帶差速調(diào)節(jié)機構(gòu)，使車模轉(zhuǎn)彎流暢。車模的采用使得系統(tǒng)控制更準(zhǔn)確，控制效果更 好，實用性強。本實用新型的自動控制單元采用Freescale公司生產(chǎn)的單片機MC9S12XDP512，其 包含高性能、低功耗的16位微處理器，內(nèi)部集成了多個通用IO接口，獨立的8通道脈沖寬 度調(diào)制(PWM)，增強型捕捉定時器模塊。它能夠?qū)崟r的接收傳感器單元所傳送過來的前方道 路上障礙物的信息，并對這些信息進(jìn)行快速準(zhǔn)確的處理，判斷前方哪個方向距障礙物最遠(yuǎn)， 然后向轉(zhuǎn)向驅(qū)動舵機輸出處理后的控制信號，使車模向該方向行駛，如果正前方的距離小 于一個閾值則停車，實現(xiàn)永遠(yuǎn)避障。參見圖2，電源管理單元由穩(wěn)壓模塊和升壓模塊兩部分組成，穩(wěn)壓模塊中， LT1084-5中間引腳接地，輸入端接7. 2伏電源正極，輸入端經(jīng)過104微法電容接地，輸出端 經(jīng)過104微法電容接地，輸出端即為5伏，給控制單元，轉(zhuǎn)向舵機，超聲波接受模塊供電，在 升壓模塊中，LT1070u89的1腳經(jīng)過IK電阻連接1微法電容接地，LT1070的2腳經(jīng)過1. 24K 電阻接地，2腳經(jīng)過18. 7K電阻，連接330微法電容的正極，C6 (330微法)電容負(fù)極接地， LT1070的3腳懸空，LT1070的5腳經(jīng)過100微亨電感連接LT1070的4腳，4腳經(jīng)過二極管 in5819連接C6 (330微法)電容的正極，C6 (330微法)電容的正極連接穩(wěn)壓芯片7815的 輸入端，7815的輸出端連接C7 (330微法)電容的正極，C7 (330微法)負(fù)極接地，7815的輸 出端輸出為+15伏，為超聲波發(fā)射模塊供電。7. 2伏電源直接供電電機驅(qū)動單元。參照圖3，傳感器單元由5個超聲波發(fā)射接收傳感器組成，它們不等距的安裝成扇 形結(jié)構(gòu)，其中傳感器3和4以及3和2之間的角度為30度，傳感器1和2以及4和5之間 的角度為40度。實際設(shè)計中，在車模前方安裝5個傳感器用于探測每個方向障礙物距離車 模距離，由于傳感器的安裝角度科學(xué)設(shè)計，從而實現(xiàn)了信息采集區(qū)域廣、多角度、多方位、車 模盲區(qū)比較小，能夠精確測定車模前方各個方向障礙物情況，準(zhǔn)確控制車模行駛方向，實現(xiàn)避障?？刂茊卧奈鍌€IO 口(P0RTA0—P0RTA4)分別連接五個超聲波發(fā)射裝置，驅(qū)動發(fā)射超聲波。超聲波接收后，經(jīng)過放大、比較之后，分別輸入控制單元的五個中斷源(TO— T4)。參照圖4，傳感器單元由超聲波發(fā)射和接收電路組成。在超聲波發(fā)射電路中，控制 單元的IO 口與IOK歐電阻連接，9013NPN型三極管的基極與IOK電阻連接，+15伏電壓經(jīng) 470歐電阻與三極管集電極連接，三極管集電極經(jīng)100微法電容與發(fā)射換能器1角連接，發(fā) 射換能器的2角與三極管的發(fā)射級同接地。由控制單元的IO 口輸出地信號經(jīng)過三極管放 大之后，驅(qū)動發(fā)射換能器發(fā)出與控制單元輸出信號同頻率的超聲波。在超聲波接收電路中， 接收器信號端經(jīng)過104微法電容與三極管基極連接，三極管基極與集電極之間連接100K歐 電阻，三極管基極經(jīng)過IOK歐滑線變阻器接地，三極管發(fā)射極接地，VCC (+5伏)經(jīng)過2K歐 限流電阻連接三極管集電極，三極管集電極經(jīng)過104微法電容與LM393的正相輸入端連接， LM393的反相輸入端連接100K歐滑線變阻器的中間引腳，劃線變阻器另外兩個引腳分別接 VCC和地，VCC經(jīng)過470K歐電阻連接LM393的輸出端，輸出端與控制單元中斷源T 口連接。 超聲波在傳遞過程中有衰減，接收到的信號為毫伏級，比較微弱，為了有效利用回波信號， 故用9013NPN型三極管將其放大，通過100K歐劃線變阻器調(diào)節(jié)三極管的偏置電壓使之導(dǎo) 通。經(jīng)過放大后的信號約為3伏，LM393比較器參考電壓選擇2伏，比較之后信號為峰峰值 電壓為5伏的方波信號，用以控制單元的外部中斷。另外，本實用新型采用的舵機是一個位置隨動裝置，由舵盤，減速齒輪組，位置反 饋，電位計，直流電機和控制電路組成。通過內(nèi)部的位置反饋，轉(zhuǎn)向舵機使其舵舵盤輸出正 比于給定脈沖寬度的角度?？刂茊卧鶕?jù)不同方向不同距離發(fā)出不同占空比的PWM信號給 舵機，舵機在信號控制下轉(zhuǎn)動一定角度。舵機PWM控制信號是周期為20ms的脈沖，脈沖寬 度范圍1——2ms，改變PWM控制信號的脈沖寬度(高電平持續(xù)時間)就可以改變舵盤輸出轉(zhuǎn) 角，改變舵機方向，從而控制前輪方向，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。脈沖寬度和舵機轉(zhuǎn)角成線性關(guān)系，其計算 公式為〃 =0 (L-1.5)*90，其中α為舵機轉(zhuǎn)角，單位是度(° )； L是脈沖寬度，單位是 ms0圖5為本實用新型的電機驅(qū)動單元電路原理圖。該圖為一個電機驅(qū)動H橋電路， 由兩個P型場效應(yīng)管Ql，Q2和兩個N型場效應(yīng)管Q3，Q4組成。控制單元的控制信號輸出端 P5 連接 CD4001B 的 1，2 引腳，CD4001B 的 3 引腳連接 CD4001B 的 12，13 引腳，CD4001B 的 11 引腳連接IRF4905和IRF3205的柵極，IRF4905的漏極連接IRF3205的源極，兩個IRF4905 的漏極連接后與VCC (+5伏)連接，連個IRF的源極之間連接電機，電機兩個接線端接一個 104微法電容?？刂茊卧腜7連接CD4001B5，6引腳，CD4001B的4引腳連接CD4001B的8，9 引腳，CD4001B的10引腳連接IRF4905和IRF3205的柵極，兩個IRF3205的源極共接地。橋 臂上的四個場效應(yīng)管相當(dāng)于四個開關(guān)，P型管在柵極為低電平時導(dǎo)通，高電平時關(guān)閉，N型 場效應(yīng)管在柵極為高電平時導(dǎo)通，低電平時關(guān)閉。場效應(yīng)管為電壓控制元件，柵極通過電流 幾乎為零，CD4001B其電壓放大作用。當(dāng)左邊控制臂為高電平，右邊控制臂為低電平時，Q1， Q4關(guān)閉，Q2，Q3導(dǎo)通，電機左端低電平，右端高電平，電機轉(zhuǎn)動，設(shè)為電機正轉(zhuǎn)。當(dāng)左邊控制 臂為低電平，右邊控制臂為高電平時，Ql, Q4導(dǎo)通，Q2，Q3關(guān)閉，電機左端高電平，右端低電 平，電機轉(zhuǎn)動，設(shè)為電機反轉(zhuǎn)。左右控制臂的高低電平，由控制單元的P7和P5 口輸出脈沖 波決定。該電機驅(qū)動電路具有自保護(hù)功能，當(dāng)控制臂左右同為高電平時，Ql和Q2關(guān)閉，Q3 和Q4導(dǎo)通，電機兩端同為低電平，電機不轉(zhuǎn)。當(dāng)控制臂左右同為低電平時，Ql和Q2導(dǎo)通，Q3和Q4關(guān)閉，電機兩端同為高電平，電機不轉(zhuǎn)。所以此電路的優(yōu)點在于不管控制臂狀態(tài)如 何，H橋都不會出現(xiàn)“共態(tài)導(dǎo)通”現(xiàn)象(短路)，具有保護(hù)電機的功能。 參見圖6為本實用新型的自動控制單元的引腳接線原理圖。其中5個超聲波發(fā) 射裝置與的控制單元IO 口(AO—A4)連接。5個超聲波接收裝置與相應(yīng)的控制單元中斷源 (TO— T4)連接。Pl連接舵機信號輸入端，P5和P7連接電機驅(qū)動單元的⑶4001B。由控制 單元的A 口驅(qū)動超聲波發(fā)射，接收到超聲波后經(jīng)過放大，比較輸入控制單元的中斷源T 口 觸發(fā)控制單元中斷，經(jīng)過中斷后計算出發(fā)射和接受的時間差t，由Got_S=t*Speed/2計算出 該方向車模距障礙物距離，其中Got_s為得到的距離，speed為超聲波在空氣中的傳播速度 340 m/s ?？刂茊卧鶕?jù)五個方向得到的距離進(jìn)行比較，控制舵機向距離最大方向轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn) 向控制采用PD控制，P為比例項，D為微分項，公式Servo=P*Got_s*Got_angle+D*(Got_ agle-Got_sangle_last)，其中，Got_angle為傳感器單元與車模中心線之間的角度，Got_ angle_last為上一次的傳感器單元與車模中心線之間的角度，得到距離，Servo為舵機控 制變量，Servo控制舵機占空比，控制舵機的轉(zhuǎn)角，從而控制車模方向。當(dāng)有不同方向上距 離相同時，則由根據(jù)方向左右兩側(cè)的傳感器測得的距離決定轉(zhuǎn)向方向。確定轉(zhuǎn)向方向后，由 探測得到距離確定占空比大小，控制電機正反轉(zhuǎn)，停轉(zhuǎn)。
權(quán)利要求1.一種模型車避障控制裝置，包括模型車及其前輪舵機和后輪驅(qū)動電機，其特征在于 所述的模型車上設(shè)置有電源管理單元、傳感器單元、自動控制單元、舵機轉(zhuǎn)向單元和電機驅(qū) 動單元，所述的自動控制單元分別與傳感器單元、舵機轉(zhuǎn)向單元和電機驅(qū)動單元相連，電源 管理單元分別與傳感器單元、自動控制單元、舵機轉(zhuǎn)向單元和電機驅(qū)動單元相連。
2.如權(quán)利要求1所述的模型車避障控制裝置，其特征在于所述的電源管理單元由穩(wěn) 壓模塊和升壓模塊兩部分組成，其中穩(wěn)壓模塊由LT1084-5組成，升壓模塊由LT1070U89、 100微亨電感、二極管in5819、穩(wěn)壓芯片7815構(gòu)成。
3.如權(quán)利要求1所述的模型車避障控制裝置，其特征在于所述的傳感器單元由超聲 波發(fā)射電路和超聲波接收電路組成，其中超聲波發(fā)射電路由一個NPN三極管和發(fā)射換能器 組成，超聲波接收電路由9013NPN型三極管和LM358運算放大器組成。
4.如權(quán)利要求1所述的模型車避障控制裝置，其特征在于所述的自動控制單元采用 單片機 MC9S12XDP512。
5.如權(quán)利要求1所述的模型車避障控制裝置，其特征在于所述的舵機轉(zhuǎn)向單元采用 FUTABA公司的S3010舵機。
6.如權(quán)利要求1所述的模型車避障控制裝置，其特征在于所述的電機驅(qū)動單元為兩 個N型和兩個P型場效應(yīng)管組成的H橋驅(qū)動電路。
專利摘要本實用新型公開了一種模型車避障控制裝置，包括模型車及其前輪舵機和后輪驅(qū)動電機，所述的模型車上設(shè)置有電源管理單元、傳感器單元、自動控制單元、舵機轉(zhuǎn)向單元和電機驅(qū)動單元，所述的自動控制單元分別與傳感器單元、舵機轉(zhuǎn)向單元和電機驅(qū)動單元相連，電源管理單元分別與傳感器單元、自動控制單元、舵機轉(zhuǎn)向單元和電機驅(qū)動單元相連。本實用新型根據(jù)傳感器單元所采集的前方障礙物信息，判斷模型車車體前方那個方向上的障礙物距離模型車最遠(yuǎn)，從而控制轉(zhuǎn)向舵機，使模型車轉(zhuǎn)向該方向，然后驅(qū)動電機驅(qū)動模型車前進(jìn)或后退，控制單元重復(fù)執(zhí)行此控制操作。這種控制方法具有制作方便、電路設(shè)計簡單、響應(yīng)快速、控制準(zhǔn)確和成本低等特點。
文檔編號G05D3/12GK201859352SQ201020586598
公開日2011年6月8日 申請日期2010年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月2日
發(fā)明者席海華, 王曉彪, 謝培, 閻瑩 申請人:長安大學(xué)