CN201859352U

CN201859352U - 一种模型车避障控制装置

Info

Publication number: CN201859352U
Application number: CN2010205865984U
Authority: CN
Inventors: 阎莹; 谢培; 王晓彪; 席海华
Original assignee: Changan University
Current assignee: Changan University
Priority date: 2010-11-02
Filing date: 2010-11-02
Publication date: 2011-06-08
Anticipated expiration: 2020-11-02

Abstract

本实用新型公开了一种模型车避障控制装置，包括模型车及其前轮舵机和后轮驱动电机，所述的模型车上设置有电源管理单元、传感器单元、自动控制单元、舵机转向单元和电机驱动单元，所述的自动控制单元分别与传感器单元、舵机转向单元和电机驱动单元相连，电源管理单元分别与传感器单元、自动控制单元、舵机转向单元和电机驱动单元相连。本实用新型根据传感器单元所采集的前方障碍物信息，判断模型车车体前方那个方向上的障碍物距离模型车最远，从而控制转向舵机，使模型车转向该方向，然后驱动电机驱动模型车前进或后退，控制单元重复执行此控制操作。这种控制方法具有制作方便、电路设计简单、响应快速、控制准确和成本低等特点。

Description

一种模型车避障控制装置

技术领域

本实用新型属于模型车智能化控制领域，特别涉及一种模型车避障控制装置。

背景技术

智能车辆是当今车辆工程技术领域的前沿，它体现了车辆工程，信息工程，电子技术，计算机技术等多个领域理论与实践的交叉。智能技术在模型车方面的大量应用，使得模型车在自动控制方面有了深远的进步，进一步推动了模型车的技术朝着自动化，智能化的方向发展。避障技术的运用和发展必将促使智能控制掀起一场高潮。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种模型车避障控制装置。它能够解决模型车行驶遇到障碍物时的问题，即通过单片机来处理超声波传感器单元采集的信息，然后将处理后的转向控制信号传送给转向控制舵机。从而达到模型车避障行驶，随前方障碍物距离模型车的远近，自动控制转向的目的，实现避障。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案予以实现：

一种模型车避障控制装置，包括模型车及其前轮舵机和后轮驱动电机，所述的模型车上设置有电源管理单元、传感器单元、自动控制单元、舵机转向单元和电机驱动单元，所述的自动控制单元分别与传感器单元、舵机转向单元和电机驱动单元相连，电源管理单元分别与传感器单元、自动控制单元、舵机转向单元和电机驱动单元相连。

本实用新型的其他技术特点为：

所述的电源管理单元由稳压模块和升压模块两部分组成，其中稳压模块由LT1084-5组成，升压模块由LT1070u89、100微亨电感、二极管in5819、稳压芯片7815构成。

所述的传感器单元由超声波发射模块和超声波接收模块组成，其中超声波发射模块由一个NPN三极管和发射换能器组成，超声波接收模块由9013NPN型三极管和LM358运算放大器组成。

所述的自动控制单元采用单片机MC9S12XDP512。

所述的舵机转向单元采用FUTABA公司的S3010舵机。

所述的电机驱动单元为两个N型和两个P型场效应管组成的H桥驱动电路。

本实用新型根据传感器单元所采集的前方障碍物信息，判断模型车车体前方那个方向上的障碍物距离模型车最远，从而控制转向舵机，使模型车转向该方向，然后驱动电机驱动模型车前进或后退，控制单元重复执行此控制操作。这种控制方法具有制作方便、电路设计简单、响应快速、控制准确和成本低等特点。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为电源管理单元的布置示意图。其中图2a表示稳压模块布置示意图，图2b为升压模块布置示意图。

图3为传感器单元的布置示意图。

图4为传感器单元超声波发射、接收原理图。其中图4a为超声波发射电路图，图4b为超声波接收电路图。

图5为电机驱动单元电路原理图。

图6为自动控制单元的引脚接线原理图。

以下结合附图对本实用新型的具体内容进行进一步详细说明。

具体实施方式

参见图1，本实用新型的模型车避障控制装置，包括模型车及其前轮舵机和后轮驱动电机，所述的模型车上设置有电源管理单元、传感器单元、自动控制单元、舵机转向单元和电机驱动单元，所述的自动控制单元分别与传感器单元、舵机转向单元和电机驱动单元相连，电源管理单元分别与传感器单元、自动控制单元、舵机转向单元和电机驱动单元相连，电池使用7.2伏镍镉可充电电池。

本实用新型车模采用“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛用车模，该车模前方安装转向舵机实现转向功能，车体后部自带直流电机，通过控制单元控制，使模型车前进后退，加减速等功能。该车模机械性能稳定可靠，前轮方向控制灵活省力，准确提供车模行驶方向；后轮驱动，自带差速调节机构，使车模转弯流畅。车模的采用使得***控制更准确，控制效果更好，实用性强。

本实用新型的自动控制单元采用Freescale公司生产的单片机MC9S12XDP512，其包含高性能、低功耗的 16位微处理器，内部集成了多个通用IO接口，独立的8通道脉冲宽度调制(PWM)，增强型捕捉定时器模块。它能够实时的接收传感器单元所传送过来的前方道路上障碍物的信息，并对这些信息进行快速准确的处理，判断前方哪个方向距障碍物最远，然后向转向驱动舵机输出处理后的控制信号，使车模向该方向行驶，如果正前方的距离小于一个阈值则停车，实现永远避障。

参见图2，电源管理单元由稳压模块和升压模块两部分组成，稳压模块中，LT1084-5中间引脚接地，输入端接7.2伏电源正极，输入端经过104微法电容接地，输出端经过104微法电容接地，输出端即为5伏，给控制单元，转向舵机，超声波接受模块供电，在升压模块中，LT1070u89的1脚经过1K电阻连接1微法电容接地，LT1070的2脚经过1.24K电阻接地，2脚经过18.7K电阻，连接330微法电容的正极，C6（330微法）电容负极接地，LT1070的3脚悬空，LT1070的5脚经过100微亨电感连接LT1070的4脚，4脚经过二极管in5819连接C6（330微法）电容的正极，C6（330微法）电容的正极连接稳压芯片7815的输入端，7815的输出端连接C7（330微法）电容的正极，C7（330微法）负极接地，7815的输出端输出为+15伏，为超声波发射模块供电。7.2伏电源直接供电电机驱动单元。

参照图3，传感器单元由5个超声波发射接收传感器组成，它们不等距的安装成扇形结构，其中传感器3和4以及3和2之间的角度为30度，传感器1和2以及4和5之间的角度为40度。实际设计中，在车模前方安装5个传感器用于探测每个方向障碍物距离车模距离，由于传感器的安装角度科学设计，从而实现了信息采集区域广、多角度、多方位、车模盲区比较小，能够精确测定车模前方各个方向障碍物情况，准确控制车模行驶方向，实现避障。控制单元的五个IO口（PORTA0—PORTA4）分别连接五个超声波发射装置，驱动发射超声波。超声波接收后，经过放大、比较之后，分别输入控制单元的五个中断源（T0—T4）。

参照图4，传感器单元由超声波发射和接收电路组成。在超声波发射电路中，控制单元的IO口与10K欧电阻连接，9013NPN型三极管的基极与10K电阻连接，+15伏电压经470欧电阻与三极管集电极连接，三极管集电极经100微法电容与发射换能器1角连接，发射换能器的2角与三极管的发射级同接地。由控制单元的IO口输出地信号经过三极管放大之后，驱动发射换能器发出与控制单元输出信号同频率的超声波。在超声波接收电路中，接收器信号端经过104微法电容与三极管基极连接，三极管基极与集电极之间连接100K欧电阻，三极管基极经过10K欧滑线变阻器接地，三极管发射极接地，VCC(+5伏)经过2K欧限流电阻连接三极管集电极，三极管集电极经过104微法电容与LM393的正相输入端连接，LM393的反相输入端连接100K欧滑线变阻器的中间引脚，划线变阻器另外两个引脚分别接VCC和地，VCC经过470K欧电阻连接LM393的输出端，输出端与控制单元中断源T口连接。超声波在传递过程中有衰减，接收到的信号为毫伏级，比较微弱，为了有效利用回波信号，故用9013NPN型三极管将其放大，通过100K欧划线变阻器调节三极管的偏置电压使之导通。经过放大后的信号约为3伏，LM393比较器参考电压选择2伏，比较之后信号为峰峰值电压为5伏的方波信号，用以控制单元的外部中断。

另外，本实用新型采用的舵机是一个位置随动装置，由舵盘，减速齿轮组，位置反馈，电位计，直流电机和控制电路组成。通过内部的位置反馈，转向舵机使其舵舵盘输出正比于给定脉冲宽度的角度。控制单元根据不同方向不同距离发出不同占空比的PWM信号给舵机，舵机在信号控制下转动一定角度。舵机PWM控制信号是周期为20ms的脉冲，脉冲宽度范围1——2ms，改变PWM控制信号的脉冲宽度（高电平持续时间）就可以改变舵盘输出转角，改变舵机方向，从而控制前轮方向，实现转向。脉冲宽度和舵机转角成线性关系，其计算公式为：α = 0 （L-1.5）*90，其中α为舵机转角，单位是度（°）； L 是脉冲宽度，单位是ms。

图5为本实用新型的电机驱动单元电路原理图。该图为一个电机驱动H桥电路，由两个P型场效应管Q1,Q2和两个N型场效应管Q3，Q4组成。控制单元的控制信号输出端P5连接CD4001B的1,2引脚，CD4001B的3引脚连接CD4001B的12，13引脚，CD4001B的11引脚连接IRF4905和IRF3205的栅极，IRF4905 的漏极连接IRF3205的源极，两个IRF4905的漏极连接后与VCC（+5伏）连接，连个IRF的源极之间连接电机，电机两个接线端接一个104微法电容。控制单元的P7连接CD4001B5，6引脚，CD4001B的4引脚连接CD4001B的8，9引脚，CD4001B的10引脚连接IRF4905和IRF3205的栅极，两个IRF3205的源极共接地。桥臂上的四个场效应管相当于四个开关，P型管在栅极为低电平时导通，高电平时关闭，N型场效应管在栅极为高电平时导通，低电平时关闭。场效应管为电压控制元件，栅极通过电流几乎为零，CD4001B其电压放大作用。当左边控制臂为高电平，右边控制臂为低电平时，Q1，Q4关闭，Q2，Q3导通，电机左端低电平，右端高电平，电机转动，设为电机正转。当左边控制臂为低电平，右边控制臂为高电平时，Q1，Q4导通，Q2，Q3关闭，电机左端高电平，右端低电平，电机转动，设为电机反转。左右控制臂的高低电平，由控制单元的P7和P5口输出脉冲波决定。该电机驱动电路具有自保护功能，当控制臂左右同为高电平时，Q1和Q2关闭，Q3和Q4导通，电机两端同为低电平，电机不转。当控制臂左右同为低电平时，Q1和Q2导通，Q3和Q4关闭，电机两端同为高电平，电机不转。所以此电路的优点在于不管控制臂状态如何，H桥都不会出现“共态导通”现象（短路），具有保护电机的功能。

参见图6为本实用新型的自动控制单元的引脚接线原理图。其中5个超声波发射装置与的控制单元IO口（A0—A4）连接。5个超声波接收装置与相应的控制单元中断源（T0—T4）连接。P1连接舵机信号输入端，P5和P7连接电机驱动单元的CD4001B。由控制单元的A口驱动超声波发射，接收到超声波后经过放大，比较输入控制单元的中断源T口触发控制单元中断，经过中断后计算出发射和接受的时间差t，由Got_s=t*speed/2计算出该方向车模距障碍物距离，其中Got_s为得到的距离,speed为超声波在空气中的传播速度340 m/s 。

控制单元根据五个方向得到的距离进行比较，控制舵机向距离最大方向转向。转向控制采用PD控制，P为比例项，D为微分项，公式Servo=P*Got_s*Got_angle+D*(Got_agle-Got_sangle_last) ,其中，Got_angle 为传感器单元与车模中心线之间的角度，Got_angle_last为上一次的传感器单元与车模中心线之间的角度，得到距离，Servo为舵机控制变量，Servo控制舵机占空比，控制舵机的转角，从而控制车模方向。当有不同方向上距离相同时，则由根据方向左右两侧的传感器测得的距离决定转向方向。确定转向方向后，由探测得到距离确定占空比大小，控制电机正反转，停转。

Claims

1.一种模型车避障控制装置，包括模型车及其前轮舵机和后轮驱动电机，其特征在于：所述的模型车上设置有电源管理单元、传感器单元、自动控制单元、舵机转向单元和电机驱动单元，所述的自动控制单元分别与传感器单元、舵机转向单元和电机驱动单元相连，电源管理单元分别与传感器单元、自动控制单元、舵机转向单元和电机驱动单元相连。

2.如权利要求1所述的模型车避障控制装置，其特征在于：所述的电源管理单元由稳压模块和升压模块两部分组成，其中稳压模块由LT1084-5组成，升压模块由LT1070u89、100微亨电感、二极管in5819、稳压芯片7815构成。

3.如权利要求1所述的模型车避障控制装置，其特征在于：所述的传感器单元由超声波发射电路和超声波接收电路组成，其中超声波发射电路由一个NPN三极管和发射换能器组成，超声波接收电路由9013NPN型三极管和LM358运算放大器组成。

4.如权利要求1所述的模型车避障控制装置，其特征在于：所述的自动控制单元采用单片机MC9S12XDP512。

5.如权利要求1所述的模型车避障控制装置，其特征在于：所述的舵机转向单元采用FUTABA公司的S3010舵机。

6.如权利要求1所述的模型车避障控制装置，其特征在于：所述的电机驱动单元为两个N型和两个P型场效应管组成的H桥驱动电路。