一種小車自主尋優智能控制系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種小車自主尋優智能控制系統，包括車底盤、設置在車底盤前端的左驅動車輪、右驅動車輪和設置在車底盤后端中心的萬向輪，在車底盤上還設有控制電路板，在車底盤的下部設有左驅動電機、右驅動電機、傳感器和電源模塊，傳感器與控制電路板的信號輸入端相連接，左驅動電機、右驅動電機分別與控制電路板的輸出端相連接，傳感器包括設置在車底盤前方的紅外線光電傳感器和超聲波傳感器，紅外線光電傳感器和超聲波傳感器均與控制電路板的信號輸入端相連接，在左驅動電機和右驅動電機上均設有光電編碼器。本實用新型的結構簡單、操作便捷，大大提高了車的使用穩定性，提高了控制的精確度，適用性強且實用性好。
【專利說明】
一種小車自主尋優智能控制系統
技術領域
[0001] 本實用新型屬于無人駕駛車技術領域，具體涉及一種小車自主尋優智能控制系 統。
【背景技術】
[0002] 隨著機器人在工業領域與探索外星球上廣泛應用，人們對機器人的"智能"期望越 來越高，要求機器人在運動過程中要有與周圍環境交互的能力，而其最基本也最重要的需 求就是要求機器人能規劃出避碰路徑，順利到達目標.智能機器人在社會各個領域的實際 應用主要有以下幾個方面。
[0003] 海洋開發:用于海洋的石油開采。
[0004] 空間探測：生存空間的競爭一直是各國競相追逐的目標，人們開始進行太空競技， 追尋更多的可用資源。
[0005] 地質勘探:地質勘探用到的機器人主要體現在采掘和地下管道的檢修兩方面。
[0006] 醫療保健:用于醫療環境模擬、精確手術、無自理能力的人群等。
[0007] 此外，無人駕駛智能車輛在工業柔性生產、公路交通運輸、精細農業、物流自動化、 軍事等領域具有十分廣闊的應用前景和重大的社會經濟效益。
【發明內容】
[0008] 為了解決上述技術問題，本實用新型是提供一種結構簡單、使用穩定性好且適用 性強的小車自主尋優智能控制系統。
[0009] 實現本實用新型目的的技術方案是:一種小車自主尋優智能控制系統，包括車底 盤、設置在所述車底盤前端的左驅動車輪、右驅動車輪和設置在所述車底盤后端中心的萬 向輪，在所述車底盤上還設有控制電路板，所述控制電路板與所述車底盤為上下分層安裝， 在所述車底盤的下部設有左驅動電機、右驅動電機、傳感器和電源模塊，所述傳感器與所述 控制電路板的信號輸入端相連接，所述左驅動電機、右驅動電機分別與所述控制電路板的 輸出端相連接，所述電源模塊分別為所述左驅動電機、右驅動電機、傳感器和控制電路板 供電，所述左驅動電機與所述左驅動車輪相連接，所述右驅動電機與所述右驅動車輪相連 接，所述傳感器包括設置在車底盤前方的紅外線光電傳感器和超聲波傳感器，所述紅外線 光電傳感器和超聲波傳感器均與所述控制電路板的信號輸入端相連接，在所述左驅動電機 和右驅動電機上均設有光電編碼器，所述光電編碼器連接在左驅動電機和右驅動電機的主 軸上。
[0010] 所述控制電路板上設有處理器、穩壓電路、電機驅動電路和H橋電路，所述穩壓電 路與所述電源模塊相連接，所述穩壓電路的輸出端與處理器相連接，所述紅外線光電傳感 器和超聲波傳感器均與處理器的信號輸入端相連接，所述處理器的驅動信號端與所述電機 驅動電路相連接，所述電機驅動電路的輸出端與所述H橋電路相連接，所述H橋電路與左驅 動電機、右驅動電機相連接。
[0011] 在所述控制電路板上還設有與所述處理器相連接的通信電路。
[0012] 本實用新型具有積極的效果:本實用新型的結構簡單、操作便捷，其可有效的根據 需要對車體進行驅動，而且將左驅動車輪、右驅動車輪分別采用不同的驅動電機進行控制， 通過調節左、右輪的速度差來實現對車體的轉向，從而大大提高了車的使用穩定性，同時通 過光電編碼器實現對左、右驅動電機的轉速進行檢測，大大提高了控制的精確度，適用性強 且實用性好。
【附圖說明】
[0013] 為了使本實用新型的內容更容易被清楚的理解，下面根據具體實施例并結合附 圖，對本實用新型作進一步詳細的說明，其中：
[0014]圖1為本實用新型的結構不意圖；
[0015] 圖2為本實用新型的電路結構框圖；
[0016] 圖3為本實用新型的H橋電路示意圖；
[0017] 圖4為本實用新型中MATLAB仿真試驗圖。
【具體實施方式】
[0018] (實施例1)
[0019] 圖1至圖4顯示了本實用新型的一種【具體實施方式】，其中圖1為本實用新型的結構 不意圖；圖2為本實用新型的電路結構框圖；圖3為本實用新型的H橋電路不意圖；圖4為本 實用新型中MATLAB仿真試驗圖。
[0020] 見圖1至圖4,一種小車自主尋優智能控制系統，包括車底盤1、設置在所述車底盤1 前端的左驅動車輪2、右驅動車輪3和設置在所述車底盤1后端中心的萬向輪4,在所述車底 盤1上還設有控制電路板5,所述控制電路板5與所述車底盤1為上下分層安裝，在所述車底 盤1的下部設有左驅動電機6、右驅動電機7、傳感器8和電源模塊9,所述傳感器8與所述控制 電路板5的信號輸入端相連接，所述左驅動電機6、右驅動電機7分別與所述控制電路板5的 輸出端相連接，所述電源模塊9分別為所述左驅動電機、右驅動電機、傳感器和控制電路板 供電，所述左驅動電機與所述左驅動車輪相連接，所述右驅動電機與所述右驅動車輪相連 接，所述傳感器8包括設置在車底盤前方的紅外線光電傳感器81和超聲波傳感器82,所述紅 外線光電傳感器和超聲波傳感器均與所述控制電路板的信號輸入端相連接，在所述左驅動 電機6和右驅動電機7上均設有光電編碼器10,所述光電編碼器連接在左驅動電機和右驅動 電機的主軸上。
[0021] 智能小車采用差速轉向方式進行轉向，在小車的左、右輪上分別裝上兩個獨立的 驅動電機，通過控制左右輪的速度差來實現車體的轉向。當左輪的速度大于右輪時，車體向 右轉彎；當右輪的速度大于左輪時，車體向左轉彎。
[0022]三輪智能小車車體前方裝有紅外線及超聲波作為與外界通信裝置，左右兩個電機 上裝有光碼盤，通過計算脈沖個數，也能作為與外界通信的裝置。
[0023]完成車體方位計算的基本輸入數據是車輪前進或后退的距離，這是通過對驅動車 輪的電機轉動角度的周期性采樣而獲取的。光電編碼器(光驅盤)連接在左右電機軸，隨電 機的轉動，光電編碼器發出A、B兩相脈沖，相位的超前或滯后關系，代表了電機的正轉或反 轉。鑒相電路與脈沖計算電路相結合，以增加或減小的形式發出一系列十六進制代碼，從而 可判斷出左右電機正、反轉的角位移變化情況。在車輪不打滑和車輪直徑參數準確的情況 下，電機軸的角位移與左右驅動輪行走的距離存在比例關系。將上述光碼盤發出的脈沖計 數處理后所得之信息傳輸給小車，便可實現對小車的路徑跟蹤實時控制。為實現這一功能， 需進行:積分公式的恰當離散化，構造合適的算法，并在車載計算機上實現。如下式所示為 智能小車在實時數學模型。 "cos^/2 cos^/2"
[0024] X = B(0)^U^W= sin^/2 -1/w Ifw
[0025] 所述控制電路板5上設有處理器51、穩壓電路52、電機驅動電路53和H橋電路54，所 述穩壓電路52與所述電源模塊9相連接，所述穩壓電路52的輸出端與處理器51相連接，所述 紅外線光電傳感器81和超聲波傳感器82均與處理器51的信號輸入端相連接，所述處理器51 的驅動信號端與所述電機驅動電路53相連接，所述電機驅動電路53的輸出端與所述H橋電 路54相連接，所述H橋電路54與左驅動電機6、右驅動電機7相連接。由圖3可知，當EN端為1時 才可驅動電機轉動，其中ENA、IN1、IN2控制左電機，ENB、IN3、IN4控制右電機，ENA控制OUT 1 和0UT2端，ENB控制0UT3和0UT4端，INI、IN2、IN3、IN4控制左右電機正反轉。
[0026]在所述控制電路板5上還設有與所述處理器相連接的通信電路55。
[0027]本文以平面運動的三輪小車，這種機構是由獨立驅動的兩個前輪和小腳輪或球形 車輪構成的輔助輪組合而成，令位姿矢量x= [X(t)，Y(t)，0(1:)]1'，速度控制失量11=(>1，'\^ )T，其中從Vl、Vr分別為小車的左輪平移速度和右輪平移速度，則小車的運動學模型為，X = B (0)*u cos 912 cos G!2
[0028] 其中：5(沒)=sin沒/2 sin沒/2 -1/w 1/w
[0029] 移動小車的運動控制實質是如何根據小車上的傳感器測得的位置信息去跟蹤一 條希望的路徑。運行控制器是以希望的路徑為參考輸入，測得的位置信息作反饋信號進行 跟蹤控制。
[0030] 小車是由前輪(輔助輪）、后輪(驅動輪）、車體及信息處理系統所組成，其在坐標系 的狀態由后軸中點坐標(x，y)及0表示，即x=[X(t)，Y(t)，0(t)] T的。而控制變量是用驅動 輪的左輪速度Vl與右輪速度Vr來表示，即u= (Vl，Vr)t。
[0031] 路徑產生器根據各種信息可產生出小車將要運行的一系列狀態Xr，與對應的控 制變量Ur，，路徑跟蹤器即可根據當前的希望狀態Xr、控制Ur，及測得的狀態X m，，通過一定的 控制算法，產生出實際的控制變量Uc(Vl，Vr)，而控制變量V\和V'R是通過各自獨立的伺服控 制系統驅動電機運行。伺服系統的反饋信號分別取自安裝在兩個電機軸上的光電編碼器， 其中一個電機用作左輪驅動用，另一個電機作右輪驅動用。這兩個差分后輪上安裝了兩個 光電編碼器作為位置測量傳感器，可以產生出相對的位置估計。
[0032] 車體方位計算是路徑軌跡推算導向法的基礎。本文以光碼盤作為傳感器的車體方 位推算導向技術。基本假設如下：
[0033] (1)車體所在路面為光滑平面；
[0034] (2)車輪在運動過程中，在縱向（輪面所處方向）作純滾動，在橫向無側滑運動；
[0035] (3)車體有關參數，如左右輪直徑相等為D，左右輪間距砰在車體負載與空載情況 下相同。
[0036] 點為車體位置參考點，車體中心線A與總體坐標軸的夾角0(t)代表車體方向， X(t)、Y(t)、0(t)代表了車體的方位。在車體左右輪不發生側滑的情況下，車體方位與左右 輪運動速度Vl和Vr具有如下關系：
[0038]在車輪作純滾動的情況下，輪軸中心點在縱向經過的距離SA，應與車輪與地面接 觸之外緣任一固定點繞車輪圓心在環向所經過的距離SC相等，即SA=Sc。
[0039] 設由檢測電機到車輪的減速比no。，檢測電機軸轉動0弧度時車輪轉動=0/n〇弧 度，則比例常數
此時檢測電機
[0040] 上的1=[乂(0，￥(0，0(0]7光碼盤(其分度數為25〇〇)發出!11個脈沖，則
[0041 ]因其具有周期性，將其離散化后得到：
[0043] 在區間[tn，tn+T]內，對coso(t)采用線性插
_ >
[0045] 所得:對fM采用近似積分
[0046] 最終化簡的至I
[0047]根據左右輪檢測電機光碼盤發出脈沖的個數m，即可求得Sr, n、Sr, n+1、Sl, n、Sl, n+i，從 而求出車體方位(X(t)，Y(t)，0(t))。
[0048] 人工勢場法
[0049] 人工勢場法在小車的運動空間中創建了一個勢場。？^表示目標對小車的斥力，隨 著小車與障礙物的距離增加而單調遞減，Fr2表示目標對小車的引力，隨著與目標距離增加 而單調遞增，F r表示引力和斥力的合力，小車沿著合力的方向運動。
[0050] 定義勢場函數為U(X)=Ua(x)+Ur(x)，式中，U a(x)，Ur(x)為目標點和障礙物對機器 人的引力場。
[0051] 定義引力勢場為1式中，k為大于0的引力場常量;Xg為目標點 置。
[0052]定義引力為引力勢場的負梯度為Fa(x) =-grad(ua(x)) =K(Xg-x)。
[0053]定義斥力勢場為
，式中，m為大于0的斥力場常 量;P為障礙物的范圍;XQ為障礙物位置。
[0054]定義斥力為引力場的負梯度為
[0056] 因此總勢場函數為U(X)=Ua(X)+Ur(X)。
[0057] 小車受到的合力為F(X)=Fa(x)+Fr(x)，此合力決定了機器人的運動。
[0058] 仿真結果在MATLAB仿真試驗中表明（見圖4所示），該智能小車能夠實現自主避障 尋找最優路徑到達終點。
[0059]顯然，本實用新型的上述實施例僅僅是為清楚地說明本實用新型所作的舉例，而 并非是對本實用新型的實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明 的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以 窮舉。而這些屬于本實用新型的實質精神所引伸出的顯而易見的變化或變動仍屬于本實用 新型的保護范圍。
【主權項】
1. 一種小車自主尋優智能控制系統，包括車底盤、設置在所述車底盤前端的左驅動車 輪、右驅動車輪和設置在所述車底盤后端中心的萬向輪，其特征在于:在所述車底盤上還設 有控制電路板，所述控制電路板與所述車底盤為上下分層安裝，在所述車底盤的下部設有 左驅動電機、右驅動電機、傳感器和電源模塊，所述傳感器與所述控制電路板的信號輸入端 相連接，所述左驅動電機、右驅動電機分別與所述控制電路板的輸出端相連接，所述電源模 塊分別為所述左驅動電機、右驅動電機、傳感器和控制電路板供電，所述左驅動電機與所述 左驅動車輪相連接，所述右驅動電機與所述右驅動車輪相連接，所述傳感器包括設置在車 底盤前方的紅外線光電傳感器和超聲波傳感器，所述紅外線光電傳感器和超聲波傳感器均 與所述控制電路板的信號輸入端相連接，在所述左驅動電機和右驅動電機上均設有光電編 碼器，所述光電編碼器連接在左驅動電機和右驅動電機的主軸上。2. 根據權利要求1所述的一種小車自主尋優智能控制系統，其特征在于:所述控制電路 板上設有處理器、穩壓電路、電機驅動電路和H橋電路，所述穩壓電路與所述電源模塊相連 接，所述穩壓電路的輸出端與處理器相連接，所述紅外線光電傳感器和超聲波傳感器均與 處理器的信號輸入端相連接，所述處理器的驅動信號端與所述電機驅動電路相連接，所述 電機驅動電路的輸出端與所述H橋電路相連接，所述H橋電路與左驅動電機、右驅動電機相 連接。3. 根據權利要求2所述的一種小車自主尋優智能控制系統，其特征在于:在所述控制電 路板上還設有與所述處理器相連接的通信電路。
【文檔編號】G05D1/02GK205594446SQ201620259960
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年3月31日
【發明人】黃丹, 羅文廣, 蔣春利
【申請人】廣西科技大學