一种小车自主寻优智能控制系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种小车自主寻优智能控制系统，包括车底盘、设置在车底盘前端的左驱动车轮、右驱动车轮和设置在车底盘后端中心的万向轮，在车底盘上还设有控制电路板，在车底盘的下部设有左驱动电机、右驱动电机、传感器和电源模块，传感器与控制电路板的信号输入端相连接，左驱动电机、右驱动电机分别与控制电路板的输出端相连接，传感器包括设置在车底盘前方的红外线光电传感器和超声波传感器，红外线光电传感器和超声波传感器均与控制电路板的信号输入端相连接，在左驱动电机和右驱动电机上均设有光电编码器。本实用新型的结构简单、操作便捷，大大提高了车的使用稳定性，提高了控制的精确度，适用性强且实用性好。
【专利说明】
一种小车自主寻优智能控制系统
技术领域
[0001] 本实用新型属于无人驾驶车技术领域，具体涉及一种小车自主寻优智能控制系 统。
【背景技术】
[0002] 随着机器人在工业领域与探索外星球上广泛应用，人们对机器人的"智能"期望越 来越高，要求机器人在运动过程中要有与周围环境交互的能力，而其最基本也最重要的需 求就是要求机器人能规划出避碰路径，顺利到达目标.智能机器人在社会各个领域的实际 应用主要有以下几个方面。
[0003] 海洋开发:用于海洋的石油开采。
[0004] 空间探测：生存空间的竞争一直是各国竞相追逐的目标，人们开始进行太空竞技， 追寻更多的可用资源。
[0005] 地质勘探:地质勘探用到的机器人主要体现在采掘和地下管道的检修两方面。
[0006] 医疗保健:用于医疗环境模拟、精确手术、无自理能力的人群等。
[0007] 此外，无人驾驶智能车辆在工业柔性生产、公路交通运输、精细农业、物流自动化、 军事等领域具有十分广阔的应用前景和重大的社会经济效益。
【发明内容】
[0008] 为了解决上述技术问题，本实用新型是提供一种结构简单、使用稳定性好且适用 性强的小车自主寻优智能控制系统。
[0009] 实现本实用新型目的的技术方案是:一种小车自主寻优智能控制系统，包括车底 盘、设置在所述车底盘前端的左驱动车轮、右驱动车轮和设置在所述车底盘后端中心的万 向轮，在所述车底盘上还设有控制电路板，所述控制电路板与所述车底盘为上下分层安装， 在所述车底盘的下部设有左驱动电机、右驱动电机、传感器和电源模块，所述传感器与所述 控制电路板的信号输入端相连接，所述左驱动电机、右驱动电机分别与所述控制电路板的 输出端相连接，所述电源模块分别为所述左驱动电机、右驱动电机、传感器和控制电路板 供电，所述左驱动电机与所述左驱动车轮相连接，所述右驱动电机与所述右驱动车轮相连 接，所述传感器包括设置在车底盘前方的红外线光电传感器和超声波传感器，所述红外线 光电传感器和超声波传感器均与所述控制电路板的信号输入端相连接，在所述左驱动电机 和右驱动电机上均设有光电编码器，所述光电编码器连接在左驱动电机和右驱动电机的主 轴上。
[0010] 所述控制电路板上设有处理器、稳压电路、电机驱动电路和H桥电路，所述稳压电 路与所述电源模块相连接，所述稳压电路的输出端与处理器相连接，所述红外线光电传感 器和超声波传感器均与处理器的信号输入端相连接，所述处理器的驱动信号端与所述电机 驱动电路相连接，所述电机驱动电路的输出端与所述H桥电路相连接，所述H桥电路与左驱 动电机、右驱动电机相连接。
[0011] 在所述控制电路板上还设有与所述处理器相连接的通信电路。
[0012] 本实用新型具有积极的效果:本实用新型的结构简单、操作便捷，其可有效的根据 需要对车体进行驱动，而且将左驱动车轮、右驱动车轮分别采用不同的驱动电机进行控制， 通过调节左、右轮的速度差来实现对车体的转向，从而大大提高了车的使用稳定性，同时通 过光电编码器实现对左、右驱动电机的转速进行检测，大大提高了控制的精确度，适用性强 且实用性好。
【附图说明】
[0013] 为了使本实用新型的内容更容易被清楚的理解，下面根据具体实施例并结合附 图，对本实用新型作进一步详细的说明，其中：
[0014]图1为本实用新型的结构不意图；
[0015] 图2为本实用新型的电路结构框图；
[0016] 图3为本实用新型的H桥电路示意图；
[0017] 图4为本实用新型中MATLAB仿真试验图。
【具体实施方式】
[0018] (实施例1)
[0019] 图1至图4显示了本实用新型的一种【具体实施方式】，其中图1为本实用新型的结构 不意图；图2为本实用新型的电路结构框图；图3为本实用新型的H桥电路不意图；图4为本 实用新型中MATLAB仿真试验图。
[0020] 见图1至图4,一种小车自主寻优智能控制系统，包括车底盘1、设置在所述车底盘1 前端的左驱动车轮2、右驱动车轮3和设置在所述车底盘1后端中心的万向轮4,在所述车底 盘1上还设有控制电路板5,所述控制电路板5与所述车底盘1为上下分层安装，在所述车底 盘1的下部设有左驱动电机6、右驱动电机7、传感器8和电源模块9,所述传感器8与所述控制 电路板5的信号输入端相连接，所述左驱动电机6、右驱动电机7分别与所述控制电路板5的 输出端相连接，所述电源模块9分别为所述左驱动电机、右驱动电机、传感器和控制电路板 供电，所述左驱动电机与所述左驱动车轮相连接，所述右驱动电机与所述右驱动车轮相连 接，所述传感器8包括设置在车底盘前方的红外线光电传感器81和超声波传感器82,所述红 外线光电传感器和超声波传感器均与所述控制电路板的信号输入端相连接，在所述左驱动 电机6和右驱动电机7上均设有光电编码器10,所述光电编码器连接在左驱动电机和右驱动 电机的主轴上。
[0021] 智能小车采用差速转向方式进行转向，在小车的左、右轮上分别装上两个独立的 驱动电机，通过控制左右轮的速度差来实现车体的转向。当左轮的速度大于右轮时，车体向 右转弯；当右轮的速度大于左轮时，车体向左转弯。
[0022]三轮智能小车车体前方装有红外线及超声波作为与外界通信装置，左右两个电机 上装有光码盘，通过计算脉冲个数，也能作为与外界通信的装置。
[0023]完成车体方位计算的基本输入数据是车轮前进或后退的距离，这是通过对驱动车 轮的电机转动角度的周期性采样而获取的。光电编码器(光驱盘)连接在左右电机轴，随电 机的转动，光电编码器发出A、B两相脉冲，相位的超前或滞后关系，代表了电机的正转或反 转。鉴相电路与脉冲计算电路相结合，以增加或减小的形式发出一系列十六进制代码，从而 可判断出左右电机正、反转的角位移变化情况。在车轮不打滑和车轮直径参数准确的情况 下，电机轴的角位移与左右驱动轮行走的距离存在比例关系。将上述光码盘发出的脉冲计 数处理后所得之信息传输给小车，便可实现对小车的路径跟踪实时控制。为实现这一功能， 需进行:积分公式的恰当离散化，构造合适的算法，并在车载计算机上实现。如下式所示为 智能小车在实时数学模型。 "cos^/2 cos^/2"
[0024] X = B(0)^U^W= sin^/2 -1/w Ifw
[0025] 所述控制电路板5上设有处理器51、稳压电路52、电机驱动电路53和H桥电路54，所 述稳压电路52与所述电源模块9相连接，所述稳压电路52的输出端与处理器51相连接，所述 红外线光电传感器81和超声波传感器82均与处理器51的信号输入端相连接，所述处理器51 的驱动信号端与所述电机驱动电路53相连接，所述电机驱动电路53的输出端与所述H桥电 路54相连接，所述H桥电路54与左驱动电机6、右驱动电机7相连接。由图3可知，当EN端为1时 才可驱动电机转动，其中ENA、IN1、IN2控制左电机，ENB、IN3、IN4控制右电机，ENA控制OUT 1 和0UT2端，ENB控制0UT3和0UT4端，INI、IN2、IN3、IN4控制左右电机正反转。
[0026]在所述控制电路板5上还设有与所述处理器相连接的通信电路55。
[0027]本文以平面运动的三轮小车，这种机构是由独立驱动的两个前轮和小脚轮或球形 车轮构成的辅助轮组合而成，令位姿矢量x= [X(t)，Y(t)，0(1:)]1'，速度控制失量11=(>1，'\^ )T，其中从Vl、Vr分别为小车的左轮平移速度和右轮平移速度，则小车的运动学模型为，X = B (0)*u cos 912 cos G!2
[0028] 其中：5(沒)=sin沒/2 sin没/2 -1/w 1/w
[0029] 移动小车的运动控制实质是如何根据小车上的传感器测得的位置信息去跟踪一 条希望的路径。运行控制器是以希望的路径为参考输入，测得的位置信息作反馈信号进行 跟踪控制。
[0030] 小车是由前轮(辅助轮）、后轮(驱动轮）、车体及信息处理系统所组成，其在坐标系 的状态由后轴中点坐标(x，y)及0表示，即x=[X(t)，Y(t)，0(t)] T的。而控制变量是用驱动 轮的左轮速度Vl与右轮速度Vr来表示，即u= (Vl，Vr)t。
[0031] 路径产生器根据各种信息可产生出小车将要运行的一系列状态Xr，与对应的控 制变量Ur，，路径跟踪器即可根据当前的希望状态Xr、控制Ur，及测得的状态X m，，通过一定的 控制算法，产生出实际的控制变量Uc(Vl，Vr)，而控制变量V\和V'R是通过各自独立的伺服控 制系统驱动电机运行。伺服系统的反馈信号分别取自安装在两个电机轴上的光电编码器， 其中一个电机用作左轮驱动用，另一个电机作右轮驱动用。这两个差分后轮上安装了两个 光电编码器作为位置测量传感器，可以产生出相对的位置估计。
[0032] 车体方位计算是路径轨迹推算导向法的基础。本文以光码盘作为传感器的车体方 位推算导向技术。基本假设如下：
[0033] (1)车体所在路面为光滑平面；
[0034] (2)车轮在运动过程中，在纵向（轮面所处方向）作纯滚动，在横向无侧滑运动；
[0035] (3)车体有关参数，如左右轮直径相等为D，左右轮间距砰在车体负载与空载情况 下相同。
[0036] 点为车体位置参考点，车体中心线A与总体坐标轴的夹角0(t)代表车体方向， X(t)、Y(t)、0(t)代表了车体的方位。在车体左右轮不发生侧滑的情况下，车体方位与左右 轮运动速度Vl和Vr具有如下关系：
[0038]在车轮作纯滚动的情况下，轮轴中心点在纵向经过的距离SA，应与车轮与地面接 触之外缘任一固定点绕车轮圆心在环向所经过的距离SC相等，即SA=Sc。
[0039] 设由检测电机到车轮的减速比no。，检测电机轴转动0弧度时车轮转动=0/n〇弧 度，则比例常数
此时检测电机
[0040] 上的1=[乂(0，￥(0，0(0]7光码盘(其分度数为25〇〇)发出!11个脉冲，则
[0041 ]因其具有周期性，将其离散化后得到：
[0043] 在区间[tn，tn+T]内，对coso(t)采用线性插
_ >
[0045] 所得:对fM采用近似积分
[0046] 最终化简的至I
[0047]根据左右轮检测电机光码盘发出脉冲的个数m，即可求得Sr, n、Sr, n+1、Sl, n、Sl, n+i，从 而求出车体方位(X(t)，Y(t)，0(t))。
[0048] 人工势场法
[0049] 人工势场法在小车的运动空间中创建了一个势场。？^表示目标对小车的斥力，随 着小车与障碍物的距离增加而单调递减，Fr2表示目标对小车的引力，随着与目标距离增加 而单调递增，F r表示引力和斥力的合力，小车沿着合力的方向运动。
[0050] 定义势场函数为U(X)=Ua(x)+Ur(x)，式中，U a(x)，Ur(x)为目标点和障碍物对机器 人的引力场。
[0051] 定义引力势场为1式中，k为大于0的引力场常量;Xg为目标点 置。
[0052]定义引力为引力势场的负梯度为Fa(x) =-grad(ua(x)) =K(Xg-x)。
[0053]定义斥力势场为
，式中，m为大于0的斥力场常 量;P为障碍物的范围;XQ为障碍物位置。
[0054]定义斥力为引力场的负梯度为
[0056] 因此总势场函数为U(X)=Ua(X)+Ur(X)。
[0057] 小车受到的合力为F(X)=Fa(x)+Fr(x)，此合力决定了机器人的运动。
[0058] 仿真结果在MATLAB仿真试验中表明（见图4所示），该智能小车能够实现自主避障 寻找最优路径到达终点。
[0059]显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而 并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明 的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以 穷举。而这些属于本实用新型的实质精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍属于本实用 新型的保护范围。
【主权项】
1. 一种小车自主寻优智能控制系统，包括车底盘、设置在所述车底盘前端的左驱动车 轮、右驱动车轮和设置在所述车底盘后端中心的万向轮，其特征在于:在所述车底盘上还设 有控制电路板，所述控制电路板与所述车底盘为上下分层安装，在所述车底盘的下部设有 左驱动电机、右驱动电机、传感器和电源模块，所述传感器与所述控制电路板的信号输入端 相连接，所述左驱动电机、右驱动电机分别与所述控制电路板的输出端相连接，所述电源模 块分别为所述左驱动电机、右驱动电机、传感器和控制电路板供电，所述左驱动电机与所述 左驱动车轮相连接，所述右驱动电机与所述右驱动车轮相连接，所述传感器包括设置在车 底盘前方的红外线光电传感器和超声波传感器，所述红外线光电传感器和超声波传感器均 与所述控制电路板的信号输入端相连接，在所述左驱动电机和右驱动电机上均设有光电编 码器，所述光电编码器连接在左驱动电机和右驱动电机的主轴上。2. 根据权利要求1所述的一种小车自主寻优智能控制系统，其特征在于:所述控制电路 板上设有处理器、稳压电路、电机驱动电路和H桥电路，所述稳压电路与所述电源模块相连 接，所述稳压电路的输出端与处理器相连接，所述红外线光电传感器和超声波传感器均与 处理器的信号输入端相连接，所述处理器的驱动信号端与所述电机驱动电路相连接，所述 电机驱动电路的输出端与所述H桥电路相连接，所述H桥电路与左驱动电机、右驱动电机相 连接。3. 根据权利要求2所述的一种小车自主寻优智能控制系统，其特征在于:在所述控制电 路板上还设有与所述处理器相连接的通信电路。
【文档编号】G05D1/02GK205594446SQ201620259960
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年3月31日
【发明人】黄丹, 罗文广, 蒋春利
【申请人】广西科技大学