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國立聯合大學 2016 年第五屆金腦獎專題競賽
計畫書
專題競賽題目：
紅外線技術應用-無人車之導引
報名編號： 8
指導教授： 阮瑞祥 教授
就讀系所： 電子工程系
參賽隊員： 蕭志宇 （隊長）
中
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I
摘要
隨著時代的進步，無人車這項技術可說是未來的趨勢，現在的汽車大廠也 有一些相關的技術存在，此研究在於利用不同的自動巡軌技術，讓車子可以在特 定區域中利用特定的感測方式，讓車子自行移動，不需要經由人為控制，方能使 車引導至目的地及所要執行的任務。 此研究我利用了國產(MG82FL564AD)為核心，作為判斷和操控車體的 MCU，在此我分為兩種自動巡軌方式，分別利用『超音波感測器』和『紅外線 發射器及接收器』做為兩種不同巡軌的運用，並且可以利用『紅外線作站點定位』 處理。 藉由這兩種巡軌方式可以達到使車輛可以在『停車場』、『工廠』或者是『特 定室內場合』巡軌，實際利用可用於『停車』、『工廠自動化搬運』和『小型室內 自動巡邏車』，因此我利用這兩項技術，達成巡軌機制並且在未來做整合和實際 運用，將這項技術發揮在現實生活上。II
目錄
摘要---I 目錄---II 第一章 研究背景、動機與目的---1 第二章 架構---1 2.1 車體---1 2.2 硬體架構---2 2.2.1 主架構---2 2.2.2 紅外線(Iefeared)發射端架構---2 2.3 單元---2 2.3.1 MCU(MG82FL564AD) ---2 2.3.2 馬達驅動 IC (MD123) ---3 2.3.3 超音波模組(HC-SR04) ---4 2.3.4 紅外線二極體---4 2.3.5 紅外線接收器---5 2.4 使用軟體語言介紹---5 第三章 研究流程---6 3.1 實驗方法---6 3.1.1 超音波巡牆及障礙物躲避方法---6 3.1.2 紅外線導引方法---6 3.2 流程圖---6 3.3 實驗結果---8 第四章 研究內容---8 4.1 創新想法---8 4.2 預期功能---8 第五章 結論於未來建議---9 5.1 結論---9 5.2 未來建議---9 第六章 參考文獻---91
第一章 研究背景動機與目的
無人車在資訊時代爆發的年代相信會越來越普及化，也因為什麼事情 都以成本為考量，很多事情都已經自動化減少人力的操作，做為這些技術的 工具可說是非常的多，其中就以 GPS 導航為最普遍的方式，但是 GPS 卻不 能在室內運用自如。而不能在室內使用這項技術，因此運用了『超音波感測 器』和『紅外線發射器及接收器』作為室內自動導航的運用，而實際運用上 像是資料的運輸、工廠運送車……等。此技術也可用於自動停車上，將車子 放在特定區域後車子將自動行駛至特定停放區域。 然而我個人想運用此技術在電子系館上做運用，利用項技術讓車子能 自動環繞著電子系館樓層中，在這項技術整合純熟後，在未來會加上其他設 備加以利用，朝『室內巡查車』及『資料運輸車』的目標邁進。
第二章 架構
2.1 車體
本次使用的車體是用於教學用的自走車，價格不貴且可以達到應有的行走 方式，所以採用此車型進行研究。 圖(一)車體外觀圖 車體體積 32*16*10 cm3 車體重量 ~2kg 車體馬達 HC-120 Min3V Max5V*2 車體感測器 超音波傳感器*3 紅外線接收器*1 電力源 行動電源 5V/2A表(一)車體介紹
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2.2 硬體架構
在這次研究中會有三種不同方式的感測方式所達成自走車效果，因此在下 方會依據各個主體來做介紹。2.2.1 主架構
圖(二)主架構2.2.4 紅外線(Iefeared)發射端架構
圖(三) 紅外線發射架構2.3 單元
2.3.1 MCU(MG82FL564AD)
此研究所使用的 MCU 為國產 8bit Megawin MG82FL564AD MCU，為控制 車子整體的行車的自動導航。 紅外線發射器 120V 轉 12V 變壓器 內建 12V 轉 5V MCU 直 流 馬 達 驅 動 IC 直流馬達 紅外線接收器 超音波收發器 MCU 行 動 電 源
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圖(四) MCU-MG82FL564AD
2.3.2 馬達驅動 IC (MD123)
透過內部 H-Bridge 電路來達到馬達運作正反轉，再透過 MCU 產生 PWM 訊號來調解馬達運轉速度(意指無人車的速度)，本人使用本國『點晶科技(SiTl)』 所產的 MD123 直流馬達驅動 IC，使用方式以 MCU 控制此電路 IN1、IN2、IN3 和 IN4 來做輸入，O1、O2、O3 和 O4 來做輸出接至馬達來達到控制，本人使用 兩顆馬達左右各一顆，來達到前進(Fword)、後退(Back)、左轉(Left)、右轉(Righe)、 停止(Stop)、煞車(Brake)等功能。
圖(五)MD123 電路圖
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2.3.3 超音波模組(HC-SR04)
使用上先給與此元件 10us 的初發訊號，超音波模組就會傳出 8 個 40kHz 的訊號以 15 度的廣角送出，有接觸物品並會彈回，而傳回的訊號會經由超音波 模組送出與時間等比例的的脈波訊號，並且在正前方(0 度)可以達到最高偵測範 圍 4m。 圖(七)HC-SR04 圖(八)超音波時序圖2.3.4 紅外線二極體
使用的是由億光電子所製造的 IR333C/H0A，外觀上和一般 LED 燈沒有 什麼區別如圖(九)，差別在於他的工作順向電流 If如表(二)，利用 MCU 去控制發 射訊號。 圖(九) 紅外線二極體 元件 發光二極體 紅外線二極體 If 20mA 100m Vf 1.8~3.4V 1.4 ~1.8V 表(二)發光和紅外線二極體比較表5
2.3.5 紅外線接收器
使用勝威力所產的 FM-6038TM2-5AN 當作接收器，外觀如圖(十)，紅外 線接收器以 NEC 的標準 38kHz 的載波才能使其動作，經過電路處理後將載波訊 號以低準位輸出，無載波訊號以高準位輸出如圖(十三) 圖(十)紅外線接收器 圖(十一)紅外線接腳圖 圖(十二)紅外線接收電路 圖(十三)紅外線接收解碼輸出
2.4 使用軟體語言介紹
Keil u Vision5 是由美國 Keil Software 公司所出品的 C 語言整合發展環境 (Integrated Development Enviromnent, IDE)。
圖(十四)Keil uVision5 啟動載入介面
6 會使用 Keil uVision5 的主要原因在於它擁有全視窗介面，讓人使用起來 更加人性化且容易上手，除此之外因為它使用的是 C 語言，因此在程式上更加 容易撰寫，不管是功能、可讀性、維護性及架構上都讓使用者易學易用，且它內 部的除錯能力相當的好，讓程式撰寫者能較輕鬆的發現錯誤點在何處，效率更顯 得快速。
第三章 研究流程
3.1 實驗方法
3.1.1 超音波巡牆及障礙物躲避方法
本實驗用於三顆超音波距離感測來實現無人車巡牆及躲避障礙物的功 能，左側兩顆超音波偵測牆壁是否存在，並且利用兩顆超音波來達到車頭矯正之 功能，讓車身能筆直前進，而前方超音波則是拿來做為障礙躲避的應用。 當前方距離障礙物距離 20cm 內進行車輛停止並且向後退，20 ~27cm 內時進行障礙物躲避繞行，巡牆感測主要利用前方超音波進行巡牆和牆壁 距離為 17~19cm 內，後方超音則是利用和前方超音波差值來判斷車輛車頭是否 為正來進行車頭校正，當車輛偏離正確距離內時也會進行車輛位移移動到正確位 子。 圖(十六)超音波導航實測圖3.1.2 紅外線導引方法
此實驗運用紅外線發射訊號產生軌道，因為紅外線發射訊號會產生一個近 乎圓形的接收範圍，這樣無法將車體保持在直線上，因此我在紅外線旁加入一片 紙板讓紅外線照在地面後產生一個半圓的接收範圍，利用半圓的直線來使無人車 做導航，圖片說明請看圖(十七)。 測量距離和牆壁保持 距離進行巡牆導航7
圖(十七)紅外線投射示意圖
圖(十八)實體紅外線發射安裝紙板 而彎道的部分有如圖(十八)紅色圈起處所示，利用弧狀面的紙板隔絕 3 顆 紅外線發射器的紅外線光線，使得路徑變為弧狀路徑方能使車輛進行轉向。
3.2 流程圖
開始
初始化狀態
超音波障 礙物及巡 牆感測 紅外線 判斷邏輯解碼
超音波車體運作
邏輯判斷
紅外線
車體運作
結束
車體狀況判斷
Ture False Ture False8
3.3 實驗結
圖(二十)實驗結果快拍圖 圖(二十)為最後的測試結果，測試完可看出紅外線無人車導引這 技術是可行的，圖中分為早上拍攝和晚上拍攝，左為早上右為晚上， 主要的目的在於讓我們可以得知，在紅外線經過編碼的狀況下，如有 其他紅外線訊號的干擾也不會受到影響，並且在晚上拍攝的影片中在地板黏貼了 黑色膠帶，此目的在於讓觀看者可以清楚的知道紅外線引 導所行駛的路近為何，影片可從最後的光碟及以下網址來做觀看。 影片網址：https://www.youtube.com/watch?v=JDHPY5nfjB4第四章 研究內容
4.1 創新想法
1. 利用紅外線作為無人車引導的媒介，達到控制無人車的達所要的地點。 2. 利用紙板作為光線遮蔽的物品，來達到軌道呈現曲弧狀方使車體能順利轉彎。4.2 預期功能
讓無人車能夠依照紅外線的布局來達到紅外線引導，並且可透過超音波模組 達到避障或是偵測障礙物的應用。9
