嵌入式小車循跡控制系統

徐健

(貴州工業職業技術學院 電子與信息工程分院，貴州 貴陽 550008)

月球車循跡控制模塊總體框圖，如圖1所示（比賽還要完成圖像采集與無線傳輸，這里是其中循跡功能），采用ARM9 芯片S3C2440為主控芯片，通過單片機來控制電機和讀取并處理編碼信息，ARM9 與單片機之間，通過串口通信來控制所輸出的PWM 參數和讀取單片機處理后的當前速度值[1]。

圖1 系統總體框圖

1 硬件設計

1.1 主控芯片

S3C2440 采用ARM920T的RISC處理器，0.13 μm的CMOS 標準宏單元和存儲器單元，ARM920T實現了MMU、AMBA、BUS 和Harvard 高速緩沖體系結構，具有獨立的16KB 指令Cache 和16KB數據Cache，同時提供一套完整的通用系統外設[2]。

1.2 循跡模塊

采取紅外探測法，利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質的特點，在小車行駛過程中不斷地向地面發射紅外光，當紅外光遇到白色紙質地板時，發生漫反射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線，則紅外光被吸收，小車上的接收管接收不到紅外光。單片機就是否收到反射回來的紅外光為依據，來確定黑線的位置和小車的行走路線。紅外探測器探測距離有限，一般最大不應超過15 cm。紅外光的發送接收，選用型號為RPR220的對管。其循跡模塊如圖2所示。

圖2 循跡電路圖

當小車在白色地面行駛時，裝在車下的紅外發射管發射紅外線信號，經白色反射后，被接收管接收，一旦接收管接收到信號，那么圖中光敏三極管將導通，比較器輸出為低電平；當小車行駛到黑色引導線時，紅外線信號被黑色吸收后，光敏三極管截止，比較器輸出高電平，從而實現了通過紅外線檢測信號的功能。

將檢測到的信號送到單片機I/O 口，當I/O 口檢測到的信號為高電平時，表明紅外光被地上的黑色引導線吸收了，表明小車處在黑色的引導線上；同理，當I/O 口檢測到的信號為低電平時，表明小車行駛在白色地面上。

此種方法容易受到周圍環境的影響，對檢測到的信號有一定的影響。為消除其影響，制作好以后，將賽車放置賽道白色區域，用萬用表讀取白色的信號輸出（大概為1 V 左右），同理，將傳感器放置黑線上，讀取黑點值（大概為4 V 左右）。8個傳感器依次檢測一遍，以確保所有傳感器都工作正常，并根據實際檢測結果設定一個閾值電壓，用以區分黑白。調節電位器，同時檢測比較器上參考電壓的值，使賽車能夠很好地區分被測物體的黑白（大概為3～4 V）。

2.3 電機驅動模塊

采用常用的H 橋電機驅動芯片BD6225 驅動小車電機，S3C2440 通過串口通信通過單片機產生PWM 波來調整直流電機的電壓從而控制小車的轉速，PWM 由一系列占空比不同的矩形脈沖構成，PWM 波的占空比越大，產生的電壓越高，通過其比的變化調整電機電壓，以致使電流發生變化從而可以很好地控制電機的轉速[3]。

2 軟件設計

在月球車循跡行走過程中，為了能精確測定黑線位置，并確定小車行走的方向和速度的控制，根據比賽黑線的寬度，在小車底盤并排裝設8個紅外探測頭，在電路板制作過程中，根據實際需要調整了紅外探測頭之間的距離，使得小車在黑線行駛時確保剛好有2個探頭在黑線上（當中間2個探頭在黑線，可以使小車以最快速度向前行走），提高其循跡的可靠性。

小車行走時，為了保證小車始終在8個探頭的其中2個下面，程序設計過程中，定義了一個數組

const unsigned char table [7]= {0x3f,0x9f,0xcf,0xe7,0xfc,0xf9,0xf3}，

這個數組是把小車能在兩個探頭下行駛的情況包含進來，例如：當小車處于8個探頭的中間2個行駛時（0xe7），根據算法使小車行駛速度達到最快；當采集到傳感器信號值為0x3f 時，表示小車偏離正中心處于靠右，這時根據算法不斷調整小車行走方向和速度，通過不斷的修正，最后使小車處于正中央行駛同時保持最快速度行駛。圖3是循跡程序的流程圖。

圖3 程序流程圖

程序設計主要用到以下幾個函數：

read(fd_sensor,&sensorData,sizeof(unsigned char))；讀取傳感器信息

calc_sensor(sensorData,&biasValue,&blackSum)；計算出小車偏移黑線值和在黑線上的傳感器數目

calc_motor(pMotor_L,biasValue)；根據目標位置做調整算法

calc_motor(pMotor_R,biasValue)

程序首先通過讀函數讀取傳感器采集到的信息，根據傳感器參數計算出小車方向，小車偏移的黑線值和在黑線上的傳感器數目，通過這些信息計算出小車的行駛方向，通過調整算法使小車以最快的速度行駛在準確的方向上。

3 結束語

比賽結果表明本設計具有結構簡單，容易實現等的特點。小車能按照控制要求平穩快速的循黑色軌跡運行。

[1]徐 瑋，沈建良.單片機快速入門[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[2]馬忠梅.ARM&Linux 嵌入式系統教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.

[3]張黃鵬.智能循跡小車的研究[J].科技向導，2011，（32）：116-117.