智能小車控制系統循跡功能的創新設計與實現

孟憲宸

摘 要：本文在設計并實現了智能小車的控制系統的循跡功能的基礎上，創新性地提出了改善循跡功能的方法。該智能小車能夠沿著指定的路線行駛，實現自主判斷路徑的功能。智能小車的控制系統包括MCU、振蕩器以及復位電路。MCU選擇8位單片機STC89C52RC，其具有速度快、可靠性好、功耗低等諸多特性。循跡模塊包括路徑判斷電路、主控制系統以及左右輪擺動控制電路。本文對循跡功能的改進使得智能小車的循跡魯棒性得到提升，具有應用價值。

關鍵詞：STC89C52RC；循跡；智能小車

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）20-0024-02

1 引言

智能小車是各種高新技術綜合集成的載體，其集環境感知、規劃決策等功能于一體，融合了機器人技術、人工智能技術、自動化控制技術、機器視覺技術等。智能小車的主要特點在于，無論路線周邊的具體情況如何，都能夠沿著指定的路線行駛，完成自主判斷路徑的功能。針對智能小車的控制系統的循跡功能，本文將著重對其設計和實現上的創新進行研究。

2 現有智能小車存在的問題

通常的智能小車在循跡時主要完成如下功能：將黑色膠帶黏貼于白色或者淺色場地上，并將該黑色膠帶的路徑設為智能小車行駛過程中的路線；以單片機為處理器的控制系統對智能小車行駛過程進行控制，使智能小車能夠在指定的路線上行駛，完成智能小車的循跡功能。

3 智能小車的系統總體設計

智能小車主要包括車身和控制系統這兩個部分。本文的智能小車的控制系統包括MCU、振蕩器以及復位電路。[1]

如圖1所示，在智能小車的車身上設有電源、轉向舵機模塊、控制器、雙H橋驅動板以及電機驅動模塊，并且在車身的前端設有固定架，在固定架上設有循跡模塊；電源的輸出端與控制器及雙H橋驅動板的輸入端連接，雙H橋驅動板的輸出端與電機驅動模塊的輸入端連接，控制器與轉向舵機模塊及循跡模塊連接，轉向舵機模塊與智能小車的前輪之間通過轉向拉桿連接；電機驅動模塊與車身的后輪連接。

4 智能小車系統的硬件設計

4.1 MCU的選擇

從成本角度和實用性角度出發，MCU選用8位單片機STC89C52RC，其特點在于，價格便宜、功耗較低、能夠降低單片機對外部的電磁輻射、抗干擾能力強[1]。該MCU與8051單片機兼容，正常工作模式下典型功耗為4mA～7mA，內置8K的Flash程序存儲器、512B的RAM和2K的E2PROM，內部設置有3個定時器/計數器，能夠進行8位、13位、16位的定時/計數。該MCU能夠在3.4V～6V的電壓范圍下進行工作，用戶可以根據需要自主選擇如C語言或者匯編語言等編程語言。

4.2 電機選擇

控制系統的驅動電機采用了步進電機，其能夠精確測量路徑并且對路徑進行準確的定位。與通常的電機相比，步進電機能夠實現開環控制而無需反饋信號。當然，步進電機也存在其缺陷：其輸出轉矩較低，在轉速升高的過程中，輸出轉矩下降；在轉速過大的情況下，輸出轉矩會較大程度地降低。但本文中的智能小車對速度沒有較高的要求，因此并不會對設計造成不良影響。

4.3 電機驅動電路的設計

從穩定性的角度出發，電機驅動電路選用L293D芯片，其便于進行操作，有良好的穩定性。L293D芯片的管腳圖如圖2所示。

4.4 循跡模塊的設計

控制系統的循跡模塊通過將主控制系統與路徑判斷電路和左右輪擺動控制電路連接而構成。其作用在于，路徑判斷電路對智能小車的行駛軌跡進行檢測，將檢測到的信息轉化為電信號向主控制系統輸出。主控制系統在接到電信號之后按照事先設定的程序進行運算，之后將計算結果向左右輪擺動控制電路輸出。左右輪擺動控制電路對智能小車的電機的運轉狀態進行驅動，完成左右輪轉向的控制。以下將詳細說明循跡模塊的路徑判斷電路和左右輪擺動控制電路的具體結構。

在路徑判斷電路是用于對通常的黑色路徑進行判斷的情況下，其設計為包括二極管D1～二極管D4、電阻R1～電阻R4以及電容C1。二極管D1的正極經由電阻R1而與電容C1的一端和電源相連接，負極與電容C1的另一端和地相連接。二極管D2的負極經由電阻R2而與電容C1的一端和電源相連接，并且與主控制系統相連接，正極與電容C1的另一端和地相連接。在行駛過程中，智能小車通過二極管D1、二極管D3持續地向地面發出紅外光，紅外光則會根據遇到白色地面還是遇到黑線而發生漫反射或者被吸收。在白色地面的情況下，紅外光發生漫反射，二極管D2、二極管D4接收反射光；在黑線的情況下，紅外光被吸收，則沒有信號向二極管D2、二極管D4發送，此時對信號進行檢測。檢測到智能小車行跡的信號直接輸出到主控制系統進行數據處理。循跡模塊的路徑判斷電路設計如圖3所示。

5 循跡模塊的功能實現與創新

5.1 循跡模塊的功能實現

對于智能小車在通常的黑色路徑上行駛的過程中，智能小車的二極管D1、二極管D3持續向地面發出紅外光，紅外光會根據遇到白色地面還是遇到黑線而發生漫反射或者被吸收。在白色地面的情況下，紅外光發生漫發射，二極管D2、二極管D4接收反射光；在黑線的情況下，紅外光被黑線吸收，沒有信號向二極管D2、二極管D4發送，此時對信號進行檢測。智能小車行跡的信號向主控制系統輸入之后，主控制系統按照事先設定的程序對路徑判斷電路輸出的信號進行運算，根據計算結果輸出控制信號到左右輪擺動控制電路。左右輪擺動控制電路分別向智能小車的步進電機輸出控制信號，從而驅動步進電機進行正反向旋轉。在正常情況下智能小車兩側紅外對管保持在黑線范圍之內，智能小車勻速向前或向后運動。當路徑判斷電路檢測到路面上左邊的黑線時，主控制系統通過左右輪擺動控制電路控制左輪步進電機停止旋轉，智能小車向左修正。當路徑判斷電路檢測到路面上右邊的黑線時，主控制系統通過路徑判斷電路控制右輪步進電機停止旋轉，智能小車向右修正。由此，實現對小車的循跡進行控制。

5.2 循跡功能的創新設計

為了提高智能小車循跡的精度和靈敏度，本文提出在智能小車的行駛路徑上設置能夠發射紅外光的貼片式發光二極管。在這種情況下，對于圖3中的路徑判斷電路來說，可以省去設置二極管D1、D3而僅利用二極管D2、D4對紅外光進行捕捉，并根據捕捉到的路徑信息對智能小車的軌跡進行判斷。

此外，由于對路徑進行識別的過程從判斷是否有紅外光被吸收轉變為了判斷是否接收到較強的紅外光，因此只要相應地對MCU的控制程序進行調整即可。

在設置能夠發射紅外光的貼片式發光二極管的情況下，發射紅外光的二極管所產生的紅外光的強度相比于環境中所產生的紅外光的強度大得多。因此，與通常設計中的黑線所吸收的紅外線和白色地面所漫反射的紅外線之間在紅外光強度方面的差異相比，上文提出的能夠發射紅外光的路徑與無法主動發射紅外光的環境之間在紅外光強度方面的差異大得多。從而能夠在路徑的精確定位方面起到顯著的效果。

6 結語

本文在設計并實現了智能小車的控制系統的循跡功能的基礎上，創新性地提出了改善循跡功能的方法。該智能小車能夠沿著指定的路線行駛，實現自主判斷路徑的功能。智能小車控制系統的循跡模塊包括路徑判斷電路、主控制系統以及左右輪擺動控制電路。通過對循跡功能進行改進，使得智能小車的循跡魯棒性得到提升，因此本文所實現的系統具有較高的應用價值。

參考文獻

[1]王凱，胡杰.無線射頻在智能公交系統中的應用[J].長江大學學報（自科版），2010，7（3）：616-618.

[2]陳暉，張軍國，李默涵，等.基于STC89C52和nRF24L01的智能小車設計[J].現代電子技術，2013，35（17）：12-15.endprint