智能小車的設計及制作

姚兵

摘 要 本文分析了智能小車總體設計，我們結合智能小車的硬件系統的設計與功能實現，重點介紹了微控制器電路的設計與原理、主線路板制作、避障電路的原理與設計、電機驅動電路的原理與設計、循跡電路的原理與設計等內容。

【關鍵詞】智能小車 設計 制作

隨著科學技術越來越發達，機器人的制造水平也有了明顯的提升，越來越多的機器人被人們研制出來。近年來，在全球范圍內掀起了一項新的高科技的活動——機器人比賽，雖然機器人比賽興起的時間并不長，但基于機器人本身兼具高科技性和娛樂性，以及比賽機制的競爭性，吸引了眾多科技愛好者的研究學者的喜愛和關注。機器人小車子系統，是整個系統構建當中的核心內容，是整個系統的執行機構，對于系統的運行高以及性能的好壞，具有十分重要的意義。基于小車子系統的特殊性，本文在單片機紅外可控技術的基礎上，結合自動智能車的相關設計理念，立足于比賽的需求，針對遙控技術和自動技術進行開發研究，并得以實現，基于該項技術，用戶的二次開發活動也能夠順利進行，進而幫助用戶實現比賽時所需要的各項特殊功能。本設計通過采用HCS12單片機為控制核心，實現對小車的智能控制。

1 智能小車總體設計分析

1.1 設計的具體要求

在本次競賽活動中，對于小車的設計提出以下要求：小車設計需具備自動行進功能，即小車要能夠在直跑道上高速運行，且具有明顯的穩定性。在比賽設計中，跑道的設計主要采用兩種顏色進行設計，確保跑到設計簡單明了。通常，都會選擇對比度鮮明的黑白兩色，將白色運用在跑道背景的設置上，整個跑道為白色，然后將跑道的中央線，采用黑色進行涂染，而黑線就是小車在跑道上行駛的依據。顯然，小車的行駛，必須要能夠沿著跑道的黑色線進行，這是小車比賽行駛過程中的基本要求。而小車的設計，則要在滿足該需求的基礎上，確保小車的行駛速度得以穩步提升。

1.2 傳感器部分

在針對傳感器進行選擇時，主要以光電傳感器來進行設計，利用觀點傳感器，幫助智能小車對行駛路面的信息，進行采集工作。此外，紅外傳感器的使用也比較多，其最大的優勢在于，紅外傳感器具有簡明的結構，使用起來非常方便，并且其成本很低。在采用紅外傳感器時，幾乎都不需要進行圖像處理工作，且響應時間很低，反應效果非常靈敏，對于近距離的路面情況，能夠起到有效、快捷的檢測作用。然而不足之處在于，在路面信息的獲取方面，紅外傳感器并不能夠將路面的全部信息，都予以獲取，除了進行跑道黑白色的判別之外，還能夠進行距離的檢測，但即使是距離檢測方面，也存在缺陷，其可以檢測的距離是比較有限的。另外，紅外傳感器抗干擾性較差，易受多方面因素干擾影響，包括不同的背景光源對紅外傳感器造成的干擾、器件的不同以及傳感器位置的高低的不同，都會對紅外傳感器的工作性能產生干擾。

1.3 控制算法部分

方向和速度的控制是小車行駛過程中的主要目標，通常情況下，小車的方向控制有舵機來予以實現，而小車的速度控制則由電機來進行控制。可見，小車的舵機控制設計以及電機控制設計，是小車設計當中的核心內容，是操作設計軟件的關鍵部分。舵機和電機控制的設計直接關系著小車的性能能夠實現最優，具有決定性的作用。舵機的控制，主要是度小車行駛中的方向進行控制，即無論小車處于何種行駛狀況，都能夠在合適的范圍內，為小車提供一個偏移量。因此根據比賽規則中確定的賽道模型及其他相關參數，經過多次試驗調整，獲得最優的P、I、D參數。

2 硬件系統的設計與功能實現

2.1 微控制器電路的設計與原理

微控制器電路，是小車系統設計智能化的關鍵部分，處于核心控制地位。微控制器電路的主要對象包括兩類，一類是傳感器，包括小車設計的所有傳感器，另一類的硬件電路，主要針對小車設計中的部分硬件電路。為控制電路的主要工作內容包括：采集小車各路傳感器的信號，并對采集到的信號進行處理和分析；調整小車的部分硬件電路。本設計以MsP430F單片機控制電路作為整個智能救援小車系統的控制電路，通過各種傳感器采集信息，同時發布操作控制信號命令。

2.2 主線路板制作

在本設計當中，小車主線路板的設計制作，主要設計為雙面線路板。雙面線路板的設計和使用，具有非常直觀的有點，首先，雙線路板的設計，在線路的設計方面，難度較低，布線實施起來非常方便，還能確保后期擴展，同時散熱性能好，進一步增強電路板的可靠性。而不足之處是雙面線路板制作操作需完成。

2.3 避障電路的原理與設計

針對光線反射情況的不同，作出不同的電平輸出反應：若果反射回來光線，電平的輸出則為低；如果不存在反射回來的光線，電平的輸出則為高。而輸出的電平的高低可以通過接收頭，反映給單片機，單片機則根據接受的具體情況，作出具體反映，確保小車能夠準確判斷路面情況，繞過障礙物保持前行。

2.4 電機驅動電路的原理與設計

本設計中采用的電機專用驅動芯片L298.1298可直接對電機進行控制，無須隔離電路。通過單片機的I，0輸入改變芯片控制端的電平，即可以對電機進行正反轉，停止的操作，操作非常方便，亦能滿足直流減速電機的大電流要求。調試時在依照上表。用程序輸入對應的碼值，即可以實現對應的操作。

2.5 循跡電路的原理和設計

在小車設計過程中，進行循跡電路設計，其目的是為了實現小車的弧形行駛。因為，在小車行駛軌道的設計中，有BC黑色弧形引導軌跡。進行循跡電路設計，能夠實現小車在行使過程中，對前行的方向予以確保，對行駛的位置進行校正，確保小車在行駛過程中不會發生軌跡的偏離現象。

3 結語

需要注意的是，智能小車設計中有兩個驅動電機，左轉的驅動電機，其控制量主要以線性狀態，呈遞減趨勢，而右轉的驅動電機，其控制量則與左轉的完全相反，是以線性的狀態，呈遞增的趨勢。呈線性變化的驅動電機控制量的設計，具有非常顯著的優點：它能夠確保電機控制量呈現平穩變化的狀態，變化的平穩性能夠讓小車在進行轉彎過程時，控制量無論是增加抑或是減少，都能夠均勻進行，進而確保小車在轉彎的過程中，也能夠實現平穩行駛，防止停頓現象的發生。

參考文獻

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[2]謝檬， 郭霞.智能小車控制系統設計[J].傳感器與微系統，2016（12）：110-112.

作者單位

福州大學至誠學院 福建省福州市 350002