循跡小車的設(shè)計(jì)與研究＊

巫幫錫，李政，廖杰，陳熵，李旭

循跡小車的設(shè)計(jì)與研究＊

巫幫錫，李政，廖杰，陳熵，李旭

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，湖南 長沙 410128）

循跡小車是現(xiàn)代大學(xué)生各類電子競賽中的熱點(diǎn)，其設(shè)計(jì)與研究有較大的技術(shù)價(jià)值。設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)控制的循跡小車，設(shè)計(jì)采用AT89C52單片機(jī)作為主要控制元件，通過光電傳感器監(jiān)測路面黑色軌跡以及周圍障礙物信息，將檢測到的信號(hào)反饋給單片機(jī)進(jìn)行處理并輸出控制信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)小車自主沿黑色軌跡行走，完成自動(dòng)循跡和避障功能，為特殊場合的多功能智能小車研究提供了基礎(chǔ)。

循跡小車；單片機(jī)；紅外循跡；避障

1 前言

隨著人工智能和自動(dòng)化技術(shù)的迅速發(fā)展，各種高科技以及前沿技術(shù)開始廣泛運(yùn)用于智能小車領(lǐng)域，使智能小車越來越多樣化[1]。

作為集多種高科技于一身的高薪技術(shù)集成產(chǎn)物，它融合了傳統(tǒng)機(jī)械、傳感器、單片機(jī)、軟件與人工智能技術(shù)等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)[2]。

劉晨等基于單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)了一款智能小車，以紅外傳感器實(shí)現(xiàn)循跡功能、紅外遙控功能和紅外避障功能，以超聲波傳感器完成正面避障功能，通過PWM實(shí)現(xiàn)小車姿態(tài)調(diào)整[3]；宋德鑫等設(shè)計(jì)的智能小車在部分控制方面采用了語言識(shí)別技術(shù)采用STC89C52芯片及整體電路的協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)了小車的避障、語音控制等功能[4]；李興旭等以S9KEA128單片機(jī)為主控，設(shè)計(jì)了一套電磁循跡智能車系統(tǒng)，采用無線充電方案設(shè)計(jì)，循跡效果穩(wěn)定可靠[5]；姜洪發(fā)等以單片機(jī)位核心，利用光電傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)小車自動(dòng)循跡的設(shè)計(jì)，采用自制的語音傳感器識(shí)別引導(dǎo)線和單片機(jī)ATmega16控制驅(qū)動(dòng)電路，基于自動(dòng)引導(dǎo)小車機(jī)器人系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了小車的自動(dòng)線路識(shí)別[6]。

本設(shè)計(jì)針對(duì)第六屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽智能競賽類項(xiàng)目競賽命題“智能制造場景中的物流機(jī)器人”所要求的自主設(shè)計(jì)并制作一款能執(zhí)行物料搬運(yùn)任務(wù)的智能物流機(jī)器人，該機(jī)器人能夠在規(guī)定場地內(nèi)自主行走與避障，通過掃描二維碼及Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)取物料搬運(yùn)任務(wù)，自主按任務(wù)將物料搬運(yùn)至指定地點(diǎn)，并按照要求的位置和方向精準(zhǔn)擺放。設(shè)計(jì)了以STC89C52單片機(jī)為控制芯片的智能控制小車，通過單片機(jī)控制外部模塊實(shí)現(xiàn)智能小車的自動(dòng)循跡、避障，保證小車在無人操控的情況下自動(dòng)循跡行駛及避障。

2 系統(tǒng)的工作原理

本系統(tǒng)以STC89C52最小系統(tǒng)為控制核心，主要由電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、紅外循跡模塊、紅外避障模塊構(gòu)成，如圖1所示。智能控制小車以52單片機(jī)為系統(tǒng)控制芯片，控制H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制。循跡功能的實(shí)現(xiàn)，采用兩對(duì)紅外發(fā)射、接收管和一塊電壓比較器，實(shí)現(xiàn)對(duì)黑線的循跡功能。小車前端配有紅外檢測模塊，實(shí)時(shí)監(jiān)控小車前方是否有障礙物出現(xiàn)。

圖1 系統(tǒng)框圖

3 控制電路設(shè)計(jì)

3.1 主控電路設(shè)計(jì)

本智能控制小車選用AT89C52作為主控制系統(tǒng)，配合軟件KeiluVision，對(duì)晶振電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路等進(jìn)行程序操作。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路可以將單片機(jī)給出的高低電平信號(hào)轉(zhuǎn)化為小車的運(yùn)行狀態(tài)，本智能控制小車采用2個(gè)直流電機(jī)，直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制可以通過改變電機(jī)兩端電壓的極性來實(shí)現(xiàn)的。本設(shè)計(jì)采用兩片集成H橋驅(qū)動(dòng)芯片L9110作為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器，控制信號(hào)則由單片機(jī)產(chǎn)生PWM信號(hào)對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。

3.2 紅外傳感器模塊設(shè)計(jì)

3.2.1 循線模塊設(shè)計(jì)

紅外循跡模塊由智能小車底板上2對(duì)光電傳感器（U1、U2）電壓比較芯片（U5）電位器（RW1、RW2）組成。紅外傳感器由發(fā)射和接收兩部分組成，根據(jù)不同顏色的物體對(duì)紅外光反射強(qiáng)度不一樣的原理，白色反光的物體，紅外光的反射量會(huì)相對(duì)多一些，顏色越深，紅外光的反射量越少。因此本設(shè)計(jì)采用的是黑線作為智能控制小車循跡的路線。當(dāng)光電傳感器碰到黑色路線時(shí)，反射回來的光線較弱，光電傳感器呈現(xiàn)為較大的電阻，當(dāng)光電傳感器照射在反光能力較強(qiáng)的白色場地上時(shí)，光電傳感器接收到的反射光線較強(qiáng)，呈現(xiàn)的電阻比較小。因此可以根據(jù)這一原理和一個(gè)電壓比較器組成一個(gè)黑線循跡模塊，通過單片機(jī)判斷電壓比較器輸出電平就能夠?qū)崿F(xiàn)循跡的功能。

紅外模塊原理如圖2所示。

圖2 紅外模塊原理圖

3.2.2 紅外避障模塊設(shè)計(jì)

紅外避障模塊由小車底板上光電傳感器（U3、U4）、電壓比較芯片（U5）電位器（RW3、RW4）組成。避障環(huán)節(jié)采用了紅外檢測模塊，紅外檢測模塊通過光電傳感器發(fā)射紅外線來判斷與障礙物的距離，當(dāng)光電傳感器距離障礙物過近時(shí)，接收到距離過短的反射信號(hào)，就會(huì)生成低電平給單片機(jī)；當(dāng)光電傳感器距離障礙物過遠(yuǎn)時(shí)，接收到距離過長的反射信號(hào)，就會(huì)生成高電平給單片機(jī)，單片機(jī)接收信號(hào)并控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。

4 軟件設(shè)計(jì)

在軟件設(shè)計(jì)中，采用了PWM調(diào)速、信息融合技術(shù)等，編寫程序時(shí)使用了C/C++語言，實(shí)現(xiàn)相同功能時(shí)只需要更簡單的語句，循跡模塊主程序?yàn)榕袛嗾Z句，判斷光電開關(guān)的狀態(tài)，如果其中一個(gè)光電傳感器未接收到反射信號(hào)（黑線或障礙物吸收了紅外光線），單片機(jī)使用PWM算法調(diào)控，通過控制電流在一個(gè)周期中的占空比，立刻調(diào)整左右輪差速實(shí)現(xiàn)方向調(diào)控，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎循跡，如果兩個(gè)光電傳感器同時(shí)未接收到反射信號(hào)，單片機(jī)輸出電平停止直流電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)避障停車。通過調(diào)用各個(gè)子函數(shù)實(shí)現(xiàn)智能小車的功能，經(jīng)實(shí)踐檢測程序的整體可讀性較好，方便移植。

程序設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 程序設(shè)計(jì)框圖

5 測試與分析

本智能控制小車采用STC89C52單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控制芯片，結(jié)合電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行控制，通過單片機(jī)單片機(jī)輸出的高低電平信號(hào)作為直流電機(jī)的控制信號(hào)，控制小車行走，同時(shí)采用光電傳感器檢測周圍障礙物及小車底部的黑線，實(shí)現(xiàn)小車的避障以及自動(dòng)循跡。在實(shí)際編程過程中使用Keil軟件多次對(duì)程序調(diào)整和改進(jìn)，使小車運(yùn)行順暢。在自主設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)場地內(nèi)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本循跡小車能夠以不低于0.5 m/s的速度自主完成環(huán)狀、S彎、U形彎等元素的賽道。本智能控制小車具有靈敏度高、體積小、易于制作等特點(diǎn)，AT89C52單片機(jī)結(jié)合電機(jī)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)，不僅減少了制作成本，同時(shí)也保證了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

［1］葉健韜.基于單片機(jī)的智能循跡小車的設(shè)計(jì)［J］.電子測試，2018（15）：27-28.

［2］周生遠(yuǎn)，王浩，于匯鑫.基于單片機(jī)的智能小車避障循跡系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.科技傳播，2017（7）：47-48.

［3］劉晨，崔斌.基于單片機(jī)的智能循跡小車設(shè)計(jì)［J］.時(shí)代農(nóng)機(jī)，2019（3）：99-108.

［4］宋德鑫，李姿.基于52單片機(jī)的智能小車的設(shè)計(jì)［J］.湖北農(nóng)機(jī)化，2019（9）：57.

［5］李興旭，魏磊，高琴.基于單片機(jī)的無線充電電磁循跡小車［J］.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2019（2）：90-94.

［6］姜洪發(fā).基于單片機(jī)的光源循跡小車設(shè)計(jì)［J］.智能機(jī)器人，2019（1）：74-77.

TP368.1

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.18.036

2095－6835（2019）18－0090－02

湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)校科學(xué)基金項(xiàng)目（編號(hào)：16QN04）；湖南省普通高等學(xué)校教學(xué)改革研究項(xiàng)目（編號(hào)：〔2015〕291）

巫幫錫（1997—），男，本科，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械電子工程。

陳熵（1990—），男，碩士，實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向?yàn)樽詣?dòng)控制技術(shù)。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕