利用Arduino控制板的光引導(dǎo)運動小車設(shè)計

崔才豪 張玉華 楊樹財

(哈爾濱理工大學(xué)自動化學(xué)院1，黑龍江 哈爾濱 150080;哈爾濱理工大學(xué)工程訓(xùn)練中心2，黑龍江 哈爾濱 150080)

0 引言

在人類的生產(chǎn)生活中，很多貨物的運輸路線在短時間內(nèi)是固定的。因此，若為滿足這種運輸要求而鋪設(shè)軌道或增設(shè)傳送帶，就會增加相應(yīng)的生產(chǎn)成本，降低運輸?shù)撵`活性。

傳統(tǒng)的運輸方式是依靠人駕駛裝卸車運輸貨物[1]。人在貨物運輸中的主要作用就是控制車的啟動、停止、運動方向和速度，這類相對簡單的勞動可以通過改進(jìn)自動控制技術(shù)來實現(xiàn)。本文提出了利用普通光源來引導(dǎo)小車運動的設(shè)計方案。這種利用光信號引導(dǎo)小車運動的設(shè)計，節(jié)約了人力，并提高了生產(chǎn)效率和工作的靈活性。

1 主要技術(shù)核心

1.1 光引導(dǎo)技術(shù)

光是沿直線傳播的，物體接收光能的大小與受光面積成正比，單位面積所獲得的光能稱為光強。光電阻傳感器是將光信號轉(zhuǎn)換成為電阻變化的一種傳感器[2]。這種測量方法具有結(jié)構(gòu)簡單、非接觸、可靠性高、精度高和反應(yīng)快等優(yōu)點，因此，被廣泛地應(yīng)用于自動檢測系統(tǒng)中[3]。光引導(dǎo)技術(shù)就是基于上述原理，通過光電阻傳感器檢測小車在不同方向上的光強，從而判斷出小車引導(dǎo)光源的方向，實現(xiàn)以光源為基準(zhǔn)的趨光運動。

本設(shè)計采用光電阻傳感器對光信號進(jìn)行采集。在光源引導(dǎo)方向上，分別設(shè)置1號、2號、3號光電阻傳感器，其中2號傳感器和小車軸線平行。3個傳感器軸線所構(gòu)成的夾角ω1和ω2保持相等，光源引導(dǎo)信號的采集如圖1所示。

圖1 信號采集示意圖Fig.1 Schematic of signal collection

設(shè)1號和3號傳感器分別與光源引導(dǎo)方向形成的夾角分別為θ1和θ2，當(dāng)小車運動方向偏離光源引導(dǎo)方向時，小車的實際運動方向與光源的引導(dǎo)方向產(chǎn)生了一個偏差角。小車偏離光引導(dǎo)方向示意圖如圖2(a)所示。

設(shè)小車的實際運動方向與光源的引導(dǎo)方向產(chǎn)生的偏差角大小為Δθ。此時調(diào)整小車的運動方向，就等價于調(diào)整偏差角Δθ，使其平衡在零度，從而使小車的運動方向和光源引導(dǎo)方向一致，達(dá)到了光引導(dǎo)的效果。小車恢復(fù)光引導(dǎo)方向示意圖如圖2(b)所示。

圖2 小車光引導(dǎo)示意圖Fig.2 Schematic of the light-guided car

1.2 運動控制技術(shù)

小車運動控制系統(tǒng)設(shè)計的核心在于如何使小車以最快的速度從偏離光引導(dǎo)的狀態(tài)中修正過來，從而恢復(fù)到正常的運動狀態(tài)，并且不會有較大的超調(diào)或調(diào)整時間。

對于小車的方向控制，可以采用Δθ為調(diào)節(jié)變量，通過Andriod控制板調(diào)節(jié)驅(qū)動電機的PWM信號，改變電機輸出功率，從而控制左右電機的轉(zhuǎn)速，以實現(xiàn)方向的修正?？刂扑惴梢允褂媒?jīng)典的PID控制方法[4]。PID就是利用小車與引導(dǎo)光源的方向偏差，通過比例、積分和微分作用控制電機的運動。當(dāng)電機的轉(zhuǎn)速和方向經(jīng)過調(diào)節(jié)后，小車對光引導(dǎo)信號就會有較快的反應(yīng)速度和較高的調(diào)節(jié)精度。由于小車在路面粗糙度或負(fù)載變化時車輪轉(zhuǎn)速誤差變大，因此，采用紅外線反射式脈沖編碼器對小車的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量。這種傳感器可以將測量信號反饋給Andriod控制器，控制器根據(jù)傳感器返回的數(shù)值，實現(xiàn)對小車速度和位移的監(jiān)控。閉環(huán)控制系統(tǒng)由傳感器與直流電機控制系統(tǒng)構(gòu)成，它能使小車運動穩(wěn)定精確[5]。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 Arduino控制板

Arduino是一塊基于開放源代碼的接口板，包括12通道數(shù)字GPIO、4通道PWM輸出和6～8通道的10 bit ADC輸入通道。本設(shè)計中采用Arduino-duemilanove控制板，它的核心是一片AVRmega168單片機。

2.2 光信號采集和方向運算

光引導(dǎo)信號發(fā)出的引導(dǎo)光照射在光電阻傳感器上，從而改變了光敏電阻的阻值，進(jìn)而改變了光敏電阻兩端的電壓值。光敏電阻的兩端電壓經(jīng)過分壓電阻和運算放大器進(jìn)行信號調(diào)整后，由Arduino控制板進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換[6]。3個傳感器產(chǎn)生3組數(shù)字量，比較后可以得到1個偏差值[7]。運動控制系統(tǒng)根據(jù)偏差值調(diào)整小車的運動方向。

2.3 直流電機控制

小車采用雙直流電機加萬向輪的驅(qū)動方式，通過控制左右直流電機來控制小車的前進(jìn)、后退或左右轉(zhuǎn)向。直流電機采用直流電機驅(qū)動芯片L298。雙路全橋電機驅(qū)動芯片L298的最大輸出電流為4 A，具有過溫保護功能和較高的噪聲抑制比。2路輸出正好可以滿足小車的左右直流電機的驅(qū)動要求。L298的主要引腳功能及其主要邏輯功能分別如表1和表2所示。

表1 L298主要引腳功能Tab.1 Functions of the main pins of L298

表2 L298主要邏輯功能Tab.2 Main logical functions of L298

表2 中：L=Low;H=High;X=Don’t care。

本設(shè)計使用Arduino控制板上的數(shù)字輸入輸出端控制驅(qū)動芯片的 Input1、Input2、Input3、Input4引腳，從而控制直流電機的旋轉(zhuǎn)方向;使用Arduino控制板上的PWM輸出引腳控制驅(qū)動芯片的EnableA和EnableB引腳，最終實現(xiàn)了2路直流電機控制[8]，進(jìn)而控制了小車的運動方向。

利用紅外線遇黑線被吸收、遇白線被反射的原理，在小車2路車軸上分別設(shè)計2組紅外反射式傳感器，將小車的轉(zhuǎn)速和位移以脈沖的方式反饋給Arduino控制器。控制器將脈沖信號在單位時間計數(shù)后，就可以得到小車的實際速度。將實際速度和設(shè)計輸出速度相比較后，可以實時調(diào)節(jié)小車的速度。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Hardware structure of system

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 Arduino IDE集成開發(fā)環(huán)境

Arduino具有類似于Java和C語言的IDE集成開發(fā)環(huán)境，其編程語言類似于C語言，用戶可以通過USB接口直接進(jìn)行編程和通信。

3.2 系統(tǒng)軟件流程設(shè)計

光引導(dǎo)小車首先需要對自身周圍環(huán)境進(jìn)行檢測，判斷引導(dǎo)光源的方向，然后根據(jù)引導(dǎo)光源的強弱，以適當(dāng)?shù)乃俣认蚬庠催\動。當(dāng)光源強度達(dá)到預(yù)定值時，默認(rèn)已經(jīng)尋找到了光源，小車即停止運動，進(jìn)入等待狀態(tài);當(dāng)引導(dǎo)光源發(fā)生變化時，退出等待狀態(tài)，進(jìn)入光引導(dǎo)狀態(tài)，直到再次找到光源[9]。程序設(shè)計流程圖如圖4所示。

圖4 程序設(shè)計流程圖Fig.4 Procedure flowchart

程序主要功能是：首先由3路傳感器對光引導(dǎo)信號進(jìn)行A/D采集，然后由1號和3號傳感器的檢測值分別與2號傳感器的檢測值作差，由差值的正負(fù)來決定小車的行走方向是偏左還是偏右，最終根據(jù)差值的絕對值大小來決定需要調(diào)整的方向角的大小[10]。主要程序代碼如下。

以上程序中，Lleft(1)、Lmiddle(1)和 Lright(1)為光敏傳感器檢測函數(shù)的返回光強值;PID(number)為速度設(shè)置函數(shù)根據(jù)number值返回的最佳調(diào)節(jié)參數(shù);turn_left(number，n)和 turn_right(number，n)為小車調(diào)整角度函數(shù);number為調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速n的位置標(biāo)號。

4 試驗結(jié)果

在實驗室條件下，光引導(dǎo)運動小車實現(xiàn)了3種常規(guī)運動，即直線運動、曲線運動和折線運動，3種運動路線如圖5所示。

圖5 3種運動路線Fig.5 Three of the moving routes

當(dāng)在多光源條件下進(jìn)行試驗時，非主光源的強度超過引導(dǎo)光源強度就會影響小車的引導(dǎo)，小車運動的穩(wěn)定性就會被破壞，進(jìn)而喪失光引導(dǎo)功能。因此，本設(shè)計提高了對試驗環(huán)境中的光引導(dǎo)信號的要求。

5 結(jié)束語

本文采用Arduino控制板為核心設(shè)計光引導(dǎo)小車，簡化了軟件編程和硬件電路的設(shè)計，有效地提高了小車在運輸過程中對非固定路線的適應(yīng)性，在實際應(yīng)用中可以起到降低成本和減少工人勞動量的作用。若繼續(xù)提高傳感器精度和數(shù)量，可以實現(xiàn)更加精確的光引導(dǎo)效果。

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