基于紅外反射式光電傳感器的智能循跡小車*

閆俊旭，侯 超

(1.太原科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，山西太原030024;2.太原重型機(jī)械廠，山西太原030024)

智能汽車作為一種智能化的交通工具，體現(xiàn)了車輛工程、人工智能、自動控制、計算機(jī)等多個學(xué)科領(lǐng)域理論技術(shù)的交叉和綜合，是未來汽車發(fā)展的趨勢。尋跡小車可以看作是縮小化的智能汽車，它實現(xiàn)的基本功能是沿著指定軌道自動尋跡行駛。目前很多尋跡小車的路徑識別方案使用CCD來實現(xiàn)，其優(yōu)點(diǎn)是控制精細(xì)，前瞻距離遠(yuǎn)。但傳感器CCD價格較高、體積較大、數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，因此在按既定路線行走的自尋跡小車設(shè)計中，反射式光電傳感器以其體積小、價格低、數(shù)據(jù)處理方便顯得更有優(yōu)勢。

本文所述的智能尋跡小車采用紅外光電傳感器來識別道路中央的黑色引導(dǎo)線，通過單片機(jī)來控制步進(jìn)電機(jī)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)小車快速穩(wěn)定的尋跡行駛。為保證小車在行駛的過程中具有良好的操縱穩(wěn)定性和平順性，本文針對道路特點(diǎn)對小車的方向控制和速度控制，以及傳感器的安裝都提出了較為理想的解決方案。

1 系統(tǒng)工作原理

1.1 智能小車尋跡原理［1］

在智能車系統(tǒng)中，尋跡電路采用紅外光電傳感器進(jìn)行檢測并且尋跡運(yùn)動。紅外發(fā)射管發(fā)射的紅外線具有一定的方向性，當(dāng)紅外線照射到白色地面時會有較大的反射，如果距離取值合適，紅外接收管接收到反射回的紅外線強(qiáng)度就較大;如果紅外線照射到黑色標(biāo)志線，黑色標(biāo)志線會吸收大部分紅外光，紅外接收管接收到紅外線強(qiáng)度就很弱。尋跡時，引導(dǎo)線是黑顏色，不宜反光，當(dāng)紅外發(fā)射管輸出信號照射到黑色引導(dǎo)線上時輸出一個非常微弱的低電平，這個過程是一個負(fù)跳變過程，通過對此信號高低電平的檢測就可以知道小車是正在沿著引導(dǎo)線行駛，若不是沿著引導(dǎo)線行駛，單片機(jī)根據(jù)傳感器送回的信號可以判斷并驅(qū)動電機(jī)正確轉(zhuǎn)向，從而使小車沿著正確的軌道行駛。本系統(tǒng)在小車的前部朝地面方向安裝了3個紅外對管，分別為左、中和右。本系統(tǒng)使用傳感器的型號為RPR220。

1.2 系統(tǒng)整體原理框圖

智能小車由車架、電源、光電傳感器、驅(qū)動電機(jī)和主控制系統(tǒng)等組成，如圖3所示。智能車的工作過程是:3個光電傳感器探測路徑信息，并將這些信息輸入到單片機(jī)控制系統(tǒng)，單片機(jī)進(jìn)行分析，通過控制算法對驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)出控制命令，驅(qū)動2個步進(jìn)電機(jī)，使小車沿指定的黑線前進(jìn)［2］。

智能車的主控制器采用美國ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C52。系統(tǒng)I/O口的具體分配如下:P2.0－P2.2共3位，用于小車前面路徑識別的輸入口;P1.0－P1.2用于驅(qū)動電路L297的半步/整步、正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)和剎?？刂菩盘栞敵?P3.1用于驅(qū)動電路的時鐘信號輸出。

圖1 智能小車原理框圖

2 路面黑線檢測電路［3］

2.1 黑線檢測電路

黑線檢測電路共有3種方案，分別是圖2的(a)、(b)、(c)3個圖。圖2(a)中:RPR220光電傳感器應(yīng)用時，理想的工作狀態(tài)是輸出部分處于飽和導(dǎo)通，查閱參數(shù)得到:UCES為0.1 ～0.3 V，此時 IF=20 mA，IC=0.1 mA，二極管的導(dǎo)通電壓大約為1 V，可以計算得到:

測試數(shù)據(jù)如表1:

表1 光電管對黑白線的輸出電壓

從表1可以看出，黑白相差的電壓值最大時，離反射面的最佳距離為6 mm，距離的調(diào)節(jié)范圍也比較大。然后將電路圖2(a)的輸出直接與單片機(jī)的P2.0口相連，此時，出現(xiàn)單片機(jī)接收碼出錯，分析得出:原因是單片機(jī)的P2.0口內(nèi)部有自己的上拉電阻，所以出現(xiàn)低電平采不回去，為了克服此現(xiàn)象，改用圖2(b)中，去掉電路原有的上拉電阻直接與單片機(jī)相連，但是出現(xiàn)距離局限的問題，即實驗數(shù)據(jù)表明:只有距離為6 mm時，效果很好，但距離稍有波動，單片機(jī)就不能正常工作，因此，最后選用電路圖2(c)，在圖2(a)的基礎(chǔ)上輸出端加一個非門再接到單片機(jī)。經(jīng)過測試得到:此電路應(yīng)用時，光電管距反射面的距離調(diào)節(jié)范圍比較大，能夠滿足系統(tǒng)的要求。

圖2 黑線檢測電路

3 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路

3.1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路［4］

步進(jìn)電機(jī)具有轉(zhuǎn)矩大、慣性小、響應(yīng)頻率高等優(yōu)點(diǎn)，因此具有瞬間起動與急速停止的優(yōu)越特性。與其他驅(qū)動元件相比，有明顯優(yōu)點(diǎn):通常不需要反饋就能對位移或速度進(jìn)行精確控制;輸出的轉(zhuǎn)角或位移精度高，誤差不會積累，價格便宜。并且因為步進(jìn)電機(jī)是根據(jù)脈沖個數(shù)決定旋轉(zhuǎn)角度的，單片機(jī)只需記下脈沖個數(shù)就能計算出電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，從而計算出小車的行駛距離，省去了路程檢測模塊，簡化了設(shè)計。本系統(tǒng)采用步進(jìn)角為1.8°、兩相步進(jìn)電機(jī)制作小車，利用89C52單片機(jī)作為控制核心，動作相當(dāng)精準(zhǔn)，循跡時紅外傳感器與黑線只留相當(dāng)小的裕度，小車可以基本沿弧線行走，不再是折線。用兩個步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動兩個前輪，作為主動輪;用一個萬向輪作后輪，作為從動輪。將它們固定到一塊大小合適的實驗板上，車架就組裝完畢，非常簡單。分別對兩個步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，靠兩個電機(jī)的速度差轉(zhuǎn)向。系統(tǒng)的硬件設(shè)計利用89C52單片機(jī)定時器1口輸出脈沖信號，為L297提供時鐘信號，P1.0、P1.1、P1.2 分別作為電機(jī)正反轉(zhuǎn)、半步整步和剎停的控制信號連接到L297的17、19和20管腳;L297和L298作為驅(qū)動部分，輸出格雷碼來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)工作。如圖3。

在實際應(yīng)用中，常用光耦把L297的輸入與單片機(jī)的輸出隔開，以免影響控制部分電源的品質(zhì)。如圖4。

圖3 電機(jī)驅(qū)動電路

圖4 光耦隔離電路

3.2 智能循跡小車的軟件流程

系統(tǒng)實現(xiàn)的軟件流程圖如圖5。

圖5 程序流程圖

4 結(jié)論

本文介紹了智能循跡小車系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計。通過多種傳感器電路，進(jìn)行比較、分析，最后采用較為精確的位置檢測，為智能小車提供了可靠的方向控制策略，使整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性達(dá)到了較高的水平，整個模塊可供自動尋跡小車直接使用。本文在黑色引導(dǎo)線的白板上制成的車道，對智能車進(jìn)行了測試，數(shù)據(jù)表明:智能車在直道上可以達(dá)到很高的速度和穩(wěn)定性，在彎道上只要控制好車速，智能車也能平穩(wěn)地運(yùn)行。

［1］高月華.基于紅外光電傳感器的智能車自動尋跡系統(tǒng)設(shè)計［J］.光電技術(shù)應(yīng)用，2009，30(1):134 －137.

［2］何立民.MCS－51系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)配置與接口技術(shù)［M］.北京:航空航天大學(xué)出版社，1990.

［3］劉全盛.數(shù)字電子技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

［4］吳建平，殷戰(zhàn)國.紅外反射式傳感器再自主式尋跡小車導(dǎo)航中的應(yīng)用［J］.中國測試技術(shù)，2004，30(6):21-23.