基于嵌入式處理器的循跡小車的設(shè)計(jì)

摘要：本設(shè)計(jì)是針對(duì)2011年江蘇省大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新項(xiàng)目而設(shè)計(jì)的導(dǎo)游機(jī)器人系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)以LM3S1607為處理器對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并通過其控制小車電機(jī)的工作，采用光電傳感器作為小車循跡模塊，使小車可以在既定道路上順利行駛。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明本系統(tǒng)能夠平穩(wěn)、快速的在預(yù)定場(chǎng)地上運(yùn)行，并具有結(jié)構(gòu)簡單、容易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：嵌入式；Cortex-M3；循跡；ARM

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9599 （2012） 20-0000-02

1 引言

隨著信息技術(shù)與機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展越來越快，智能化機(jī)器人作為二者結(jié)合的產(chǎn)物也開始滲透到人們生產(chǎn)、生活的各個(gè)方面，大量的使用智能化的機(jī)器人提高了人們的工作效率，提升了人們的生活質(zhì)量。

本設(shè)計(jì)使用Cortex-M3處理器作為智能小車的控制器，并通過通關(guān)軟硬件的設(shè)計(jì)使智能小車可以按照事先規(guī)劃好的路線行進(jìn)，自動(dòng)檢測(cè)偏離并進(jìn)行修正。

2 循跡小車的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由于循跡小車主要任務(wù)是能夠循著事先鋪設(shè)的引導(dǎo)線條行駛，故設(shè)計(jì)循跡小車的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其主要結(jié)構(gòu)分為四個(gè)部分：電源管理、傳感檢測(cè)系統(tǒng)、微控制器、直流電機(jī)。

（1）電源管理模塊

此模塊由電源與穩(wěn)壓電路組成，目的是向各個(gè)模塊供電。

（2）傳感檢測(cè)系統(tǒng)模塊

此模塊用于尋找軌跡，使小車能在規(guī)定的路線上前進(jìn)。

常見的軌跡采集方式不外乎灰度傳感器和CCD傳感器。CCD傳感器可以獲取大量圖片信息，完整的掌握整個(gè)路面情況且具有極強(qiáng)的抗干擾能力，但對(duì)于本項(xiàng)目，由于處理CCD傳感器采集的圖像需要大量的運(yùn)算，并提供較大的存儲(chǔ)，特別是成本較高，實(shí)現(xiàn)起來較為困難。其更適合使用在精確分析的場(chǎng)合。

灰度傳感器使用的是光電轉(zhuǎn)換原理，其獲取數(shù)據(jù)方式簡單、快捷，且設(shè)備成本低廉，沒有復(fù)雜的圖像處理任務(wù)也降低了處理器的負(fù)載，而抗干擾性能較弱的問題也在改為使用有源傳感器后得到了解決。本項(xiàng)目中，通過鋪設(shè)的線路為使用了灰度傳感器的小車提供參照是完全可以實(shí)現(xiàn)的。

同時(shí)，為了使小車能夠發(fā)現(xiàn)障礙物，在小車上還使用了紅外接近開關(guān)，這是一種集發(fā)射與接收于一體的光電開關(guān)傳感器，其檢測(cè)距離可以根據(jù)要求進(jìn)行調(diào)節(jié)，探測(cè)范圍3cm-80cm。。

小車共安裝了8個(gè)灰度傳感器和2個(gè)紅外接近開關(guān)，其中8個(gè)灰度傳感器分頭尾兩邊，每邊等距安裝4個(gè)，如圖2所示，2個(gè)紅外接近開關(guān)則分別安裝在頭尾車架上。小車放置時(shí)需將引導(dǎo)線置于小車中部，縱向穿過小車，保證其處于小車的頭2、3號(hào)傳感器之間。

（3）微控制器模塊

此模塊使用LM3S1607處理器，用于處理傳感器傳入數(shù)據(jù)和控制直流電機(jī)模塊的運(yùn)轉(zhuǎn)。微控制器從傳感檢測(cè)系統(tǒng)中獲取數(shù)據(jù)后與當(dāng)前程序中預(yù)設(shè)定的值進(jìn)行對(duì)比，以此判斷當(dāng)前小車所處的位置及狀態(tài)，依據(jù)此判斷并根據(jù)預(yù)定程序，控制直流電機(jī)模塊的運(yùn)行。

（4）直流電機(jī)模塊

此模塊主要作為小車的動(dòng)力系統(tǒng)。小車的進(jìn)退、轉(zhuǎn)向、急停等功能都由此模塊提供。

系統(tǒng)運(yùn)行過程如下：引導(dǎo)線是小車跟蹤的目標(biāo)，系統(tǒng)上電后，小車通過檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)出小車相對(duì)于所要跟蹤路徑的相對(duì)位置，再將此信息輸入到微處理器中，微處理器將此信息進(jìn)行處理后將控制命令輸出到直流電機(jī)，控制小車的位置和速度，保證小車快速平穩(wěn)地沿預(yù)先設(shè)定好的路線行駛。

3 循跡小車軟件總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件分成七個(gè)部分：主程序、頭尾直行模塊、頭尾左轉(zhuǎn)模塊、頭尾右轉(zhuǎn)模塊。由于小車本身并不分頭尾，只是為了控制方便設(shè)置了頭尾，故在此以頭部為例進(jìn)行研究。

直行模塊：直行是小車最常見的運(yùn)行狀態(tài)，由分布在小車頭部2、3號(hào)和尾部2、3號(hào)，共四個(gè)灰度傳感器同時(shí)監(jiān)測(cè)小車的運(yùn)行狀態(tài)。由于引導(dǎo)線與周圍環(huán)境顏色有別，四個(gè)灰度傳感器只需要將各自的即時(shí)值傳到處理器，處理器將其與預(yù)設(shè)值比較，即可發(fā)現(xiàn)小車是否處于正確行使?fàn)顟B(tài)，并可根據(jù)具體情況予以糾正。以白色引導(dǎo)線為例，其運(yùn)行過程如下圖3：

左轉(zhuǎn)模塊：當(dāng)小車行使至左轉(zhuǎn)岔路口時(shí)，其左邊必然存在引導(dǎo)線，此時(shí)小車頭部的1號(hào)灰度傳感器將照在引導(dǎo)線上，其值變化，處理器可以根據(jù)此變化判斷小車已到達(dá)路口，并控制電機(jī)使小車停止。由于慣性，小車完全停止時(shí)，其頭部已經(jīng)越過左側(cè)引導(dǎo)線，所以開始左轉(zhuǎn)后，1、2號(hào)傳感器將先后由離開引導(dǎo)線變?yōu)榈竭_(dá)引導(dǎo)線，最后再離開引導(dǎo)線，當(dāng)2號(hào)傳感器離開引導(dǎo)線、且3號(hào)未到達(dá)引導(dǎo)線時(shí)，即可認(rèn)為小車已完成轉(zhuǎn)向，其運(yùn)行過程如圖4所示。

小車右轉(zhuǎn)與左轉(zhuǎn)類似，依靠4號(hào)傳感器判斷右轉(zhuǎn)路口，使用3、4兩個(gè)傳感器完成轉(zhuǎn)向。主程序根據(jù)不同路況通過調(diào)用直行、左右轉(zhuǎn)等動(dòng)作完成整個(gè)循跡過程。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種循跡小車系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了循跡原理、軟硬件設(shè)計(jì)及制作過程，并分析了實(shí)現(xiàn)循跡小車幾種基本動(dòng)作的方法。該循跡小車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案可供循跡類小車整體設(shè)計(jì)時(shí)參考。

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