面向多路線的智能循跡小車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

莫太平，楊宏光，劉冬梅

（桂林電子科技大學(xué) 電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，桂林 541004）

隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，人們希望機(jī)器人能更加靈活地適應(yīng)各種工作環(huán)境，完成更為復(fù)雜的任務(wù)，研制能夠代替人類在危險(xiǎn)、惡劣環(huán)境下工作的具有一定自主能力的輪式機(jī)器人是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[1]。智能小車即輪式機(jī)器人，作為一門新興的綜合技術(shù)其內(nèi)容涵蓋機(jī)械、汽車、電子、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、傳感技術(shù)等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)領(lǐng)域，可廣泛地應(yīng)用于工廠自動(dòng)料車配送、固定場(chǎng)地搬運(yùn)車等技術(shù)領(lǐng)域，也可應(yīng)用于復(fù)雜、惡劣的工作環(huán)境，具有良好的民用和軍用應(yīng)用前景[2]。針對(duì)普通的循跡小車通常只能夠在直道或者彎道上行駛，無法在具有多路線的軌道路徑中有選擇性地按照某一條引導(dǎo)線行駛，本研究采用AVR單片機(jī)控制小車的紅外循跡模塊和電磁路口檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)方案，在實(shí)現(xiàn)了小車基本的避障、循跡功能外，智能小車還能夠在具有多條交叉線路組成的各種三岔路口的循跡軌道中按設(shè)定的任意有效行進(jìn)路線進(jìn)行定點(diǎn)循跡和多點(diǎn)連續(xù)循跡的功能。本文設(shè)計(jì)的智能小車系統(tǒng)已應(yīng)用于柳職院的實(shí)訓(xùn)物流系統(tǒng)中。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想

本文設(shè)計(jì)的智能循跡小車系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，有利于各個(gè)硬件模塊的調(diào)試與升級(jí)，同時(shí)也很容易將各個(gè)模塊安裝在智能小車上。該系統(tǒng)由AT-mega128[3]主控制器、紅外傳感器尋線模塊、霍爾傳感器電磁路口檢測(cè)模塊、電機(jī)模塊、紅外避障模塊、無線通信模塊以及電源等模塊組成。此智能循跡小車整體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 智能循跡小車設(shè)計(jì)框圖Fig.1 Intelligent tracking car design frame

紅外傳感器尋線模塊使用反射式紅外線采集路面信息后將循跡信號(hào)傳送給ATmega128主控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)黑色引導(dǎo)線的循跡。

霍爾傳感器模塊用來檢測(cè)岔路口小磁鐵磁場(chǎng)產(chǎn)生的電壓信號(hào)[4]。如果檢測(cè)到電壓信號(hào)后，立即將其反饋給ATmega128主控制器，從而斷定小車已處于岔路口上，此后將執(zhí)行上位機(jī)控制器發(fā)出的路口轉(zhuǎn)向命令。

無線通信模塊使用nRF905[5]無線收發(fā)模塊，通過MAX232串口通信，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)與循跡小車系統(tǒng)之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信。無線的通訊方式，使得整個(gè)操作流程不需要人工的參與，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化操作。雙向的無線通訊方式，也使得數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性大大提高。

電機(jī)模塊主要由AVR單片機(jī)ATmega128處理器、L298直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片及其相關(guān)電路組成。其接收核心控制單元模塊的命令，控制智能循跡小車的啟動(dòng)、急停、轉(zhuǎn)彎等操作。

紅外避障模塊是使用紅外探頭檢測(cè)智能小車在循跡過程中前方是否有障礙物。當(dāng)檢測(cè)到障礙物時(shí)，智能小車能夠自動(dòng)停車并且發(fā)出嘟嘟的報(bào)警聲。

2 智能小車硬件系統(tǒng)主要模塊設(shè)計(jì)

2.1 主控制器

圖2 ATmega128單片機(jī)電路Fig.2 ATmega128 m icrocontroller circuit

此循跡小車的主控制器選用ATmega128為處理器。ATmega128是ATMEL公司的高效率、低功耗的8位系列單片機(jī)，具有先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，非易失性的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，與IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)兼容的JTAG接口。它是一款高配置的單片機(jī)，穩(wěn)定性極高，應(yīng)用極其廣泛。

ATmega128單片機(jī)的主要電路如圖2所示，其第 7、8、9、12、13、15、16 引腳與 nRF905 無線收發(fā)模塊相連接，實(shí)時(shí)接收上位機(jī)控制器的指令，進(jìn)行一定的分析和算法處理后，從5、6引腳發(fā)出PWM信號(hào)，輸出給后面的以L298N為主要器件構(gòu)成的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，Atmega128單片機(jī)通過調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的占空比實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的調(diào)速與轉(zhuǎn)向。第47-51引腳連接紅外傳感器模塊，實(shí)現(xiàn)小車沿著黑色引導(dǎo)線行駛。第46引腳用于接收來自霍爾傳感器模塊輸出的電壓脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)判斷小車是否檢測(cè)到岔路口。

2.2 紅外傳感器模塊

循跡小車的紅外傳感器模塊使用5對(duì)紅外反射式光電傳感器以“人”字型布局安裝在小車前端底部，其布局示意圖如圖3所示。紅外傳感器檢測(cè)到黑色引導(dǎo)線輸出為低電平“0”，檢測(cè)到白色背景輸出為高電平“1”。在循跡行駛過程中②③④號(hào)傳感器均需壓在黑色引導(dǎo)線上方。

圖3 紅外傳感器布局示意圖Fig.3 Infrared sensors layout diagram

紅外傳感器模塊將小車在循跡行駛的過程中5對(duì)傳感器輸出的高低電平信號(hào)實(shí)時(shí)反饋給單片機(jī)，再經(jīng)過一定的算法處理后，控制直流電機(jī)以不同的速度實(shí)現(xiàn)小車轉(zhuǎn)向的操作以達(dá)到按照規(guī)定引導(dǎo)線的行駛。在行駛過程中當(dāng)小車前進(jìn)方向與引導(dǎo)線方向發(fā)生偏移時(shí)，小車能夠根據(jù)引導(dǎo)線位置自動(dòng)調(diào)整車身以消除偏差，使小車前進(jìn)方向與引導(dǎo)線方向保持一致。

2.3 霍爾傳感器模塊

霍爾傳感器模塊安裝在小車的車頭底部中央。在引導(dǎo)線交叉的每個(gè)三岔路口和需要停車的位置下都安放一枚小磁鐵。小車循跡行至岔路口時(shí)，當(dāng)霍爾傳感器在小磁鐵的磁場(chǎng)中產(chǎn)生電壓信號(hào)通過LM324的放大處理后反饋給單片機(jī)的第46腳，即此時(shí)的小車正處于小磁鐵上方，也就是位于一個(gè)岔路口上，此后將執(zhí)行上位機(jī)控制器發(fā)出的路口轉(zhuǎn)向（左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎、直行或停車）命令?；魻杺鞲衅髂K原理圖如圖4所示。

圖4 霍爾傳感器模塊原理圖Fig.4 Hall sensors module schematic

2.4 nRF905無線通信模塊

無線通訊模塊是上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)與智能循跡小車數(shù)據(jù)交互的硬件模塊。由于所設(shè)計(jì)的智能小車考慮到其應(yīng)用在寬闊的場(chǎng)地上，故采用通訊距離能夠達(dá)到1500m的nRF905為主要芯片的無線通信模塊。由AVR單片機(jī)控制的nRF905模塊與上位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)時(shí)接收上位機(jī)信息和反饋循跡小車的行駛狀態(tài)。nRF905無線通信模塊原理圖如圖5所示。

圖5 nRF905無線通信模塊原理圖Fig.5 nRF905 w ireless communication module schematic

2.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

智能循跡小車的運(yùn)動(dòng)控制是由單片機(jī)控制直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路來實(shí)現(xiàn)的。此模塊的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片為L(zhǎng)298，電機(jī)的型號(hào)為ASLONG JGA25-370，采用四輪驅(qū)動(dòng)的方式控制小車的行走運(yùn)動(dòng)。L298通過光電耦合器接收單片機(jī)輸出的不同占空比的PWM波形來驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，完成直流電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)向的控制。保證小車平穩(wěn)地完成循跡過程。

3 循跡路線選擇方案

智能循跡小車?yán)眉t外傳感器模塊和霍爾傳感器模塊能夠在由多條復(fù)雜的交叉路線組成的各種三岔路口按照上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)定的任意有效的行進(jìn)路線進(jìn)行定點(diǎn)循跡和多點(diǎn)連續(xù)循跡行駛，如引導(dǎo)線交叉的十字路口、丁字路口和7字樓口。即實(shí)現(xiàn)在具有復(fù)雜的三岔路口路徑特征的軌道中行走以完成各種運(yùn)送任務(wù)。

智能小車在接收到上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出的循跡發(fā)車指令后，小車開始沿引導(dǎo)線穩(wěn)定循跡前進(jìn)，當(dāng)小車行至第一個(gè)岔路口時(shí)，即小車頭部的霍爾傳感器模塊檢測(cè)到第一個(gè)磁鐵后，將執(zhí)行上位機(jī)控制器預(yù)先設(shè)定的第一個(gè)轉(zhuǎn)向命令，如果接到直行命令，小車不做任何操作直接正常循跡行駛；如果接到停車命令，小車即停止運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；如果接到左轉(zhuǎn)命令則控制左右輪電機(jī)以不同的速度進(jìn)行左轉(zhuǎn)彎操作，同時(shí)判斷紅外傳感器與引導(dǎo)線的位置關(guān)系變化，目的是確定是否完成左轉(zhuǎn)操作，在完成左轉(zhuǎn)彎操作后，小車進(jìn)入正常循跡狀態(tài)；由于路口的對(duì)稱性，右轉(zhuǎn)命令和左轉(zhuǎn)命令相類似。接下來在小車按照上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出的第一個(gè)指令完成第一個(gè)岔路口的轉(zhuǎn)向操作后，繼續(xù)循跡前進(jìn)至第二個(gè)岔路口，即霍爾傳感器檢測(cè)到第二個(gè)磁鐵后，小車按照上位機(jī)發(fā)出的第二個(gè)轉(zhuǎn)向指令進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)向操作，原理同第一個(gè)岔路口時(shí)的操作類似。以此類推，直到小車到達(dá)指定位置并進(jìn)行停車處理后完成整個(gè)循跡過程。

4 智能小車循跡測(cè)試

4.1 循跡軌道設(shè)計(jì)

為研究測(cè)試智能小車在具有多路線的循跡軌道中的循跡情況。本文設(shè)計(jì)了適合此研究的循跡軌道模擬圖如圖6所示。小車可以按照任意設(shè)定好的路線循跡行駛到達(dá)指定位置。為簡(jiǎn)潔說明，圖中的編號(hào)可以視為路口及其下安裝的小磁鐵的編號(hào)，小車可以在任意編號(hào)的路口進(jìn)行轉(zhuǎn)向和停車操作。小車在接到發(fā)車命令后，沿引導(dǎo)線穩(wěn)定循跡行駛。

圖6 小車循跡軌道模擬圖Fig.6 Tracking trajectory simulation diagram

4.2 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及循跡測(cè)試

智能小車循跡測(cè)試顯示界面如圖7所示。循跡小車的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要完成與智能小車間的實(shí)時(shí)通信，并將設(shè)定好的路線命令發(fā)送給小車控制器，小車按照此行進(jìn)路線在模擬的軌道中循跡行走。其中小車路徑中用字母L、R、P、S分別表示上位機(jī)向小車在檢測(cè)到路口時(shí)發(fā)出左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎、停車、直行命令。小車將嚴(yán)格按照設(shè)定的路線循跡行走直至完成整個(gè)循跡過程。由于小車可以在模擬軌道中按任意有效的行進(jìn)路線行走。假定小車從圖6位置發(fā)車，設(shè)定小車的行進(jìn)路線為L(zhǎng)RRLLPLLRRLSP。上位機(jī)通過無線通信模塊將小車在模擬軌道中的行進(jìn)路線命令發(fā)送給小車的AVR處理器，控制小車在軌道中按要求行進(jìn)。

圖7 循跡測(cè)試顯示界面Fig.7 Interface of tracking test

則小車的循跡過程為：發(fā)車→⑧→⑨→⑤→④→①→②（停車），之后繼續(xù)發(fā)車→③→⑥→⑤→⑨→⑩→⑦→⑧（停車）完成了整個(gè)循跡過程。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于AVR單片機(jī)的智能循跡小車，可與上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)行進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，并且能夠?qū)崿F(xiàn)在復(fù)雜的多路線路徑中按要求循跡行駛，實(shí)現(xiàn)了小車在平面軌跡地圖中自主導(dǎo)航運(yùn)動(dòng)。此智能小車為當(dāng)前企業(yè)的智能運(yùn)輸和配送問題，提出了高效可行的解決方案。根據(jù)客戶的需求，本系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用工廠或物流行業(yè)的產(chǎn)品智能歸類、運(yùn)輸和配送中，經(jīng)過實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)送過程全程追蹤記錄，提高企業(yè)工作效率。

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