基于MC9S12XS128的智能迷宮小車設(shè)計

陳嬌英

【摘要】選用MC9S12XS128為主控芯片，采用三方位大功率紅外檢測、舵機控制動力、PWM速度控制等技術(shù)，設(shè)計一款智能迷宮小車，包括小車的機械結(jié)構(gòu)裝配、電路控制、軟件編程、控制算法及調(diào)試方法等。實踐結(jié)果證明，所設(shè)計的智能迷宮小車能實現(xiàn)自動避障、選擇路線、尋跡，在迷宮中運行平穩(wěn)，快速，高效從起點尋找路線走到終點，而且經(jīng)濟成本低。

【關(guān)鍵詞】MC9S12XS128智能迷宮小車避障尋跡

【中圖分類號】 G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2014）06C-0190-03

隨著智能電子技術(shù)的迅速發(fā)展和普及應(yīng)用，社會發(fā)展對電子技術(shù)要求越來越高，智能迷宮小車的出現(xiàn)為今后能夠更好運用智能汽車及機器人替代人工活動奠定了基礎(chǔ)。經(jīng)過完善的迷宮小車將可以廣泛用于軍事排雷、火災現(xiàn)場的搶救、有害氣體中毒的搶救等活動。然而，目前的迷宮小車還是停留在人工遠程控制階段，真正能實現(xiàn)自主學習的智能小車還有待繼續(xù)研發(fā)。本文設(shè)計的智能小車模型是一輛由PCB電路板組合重裝的小車，全車機械部件均安裝固定在PCB板上，不用再進行機械部件制作，對于實驗研究階段的機器人開發(fā)很有意義。走迷宮智能小車主要是基于自主反應(yīng)式智能系統(tǒng)原理，電機控制方法為單向PWM開環(huán)控制，直流電機驅(qū)動。選擇MC9S12XS128單片機為控制核心，采用與地面顏色有較大差別的導引線，通過反射式紅外傳感器進行導引，障礙物位置用紅外一體化接收頭進行檢測，只要改變單片機產(chǎn)生的PWM方波的占空比，就可以在設(shè)計范圍內(nèi)實現(xiàn)360度全方位移動，從而實現(xiàn)在迷宮中自主迷宮探路、路線識別、自動避障，選擇正確的路線行進，從起始點尋找路線走到終點。

一、整體方案設(shè)計

為了使智能小車能夠在迷宮中平穩(wěn)行駛、精確快速探索迷宮路線，要求小車必須能夠控制精準，準確地對不同路況進行快速判斷并做出對應(yīng)的操作，自動順利地進行避障，所以所設(shè)計的智能小車靈活性非常重要。為了實現(xiàn)此目標，電路選用了三個檢測路況的傳感器，用于檢測左、右、前邊、兩邊的路況，車子行進規(guī)則選擇適合的迷宮搜索算法為依據(jù)，遍歷所有路徑，尋找最短路徑方案。所以本控制系統(tǒng)設(shè)計方案：采用16位處理器MC9S12XS128，電機轉(zhuǎn)動速率采用PWM控制，兩個電機選用L293進行驅(qū)動，測距利用紅外傳感器，選擇LM1117和LM2940高性能穩(wěn)壓芯片組成穩(wěn)壓電路，通過光敏三極管電路檢測終點，用舵機改裝成小車的動力系統(tǒng)。智能迷宮小車設(shè)計整體方案圖1所示。

圖1 智能迷宮小車工作原理方框圖

二、控制原理分析

（一）路徑識別的分析。為了進一步找出控制車體的規(guī)律和數(shù)據(jù)，反復實踐研究了反射電壓和墻面距離的關(guān)系，不斷對模擬量反射管的電壓值連續(xù)采樣，車體和墻壁之間的距離通過電壓值大小來識別，車體位置與對應(yīng)有效的控制方法不斷調(diào)整匹配。最終得出實踐測量數(shù)據(jù)結(jié)果分別為圖2、圖3、圖4所示。

圖2左紅外接收管反射電壓和墻面距離的特性曲線圖

圖3右紅外接收管反射電壓和墻面距離的特性曲線圖

圖4中間紅外接收管反射電壓和墻面距離的特性曲線圖

可見，在反射電壓和墻面距離特性曲線圖表中，接收電壓與反射距離基本接近線性關(guān)系，從而為智能迷宮小車控制提供了理論依據(jù)，依據(jù)左、中、右各路反射回來的電壓即可知道車的左、中、右和墻壁的距離，依據(jù)三方位的信息即可控制小車實現(xiàn)左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退、90度轉(zhuǎn)、180度轉(zhuǎn)、直線行走。為了避免轉(zhuǎn)彎的時候車子與墻面相撞、小車突然卡死等一些意外情況，另外增加兩個用于轉(zhuǎn)彎角度定位的傳感器，在車子轉(zhuǎn)彎時，它們負責記錄轉(zhuǎn)彎時的一些數(shù)據(jù)。

（二）紅外檢測仲裁。具體如下：

1.線行駛。小車直線行駛控制圖5所示，把長度為10 cm的小車等效為一點，當小車行駛到1位置時，根據(jù)左傳感器檢測到距離左邊墻3 cm的信號，判斷小車已左偏且遠離右墻；當小車行駛到2位置時，根據(jù)右邊傳感器檢測到距離右邊墻3 cm的信號，判斷小車已右偏且遠離左墻；同理當小車行駛到達3位置時，判斷小車已偏右并接近右墻；行駛到達4位置時，判斷小車已偏左且遠離右墻。因此，通過四個狀態(tài)就可正確判斷小車的行駛位置，而且行駛在中線4 cm范圍不碰墻壁。

圖5智能迷宮小車直線行駛控制

2.路口處仲裁。圖6所示，小車行駛于路口時，通過“0、1、2”號紅外接收管接收到的電壓值不同對小車所處的狀態(tài)進行判斷。如果“0”號傳感器檢測到電壓值在0.8V范圍內(nèi)，探測到距離超出15cm，判斷距離右邊為“無窮遠”，則說明右邊有路口；如果“1”號傳感器檢測到電壓值在2.5V以上，判斷距離前方5cm處有墻壁，則說明前方無路；如果“2”號傳感器的電壓值在0.8V以上，判斷距離左邊15cm以內(nèi)有墻壁，則說明左邊無路口，此刻策略是右轉(zhuǎn)90度。

圖6智能迷宮小車路口處仲裁

圖7智能迷宮小車整體總裝

3.舵機轉(zhuǎn)向的控制。如表1所示，左舵機的方向控制信號用B0、B1表示，右舵機的方向控制信號用B2、B3表示，那么轉(zhuǎn)動時間長短的不同，就分別代表了45度、90度、180度旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。

表1舵機轉(zhuǎn)向的控制

使能EN 左電機 右電機 左電機 右電機 電動車運行狀態(tài)

控制信號 B0 B1 B2 B3

1 0 1 0 1 正轉(zhuǎn) 正轉(zhuǎn) 前行

1 0 1 1 0 正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 右轉(zhuǎn)

1 0 1 1 1 正轉(zhuǎn) 停 以右電機為中心原地右轉(zhuǎn)

1 1 0 0 1 反轉(zhuǎn) 正轉(zhuǎn) 左轉(zhuǎn)

1 1 1 0 1 停 正轉(zhuǎn) 以左電機為中心原地左轉(zhuǎn)

1 1 0 1 0 反轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 后退

1/0 0 0 0 0 停止 停止 停止

1/0 1 1 1 1 制動 制動 制動

三、硬件電路設(shè)計

為了制作出一個達到設(shè)計性能指標的智能迷宮小車，進行了多次硬件電路方案的修改，最后選用了直流電機控制車子的轉(zhuǎn)向，在三輪式后面加一個重新設(shè)計的萬向輪，用用舵機取代減速電機，電機轉(zhuǎn)速慢，輸出轉(zhuǎn)矩大，動力強，容易控制。電機角度控制精確度高。再用周長比較大的車輪換上，實踐結(jié)果證明效果很好。整車裝拼圖7所示。

（一）MC9S12XS128控制器。為了滿足對設(shè)計靈活性和平臺兼容性的需求，選用MC9S12XS128控制器，該控制器能實現(xiàn)一系列汽車電子平臺上的可升級性、硬、軟件可重用性、兼容性。采用S12 V2 CPU內(nèi)核，可在40MKHz總線頻率上運行，有4KB、128KB、256KB閃存選項，帶有校正錯誤功能（ECC），還有ECC的4 KB-8KB DataFlash，可以用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)或程序存儲。

（二）電源模塊。選用智能車1800mAH大容量電池，輸出電壓為7.2V作為直流穩(wěn)壓電源電路，由LM1117構(gòu)成的直流穩(wěn)壓電路輸出6.0V電壓；由LM2940構(gòu)成的直流穩(wěn)壓電路輸出5.0V電壓，由LM1117和LM2940構(gòu)成具有電流限制和熱保護功能電路。電路輸出電流達800mA，輸出電壓穩(wěn)定、精度高、失真小。

（三）電機驅(qū)動模塊。電機驅(qū)動電路采用高性能的L293驅(qū)動芯片，傳動機構(gòu)采用兩個相同型號的舵機改裝而成，能靈活實現(xiàn)電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。

（四）反射紅外傳感模塊。紅外檢測依據(jù)多個反饋點的數(shù)據(jù)，使用多點檢測方法。接收管接收紅外線信號的強弱與電流成正比，通過電阻把電流轉(zhuǎn)換成電壓值，再經(jīng)LM358構(gòu)成的電壓跟隨器以及電容濾波，給AD轉(zhuǎn)換電路提供穩(wěn)定的電壓值。從而能更好實現(xiàn)高精度控制。

（五）光敏檢測模塊。光敏檢測模塊采用光敏三極管進行檢測，安裝在紅外模塊的下面，并向車里面延伸，在距車頭往里3 cm處，確保三極管只能接受到紅光信息避免紅外發(fā)射管發(fā)射的紅外線影響。

四、軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖8所示。

圖8系統(tǒng)軟件設(shè)計流程

五、總結(jié)

設(shè)計的智能小車能夠在迷宮場地內(nèi)快速順暢完成直行前進、倒退、急停，以及原地實現(xiàn)90度、180度轉(zhuǎn)彎，在行駛過程中通過紅外檢測信號快速自我調(diào)節(jié)；沒有出現(xiàn)判斷失誤、轉(zhuǎn)向卡死、死循環(huán)等問題；達到自動避障、選擇路線、尋跡，在迷宮中自動從起點尋找路線走到終點。本文提出的控制方法可以應(yīng)用于無人工廠，倉庫，服務(wù)機器人等領(lǐng)域。對實驗室無人駕駛智能汽車及機器人研究開發(fā)應(yīng)用具有一定參考價值。

【參考文獻】

［1］Joseph L Jones.機器人編程技術(shù)——基于行為的機器人實戰(zhàn)指南［M］.北京：機械出版社，2007

［2］卓晴，黃開勝，邵貝.學做智能——挑戰(zhàn)飛思卡爾杯［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2007

［3］馬忠梅，籍順心，張凱，等. 單片機的C語言應(yīng)用程序設(shè)計［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2003

［4］王威. HCS12微控制器原理及應(yīng)用［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2007

［5］黃智偉.全國大學生電子設(shè)計競賽訓練教程［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2005

（責編黎原）

【摘要】選用MC9S12XS128為主控芯片，采用三方位大功率紅外檢測、舵機控制動力、PWM速度控制等技術(shù)，設(shè)計一款智能迷宮小車，包括小車的機械結(jié)構(gòu)裝配、電路控制、軟件編程、控制算法及調(diào)試方法等。實踐結(jié)果證明，所設(shè)計的智能迷宮小車能實現(xiàn)自動避障、選擇路線、尋跡，在迷宮中運行平穩(wěn)，快速，高效從起點尋找路線走到終點，而且經(jīng)濟成本低。

【關(guān)鍵詞】MC9S12XS128智能迷宮小車避障尋跡

【中圖分類號】 G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2014）06C-0190-03

隨著智能電子技術(shù)的迅速發(fā)展和普及應(yīng)用，社會發(fā)展對電子技術(shù)要求越來越高，智能迷宮小車的出現(xiàn)為今后能夠更好運用智能汽車及機器人替代人工活動奠定了基礎(chǔ)。經(jīng)過完善的迷宮小車將可以廣泛用于軍事排雷、火災現(xiàn)場的搶救、有害氣體中毒的搶救等活動。然而，目前的迷宮小車還是停留在人工遠程控制階段，真正能實現(xiàn)自主學習的智能小車還有待繼續(xù)研發(fā)。本文設(shè)計的智能小車模型是一輛由PCB電路板組合重裝的小車，全車機械部件均安裝固定在PCB板上，不用再進行機械部件制作，對于實驗研究階段的機器人開發(fā)很有意義。走迷宮智能小車主要是基于自主反應(yīng)式智能系統(tǒng)原理，電機控制方法為單向PWM開環(huán)控制，直流電機驅(qū)動。選擇MC9S12XS128單片機為控制核心，采用與地面顏色有較大差別的導引線，通過反射式紅外傳感器進行導引，障礙物位置用紅外一體化接收頭進行檢測，只要改變單片機產(chǎn)生的PWM方波的占空比，就可以在設(shè)計范圍內(nèi)實現(xiàn)360度全方位移動，從而實現(xiàn)在迷宮中自主迷宮探路、路線識別、自動避障，選擇正確的路線行進，從起始點尋找路線走到終點。

一、整體方案設(shè)計

為了使智能小車能夠在迷宮中平穩(wěn)行駛、精確快速探索迷宮路線，要求小車必須能夠控制精準，準確地對不同路況進行快速判斷并做出對應(yīng)的操作，自動順利地進行避障，所以所設(shè)計的智能小車靈活性非常重要。為了實現(xiàn)此目標，電路選用了三個檢測路況的傳感器，用于檢測左、右、前邊、兩邊的路況，車子行進規(guī)則選擇適合的迷宮搜索算法為依據(jù)，遍歷所有路徑，尋找最短路徑方案。所以本控制系統(tǒng)設(shè)計方案：采用16位處理器MC9S12XS128，電機轉(zhuǎn)動速率采用PWM控制，兩個電機選用L293進行驅(qū)動，測距利用紅外傳感器，選擇LM1117和LM2940高性能穩(wěn)壓芯片組成穩(wěn)壓電路，通過光敏三極管電路檢測終點，用舵機改裝成小車的動力系統(tǒng)。智能迷宮小車設(shè)計整體方案圖1所示。

圖1 智能迷宮小車工作原理方框圖

二、控制原理分析

（一）路徑識別的分析。為了進一步找出控制車體的規(guī)律和數(shù)據(jù)，反復實踐研究了反射電壓和墻面距離的關(guān)系，不斷對模擬量反射管的電壓值連續(xù)采樣，車體和墻壁之間的距離通過電壓值大小來識別，車體位置與對應(yīng)有效的控制方法不斷調(diào)整匹配。最終得出實踐測量數(shù)據(jù)結(jié)果分別為圖2、圖3、圖4所示。

圖2左紅外接收管反射電壓和墻面距離的特性曲線圖

圖3右紅外接收管反射電壓和墻面距離的特性曲線圖

圖4中間紅外接收管反射電壓和墻面距離的特性曲線圖

可見，在反射電壓和墻面距離特性曲線圖表中，接收電壓與反射距離基本接近線性關(guān)系，從而為智能迷宮小車控制提供了理論依據(jù)，依據(jù)左、中、右各路反射回來的電壓即可知道車的左、中、右和墻壁的距離，依據(jù)三方位的信息即可控制小車實現(xiàn)左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退、90度轉(zhuǎn)、180度轉(zhuǎn)、直線行走。為了避免轉(zhuǎn)彎的時候車子與墻面相撞、小車突然卡死等一些意外情況，另外增加兩個用于轉(zhuǎn)彎角度定位的傳感器，在車子轉(zhuǎn)彎時，它們負責記錄轉(zhuǎn)彎時的一些數(shù)據(jù)。

（二）紅外檢測仲裁。具體如下：

1.線行駛。小車直線行駛控制圖5所示，把長度為10 cm的小車等效為一點，當小車行駛到1位置時，根據(jù)左傳感器檢測到距離左邊墻3 cm的信號，判斷小車已左偏且遠離右墻；當小車行駛到2位置時，根據(jù)右邊傳感器檢測到距離右邊墻3 cm的信號，判斷小車已右偏且遠離左墻；同理當小車行駛到達3位置時，判斷小車已偏右并接近右墻；行駛到達4位置時，判斷小車已偏左且遠離右墻。因此，通過四個狀態(tài)就可正確判斷小車的行駛位置，而且行駛在中線4 cm范圍不碰墻壁。

圖5智能迷宮小車直線行駛控制

2.路口處仲裁。圖6所示，小車行駛于路口時，通過“0、1、2”號紅外接收管接收到的電壓值不同對小車所處的狀態(tài)進行判斷。如果“0”號傳感器檢測到電壓值在0.8V范圍內(nèi)，探測到距離超出15cm，判斷距離右邊為“無窮遠”，則說明右邊有路口；如果“1”號傳感器檢測到電壓值在2.5V以上，判斷距離前方5cm處有墻壁，則說明前方無路；如果“2”號傳感器的電壓值在0.8V以上，判斷距離左邊15cm以內(nèi)有墻壁，則說明左邊無路口，此刻策略是右轉(zhuǎn)90度。

圖6智能迷宮小車路口處仲裁

圖7智能迷宮小車整體總裝

3.舵機轉(zhuǎn)向的控制。如表1所示，左舵機的方向控制信號用B0、B1表示，右舵機的方向控制信號用B2、B3表示，那么轉(zhuǎn)動時間長短的不同，就分別代表了45度、90度、180度旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。

表1舵機轉(zhuǎn)向的控制

使能EN 左電機 右電機 左電機 右電機 電動車運行狀態(tài)

控制信號 B0 B1 B2 B3

1 0 1 0 1 正轉(zhuǎn) 正轉(zhuǎn) 前行

1 0 1 1 0 正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 右轉(zhuǎn)

1 0 1 1 1 正轉(zhuǎn) 停 以右電機為中心原地右轉(zhuǎn)

1 1 0 0 1 反轉(zhuǎn) 正轉(zhuǎn) 左轉(zhuǎn)

1 1 1 0 1 停 正轉(zhuǎn) 以左電機為中心原地左轉(zhuǎn)

1 1 0 1 0 反轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 后退

1/0 0 0 0 0 停止 停止 停止

1/0 1 1 1 1 制動 制動 制動

三、硬件電路設(shè)計

為了制作出一個達到設(shè)計性能指標的智能迷宮小車，進行了多次硬件電路方案的修改，最后選用了直流電機控制車子的轉(zhuǎn)向，在三輪式后面加一個重新設(shè)計的萬向輪，用用舵機取代減速電機，電機轉(zhuǎn)速慢，輸出轉(zhuǎn)矩大，動力強，容易控制。電機角度控制精確度高。再用周長比較大的車輪換上，實踐結(jié)果證明效果很好。整車裝拼圖7所示。

（一）MC9S12XS128控制器。為了滿足對設(shè)計靈活性和平臺兼容性的需求，選用MC9S12XS128控制器，該控制器能實現(xiàn)一系列汽車電子平臺上的可升級性、硬、軟件可重用性、兼容性。采用S12 V2 CPU內(nèi)核，可在40MKHz總線頻率上運行，有4KB、128KB、256KB閃存選項，帶有校正錯誤功能（ECC），還有ECC的4 KB-8KB DataFlash，可以用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)或程序存儲。

（二）電源模塊。選用智能車1800mAH大容量電池，輸出電壓為7.2V作為直流穩(wěn)壓電源電路，由LM1117構(gòu)成的直流穩(wěn)壓電路輸出6.0V電壓；由LM2940構(gòu)成的直流穩(wěn)壓電路輸出5.0V電壓，由LM1117和LM2940構(gòu)成具有電流限制和熱保護功能電路。電路輸出電流達800mA，輸出電壓穩(wěn)定、精度高、失真小。

（三）電機驅(qū)動模塊。電機驅(qū)動電路采用高性能的L293驅(qū)動芯片，傳動機構(gòu)采用兩個相同型號的舵機改裝而成，能靈活實現(xiàn)電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。

（四）反射紅外傳感模塊。紅外檢測依據(jù)多個反饋點的數(shù)據(jù)，使用多點檢測方法。接收管接收紅外線信號的強弱與電流成正比，通過電阻把電流轉(zhuǎn)換成電壓值，再經(jīng)LM358構(gòu)成的電壓跟隨器以及電容濾波，給AD轉(zhuǎn)換電路提供穩(wěn)定的電壓值。從而能更好實現(xiàn)高精度控制。

（五）光敏檢測模塊。光敏檢測模塊采用光敏三極管進行檢測，安裝在紅外模塊的下面，并向車里面延伸，在距車頭往里3 cm處，確保三極管只能接受到紅光信息避免紅外發(fā)射管發(fā)射的紅外線影響。

四、軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖8所示。

圖8系統(tǒng)軟件設(shè)計流程

五、總結(jié)

設(shè)計的智能小車能夠在迷宮場地內(nèi)快速順暢完成直行前進、倒退、急停，以及原地實現(xiàn)90度、180度轉(zhuǎn)彎，在行駛過程中通過紅外檢測信號快速自我調(diào)節(jié)；沒有出現(xiàn)判斷失誤、轉(zhuǎn)向卡死、死循環(huán)等問題；達到自動避障、選擇路線、尋跡，在迷宮中自動從起點尋找路線走到終點。本文提出的控制方法可以應(yīng)用于無人工廠，倉庫，服務(wù)機器人等領(lǐng)域。對實驗室無人駕駛智能汽車及機器人研究開發(fā)應(yīng)用具有一定參考價值。

【參考文獻】

［1］Joseph L Jones.機器人編程技術(shù)——基于行為的機器人實戰(zhàn)指南［M］.北京：機械出版社，2007

［2］卓晴，黃開勝，邵貝.學做智能——挑戰(zhàn)飛思卡爾杯［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2007

［3］馬忠梅，籍順心，張凱，等. 單片機的C語言應(yīng)用程序設(shè)計［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2003

［4］王威. HCS12微控制器原理及應(yīng)用［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2007

［5］黃智偉.全國大學生電子設(shè)計競賽訓練教程［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2005

（責編黎原）

【摘要】選用MC9S12XS128為主控芯片，采用三方位大功率紅外檢測、舵機控制動力、PWM速度控制等技術(shù)，設(shè)計一款智能迷宮小車，包括小車的機械結(jié)構(gòu)裝配、電路控制、軟件編程、控制算法及調(diào)試方法等。實踐結(jié)果證明，所設(shè)計的智能迷宮小車能實現(xiàn)自動避障、選擇路線、尋跡，在迷宮中運行平穩(wěn)，快速，高效從起點尋找路線走到終點，而且經(jīng)濟成本低。

【關(guān)鍵詞】MC9S12XS128智能迷宮小車避障尋跡

【中圖分類號】 G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2014）06C-0190-03

隨著智能電子技術(shù)的迅速發(fā)展和普及應(yīng)用，社會發(fā)展對電子技術(shù)要求越來越高，智能迷宮小車的出現(xiàn)為今后能夠更好運用智能汽車及機器人替代人工活動奠定了基礎(chǔ)。經(jīng)過完善的迷宮小車將可以廣泛用于軍事排雷、火災現(xiàn)場的搶救、有害氣體中毒的搶救等活動。然而，目前的迷宮小車還是停留在人工遠程控制階段，真正能實現(xiàn)自主學習的智能小車還有待繼續(xù)研發(fā)。本文設(shè)計的智能小車模型是一輛由PCB電路板組合重裝的小車，全車機械部件均安裝固定在PCB板上，不用再進行機械部件制作，對于實驗研究階段的機器人開發(fā)很有意義。走迷宮智能小車主要是基于自主反應(yīng)式智能系統(tǒng)原理，電機控制方法為單向PWM開環(huán)控制，直流電機驅(qū)動。選擇MC9S12XS128單片機為控制核心，采用與地面顏色有較大差別的導引線，通過反射式紅外傳感器進行導引，障礙物位置用紅外一體化接收頭進行檢測，只要改變單片機產(chǎn)生的PWM方波的占空比，就可以在設(shè)計范圍內(nèi)實現(xiàn)360度全方位移動，從而實現(xiàn)在迷宮中自主迷宮探路、路線識別、自動避障，選擇正確的路線行進，從起始點尋找路線走到終點。

一、整體方案設(shè)計

為了使智能小車能夠在迷宮中平穩(wěn)行駛、精確快速探索迷宮路線，要求小車必須能夠控制精準，準確地對不同路況進行快速判斷并做出對應(yīng)的操作，自動順利地進行避障，所以所設(shè)計的智能小車靈活性非常重要。為了實現(xiàn)此目標，電路選用了三個檢測路況的傳感器，用于檢測左、右、前邊、兩邊的路況，車子行進規(guī)則選擇適合的迷宮搜索算法為依據(jù)，遍歷所有路徑，尋找最短路徑方案。所以本控制系統(tǒng)設(shè)計方案：采用16位處理器MC9S12XS128，電機轉(zhuǎn)動速率采用PWM控制，兩個電機選用L293進行驅(qū)動，測距利用紅外傳感器，選擇LM1117和LM2940高性能穩(wěn)壓芯片組成穩(wěn)壓電路，通過光敏三極管電路檢測終點，用舵機改裝成小車的動力系統(tǒng)。智能迷宮小車設(shè)計整體方案圖1所示。

圖1 智能迷宮小車工作原理方框圖

二、控制原理分析

（一）路徑識別的分析。為了進一步找出控制車體的規(guī)律和數(shù)據(jù)，反復實踐研究了反射電壓和墻面距離的關(guān)系，不斷對模擬量反射管的電壓值連續(xù)采樣，車體和墻壁之間的距離通過電壓值大小來識別，車體位置與對應(yīng)有效的控制方法不斷調(diào)整匹配。最終得出實踐測量數(shù)據(jù)結(jié)果分別為圖2、圖3、圖4所示。

圖2左紅外接收管反射電壓和墻面距離的特性曲線圖

圖3右紅外接收管反射電壓和墻面距離的特性曲線圖

圖4中間紅外接收管反射電壓和墻面距離的特性曲線圖

可見，在反射電壓和墻面距離特性曲線圖表中，接收電壓與反射距離基本接近線性關(guān)系，從而為智能迷宮小車控制提供了理論依據(jù)，依據(jù)左、中、右各路反射回來的電壓即可知道車的左、中、右和墻壁的距離，依據(jù)三方位的信息即可控制小車實現(xiàn)左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退、90度轉(zhuǎn)、180度轉(zhuǎn)、直線行走。為了避免轉(zhuǎn)彎的時候車子與墻面相撞、小車突然卡死等一些意外情況，另外增加兩個用于轉(zhuǎn)彎角度定位的傳感器，在車子轉(zhuǎn)彎時，它們負責記錄轉(zhuǎn)彎時的一些數(shù)據(jù)。

（二）紅外檢測仲裁。具體如下：

1.線行駛。小車直線行駛控制圖5所示，把長度為10 cm的小車等效為一點，當小車行駛到1位置時，根據(jù)左傳感器檢測到距離左邊墻3 cm的信號，判斷小車已左偏且遠離右墻；當小車行駛到2位置時，根據(jù)右邊傳感器檢測到距離右邊墻3 cm的信號，判斷小車已右偏且遠離左墻；同理當小車行駛到達3位置時，判斷小車已偏右并接近右墻；行駛到達4位置時，判斷小車已偏左且遠離右墻。因此，通過四個狀態(tài)就可正確判斷小車的行駛位置，而且行駛在中線4 cm范圍不碰墻壁。

圖5智能迷宮小車直線行駛控制

2.路口處仲裁。圖6所示，小車行駛于路口時，通過“0、1、2”號紅外接收管接收到的電壓值不同對小車所處的狀態(tài)進行判斷。如果“0”號傳感器檢測到電壓值在0.8V范圍內(nèi)，探測到距離超出15cm，判斷距離右邊為“無窮遠”，則說明右邊有路口；如果“1”號傳感器檢測到電壓值在2.5V以上，判斷距離前方5cm處有墻壁，則說明前方無路；如果“2”號傳感器的電壓值在0.8V以上，判斷距離左邊15cm以內(nèi)有墻壁，則說明左邊無路口，此刻策略是右轉(zhuǎn)90度。

圖6智能迷宮小車路口處仲裁

圖7智能迷宮小車整體總裝

3.舵機轉(zhuǎn)向的控制。如表1所示，左舵機的方向控制信號用B0、B1表示，右舵機的方向控制信號用B2、B3表示，那么轉(zhuǎn)動時間長短的不同，就分別代表了45度、90度、180度旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。

表1舵機轉(zhuǎn)向的控制

使能EN 左電機 右電機 左電機 右電機 電動車運行狀態(tài)

控制信號 B0 B1 B2 B3

1 0 1 0 1 正轉(zhuǎn) 正轉(zhuǎn) 前行

1 0 1 1 0 正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 右轉(zhuǎn)

1 0 1 1 1 正轉(zhuǎn) 停 以右電機為中心原地右轉(zhuǎn)

1 1 0 0 1 反轉(zhuǎn) 正轉(zhuǎn) 左轉(zhuǎn)

1 1 1 0 1 停 正轉(zhuǎn) 以左電機為中心原地左轉(zhuǎn)

1 1 0 1 0 反轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 后退

1/0 0 0 0 0 停止 停止 停止

1/0 1 1 1 1 制動 制動 制動

三、硬件電路設(shè)計

為了制作出一個達到設(shè)計性能指標的智能迷宮小車，進行了多次硬件電路方案的修改，最后選用了直流電機控制車子的轉(zhuǎn)向，在三輪式后面加一個重新設(shè)計的萬向輪，用用舵機取代減速電機，電機轉(zhuǎn)速慢，輸出轉(zhuǎn)矩大，動力強，容易控制。電機角度控制精確度高。再用周長比較大的車輪換上，實踐結(jié)果證明效果很好。整車裝拼圖7所示。

（一）MC9S12XS128控制器。為了滿足對設(shè)計靈活性和平臺兼容性的需求，選用MC9S12XS128控制器，該控制器能實現(xiàn)一系列汽車電子平臺上的可升級性、硬、軟件可重用性、兼容性。采用S12 V2 CPU內(nèi)核，可在40MKHz總線頻率上運行，有4KB、128KB、256KB閃存選項，帶有校正錯誤功能（ECC），還有ECC的4 KB-8KB DataFlash，可以用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)或程序存儲。

（二）電源模塊。選用智能車1800mAH大容量電池，輸出電壓為7.2V作為直流穩(wěn)壓電源電路，由LM1117構(gòu)成的直流穩(wěn)壓電路輸出6.0V電壓；由LM2940構(gòu)成的直流穩(wěn)壓電路輸出5.0V電壓，由LM1117和LM2940構(gòu)成具有電流限制和熱保護功能電路。電路輸出電流達800mA，輸出電壓穩(wěn)定、精度高、失真小。

（三）電機驅(qū)動模塊。電機驅(qū)動電路采用高性能的L293驅(qū)動芯片，傳動機構(gòu)采用兩個相同型號的舵機改裝而成，能靈活實現(xiàn)電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。

（四）反射紅外傳感模塊。紅外檢測依據(jù)多個反饋點的數(shù)據(jù)，使用多點檢測方法。接收管接收紅外線信號的強弱與電流成正比，通過電阻把電流轉(zhuǎn)換成電壓值，再經(jīng)LM358構(gòu)成的電壓跟隨器以及電容濾波，給AD轉(zhuǎn)換電路提供穩(wěn)定的電壓值。從而能更好實現(xiàn)高精度控制。

（五）光敏檢測模塊。光敏檢測模塊采用光敏三極管進行檢測，安裝在紅外模塊的下面，并向車里面延伸，在距車頭往里3 cm處，確保三極管只能接受到紅光信息避免紅外發(fā)射管發(fā)射的紅外線影響。

四、軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖8所示。

圖8系統(tǒng)軟件設(shè)計流程

五、總結(jié)

設(shè)計的智能小車能夠在迷宮場地內(nèi)快速順暢完成直行前進、倒退、急停，以及原地實現(xiàn)90度、180度轉(zhuǎn)彎，在行駛過程中通過紅外檢測信號快速自我調(diào)節(jié)；沒有出現(xiàn)判斷失誤、轉(zhuǎn)向卡死、死循環(huán)等問題；達到自動避障、選擇路線、尋跡，在迷宮中自動從起點尋找路線走到終點。本文提出的控制方法可以應(yīng)用于無人工廠，倉庫，服務(wù)機器人等領(lǐng)域。對實驗室無人駕駛智能汽車及機器人研究開發(fā)應(yīng)用具有一定參考價值。

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（責編黎原）