輪式移動機(jī)器人的循跡設(shè)計(jì)

劉 馳，楊 風(fēng)，劉海龍

(中北大學(xué)計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院，山西太原030051)

1 智能循跡小車總體設(shè)計(jì)方案

1.1 整體設(shè)計(jì)方案

1)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，確定控制方案。

2)利用Proteus設(shè)計(jì)合理的硬件原理圖。

3)畫出程序流程圖，使用C語言進(jìn)行編程。

4)在洞洞板上焊接元器件，然后往單片機(jī)內(nèi)燒錄程序。

5)進(jìn)行調(diào)試以實(shí)現(xiàn)控制功能。

1.2 整體控制方案確定

圖1為智能循跡小車的系統(tǒng)控制框圖。黑色引導(dǎo)線是小車進(jìn)行跟蹤的目標(biāo)，循跡傳感器對目標(biāo)軌跡進(jìn)行檢測，然后將得到的信息反饋給單片機(jī)進(jìn)行處理，單片機(jī)處理后給電機(jī)驅(qū)動發(fā)出控制信號對兩個(gè)直流電機(jī)進(jìn)行控制，從而確保小車可以沿預(yù)定的路線正確行駛。

圖1 智能小車系統(tǒng)控制框圖

本設(shè)計(jì)使用兩節(jié)3.7 V充電電池對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行供電，主控芯片為 STC公司的89C52，直流電機(jī)的驅(qū)動模塊為L298N，它可改變芯片控制端的輸入電平，利用TTL進(jìn)行控制，從而完成電機(jī)的正反轉(zhuǎn)以及停止操作。用光敏電阻組成光敏循跡傳感器。這樣就組成了一個(gè)如圖所示的帶有反饋信號的系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)電路的設(shè)計(jì)

單片機(jī)內(nèi)部包括ROM、RAM以及定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)等。單片機(jī)在硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)，由于單片機(jī)內(nèi)部單元不能完全滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要，因此我們必須對其進(jìn)行必要的擴(kuò)展，增加相應(yīng)的外圍設(shè)備，如D/A、A/D轉(zhuǎn)換器、鍵盤、顯示器等，以滿足我們的需求。本設(shè)計(jì)選擇的是STC公司的產(chǎn)品STC89C52單片機(jī)。

2.1.1 晶振電路

晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號，本文選用的是11.059 2 MHz無源晶振來為系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號，同時(shí)為了防止振蕩電路因?yàn)榛芈凡煌ǘＶ拐袷?，?dǎo)致電路不能正常工作，本文使用2個(gè)30pF電容起到并聯(lián)諧振的作用。這樣使得一個(gè)機(jī)器周期約為1 μs［1］。

2.1.2 復(fù)位電路

89系列單片機(jī)通過向RST引腳輸入復(fù)位信號到芯片內(nèi)的施密特觸發(fā)器中。本文采用的電容值為10 μF的電容和阻值為1 kΩ的電阻。單片機(jī)上電后，電容會進(jìn)行充電，RST會持續(xù)高電平一段時(shí)間。同樣，若單片機(jī)運(yùn)行中按下復(fù)位按鈕也會使得RST引腳持續(xù)高電平，這就是單片機(jī)上電和復(fù)位的操作［2］。

2.2 光電傳感器模塊

光電傳感器循跡電路圖如2所示。循跡傳感器的工作原理:Signal端會檢測信號的輸出，當(dāng)傳感器檢測黑色軌跡時(shí)，光電傳感器發(fā)出的紅外線會被黑色軌跡大量吸收導(dǎo)致反射回來的很弱，三極管就不導(dǎo)通，Signal端輸出高電平，從而發(fā)光二極管熄滅;當(dāng)傳感器檢測白線時(shí)，與黑線相反，這時(shí)光電傳感器發(fā)射的紅外線被白線反射回來的很強(qiáng)，光敏三極管會導(dǎo)通，Signal輸出低電平，從而發(fā)光二極管點(diǎn)亮。

圖2 循跡傳感器電路圖

將程序燒錄到單片機(jī)后，小車就可以按寫入的相應(yīng)程序執(zhí)行循跡功能了。小車在正常前進(jìn)時(shí)，左右兩邊傳感器均產(chǎn)生兩個(gè)低電平。當(dāng)小車向右行駛偏離黑線時(shí)，左邊傳感器會產(chǎn)生一個(gè)高電平，反饋給單片機(jī)處理后，單片機(jī)會給小車發(fā)出一個(gè)信號，小車向左拐。當(dāng)小車向左行駛偏離黑線時(shí)，同理，右側(cè)傳感器產(chǎn)生高電平，小車右拐。這樣，小車一定不會偏離黑線。當(dāng)兩邊的光電傳感器同時(shí)輸出的信號為高電平時(shí)，即單片機(jī)判斷的都為高電平時(shí)，小車停止前進(jìn)［3］。

2.3 電機(jī)驅(qū)動

本設(shè)計(jì)采用L298N電機(jī)驅(qū)動芯片來對兩個(gè)12V的直流電動機(jī)進(jìn)行控制。L298N是ST公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動電路，是一種二相和四相電機(jī)的專用驅(qū)動器，即內(nèi)含二個(gè)H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號，可驅(qū)動46 V、2 A以下的電機(jī)。其中1腳和15腳可單獨(dú)引出連接電流采樣電阻器，形成電流傳感信號［5］。

2.3.1 電機(jī)驅(qū)動原理

而圖3所示就是直流電機(jī)與驅(qū)動芯片接線圖，它在原有基本H橋電路的基礎(chǔ)上又增加了四個(gè)二極管來保護(hù)電路。一個(gè)“使能”導(dǎo)通信號和四個(gè)與門相接，這樣，用這一個(gè)信號我們就可以控制整個(gè)電路的開關(guān)了。

采用以上方法，電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)就只需要用三個(gè)信號來控制:一個(gè)使能信號和兩個(gè)方向信號。如果 DIR-L信號為“0”，DIR-R信號為“1”，并且使能信號是“1”，那么三極管Q1和Q4導(dǎo)通，電流從左至右流經(jīng)電機(jī);如果DIR-L信號變?yōu)?“1”，而DIR-R信號變?yōu)椤?”，那么 Q2和 Q3將導(dǎo)通，電流則反向流過電機(jī)［6］。

圖3 直流電機(jī)和L298N驅(qū)動芯片接線圖

2.3.2 小車運(yùn)動邏輯

如表1。

表1 小車運(yùn)動邏輯

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用Keil軟件并采用C語言來編譯程序。

軟件的燒錄:

第一步:安裝并運(yùn)行STC_ISP_V480軟件;

第二步:點(diǎn)擊MCU Type欄的倒三角選項(xiàng);選擇對應(yīng)的單片機(jī)型號STC89C52RC。

第三步:點(diǎn)擊打開程序文件選項(xiàng)選擇已經(jīng)編譯好的HEX文件。

第四步:打開設(shè)備管理器找出下載端口，選擇相應(yīng)的COM口，點(diǎn)擊“點(diǎn)擊Download/下載”，對話框出現(xiàn)正在嘗試與單片機(jī)握手，請上電，再給單片機(jī)供電，燒錄完成［7］。軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主流程圖

部分系統(tǒng)程序附錄如下:

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要是智能小車的循跡系統(tǒng)。所設(shè)計(jì)小車采用四個(gè)光電傳感器來檢測循跡路線，同時(shí)對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理。得到了以下成果:

1)小車可以在外部環(huán)境無改變時(shí)，沿著預(yù)先設(shè)定的軌道正常循跡。

2)經(jīng)過數(shù)十次的測試證明，當(dāng)傳感器呈M形布局時(shí)，易產(chǎn)生不穩(wěn)定的震蕩信號，從而影響小車行駛時(shí)的穩(wěn)定性，但M型布局最適合檢測彎道較多的軌跡。因?yàn)閭鞲衅鱉形布局時(shí)，他們不在同一直線上，這樣的話小車在轉(zhuǎn)彎時(shí)，左右兩邊后部的傳感器就會有較大的采樣空間，兩邊前端的傳感器則對采集的信號有更好的前瞻性。整個(gè)布局有利于在彎道處提高小車速度。

3)小車保留了擴(kuò)展功能。小車在完成預(yù)計(jì)功能前提下，預(yù)留部分軟件和硬件接口，保留一定擴(kuò)展功能。

［1］羅志增，蔣靜坪.循跡小車感覺與多信息融合［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003:1－10.

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［5］楊鵑.多信息融合技術(shù)在移動循跡小車避障系統(tǒng)中的應(yīng)用［D］.哈爾濱:哈爾濱理工學(xué)，2007.

［6］恒盛杰資訊.Protel電路板設(shè)計(jì)從入門到精通［M］.北京:中國青年出社，2006:1－148.

［7］江思敏，陳明.Protel電路設(shè)計(jì)教程［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2006:1－296.