智能循跡小車的設計

張敬巍

摘要：自動循跡小車控制系統(tǒng)，是最簡單的輪式機器人，適合在一些特殊環(huán)境中工作，因其成本低廉，目前已在許多工業(yè)場合獲得廣泛應用。例如在高溫高壓環(huán)境、有毒有害氣體環(huán)境以及外星探測等都有機器人的應用，所有這些應用正逐步滲入到工業(yè)生產和我們日常生活的各個層面。智能小車是一個集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、自動行駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)。它集中地運用了計算機、傳感、信息、通訊及自動控制等技術，是典型的高新技術綜合體【1】。本文采用STM32F103ZET6為控制核心， 設計了一種具有自動循跡功能的小車系統(tǒng)，該智能循跡小車能沿黑色引導軌跡前進實現(xiàn)循跡、避障和紅外遙控功能。

關鍵詞：循跡小車 避障 紅外遙控

1.1控制器模塊方案論證

方案一：采用AT89C51單片機作為控制器。AT89C51是一種低功耗、高性能CMOS8為微控制器，具有8K可編程Flash存儲器。該系列的單片機可以在線編程、調試，方便地實現(xiàn)程序的下載與整機的調試，并且價格便宜。但是可利用資源過少。

方案二：采用STM32F103ZET6作為控制器。性能優(yōu)良，一致性好，提高了對直流電機的控制效率，并對控制系統(tǒng)進行模塊化設計，STM32F103ZET6擁有豐富的資源，有利于智能小車的功能擴展和升級。

方案三：采用FPGA作為系統(tǒng)的主控制器。FPGA可以實現(xiàn)各種復雜的邏輯功能，規(guī)模大，集成度高，體積小，穩(wěn)定性好，IO口資源豐富，易于進行功能擴展，處理速度快，常用于大規(guī)模實時性要求較高的系統(tǒng)，但價格高，編程實現(xiàn)難度大。

綜上，選用方案二作為控制器。

1.2電機驅動方案論證

（1）自己搭建橋式電機驅動

電機加減速以及正反轉的典型電路是H橋驅動電路，根據需要分析，可用功率三極管或者cmos管來搭建，這樣有助于提高我們的動手能力和知識融匯通的能力。但是要想得到兩個理想的獨立驅動，必須選用參數盡量完全一致的管子才行，而這些元件的制造工藝只能保障在一定的范圍內一致，這樣，給調試帶來不少的麻煩，且抗外界干擾能力差，復雜化了電路的設計。

（2）購買專用電機驅動模塊

市面上有專門的雙電機驅動芯片L298N，經測試性能可以滿足小車的電機控制要求，而且外圍電路比較簡單，穩(wěn)定性較好，驅動能力夠強。能夠很好的保證兩電機的同步。所以決定選用此方案。

1.3避障模塊方案論證

方案一：采用紅外對管。使用紅外對管最大的優(yōu)點就是結構簡明，實現(xiàn)方便，成本低廉。但紅外傳感器的缺點是，容易受到諸多擾動的影響，抗干擾能力較差，背景光源，器件之間的差異，傳感器高度位置的差異等都將對其造成干擾。

方案二：采用反射式超聲波測距換能器，只要有物體反射超聲波時就能有信號輸入，再將接收信號的計時器值減去發(fā)送信號時計數器的值，就可以得出小車至所測量到的干擾物的距離。將此距離信息發(fā)送給核心控制模塊，單片機將會根據程序設定使小車的行駛發(fā)生偏移，從而達到規(guī)避干擾物的目的。優(yōu)點是簡單方便，不易受背景光源的影響。

2.1、尋跡車尋跡方案論證

（1）使用CCD傳感器來采集路面信息

使用CCD傳感器，可以獲得豐富的圖像信息，全面完整地掌握車道信息，可以進行較遠距離的預測和圖像識別復雜的車道，而且對于外界干擾的抗干擾能力很強。然而，在此處使用CCD傳感器增加了實現(xiàn)難度。一旦使用CCD傳感器，大量圖像處理的工作無可避免，它要求對大量的數據進行運算，實現(xiàn)起來工作量大，十分繁重。

（2）使用光電傳感器來采集路面信息

使用紅外對管最大的優(yōu)點就是結構簡明，實現(xiàn)方便，成本低廉，免去了繁復的圖像處理工作，反應靈敏，響應時間低，便于近距離路面情況的檢測。但紅外傳感器的缺點是，它所獲取的信息是不完全的，只能對路面情況作簡單的黑白判別，檢測距離有限，而且容易受到諸多擾動的影響，抗干擾能力較差，背景光源，器件之間的差異，傳感器高度位置的差異等都將對其造成干擾。

在本次比賽中，賽道只有黑白兩種顏色，小車只要能區(qū)分黑白兩色就可以采集到準確的路面信息。經過綜合考慮，采取紅外對管作為循跡模塊。

3.2、電機驅動控制方案

采用四電機驅動：四個電機分別由L298N的兩對輸入輸出口控制，左邊兩個電機并在一起接L298N電機驅動模塊1號輸出口，右邊兩個電機并在一起接L298N2號輸出端口，相當于兩個電機，電機正負極和使能端通過單片機控制。我們通過改變電機的轉動狀態(tài)來改變小車的運動狀態(tài)。

3.3、避障方案

避障方案選擇了利用超聲波測距的原理對障礙進行識別及繞行，回到原路線繼續(xù)行駛。在測距計數電路設計中，采用了相關計數法，其主要原理是：測量時單片機系統(tǒng)先給發(fā)射電路提供脈沖信號，單片機計數器處于等待狀態(tài)，不計數；當信號發(fā)射一段時間后，由單片機發(fā)出信號使系統(tǒng)關閉發(fā)射信號，計數器開始計數，實現(xiàn)起始時的同步；當接收信號的最后一個脈沖到來后，計數器停止計數。

超聲波測距公式：l=v*t/2

當超聲波檢測到12cm左右處的障礙物時，此時改變四個輪子的運動狀態(tài)，使小車向左轉55°，然后沿直線行駛一定距離，再向右旋轉55°，繼續(xù)沿直線行駛一定距離，一定距離后向右旋轉55°，待捕捉到黑色的車道時，進入循跡狀態(tài)，避障部分完成。

4.1、測試方法

循跡小車的循跡結果并不是唯一的，PWM調速，電池電量，光線等對循跡過程均產生一定影響。當我們保持其他因素不變時，隨著測試次數的不同，測試結果也不相同。我們采用多次測量的方法，使小車測得的路程逼近理論值。

引用：

[1]余熾業(yè)，宋躍，雷瑞庭.基于STC12C5A60S2的智能循跡小車[J].實驗室研究與探索，2014，（11）：46-49，121.DOI：10.3969/j.issn.1006-7167.2014.11.012.