智能探測(cè)小車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李龍，鄧兆強(qiáng)，龔聰，金宇健，周建華（指導(dǎo)老師）

（邵陽學(xué)院信息工程學(xué)院，湖南邵陽，422000）

0 引言

智能小車集成了多種高新技術(shù)，因此在國(guó)內(nèi)外都深受重視。就目前高校來看，智能小車大多采用C51系列作為控制模塊，外加紅外避障模塊、尋跡傳感器模塊、電源模塊、直流電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)模塊構(gòu)成[1]，控制器將傳感器模塊發(fā)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后發(fā)給驅(qū)動(dòng)模塊，從而控制整個(gè)小車的運(yùn)動(dòng)。但傳感器受環(huán)境影響大，工作不穩(wěn)定，本文將用STC89C52單片機(jī)外加各個(gè)模塊，提高精度及實(shí)時(shí)性，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)智能小車循跡避障的優(yōu)化。

1 智能小車的總體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

智能探測(cè)小車采用前輪驅(qū)動(dòng)，有左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、直行、停止四種狀態(tài)。利用紅外對(duì)管對(duì)路面信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，將信號(hào)傳輸?shù)奖容^器處理之后送給STC89S52控制模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，輸出相應(yīng)的信號(hào)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，通過調(diào)結(jié)兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速選擇不同的狀態(tài)[2]，從而達(dá)到循跡避障的目的，模塊設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

圖1 模塊設(shè)計(jì)圖

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.2.1 控制模塊

STC89C52微處理器，工作電壓5V、DC電流50mA、晶振頻率11.0592MHz，輸出電壓為5VDC或3.3VDC，接上USB時(shí)無須外部供電或外部12VDC輸入低電壓，高性能，時(shí)鐘速度穩(wěn)定，外部接口豐富，可外接各類型的傳感器模塊[3]，非常適合用作本次小車的控制模塊。

1.2.2 驅(qū)動(dòng)模塊

直流電機(jī)是能實(shí)現(xiàn)直流電能和機(jī)械能互相轉(zhuǎn)換的旋轉(zhuǎn)電機(jī)[4]。在智能小車上我們主要的運(yùn)用其直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的作用，來帶動(dòng)輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)。直流電機(jī)調(diào)速性能好、控制簡(jiǎn)單、過載能力較強(qiáng)、受電磁干擾影響小。為了小車的平穩(wěn)行駛，本次設(shè)計(jì)選擇三個(gè)輪子，前面兩個(gè)輪子使用同類型額定電壓12V的直流電機(jī)接單片機(jī)的5V輸出驅(qū)動(dòng)，后輪使用的是小滑輪起支撐作用來平穩(wěn)運(yùn)行。

1.2.3 紅外循跡避障模塊

本次采用的紅外循跡避障模塊（如圖2所示）由紅外發(fā)射與接收管和比較器組成，發(fā)射管發(fā)射出一定頻率的紅外線，當(dāng)前方有物體時(shí)，根據(jù)物體的顏色不同反射出不同強(qiáng)度的紅外線被接收管接收，經(jīng)過比較器電路處理之后，根據(jù)事先調(diào)節(jié)的判斷范圍輸出接口輸出高電平或低電平?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)光敏感度改變檢測(cè)距離，有效距離范圍2~60cm，工作電壓為3.3~5V。該模塊可調(diào)范圍廣、工作穩(wěn)定、反應(yīng)迅速、模塊小巧便于安裝，適用于小車循跡避障、測(cè)量?jī)x器等場(chǎng)所[5]。

1.2.4 電源模塊

因?yàn)锳T89C52處理器的特性，我們只需要對(duì)其供電，保證其穩(wěn)定的工作電壓就能運(yùn)行整輛小車。在初步調(diào)試過程中，將單片機(jī)的USB口接主機(jī)就能正常工作，還能方便檢查。在完成拼裝，接入程序調(diào)試校準(zhǔn)時(shí)，可以使用充電寶。整個(gè)硬件系統(tǒng)的電路圖如圖3所示。

圖3 智能探測(cè)小車電路圖

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智能小車的各個(gè)模塊在連接完成后，還需要軟件對(duì)單片機(jī)進(jìn)行控制，在即將偏離軌道或前方有障礙物時(shí)，傳感器將信號(hào)發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)通過循跡避障程序控制驅(qū)動(dòng)模塊，從而真正的實(shí)現(xiàn)小車循跡避障的功能。本系統(tǒng)由主函數(shù)、循跡函數(shù)、避障函數(shù)及延遲函數(shù)構(gòu)成，以此達(dá)到模塊化控制[6]。在軟件開發(fā)環(huán)境上使用的是Keil 4，編程語言使用C語言，通過STC-ISP將hex文件下載到單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)模塊的控制，邏輯功能如表1所示。

表1 邏輯功能表

1.3.1 延時(shí)程序

單片機(jī)的延時(shí)程序通過執(zhí)行指令來達(dá)到延時(shí)效果，這個(gè)時(shí)間等于執(zhí)行的指令需要的時(shí)間，而一個(gè)指令需要的時(shí)間叫做指令周期，這個(gè)時(shí)間等于若干個(gè)機(jī)器周期。因?yàn)槲覀兪褂玫臑镃語言，就需要將其轉(zhuǎn)化為等步驟的機(jī)器周期[7]，而本單片機(jī)的機(jī)器周期=12*(1/11.0592)。

1.3.2 循跡程序

因?yàn)橹绷麟姍C(jī)與單片機(jī)接了兩個(gè)接口：正向供電01和反向供電10，分別對(duì)應(yīng)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。當(dāng)一側(cè)的紅外對(duì)管感應(yīng)到黑色軌跡時(shí)，就會(huì)通過循跡避障模塊將信號(hào)1傳輸給單片機(jī)，此時(shí)單片機(jī)所對(duì)這一側(cè)直流電機(jī)的兩個(gè)接口由01變?yōu)?0，即對(duì)直流電機(jī)反向供電，另一側(cè)則保持不變，這樣可以讓小車在較高速度下能夠及時(shí)轉(zhuǎn)向，而不會(huì)在遇到幅度較大的彎道時(shí)因?yàn)檗D(zhuǎn)向慢而偏離軌道，循跡流程如圖4所示。

圖4 循跡流程圖

1.3.3 避障程序

當(dāng)中間的紅外對(duì)管前方檢測(cè)到障礙物時(shí)，就會(huì)通過循跡避障模塊將信號(hào)1傳給單片機(jī)，控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)向，避障流程如圖5所示?？紤]到障礙有不同的大小形狀，本次設(shè)計(jì)遇到障礙時(shí)一律右轉(zhuǎn)90°，并且障礙物的顏色也會(huì)對(duì)反應(yīng)產(chǎn)生影響。同時(shí)，為避免循跡與避障發(fā)生沖突導(dǎo)致行駛異常，循跡時(shí)軌道上出現(xiàn)障礙時(shí)我們將情況1避障程序的優(yōu)先級(jí)設(shè)置高于循跡程序，對(duì)于優(yōu)先級(jí)我們可以通過改變代碼判斷順序或發(fā)生條件來實(shí)現(xiàn)[9]。

圖5 避障流程圖

2 系統(tǒng)的調(diào)試

首先燒入電機(jī)控制小程序，控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)、停止均無誤。接著檢測(cè)循跡避障模塊，檢查紅外燈是否能正常亮燈，測(cè)試靈敏度是否能達(dá)到要求，兩個(gè)用于循跡的紅外對(duì)管分別位于小車的車頭兩側(cè)，垂直朝下，便于及時(shí)對(duì)路面進(jìn)行判斷，之間的間隔應(yīng)大于軌道寬度，具體位置以對(duì)軌跡的敏感度要使遇到黑線立即做出反應(yīng)，同時(shí)又不會(huì)使小車憑空行駛為佳；一個(gè)用于避障的紅外對(duì)管位于小車車頭并朝向正前方，敏感度根據(jù)需要與障礙物相隔距離多遠(yuǎn)轉(zhuǎn)彎來調(diào)節(jié)，并且因?yàn)檗D(zhuǎn)向?yàn)?0°，就需要我們調(diào)用延時(shí)函數(shù)，不斷觀測(cè)延時(shí)在多少時(shí)轉(zhuǎn)向會(huì)在90°左右。軟件調(diào)節(jié)上，我們利用PWM調(diào)速原理[10]，兩側(cè)電機(jī)在相同時(shí)間里，短暫時(shí)間停止較快的一側(cè)電機(jī),多次校準(zhǔn)來達(dá)到兩邊轉(zhuǎn)速近乎一致來達(dá)到直行，這樣就避免因?yàn)樗俣炔黄ヅ涠l(fā)生不必要的偏轉(zhuǎn)。調(diào)試中的小車如圖6所示。

圖6 循跡中的小車

3 結(jié)束語

本文實(shí)現(xiàn)了基于AT89S52的智能探測(cè)小車硬件和軟件的設(shè)計(jì)及優(yōu)化，相較于普通的智能小車更加靈活、可靠，功能穩(wěn)定，精度高，可滿足對(duì)系統(tǒng)的各項(xiàng)要求，同時(shí)使用硬件少，功耗、成本低，綠色環(huán)保，達(dá)到了預(yù)期效果。