智能傳感機器人實訓(xùn)小車的探索與研究

摘" 要：該文提出一種智能傳感機器人實訓(xùn)小車的設(shè)計方法，以MSP432P401R單片機為控制核心，小車采用DRV8838DSGR驅(qū)動芯片控制直流減速電機，對智能小車的左右電機進行PWM調(diào)速控制并用PID算法形成小車運行的速度閉環(huán)和位置閉環(huán)串行。采用紅外傳感器進行循跡、藍牙模塊作為兩智能車之間的通信工具以完成在行車道正常行走及交替領(lǐng)跑任務(wù)，完成小車的基礎(chǔ)設(shè)計。

關(guān)鍵詞：智能傳感機器人；實訓(xùn)小車；MSP432P401R；循跡；PID算法

中圖分類號：TP242" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）15-0030-04

Abstract： This paper presents a design method of intelligent sensor robot training car， which uses MSP432P401R single chip microcomputer as the control core. The car uses AT8236 drive chip to control the DC reduction motor， conducts PWM speed regulation control on the left and right motors of the intelligent car， and uses PID algorithm to form the speed closed loop and position closed loop serial of the car. The infrared sensor is used for tracking， and the Bluetooth module is used as the communication tool between the two smart cars to complete the task of normal walking and alternating leading in the lane， and the basic design of the car is completed.

Keywords： intelligent sensor robot; training car; MSP432P401R; tracking; PID algorithm

隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，關(guān)于汽車的研究也就越來越受人關(guān)注。全國電子大賽和省內(nèi)電子大賽幾乎每次都有智能小車這方面的題目，全國各高校也都很重視該題目的研究，可見其研究意義很大。本文設(shè)計了一款智能傳感機器人實訓(xùn)小車，實現(xiàn)了調(diào)速、循跡、通信等功能，并可在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)各種功能擴展。

1" 系統(tǒng)組成

機器人實訓(xùn)小車作為現(xiàn)代的新發(fā)明，是以后的發(fā)展方向，它可以按照預(yù)先設(shè)定的模式在一個環(huán)境里自動地運作，不需要人為的管理，可應(yīng)用于科學(xué)勘探等用途。具有自動尋跡、尋光、避障，可控行駛速度、準確定位停車，傳輸圖像等功能。小車可以分為3部分：傳感器部分、控制器部分和執(zhí)行器部分。控制器部分接收傳感器部分傳遞過來的信號，并根據(jù)事前寫入的軟件程序，來決定機器人對外部信號的反應(yīng)，將控制信號發(fā)給執(zhí)行器部分，好比人的大腦。執(zhí)行器部分驅(qū)動機器人做出各種行為，包括發(fā)出各種信號，并且可以根據(jù)控制器部分的信號調(diào)整自己的狀態(tài)。對機器人小車來說，最基本的就是輪子，這部分就好比人的四肢一樣。傳感器部分，機器人用來讀取各種外部信號的傳感器，以及控制機器人行動的各種開關(guān)，好比人的眼睛、耳朵。

智能機器人小車是一款基于機器智能的可循跡小車，小車裝配有各種傳感器及攝像頭，使用單片機或樹莓派作為主控平臺，支持車與車之間互相通信。

在人工控制狀態(tài)下操作小車圍繞地面的尋跡線運行，并根據(jù)傳感器進行自動避障，小車會通過攝像頭采集環(huán)境數(shù)據(jù)，根據(jù)攝像頭“看到”的圖像進行傳輸和判斷，決定下一步的動作。車與車之間通過WiFi或無線模塊進行通信，并可實現(xiàn)無線充電，續(xù)航能力達到電賽要求。通過小車的模塊化搭建，實現(xiàn)智能傳感機器人實訓(xùn)小車的探索與研究。

1.1" 小車的驅(qū)動

這是每一個小車項目中最基礎(chǔ)的一個問題。如何驅(qū)動小車前進：動力來源，驅(qū)動能力，二者的適配關(guān)系；選擇的電機能否滿足預(yù)期的驅(qū)動能力要求，驅(qū)動模式如何設(shè)計。還需要考慮發(fā)熱問題以及小車行進過程中產(chǎn)生的噪聲如何降低。

1.2" 循跡避障

小車的避障功能在小車運行過程中是極為重要的。避障時，小車的最大檢測范圍、距離為多遠時能夠檢測到障礙物以及反應(yīng)時間（檢測到障礙物之后，單片機內(nèi)部系統(tǒng)多長時間能夠給出反應(yīng)），都是要考慮的問題。要求盡可能地縮短反應(yīng)時間，需要從硬件和算法2方面著手。

1.3" 無線充電

因為在本項目增設(shè)了無線充電的功能，因此有必要考慮能量轉(zhuǎn)化方式，以及能量轉(zhuǎn)化率的問題。

1.4" 通信

WiFi所使用的協(xié)議是IEEE802.11b局域網(wǎng)協(xié)議，其傳輸范圍100 m，速度最大可以達到11 Mbps，使用的是DSSS（直序列擴頻）和QPSK或BPSK（相移鍵控），帶寬是22 MHz，可以在長距離內(nèi)進行信號傳輸，同時實現(xiàn)ROS之間的話題通信。

藍牙使用的是FHSS（跳頻擴譜）方式，一般每秒跳變1 600次，將83.5 MHz的頻帶劃分為79個頻帶信道，每個時刻只占1 MHz的帶寬。通信距離一般是10 m，屬于低功耗無線技術(shù)，旨在在短距離內(nèi)的2個設(shè)備之間共享數(shù)據(jù)。

2" 詳細設(shè)計

本設(shè)計主要采用MSP432系列中的MSP432P40

1R單片機，其設(shè)計主要用12 V/6800 mAh的航模鋰電池配合5V降壓模塊，能穩(wěn)定安全地給電機供電；以紅外傳感器為控制核心，用于探測黑白交線的位置。

綜合考慮系統(tǒng)的各項性能，我們決定采用PID閉環(huán)控制的PWM調(diào)速系統(tǒng)；采用光電自動循線傳感器，通過采集黑白線返回主控制單片機的電信號不同，來實現(xiàn)自動尋跡的功能；采用雙電機控制控制小車的轉(zhuǎn)向；采用激光傳感器來控制兩小車距離；采用藍牙實現(xiàn)兩小車串口通信。

本智能小車系統(tǒng)在控制算法方面使用PID速度環(huán)控制算法對小車的運行速度進行間接控制，在循跡檢測方面使用8路紅外數(shù)字量循跡傳感器，因此在循跡過程中主要根據(jù)傳感器狀態(tài)設(shè)置離散目標速度進行控制。本任務(wù)主要需要解決的是PID控制算法、以及直道巡線的問題。下面將從這3個方面分別進行設(shè)計。

2.1" PID控制算法

PID算法利用反饋來檢測偏差信號，并通過偏差信號來控制被控量。而控制器本身就是比例、積分、微分3個環(huán)節(jié)的加和，在這里被控制量為PWM信號占空比，偏差信號為使用編碼器捕獲的速度。其功能框圖如圖1所示。

2.2" 直道循跡

使用8路紅外傳感器以及2個PID控制器分別控制小車2個減速電機的速度。傳統(tǒng)循跡是為每個傳感器的觸發(fā)狀態(tài)設(shè)置對應(yīng)的工作狀態(tài)，在這里我們采用權(quán)值處理法，為每個傳感器的觸發(fā)信號附權(quán)值。傳統(tǒng)方法以及創(chuàng)新方法具體流程見表1、表2。

當8路灰度傳感器按圖2所示左三路、左二路被觸發(fā)時有：

左路電機速度=額定速度+左三路左權(quán)值+左二路左權(quán)值=30+（-2）+（-1）=27。

右路電機速度=額定速度+左三路右權(quán)值+左二路右權(quán)值=30+2+1=33。

在兩輛車在行駛過程中有跟蹤距離的要求時，距離控制過程中使用當前偏差量進行控制，具體操作如下。

激光測距傳感器進行距離測量距離測量值為distance，為系統(tǒng)設(shè)置一個靜態(tài)變量standard_distance，用于記錄穩(wěn)定的距離，在從機運行的過程中，實時計算standard_distance-distance，即當前距離以及限定距離之間的偏差，并使用這個偏差改變從機的額定速度，流程圖如圖3所示。

3" 電路設(shè)計

循跡功能是通過在地面上鋪設(shè)與地面顏色反差大的色帶，小車通過循跡模塊上的光學(xué)傳感器發(fā)出并接受由色帶反射回來的光線，通過計算判斷小車是否偏移導(dǎo)引路徑來實現(xiàn)。

小車循跡電路ST188傳感器模塊如圖4所示。

反射式紅外光電傳感器ST188由高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管組成，檢測距離可調(diào)整范圍大，4～13 mm可用。本設(shè)計中當檢測到黑線，小車會自動偏轉(zhuǎn)而遠離邊緣的黑線。

DRV8838DSGR電機驅(qū)動模塊如圖5所示。

DRV8838DSGR是一款直流電機驅(qū)動器。集成同步整流功能，內(nèi)部保護功能包含過流保護、短路保護、欠壓鎖定和過溫保護?？梢杂脕眚?qū)動直流電動和步進電動，用于整個小車的運動控制。

2個小車之間的無線通信用HC-05模塊來實現(xiàn)，HC-05的主要工作是通過TX和RX引腳為MSP432提供無線通信服務(wù)。用于2個具有串行功能的微控制器之間的通信，其支持的波特率有9 600、19 200、38 400、57 600、115 200、230 400、460 800，在這里主要用于主機發(fā)送啟動、停止指令、從機接收啟動、停止指令，從而完成正常循跡任務(wù)。

本設(shè)計的電源為車載電源。為保證電源工作可靠，動力伺服系統(tǒng)的電源直接采用了大功率、大容量的12 V/6 800 mAh航模鋰蓄電池，由于單片機穩(wěn)定工作所需要的工作電壓為5 V，因此單片機系統(tǒng)的電源采用了由LM2596s降壓模塊降壓得到的5 V電源。這里采用的是LM2596s的可調(diào)版本。

4" 結(jié)束語

本文對智能傳感機器人實訓(xùn)小車進行了探索與研究，設(shè)計了一款基于單片機MSP432P401R的小車，該小車由電源及電源降壓模塊、HC-05藍牙通訊模塊、DRV8838DSGR電機驅(qū)動模塊、小車循跡電路ST188傳感器模塊等組成，小車采用PID閉環(huán)控制調(diào)速，并通過算法來實現(xiàn)兩車之間的跟蹤距離控制。后續(xù)在小車的基礎(chǔ)設(shè)計上還可以增加各種不同的模塊，實現(xiàn)各種功能。

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