董雷剛　崔曉微　張丹　張華　安向明

摘要：自動(dòng)循跡小車(chē)在不用人為干預(yù)的情況下，可以按照預(yù)定軌跡自動(dòng)行進(jìn)，該技術(shù)在工業(yè)上有很高的指導(dǎo)和應(yīng)用價(jià)值。文章介紹的是一種復(fù)雜路況下智能循跡小車(chē)的設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)以單片機(jī)AT89S51為控制核心，采用高靈敏度的紅外傳感器采集路面信息，并將信息傳到AT89S51，由單片機(jī)根據(jù)路況信息控制小車(chē)的行進(jìn)方向，并產(chǎn)生PWM波來(lái)調(diào)整小車(chē)的速度，從而實(shí)現(xiàn)小車(chē)在復(fù)雜路況下的平穩(wěn)循跡。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)循跡；AT89S51；紅外傳感器；PWM

中圖分類號(hào)：TN391.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）07-1532-05

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的使用已經(jīng)遍及機(jī)械、電子、交通等諸多領(lǐng)域。近年來(lái)機(jī)器人的智能水平不斷提高，并迅速改變著人們的生活方式。人們?cè)诓粩嗵接?、改造、認(rèn)識(shí)自然的過(guò)程中，制造能替代人類勞動(dòng)的機(jī)器一直是人類的夢(mèng)想。機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)引導(dǎo)功能和避障功能就必須要感知引導(dǎo)線和障礙物，感知引導(dǎo)線相當(dāng)于給機(jī)器人一個(gè)視覺(jué)功能。智能循跡小車(chē)的制作就是機(jī)器人在這方面的一個(gè)典型應(yīng)用?，F(xiàn)有的方案所采用的軌跡基本上都是比較平滑的，而在實(shí)際應(yīng)用上，軌跡往往是比較復(fù)雜的，因此，該文提出一種能夠在復(fù)雜路況下平穩(wěn)行進(jìn)的智能循跡小車(chē)設(shè)計(jì)方案。

1 系統(tǒng)理論分析

小車(chē)要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循跡，就必須能識(shí)別行車(chē)軌跡，辨別軌跡與周?chē)h(huán)境的不同，而且能隨著軌道的變化而不斷調(diào)整小車(chē)行進(jìn)的方向，以保證小車(chē)沿著軌跡行進(jìn)。在行進(jìn)過(guò)程中，小車(chē)須能識(shí)別路況標(biāo)志，并且根據(jù)不同的路況自動(dòng)調(diào)節(jié)行進(jìn)速度，以保證小車(chē)順利通過(guò)，不會(huì)偏離軌道。由于在極端路況下行進(jìn)時(shí)，電機(jī)的較強(qiáng)扭矩會(huì)對(duì)控制單元產(chǎn)生干擾，因此，還需解決控制單元的抗干擾問(wèn)題。

為了模擬不同路況，設(shè)計(jì)了如下跑道，如圖1所示。在白色的高分子板上，用黑色膠帶鋪設(shè)路線，在該路線中，既包含直線，也包含曲線、大角彎、直角彎，還包含6厘米高80厘米長(zhǎng)的模型橋（圖中N所示）。小車(chē)從A點(diǎn)出發(fā)，按照行走路線循跡行走，直到終點(diǎn)結(jié)束。圖中與軌道垂直的短線為下一路況的標(biāo)志線。

2 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)以AT89S51單片機(jī)為控制核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用紅外傳感器對(duì)行車(chē)路線進(jìn)行檢測(cè)，信號(hào)經(jīng)過(guò)比較器LM324之后送給單片機(jī)，然后單片機(jī)根據(jù)信號(hào)的不同進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)、糾正小車(chē)的行進(jìn)方向。在行進(jìn)過(guò)程中，由路況標(biāo)志檢測(cè)模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)路況信息并顯示在數(shù)碼管上，單片機(jī)根據(jù)此信息調(diào)整PWM波實(shí)現(xiàn)對(duì)小車(chē)速度的控制，從而實(shí)現(xiàn)小車(chē)的平穩(wěn)循跡運(yùn)動(dòng)。

系統(tǒng)包括軌道檢測(cè)、路況標(biāo)志檢測(cè)、電源穩(wěn)壓、車(chē)輪驅(qū)動(dòng)、方向控制、速度調(diào)整、路況顯示等功能。

2.1 微控制器芯片

微控制器是整個(gè)小車(chē)運(yùn)行的核心部件，控制著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行[1]。本系統(tǒng)采用了北京精儀達(dá)盛公司的AT89S51開(kāi)發(fā)板作為控制核心部件。對(duì)于軌道的檢測(cè)、電機(jī)的驅(qū)動(dòng)、速度的調(diào)整等功能，都不涉及精確時(shí)序的問(wèn)題，而且51單片機(jī)具有價(jià)格低廉且使用簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，在很大程度上降低了主控芯片的使用難度，可以留出更多的精力去完善整個(gè)系統(tǒng)的功能和穩(wěn)定性?；谏鲜鲈?，綜合考慮選用了達(dá)盛公司的AT89S51作為本系統(tǒng)的核心。其外圍電路圖如圖3所示。

2.2 軌道檢測(cè)模塊

此模塊采用的是紅外探測(cè)法[2]，即利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同反射性質(zhì)的特點(diǎn)。反射式紅外傳感器一對(duì)紅外發(fā)射接收管組成，兩者用黑色物體隔開(kāi)，當(dāng)紅外線遇到白色物體時(shí)會(huì)反射回來(lái)，接收管可以接到紅外線并產(chǎn)生低電平（用0表示）；當(dāng)紅外線遇到黑色物體時(shí)會(huì)被吸收，接收管接收不到紅外線并產(chǎn)生高電平（用1表示）。鑒于黑白物體對(duì)紅外線具有很大差別的反射系數(shù)，小車(chē)的行車(chē)軌跡為白色高分子板上粘貼的黑膠帶。紅外傳感器固定在車(chē)底盤(pán)前沿，距離地面1厘米左右。在小車(chē)行駛過(guò)程中，紅外傳感器不斷地向地面發(fā)射紅外線進(jìn)行檢測(cè)，并根據(jù)接收端的信后來(lái)確定路面的信息。

為了實(shí)現(xiàn)紅外傳感器接收信號(hào)的可靠性，在車(chē)體前端共安裝4個(gè)紅外傳感器，如圖3所示，圓圈表示紅外傳感器，傳感器1和2之間的距離稍大于路線（黑膠帶）寬度，傳感器1、3和2、4的距離比黑膠帶略窄。這樣一來(lái)，就可以根據(jù)4個(gè)紅外傳感器的接收段信號(hào)更好的來(lái)確定黑線的位置和小車(chē)的行進(jìn)方向，使單片機(jī)以此為依據(jù)，對(duì)小車(chē)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。傳感器的信號(hào)與小車(chē)行進(jìn)方向的關(guān)系如表1所示，因?yàn)橄到y(tǒng)采用帶減速齒輪的小電機(jī)作為車(chē)輪驅(qū)動(dòng)，小車(chē)的速度不會(huì)特別快以至于失控，因此4個(gè)傳感器的信號(hào)組合主要有5種。

此模塊的作用除了進(jìn)行路線檢測(cè)之外，還負(fù)責(zé)路況標(biāo)志線的檢測(cè)。路況標(biāo)志線是垂直于路線的橫線，要想檢測(cè)到此標(biāo)志，需要用到傳感器1和2，當(dāng)這兩個(gè)傳感器同時(shí)探測(cè)到黑線時(shí)，一定是標(biāo)志線，此時(shí)可將標(biāo)志線計(jì)數(shù)器加1，并調(diào)整小車(chē)的速度。

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

本系統(tǒng)對(duì)車(chē)輪的驅(qū)動(dòng)采用的是帶有減速齒輪的直流小電機(jī)，對(duì)直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)使用的是L9110芯片電路[3]，如圖4所示。L9110是為控制電機(jī)設(shè)計(jì)的兩通道推挽式功率放大專用集成電路器件，將分離電路集成在單片IC之中，使外圍設(shè)備成本降低，整機(jī)可靠性提高。該芯片有兩個(gè)TTL/CMOS兼容電平的輸入，具有良好的抗干擾性；兩個(gè)輸出端能直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正反向運(yùn)動(dòng)，它具有較大的電流驅(qū)動(dòng)能力，每通道能通過(guò)750-800MA的持續(xù)電流，峰值電流能力可達(dá)1.5-2.0A；同時(shí)它具有較低的輸出飽和壓降；內(nèi)置的鉗位二極管能釋放感性負(fù)載的反向沖擊電流，使它在驅(qū)動(dòng)繼電器，直流電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)或開(kāi)關(guān)功率管的使用上的安全可靠。L9110芯片的使用非常簡(jiǎn)單，只要在兩個(gè)輸入端有4V左右的電位差，就可驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，改變輸入端的電位差的正負(fù)，即可改變電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。

為了使小車(chē)能按照軌跡行進(jìn)，需要在行進(jìn)的過(guò)程中對(duì)小車(chē)方向進(jìn)行實(shí)時(shí)糾正，當(dāng)小車(chē)向左偏時(shí)，應(yīng)當(dāng)向右糾正——左輪正轉(zhuǎn)，右輪暫停；當(dāng)小車(chē)向右偏時(shí)，應(yīng)該向左糾正——右輪正轉(zhuǎn)，左輪暫停?？刂茊卧獙?duì)小車(chē)方向進(jìn)行控制的依據(jù)是車(chē)體前面的4個(gè)紅外傳感器的輸出值，見(jiàn)上表1。

2.4 顯示模塊

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軌道涉及多種路況，為了顯示運(yùn)行狀態(tài)和方便系統(tǒng)調(diào)試，采用了3個(gè)7段數(shù)碼LED來(lái)顯示路況標(biāo)志線——記錄小車(chē)的過(guò)線次數(shù)，計(jì)數(shù)從000累加到012。由于單片機(jī)引腳輸出的電流不能直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管，因此，采用CD4511芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管。CD4511是一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)共陰極 LED （數(shù)碼管）顯示器的 BCD 碼—七段碼譯碼器，具有BCD轉(zhuǎn)換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅(qū)動(dòng)功能的CMOS電路能提供較大的拉電流，可直接驅(qū)動(dòng)LED顯示器。該芯片是4個(gè)輸入、7個(gè)輸出，因此可以利用較少的單片機(jī)引腳來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)LED的控制。原理圖如圖5所示。

用兩個(gè)數(shù)碼管來(lái)顯示數(shù)據(jù)，需要用到數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)掃描。動(dòng)態(tài)數(shù)碼掃描顯示方式是利用了人眼的視覺(jué)暫留效應(yīng)，把多個(gè)數(shù)碼管按一定順序（從左至右或從右至左）進(jìn)行點(diǎn)亮，當(dāng)點(diǎn)亮的頻率（即掃描頻率）不大時(shí)，我們看到的是數(shù)碼管一個(gè)個(gè)的點(diǎn)亮，然而，當(dāng)點(diǎn)亮頻率足夠大時(shí)，看到的不再是一個(gè)一個(gè)的點(diǎn)亮，而是全部同時(shí)顯示（點(diǎn)亮），與傳統(tǒng)方式得到的視覺(jué)效果完全一樣。因此只要給數(shù)碼管這樣一個(gè)掃描頻率，就可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)以上的數(shù)碼管同時(shí)點(diǎn)亮。

2.5 PWM調(diào)速模塊

在復(fù)雜路況下，如果小車(chē)按照全速行進(jìn)的話，在彎道太大或過(guò)橋時(shí)有可能會(huì)偏離路線，這就需要在不同的路況實(shí)時(shí)調(diào)整車(chē)速。本系統(tǒng)采用的是PWM調(diào)速原理[4]，脈沖寬度調(diào)制（PWM）是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法，通過(guò)計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來(lái)對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。PWM信號(hào)仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么完全有（ON），要么完全無(wú)（OFF）。電壓或電流源是以一種通（ON）或斷（OFF）的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開(kāi)的時(shí)候。更改占空比的數(shù)值即可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)輸出端口的電壓調(diào)節(jié)。原理圖如圖6所示，假設(shè)滿負(fù)荷電壓為V，在單位時(shí)間T內(nèi)，如果通電的時(shí)間是t，斷電的時(shí)間是T-t，則單位時(shí)間內(nèi)的平均電壓指應(yīng)該是Vt/T，因此，改變通電時(shí)間t的大小即可改變單位時(shí)間內(nèi)平均電壓的大小。當(dāng)單位時(shí)間很小的時(shí)候，單片機(jī)輸出端口即可得到穩(wěn)定的電壓值：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)的平均電壓值。

2.6 電源穩(wěn)壓模塊

在測(cè)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)如果直接使用5V電池為系統(tǒng)供電，由于在小車(chē)通過(guò)極端路況時(shí)電機(jī)的扭矩過(guò)大，導(dǎo)致電池的電壓下降，單片機(jī)無(wú)法正常工作，因此采用了7805穩(wěn)壓芯片為單片機(jī)供電[5]。圖7是穩(wěn)壓電路原理圖，電壓輸入端用電解容CI與地相接，對(duì)輸入電壓進(jìn)行簡(jiǎn)單的整形和濾波，提高輸入電壓的質(zhì)量。第二引腳是芯片的接地端。第三引腳是電壓輸出端，在輸出電壓之前用電容C0進(jìn)行整形的濾波，提高輸出電壓的質(zhì)量。這樣，無(wú)論輸入端電壓怎樣變化，只要保持在9V以上，輸出端就可獲得平穩(wěn)的5V電壓。因此，將12V的電源直接供電給電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L9110，將12V電源通過(guò)7805穩(wěn)壓電路后給單片機(jī)供電，這樣就可最大程度的降低電機(jī)對(duì)單片機(jī)的干擾。

3 軟件流程

軟件編程流程圖如圖8所示，程序開(kāi)始后便不斷進(jìn)行紅外探測(cè)，探測(cè)軌道和路況標(biāo)志線，然后隨時(shí)進(jìn)行速度的調(diào)整和小車(chē)行進(jìn)方向的糾正，以保證小車(chē)能在不同路況下平穩(wěn)的行進(jìn)，從而最終完成循跡任務(wù)。

4 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，經(jīng)過(guò)不斷的調(diào)試和改進(jìn)，總結(jié)了很多注意事項(xiàng)，主要有以下幾點(diǎn)。

1）電路的焊接點(diǎn)一定要牢固，盡量不要出現(xiàn)虛焊的情況，否則在后期檢查時(shí)很費(fèi)力氣。

2）盡量用鋰充電電池，電流和電壓比較穩(wěn)定，以方便PWM編程的調(diào)試。

3）盡可能使用帶紋理的橡膠輪胎，增大車(chē)輪與地面的摩擦力，以提高車(chē)輪抓地力。

4）紅外傳感器的發(fā)射端串聯(lián)電阻的阻值不宜太小，否則會(huì)引起電路發(fā)熱，影響壽命。

5）單片機(jī)的負(fù)載不要太多，車(chē)體重量不宜太重，否則會(huì)影響小車(chē)的靈活性，尤其在小車(chē)轉(zhuǎn)彎的時(shí)候。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文討論的是復(fù)雜路況下循跡小車(chē)的實(shí)現(xiàn)方法，用紅外傳感器進(jìn)行路線檢測(cè)，由單片機(jī)根據(jù)檢測(cè)信號(hào)對(duì)小車(chē)實(shí)施方向控制和速度調(diào)整，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)表明，此設(shè)計(jì)方案能比較完好的實(shí)現(xiàn)小車(chē)的平穩(wěn)循跡，達(dá)到了預(yù)期效果，這些思路和方法在實(shí)踐中都是值得借鑒的。但在實(shí)際應(yīng)用中，還應(yīng)該根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境，進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)和提高。

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