趙旭東 魏慧竹 李曦

（沈陽理工大學(xué) 遼寧沈陽 110159）

基于紅外線傳感器的智能尋跡小車設(shè)計(jì)

趙旭東 魏慧竹 李曦

（沈陽理工大學(xué) 遼寧沈陽 110159）

本文介紹了一種基于51單片機(jī)的小車尋跡系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用兩組高靈敏度的光電對(duì)管，對(duì)路面黑色軌跡進(jìn)行檢測(cè)，并利用單片機(jī)產(chǎn)生PWM波，控制小車速度。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠平穩(wěn)跟蹤給定的路徑。

智能小車；光電對(duì)管；尋跡；脈沖寬度調(diào)制

0 前言

智能車即輪式移動(dòng)機(jī)器人，是一種集環(huán)境感知、決策規(guī)劃、自動(dòng)行駛等功能于一體的綜合智能系統(tǒng)、智能車集中地運(yùn)用了自動(dòng)控制、模式識(shí)別、傳感器技術(shù)、汽車電子、電氣、機(jī)械等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)。隨著控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，智能車在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中已經(jīng)扮演了非常重要的角色，今年來，智能車在野外、道路、生產(chǎn)制造中有著廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)成為人工智能領(lǐng)域研究和發(fā)展的熱點(diǎn)。目前，智能車領(lǐng)域的研究已經(jīng)能夠在具有一定標(biāo)記的道路上為司機(jī)提供輔助駕駛的功能，這些智能車的設(shè)計(jì)通常依靠特定的道路標(biāo)記完成識(shí)別，進(jìn)行行駛0。本文所設(shè)計(jì)的智能小車硬件部分主要由單片機(jī)控制模塊、驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向模塊等組成，軟件部分主要又C語言編寫實(shí)現(xiàn)的0。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

整個(gè)電路系統(tǒng)分為檢測(cè)、控制、驅(qū)動(dòng)三個(gè)模塊。首先利用光電對(duì)管對(duì)路面信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)過比較器處理之后，送給軟件控制模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，輸出相應(yīng)的信號(hào)給驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而控制整個(gè)小車的運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)方案方框圖如圖1所示。

圖1 智能小車尋跡系統(tǒng)框圖

當(dāng)電路接通電源時(shí)，由小車主板的穩(wěn)壓電源電路穩(wěn)定輸出5 伏電壓為小車下部的光探測(cè)電路提供電源使二極管發(fā)光，當(dāng)路面是白色時(shí)，二極管發(fā)出的光大部分被反射，光敏電阻就接收到比較強(qiáng)的光照射，阻值變小，流過光敏電阻的電流變大。由于電阻的分壓作用，使得光敏電阻的輸出電壓較小，約為1.5V 左右。當(dāng)路面是黑色時(shí)，由于黑色對(duì)光有吸收作用，

使得二極管發(fā)出的光大部分被吸收，只有小部分被反射，光敏電阻接收到的光照就比較小，阻值變大，流過光敏電阻的電流變小，光敏電阻的輸出電壓變大,約為2.5V 左右。共有五個(gè)光敏電阻也就是有五個(gè)數(shù)據(jù)輸出。這五個(gè)信號(hào)通過數(shù)據(jù)線與單片機(jī)的PA 口相連，最左邊的電阻連接PA 口的最低位PA0,依次類推,一直連到PA4 口。

2 硬件設(shè)計(jì)

關(guān)于智能車的硬件的設(shè)計(jì)主要包括：傳感器、單片機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元、電機(jī)速度控制；各個(gè)部分的具體選型如下：

傳感器：市場(chǎng)上用于紅外探測(cè)法的器件比較多，可以利用反射式傳感器外接簡(jiǎn)單電路自制探頭，也可以使用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作性能可靠的集成式紅外探頭。ST系列集成紅外探頭價(jià)格便宜、體積小、使用方便、性能可靠、用途廣泛，所以該系統(tǒng)中最終選擇了 ST168反射傳感器作為紅外光的發(fā)射和接收器件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外接電路均較為簡(jiǎn)單。ST168采用高發(fā)射功率紅外光、電二極管和高靈敏光電晶體管組成，采用非接觸式檢測(cè)方式。ST168的檢測(cè)距離很小，一般為8～15毫米，因?yàn)?毫米以下是它的檢測(cè)盲區(qū)，而大于15毫米則很容易受干擾。筆者經(jīng)過多次測(cè)試、比較，發(fā)現(xiàn)把傳感器安裝在距離檢測(cè)物表面10毫米時(shí)，檢測(cè)效果最好。

單片機(jī)：?jiǎn)纹瑱C(jī)是整個(gè)小車運(yùn)行的核心部件，起著控制小車所有運(yùn)行狀態(tài)的作用。由于51單片機(jī)具有價(jià)格低廉、使用簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，這里選擇了ATMEL公司的AT89S51作為控制核心部件，當(dāng)小車進(jìn)入循跡模式后，即開始不停地掃描與探測(cè)器連接的單片機(jī)I/O口，一旦檢測(cè)到某個(gè)I/O口有信號(hào)變化，程序就進(jìn)入判斷程序，把相應(yīng)的信號(hào)發(fā)送給電動(dòng)機(jī)從而糾正小車的狀態(tài)。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元：從單片機(jī)輸出的信號(hào)功率很弱，即使在沒有其它外在負(fù)載時(shí)也無法帶動(dòng)電機(jī)，所以在實(shí)際電路中我們加入了電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片提高輸入電機(jī)信號(hào)的功率，從而能夠根據(jù)需要控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)驅(qū)動(dòng)功率大小以及連接電路的簡(jiǎn)化要求選擇L298N。一塊L298N芯片能夠驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，它的使能端可以外接高低電平，也可以利用單片機(jī)進(jìn)行軟件控制，極大地滿足各種復(fù)雜電路需要。另外，L298Nde驅(qū)動(dòng)功率較大，能夠根據(jù)輸入電壓的大小輸出不同額電壓和功率，解決了負(fù)載能力不夠這個(gè)問題。

車速的控制：車速調(diào)節(jié)的方法有兩種：一是用步進(jìn)電機(jī)代替小車上原有的直流電機(jī)；二是在原有直流電機(jī)的基礎(chǔ)上，采用PWM調(diào)速法進(jìn)行調(diào)速。考慮到機(jī)械裝置不便于修改等因素，這里選擇后者，利用單片機(jī)輸出端輸出高電平的脈寬及其占空比的大小來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制小車額速度。經(jīng)過多次試驗(yàn)，最終確定合適的脈寬和占空比，基本能保證小車在所需要的速度范圍內(nèi)平穩(wěn)前行。

圖2 硬件總體設(shè)計(jì)框圖

3 軟件設(shè)計(jì)

該智能小車在畫有黑線的白紙 “路面”上行駛，由于黑線和白紙對(duì)光線的反射系數(shù)不同，可根據(jù)接收到的反射光的強(qiáng)弱來判斷“道路”—黑線。筆者在該模塊中利用了簡(jiǎn)單、應(yīng)用也比較普遍的檢測(cè)方法——紅外探測(cè)法。紅外探測(cè)法，即利用紅外線在不同顏色的物理表面具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn)。在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色地面時(shí)發(fā)生漫發(fā)射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，則小車上的接收管接收不到信號(hào)。其軟件系統(tǒng)框圖如下圖3所示。

圖3 軟件系統(tǒng)框圖

小車進(jìn)入循跡模式后，即開始不停地掃描與探測(cè)器連接的單片機(jī)I/O口，一旦檢測(cè)到某個(gè)I/O口有信號(hào)變化，程序就進(jìn)入判斷程序，把相應(yīng)的信號(hào)發(fā)送給電動(dòng)機(jī)從而糾正小車的狀態(tài)。

4 結(jié)語

此方案選擇的器件比較簡(jiǎn)單，實(shí)際中也很容易實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過多次測(cè)試，結(jié)果表明在一定的弧度范圍內(nèi)，小車能夠沿著黑線軌跡行進(jìn)，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。不足之處，由于小車采用直流電機(jī)，其速度控制不夠精確和穩(wěn)定，不能實(shí)現(xiàn)急轉(zhuǎn)和大弧度的拐彎。

[1]徐友春,王榮本,李兵,李斌.世界智能車輛近況綜述[J].汽車工程,2001,05: 289-295.

[2]萬亮.智能小車運(yùn)行控制系統(tǒng)的研究[J].電子制作,2014,12:58-59.

[3]姚佳.智能小車的避障及路徑規(guī)劃[D].東南大學(xué),2005.

TU7

B

1007-6344（2016）10-0042-01

趙旭東（1995.12--）男，北京市人，本科學(xué)歷，專業(yè)：電子信息科學(xué)與技術(shù)。

魏慧竹（1995.03-）女，遼寧省沈陽市人，本科學(xué)歷，專業(yè)：電子信息工程。

李曦 (1997.02--）女，遼寧省沈陽市人，本科學(xué)歷，專業(yè)：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)。