茍淞 周加樂 劉宏

摘 要：本設計采用Arduino和STM32單片機最小系統(tǒng)，運用光電和運動姿態(tài)傳感器，結合PID自動控制算法和A*路徑規(guī)劃算法，通過設計系統(tǒng)運行的總體框架，開發(fā)出了一款在具有基本自主循跡功能的基礎上，結合了路徑規(guī)劃能力的智能循跡車。通過在競賽中實際檢驗，本設計實現(xiàn)了在迷宮地圖中的全場定位以及路徑規(guī)劃中的預設巡航行駛和最短路徑行駛的功能，并達到了較佳的控制效果。本設計方案亦可作為相關機器人競賽項目的基礎參考方案。

關鍵詞：智能循跡車；路徑規(guī)劃；A*算法；Arduino；STM32

中圖分類號：TP23 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）22-0092-02

Abstract： This design adopts Arduino and STM32 single chip microcomputer minimum system， uses photoelectric and motion attitude sensor， combines PID automatic control algorithm and A* path planning algorithm， through the design of the overall framework of the system operation， and based on the basic autonomous tracking function， an intelligent tracking vehicle is developed， which combines the ability of path planning. Through the actual test in the competition， this design realizes the full field positioning in the labyrinth map and the preset cruising and the shortest path driving in the path planning， and achieves the better control effect. This design scheme can also be used as the basic reference scheme of the related robot competition projects.

Keywords： intelligent tracking vehicle； path planning； A* algorithm； Arduino； STM32

引言

在近年來的各類機器人比賽中，智能循跡車因其具有技術性、競技性和創(chuàng)新性，而成為了一個熱門項目。智能循跡車系統(tǒng)結合傳感器學、自動控制、嵌入式、路徑規(guī)劃技術等于一體，集成程度高，使用的算法較為多樣，能夠體現(xiàn)開發(fā)者的創(chuàng)新水平。路徑規(guī)劃技術是循跡車自主導航行駛的核心技術，運用了該技術的智能循跡車或自走機器人可以按程序設定完成規(guī)定路徑巡航和自主探索兩點之間的最短路徑等任務。在眾多的移動機器人路徑規(guī)劃算法中，A*算法[1]已得到廣泛應用、驗證以及推廣。本設計結合循跡控制和路徑規(guī)劃，運用了PID控制算法[2]、運動傳感器姿態(tài)解算[3]、全場定位和A*路徑規(guī)劃，綜合達到了預期控制效果。

1 智能循跡車設計分析

1.1 智能循跡車設計要求

設計智能小車實現(xiàn)能夠在白色底黑色線（25mm寬）地圖上以自動循跡行駛為基礎，完成按任意預設路徑巡航行駛和探索兩點間最短路徑行駛的任務。地圖如圖1。

1.2 智能循跡小車硬件組成

1.2.1 微控制器

本設計使用Arduino Mega 2560為主控制器，這是一款主頻16MHz的8位AVR核心處理器，主要負責循跡控制和路徑規(guī)劃控制。輔助處理器選用了STM32F103T8，ARM 32-bit CortexTM-M3內核，主頻72MHz，憑借其較快的運算速度，負責解算姿態(tài)傳感器得到的數(shù)據(jù)，并將解算得到的最新姿態(tài)數(shù)據(jù)通過串口通信的方式發(fā)送給Arduino Mega 2560。

1.2.2 傳感器

根據(jù)設計需求選用兩種類型的傳感器，一類是用于檢測白底黑線地圖的紅外傳感器；另一類是獲取智能小車即時方向姿態(tài)的HMC5883地磁傳感器。

（1）紅外反射傳感器采用6個TCRT5000組成的橫排陣列，通過6個傳感器返回的不同數(shù)值組合，進行循跡運動的PID控制和路徑規(guī)劃的節(jié)點識別和判斷。

（2）HMC5883模塊包括先進的HMC118X系列磁阻傳感器，附帶霍尼韋爾專利的集成電路包括放大器、自動消磁驅動器、偏差校準、能使羅盤精度控制在1到2度，為智能小車在路徑規(guī)劃中提供精確的方向數(shù)據(jù)。

聯(lián)合上述兩類傳感器數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了智能循跡車在地圖上的全場定位。

1.2.3 驅動部分

智能小車采用三角底盤布置，前萬向輪，后兩輪獨立驅動，L298N驅動兩個直流減速電機，通過雙H橋電路，實現(xiàn)由Arduino Mega 2560發(fā)送的PWM信號來調節(jié)左右電機的轉速，加以增量式PID控制算法，從而控制智能循跡車的運動。

1.3 系統(tǒng)運行總體構架

根據(jù)智能循跡車的基本功能，設計了如下系統(tǒng)運行框架，如圖2所示。

2 路徑規(guī)劃

路徑規(guī)劃技術需建立在以下三大條件的基礎上：第一要建立地圖模型；第二要獲取自身即時位置坐標；第三有合理的路徑規(guī)劃算法支持。在本設計中，路徑規(guī)劃根據(jù)其功能分為按預設路徑行駛和按最短路徑行駛。

2.1 按預設路徑巡航行駛

此功能的實現(xiàn)，需要小車通過地圖信息以及傳感器數(shù)據(jù)進行全場定位。智能小車遍歷地圖全局，從地圖左下角到右上角，將讀取到的信息構建二維數(shù)組a[11][9]存儲地圖節(jié)點（黑線橫縱交點記為一個節(jié)點）信息，根據(jù)地圖實際情況一共記錄了78個有效節(jié)點。

按預設路徑行駛流程：首先以不同標志位代表小車的前進、左轉、右轉和調頭的操作，將預設路徑按預設順序的標志位數(shù)組存儲。其次，小車通過記錄節(jié)點序號和小車指向數(shù)據(jù)進行全場定位，實現(xiàn)節(jié)點與數(shù)組中的標志位一一對應，從而實現(xiàn)按預設路徑行駛。

2.2 按最短路徑行駛（A*算法）

本設計中的智能機器車最短路徑行駛部分實際運用了A*算法。A*算法是一種靜態(tài)路網中求解最短路徑最有效的直接搜索方法，使用評價函數(shù)f（n）=g（n）+h（n）考察節(jié)點n的代價， f（n）代表從起始節(jié)點經節(jié)點n到目標節(jié)點的路徑長度估計；g（n）代表從起始節(jié)點到達當前節(jié)點的實際路徑長度；h（n）代表從節(jié)點n到達目標節(jié)點的最短路徑。算法實現(xiàn)的程序中，用OPEN列表存放新生成的節(jié)點，CLOSE列表存放將要拓展和已拓展的節(jié)點。求解最短路徑程序流程圖如圖3所示。

3 結束語

智能循跡車采用Arduino和STM32單片機作為控制核心，輔以光電傳感器和運動姿態(tài)傳感器，達到了設計目的。本文重點分析了智能循跡車中路徑規(guī)劃的實現(xiàn)方案，對A*算法的具體應用流程進行了總結，在循跡基礎功能上，實現(xiàn)了全場定位、按預設路徑巡航和最短路徑探索。通過在競賽中對該設計進行應用和驗證，進一步證實了本設計方案具有一定的基礎性和通用性。

參考文獻：

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