劉遠(yuǎn)明，李道霖，韓緒鵬

（三峽電力職業(yè)學(xué)院電力工程系，湖北宜昌443000）

循跡小車是目前較為普遍的一項(xiàng)智能小車制作競賽，該制作要求小車能尋著一條黑色軌跡前進(jìn)直到終點(diǎn)，用達(dá)到終點(diǎn)的時間決定競賽成績。到達(dá)終點(diǎn)的時間越短，成績越好。在整個設(shè)計(jì)過程中，循跡小車的尋跡電路是循跡小車的一個關(guān)鍵部件，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用光電傳感器[1-3]作為尋跡器件。然而，光電傳感器對環(huán)境的光線變化比較敏感，不適合在露天環(huán)境和光照比較強(qiáng)的地方開展活動。通過反復(fù)試驗(yàn)和嘗試，作者提出把金屬感應(yīng)傳感器[4]用于循跡小車替代光電尋跡電路，用帶不干膠的金屬鋁箔膠帶貼在地面替代黑色軌跡線條，循跡小車尋著鋁箔膠帶軌道前進(jìn)，無需光線介入，大大增加了尋跡小車活動的環(huán)境適應(yīng)性。

1 硬件及電路

感應(yīng)式循跡小車是由單片機(jī)控制系統(tǒng)、尋跡電路、電動機(jī)驅(qū)動電路等幾部分組成。

1.1 金屬感應(yīng)傳感器電路

金屬感應(yīng)傳感器電路在小車中實(shí)現(xiàn)金屬鋁箔路軌的感應(yīng)尋跡功能，該電路是用金屬探測電路[2]改進(jìn)得到的，電路如圖1所示。圖中，電感線圈L、電容C1、C2、C3，三極管VT1等組成了一個典型的電容三點(diǎn)式振蕩電路，振蕩電路產(chǎn)生的正弦波信號經(jīng)VT2放大后，由VD1、VD2、C6等進(jìn)行倍壓整流、濾波，使三極管VT3的基極獲得了一定幅度的基極電壓而導(dǎo)通，其集電極輸出低電平，后級NE555電路構(gòu)成的施密特觸發(fā)電路[5]因其2腳電平小于1/3VCC，其輸出端3腳輸出1電平。若把電感線圈L靠近金屬物體，線圈的變化磁場會在金屬物體內(nèi)感應(yīng)出渦流而產(chǎn)生鐵損，線圈的Q質(zhì)下降，電路振蕩減弱直至停止振蕩。作用在VT3基極上的電壓消失，三極管VT3由導(dǎo)通變?yōu)榻刂?，其集電極輸出高電平，該電平使后級NE555的6腳電平大于2/3VCC，其輸出端3腳的電平由1跳變?yōu)?，把這個信號送給單片機(jī)I/O端口，單片機(jī)就可以通過檢測該端口的信號變化，了解循跡小車的運(yùn)行狀態(tài)，給出相應(yīng)的控制指令。在該電路中，調(diào)整可調(diào)電阻RP的電阻大小可改變電路的正反饋幅度，使振蕩電路剛好處于振蕩的臨界點(diǎn)上，可調(diào)節(jié)傳感器感應(yīng)到金屬物體的靈敏度。通過精確調(diào)節(jié)RP，可使相應(yīng)金屬感應(yīng)傳感器的靈敏度達(dá)到10 mm以上。

圖1 金屬傳感器電路Fig.1Metallic sensor circuit

1.2 單片機(jī)控制電路

整個循跡小車的設(shè)計(jì)采用51單片機(jī)[6]構(gòu)建控制系統(tǒng)，電路圖如圖2所示，該電路由電源電路、ISP下載接口、電動機(jī)驅(qū)動電路接口、AT89S51單片機(jī)等幾部分組成。把單片機(jī)的P3.4，P3.5，P3.6端口作為傳感器的輸入端口，從金屬感應(yīng)傳感器電路原理分析中可以看出，當(dāng)傳感器靠近金屬物體時，傳感器輸出為低電平，無金屬物體時，輸出為高電平，P3.7口直接接地，方便以后尋跡程序的編寫。

圖2 單片機(jī)控制電路Fig.2MCU control circuit

1.3 電動機(jī)驅(qū)動電路

機(jī)器人采用兩個減速電動機(jī)分別帶動左右兩個動力輪，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎等功能。電動機(jī)的驅(qū)動電路選用小直流電動機(jī)專用驅(qū)動芯片L293D，它能同時驅(qū)動2個減速電機(jī)，最大輸出峰值電流達(dá)1 A，該芯片與單片機(jī)連接如圖3所示。

圖3 電動機(jī)驅(qū)動電路Fig.3Motor drive circuit

2 循跡小車的尋跡控制

2.1 傳感器的位置

感應(yīng)式循跡小車底盤結(jié)構(gòu)如圖4，底盤左右兩輪都為動力輪，分別由兩個減速電動機(jī)驅(qū)動，后面的小輪為隨動輪，隨著兩個動力輪的運(yùn)行而運(yùn)行。3個金屬感應(yīng)傳感器的電感線圈并排安裝在機(jī)器人的前面，距地面約5毫米左右的距離，正常運(yùn)行時，讓中間的一個傳感器位于道路的正上方，處于檢測到金屬物體的狀態(tài)，傳感器輸出為0電平，旁邊兩個傳感器在道路兩邊，沒有檢測到金屬物體，輸出為1電平，3個傳感器的輸出端與單片機(jī)對應(yīng)端口連接，電平輸出信號就是單片機(jī)端口的輸入信號。

圖4 循跡機(jī)器人底盤示意圖Fig.4Schematic diagram of tracking robot

2.2 尋跡狀態(tài)分析

在循跡小車尋著鋁箔膠帶軌道運(yùn)行的過程中，會出現(xiàn)正常運(yùn)行，右邊偏離軌道，左邊偏離軌道等各種情況，按照上面?zhèn)鞲衅鞯脑O(shè)置，循跡小車在正常行駛時，傳遞到單片機(jī)端口的電平信號是101，由于事先已將單片機(jī)的P3.7口接地，因此，傳遞給單片機(jī)P3口的高4位電平信號為0101，當(dāng)循跡小車從右邊偏離軌道時，左邊和中間的傳感器會同時檢測到金屬體，此時，3個傳感器的輸出狀態(tài)為100，單片機(jī)P3口的高4位電平信號為0100，定義這種偏離為右偏，如果繼續(xù)右偏，中間的傳感器會從右邊離開軌道，此時，只有左邊的傳感器檢測到金屬體，此時單片機(jī)端口的電平信號為0110，把這種偏離定義為嚴(yán)重右偏。用這種方法，可以定義機(jī)器人7個尋跡狀態(tài)，把這些狀態(tài)對應(yīng)的電平信號用BCD碼表示，并以此排序，得到端口對應(yīng)的尋跡狀態(tài)編碼表，如表1所示。

表1 尋跡狀態(tài)編碼表Tab.1Coding table of tracing status

2.3 尋跡狀態(tài)分析

循跡小車由左右兩只電動機(jī)驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎等各種運(yùn)動，控制信號由單片機(jī)P2口的低4位給出。對循跡小車的轉(zhuǎn)彎控制采用一輪停止，一輪運(yùn)行的方法實(shí)現(xiàn)，用轉(zhuǎn)彎的時間來控制循跡小車轉(zhuǎn)彎的幅度，同樣是左轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)彎1 s和轉(zhuǎn)彎2 s轉(zhuǎn)彎的幅度是不一樣的，后者轉(zhuǎn)彎的幅度大，把轉(zhuǎn)彎幅度大的叫“急轉(zhuǎn)”，如“右急轉(zhuǎn)”，“左急轉(zhuǎn)”，以區(qū)別轉(zhuǎn)彎幅度小的左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)等。結(jié)合表1，針對各種可能的尋跡狀態(tài)，制定出控制方案如表2所示。

表2 循跡小車控制方案表Tab.2Control program table of self-tracking car

根據(jù)單片機(jī)系統(tǒng)圖、表1和表2，把電動機(jī)控制參數(shù)和延時參數(shù)以壓縮BCD碼的形式組合為一個字節(jié)，控制參數(shù)放高4位，延時參數(shù)放低4位，整理后，可得到單片機(jī)信號端口和控制端口對應(yīng)關(guān)系的編碼表，如表3所示，可在此基礎(chǔ)上進(jìn)行尋跡機(jī)器人的程序設(shè)計(jì)。

3 循跡小車的程序設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)思路

在循跡小車運(yùn)行過程中，不斷讀取P3口的狀態(tài)值，取出高4位，將結(jié)果存入累加器A中，然后用查表的方法，取出對應(yīng)的組合參數(shù)表值，在讀出的表值中，高4位為控制電動機(jī)運(yùn)行的參數(shù)，低4位為電機(jī)運(yùn)行的延時參數(shù)，把高4位和低4位數(shù)從字節(jié)中分離出來，將高4位數(shù)送入P2口對循跡小車運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行控制，將低4位值賦予延時子程序的R0，延時時間為R0×T（ms），T是單位時間，需根據(jù)循跡小車的速度性能確定，用以控制各運(yùn)行狀態(tài)的運(yùn)行時間。另外，在循跡小車尋跡過程中，常會出現(xiàn)循跡小車出軌的情況，一旦循跡小車脫離尋跡軌道，往往意味著尋跡失敗，因此需在程序中增加挽救措施，讓循跡小車在發(fā)現(xiàn)自己脫軌后，立即后退，回到軌道線繼續(xù)運(yùn)行。根據(jù)以上設(shè)計(jì)思路，循跡小車的控制流程圖如圖5所示。

表3 組合參數(shù)編碼表Tab.3Coding table of combination parameters

圖5 循跡小車控制流程圖Fig.5Control flow chart of self-tracking car

3.2 主要匯編程序?qū)崿F(xiàn)

…………

KS:

MOV P3，#0FFH

MOV DPTR，#S4

S0:JB P1.0，$；聲控啟動

S1:

MOV P2，#09H；前進(jìn)

MOV A，P3；讀P3到A

ANL A，#0F0H；取高4位數(shù)據(jù)

MOV 40H，A；保存到內(nèi)存40H中

NOP；稍候

NOP

NOP

MOV A，P3；再讀P3口

ANL A，#0F0H

CJNE A，40H，S1；和上次結(jié)果比較，不同就返回重來

SWAP A；交換高低4位，取尋跡結(jié)果

圖中x為輸入層,給定一個序列xt=(x1,x2,……xt,xt+1)輸入到RNN細(xì)胞中,根據(jù)式(1)、式(2)可計(jì)算出一個隱藏層序列st和一個輸出序列yt。

MOV R4，A

MOVC A，@A+DPTR；查表取出對應(yīng)組合參數(shù)

MOV R3，A；組合參數(shù)先存入R3中

ANL A，#0FH；取出低4位延時參數(shù)

MOV 41H，A；延時參數(shù)先存放到41H中

MOV A，R3

SWAP A

MOV P2，A；控制參數(shù)送P2口

JZS0；壓橫線，停止運(yùn)行

MOV R0，41H；延時參數(shù)送R0中

ACALL YS；調(diào)用延時子程序

AJMP S1

YS:

ACALL YS10MS

DJNZ R0，YS

RET

YS10MS:；延遲10 ms

MOV R1，#250

S3:

MOV R2，#20

DJNZ R2，$

DJNZ R1，S3

RET

S4:

DB 0AH，15H，91H，1AH，85H，91H，8AH，61H；

END

4 結(jié)論

為提高傳統(tǒng)循跡小車的運(yùn)行可靠性，文章提出感應(yīng)式循跡小車的設(shè)計(jì)方法，且詳細(xì)地闡述了該設(shè)計(jì)的主要組成：循跡小車的硬件及電路、循跡小車的循跡控制和單片機(jī)的程序?qū)崿F(xiàn)。

按照本文所提出的新方法，作者成功地設(shè)計(jì)和制作了感應(yīng)式循跡小車的樣品，樣品實(shí)際測試結(jié)果表明：基于新方法設(shè)計(jì)的小車運(yùn)行平穩(wěn)，在長時間工作中沒有出現(xiàn)脫軌現(xiàn)象，循跡小車的運(yùn)行與環(huán)境光的強(qiáng)弱沒有關(guān)系，小車的整體性能較好。

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