王宇洋，許 志，楊 柳，張家一，張曉亮

(太原科技大學，山西太原030024)

隨著人們物質文化生活水平的不斷提高，智能化的電子玩具深受人們的喜愛，尤其是各種智能小車，由于這類玩具具有較好的交互性，可控性，能夠給人們帶來很好的娛樂以及參與其中的體驗，高科技智能化的電子類玩具逐漸成為市場的主流。與此同時，智能小車可以應用于考古、機器人、醫(yī)療器械等許多方面，尤其在足球機器人研究方面具有很好的發(fā)展前景。因此，智能化小車的研究不僅具有很大的現實意義，還具有極為廣闊的應用前景和市場價值。

1 系統(tǒng)設計

循跡小車左右車輪各用一個直流減速電機驅動，通過調制兩個輪子的轉速從而達到控制轉向的目標，在車體前按照一定方式安裝七個灰度傳感器，將傳感器所檢測到的信號送到CPU，通過CPU控制電機所轉方向，實現小車的循跡。在小車車體上左右安裝兩個紅外傳感器，當傳感器檢測到前面有物體時，即實現追蹤功能，當左邊一個傳感器檢測到時，即向左轉，同理，右邊一個檢測到時，即向右轉。若要讓其實現避障功能，則需改變原始程序，若這兩個紅外傳感器檢測到障礙物時，即向右轉(也可向左轉)。自動循跡小車控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 自動循跡小車控制系統(tǒng)框圖

2 灰度傳感器排布與循跡實現

本系統(tǒng)使用的灰度傳感器為ITR9909，根據實驗測得其離地面大約1.5 cm時，高低電平電壓差最大，所以安裝時，離跑道高度為1.5 cm。

本系統(tǒng)灰度排布為兩排，前排三個，后排四個。前排每一個與后相應兩個占3 cm(循跡黑線的寬度)，如圖2，若a1，b2檢測到黑線時，小車速度的80%向左微轉，若a1，b1檢測到黑線時，小車以原速度的50%向左轉，只有b1檢測到時，小車以原速度的30%向左轉。若a2，b3檢測到黑線時，小車以原速度的80%向右微轉，a3，b4檢測到時，則以原速度50%向右轉，只有b4檢測到時，則以原速度30%向右轉。其它情況小車即直走。灰度傳感器排列方式如圖2所示。

圖2 灰度傳感器排列方式

3 接近開關排布及其追蹤，避障實現

根據障礙物距離接近開關的距離，產生不同的電平信號并送至單片機，隨后由單片機控制電機做出相應轉向，保證小車跟蹤物體或者遇到障礙物時轉彎。兩只接近開關正向、水平關安裝在車頭正前方。根據接近開關的原理可知，根據實驗測得當其與障礙物之間的距離大于30 cm時，輸出端輸出高電平(約為3.5 V)，小于30 cm時，輸出低電平(約為0.5 V)。接近開關排布如圖3所示。

圖3 接近開關排布

4 電機驅動電路

小車左右兩側的驅動輪均由電機驅動芯片L298N來驅動。L298N的輸入端和使能端接收來自單片機的信號，控制電機的通斷以及正反轉，還可以通過向電機控制端輸入不同占空比的方波信號來調整電機轉速(PWM)，其具體管腳連接如圖4所示。其中，input端口接控制信號，output端口接步進電機兩端。當輸出端B1、B2=01時，電機正轉;當B1、B2=10時，電機反轉;當B1、B2=00時，小車停止運動。當輸出端A1、A2=01時，電機正轉;當 A1、A2=10時，電機反轉;當A1、A2=00時，小車停止運動。

圖4 L298與電機接線圖

5 系統(tǒng)軟件實現

5.1 傳感器檢測情況與驅動電路分段控制

首先，紅外光電開關檢測前方是否有移動物體，若兩光電開關都未檢測到物體，此時小車開始循跡。由于實際的循跡黑線的弧度不一樣，所以我們用七個灰度傳感器來反映實際循跡黑線的彎度情況，同時應用單片機產生PWM占空比來配合不同的彎度，進而對電機驅動電路進行控制實現兩電機以不同的速度運行來實現適度轉彎。(1)當a1和b2檢測到黑線時，此時說明黑線的彎度比較小，單片機輸出PWM占空比為80%，其輸出到電機驅動電路從而小車實現微小左轉彎。(2)當a1和b1檢測到黑線時，說明彎度較大，單片機輸出PWM占空比為50%，此時小車實現較大轉彎。(3)當僅b1檢測到時，說明此時小車彎度很大，這時單片機輸出PWM為30%，進而實現很大的轉彎;由于傳感器排布左右對稱，所以右邊情況類似。其次，當紅外開關檢測到前方有移動物體時，此時程序進入追蹤模式，由于物體移動比較快，所以我們不再用PWM進行平緩轉彎，而是直接由電機正反轉來實現小車的快速轉彎。(4)當僅左邊紅外檢測到物體時，單片機直接產生0、1信號來讓左電機反轉，右電機正轉，進而實現快速左轉。(5)當僅右邊紅外檢測到物體時，單片機直接產生0、1信號來讓右電機反轉，左電機正轉，進而實現快速右轉。(6)當左右同時檢測到時即停轉，使小車停下，程序流程圖如圖5所示。

圖5 程序流程圖

最后，若對程序進行相應的更改即能實現避障，即當紅外光電開關檢測到物體時，使小車轉相應的角度即可實現避障。

6 結論

本文提出了一種基于單片機控制的智能循跡，追蹤，避障小車的設計制作方法，它以STC89C52為控制核心，直流減速電機為執(zhí)行元件，IR9909型反射式傳感器作為循跡元件，接近開關作為避障與追蹤元件。經過實驗驗證，該小車能自動循跡，追蹤與避障，并能穩(wěn)定運行。該小車智能化小車的研究不僅具有很大的現實意義，還具有極為廣闊的應用前景和市場價值。