摘要：本設(shè)計是針對2011年江蘇省大學生實踐創(chuàng)新項目而設(shè)計的導(dǎo)游機器人系統(tǒng)。整個系統(tǒng)以LM3S1607為處理器對采集數(shù)據(jù)進行處理并通過其控制小車電機的工作，采用光電傳感器作為小車循跡模塊，使小車可以在既定道路上順利行駛。實驗結(jié)果證明本系統(tǒng)能夠平穩(wěn)、快速的在預(yù)定場地上運行，并具有結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)的特點。

關(guān)鍵詞：嵌入式；Cortex-M3；循跡；ARM

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9599 （2012） 20-0000-02

1 引言

隨著信息技術(shù)與機械自動化技術(shù)的發(fā)展越來越快，智能化機器人作為二者結(jié)合的產(chǎn)物也開始滲透到人們生產(chǎn)、生活的各個方面，大量的使用智能化的機器人提高了人們的工作效率，提升了人們的生活質(zhì)量。

本設(shè)計使用Cortex-M3處理器作為智能小車的控制器，并通過通關(guān)軟硬件的設(shè)計使智能小車可以按照事先規(guī)劃好的路線行進，自動檢測偏離并進行修正。

2 循跡小車的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由于循跡小車主要任務(wù)是能夠循著事先鋪設(shè)的引導(dǎo)線條行駛，故設(shè)計循跡小車的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其主要結(jié)構(gòu)分為四個部分：電源管理、傳感檢測系統(tǒng)、微控制器、直流電機。

（1）電源管理模塊

此模塊由電源與穩(wěn)壓電路組成，目的是向各個模塊供電。

（2）傳感檢測系統(tǒng)模塊

此模塊用于尋找軌跡，使小車能在規(guī)定的路線上前進。

常見的軌跡采集方式不外乎灰度傳感器和CCD傳感器。CCD傳感器可以獲取大量圖片信息，完整的掌握整個路面情況且具有極強的抗干擾能力，但對于本項目，由于處理CCD傳感器采集的圖像需要大量的運算，并提供較大的存儲，特別是成本較高，實現(xiàn)起來較為困難。其更適合使用在精確分析的場合。

灰度傳感器使用的是光電轉(zhuǎn)換原理，其獲取數(shù)據(jù)方式簡單、快捷，且設(shè)備成本低廉，沒有復(fù)雜的圖像處理任務(wù)也降低了處理器的負載，而抗干擾性能較弱的問題也在改為使用有源傳感器后得到了解決。本項目中，通過鋪設(shè)的線路為使用了灰度傳感器的小車提供參照是完全可以實現(xiàn)的。

同時，為了使小車能夠發(fā)現(xiàn)障礙物，在小車上還使用了紅外接近開關(guān)，這是一種集發(fā)射與接收于一體的光電開關(guān)傳感器，其檢測距離可以根據(jù)要求進行調(diào)節(jié)，探測范圍3cm-80cm。。

小車共安裝了8個灰度傳感器和2個紅外接近開關(guān)，其中8個灰度傳感器分頭尾兩邊，每邊等距安裝4個，如圖2所示，2個紅外接近開關(guān)則分別安裝在頭尾車架上。小車放置時需將引導(dǎo)線置于小車中部，縱向穿過小車，保證其處于小車的頭2、3號傳感器之間。

（3）微控制器模塊

此模塊使用LM3S1607處理器，用于處理傳感器傳入數(shù)據(jù)和控制直流電機模塊的運轉(zhuǎn)。微控制器從傳感檢測系統(tǒng)中獲取數(shù)據(jù)后與當前程序中預(yù)設(shè)定的值進行對比，以此判斷當前小車所處的位置及狀態(tài)，依據(jù)此判斷并根據(jù)預(yù)定程序，控制直流電機模塊的運行。

（4）直流電機模塊

此模塊主要作為小車的動力系統(tǒng)。小車的進退、轉(zhuǎn)向、急停等功能都由此模塊提供。

系統(tǒng)運行過程如下：引導(dǎo)線是小車跟蹤的目標，系統(tǒng)上電后，小車通過檢測系統(tǒng)檢測出小車相對于所要跟蹤路徑的相對位置，再將此信息輸入到微處理器中，微處理器將此信息進行處理后將控制命令輸出到直流電機，控制小車的位置和速度，保證小車快速平穩(wěn)地沿預(yù)先設(shè)定好的路線行駛。

3 循跡小車軟件總體設(shè)計

系統(tǒng)軟件分成七個部分：主程序、頭尾直行模塊、頭尾左轉(zhuǎn)模塊、頭尾右轉(zhuǎn)模塊。由于小車本身并不分頭尾，只是為了控制方便設(shè)置了頭尾，故在此以頭部為例進行研究。

直行模塊：直行是小車最常見的運行狀態(tài)，由分布在小車頭部2、3號和尾部2、3號，共四個灰度傳感器同時監(jiān)測小車的運行狀態(tài)。由于引導(dǎo)線與周圍環(huán)境顏色有別，四個灰度傳感器只需要將各自的即時值傳到處理器，處理器將其與預(yù)設(shè)值比較，即可發(fā)現(xiàn)小車是否處于正確行使狀態(tài)，并可根據(jù)具體情況予以糾正。以白色引導(dǎo)線為例，其運行過程如下圖3：

左轉(zhuǎn)模塊：當小車行使至左轉(zhuǎn)岔路口時，其左邊必然存在引導(dǎo)線，此時小車頭部的1號灰度傳感器將照在引導(dǎo)線上，其值變化，處理器可以根據(jù)此變化判斷小車已到達路口，并控制電機使小車停止。由于慣性，小車完全停止時，其頭部已經(jīng)越過左側(cè)引導(dǎo)線，所以開始左轉(zhuǎn)后，1、2號傳感器將先后由離開引導(dǎo)線變?yōu)榈竭_引導(dǎo)線，最后再離開引導(dǎo)線，當2號傳感器離開引導(dǎo)線、且3號未到達引導(dǎo)線時，即可認為小車已完成轉(zhuǎn)向，其運行過程如圖4所示。

小車右轉(zhuǎn)與左轉(zhuǎn)類似，依靠4號傳感器判斷右轉(zhuǎn)路口，使用3、4兩個傳感器完成轉(zhuǎn)向。主程序根據(jù)不同路況通過調(diào)用直行、左右轉(zhuǎn)等動作完成整個循跡過程。

4 結(jié)語

本文設(shè)計了一種循跡小車系統(tǒng)，詳細闡述了循跡原理、軟硬件設(shè)計及制作過程，并分析了實現(xiàn)循跡小車幾種基本動作的方法。該循跡小車系統(tǒng)的設(shè)計方案可供循跡類小車整體設(shè)計時參考。

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