中南林業(yè)科技大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院 賓澤民 吳舒辭

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智能小車相互超車的研究與設(shè)計(jì)

中南林業(yè)科技大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院 賓澤民 吳舒辭

【摘要】本文是基于“2011年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽”C題智能小車展開的研究與設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)主要由凌陽單片機(jī)小系統(tǒng)，超聲波模塊，無線模塊，紅外反射傳感器st178等構(gòu)成。超聲波實(shí)時(shí)檢測兩車的距離，通過無線模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，構(gòu)成一個(gè)大反饋系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)兩車協(xié)調(diào)行駛。在超車區(qū)域，超車車輛通過無線模塊發(fā)出超車信號，實(shí)現(xiàn)超車。超車后，發(fā)送超車完畢信號給另一輛小車，結(jié)束超車過程。紅外反射傳感器能檢測黑線，從而實(shí)現(xiàn)超車或轉(zhuǎn)彎目的；當(dāng)小車行駛到黑色邊框線附近時(shí)，安裝在兩邊的st178就能檢測到，控制電機(jī)PWM調(diào)速，調(diào)整小車向遠(yuǎn)離邊界線方向行駛，保證小車在正常軌道運(yùn)行。

【關(guān)鍵詞】凌陽單片機(jī)；超聲波模塊；無線模塊；紅外反射傳感器

1 引言

智能小車是一個(gè)集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、自動(dòng)行駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)，它集中地運(yùn)用了計(jì)算機(jī)、傳感、信息、通訊、導(dǎo)航、人工智能及自動(dòng)控制等技術(shù)、是典型的高新技術(shù)綜合體。

智能小車，在當(dāng)今運(yùn)用十分廣泛，在軍事上，能進(jìn)行偵查以及排彈等任務(wù)。在民用領(lǐng)域，無人駕駛已經(jīng)成為各車企研究的重點(diǎn)，然而智能小車是智能車輛的仿真車，是研究智能車輛的基礎(chǔ)。在航天領(lǐng)域，它也扮演重要的角色，如我國“月兔”號探月車正在月球上執(zhí)行各種任務(wù)。

本文研究并設(shè)計(jì)了兩輛小車如何在無軌道的路線如何防止碰撞以及超車。該系統(tǒng)主要由凌陽單片機(jī)小系統(tǒng)，超聲波模塊，無線模塊，紅外反射傳感器st178等構(gòu)成。超聲波實(shí)時(shí)檢測兩車的距離，通過無線模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，構(gòu)成一個(gè)大反饋系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)兩車協(xié)調(diào)行駛。

2 系統(tǒng)總體方案

2.1 轉(zhuǎn)彎模塊

用PWM調(diào)速，當(dāng)檢測到標(biāo)志線后，控制小車外輪比內(nèi)輪速度大，當(dāng)外輪比內(nèi)輪多行駛38cm，就改變兩個(gè)輪子的速度，使其一樣。這樣既能在不減速的條件下，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，節(jié)省時(shí)間，又能有效的防止兩輛小車發(fā)生碰撞。

2.2 測距模塊

采用超聲波測距。12米范圍內(nèi)，超聲波測距是目前已知的所有檢測技術(shù)中最可靠的。超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)；超聲波測距比較迅速、方便、計(jì)算簡單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求。

2.3 標(biāo)志線和邊框檢測模塊

用ST178H2型光電對管[4]。ST178H2采用高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管組成；檢測距離可調(diào)整范圍大(4-10mm可用)；采用非接觸檢測方式。采用ST178H2完全可以有效的降低干擾，而且方便可行，能夠準(zhǔn)確的實(shí)施檢測。

2.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

采用電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片L298N[1]。一片L298N能夠驅(qū)動(dòng)后輪的兩個(gè)直流電機(jī)，其驅(qū)動(dòng)電流能達(dá)到1.2A，且速度調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)動(dòng)方向控制方便，電路簡單，使用方便。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 主控制模塊的總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由凌陽SPCE061A單片機(jī)作為控制核心，由IOB0～3連接驅(qū)動(dòng)，控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)；為了能實(shí)時(shí)的檢測兩車的距離，使用超聲波模塊，使能端EN接IOA6,接收端BACK接IOA5；采用無線模塊實(shí)現(xiàn)兩輛小車直接的通信，無線模塊的CE,CS,DR1,CLK1,DATA1,DR2,CLK2,

DATA2分別接單片機(jī)IOB8～15；兩個(gè)紅外對管，輸出端分別接IOB4～5，實(shí)現(xiàn)精確測速；小車前部中間裝三個(gè)光電傳感器，用來檢測標(biāo)志線，其輸出的高低電平接單片機(jī)IOA0～1；另外車前的左右位置各裝一個(gè)光電傳感器，輸出接IOA3～4，用來檢測黑色邊線，防止小車沖出跑道?？傮w設(shè)計(jì)圖如圖1[5]所示。

3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

該驅(qū)動(dòng)主要是通過SPCE061A單片機(jī)的I/O口，采用PWM調(diào)速，控制直流電機(jī)的加速、減速、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)等功能。經(jīng)分析可知小車的速度與脈寬成正比，所以單片機(jī)發(fā)出的脈沖信號的比即可決定PWM放大器輸出的電壓平均值的大小。

圖1　主控模塊電路圖

3.3 黑膠帶檢測電路

紅外反射傳感器st178都裝小車前部的左中右方向，左右位置各一個(gè)，中間位置三。各輸出口分別與單片機(jī)SPCE061A的IOA0～4連接，高電平有效。

3.4 超聲波電路

分別在兩輛小車的前部各裝一個(gè)超聲波傳感器[2]，傳感器的VCC和GND分別連單片機(jī)的正和負(fù)，使能端EN和接收端BANK分別連單片機(jī)的IOA6，IOA5。

3.5 無線傳輸電路

兩輛小車上各裝有一塊無線模塊，都是CE、DR2、CLK2、DATA2、CS、DR1、CLK1、DATA1分別連接在單片機(jī)的IOB8～15，PWR-UP和GND分別接單片機(jī)正和負(fù)。

4 軟件設(shè)計(jì)

小車通過超聲波模塊檢測距離，通過無線模塊傳輸信號，兩車構(gòu)成一個(gè)大的反饋回路，實(shí)時(shí)的控制小車運(yùn)動(dòng)。甲乙兩車流程圖[3]如2、圖3所示。

5 系統(tǒng)測試

5.1 測試工具

秒表。

5.2 測試步驟

（1）分別記錄甲乙兩車正常行駛一圈所用的時(shí)間s，如表1所示。

（2）乙車通過超車標(biāo)志線后在超車區(qū)實(shí)現(xiàn)超車，并先于甲車到達(dá)終點(diǎn)標(biāo)志線所用的時(shí)間s，以及此過程中發(fā)生碰撞的次數(shù)如表2所示。

圖2　甲車行駛流程圖

圖3　乙車行駛流程圖

表1　行駛一圈所用時(shí)間

表3　跑完整個(gè)過程情形

表4　重新設(shè)置起始位置情形

表2　超車過車中運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

（3）甲車從起點(diǎn)標(biāo)志線出發(fā)，兩車交替領(lǐng)跑行駛四圈，分別記錄每圈行駛的時(shí)間，總時(shí)間s，以及發(fā)生碰撞次數(shù)如表3所示。

（4）重新設(shè)定甲車的起始位置（在離起點(diǎn)標(biāo)志線前進(jìn)方向40cm范圍內(nèi)任意設(shè)定），實(shí)現(xiàn)甲、乙兩車四圈交替領(lǐng)跑的記錄如表4所示。

5.3 測試結(jié)果分析

從表一可知，甲乙兩小車，行駛一圈的時(shí)間不同，主要是受電機(jī)的型號，車輪大小等方面因素影響。根據(jù)表格可知，每圈行駛的時(shí)間不同，這主要是因?yàn)樾≤嚸咳χ行旭偟穆窂降淖兓绊憽Ｔ诔囘^程中，沒發(fā)現(xiàn)兩小車碰撞現(xiàn)象，說明小車的實(shí)行路徑規(guī)劃很好，以及防碰撞功能比較優(yōu)異。

6 結(jié)論與總結(jié)

該設(shè)計(jì)要求路徑規(guī)劃比較好，利用反饋回路，使系統(tǒng)比較穩(wěn)定，既能順利完成超車，又不會發(fā)生碰撞，并在盡量短的時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)。由于采用的電機(jī)轉(zhuǎn)速較小，要使小車在盡量短的時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)，小車行駛的速度就成為了瓶頸。

參考文獻(xiàn)

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賓澤民（1990—） ，男，湖南株洲人，中南林業(yè)科技大學(xué)碩士研究生，研究方向：智能控制與自動(dòng)化。

作者簡介：