李曉云，何秋生，楊 柳，王利民，王 磊

(太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，山西 太原 030024)

智能車，有時也稱為輪式機器人［1］。本文設(shè)計的智能車主要實現(xiàn)自動循跡和避障功能［2］，自動循跡采用光電開關(guān)檢測道路，相比于攝像頭和CCD 采集更加簡單，處理更加快捷方便;采用紅外對管避障，相比于超聲波更加快速，電路結(jié)構(gòu)更加簡單，成本低;電源方面采用電池和太陽能板多電源供電［3］，功耗小，節(jié)能減排。

1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示，主要包括循跡模塊、避障模塊、顯示模塊、驅(qū)動模塊和電源模塊。本文主要介紹智能車系統(tǒng)軟件實現(xiàn)的三大部分:自動循跡、避障、速度控制。

圖1 系統(tǒng)的總體框圖

2 系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)

系統(tǒng)主程序流程圖如圖2 所示，主要用來循跡，循跡過程中直行速度可以保持在1.3～1.5 m/s 左右，當(dāng)紅外對管檢測到有障礙物出現(xiàn)時，減小速度并觸發(fā)外部中斷，進(jìn)入避障子程序，待順利躲開障礙物后，繼續(xù)循跡。

圖2 主程序流程圖

2.1 循跡的軟件實現(xiàn)

智能車循跡采用四個光電開關(guān)，分別置于車身前軌道兩側(cè)，左右各一對。為了方便，從左到右依次標(biāo)記為左1、左2、右2、右1。當(dāng)光電開關(guān)對準(zhǔn)的賽道為白色時，輸出電壓為0.2 V;當(dāng)賽道為黑色時，輸出電壓為5 V［4］。將輸出電壓與閾值電壓作比較，單片機通過檢測比較器的輸出即可得到賽道的信息，通過控制電機的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)循跡功能。

循跡的軟件實現(xiàn)如圖3 所示，循跡主要是檢測黑線的位置，分為6 種情況:若沒有檢測到黑線就直走，此處包含了智能車通過十字路口時沒有黑線的情況;若四個光電開關(guān)均檢測到黑線，就停車;若左1 檢測到黑線，說明車身已經(jīng)大幅度的偏向右邊，控制智能車大幅度左轉(zhuǎn);若左2 檢測到黑線，控制車小幅度左轉(zhuǎn);若右2 檢測到黑線，控制車小幅度右轉(zhuǎn);若右1 檢測到黑線，控制車大幅度右轉(zhuǎn)。

圖3 循跡的軟件流程圖

2.2 避障的軟件實現(xiàn)

避障采用兩個紅外對管實現(xiàn)，分別置于智能車的前方和右側(cè)。前方的紅外對管用來探測前方是否有障礙物，右側(cè)的用來探測障礙物的長短。以前方為例，紅外對管發(fā)射紅外光，若前方有障礙物，紅外線將從物體反射回來，單片機將檢測到低電平，控制電機改變智能車的行進(jìn)方向，從而順利避開障礙物。本文以寬度為6 cm，長度不定的障礙物進(jìn)行實測。

避障的軟件流程圖如圖4 所示。單片機通過精確延時使二極管發(fā)射38.5 kHz 的紅外線，同時檢測紅外檢測器的狀態(tài)［5］。當(dāng)檢測到前方有障礙物時，觸發(fā)外部中斷，單片機通過控制電機使智能車轉(zhuǎn)彎，避開障礙物，然后直走。同時檢測車身右側(cè)是否有障礙物，主要是確定障礙物的長短和智能車直走的距離。當(dāng)檢測到無障礙物時，驅(qū)動電機使智能車轉(zhuǎn)彎再次回到黑線上，繼續(xù)循跡。

圖4 避障的軟件流程圖

2.3 速度控制的軟件實現(xiàn)

PWM 是通過調(diào)節(jié)直流電源電壓的占空比，來改變負(fù)載兩端電壓的平均值，而達(dá)到控制要求的一種電壓調(diào)整方法［6］。由于PWM 控制，不僅可以調(diào)節(jié)速度，而且還可以彌補硬件結(jié)構(gòu)的缺陷，消除左右兩輪之間摩擦阻力不同的影響，因此這里采用PWM 控制智能車的速度。單片機系統(tǒng)主頻是12 MHz，若PWM 輸出頻率為1 kHz，定時中斷次數(shù)設(shè)定為100，即0.01 ms 中斷一次，這樣可以設(shè)定占空比范圍是1～100。

PWM 的軟件流程圖如圖5 所示，其中C 為中斷次數(shù)，0.01 ms 觸發(fā)一次中斷，left 為左輪PWM 的給定值，right 為右輪PWM 的給定值，將它們依次與中斷次數(shù)C 進(jìn)行比較，控制電機的使能端，改變電源電壓的占空比，從而達(dá)到調(diào)速的目的。

圖5 PWM 控制的軟件流程圖

速度顯示流程如圖6 所示。測速模塊采用LM393 和20格的光電碼盤。光電碼盤每轉(zhuǎn)一格觸發(fā)一次外部中斷，測速中斷主要是記錄碼盤轉(zhuǎn)的格數(shù)。速度顯示采用LCD1602，每400 ms 更新一次，速度計算公式為:v=2nπR/(20 ×0.4)，n為光電碼盤轉(zhuǎn)的格數(shù)，R 為光電碼盤的半徑。

圖6 LCD 顯示的軟件流程圖

2.4 軟件調(diào)試

如圖7 是設(shè)計的智能車，圖8 為調(diào)試智能車的賽道，圖中標(biāo)記著一長一短兩個障礙物，障礙物寬度為6 cm，長度不限，黑線寬度為2 cm。因障礙物寬度一定，智能車轉(zhuǎn)彎的延時時間和速度需經(jīng)過多次試驗調(diào)整，使其順利通過障礙物，并繼續(xù)自動循跡。本系統(tǒng)中智能車直行時速度能穩(wěn)定在1.52 m/s，左轉(zhuǎn)彎時左輪速度大約0.55 m/s，右輪速度大約1.15 m/s，右轉(zhuǎn)彎時右輪速度大約0.58 m/s，左輪速度大約1.18 m/s。

圖7 智能車模型

圖8 調(diào)試賽道

3 結(jié)論

本文設(shè)計的智能車可以在強光的照射下自動為智能車供電或者給電池充電。經(jīng)多次測試表明智能車能夠穩(wěn)定地按照設(shè)定黑色軌跡運動，并能夠躲避任意長度的障礙物，能在誤差允許范圍內(nèi)測得速度并實時顯示。

［1］趙建領(lǐng)，弓雷.51 系列單片機開發(fā)寶典［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2012.

［2］王允上.學(xué)用單片機制作機器人［M］.北京:科學(xué)出版社，2011.

［3］劉帥，王潔瑜，尹志強，等.太陽能LED 路燈驅(qū)動器設(shè)計［J］.電子技術(shù)與軟件工程，2014(8):152 -153.

［4］王艷.基于51 單片機的紅外遙控小車設(shè)計和制作［J］.機電信息，2010(12):4 -5.

［5］韓毅，楊天.基于HCS12 單片機的智能尋跡模型車的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.計算機工程與設(shè)計，2008，29(18):4736 -4739.

［6］林廣峰.用單片機實現(xiàn)頻率可調(diào)的PWM 控制信號［J］.科技傳播，2010(6):220 -221.