郭志超，何愛龍

（新鄉(xiāng)學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，河南新鄉(xiāng)453003）

自動(dòng)循跡避障尋光智能小車硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭志超，何愛龍

（新鄉(xiāng)學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，河南新鄉(xiāng)453003）

設(shè)計(jì)并制作了以單片機(jī)為控制核心實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循跡、避障和尋光等功能的智能小車硬件系統(tǒng)。根據(jù)小車的多功能設(shè)計(jì)要求，使用了模塊化設(shè)計(jì)方法，以STC89C52單片機(jī)為中心來控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作，單片機(jī)根據(jù)各傳感器模塊反饋的信號(hào)來控制L293D電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)小車前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向等運(yùn)動(dòng)。并搭建了小車實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)小車功能實(shí)現(xiàn)、運(yùn)動(dòng)控制實(shí)際效果和小車運(yùn)行的穩(wěn)定性進(jìn)行了觀察和分析，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。

智能小車；循跡；避障；尋光

隨著現(xiàn)代電子信息及計(jì)算機(jī)科學(xué)的飛速發(fā)展，智能化設(shè)備無處不在地滲透于社會(huì)生產(chǎn)生活。同時(shí)，人類對(duì)科技及更好的生產(chǎn)生活體驗(yàn)的追求也對(duì)智能化水平提出了更高的要求。2016年3月9日至15日在韓國(guó)首爾進(jìn)行的韓國(guó)圍棋九段棋手李世石與谷歌公司的人工智能圍棋程序阿爾法圍棋AlphaGo之間的五番棋賽，最終人工智能阿爾法圍棋戰(zhàn)勝了李世石，機(jī)器的全面勝利使得“人工智能”再度成為一個(gè)熱門話題。正是在這樣的環(huán)境下，人工智能成為當(dāng)下最尖端的科技研究熱點(diǎn)之一，其中智能小車，即輪式機(jī)器人，因具備完全主動(dòng)或半主動(dòng)的可移動(dòng)性等獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)而成為主要的研究方向，也是人類生產(chǎn)生活中最常見的智能機(jī)器人形式［1-4］。

目前，由于任務(wù)要求和應(yīng)用場(chǎng)景的需求以及軟硬件限制，實(shí)用的智能小車功能相對(duì)較為單一［5-7］，但是隨著人工智能的深入研究和廣泛應(yīng)用，社會(huì)對(duì)具備多種混合功能的小車的需求越來越迫切。

本文嘗試開發(fā)一個(gè)基于通用性平臺(tái)，采用模塊化設(shè)計(jì)，具有可移植性和通用性，并能根據(jù)設(shè)計(jì)好的程序?qū)崿F(xiàn)目前最常用的循跡［8-9］、避障［10-11］、尋光功能的智能小車硬件系統(tǒng)。

1　小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)總方案

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，小車要在循跡、避障、尋光等不同模式下能檢測(cè)出外界環(huán)境信息并及時(shí)作出反應(yīng)，能進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，具有控制效率、準(zhǔn)確率和穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。圖1為系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖。

圖1　小車系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

小車的控制核心為STC89C52單片機(jī)，在小車外圍布置以傳感器為核心的檢測(cè)模塊，動(dòng)力和轉(zhuǎn)向由兩臺(tái)直流電機(jī)提供。小車通過外圍各傳感器模塊及時(shí)檢測(cè)外界物理特征信息，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳送到單片機(jī)，由單片機(jī)發(fā)送控制信號(hào)至電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用H橋驅(qū)動(dòng)模塊——L293D直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊來控制小車前進(jìn)、后退或轉(zhuǎn)向。

2　系統(tǒng)模塊

2.1主控制板

自動(dòng)控制是實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的重點(diǎn)，本設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的多信號(hào)系統(tǒng)，采用的單片機(jī)需要滿足擅長(zhǎng)處理多輸入量、程序存儲(chǔ)量大和有多個(gè)I/O口等要求，另外，主控制板集成了開關(guān)、電阻、顯示器、二極管等元件，故選擇ATMEL公司的單片機(jī)STC89C52為控制模塊核心。

2.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

智能小車的運(yùn)動(dòng)常用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)為直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)兩種。與步進(jìn)電機(jī)相比，直流電機(jī)的位置控制精度不高，但直流電機(jī)電路簡(jiǎn)單且易實(shí)現(xiàn)、調(diào)速性能優(yōu)異。本系統(tǒng)采用兩個(gè)直流電動(dòng)機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片是L293D，并用脈沖寬度調(diào)制單片機(jī)PWM調(diào)速，以不同占空比的電脈沖方式控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。脈沖占空比決定控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，表1為脈沖在125 Hz、PWM值不同時(shí)小車行駛速度和距離的關(guān)系。

表1　PWM值不同時(shí)小車速度和距離的關(guān)系

電機(jī)控制電路用的是“H橋驅(qū)動(dòng)電路”，由4個(gè)角的Q1、Q2、Q3和Q4三極管構(gòu)成其4條垂直腿，中間為電機(jī)，當(dāng)對(duì)角方向的2個(gè)三極管導(dǎo)通時(shí)，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)2個(gè)三極管對(duì)的導(dǎo)通情況不同時(shí)，電流流通方向會(huì)是從左到右或從右到左，此時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)向也會(huì)隨著電流方向改變而發(fā)生變化。電流從正極出發(fā)后經(jīng)三極管Q1，然后通過中間的直流電機(jī)流向?qū)侨龢O管Q4，這時(shí)電機(jī)會(huì)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，相應(yīng)，當(dāng)電流從電源正極發(fā)出，依次通過三極管Q3、中間的電機(jī)、對(duì)角三極管Q2時(shí)，直流電機(jī)則會(huì)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.3電源方案

以交流電經(jīng)過直流穩(wěn)壓后作為電源，需要將交流電源和小車之間用電線連接，這極大地影響了小車的靈活性，甚至直接干擾了小車正確的路徑選擇。

采用4節(jié)干電池串聯(lián)組成電池組提供6 V直流電源，為單片機(jī)主控制板、各傳感器模塊及電機(jī)驅(qū)動(dòng)提供電力。這種電源方案提供的電流穩(wěn)定，給小車平臺(tái)的負(fù)載壓力也小，各芯片和傳感模塊能夠穩(wěn)定地工作。

2.4循跡模塊

循跡模塊采用紅外光電傳感器檢測(cè)路面標(biāo)線。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的小車是在白色路面上跟循黑線運(yùn)動(dòng)：紅外線經(jīng)白色路面時(shí)會(huì)反射回來，此時(shí)接收管則會(huì)接收到紅外信號(hào)；紅外線經(jīng)黑色路面時(shí)則會(huì)被吸收掉而無法被接收。接收管接收的不同信號(hào)均會(huì)被傳輸?shù)絃M393電壓比較器，在電壓比較器中，接收電壓和比較電壓比較后產(chǎn)生“0”和“1”兩種信號(hào)，單片機(jī)接收到這兩種電平信號(hào)后可以判斷出是否檢測(cè)到黑色路線。為了更加精準(zhǔn)地控制小車的前進(jìn)方向，可以用3個(gè)相同的紅外光電傳感器均勻地裝在小車的最前端。通過這3個(gè)傳感器可以將路線偏離情況以“0”“1”兩個(gè)電平的形式實(shí)時(shí)地傳給單片機(jī)，經(jīng)過單片機(jī)處理后傳給L293D電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊來控制2個(gè)輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而最終以特定的角度控制小車的運(yùn)動(dòng)方向。圖2為循跡功能實(shí)現(xiàn)流程示意圖。

圖2　循跡功能實(shí)現(xiàn)流程圖

2.5避障模塊

目前主流的避障方案有超聲波避障方案和紅外避障方案兩種，超聲波傳播的方向性存在一定的誤差，而紅外避障傳感器使用穩(wěn)定，探測(cè)穩(wěn)定且成本較低，為了及時(shí)檢測(cè)小車前方的障礙物，可在小車的中間最前方設(shè)置紅外信號(hào)發(fā)射和接收二極管。當(dāng)單片機(jī)接收到障礙物信息時(shí)，經(jīng)過反射式光電傳感器電路，光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳至主控制模塊，單片機(jī)會(huì)控制電機(jī)使小車先后退一段距離再左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)一定的角度，然后再前行，通過這樣一個(gè)過程可以使小車規(guī)避前方障礙物。紅外信號(hào)發(fā)射和接收實(shí)現(xiàn)避障原理如圖3所示，光電傳感器電路如圖4所示。

圖3　傳感器避障原理

圖4　光電傳感器電路

2.6尋光模塊

尋光即小車尋找光源且在光源處停車，并可跟隨光源運(yùn)動(dòng)。尋光模塊電路的傳感器常用光敏電阻器。尋光模塊由兩部分構(gòu)成：方向檢測(cè)模塊和光強(qiáng)檢測(cè)模塊。光敏電阻對(duì)稱放置在小車最上層的主控板兩側(cè)，它們采集到光信號(hào)后傳輸至電壓比較器LM393，再由邏輯電平CMOS傳到STC89C52，從而實(shí)現(xiàn)小車尋光運(yùn)動(dòng)控制。方向檢測(cè)模塊電路如圖5所示，RG1和RG2為左右兩個(gè)光敏電阻。光強(qiáng)檢測(cè)電路如圖6所示。

圖5　方向檢測(cè)模塊電路

圖6　光強(qiáng)檢測(cè)電路

3　小車的制作與測(cè)試

根據(jù)要求，事先準(zhǔn)備好必要的電子元器件、小車底盤電機(jī)等，進(jìn)行電路安裝和焊接。小車電路原理圖如圖7所示。準(zhǔn)備好色環(huán)電阻、二極管、芯片等元器件，從小到大排列好，并按照從小到大、從低到高的順序依次在電路板上焊接元件。在焊接時(shí)應(yīng)注意：讀取好各種色環(huán)電阻的阻值，防止焊接錯(cuò)誤；裝配光敏電阻時(shí)應(yīng)將光敏電阻以適當(dāng)?shù)慕嵌刃敝?，以更好地感?yīng)光照。在安裝上電池和插好排線后，小車安裝完成。實(shí)際效果如圖8所示

在小車硬件安裝好后將程序燒入單片機(jī)中，在不同的模式下測(cè)試其實(shí)際運(yùn)行效果和穩(wěn)定性。在多次測(cè)試并反復(fù)調(diào)節(jié)好各傳感器模塊電位器以調(diào)節(jié)小車的靈敏度后，小車最終能穩(wěn)定地運(yùn)行，并能實(shí)現(xiàn)循跡、避障、尋光等功能，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖7　小車電路圖

圖8　小車實(shí)際效果照片

4　結(jié)論

本文采用簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)的輪式小車底盤作為平臺(tái)，搭載了以單片機(jī)為控制核心的主控制板、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、循跡模塊等，引入多傳感器信息融合和電機(jī)控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)循跡、避障、尋光功能，完成了智能小車硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制作。在小車安裝好后將程序燒入單片機(jī)中，經(jīng)測(cè)試，該設(shè)計(jì)制作的小車實(shí)現(xiàn)了循跡、避障、尋光的功能，并達(dá)到了要求。

在該設(shè)計(jì)小車上，還可以加入自動(dòng)滅火和在Android系統(tǒng)智能手機(jī)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙對(duì)小車的手動(dòng)控制等。本文的設(shè)計(jì)沒有實(shí)現(xiàn)這些功能，但在設(shè)計(jì)的小車上留下了相應(yīng)的空間和端口，以便后續(xù)升級(jí)和完善這些更為復(fù)雜的功用。

［1］王寶萍.玩具智能小車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.成都：電子科技大學(xué)，2012.

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［3］沈維佳.多傳感器小車的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究［D］.南京：南京理工大學(xué)，2015.

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【責(zé)任編輯黃艷芹】

Smart Car Hardware System Design for Automatic Tracking Obstacle Avoidance and Seeking Light

GUO Zhichao，HE Ailong
（College of Physics and Electronic Engineering，Xinxiang University，Xinxiang 453003，China）

In this paper a smart car hardware system was designed with the control of single chip as its core to realize tracking the pathway，avoiding obstacle and seeking light.Modular designs were used in order to achieve the vehicle's multi-function and the feasibility of different design plans was analyzed with the system taking STC89C52 as its core.According to the signals from different sensors，the single chip could control the car's movement，such as advance，retreat and veer.Meanwhile，the car's experimental platform was set up.It was used to observe and analyze car's implementations of the functions，real effect of motion control and the operation stability.The test results showed that the design achieved the desired purpose.

smart car；tracking the pathway；avoiding obstacle；seeking light

TP24；TP391

A

2095-7726（2016）09-0045-04

2016-06-03

河南省高校科技創(chuàng)新人才支持計(jì)劃項(xiàng)目（14HASTIT044）；河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（14A140030）

郭志超（1980-），男，河南汝州人，博士，研究方向：智能用電。