吳迪

【摘要】以Arduino單片機為控制核心，將專用循跡模塊通過通孔銅柱固定在車頭控制車輪方向，用公對母杜邦線連接到控制器單片機。通過調(diào)試Arduino程序的數(shù)據(jù)改變轉(zhuǎn)彎速率，通過調(diào)試靈敏度螺母改變感應器靈敏度。循跡的軌道是由黑色膠帶紙制成的黑線，當一側(cè)的傳感器感受到黑線時另一側(cè)輪子會轉(zhuǎn)動改變方向。讓中間的引導頭一直跟著黑線走，一直尋跡黑色。而最外邊的兩個傳感器不能碰到黑線。如果偏離軌道，小車就用單片機程序調(diào)整一下電機的控制，讓兩側(cè)電機加速或者減速，小車就轉(zhuǎn)彎。傳感系統(tǒng)里用紅外線被地面上的黑線吸收的原理傳感確定下一步動作。本系統(tǒng)在硬件設計方面，以Arduino單片機為控制核心，以紅外線傳感器檢測小車下方黑線，完成循跡功能。在軟件方面，利用Arduino語言進行編程，通過軟件編程來控制小車運轉(zhuǎn)。用PWM系統(tǒng)調(diào)速，控制小車前進的速度。實現(xiàn)小車根據(jù)地面環(huán)境，做出轉(zhuǎn)向和前進等動作，從而完成循跡的功能。

【關鍵詞】智能 循跡小車 問題及方案

【中圖分類號】TP23 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2019）04-0235-02

1.Arduino單片機概述

Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺。構(gòu)建于開放原始碼simple I/O介面版，并且具有使用類似Java，C語言的Processing/Wiring開發(fā)環(huán)境。它包含兩個主要的部分：硬件部分是可以用來做電路連接和Arduino電路板；另外一個則是Arduino IDE，計算機中的程序開發(fā)環(huán)境只要在IDE中編寫程序代碼，將程序上傳到Arduino電路板后，程序便會告訴Arduino電路板要做些什么了。Arduino能通過各種各樣的傳感器來感知環(huán)境，通過控制燈光、馬達和其他的裝置來反饋、影響環(huán)境。板子上的微控制器可以通過Arduino的編程語言來編寫程序，編譯成二進制文件，燒錄進微控制器。

2.項目主要研究內(nèi)容

設計題目為《基于Arduino的智能循跡小車設計》是以Arduino單片機為控制核心制造的小車。本報告主要研究小車的功能以及程序改良。將專用循跡模塊通過通孔銅柱固定在在車頭控制車輪方向，用公對母杜邦線連接到控制器單片機。通過調(diào)試Arduino程序的數(shù)據(jù)改變轉(zhuǎn)彎速率，通過調(diào)試靈敏度螺母改變感應器靈敏度。當一側(cè)的傳感器感受到黑線時另一側(cè)輪子會轉(zhuǎn)動改變方向。讓中間的引導頭一直跟著黑線走，一直尋跡黑色。而最外邊的兩個不能碰到黑線。如果偏了，小車就用單片機程序調(diào)整一下電機的控制，讓兩側(cè)電機加速或者減速，或者一加速一減速（轉(zhuǎn)彎能力更強），小車就轉(zhuǎn)彎。傳感系統(tǒng)里用紅外線被黑條吸收的原理傳感確定下一步動作。小車靈敏度太高會導致小車偏離軌道，靈敏度太低會導致速度下降。本報告主要研究方向在小車組裝試用后對程序的調(diào)試使得小車以最快的速度跑完自己制作的兩條軌道。

3.小車原理

3.1循跡小車原理

基于單片機的小車尋跡系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用兩組高靈敏度的光電對管，對路面黑色軌跡進行檢測，并利用單片機產(chǎn)生PWM波，控制小車速度。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠平穩(wěn)跟蹤給定的路徑。設計原理：設計原理為物理原理，根據(jù)黑色吸收光線，白色反射光線來完成，該智能小車在畫有黑線的木頭顏色的地板行駛，由于黑線和地板對光線的反射系數(shù)不同，接收到的反射光的強弱來判斷“道路”——黑線。該模塊利用了簡單普遍的檢測方法——紅外線檢測法。

3.2避障小車原理

本小車的硬件部分分為幾個模塊：紅外線傳感器、Arduino單片機、電源（6節(jié)5號電池）、兩個直流電動機、電機驅(qū)動板、車身。電源連接在Arduino單片機上給整個小車供電。小車以Arduino單片機為核心，連接電機驅(qū)動板控制兩個直流電動機的運轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)小車的前進。

4.模塊

4.1循跡模塊：小車可沿著地面的黑線正常行駛，不出界，不停止。

4.2避障模塊：小車遇到障礙物無法避讓反而向障礙物方向偏轉(zhuǎn)。

5.問題和解決方案

5.1電池

有時智能小車會出現(xiàn)已經(jīng)裝滿電池卻無法啟動的情況，此時除了接線差錯、程序出錯、電池用完等問題外，還會存在電池接觸不良的問題。通過斷電后向下摁電池，擠壓電池盒的方式確保電路被連通。

5.2速度

通過調(diào)試Arduino程序的數(shù)據(jù)改變轉(zhuǎn)彎速率，通過調(diào)試靈敏度螺母改變感應器靈敏度。因為循跡原理是改變方向，所以即使是走黑線直線也會比平地慢上不少。

5.3黑線

黑線不得過粗，如果過粗將導致小車無法識別而不能前進。黑線不得過細，過細將導致小車來不及識別超速出線。實際因為膠帶紙原因遇到過粗問題。使用白色膠布覆蓋多余黑色膠布部分解決黑色膠布過粗問題。

5.4避障

避障模塊可能是程序出錯或是安裝問題導致無法正常避障，可能是轉(zhuǎn)動方向正好弄反，該問題將有機會在實驗時進行解決，預計解決方式是調(diào)整程序中轉(zhuǎn)向問題，將左右輪互換。

5.5改進方向

循跡模塊變量主要是執(zhí)行時間和PWM調(diào)速，執(zhí)行時間是小車接收信號向左或向右轉(zhuǎn)時經(jīng)歷的時間，數(shù)字越大時間越長，PWM是小車轉(zhuǎn)動時速率的大小，數(shù)字越大速率越大，但不可超過255。此外嘗試通過直接在小車上加工使其速度變快。

6.實驗過程以及結(jié)果

6.1 循跡模塊

利用黑色膠帶紙制作賽道，因為所擁有的黑色膠帶紙過粗，用較細的白色膠帶紙覆蓋多余的部分（如賽道1和2），黑線粗細因素：黑線過粗部分容易導致小車紅外線全部被吸收無法前進，黑線過細部分容易導致小車速度過快而在拐彎處無法提供足夠向心力而出界。

賽道1：此賽道略短，小車容易停止的位置是大拐彎處；

賽道2：此賽道稍長，因為拐彎處幅度不大，小車更容易完整運行。

A.小車修整后，根據(jù)對小車結(jié)構(gòu)和循跡模塊工作原理在保證原本成功率6成的前提下提高小車速度，即減少小車完成賽道所需時間，修整點：在支撐輪周圍黏上一定強度但可抖動的膠帶，使支撐輪盡量保持與兩主動輪平行以獲得前進的最大速度，但可能會導致在拐彎處無法提供足夠向心力而出界，在循跡模塊上兩個控制靈敏度的螺絲上喬正。B.程序修改后，根據(jù)對程序某些數(shù)據(jù)的理解修改數(shù)據(jù)在保證原本成功率6成的前提下提高小車速度，即減少小車完成賽道所需時間修改點：PWM比例0～255調(diào)速，數(shù)字越大說明車輪轉(zhuǎn)向速率越大，執(zhí)行時間接受一次信號變化以后車輪變化時間。

小車修整在賽道一和賽道二的完成時間上均有所成效，但成功率下降；程序修改在賽道一和賽道二的完成時間上均有所成效，賽道一增幅不如A，賽道二增幅顯著超過A，但成功率保持穩(wěn)定，綜合來看因為程序調(diào)整效果更為穩(wěn)定。

6.2避障模塊

無法解決避障失敗問題，疑似源于避障模塊部分硬件出故障。

7.結(jié)論

使用循跡模塊時在支撐輪周圍黏上一定強度但可抖動的膠帶，使支撐輪盡量保持與兩主動輪平行以獲得前進的最大速度，但可能會導致在拐彎處無法提供足夠向心力而出界。在循跡模塊上兩個控制靈敏度的螺絲上喬正，與和修改程序數(shù)據(jù)類似效果。實驗結(jié)果表面這種方法會略微降低成功率，但是加速情況較好。

根據(jù)對程序某些數(shù)據(jù)的理解修改數(shù)據(jù)在保證原本成功率真6成的前提下提高小車速度，即減少小車完成賽道所需時間。PWM比例0～255調(diào)速 數(shù)字越大說明車輪轉(zhuǎn)向速率越大。實驗結(jié)果表面這種方法會略微提高成功率，但是加速情況較差。兩種方法均有成效，綜合來看改變數(shù)據(jù)的方式更好。

參考文獻：

[1]黃杰，秦補枝.基于模糊控制的智能循跡小車的設計[J].中國科技信息，2010（20）：148-149.