劉 晨，崔 斌

（河南工學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453000）

在當(dāng)今時(shí)代智能化機(jī)器人越來越成為國家發(fā)展的焦點(diǎn)。智能化機(jī)器人在各行各業(yè)都開始普及應(yīng)用。許多國家把智能化機(jī)器人作為創(chuàng)新教育，科技發(fā)展的競爭手段。智能化小車也快速發(fā)展，以單片機(jī)為核心，融合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自控技術(shù)、機(jī)械制造等多個(gè)學(xué)科。智能化小車可以用在工業(yè)控制、家庭玩具、救災(zāi)排爆等多個(gè)領(lǐng)域。本文就討論智能化小車的設(shè)計(jì)思路與設(shè)計(jì)原理，著重于智能化的實(shí)現(xiàn)與控制，小車可以通過傳感器來獲取采集信息，通過串口傳到單片機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)循跡與躲避障礙的功能，也支持紅外遙控。

1 整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以單片機(jī)為核心控制器件，分成不同的模塊，包括小車驅(qū)動(dòng)模塊、紅外遙控模塊及循跡模塊。通過不同的傳感器采集數(shù)據(jù)傳遞給單片機(jī)處理執(zhí)行相應(yīng)的命令實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。

2 模塊設(shè)計(jì)

2.1 小車驅(qū)動(dòng)模塊

圖1 L293D芯片外接示意圖

小車的驅(qū)動(dòng)模塊是由專門的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯L293D片來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的，該芯片屬于雙H橋集成電路，該電路的輸出端與單片機(jī)相連。通過單片機(jī)的輸出信號(hào)控制該芯片的輸出端的高低電平即可控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)。其中IN1和IN2控制左電機(jī)，IN4和IN5控制右電機(jī)。

2.1.1 單個(gè)電機(jī)進(jìn)行測(cè)試

2.1.2 小車前進(jìn)與后退實(shí)驗(yàn)

2.1.3 小車的轉(zhuǎn)向與停止實(shí)驗(yàn)

2.1.4 智能小車的按鍵啟動(dòng)

通過獨(dú)立按鍵來啟動(dòng)智能小車

2.1.5 小車電機(jī)速度控制

對(duì)于電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)整，采用脈寬調(diào)制（PWM）辦法，控制電機(jī)的時(shí)候，電源并非連續(xù)地向電機(jī)供電，而是在一個(gè)特定的頻率下以方波脈沖的形式提供電能。不同占空比的方波信號(hào)能對(duì)電機(jī)起到調(diào)速作用，這是因?yàn)殡姍C(jī)實(shí)際上是一個(gè)大電感，它有阻礙輸入電流和電壓突變的能力，因此脈沖輸入信號(hào)被平均分配到作用時(shí)間上，這樣，改變?cè)谑寄芏薊N1和EN2上輸入方波的占空比就能改變加在電機(jī)兩端的電壓大小，從而改變了轉(zhuǎn)速。

2.2 舵機(jī)云臺(tái)

舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動(dòng)器，主要是由外殼、電路板、無核心馬達(dá)、齒輪與位置檢測(cè)器所構(gòu)成。其工作原理是由接收機(jī)或者單片機(jī)發(fā)出信號(hào)給舵機(jī)，其內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為20 ms，寬度為1.5 ms的基準(zhǔn)信號(hào)，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。經(jīng)由電路板上的IC判斷轉(zhuǎn)動(dòng)方向，再驅(qū)動(dòng)無核心馬達(dá)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，透過減速齒輪將動(dòng)力傳至擺臂，同時(shí)由位置檢測(cè)器送回信號(hào)，判斷是否已經(jīng)到達(dá)定位。適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，通過級(jí)聯(lián)減速齒輪帶動(dòng)電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。一般舵機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度范圍是0～180度。

舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)的角度是通過調(diào)節(jié)PWM（脈沖寬度調(diào)制）信號(hào)的占空比來實(shí)現(xiàn)的，標(biāo)準(zhǔn)PWM（脈沖寬度調(diào)制）信號(hào)的周期固定為20ms（50 Hz），理論上脈寬分布應(yīng)在1～2ms，但是，事實(shí)上脈寬可由0.5～2.5 ms，脈寬和舵機(jī)的轉(zhuǎn)角0°～180°相對(duì)應(yīng)。有一點(diǎn)值得注意的地方，由于舵機(jī)牌子不同，對(duì)于同一信號(hào)，不同牌子的舵機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度也會(huì)有所不同。

2.3 循跡模塊

循跡是指小車沿著賽道進(jìn)行循跡運(yùn)動(dòng)。比如餐廳中的送餐機(jī)器人，規(guī)定軌道上運(yùn)行的都是循跡機(jī)器人。循跡小車比賽的賽道底色一般為白色，用黑色表示賽道。常用的循跡方法有紅外對(duì)管循跡法，攝像頭循跡法，激光管循跡法。本系統(tǒng)采用的是紅外對(duì)管循跡法。紅外對(duì)管循跡方法是利用紅外線照射后，黑，白線對(duì)紅外線吸收作用不同為原理的循跡方法。相對(duì)于攝像頭循跡法和激光管循跡法造價(jià)便宜。使用三個(gè)紅外線發(fā)射器與接收器，一個(gè)傳感器放在黑色循跡路線上，剩下兩個(gè)傳感器發(fā)在中間傳感器的兩側(cè)。正常情況下，智能小車朝著黑色循跡路線行駛，中間的紅外線發(fā)射反射回的光基本都被黑色吸收，而兩邊的紅外線發(fā)射器發(fā)射出的紅外線經(jīng)過白板大部分被反射回來。一旦小車出現(xiàn)偏離，這時(shí)候就會(huì)有一邊的紅外線發(fā)射器發(fā)射出的紅外線被黑色吸收，返回的光被吸收很多，返回信號(hào)變?nèi)?，通過比較器LM324采集高電平與低電平。這樣就可以檢測(cè)到智能小車偏離了軌道，通過單片機(jī)的控制自動(dòng)回歸正常的軌道。

以最簡單的兩個(gè)紅外探測(cè)頭為例兩個(gè)傳感器放在小車兩端，黑色循跡線的兩邊。當(dāng)左邊的傳感器檢測(cè)到?jīng)]有信號(hào)返回則說明小車向右偏離軌道，此時(shí)需要小車向左轉(zhuǎn)回歸軌道。當(dāng)右邊的傳感器檢測(cè)到?jīng)]有信號(hào)返回則說明小車向左偏離軌道，此時(shí)小車需要向右轉(zhuǎn)回歸軌道。編程如下：

2.4 避障模塊

2.4.1 紅外線避障

用紅外光電傳感器，探測(cè)到物體即輸出脈沖，輸入到單片機(jī)中處理一下，再對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)壁障的功能，這樣的避障小車又稱為簡單的避障機(jī)器人。

小車避障的原理：

（1）利用障礙物對(duì)光線的反射率大這個(gè)特點(diǎn)，當(dāng)前面的有障礙物時(shí)，傳感器發(fā)射出去的紅外光被大部分反射回來。于是傳感器輸出低電平0，點(diǎn)亮L3、L4燈。

（2）當(dāng)前面中沒有障礙物時(shí)，傳感器在小車上方，因傳感器反射能力很弱，反射回來的紅外光很少，達(dá)不到傳感器動(dòng)作的水平，所以傳感器輸出1。

（3）只要用單片機(jī)判斷傳感器的輸出端是0或者是1，就能檢測(cè)到避障礙。

編程如下：

2.4.2 超聲波避障

超聲波是一種頻率比較高的聲波，通過傳感器發(fā)送超聲波然后遇到障礙物返回所用的時(shí)間乘以聲波波速除以二得到距離。智能小車采用超聲波模塊HC-SR04。一個(gè)控制口發(fā)一個(gè)10US以上的高電平，就可以在接收口等待高電平輸出。一有輸出就可以開定時(shí)器計(jì)時(shí)，當(dāng)此口變?yōu)榈碗娖綍r(shí)就可以讀定時(shí)器的值，此時(shí)就為此次測(cè)距的時(shí)間，方可算出距離。如此不斷的周期測(cè)，就可達(dá)到移動(dòng)測(cè)量值。

//此時(shí)time的時(shí)間單位決定于晶振的速度，外接晶振為11.0592MHz時(shí)，

//time的值為0.54 us*time，單位為微秒

//但是，現(xiàn)在計(jì)算的是從超聲波發(fā)射到反射接收的雙路程，

//所以將計(jì)算的結(jié)果除以2才是實(shí)際的路程

S=time*2；//先算出一共的時(shí)間是多少微秒。

S=S*0.17；//此時(shí)計(jì)算到的結(jié)果為毫米，并且是

精確到毫米的后兩位了，有兩個(gè)小數(shù)點(diǎn)

Delay1ms（5）；//發(fā)現(xiàn)小車自動(dòng)復(fù)位的時(shí)候，可以稍微延長一點(diǎn)這個(gè)延時(shí)，減少電機(jī)反向電壓對(duì)電路板的沖擊。

2.5 紅外遙控模塊

通用紅外遙控系統(tǒng)由發(fā)射和接收兩大部分組成，應(yīng)用編/解碼專用集成電路芯片來進(jìn)行控制操作，如圖2所示。

圖2 紅外遙控器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3結(jié)語

智能小車采用模塊化設(shè)計(jì)，對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)，最后將所有模塊合在一起，實(shí)現(xiàn)智能小車運(yùn)動(dòng)功能、循跡功能、避障功能、紅外遙控功能。通過電機(jī)控制智能小車的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、停止的基本功能；通過紅外傳感器完成了在黑色軌道上循跡的功能；通過紅外傳感器和超聲波實(shí)現(xiàn)避障功能；通過紅外遙控系統(tǒng)完成紅外遙控的功能。所有功能綜合在一起完成了一個(gè)完整的智能小車的功能。