朱春華，李方偉

（河南工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州450001）

0 引 言

智能循跡車又叫做輪式機(jī)器人，是一個集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、自動行駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)，已廣泛應(yīng)用于科學(xué)探索、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域。智能循跡車以蓄電池為動力，以單片機(jī)組成的嵌入機(jī)式控制系統(tǒng)為核心，以光電傳感器和電磁傳感器為導(dǎo)航檢測設(shè)備，可以完成固定路線自主駕駛[1-4]。一般方案為4個紅外反射式光電傳感器采集數(shù)據(jù)并做出簡單控制，而少量信息量導(dǎo)致尋跡車的性能有限且提升的空間極小。本文為提高智能循跡車性能提出了一種研究方向，通過創(chuàng)新硬件和軟件算法提高獲取信息量，大大提高了智能循跡車的智能化程度和綜合性能。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括電源模塊、傳感器模塊、主控模塊、驅(qū)動模塊及執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊。其中主控模塊集成有無線通信模塊、藍(lán)牙模塊。具體工作過程為：電源模塊為系統(tǒng)供電，傳感器模塊將檢測到的軌道信息傳給主控模塊處理，主控執(zhí)行算法，通過驅(qū)動電路驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)做出動作。本文小車實(shí)物如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 本文小車實(shí)物圖

1.2 傳感器模塊

用于軌道信息檢測的傳感器模塊采用4×8的光電傳感器陣列，光電傳感器采用TCRT5000型紅外反射式光電傳感器。該傳感器是一種一體化反射型光電傳感器，其發(fā)射器是一個紅外發(fā)光二極管，接收器是一個高靈敏度的光電三極管[5]。接收器的阻值對光線強(qiáng)度變化極為敏感，當(dāng)接收到的紅外光線很弱時，其阻值可達(dá)幾百千歐；當(dāng)接收到的紅外光線較強(qiáng)時，阻值可降到幾千歐[6]。光電傳感器陣列的單元電路如圖3所示，工作原理具體如下。光電傳感器發(fā)射紅外光信號，當(dāng)遇到黑色物體時，紅外光被吸收，沒有紅外光返射；當(dāng)遇到白色物體，紅外光被反射，使光電傳感器的接收器阻值發(fā)生變化，進(jìn)而4腳電平狀態(tài)發(fā)生變化。4腳電平的變化經(jīng)比較器與滑動變阻器R0的電平進(jìn)行比較放大后進(jìn)行輸出，外部器件可以通過獲取比較器輸出腳的信號狀態(tài)，區(qū)別黑色的軌道和白色地面。LED指示燈可用以監(jiān)測每一個傳感器單元的輸出狀態(tài)。

圖3 基于TCRT5000紅外反射式光電傳感器單元電路

本文設(shè)計(jì)的4×8的光電傳感器陣列由32個TCRT5 000傳感器單元組成。

為優(yōu)化硬件設(shè)計(jì)，本文設(shè)計(jì)了基于74LS165的并轉(zhuǎn)串的方案，可將32路并行信號轉(zhuǎn)為4路串行數(shù)據(jù)信號。74LS165是8位并入串出移位寄存器，其引腳圖如圖4所示，其基本原理具體如下。在芯片的引腳為低電平時，并行數(shù)據(jù)（A～H引腳）被置入寄存器，最高位狀態(tài)通過輸出引腳QH輸出。引腳拉高后，并行數(shù)據(jù)被禁止置入寄存器，此條件下，寄存器數(shù)據(jù)在每個時鐘（CLK引腳）的上升沿來臨時進(jìn)行一次左移位，可依次將寄存器中的數(shù)據(jù)通過輸出引腳QH輸出。本設(shè)計(jì)中，4塊該芯片應(yīng)用于該模塊，大大簡化了傳感器模塊的接口。

圖4 74LS165引腳圖

為保證電路的可靠性，本文設(shè)計(jì)電路板均為自主設(shè)計(jì)并有廠家代工生產(chǎn)的PCB板，光電傳感器模塊實(shí)物如圖5所示。

1.3 電源模塊

電池采用三節(jié)18650鋰電池，通過降壓電路穩(wěn)定到9V，供給驅(qū)動電路。通過穩(wěn)壓模塊降到5V給主控電路和傳感器模塊供電。考慮到本設(shè)計(jì)中執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器模塊等的使用導(dǎo)致系統(tǒng)電流較大，因此應(yīng)選用可提供更大電流的電源降壓模塊。本文設(shè)計(jì)選用的是基于LM2596的降壓模塊。LM2596是一種降壓型電源管理單片集成電路的開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器。該模塊能夠輸出3A的驅(qū)動電流，同時具有很好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性，可固定輸出3.3V、5V、12V三種電壓，也可實(shí)現(xiàn)在1.2～37V的可調(diào)輸出[7]。

圖5 光電傳感器模塊實(shí)物

1.4 主控模塊

主控模塊以單片機(jī)STC15W4K32S4為核心。該芯片是宏晶科技公司生產(chǎn)的單時鐘周期（1T）的單片機(jī)，是寬電壓、高速、高可靠、低功耗及超強(qiáng)抗干擾的8051單片機(jī)，采用STC第九代加密技術(shù)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051，但速度比傳統(tǒng)8051快8～12倍[8]。主控模塊同時集成了74LS165芯片實(shí)驗(yàn)電路，能夠進(jìn)行并轉(zhuǎn)串的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，為將來在該方向研究者提供技術(shù)資料儲備。主控模塊同時集成了無線通信、藍(lán)牙及OLED顯示屏等模塊。主控模塊實(shí)物如圖6所示。

圖6 主控模塊實(shí)物圖

1.5 驅(qū)動模塊

驅(qū)動電路基于L298N芯片（ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動芯片），最高工作電壓可達(dá)46V，輸出瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A，內(nèi)含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器[9]?？赏ㄟ^脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)驅(qū)動直流電機(jī)。脈沖寬度調(diào)制（PulseWidth Modulation）技術(shù)是對電機(jī)調(diào)速的常用方式，脈沖周期不變，只改變晶閘管的導(dǎo)通時間，就可以改變脈沖寬度對電機(jī)進(jìn)行直流調(diào)速[10]。PWM信號可以通過單片機(jī)定時器進(jìn)行程序編程輸出，也可由專門的芯片產(chǎn)生。

1.6 執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊

執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用兩個直流減速電機(jī)，分別驅(qū)動一個動力車輪。直流減速電機(jī)具有扭矩大、震動小的特點(diǎn)，可通過脈寬調(diào)制對其進(jìn)行輪速控制。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件開發(fā)平臺及編程語言選擇

Keil4是通過C語言進(jìn)行51單片機(jī)開發(fā)的常用軟件，是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。與匯編相比，C語言在功能、結(jié)構(gòu)性、可讀性及可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢。

2.2 數(shù)據(jù)獲取

根據(jù)74LS165的基本原理，在讀取一路數(shù)據(jù)時，應(yīng)首先拉引腳。引腳拉高后首先讀取第一位，然后依次進(jìn)行7次脈沖移位和讀取數(shù)據(jù)操作，以便獲取全部8位數(shù)據(jù)。當(dāng)信號輸出為01110010B時，其對應(yīng)時序如圖7所示。

圖7 時序圖

數(shù)據(jù)獲取尤為重要，為保證能夠及時地讀取到數(shù)據(jù)，本文設(shè)計(jì)中將數(shù)據(jù)讀取程序放在定時器中斷中進(jìn)行操作。圖8為數(shù)據(jù)獲取程序的邏輯框圖

圖8 數(shù)據(jù)獲取程序邏輯圖

由圖8可知，當(dāng)程序允許讀取數(shù)據(jù)時，主控將74LS165芯片的引腳拉高，此時并行數(shù)據(jù)被置入寄存器，并且最高位已經(jīng)在輸出引腳輸出。讀取74LS165芯片輸出引腳的1bit數(shù)據(jù)，并通過移位操作壓縮進(jìn)入一個8bit的輸出緩存，如此循環(huán)，直到把8位數(shù)據(jù)全部讀取并壓縮進(jìn)緩存，最后將獲取的一個8bit數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，并禁止數(shù)據(jù)讀取。需要解釋的是，禁止數(shù)據(jù)讀取是要等待本次數(shù)據(jù)被使用后，即需要新數(shù)據(jù)時，再進(jìn)行下一輪的數(shù)據(jù)獲取，以避免過分占用定時器中斷，造成代碼運(yùn)行效率低。

通過一片74LS165芯片可以獲取一行（8個）的反射式紅外傳感器的信號的數(shù)據(jù)，那么通過4片芯片就可以獲取傳感器模塊的4行全部數(shù)據(jù)，進(jìn)而將所得數(shù)據(jù)組成一個信號狀態(tài)矩陣：

其中，元素值為0或1，對應(yīng)著其對應(yīng)坐標(biāo)位置的傳感器獲取的信號狀態(tài)。

2.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理程序中主要進(jìn)行軌道中線計(jì)算和特殊位置標(biāo)記。軌道中線和小車物理中線ai4進(jìn)行比較，可以得到小車中線和軌道中線的偏差。基于此，通過算法驅(qū)動小車使軌道中線和小車中線重合，可以使小車按照軌道運(yùn)行。其中，軌道中線計(jì)算算法具體如下。

定義從第一列到第8列的列標(biāo)號為0～7，對每一行數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，將其所有感應(yīng)到軌道的n個對管的列標(biāo)號相加，再整除n，即可得到所在行的中線列標(biāo)，此時便可繪制出軌道中線軌跡。以一個3×8的矩陣為例，定義1表示相應(yīng)的紅外傳感器檢測到軌道，0表示沒有檢測到軌道。第一行軌道中線的列標(biāo)號應(yīng)為第一行所有1的列標(biāo)號之和除以第一行1的個數(shù)。則第一行的中線計(jì)算為同理可得第2、3行分別為3和4，計(jì)算得到的軌道中線位置如圖9中的異色標(biāo)記所示。

圖9 計(jì)算得到的軌道中線位置

此外，數(shù)據(jù)處理中對左邊線ai0、右邊線ai7等特殊位置進(jìn)行標(biāo)記。當(dāng)ai0或ai7中存在檢測到軌道的狀態(tài)數(shù)據(jù)時，就做出標(biāo)記。

3 算法設(shè)計(jì)

算法中，輸出PWM值由3個PWM參量的線性疊加調(diào)節(jié)：（1）基礎(chǔ)速度v1；（2）兩輪絕對差速v2；（3）與軌道偏離程度負(fù)相關(guān)的速度v3。δn表示第n行的中線偏差。中線偏差是指軌道中線與小車物理中線的絕對差值。

v1為兩輪的共有量，是一個常量：

它是一個維持電機(jī)啟動轉(zhuǎn)速的基礎(chǔ)值，起到輔助驅(qū)動電機(jī)的作用。v2是與δ1正相關(guān)的量，其算法式為：

其中，k1為相關(guān)系數(shù)。

δ'是與軌道偏離程度負(fù)相關(guān)的基礎(chǔ)速度量，也是兩輪的公有值，在不同的路況下起到調(diào)節(jié)整體車速的作用，其算法式為：

其中，k2為相關(guān)系數(shù)，δ'=δ1-δ4。

以第1行的中線相對于物理中線的位置為方向標(biāo)志，將該方向一側(cè)的輪稱為“副輪”，另一側(cè)則為“主輪”。假設(shè)此時中線在物理中線右側(cè)，說明小車此時是向左側(cè)偏離軌道，此時左輪就為修正車身的“主輪”，右輪就為“副輪”?！爸鬏啞陛敵鯬WM值為：

“副輪”輸出PWM值為：

根據(jù)軌道情況可以通過調(diào)節(jié)系數(shù)調(diào)試到較佳運(yùn)行狀態(tài)。

4 實(shí)驗(yàn)測試

實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的測試軌道是在室內(nèi)潔凈的白色地板上用1cm寬的黑色電氣膠帶鋪設(shè)而成，地板可以反射傳感器發(fā)射的紅外信號，電氣膠帶可以吸收傳感器發(fā)射的紅外信號，室內(nèi)光線良好。軌道中包含直道、弧彎道、直角道、十字道、銳角道及鈍角道等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。其中，弧彎道曲率半徑為20cm，銳角道的角度為45°，鈍角道的角度為120°。

本文對評估小車性能涉及到的一些參數(shù)的定義具體如下。

第i行的左偏差δli：小車的第i行物理中線ai4左側(cè)所有檢測到軌道的傳感器所在列的列標(biāo)號之和與所在行的物理中線列標(biāo)號的絕對差值為第i行的左偏差δli。同理，第i行右偏差用δri表示。這里的“左”、“右”是以小車前進(jìn)方向?yàn)椤拔锢碚胺健钡膮⒖挤轿弧?/p>

偏差δ''：所有行的左偏差與右偏差的差的絕對值之和即為中線偏差。

通過成功率η：系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下，一次性通過相應(yīng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的概率。

本文所有偏差的原始數(shù)據(jù)均是通過代碼定時采集數(shù)據(jù)，然后通過藍(lán)牙傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，數(shù)據(jù)采樣速率為10 次 /s。

本文使用同一輛車進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)。將本文小車改為4紅外對管的硬件配置和相應(yīng)的傳統(tǒng)算法并調(diào)試到最佳狀態(tài)后作為實(shí)驗(yàn)的參照組小車。對兩組小車以相同速度分別進(jìn)行了50次測試，在各個關(guān)鍵項(xiàng)目中的主要性能如表1和表2所示。

表1 本文所設(shè)計(jì)小車性能測試

表2 傳統(tǒng)小車性能測試

表1和表2中，直角道、銳角道及鈍角道行駛路線測試項(xiàng)目中，“—”表示無此類測試數(shù)據(jù)。即該測試環(huán)境下不能或不需要采用中線偏差評估運(yùn)行穩(wěn)定性。對比表1和表2可知，相對傳統(tǒng)智能循跡車，本文小車的運(yùn)行平均偏差、項(xiàng)目通過成功率均顯著提高。其中，直道運(yùn)行的平均偏差改善最大，降低了約95.6%，弧彎道和十字道也分別降低了90.4%、87.2%。關(guān)于項(xiàng)目通過成功率方面，本文小車比對傳統(tǒng)小車在銳角道的通過成功率方面提高最明顯，提高了90%。此外，十字道的通過成功率提高了30%，鈍角道的通過成功率提高了26%，直角道、弧彎道、直道的通過成功率分別提高了24%、8%和6%。這表明了本設(shè)計(jì)能夠有效提高智能循跡車的運(yùn)行穩(wěn)定性和抗干擾能力。

5 結(jié) 論

本文提出一種新的智能循跡車設(shè)計(jì)方案，并完成了硬件設(shè)計(jì)和性能測試。該設(shè)計(jì)引入4×8的紅外反射式光電傳感器陣列，采用并轉(zhuǎn)串的設(shè)計(jì)思路并優(yōu)化硬件實(shí)現(xiàn)方法，實(shí)現(xiàn)道路識別數(shù)據(jù)的實(shí)時處理，并提升道路識別分辨能力。軟硬件測試對該設(shè)計(jì)的道路運(yùn)行平均偏差和成功率指標(biāo)進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)智能循跡車，該設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和抗干擾能力。