黃靜月，常博學(xué)，王日霞

（1.桂林電子科技大學(xué)，廣西 桂林 541004；2.桂林航天工業(yè)學(xué)院，廣西 桂林 541004）

隨著人工智能時(shí)代的到來(lái)，機(jī)器人、云計(jì)算等新一代科技將取代大部分機(jī)械勞動(dòng)，智能尋跡小車(chē)又稱(chēng)輪式移動(dòng)機(jī)器人，是模擬無(wú)人搬運(yùn)車(chē)的工作過(guò)程[1]，能夠按照預(yù)設(shè)軌跡自動(dòng)移動(dòng)，應(yīng)用于無(wú)人駕駛動(dòng)車(chē)、無(wú)人工廠及科學(xué)勘測(cè)等方面，已成為智能控制領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。重點(diǎn)研究智能尋跡小車(chē)對(duì)軌跡的自主識(shí)別與實(shí)時(shí)校正，使小車(chē)沿著軌道穩(wěn)定地運(yùn)動(dòng)，這就要求整個(gè)小車(chē)具有較好的穩(wěn)定性能和較強(qiáng)的抗干擾能力，并在此基礎(chǔ)進(jìn)行升級(jí)，其研究結(jié)果在多個(gè)領(lǐng)域被加以推廣和應(yīng)用[2]。

本文所設(shè)計(jì)的智能尋跡小車(chē)是由單片機(jī)主控模塊、二次電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊及尋跡模塊等組成的。本文詳細(xì)介紹了基于單片機(jī)控制的智能尋跡小車(chē)的總體方案設(shè)計(jì)、控制過(guò)程、尋跡原理以及軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由硬件部分和軟件部分組成。系統(tǒng)硬件模塊包括單片機(jī)主控系統(tǒng)、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、二次電源電路和尋跡電路。單片機(jī)主控系統(tǒng)作為小車(chē)的核心部件完成信息交換及智能控制，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，二次電源電路提供各模塊所需電壓，光電傳感器作為路徑識(shí)別傳感器用來(lái)完成對(duì)白色底板上的黑色軌道的路面檢測(cè)及尋跡。光電傳感器檢測(cè)道路信息傳送至單片機(jī)微處理器，單片機(jī)微處理器根據(jù)道路信息驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，控制小車(chē)穩(wěn)定地尋線行駛[3]。系統(tǒng)軟件采用C 語(yǔ)言進(jìn)行編程。智能尋跡小車(chē)的整體架構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 智能尋跡小車(chē)的整體架構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源模塊設(shè)計(jì)

電源電路提供各個(gè)模塊需要的穩(wěn)定電壓，本系統(tǒng)采用5 節(jié)電池組作為主電源，經(jīng)過(guò)L7805CⅤ穩(wěn)壓塊處理后輸出5 Ⅴ電壓，為單片機(jī)、驅(qū)動(dòng)電路及尋跡電路等電路提供電壓。L7805 三端穩(wěn)壓器的1 腳為輸入端，2 腳為公共端（接地負(fù)極端），3 腳為輸出端（輸出ⅤDD+5 Ⅴ直流電壓）。當(dāng)輸入電壓大于8 Ⅴ時(shí)，輸入到L7805 三端穩(wěn)壓器的1 腳和2 腳后，經(jīng)穩(wěn)壓后，由2 腳和3 腳輸出穩(wěn)定不變的+5 Ⅴ直流電壓。電源模塊電路圖如圖2 所示。

圖2 電源模塊電路圖

2.2 尋跡模塊設(shè)計(jì)

尋跡電路由TCRT5000 光電傳感器和LM393 電壓比較器2 部分組成，如圖3 所示。紅外光電傳感器為檢測(cè)信號(hào)工具，用黑色膠帶貼在白色的地板上作為軌 以根據(jù)接收到的反射光強(qiáng)弱來(lái)判斷道路。遇到黑線時(shí)光電接收管截止，輸出高電平，將會(huì)大于比較器反向輸入端電位，比較器輸出高電平，單片機(jī)根據(jù)傳送過(guò)來(lái)的信息會(huì)對(duì)小車(chē)實(shí)際狀態(tài)作出相應(yīng)調(diào)整；反之，當(dāng)小車(chē)在白色跑道正常行駛時(shí)，裝在車(chē)頭底部的紅外接收管接收白色跑道反射回來(lái)的信號(hào)，與比較器反向輸入端電位進(jìn)行比較，輸出低電平，致使小車(chē)?yán)^續(xù)前行。

圖3 尋跡電路圖

2.3 主控模塊設(shè)計(jì)

智能尋跡小車(chē)以單片機(jī)為控制核心，尋跡電路模塊的輸出信號(hào)送至單片機(jī)，通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行輸入/輸出口檢測(cè)信號(hào)，輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)（高低電平信號(hào)）至驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)2 個(gè)電機(jī)控制其前進(jìn)、停止、左右轉(zhuǎn)向等行為，使其在彎、直道路上沿軌道穩(wěn)定地自由行駛。單片機(jī)采用PWM 脈寬調(diào)速，實(shí)現(xiàn)小車(chē)在彎道上減速轉(zhuǎn)彎。

本文采用的單片機(jī)型號(hào)是STC89C52RC，p0.6、p0.7 用于接收尋跡電路傳送的信號(hào)，p0.0、p0.1 為驅(qū)動(dòng)左輪電機(jī)PWM 控制信號(hào)接口，p0.2、p0.3 為驅(qū)動(dòng)右輪電機(jī)PWM 控制信號(hào)接口。

2.4 驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)模塊由驅(qū)動(dòng)電路和直流電機(jī)組成。驅(qū)動(dòng)電路由4 個(gè)三極管構(gòu)成的H 橋驅(qū)動(dòng)電路，單片機(jī)根據(jù)尋跡電路傳送過(guò)來(lái)的PWM 信息驅(qū)動(dòng)電路控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。由于單片機(jī)輸出的PWM 信號(hào)功率太小，不能直接驅(qū)動(dòng)H 橋電路工作，所以在H 橋電路兩邊加上一個(gè)三極管對(duì)PWM 信號(hào)放大，才能進(jìn)入H 橋驅(qū)動(dòng)電路，控制道，黑色和白色對(duì)光線的反射系數(shù)不同，光電傳感器可電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)電路圖如圖4 所示。

圖4 驅(qū)動(dòng)電路圖

驅(qū)動(dòng)電路工作過(guò)程：本系統(tǒng)使用2 個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)小車(chē)的左右輪，p0.0、p0.1、p0.2、p0.3 分別控制小車(chē)的左右電機(jī)，完成小車(chē)的前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)及停止等動(dòng)作[4]。驅(qū)動(dòng)電路由4 個(gè)三極管Q3、Q4、Q5、Q6組成的H 橋電路和1 個(gè)電機(jī)構(gòu)成，要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對(duì)角線上的1 對(duì)三極管，因此Q3 和Q4、Q5和Q6 是互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)三極管。主控電路單片機(jī)輸出PWM1、PWM2 脈寬調(diào)速信號(hào)，經(jīng)過(guò)Q1、Q2 三極管對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。然后輸入到H 橋電路進(jìn)行處理，其中PWM1 和PWM2 是互補(bǔ)的PWM 信號(hào)，PWM1 和PWM2 周期相同，占空比相同，極性相反，使得對(duì)角線上的2 個(gè)三極管同時(shí)導(dǎo)通，同時(shí)關(guān)斷。在PWM1 為高電平、PWM2 為低電平時(shí)，經(jīng)過(guò)Q1 三極管對(duì)PWM1進(jìn)行放大，使得Q3、Q5 都導(dǎo)通，Q4、Q6 都截止，電流從電源正極經(jīng)過(guò)Q3，從左到右流過(guò)電機(jī)，然后經(jīng)過(guò)Q5 流入電源負(fù)極，此時(shí)，直流電機(jī)正轉(zhuǎn)。在PWM1為低電平、PWM2 為高電平時(shí)，Q1 三極管對(duì)PWM2進(jìn)行放大，使得Q4、Q6 都導(dǎo)通，Q3、Q5 都截止，電流還是從左到右流過(guò)電機(jī)，經(jīng)過(guò)Q4 和Q6 形成電流回路，此時(shí)，直流電機(jī)反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)通過(guò)C 語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，有利于單片機(jī)產(chǎn)品的重新選型和應(yīng)用程序的移植，便于系統(tǒng)的后期維護(hù)和功能升級(jí)[5]。

系統(tǒng)流程分析：主程序關(guān)鍵作用在于導(dǎo)向及決策，首先初始化單片機(jī)主控系統(tǒng)，然后根據(jù)智能小車(chē)的狀態(tài)確定系統(tǒng)所要執(zhí)行的任務(wù)，在行駛過(guò)程中，單片機(jī)對(duì)傳感器的信號(hào)實(shí)時(shí)判斷，左邊信號(hào)為低電平時(shí)控制左邊電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，左指示燈亮；右邊信號(hào)為低電平時(shí)控制右邊電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，右指示燈亮。當(dāng)小車(chē)在軌道上直線行駛時(shí)，左右電機(jī)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，左右指示燈亮；當(dāng)小車(chē)在左彎道上，根據(jù)PWM 脈寬調(diào)速原理，左電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度小于右電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度；當(dāng)小車(chē)在右彎道上，左電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度大于右電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度；到達(dá)終點(diǎn)時(shí)左右信號(hào)為高電平，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，指示燈滅。

4 系統(tǒng)測(cè)試

為驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性，將智能尋跡小車(chē)置于S 形軌道上進(jìn)行功能及性能測(cè)試。圖5（a）、圖5（b）、圖5（c）分別是智能小車(chē)左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)及停止實(shí)物圖。實(shí)驗(yàn)表明，通過(guò)左右兩輪可以實(shí)現(xiàn)智能尋跡小車(chē)的前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎及停止等尋跡功能，驗(yàn)證了智能尋跡小車(chē)的穩(wěn)定性及可靠性。

圖5 智能小車(chē)運(yùn)動(dòng)過(guò)程圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)原則，具有易擴(kuò)充、易修改及相互獨(dú)立等優(yōu)點(diǎn)。智能尋跡小車(chē)以單片機(jī)為核心部件，光電傳感器和電壓比較器共同完成智能小車(chē)的尋跡功能，單片機(jī)處理數(shù)據(jù)后，傳送給驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)小車(chē)的智能控制。