楊弼堯

（西南民族大學(xué)，四川成都，610000）

智能尋跡小車是一種不需要人工參與就能自動(dòng)沿著軌跡行駛的小車。它集機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)等技術(shù)于一體。該技術(shù)可應(yīng)于無人生產(chǎn)線、物流、倉庫等領(lǐng)域等各種領(lǐng)域，也可以作為玩具的發(fā)展對象，為中國玩具市場技術(shù)含量的缺乏進(jìn)行一定的彌補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)收益，形成商業(yè)價(jià)值。

本文設(shè)計(jì)的智能尋跡小車要求能夠在白底黑線的跑道上自動(dòng)行駛，跑道示意圖如圖1 所示。軌跡由多段直線和圓弧組成，小車在運(yùn)動(dòng)過程中需要直線行駛，轉(zhuǎn)直角彎、大彎和小彎，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)行駛，需要對小車的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖1 小車尋跡跑到示意圖

1 尋跡小車結(jié)構(gòu)組成

尋跡小車為三輪小車，主要由機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩部分組成。其中機(jī)械系統(tǒng)包括底盤、車輪、電機(jī)和傳感器。由于亞克力材料具有絕緣性能優(yōu)良，質(zhì)量輕，便于加工的特點(diǎn)，所以底盤采用亞克力材料。小車共三個(gè)輪子，前面兩個(gè)輪子作為驅(qū)動(dòng)輪加轉(zhuǎn)向輪，后輪為一個(gè)萬向輪，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。車輪骨架采用塑料，質(zhì)量輕，強(qiáng)度合適，輪子外部用橡膠包裹，增大摩擦力。前面兩個(gè)車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)也可以采用直流電機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為數(shù)字量控制，控制精度高，但輸出的轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降，不適用于小車等有一定速度要求的系統(tǒng)。直流電機(jī)具有轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大，響應(yīng)快速，體積小，質(zhì)量輕，調(diào)速平滑、方便，調(diào)速范圍廣，過載能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無級快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)，價(jià)格便宜的特點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)采用直流雙軸減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪。傳感器是用來識(shí)別跑到上的黑線的，所以采用顏色識(shí)別傳感器，為了使小車能夠識(shí)別轉(zhuǎn)不同的路徑，采用5 個(gè)顏色識(shí)別傳感器，并且按照一定的距離并行安裝在小車前面的底盤上，由于控制系統(tǒng)由STC89C52RC 單片機(jī)最小系統(tǒng)、電源模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器模塊組成。

尋跡小車的結(jié)構(gòu)組成如圖2 所示。

圖2 尋跡小車的結(jié)構(gòu)組成

2 小車轉(zhuǎn)向原理

利用差速轉(zhuǎn)向原理實(shí)現(xiàn)小車左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、直角彎、轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)大彎、轉(zhuǎn)小彎的運(yùn)動(dòng)控制。所謂的差速，是指左右兩驅(qū)動(dòng)車輪有速度差，差速原理如圖3 所示。小車在拐彎時(shí)車輪的運(yùn)動(dòng)軌跡是圓弧，如果小車向右轉(zhuǎn)彎，圓弧的中心點(diǎn)在右側(cè)，在相同的時(shí)間里，左側(cè)輪子走的弧線比右側(cè)輪子長，為了平衡這個(gè)差異，就要右邊輪子慢一點(diǎn)，左邊輪子快一點(diǎn)，用不同的轉(zhuǎn)速來彌補(bǔ)距離的差異。同理，小車左轉(zhuǎn)時(shí)，在相同的時(shí)間里，右側(cè)輪子走的弧線比左側(cè)輪子長，就要左邊輪子慢一點(diǎn)，右邊輪子快一點(diǎn)。要實(shí)現(xiàn)小車兩輪轉(zhuǎn)速的快慢，則需要控制驅(qū)動(dòng)兩個(gè)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的直流減速電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向。

圖3 差速原理

3 循跡原理

要求小車在白色地板上循黑線行走，由于黑線和白色地板對光線的反射系數(shù)不同，可以根據(jù)接收到的反射光的強(qiáng)弱來判斷“道路”。通常采取的方法是紅外探測法，即利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射強(qiáng)度的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)尋跡。本次設(shè)計(jì)的智能尋跡小車采用TCRT5000 紅外線傳感器對黑色軌道進(jìn)行識(shí)別。在小車行駛過程中傳感器的紅外對管不斷向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色地面時(shí)發(fā)生漫反射，紅外對管接收管接收反射光；如果遇到黑線則紅外光被吸收，則紅外對管接收不到信號(hào)。紅外對管采集回來的信號(hào)通過傳感器模塊里面的LM339 比較器后輸出高或低電平，低電平為白色地面，高電平為黑色跑道，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的檢測。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

■4.1 控制系統(tǒng)的組成

控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖4 所示。控制器為單片機(jī)，輸入信號(hào)為TCRT5000 紅外傳感器，控制對象為直流減速電機(jī)，由于需要對電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向進(jìn)行控制，所以在單片機(jī)和電機(jī)之間加上電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊L298N。需要電源模塊為系統(tǒng)提供電源。

圖4 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

■4.2 硬件電路設(shè)計(jì)

(1)電源模塊

小車的供電系統(tǒng)分為兩部分，一部分為系統(tǒng)給直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊供電，另一部分為單片機(jī)和紅外傳感器供電。為使電機(jī)不會(huì)因電壓的變化受影響，使用電壓為12V 的可重復(fù)充電18650 電池組為電動(dòng)機(jī)供電。單片機(jī)和紅外傳感器需要5V 電壓，采用LM2596S 降壓電源模塊將12V 電壓轉(zhuǎn)換5V 的穩(wěn)壓電源，為單片機(jī)和紅外傳感器供電。

(2)紅外傳感器的接口電路

為了使小車能夠?qū)崿F(xiàn)直行、向左直行、向左轉(zhuǎn)大彎、轉(zhuǎn)小彎，向右直行、向右轉(zhuǎn)大彎、轉(zhuǎn)小彎，該尋跡小車用安裝5 個(gè)TCRT5000 紅外傳感器，其中中間的3 個(gè)傳感器長度相同，兩側(cè)的2 個(gè)傳感器比中間的短，5 個(gè)傳感器并行安放，傳感器之間的距離根據(jù)黑色跑道的寬度確定。正常行駛時(shí)，只有中間的傳感器在黑色跑到上方，當(dāng)小車需要向左轉(zhuǎn)彎時(shí)，左側(cè)的傳感器會(huì)出現(xiàn)在黑色跑到上方，根據(jù)檢測是哪個(gè)或者哪幾個(gè)左側(cè)的傳感器在黑色跑到上方，來判斷小車是轉(zhuǎn)直角彎、小彎還是大彎。同理當(dāng)小車需要向右轉(zhuǎn)彎時(shí)，右側(cè)的傳感器會(huì)出現(xiàn)在黑色跑到上方，根據(jù)檢測是哪個(gè)或者哪幾個(gè)右側(cè)的傳感器在黑色跑到上方，來判斷小車是轉(zhuǎn)直角彎、小彎還是大彎。小車行駛狀態(tài)與傳感器信號(hào)之間的關(guān)系如表1 所示。根據(jù)5 個(gè)傳感器檢測到的不同信號(hào)，單片機(jī)執(zhí)行不同的子程序，實(shí)現(xiàn)小車按照軌跡行駛。

表1 傳感器與小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

在設(shè)計(jì)程序時(shí)，將小車的每一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)單獨(dú)編譯成一個(gè)子程序，當(dāng)單片機(jī)檢測到紅外傳感器輸入信號(hào)后，調(diào)用相應(yīng)的子程序即可，這樣不但可以節(jié)省了很大的程序空間，而且提高單片機(jī)的運(yùn)行速度，使小車的運(yùn)動(dòng)軌跡更精準(zhǔn)。采用TCRT5000 紅外傳感器進(jìn)行尋跡，5 個(gè)紅外傳感器的接口電路如圖5 所示。每個(gè)傳感器的輸出口分別與單片機(jī)的I/O 口相連。

圖5 紅外傳感器的接口電路

(3)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

小車的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，因?yàn)閱纹瑱C(jī)自身管腳輸出的高電平的電壓不能直接驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，所以需要通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片來完成小車的驅(qū)動(dòng)。由于L298N 芯片驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、操作方便、穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良，能夠分時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)，并能實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)向和速度控制，所以采用L298N 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路如圖6 所示。L298N 芯片左側(cè)引腳與單片機(jī)的I/O 口相連，右側(cè)引腳與兩個(gè)直流減速電機(jī)的兩根控制線相連。

圖6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

L298N 的9、10 引腳與左側(cè)電機(jī)相連，11、12 引腳與右側(cè)電機(jī)相連，通過設(shè)置IN1、IN2、IN3、IN4 引腳的數(shù)值，實(shí)現(xiàn)小車的轉(zhuǎn)向控制。控制方式與小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如表2 所示。

表2 控制方式與小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

小車的轉(zhuǎn)速通過對使能端ENA、ENВ 輸出PWM 脈沖實(shí)現(xiàn)控制，改變PWM 的占空比即可實(shí)現(xiàn)對電機(jī)兩輪轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)小車沿不同軌跡運(yùn)動(dòng)。

由于AT89C52RC 單片機(jī)沒有PWM 輸出口，所以利用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)計(jì)數(shù)器T0 實(shí)現(xiàn)PWM 脈沖的輸出，為了提高單片機(jī)的工作效率，定時(shí)計(jì)數(shù)器采用中斷的工作方式。通過改變定時(shí)器T0 的初值，可以實(shí)現(xiàn)P2.7 和P2.2 引腳輸出不同占空比的PWM 脈沖波形。

(4)STC89C52RC 單片機(jī)接口電路

STC89C52RC 單片機(jī)具有高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的特點(diǎn)，工作電壓為5V，8K 字節(jié)的ROM、512 字節(jié)的RAM，32 個(gè)通用I/O 口，3 個(gè)16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，4 路外部中斷。

單片機(jī)的P1.0～P1.4 分別與5 個(gè)紅外傳感器TCRT5000 的輸出引腳out1～out5 相連，接收紅外傳感器發(fā)出的信號(hào)。單片機(jī)的P2.2～P2.7 分別與電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片L298N 的引腳相連，通過控制各引腳的輸出值實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向控制，電路接線圖如圖7 所示。

圖7 單片機(jī)的接口電路

■4.3 軟件設(shè)計(jì)

小車進(jìn)入尋跡模式后，即開始不停地掃描與紅外傳感器連接的單片機(jī)I/O 口P1.0～P1.4 的狀態(tài)，一旦檢測到某個(gè)I/O 口有信號(hào)發(fā)生變化，就執(zhí)行相應(yīng)的判斷程序，把相應(yīng)的信號(hào)發(fā)送給電動(dòng)機(jī)從而糾正小車的狀態(tài)?？刂葡到y(tǒng)程序流程圖如圖8 所示。

圖8 控制系統(tǒng)程序流程圖

當(dāng)所有傳感器輸出為0 時(shí)，說明小車脫離運(yùn)行軌道，小車將停止運(yùn)動(dòng)，當(dāng)傳感器輸出不全為零時(shí)，則要判斷調(diào)用哪個(gè)應(yīng)用模塊。應(yīng)用模塊共有7 個(gè)，當(dāng)中間的傳感器輸出為1，其它輸出為0 時(shí)，調(diào)用直行程序模塊，當(dāng)中間和左2傳感器輸出為1，其它輸出為0 時(shí)，調(diào)用向左轉(zhuǎn)直角彎程序模塊；當(dāng)只有左2 傳感器輸出為1，其它輸出為0 時(shí)，調(diào)用向左轉(zhuǎn)小彎程序模塊；當(dāng)中間和左側(cè)兩個(gè)傳感器同時(shí)輸出為1，其它輸出為0 時(shí)，調(diào)用向左轉(zhuǎn)大彎程序模塊；右轉(zhuǎn)彎同理。每個(gè)應(yīng)用模塊包括定時(shí)器T0 初始化函數(shù)，定時(shí)器T0 中斷服務(wù)函數(shù)，用于生成兩路可調(diào)的PWM。當(dāng)小車直行時(shí)，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速相同，P2.7 和P2.2 引腳輸出占空比相同的PWM 脈沖波形；當(dāng)小車轉(zhuǎn)彎時(shí)，輸出的兩路PWM 占空比不同。當(dāng)轉(zhuǎn)小彎時(shí)，兩路PWM 占空比的差值小，當(dāng)轉(zhuǎn)大彎時(shí)，兩路PWM 占空比差值較大，具體數(shù)值需要現(xiàn)場調(diào)試得到。

5 結(jié)束語

設(shè)計(jì)的智能尋跡小車通過紅外傳感器循跡模塊判斷黑線路徑，然后由STC89C52 單片機(jī)通過IO 口控制L298N驅(qū)動(dòng)模塊改變兩個(gè)直流電機(jī)的工作狀態(tài)，最后實(shí)現(xiàn)小車循跡。小車具有結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，性能較好的特點(diǎn)。