摘" 要：該文提出一種智能傳感機(jī)器人實(shí)訓(xùn)小車的設(shè)計(jì)方法，以MSP432P401R單片機(jī)為控制核心，小車采用DRV8838DSGR驅(qū)動(dòng)芯片控制直流減速電機(jī)，對(duì)智能小車的左右電機(jī)進(jìn)行PWM調(diào)速控制并用PID算法形成小車運(yùn)行的速度閉環(huán)和位置閉環(huán)串行。采用紅外傳感器進(jìn)行循跡、藍(lán)牙模塊作為兩智能車之間的通信工具以完成在行車道正常行走及交替領(lǐng)跑任務(wù)，完成小車的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：智能傳感機(jī)器人；實(shí)訓(xùn)小車；MSP432P401R；循跡；PID算法

中圖分類號(hào)：TP242" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）15-0030-04

Abstract： This paper presents a design method of intelligent sensor robot training car， which uses MSP432P401R single chip microcomputer as the control core. The car uses AT8236 drive chip to control the DC reduction motor， conducts PWM speed regulation control on the left and right motors of the intelligent car， and uses PID algorithm to form the speed closed loop and position closed loop serial of the car. The infrared sensor is used for tracking， and the Bluetooth module is used as the communication tool between the two smart cars to complete the task of normal walking and alternating leading in the lane， and the basic design of the car is completed.

Keywords： intelligent sensor robot; training car; MSP432P401R; tracking; PID algorithm

隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，關(guān)于汽車的研究也就越來(lái)越受人關(guān)注。全國(guó)電子大賽和省內(nèi)電子大賽幾乎每次都有智能小車這方面的題目，全國(guó)各高校也都很重視該題目的研究，可見(jiàn)其研究意義很大。本文設(shè)計(jì)了一款智能傳感機(jī)器人實(shí)訓(xùn)小車，實(shí)現(xiàn)了調(diào)速、循跡、通信等功能，并可在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)各種功能擴(kuò)展。

1" 系統(tǒng)組成

機(jī)器人實(shí)訓(xùn)小車作為現(xiàn)代的新發(fā)明，是以后的發(fā)展方向，它可以按照預(yù)先設(shè)定的模式在一個(gè)環(huán)境里自動(dòng)地運(yùn)作，不需要人為的管理，可應(yīng)用于科學(xué)勘探等用途。具有自動(dòng)尋跡、尋光、避障，可控行駛速度、準(zhǔn)確定位停車，傳輸圖像等功能。小車可以分為3部分：傳感器部分、控制器部分和執(zhí)行器部分?？刂破鞑糠纸邮諅鞲衅鞑糠謧鬟f過(guò)來(lái)的信號(hào)，并根據(jù)事前寫入的軟件程序，來(lái)決定機(jī)器人對(duì)外部信號(hào)的反應(yīng)，將控制信號(hào)發(fā)給執(zhí)行器部分，好比人的大腦。執(zhí)行器部分驅(qū)動(dòng)機(jī)器人做出各種行為，包括發(fā)出各種信號(hào)，并且可以根據(jù)控制器部分的信號(hào)調(diào)整自己的狀態(tài)。對(duì)機(jī)器人小車來(lái)說(shuō)，最基本的就是輪子，這部分就好比人的四肢一樣。傳感器部分，機(jī)器人用來(lái)讀取各種外部信號(hào)的傳感器，以及控制機(jī)器人行動(dòng)的各種開(kāi)關(guān)，好比人的眼睛、耳朵。

智能機(jī)器人小車是一款基于機(jī)器智能的可循跡小車，小車裝配有各種傳感器及攝像頭，使用單片機(jī)或樹莓派作為主控平臺(tái)，支持車與車之間互相通信。

在人工控制狀態(tài)下操作小車圍繞地面的尋跡線運(yùn)行，并根據(jù)傳感器進(jìn)行自動(dòng)避障，小車會(huì)通過(guò)攝像頭采集環(huán)境數(shù)據(jù)，根據(jù)攝像頭“看到”的圖像進(jìn)行傳輸和判斷，決定下一步的動(dòng)作。車與車之間通過(guò)WiFi或無(wú)線模塊進(jìn)行通信，并可實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電，續(xù)航能力達(dá)到電賽要求。通過(guò)小車的模塊化搭建，實(shí)現(xiàn)智能傳感機(jī)器人實(shí)訓(xùn)小車的探索與研究。

1.1" 小車的驅(qū)動(dòng)

這是每一個(gè)小車項(xiàng)目中最基礎(chǔ)的一個(gè)問(wèn)題。如何驅(qū)動(dòng)小車前進(jìn)：動(dòng)力來(lái)源，驅(qū)動(dòng)能力，二者的適配關(guān)系；選擇的電機(jī)能否滿足預(yù)期的驅(qū)動(dòng)能力要求，驅(qū)動(dòng)模式如何設(shè)計(jì)。還需要考慮發(fā)熱問(wèn)題以及小車行進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲如何降低。

1.2" 循跡避障

小車的避障功能在小車運(yùn)行過(guò)程中是極為重要的。避障時(shí)，小車的最大檢測(cè)范圍、距離為多遠(yuǎn)時(shí)能夠檢測(cè)到障礙物以及反應(yīng)時(shí)間（檢測(cè)到障礙物之后，單片機(jī)內(nèi)部系統(tǒng)多長(zhǎng)時(shí)間能夠給出反應(yīng)），都是要考慮的問(wèn)題。要求盡可能地縮短反應(yīng)時(shí)間，需要從硬件和算法2方面著手。

1.3" 無(wú)線充電

因?yàn)樵诒卷?xiàng)目增設(shè)了無(wú)線充電的功能，因此有必要考慮能量轉(zhuǎn)化方式，以及能量轉(zhuǎn)化率的問(wèn)題。

1.4" 通信

WiFi所使用的協(xié)議是IEEE802.11b局域網(wǎng)協(xié)議，其傳輸范圍100 m，速度最大可以達(dá)到11 Mbps，使用的是DSSS（直序列擴(kuò)頻）和QPSK或BPSK（相移鍵控），帶寬是22 MHz，可以在長(zhǎng)距離內(nèi)進(jìn)行信號(hào)傳輸，同時(shí)實(shí)現(xiàn)ROS之間的話題通信。

藍(lán)牙使用的是FHSS（跳頻擴(kuò)譜）方式，一般每秒跳變1 600次，將83.5 MHz的頻帶劃分為79個(gè)頻帶信道，每個(gè)時(shí)刻只占1 MHz的帶寬。通信距離一般是10 m，屬于低功耗無(wú)線技術(shù)，旨在在短距離內(nèi)的2個(gè)設(shè)備之間共享數(shù)據(jù)。

2" 詳細(xì)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要采用MSP432系列中的MSP432P40

1R單片機(jī)，其設(shè)計(jì)主要用12 V/6800 mAh的航模鋰電池配合5V降壓模塊，能穩(wěn)定安全地給電機(jī)供電；以紅外傳感器為控制核心，用于探測(cè)黑白交線的位置。

綜合考慮系統(tǒng)的各項(xiàng)性能，我們決定采用PID閉環(huán)控制的PWM調(diào)速系統(tǒng)；采用光電自動(dòng)循線傳感器，通過(guò)采集黑白線返回主控制單片機(jī)的電信號(hào)不同，來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)尋跡的功能；采用雙電機(jī)控制控制小車的轉(zhuǎn)向；采用激光傳感器來(lái)控制兩小車距離；采用藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)兩小車串口通信。

本智能小車系統(tǒng)在控制算法方面使用PID速度環(huán)控制算法對(duì)小車的運(yùn)行速度進(jìn)行間接控制，在循跡檢測(cè)方面使用8路紅外數(shù)字量循跡傳感器，因此在循跡過(guò)程中主要根據(jù)傳感器狀態(tài)設(shè)置離散目標(biāo)速度進(jìn)行控制。本任務(wù)主要需要解決的是PID控制算法、以及直道巡線的問(wèn)題。下面將從這3個(gè)方面分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1" PID控制算法

PID算法利用反饋來(lái)檢測(cè)偏差信號(hào)，并通過(guò)偏差信號(hào)來(lái)控制被控量。而控制器本身就是比例、積分、微分3個(gè)環(huán)節(jié)的加和，在這里被控制量為PWM信號(hào)占空比，偏差信號(hào)為使用編碼器捕獲的速度。其功能框圖如圖1所示。

2.2" 直道循跡

使用8路紅外傳感器以及2個(gè)PID控制器分別控制小車2個(gè)減速電機(jī)的速度。傳統(tǒng)循跡是為每個(gè)傳感器的觸發(fā)狀態(tài)設(shè)置對(duì)應(yīng)的工作狀態(tài)，在這里我們采用權(quán)值處理法，為每個(gè)傳感器的觸發(fā)信號(hào)附權(quán)值。傳統(tǒng)方法以及創(chuàng)新方法具體流程見(jiàn)表1、表2。

當(dāng)8路灰度傳感器按圖2所示左三路、左二路被觸發(fā)時(shí)有：

左路電機(jī)速度=額定速度+左三路左權(quán)值+左二路左權(quán)值=30+（-2）+（-1）=27。

右路電機(jī)速度=額定速度+左三路右權(quán)值+左二路右權(quán)值=30+2+1=33。

在兩輛車在行駛過(guò)程中有跟蹤距離的要求時(shí)，距離控制過(guò)程中使用當(dāng)前偏差量進(jìn)行控制，具體操作如下。

激光測(cè)距傳感器進(jìn)行距離測(cè)量距離測(cè)量值為distance，為系統(tǒng)設(shè)置一個(gè)靜態(tài)變量standard_distance，用于記錄穩(wěn)定的距離，在從機(jī)運(yùn)行的過(guò)程中，實(shí)時(shí)計(jì)算standard_distance-distance，即當(dāng)前距離以及限定距離之間的偏差，并使用這個(gè)偏差改變從機(jī)的額定速度，流程圖如圖3所示。

3" 電路設(shè)計(jì)

循跡功能是通過(guò)在地面上鋪設(shè)與地面顏色反差大的色帶，小車通過(guò)循跡模塊上的光學(xué)傳感器發(fā)出并接受由色帶反射回來(lái)的光線，通過(guò)計(jì)算判斷小車是否偏移導(dǎo)引路徑來(lái)實(shí)現(xiàn)。

小車循跡電路ST188傳感器模塊如圖4所示。

反射式紅外光電傳感器ST188由高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管組成，檢測(cè)距離可調(diào)整范圍大，4～13 mm可用。本設(shè)計(jì)中當(dāng)檢測(cè)到黑線，小車會(huì)自動(dòng)偏轉(zhuǎn)而遠(yuǎn)離邊緣的黑線。

DRV8838DSGR電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊如圖5所示。

DRV8838DSGR是一款直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。集成同步整流功能，內(nèi)部保護(hù)功能包含過(guò)流保護(hù)、短路保護(hù)、欠壓鎖定和過(guò)溫保護(hù)?？梢杂脕?lái)驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)和步進(jìn)電動(dòng)，用于整個(gè)小車的運(yùn)動(dòng)控制。

2個(gè)小車之間的無(wú)線通信用HC-05模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，HC-05的主要工作是通過(guò)TX和RX引腳為MSP432提供無(wú)線通信服務(wù)。用于2個(gè)具有串行功能的微控制器之間的通信，其支持的波特率有9 600、19 200、38 400、57 600、115 200、230 400、460 800，在這里主要用于主機(jī)發(fā)送啟動(dòng)、停止指令、從機(jī)接收啟動(dòng)、停止指令，從而完成正常循跡任務(wù)。

本設(shè)計(jì)的電源為車載電源。為保證電源工作可靠，動(dòng)力伺服系統(tǒng)的電源直接采用了大功率、大容量的12 V/6 800 mAh航模鋰蓄電池，由于單片機(jī)穩(wěn)定工作所需要的工作電壓為5 V，因此單片機(jī)系統(tǒng)的電源采用了由LM2596s降壓模塊降壓得到的5 V電源。這里采用的是LM2596s的可調(diào)版本。

4" 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)智能傳感機(jī)器人實(shí)訓(xùn)小車進(jìn)行了探索與研究，設(shè)計(jì)了一款基于單片機(jī)MSP432P401R的小車，該小車由電源及電源降壓模塊、HC-05藍(lán)牙通訊模塊、DRV8838DSGR電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、小車循跡電路ST188傳感器模塊等組成，小車采用PID閉環(huán)控制調(diào)速，并通過(guò)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)兩車之間的跟蹤距離控制。后續(xù)在小車的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)上還可以增加各種不同的模塊，實(shí)現(xiàn)各種功能。

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