基于紅外反射式光電傳感器的智能循跡小車

摘要：介紹了一種智能尋跡小車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)?；诩t外反射式光電傳感器的尋跡原理，采用AT89C52單片機(jī)為核心控制器件，通過(guò)紅外傳感器檢測(cè)路面信息，單片機(jī)獲取路面信息后，進(jìn)行分析、處理，最后控制步進(jìn)電機(jī)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。實(shí)驗(yàn)表明：該系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)小車沿給定的黑線快速、平穩(wěn)行駛。
關(guān)鍵詞：AT89C52；反射式光電對(duì)管(RPR220)；步進(jìn)電機(jī)

    智能汽車作為一種智能化的交通工具，體現(xiàn)了車輛工程、人工智能、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域理論技術(shù)的交叉和綜合，是未來(lái)汽車發(fā)展的趨勢(shì)。尋跡小車可以看作是縮小化的智能汽車，它實(shí)現(xiàn)的基本功能是沿著指定軌道自動(dòng)尋跡行駛。目前很多尋跡小車的路徑識(shí)別方案使用CCD來(lái)實(shí)現(xiàn)，其優(yōu)點(diǎn)是控制精細(xì)，前瞻距離遠(yuǎn)。但傳感器CCD價(jià)格較高、體積較大、數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，因此在按既定路線行走的自尋跡小車設(shè)計(jì)中，反射式光電傳感器以其體積小、價(jià)格低、數(shù)據(jù)處理方便顯得更有優(yōu)勢(shì)。
    本文所述的智能尋跡小車采用紅外光電傳感器來(lái)識(shí)別道路中央的黑色引導(dǎo)線，通過(guò)單片機(jī)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)小車快速穩(wěn)定的尋跡行駛。為保證小車在行駛的過(guò)程中具有良好的操縱穩(wěn)定性和平順性，本文針對(duì)道路特點(diǎn)對(duì)小車的方向控制和速度控制，以及傳感器的安裝都提出了較為理想的解決方案。

1 系統(tǒng)工作原理
1．1 智能小車尋跡原理
    在智能車系統(tǒng)中，尋跡電路采用紅外光電傳感器進(jìn)行檢測(cè)并且尋跡運(yùn)動(dòng)。紅外發(fā)射管發(fā)射的紅外線具有一定的方向性，當(dāng)紅外線照射到白色地面時(shí)會(huì)有較大的反射，如果距離取值合適，紅外接收管接收到反射回的紅外線強(qiáng)度就較大；如果紅外線照射到黑色標(biāo)志線，黑色標(biāo)志線會(huì)吸收大部分紅外光，紅外接收管接收到紅外線強(qiáng)度就很弱。尋跡時(shí)，引導(dǎo)線是黑顏色，不宜反光，當(dāng)紅外發(fā)射管輸出信號(hào)照射到黑色引導(dǎo)線上時(shí)輸出一個(gè)非常微弱的低電平，這個(gè)過(guò)程是一個(gè)負(fù)跳變過(guò)程，通過(guò)對(duì)此信號(hào)高低電平的檢測(cè)就可以知道小車是正在沿著引導(dǎo)線行駛，若不是沿著引導(dǎo)線行駛，單片機(jī)根據(jù)傳感器送回的信號(hào)可以判斷并驅(qū)動(dòng)電機(jī)正確轉(zhuǎn)向，從而使小車沿著正確的軌道行駛。本系統(tǒng)在小車的前部朝地面方向安裝了3個(gè)紅外對(duì)管，分別為左、中和右。本系統(tǒng)使用傳感器的型號(hào)為RPR220。
1．2 系統(tǒng)整體原理框圖
    智能小車由車架、電源、光電傳感器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和主控制系統(tǒng)等組成，如圖1所示。智能車的工作過(guò)程是：3個(gè)光電傳感器探測(cè)路徑信息，并將這些信息輸入到單片機(jī)控制系統(tǒng)，單片機(jī)進(jìn)行分析，通過(guò)控制算法對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出控制命令，驅(qū)動(dòng)2個(gè)步進(jìn)電機(jī)，使小車沿指定的黑線前進(jìn)。

    智能車的主控制器采用美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C52。系統(tǒng)I／O口的具體分配如下：P2．0—P2．2共3位，用于小車前面路徑識(shí)別的輸入口；P1．0一P1．2用于驅(qū)動(dòng)電路L297的半步／整步、正轉(zhuǎn)／反轉(zhuǎn)和剎?？刂菩盘?hào)輸出；P3．1用于驅(qū)動(dòng)電路的時(shí)鐘信號(hào)輸出。

2 路面黑線檢測(cè)電路
2．1 黑線檢測(cè)電路
    黑線檢測(cè)電路共有3種方案，分別是圖2的(a)、(b)、(c)3個(gè)圖。圖2(a)中：RPR220光電傳感器應(yīng)用時(shí)，理想的工作狀態(tài)是輸出部分處于飽和導(dǎo)通，查閱參數(shù)得到：UCES為0．1～0．3 V，此時(shí)IF=20 mA，IC=0．1 mA，二極管的導(dǎo)通電壓大約為1 V，可以計(jì)算得到：
   
    測(cè)試數(shù)據(jù)如表1：

    從表1可以看出，黑白相差的電壓值最大時(shí)，離反射面的最佳距離為6 mm，距離的調(diào)節(jié)范圍也比較大。然后將電路圖2(a)的輸出直接與單片機(jī)的P2．0口相連，此時(shí)，出現(xiàn)單片機(jī)接收碼出錯(cuò)，分析得出：原因是單片機(jī)的P2．0口內(nèi)部有自己的上拉電阻，所以出現(xiàn)低電平采不回去，為了克服此現(xiàn)象，改用圖2(b)中，去掉電路原有的上拉電阻直接與單片機(jī)相連，但是出現(xiàn)距離局限的問(wèn)題，即實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：只有距離為6 mm時(shí)，效果很好，但距離稍有波動(dòng)，單片機(jī)就不能正常工作，因此，最后選用電路圖2(c)，在圖2(a)的基礎(chǔ)上輸出端加一個(gè)非門再接到單片機(jī)。經(jīng)過(guò)測(cè)試得到：此電路應(yīng)用時(shí)，光電管距反射面的距離調(diào)節(jié)范圍比較大，能夠滿足系統(tǒng)的要求。

3 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路
3．1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
    步進(jìn)電機(jī)具有轉(zhuǎn)矩大、慣性小、響應(yīng)頻率高等優(yōu)點(diǎn)，因此具有瞬間起動(dòng)與急速停止的優(yōu)越特性。與其他驅(qū)動(dòng)元件相比，有明顯優(yōu)點(diǎn)：通常不需要反饋就能對(duì)位移或速度進(jìn)行精確控制；輸出的轉(zhuǎn)角或位移精度高，誤差不會(huì)積累，價(jià)格便宜。并且因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)是根據(jù)脈沖個(gè)數(shù)決定旋轉(zhuǎn)角度的，單片機(jī)只需記下脈沖個(gè)數(shù)就能計(jì)算出電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，從而計(jì)算出小車的行駛距離，省去了路程檢測(cè)模塊，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)采用步進(jìn)角為1．8°、兩相步進(jìn)電機(jī)制作小車，利用89C52單片機(jī)作為控制核心，動(dòng)作相當(dāng)精準(zhǔn)，循跡時(shí)紅外傳感器與黑線只留相當(dāng)小的裕度，小車可以基本沿弧線行走，不再是折線。用兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)兩個(gè)前輪，作為主動(dòng)輪；用一個(gè)萬(wàn)向輪作后輪，作為從動(dòng)輪。將它們固定到一塊大小合適的實(shí)驗(yàn)板上，車架就組裝完畢，非常簡(jiǎn)單。分別對(duì)兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，靠?jī)蓚€(gè)電機(jī)的速度差轉(zhuǎn)向。系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)利用89CS2單片機(jī)定時(shí)器1口輸出脈沖信號(hào)，為L(zhǎng)297提供時(shí)鐘信號(hào)，P1．0、P1．1、P1．2分別作為電機(jī)正反轉(zhuǎn)、半步整步和剎停的控制信號(hào)連接到L297的17、19和20管腳；L297和L298作為驅(qū)動(dòng)部分，輸出格雷碼來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)工作。如圖3。

    在實(shí)際應(yīng)用中，常用光耦把L297的輸入與單片機(jī)的輸出隔開(kāi)，以免影響控制部分電源的品質(zhì)。如圖4。

3．2 智能循跡小車的軟件流程
    系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的軟件流程圖如圖5。

4 結(jié)論
    本文介紹了智能循跡小車系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)。通過(guò)多種傳感器電路，進(jìn)行比較、分析，最后采用較為精確的位置檢測(cè)，為智能小車提供了可靠的方向控制策略，使整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性達(dá)到了較高的水平，整個(gè)模塊可供自動(dòng)尋跡小車直接使用。本文在黑色引導(dǎo)線的白板上制成的車道，對(duì)智能車進(jìn)行了測(cè)試，數(shù)據(jù)表明：智能車在直道上可以達(dá)到很高的速度和穩(wěn)定性，在彎道上只要控制好車速，智能車也能平穩(wěn)地運(yùn)行。