基于模塊化控制的多功能智能小車(chē)設(shè)計(jì)

通過(guò)嵌入模糊控制算法，實(shí)現(xiàn)小車(chē)精準(zhǔn)尋跡;采用超聲波檢測(cè)障礙物使小車(chē)提前做出反應(yīng)，繞過(guò)障礙物;設(shè)計(jì)靈敏度可調(diào)的趨光系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)小車(chē)趨光進(jìn)庫(kù);通過(guò)金屬傳感器檢測(cè)金屬塊;利用霍爾器件測(cè)量小車(chē)行駛的路程;最終將金屬塊個(gè)數(shù)，行駛時(shí)間及路程顯示在液晶屏上，實(shí)現(xiàn)了友好的人機(jī)界面。實(shí)驗(yàn)表明，智能小車(chē)系統(tǒng)能夠順利完成種各功能，在各獨(dú)立控制模塊上能達(dá)到較高的穩(wěn)定性和精度要求。

0 引言

智能小車(chē)形式多樣，控制方法多變，創(chuàng)新性強(qiáng)，因此在電子競(jìng)賽和科技創(chuàng)新方面一直受到熱捧。每年的“飛思卡爾”智能小車(chē)比賽中就分有電磁組，光電組，攝像頭組，分別通過(guò)電磁傳感器，光電傳感器，攝像頭來(lái)采集信號(hào)，檢測(cè)小車(chē)的循跡能力和運(yùn)行速度;遙控小車(chē)也是在小車(chē)上裝上無(wú)線(xiàn)模塊來(lái)接收遙控端發(fā)來(lái)的信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)小車(chē)的智能化控制;滅火機(jī)器人則是在避障小車(chē)的基礎(chǔ)上加入趨光模塊和溫度傳感器，使小車(chē)趨向火源滅火。

鑒于目前基于智能小車(chē)的設(shè)計(jì)，大多都是功能單一的尋跡小車(chē)，避障小車(chē)或遙控小車(chē)，在此將設(shè)計(jì)一種將紅外對(duì)管尋跡、金屬檢測(cè)、超聲波避障、硅光電池趨光和距離測(cè)量集成在同一個(gè)系統(tǒng)中的多功能智能小車(chē)，實(shí)現(xiàn)其多任務(wù)處理功能。同時(shí)，本系統(tǒng)針對(duì)各模塊采用優(yōu)化控制方案，以期望得到更精準(zhǔn)控制。整個(gè)智能小車(chē)系統(tǒng)具有高效率、高準(zhǔn)確度、低成本等特點(diǎn)。

當(dāng)前對(duì)智能小車(chē)系統(tǒng)的控制方法也是多種多樣，常見(jiàn)的有路徑記憶法，模糊控制法，圖像識(shí)別法等。

這些方法對(duì)于單任務(wù)的小車(chē)控制都能達(dá)到理想的效果。在本文所設(shè)計(jì)的智能小車(chē)系統(tǒng)中，將充分考慮小車(chē)的多任務(wù)性，采取模塊化控制方法來(lái)實(shí)現(xiàn)小車(chē)的多功能控制，并在模塊化的基礎(chǔ)上嵌套模糊控制的方法，使小車(chē)既滿(mǎn)足多功能要求，又能實(shí)現(xiàn)各控制模塊獨(dú)立、穩(wěn)定運(yùn)行。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)中硬件設(shè)計(jì)由電源模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、尋跡模塊、金屬檢測(cè)模塊、超聲波避障模塊、硅光電池趨光模塊和顯示模塊構(gòu)成，系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 驅(qū)動(dòng)模塊

由單片機(jī)產(chǎn)生兩路PWM 波，通過(guò)L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片控制兩個(gè)直流電機(jī)，分別驅(qū)動(dòng)動(dòng)左輪和右輪。直走時(shí)兩路PWM 波頻率相位相同，當(dāng)需要轉(zhuǎn)彎時(shí)，改變PWM 波控制相應(yīng)的電機(jī)反轉(zhuǎn)，另一電機(jī)正轉(zhuǎn)。兩邊形成差速即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。調(diào)整反轉(zhuǎn)的的時(shí)間，可以控制轉(zhuǎn)彎的大小和快慢，改變PWM 波的占空比可以控制小車(chē)的速度。

1.2 尋跡模塊

該模塊主要利用光電對(duì)管來(lái)檢測(cè)小車(chē)賽道上的黑線(xiàn)。當(dāng)光電對(duì)管內(nèi)的發(fā)光二極管位于黑線(xiàn)上時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)出的光被黑色吸收，不能被反射回來(lái)，此時(shí)，接收端上的光電三級(jí)管基極電壓為零，三極管不能導(dǎo)通，輸出低電平，與之相連的比較器同相端的也為低電平，最終輸入單片機(jī)對(duì)應(yīng)引腳一個(gè)低電平。單片機(jī)檢測(cè)到輸入的低電平就會(huì)對(duì)電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的處理，驅(qū)動(dòng)小車(chē)轉(zhuǎn)彎，使得這個(gè)光電對(duì)管偏離黑線(xiàn)。一旦離開(kāi)黑線(xiàn)，光電三級(jí)光就能夠接受到光照，三極管導(dǎo)通輸出高電平，給單片機(jī)引腳輸入一個(gè)高電平，單片機(jī)檢測(cè)到該高電平后給相應(yīng)電機(jī)正轉(zhuǎn)命令，小車(chē)恢復(fù)直線(xiàn)行駛。依此循環(huán)，最終小車(chē)就能沿著黑線(xiàn)所設(shè)定的的軌跡行駛。

設(shè)計(jì)尋跡模塊時(shí)，為了減小環(huán)境光的干擾，可以在放大器的反向端接入一個(gè)滑線(xiàn)變阻器，通過(guò)調(diào)節(jié)電阻的大小，改變比較器的閾值電壓，從而改變傳感器的靈敏度。當(dāng)較弱的環(huán)境光進(jìn)入到光電三極管的基極，三極管的集電極會(huì)有電壓，但只要調(diào)大滑線(xiàn)變阻器接入的阻值，使得環(huán)境光照射時(shí)，集電極電壓低于閾值電壓，此時(shí)光電對(duì)管仍然輸出低電平，這樣就達(dá)到了消除環(huán)境光的目的。該電路接入的阻值越大，閾值越高，就越不容易受環(huán)境光的影響，但靈敏度也就越低，反應(yīng)越慢。相反，就越容易受環(huán)境光影響，靈敏度越高，反應(yīng)越快。

同時(shí)，為了使小車(chē)能適應(yīng)不同弧度的路線(xiàn)，在循跡模塊中嵌入了模糊控制算法。首先建立一個(gè)模糊集合X={左偏，左較偏，左很偏，右偏，右較偏，右很偏},定義模糊規(guī)則：當(dāng)左側(cè)第一個(gè)光電對(duì)管位于黑線(xiàn)上時(shí)，定義小車(chē)右偏，小車(chē)左輪停轉(zhuǎn)，右輪正常轉(zhuǎn)動(dòng);當(dāng)左側(cè)第二個(gè)光電對(duì)管位于黑線(xiàn)上時(shí)，定義小車(chē)右較偏，小車(chē)左輪小幅度反轉(zhuǎn)，右輪正常轉(zhuǎn)動(dòng);當(dāng)左側(cè)第三個(gè)光電對(duì)管位于黑線(xiàn)上時(shí)，定義小車(chē)右很偏，小車(chē)左輪大幅度反轉(zhuǎn)，右輪正常轉(zhuǎn)動(dòng)。同理，對(duì)右側(cè)光電對(duì)管定義模糊規(guī)則。通過(guò)模糊控制小車(chē)就能適應(yīng)多變的路線(xiàn)。

1.3 金屬檢測(cè)模塊

把金屬傳感器固定在小車(chē)底部，當(dāng)小車(chē)經(jīng)過(guò)金屬片時(shí)，金屬傳感器的輸出端會(huì)產(chǎn)生一次電頻跳變，將跳變信號(hào)輸入到單片機(jī)的外部中斷，每一次跳變，觸發(fā)一次中斷，單片機(jī)就會(huì)控制蜂鳴器發(fā)聲報(bào)警。將中斷次數(shù)記錄下來(lái)送到液晶顯示，就能得到檢測(cè)的金屬片個(gè)數(shù)。

1.4 超聲波避障模塊

用單片機(jī)給超聲波發(fā)生器輸入端輸入一列脈沖觸發(fā)信號(hào)，超聲波發(fā)生器的發(fā)射端就會(huì)產(chǎn)生一列對(duì)應(yīng)頻率的超聲波，當(dāng)聲波遇到障礙物(3 m以?xún)?nèi))時(shí)就會(huì)反射回來(lái)，被接收端接受，其輸出端輸出一系列PWM波。記錄這列PWM 波的高電平持續(xù)時(shí)間，并忽略小車(chē)在此段時(shí)間內(nèi)的位移，就可計(jì)算出小車(chē)到障礙物的距離，當(dāng)距離達(dá)到某一設(shè)定值時(shí)，控制電機(jī)使小車(chē)轉(zhuǎn)彎，繞過(guò)障礙物。

本系統(tǒng)中充分利用Mega128 單片機(jī)的中斷捕捉功能，將超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的輸出回響信號(hào)輸入到單片機(jī)，首先設(shè)置下降沿觸發(fā)捕捉中斷，定時(shí)器計(jì)時(shí)開(kāi)始，當(dāng)中斷觸發(fā)時(shí)馬上更改觸發(fā)方式為上升沿觸發(fā)，再次響應(yīng)中斷時(shí)記錄此時(shí)定時(shí)器的值T1同時(shí)原計(jì)數(shù)值清零，此時(shí)記錄的高電平時(shí)間T1即為聲波在空中傳播的時(shí)間。再次更改觸發(fā)方式為下降沿觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)測(cè)量。與傳統(tǒng)的中斷響應(yīng)測(cè)量相比，中斷捕捉具有快速、精準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)假設(shè)單片機(jī)晶振為M,分頻系數(shù)為N,聲音的傳播速度為V.聲波傳播的時(shí)間為(單位：s)：

因此，可以按照下式計(jì)算出距離障礙物的距離L1:

1.5 硅光電池趨光模塊

為了使小車(chē)具有更理想的趨光效果，本系統(tǒng)采用硅光電池作為傳感器。當(dāng)光源照射到硅光電池的表面，硅光電池的電阻值會(huì)發(fā)生變化，光照強(qiáng)度越大，電阻值越小。在小車(chē)前端的左中右分別裝上一個(gè)硅光電池，將光管電池接在相同的參考電壓源上，將其兩端的電壓送入單片機(jī)的采樣通道轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，通過(guò)比較三路采樣值的大小就能判斷出哪個(gè)方向上的光照強(qiáng)度大，從而控制小車(chē)直走或轉(zhuǎn)彎，進(jìn)而趨向光源。

由于使用了硅光電池采樣方案，系統(tǒng)的靈敏度可以被有效調(diào)節(jié)。程序設(shè)定只有當(dāng)采樣電壓達(dá)到了某一規(guī)定值時(shí)，才來(lái)比較三路采樣電壓。調(diào)整這一規(guī)定電壓值就可以改變系統(tǒng)的趨光靈敏度了，根據(jù)環(huán)境設(shè)定合適的規(guī)定值就能較好的避開(kāi)環(huán)境光的干擾。

1.6 測(cè)距模塊

在電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上安裝兩塊小磁鐵，并將霍爾傳感器固定在轉(zhuǎn)軸正上方的車(chē)身上，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，磁鐵經(jīng)過(guò)霍爾元件時(shí)，霍爾傳感器的輸出端就會(huì)產(chǎn)生電頻跳變，通過(guò)記錄電頻跳變的次數(shù)N,即可根據(jù)行駛距離公式L2=(N × 2πR)/ 2 測(cè)量出小車(chē)行駛的距離。其中R表示車(chē)輪半徑。所測(cè)距離可通過(guò)液晶屏顯示出來(lái)。

2 軟件設(shè)計(jì)

在硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，通過(guò)在單片機(jī)中燒寫(xiě)程序來(lái)控制小車(chē)功能的實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)中采用模塊化控制方法，將各個(gè)獨(dú)立的功能作為一個(gè)獨(dú)立的子程序，在主程序中按照邏輯順序來(lái)調(diào)用各子程序。這樣使得程序條理清晰，提高了程序的執(zhí)行效率，也便于程序修改和調(diào)試，主程序設(shè)計(jì)流程如圖2所示。[!--empirenews.page--]

如循跡模塊中所述，在程序1 中，采用模糊控制算法，控制小車(chē)沿著軌道行駛，不至于失控。子程序2判斷小車(chē)與障礙物間的距離，控制小車(chē)轉(zhuǎn)彎避障。子程序3 根據(jù)硅光電池采集的光照強(qiáng)度，控制小車(chē)左右輪轉(zhuǎn)動(dòng)，確保小車(chē)進(jìn)庫(kù)成功。程序采用動(dòng)態(tài)掃描，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，使得小車(chē)一直處于動(dòng)態(tài)調(diào)整中。

3 實(shí)物測(cè)試及結(jié)果分析

為了測(cè)試小車(chē)的性能，按照比賽要求為小車(chē)設(shè)計(jì)了如圖3所示的小車(chē)賽道。測(cè)試地點(diǎn)選擇在四周較開(kāi)闊、自然光較弱的地方，小車(chē)從起點(diǎn)沿著黑色的牽引線(xiàn)行走，離開(kāi)牽引線(xiàn)后避開(kāi)障礙物，開(kāi)始趨光進(jìn)庫(kù)。在牽引線(xiàn)下方放有若干枚用于檢測(cè)的硬幣，小車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)檢測(cè)到硬幣并報(bào)警，將記錄的硬幣個(gè)數(shù)顯示到液晶屏上。

由于在尋跡模塊的硬件設(shè)計(jì)中加入了靈敏度調(diào)節(jié)，并在軟件設(shè)計(jì)中采取了模糊控制算法，因此，小車(chē)尋跡測(cè)試結(jié)果比較理想，能按照設(shè)計(jì)路線(xiàn)行駛。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

在避障模塊中，由于超聲波模塊對(duì)反射物體的形狀和表面積都有要求，當(dāng)放置的障礙物不滿(mǎn)足要求時(shí)，就會(huì)接收不到反射信號(hào)，造成避障失敗。同時(shí)在測(cè)試時(shí)周?chē)€站有人，也能形成反射源，對(duì)測(cè)試造成干擾。測(cè)試結(jié)果如表2所示。表3所示為趨光模塊測(cè)試結(jié)果。

趨光模塊采用硅光電池采樣，具有連續(xù)可變的無(wú)極比較，比目前廣泛使用的光敏電阻只比較高低電平更靈敏精確，從而提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。但同光敏電阻一樣自然光的影響不能完全避免，因此仍然不能達(dá)到100%的準(zhǔn)確。

4 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)使用一片8 位單片機(jī)，采用模塊化設(shè)計(jì)思想，實(shí)現(xiàn)了智能小車(chē)多功能的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)時(shí)將多種傳感器綜合到一個(gè)系統(tǒng)中，并把采集到的多路信號(hào)送入單片機(jī)進(jìn)行分析處理、作出判斷。

同時(shí)，系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了友好的人機(jī)交換界面，可方便地讀出檢測(cè)到的金屬片數(shù)量、行駛路程和行駛時(shí)間。由于運(yùn)用模塊化控制方法，各模塊相互影響較小，因此還可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，在本系統(tǒng)上增加更多模塊，實(shí)現(xiàn)其他擴(kuò)展功能，例如在系統(tǒng)上增加語(yǔ)音芯片，可實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音播報(bào)功能;加上攝像頭和無(wú)線(xiàn)模塊可實(shí)現(xiàn)小車(chē)的探測(cè)功能等。