基于MSP430的自動(dòng)避讓小車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：設(shè)計(jì)了一個(gè)基于MSP430F149單片機(jī)自動(dòng)避讓小車控制系統(tǒng)，系統(tǒng)由兩個(gè)帶有無線通訊模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、循跡模塊以及超聲波測(cè)距模塊的小車組成。通過無線通訊模塊、超聲波模塊以及利用紅外遁跡模塊來確保兩車在規(guī)定的車道里的行駛和相互避讓，并且采用了模糊算法來實(shí)時(shí)響應(yīng)小車循跡模塊信號(hào)，從而保證了小車快速向前行駛，而且不超出邊界。
關(guān)鍵詞：MSP430；nRF905；超聲波測(cè)距；紅外遁跡；模糊控制

0 引言
    機(jī)器人競(jìng)賽是近些年國際上開展的一項(xiàng)高科技活動(dòng)，它集高新技術(shù)、娛樂和競(jìng)賽于一體，受到眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注和極大興趣。機(jī)器人小車子系統(tǒng)其性能和運(yùn)動(dòng)時(shí)的避讓控制是自動(dòng)控制系統(tǒng)中重要的處理技術(shù)之一，也是整個(gè)系統(tǒng)中至關(guān)重要的部分。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于低功耗單片機(jī)MSP430F149的智能自動(dòng)避讓小車控制系統(tǒng)，系統(tǒng)由兩個(gè)基本相同的小車為主要載體，搭配對(duì)應(yīng)的無線通訊模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、循跡模塊以及超聲波測(cè)距模塊。系統(tǒng)控制方案主要通過nrf905無線通信模塊來實(shí)現(xiàn)甲，乙兩小車的呼叫、應(yīng)答信號(hào)。通過超聲波模塊來確定甲乙兩小車的相互位置關(guān)系。利用紅外遁跡模塊來確保兩小車在規(guī)定的車道里面行駛以及即時(shí)確定小車已經(jīng)到達(dá)的位置來調(diào)整小車自身車位。設(shè)計(jì)方法上主要是通過光柵計(jì)數(shù)匹配來實(shí)現(xiàn)小車的精確直線行駛，通過左右車輪反轉(zhuǎn)的方式來實(shí)現(xiàn)小車小范圍內(nèi)快速精確轉(zhuǎn)向，以及可調(diào)占
空比控制小車無級(jí)變速，并且采用了模糊算法來實(shí)時(shí)響應(yīng)小車循跡模塊信號(hào)，從而保證了小車快速向前行駛，而且不超出邊界。

1 總體方案設(shè)計(jì)與比較
    方案一：精確控制甲乙兩車的行走距離和轉(zhuǎn)彎角度，不用其它的循跡或通信等模塊對(duì)小車的軌跡進(jìn)行修正，僅按照要求對(duì)小車路徑進(jìn)行模擬。
    方案二：在方案一的基礎(chǔ)上加入nRF905無線通信模塊，后面的小車通過無線通信跟隨前面的小車，避免兩車相撞，前面的小車需要在程序員設(shè)定的路徑下精確行駛。
     方案三：在方案二的基礎(chǔ)上加入循跡和超聲波模塊，充分利用車道的邊沿和起點(diǎn)、終點(diǎn)、轉(zhuǎn)向等標(biāo)志線，來精確定位小車，同時(shí)利用超聲波模塊來探測(cè)甲乙兩車的相對(duì)距離，確保小車不撞車。
     論證：通過上述三種方案的測(cè)試與比較，方案一硬件和編程算法相對(duì)比較簡(jiǎn)單但是實(shí)踐起來繁瑣且適應(yīng)能力差。方案二中使用無線通信模塊來控制整個(gè)過程，適應(yīng)能力有所提高，但仍然無法全面地滿足題目要求。方案三加入了多種反饋模塊，對(duì)外界信息采集能力強(qiáng)，能較為全面地完成題目要求。權(quán)衡利弊，選擇方案三。

2 理論分析與計(jì)算
2．1 信號(hào)檢測(cè)與控制
    (1)紅外循跡模塊。本系統(tǒng)采用3．3V紅外對(duì)管，利用木板和黑膠帶對(duì)紅外光的不同反射特性來(木板反光，黑膠帶吸光)獲得循跡信號(hào)，再經(jīng)過放大器LM358組成的電壓比較器來獲得對(duì)應(yīng)的高低電平信號(hào)送給430單片機(jī)檢測(cè)。
    (2)超聲波測(cè)距模塊。本系統(tǒng)采用HC-SR04的超聲波模塊，由單片機(jī)產(chǎn)生一個(gè)大于10 μs的高電平觸發(fā)模塊進(jìn)行測(cè)距，利用超聲波信號(hào)的發(fā)送與接收時(shí)間差來計(jì)算距離。
    (3)小車精確控制。通過光柵編碼器返回的數(shù)據(jù)對(duì)電機(jī)進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，利甩PWM波的占空比實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速，從而保證小車精確運(yùn)動(dòng)。
2．1 兩車之間的通信方式
    系統(tǒng)主要是利用nRF905無線模塊來進(jìn)行通信，利用車道已有的轉(zhuǎn)彎標(biāo)志和超車標(biāo)志線，在對(duì)應(yīng)的位置通過紅外循跡模塊獲得信號(hào)之后，利用nRF905無線模塊把信息發(fā)給另外一輛小車。通過這種信息的交流來調(diào)節(jié)兩輛小車的位置，確定下一階段的行駛方式。
2．2 節(jié)能方式
    系統(tǒng)采用了德州儀器公司的低功耗單片機(jī)MSP430F149，內(nèi)部功能模塊多、資源豐富，最為突出的是此單片機(jī)采用3．3V供電，有掉電、待機(jī)模式，這使得其在功耗方面有極大的減少。在低功耗、小型控制系統(tǒng)中有著突出的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用市場(chǎng)。
    此外小車在正常工作過程中，并不完全啟動(dòng)各個(gè)模塊，只有得到相應(yīng)的觸發(fā)信號(hào)之后，該模塊才會(huì)被啟動(dòng)，從而降低各個(gè)模塊的功耗。另外nRF905無線模塊可以設(shè)置空閑模式或關(guān)機(jī)模式，關(guān)機(jī)模式時(shí)nRF905工作電流最小只有25 μA；空閑模式下nRF905模塊只有部分晶體振蕩器工作，有利于減小工作電流。

3 硬件電路設(shè)計(jì)
3．1 紅外循跡模塊電路
    主要有一對(duì)3．3V供電的紅外對(duì)管和一個(gè)LM358運(yùn)算放大器組成。接收管的輸出信號(hào)輸入由LM358組成的電壓比較器電路，當(dāng)紅外光線反射回來時(shí)為高電平，否則為低電平，具體電路如圖1所示。

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3．2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路
    L298的12個(gè)H橋下側(cè)橋晶體管的發(fā)射極連在一起，之后通過控制IN1、IN2，當(dāng)IN1高電平，IN2低電平，使能端ENA輸入PWM波時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)，反之電機(jī)反轉(zhuǎn)，通過改變PWM占空比改變轉(zhuǎn)速。L298構(gòu)成的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。

3．3 電源模塊
    整個(gè)系統(tǒng)由一個(gè)左右的6800mAh／12．8V的鋰電池供電，主要分為兩個(gè)分支往下一級(jí)模塊供電，一路是經(jīng)過L7805穩(wěn)壓到5V給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊L298N的輸入級(jí)供電。再經(jīng)過lm1117穩(wěn)壓為3．3V給MSP430最小系統(tǒng)、紅外循跡、nRF無線模塊供電。另外一路則通過由LM2598組成電壓可調(diào)DC-DC模塊給L298N的輸出級(jí)供電來驅(qū)動(dòng)電機(jī)，如圖3所示。
3．4 系統(tǒng)控制示意圖
　

4 軟件設(shè)計(jì)
    傳感器安裝如圖5所示，安放在小車頭部，該尺寸設(shè)計(jì)是經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)與計(jì)算總結(jié)得出的。內(nèi)側(cè)的兩個(gè)傳感器與中間的間距9cm，正好小于超車道區(qū)域的虛線，便于識(shí)別超車區(qū)外側(cè)的兩個(gè)傳感器與內(nèi)側(cè)的間距5cm，該距離便于邊界線的檢測(cè)。

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    彎道矯正原理圖如圖6所示，通過轉(zhuǎn)彎標(biāo)志線進(jìn)行自我定位，在轉(zhuǎn)彎過程中進(jìn)行方向矯正。

    通過軟件實(shí)現(xiàn)模擬凹透鏡散射原理，將不平行于行駛軸線方向的小車進(jìn)行矯正，圖中在有效行駛區(qū)域內(nèi)部的小車都能矯正到直線L1與直線L2之間，理論上與軸線平行。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)得出，該方案對(duì)偏轉(zhuǎn)角度在正負(fù)30°以內(nèi)的小車矯正效果較為明顯。在直線行駛區(qū)域內(nèi)，通過邊界線的反饋保證小車不超出邊界且在有效行駛區(qū)域內(nèi)進(jìn)入彎道。

5 測(cè)試方法及測(cè)試結(jié)果
5．1 測(cè)試儀器
    秒表、卷尺
5．2 測(cè)試環(huán)境和方法
    實(shí)驗(yàn)室、單個(gè)任務(wù)多次測(cè)量

5．3 測(cè)試結(jié)果分析
     經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，甲乙兩車速度特性基本一致，交替領(lǐng)跑有速度加快的趨勢(shì)，系統(tǒng)在交替領(lǐng)跑過程中趨于穩(wěn)定，并未放大誤差。

6 結(jié)論
    本系統(tǒng)從方案制定，到系統(tǒng)硬件搭建以及算法的采用上都進(jìn)行了精心設(shè)計(jì)和論證。測(cè)試結(jié)果表明自動(dòng)避讓小車控制系統(tǒng)反映速度快、運(yùn)行穩(wěn)定，避讓及時(shí)。