自循跡智能小車控制系統的設計與實現

毛祖光 楊潔

摘?要：自循跡智能小車屬于高新技術產品，將環境感知技術、采集規劃技術、判斷決策技術集中到一起的綜合載體，在無人的情況下完成制定任務。本文闡述了智能小車控制系統主要設計內容、智能小車整體設計方案，并針對控制系統在直行、左轉彎、右轉彎階段，硬件和軟件設計進行了探討。

關鍵詞：自循跡;智能小車;控制系統;設計

自循跡智能小車研究和設計過程中，融合人工智能技術、機器視覺技術、傳感技術、自動化技術等，這也是智能小車的主要優勢。小車在使用的過程中，是通過設定模式進行運行，小車按照設定路線行駛，通過傳感器自動判斷路徑，自主完成全部過程。自循跡智能小車具備自動躲避障礙、實時采集數據以及遠程傳輸的作用。智能小車行駛系統設計中，速度控制系統好壞直接關系這小車行駛的安全性。因此，進行智能小車控制系統研究可以為智能小車的發展和應用帶來一定的思考。

1?智能小車整體設計方案

循跡智能小車系統主要包括供電電源、穩壓電源模塊、電動機驅動模塊、單片機、循跡傳感器等部分。智能系統整體設計結構如圖1所示可知，智能系統在采集兩路信號以后，也會輸出這種信號，其中傳感器裝置具有導航系統的作用，速度檢測裝置及無線調控裝置可以作為電機獲取反饋信息的控制系統。輸出信號促使小車后輪電機驅動，由單片機輸出PWM調制信號控制后面兩個輪子的轉速，從而達到控制轉向的目的，前輪是萬向輪，起支撐作用，進而實現小車智能化行駛目的。為此，促使智能化系統運行的關鍵點在于傳感器，傳感器裝置獲取小車前方的道路通行信號以后，通過智能化系統對運動軌跡、速度等進行控制，實現智能化控制目標。單片機是智能化系統中最小的組成部門，系統電源電路、傳感器驅動電路、電機驅動電路均在一塊PCB板上，此板作為系統的主電路。激光傳感器裝置位于車輛上方位置，其中接收電路與激光發射裝置安裝在另一個PCB板上，作為傳感器電路，另外，配置鍵盤液晶人機交換模塊，起到參數設定的作用。

根據上述方案可知，小車智能化系統功能模塊可以劃分為傳感器模塊、電機模塊、MCU最小系統、電源模塊、速度檢測模塊、無線調試六大模塊。為了保證自循跡智能小車在軌道上正常運行，需要微控制器時刻接收數據信息，并對此進行快速的分析及判斷，在此基礎上通過控制算法快速對驅動系統發出指令，以此，實現轉向或直行的目的，進而保證小車在行駛的過程中不會出現由于反應不及時而發生失誤，為小車穩定運行提供安全保障。

2?硬件設計

2.1?主要電路設計

小車智能化系統主要電路設計包括主電路設計、顯示電路設計、調速電路設計。主控制芯片選擇STC89C52單片機，此單片機運用了CMOS?8位微控制器，40引腳雙列直插封裝方式，具有低功率、高性能、在線編輯的優勢。其工作電壓一般在3.3～5.5V范圍內，其運作頻率最高可以到達35MHz，是性價比較高的一種良好方案。主電路板中是由晶振電路及復位電路兩種電路組成，按鍵電路主要被用來調整速度，而顯示電路主要作用是對小車行駛情況進行實時顯示，如圖2所示。

2.2?電機電路設計

在自動控制系統中電動機的作用尤為重要，電動機性能對小車運行具有直接性的影響。小車在運行過程中，為了保證其安全性和行駛速度，必然需要有入彎道減速和出彎道加速的過程，并且這是一個頻繁加速的過程，為此，電機驅動芯片應當具備內阻小、性能穩定度高、操作簡單的特點，通常情況下會選擇以下兩種方案，一種是通過專用芯片來進行電機驅動;另一種是采用分離元件進行組合的方式實現驅動電路設計。本文采用第一種方案，是由于該方案具有較高的可靠性，采用PWM調速，通過L298N驅動裝置來對直流電動機進行驅動，通過控制單片機I/O口輸出高低電平控制電機的正反轉，L298N的OUT1、OUT2和OUT3、OUT4分別接兩個電動機。當ENA高電平時，IN1（IN2）、IN3（IN4）中有一方為高電平即可旋轉或制動，另外，L298N的驅動功率較大，能夠根據輸入電壓的大小輸出不同的電壓和功率，解決了負載能力不夠的問題。如圖3所示是直流電動機驅動示意圖，由圖可知，8個整流二極管功能是用來解決由負載電感而存在的反峰問題，進而起到保護IC的作用。

2.3?光電編碼器電路設計

為了能夠時刻觀察小車的運行情況，對小車行駛路程和速度進行觀察，這整個系統中，速度采集電路起到至關重要的作用。運用光電測速，是在電機軸上固定一個圓盤，并且圓盤的邊緣進行等分凹槽處理，如圖4所示，在圓盤上固定一個二極管，并且二極管的位置應當對準凹槽，二極管會通過縫隙照進來的光線生成信號，并將信號傳給光敏三極管，這時三極管就會處于導通狀態，二極管若未產生信號傳遞給三極管，三極管便會處于截止狀態，其工作電路圖如圖4所示，由圖可知，電動機每轉一圈，單片機端隨即產生一個低電平。為此，速度采集器具有以下優勢，通過捕捉單片機端脈沖信號來實現電機轉動速度以及路程的計算，進而對電機運行進行控制。

3?軟件設計

3.1?軟件總體設計

自循跡小車設計中，控制策略是最主要的設計內容，自循跡小車設計需要滿足一定的行駛速度，但也要保證其安全性，人們希望小車行駛越快越好，但是在行駛過程中遇到彎道若是不減速便會沖出彎道，造成安全事故。因此，對小車行駛進行控制很有必要，在設計中加入了速度控制系統，這就需要傳感器具備較高的性能，在遇到彎道的時候促使小車減速，在上坡的時候讓小車加速，等等，自循跡小車主要是利用激光發射機來實現信息傳播，通過激光發射器發射和接收信號，以此來對小車軌跡進行檢測，為小車行駛的安全性提供基礎保障。

自循跡小車在行駛的過程中，經常會遇到直行、左轉彎、右轉彎等過程，系統會進行自動判別嗎？詳細來說，檢測時當系統黑線處于小車正中間位置，小車則繼續前行，同時控制電機提速。但是當檢測黑線在位于小車左側或者右側的時候，就需要小車向左或者向右轉彎，這時就需要控制小車減速完成轉彎工作，并且需要小車根據反饋階段控制小車速度穩定，控制電機使其降速，小車行駛速度越快，其下降速度就越快。起初程序會對系統進行初始化，需將小車的前后左右四個動作分別置于四個函數中以方便調用，同時將不同的模式固定在相應的定時器中。將定時器1設計成計數模式，使其捕捉脈沖信號，將定時器0設計成定時模式，將傳感器測定時設置成1秒作為一個周期來處理數據，再通過定時器2產生PWM對小車形式速度進行調節。在對三個傳感器信息進行采集，明確黑白線的位置以后，小車便可以沿著黑線信息繼續前進，總體流程圖如圖5所示。6588E762-95A6-490F-8E00-665C647C93CE

3.2?系統速度控制程度設計

根據實際駕駛經驗可知，車輛在行駛彎道和直行階段其速度控制相反，智能化系統小車設計應當滿足這個需求，為此，就需要對智能化系統設計控制速度的功能，實現對小車速度的控制，相對于簡單的方式是對電機進行控制，當小車處于彎道時，便會存在一個彎道阻力，這個阻力自然減慢行駛速度。當小車駛出彎道時，其阻力就會變小，促使小車加速，然而這種開環控制方法很容易出現入彎減速、出彎道加速不及時的問題。針對這種情況，采用增加位置式的速度控制器方式來解決這個問題。系統中對電機速度檢查方式采用電編碼盤方式，是由光電傳感器和編碼盤相結合的方式組成的檢測設備，其計算公式如下：

其中N表示凹槽數量，n表示額脈沖數，t表示時間，V表示轉動速度，光電編碼器邊緣凹槽數量與其具有較大的聯系，可知凹槽對電機轉動速度會產生影響，導致誤差問題出現。為了降低誤差率，可以采用提高凹槽的數量方式減少誤差，選用凹槽數量為20，采集數據的時間設定位1秒，進而得出轉動速度過程，如圖6所示是測度流程示意圖。定時器1設置成統計數據模式，得到脈沖數為n，定時器0設計成計時模式，當處于1秒時，系統將會對得到的脈沖數進行處理，以后將數值進行計算，以此得到小車形式的速度和路程。

3.3?小車智能循跡算法

循跡指的是小車根據黑線指示條行駛，但是由于黑線、白板反射光線的系數存在一定差異，可以按照反射光線的強弱程度對“道路”進行判斷，一般采用紅外探測方法進行判斷。紅外探測法是充分利用了紅外線特殊性質，紅外線對不同顏色反射出的性質也不相同，小車在行駛的過程中，持續向地面發射紅外線，當紅外線與白板碰撞時會反射回來信號，由小車接收模塊對反射信號進行接收，如果發射的紅外線遇到黑線，紅外光就會被吸收，這樣小車就無法獲取反射的信息，此時單片機就會做出相應的反應，根據是否接收到反射信號來判斷黑線的位置，以此確定小車行走路線。本文利用三個傳感器開展小車黑線、白板的循跡工作，當三個傳感檢測結果同時為黑線時，小車便會停止行駛;如果三個傳感器都沒有檢測到黑線或者是中間傳感器檢測到黑線，那么小車繼續直行;同理，在其他兩個傳感器沒檢測到黑線的基礎上，左邊的傳感器檢測到黑線則小車向左轉，右側檢測到黑線小車右轉，其邏輯如下表所示。

4?小車行駛調試

自循跡小車行駛調試流程和內容包括以下幾點：首先，需要檢測和調試的就是系統各個模塊機械性能，檢測各個環節設備之間的連接是否正常，特別注意接插部位的安裝是否正確、可靠。其次，通電檢測，觀察各個環節供電是否正常，重點檢測電機部位，觀察其驅動電流和電壓是否存在異常。然后，程序調試，調試系統中各項代碼是否正常運作，各個模塊運行能否正常運行，檢查自檢調試程序。最后，整機調試，目的是為了調整各模塊參數符合需求，這個過程首要驗證的就是激光掃描函數，之后鍵盤液晶顯示程序、彎道策略程序調試，并選擇合適的參數，基于此對小車速度程序進行調試，進一步調整優化參數，進而保證小車速度的穩定性。在此基礎上對系統進行完善和優化，以此完成自循跡小車速度控制設計。自循跡小車測試過程中存在著無法沿著黑線行駛的問題，導致小車測試過程中跑出設計路線，導致這些問題存在的因素有以下幾點：（1）3個紅外傳感器安裝距離缺乏合理性，促使小車行駛過程中紅外探測滯后、不靈敏。（2）系統程序設計缺乏科學性，應當技術優化。（3）檢測裝置不夠靈敏，小車速度過快，導致系統不能夠及時做出判斷。

綜上所述，自循跡小車智能系統多個模塊組成整體構架，其控制系統也是由多個模塊共同組成。自循跡小車控制速度系統受到多方面的影響，通過從硬件設計、軟件設計方面上著手，不斷改進優化小車各個功能模塊的性能，促使小車循跡功能更加穩定、可靠，進而實現智能小車循跡控制系統的目標。

參考文獻：

[1]鄭茂江.淺談循跡智能小車設計與應用[J].山東工業技術，2019（01）：6.

[2]謝智陽，譚勇.4輪循跡小車過彎性能優化研究[J].汽車電器，2020（07）.

[3]胡徐勝，劉娟.一種帶多路選擇的智能循跡小車優化設計[J].控制工程，2020（07）.

[4]李盛林，黃昊晶，唐建清.基于單片機及紅外光電傳感器的循跡小車設計[J].電子制作，2020（19）.

作者簡介：毛祖光（2000—?），男，漢族，河北任丘人，在讀本科，研究方向：機械電子工程（中外合作）;楊潔（1973—?），女，漢族，河南光山人，博士，副教授，研究方向：自動化控制與檢測、計算機視覺、模式識別。6588E762-95A6-490F-8E00-665C647C93CE