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在2001、2003年連續(xù)兩屆全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中，均出現(xiàn)了簡(jiǎn)易智能小車這種集光、機(jī)、電于一體的題目。本文具體介紹一下小車如何正確地進(jìn)行循跡并給出必要的源代碼。 1.小車控制及驅(qū)動(dòng)單元的選擇 此部分是整個(gè)小車的大腦，是整個(gè)小車運(yùn)行的核心部件，起著控制小車所有運(yùn)行狀態(tài)的作用。通常選用單片機(jī)作為小車的核心控制單元，本文以臺(tái)灣凌陽(yáng)公司的SPCE061A單片機(jī)為例予以介紹。SPCE061是一款擁有2K RAM、32KFlash、32 個(gè)I/O 口，并集成了AD/DA功能強(qiáng)大的16位微處理器，它還擁有豐富的語(yǔ)音處理功能，為小車的功能擴(kuò)展提供了相當(dāng)大的空間。只要按照該單片機(jī)的要求對(duì)其編制程序就可以實(shí)現(xiàn)很多不同的功能。
小車驅(qū)動(dòng)電機(jī)一般利用現(xiàn)成的玩具小車上的配套直流電機(jī)。考慮到小車必須能夠前進(jìn)、倒退、停止，并能靈活轉(zhuǎn)向，在左右兩輪各裝一個(gè)電機(jī)分別進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。當(dāng)左輪電機(jī)轉(zhuǎn)速高于右輪電機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)小車向右轉(zhuǎn)，反之則向左轉(zhuǎn)。為了能控制車輪的轉(zhuǎn)速，可以采取PWM調(diào)速法，即由單片機(jī)的IOB8、IOB9輸出一系列頻率固定的方波，再通過(guò)功率放大來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在單片機(jī)中編程改變輸出方波的占空比就可以改變加到電機(jī)上的平均電壓，從而可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。左右輪兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速的配合就可以實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)、倒退、轉(zhuǎn)彎等功能。 2.小車循跡的原理 這里的循跡是指小車在白色地板上循黑線行走，通常采取的方法是紅外探測(cè)法。
紅外探測(cè)法，即利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn)，在小車行駛過(guò)程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色紙質(zhì)地板時(shí)發(fā)生漫反射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，小車上的接收管接收不到紅外光。單片機(jī)就是否收到反射回來(lái)的紅外光為依據(jù)來(lái)確定黑線的位置和小車的行走路線。紅外探測(cè)器探測(cè)距離有限，一般最大不應(yīng)超過(guò)15cm。對(duì)于發(fā)射和接收紅外線的紅外探頭，可以自己制作或直接采用集成式紅外探頭。 （1）自制紅外探頭電路如圖1所示，紅外光的發(fā)送接收選用型號(hào)為ST168的對(duì)管。當(dāng)小車在白色地面行駛時(shí)，裝在車下的紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線信號(hào)，經(jīng)白色反射后，被接收管接收，一旦接收管接收到信號(hào)，那么圖中光敏三極管將導(dǎo)通，比較器輸出為低電平；當(dāng)小車行駛到黑色引導(dǎo)線時(shí)，紅外線信號(hào)被黑色吸收后，光敏三極管截止，比較器輸出高電平，從而實(shí)現(xiàn)了通過(guò)紅外線檢測(cè)信號(hào)的功能。將檢測(cè)到的信號(hào)送到單片機(jī)I/O口，當(dāng)I/O口檢測(cè)到的信號(hào)為高電平時(shí)，表明紅外光被地上的黑色引導(dǎo)線吸收了，表明小車處在黑色的引導(dǎo)線上；同理，當(dāng)I/O口檢測(cè)到的信號(hào)為低電平時(shí)，表明小車行駛在白色地面上。此種方法簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，靈敏度可調(diào)，但是容易受到周圍環(huán)境的影響，特別是在圖1較強(qiáng)的日光燈下，對(duì)檢測(cè)到的信號(hào)有一定的影響。 
（2）集成式紅外探頭可以采用型號(hào)為E3F－DS10C4集成斷續(xù)式光電開關(guān)探測(cè)器，它具有簡(jiǎn)單、可靠的工作性能，只要調(diào)節(jié)探頭上的一個(gè)旋鈕就可以控制探頭的靈敏度。該探頭輸出端只有三根線（電源線、地線、信號(hào)線），只要將信號(hào)線接在單片機(jī)的I/O口，然后不停地對(duì)該I/O口進(jìn)行掃描檢測(cè)，當(dāng)其為高電平時(shí)則檢測(cè)到白紙，當(dāng)為低電平時(shí)則檢測(cè)到黑線。此種探頭還能有效地防止普通光源（如日光燈等）的干擾。其缺點(diǎn)則是體積比較大，占用了小車有限的空間。 3.紅外探頭的安裝 在小車具體的循跡行走過(guò)程中，為了能精確測(cè)定黑線位置并確定小車行走的方向，需要同時(shí)在底盤裝設(shè)4個(gè)紅外探測(cè)頭，進(jìn)行兩級(jí)方向糾正控制，提高其循跡的可靠性。這4個(gè)紅外探頭的具體位置如圖2所示。圖中循跡傳感器共安裝4個(gè)，全部在一條直線上。其中InfraredMR與InfraredML 為第一級(jí)方向控制傳感器，InfraredSR 與InfraredSL 為第二級(jí)方向控制傳感器。小車行走時(shí)，始終保持黑線（如圖2 中所示的行走軌跡黑線）在InfraredMR和InfraredML這兩個(gè)第一級(jí)傳感器之間，當(dāng)小車偏離黑線時(shí)，第一級(jí)探測(cè)器一旦探測(cè)到有黑線，單片機(jī)就會(huì)按照預(yù)先編定的程序發(fā)送指令給小車的控 制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)再對(duì)小車路徑予以糾正。若小車回到了軌道上，即4個(gè)探測(cè)器都只檢測(cè)到白紙，則小車會(huì)繼續(xù)行走；若小車由于慣性過(guò)大依舊偏離軌道，越出了第一級(jí)兩個(gè)探測(cè)器的探測(cè)范圍，這時(shí)第二級(jí)動(dòng)作，再次對(duì)小車的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行糾正，使之回到正確軌道上去�？梢钥闯�，第二級(jí)方向探測(cè)器實(shí)際是第一級(jí)的后備保護(hù)，從而提高了小車循跡的可靠性。 
4.軟件控制 其程序控制框圖如圖3。小車進(jìn)入循跡模式后，即開始不停地掃描與探測(cè)器連接的單片機(jī)I/O口，一旦檢測(cè)到某個(gè)I/O口有信號(hào)，即進(jìn)入判斷處理程序（switch）,先確定4個(gè)探測(cè)器中的哪一個(gè)探測(cè)到了黑線，如果InfraredML(左面第一級(jí)傳感器)或者InfraredSL(左面第二級(jí)傳感器)探測(cè)到黑線，即小車左半部分壓到黑線，車身向右偏出，此時(shí)應(yīng)使小車向左轉(zhuǎn)；如果是InfraredMR(右面第一級(jí)傳感 器)或InfraredSR(右面第二級(jí)傳感器)探測(cè)到了黑線，即車身右半部壓住黑線，小車向左偏出了軌跡，則應(yīng)使小車向右轉(zhuǎn)。在經(jīng)過(guò)了方向調(diào)整后，小車再繼續(xù)向前行走，并繼續(xù)探測(cè)黑線重復(fù)上述動(dòng)作。 
由于第二級(jí)方向控制為第一級(jí)的后備，則兩個(gè)等級(jí)間的轉(zhuǎn)向力度必須相互配合。第二級(jí)通常是在超出第一級(jí)的控制范圍的情況下發(fā)生作用，它也是最后一層保護(hù)，所以它必須要保證小車回到正確軌跡上來(lái)，則通常使第二級(jí)轉(zhuǎn)向力度大于第一級(jí)，即level2>level1(level1、level2為小車轉(zhuǎn)向力度，其大小通過(guò)改變單片機(jī)輸出的占空比的大小來(lái)改變)，具體數(shù)值在實(shí)地實(shí)驗(yàn)中得到。
專家點(diǎn)評(píng)：根據(jù)本文所講述的方法，我們可以較容易地做出按照一定軌跡行走的智能電動(dòng)小車。但是按照該方法行走的小車如果是走直線，有可能會(huì)是蛇形前進(jìn)。為了使小車能夠按軌跡行走的更流暢，可以在軟件編程時(shí)運(yùn)用一些簡(jiǎn)單的算法。例如，在對(duì)小車進(jìn)行糾偏時(shí)，適當(dāng)提前停止糾偏，而不要等到小車完全不偏時(shí)再停止，以防止小車的過(guò)沖。
華中科技大學(xué)電工電子科技創(chuàng)新基地 張立 楊立 |
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