多电源供电智能车循迹避障系统的软件实现*

2015-11-28李晓云何秋生王利民

山西电子技术 2015年6期

李晓云，何秋生，杨柳，王利民，王磊

(太原科技大学电子信息工程学院，山西太原 030024)

智能车，有时也称为轮式机器人［1］。本文设计的智能车主要实现自动循迹和避障功能［2］，自动循迹采用光电开关检测道路，相比于摄像头和CCD 采集更加简单，处理更加快捷方便;采用红外对管避障，相比于超声波更加快速，电路结构更加简单，成本低;电源方面采用电池和太阳能板多电源供电［3］，功耗小，节能减排。

1 系统的结构

系统的结构组成如图1 所示，主要包括循迹模块、避障模块、显示模块、驱动模块和电源模块。本文主要介绍智能车系统软件实现的三大部分:自动循迹、避障、速度控制。

图1 系统的总体框图

2 系统的软件实现

系统主程序流程图如图2 所示，主要用来循迹，循迹过程中直行速度可以保持在1.3～1.5 m/s 左右，当红外对管检测到有障碍物出现时，减小速度并触发外部中断，进入避障子程序，待顺利躲开障碍物后，继续循迹。

图2 主程序流程图

2.1 循迹的软件实现

智能车循迹采用四个光电开关，分别置于车身前轨道两侧，左右各一对。为了方便，从左到右依次标记为左1、左2、右2、右1。当光电开关对准的赛道为白色时，输出电压为0.2 V;当赛道为黑色时，输出电压为5 V［4］。将输出电压与阈值电压作比较，单片机通过检测比较器的输出即可得到赛道的信息，通过控制电机的转动实现循迹功能。

循迹的软件实现如图3 所示，循迹主要是检测黑线的位置，分为6 种情况:若没有检测到黑线就直走，此处包含了智能车通过十字路口时没有黑线的情况;若四个光电开关均检测到黑线，就停车;若左1 检测到黑线，说明车身已经大幅度的偏向右边，控制智能车大幅度左转;若左2 检测到黑线，控制车小幅度左转;若右2 检测到黑线，控制车小幅度右转;若右1 检测到黑线，控制车大幅度右转。

图3 循迹的软件流程图

2.2 避障的软件实现

避障采用两个红外对管实现，分别置于智能车的前方和右侧。前方的红外对管用来探测前方是否有障碍物，右侧的用来探测障碍物的长短。以前方为例，红外对管发射红外光，若前方有障碍物，红外线将从物体反射回来，单片机将检测到低电平，控制电机改变智能车的行进方向，从而顺利避开障碍物。本文以宽度为6 cm，长度不定的障碍物进行实测。

避障的软件流程图如图4 所示。单片机通过精确延时使二极管发射38.5 kHz 的红外线，同时检测红外检测器的状态［5］。当检测到前方有障碍物时，触发外部中断，单片机通过控制电机使智能车转弯，避开障碍物，然后直走。同时检测车身右侧是否有障碍物，主要是确定障碍物的长短和智能车直走的距离。当检测到无障碍物时，驱动电机使智能车转弯再次回到黑线上，继续循迹。

图4 避障的软件流程图

2.3 速度控制的软件实现

PWM 是通过调节直流电源电压的占空比，来改变负载两端电压的平均值，而达到控制要求的一种电压调整方法［6］。由于PWM 控制，不仅可以调节速度，而且还可以弥补硬件结构的缺陷，消除左右两轮之间摩擦阻力不同的影响，因此这里采用PWM 控制智能车的速度。单片机系统主频是12 MHz，若PWM 输出频率为1 kHz，定时中断次数设定为100，即0.01 ms 中断一次，这样可以设定占空比范围是1～100。

PWM 的软件流程图如图5 所示，其中C 为中断次数，0.01 ms 触发一次中断，left 为左轮PWM 的给定值，right 为右轮PWM 的给定值，将它们依次与中断次数C 进行比较，控制电机的使能端，改变电源电压的占空比，从而达到调速的目的。

图5 PWM 控制的软件流程图

速度显示流程如图6 所示。测速模块采用LM393 和20格的光电码盘。光电码盘每转一格触发一次外部中断，测速中断主要是记录码盘转的格数。速度显示采用LCD1602，每400 ms 更新一次，速度计算公式为:v=2nπR/(20 ×0.4)，n为光电码盘转的格数，R 为光电码盘的半径。

图6 LCD 显示的软件流程图

2.4 软件调试

如图7 是设计的智能车，图8 为调试智能车的赛道，图中标记着一长一短两个障碍物，障碍物宽度为6 cm，长度不限，黑线宽度为2 cm。因障碍物宽度一定，智能车转弯的延时时间和速度需经过多次试验调整，使其顺利通过障碍物，并继续自动循迹。本系统中智能车直行时速度能稳定在1.52 m/s，左转弯时左轮速度大约0.55 m/s，右轮速度大约1.15 m/s，右转弯时右轮速度大约0.58 m/s，左轮速度大约1.18 m/s。