智能小车控制系统循迹功能的创新设计与实现

孟宪宸

摘 要：本文在设计并实现了智能小车的控制系统的循迹功能的基础上，创新性地提出了改善循迹功能的方法。该智能小车能够沿着指定的路线行驶，实现自主判断路径的功能。智能小车的控制系统包括MCU、振荡器以及复位电路。MCU选择8位单片机STC89C52RC，其具有速度快、可靠性好、功耗低等诸多特性。循迹模块包括路径判断电路、主控制系统以及左右轮摆动控制电路。本文对循迹功能的改进使得智能小车的循迹鲁棒性得到提升，具有应用价值。

关键词：STC89C52RC；循迹；智能小车

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）20-0024-02

1 引言

智能小车是各种高新技术综合集成的载体，其集环境感知、规划决策等功能于一体，融合了机器人技术、人工智能技术、自动化控制技术、机器视觉技术等。智能小车的主要特点在于，无论路线周边的具体情况如何，都能够沿着指定的路线行驶，完成自主判断路径的功能。针对智能小车的控制系统的循迹功能，本文将着重对其设计和实现上的创新进行研究。

2 现有智能小车存在的问题

通常的智能小车在循迹时主要完成如下功能：将黑色胶带黏贴于白色或者浅色场地上，并将该黑色胶带的路径设为智能小车行驶过程中的路线；以单片机为处理器的控制系统对智能小车行驶过程进行控制，使智能小车能够在指定的路线上行驶，完成智能小车的循迹功能。

3 智能小车的系统总体设计

智能小车主要包括车身和控制系统这两个部分。本文的智能小车的控制系统包括MCU、振荡器以及复位电路。[1]

如图1所示，在智能小车的车身上设有电源、转向舵机模块、控制器、双H桥驱动板以及电机驱动模块，并且在车身的前端设有固定架，在固定架上设有循迹模块；电源的输出端与控制器及双H桥驱动板的输入端连接，双H桥驱动板的输出端与电机驱动模块的输入端连接，控制器与转向舵机模块及循迹模块连接，转向舵机模块与智能小车的前轮之间通过转向拉杆连接；电机驱动模块与车身的后轮连接。

4 智能小车系统的硬件设计

4.1 MCU的选择

从成本角度和实用性角度出发，MCU选用8位单片机STC89C52RC，其特点在于，价格便宜、功耗较低、能够降低单片机对外部的电磁辐射、抗干扰能力强[1]。该MCU与8051单片机兼容，正常工作模式下典型功耗为4mA～7mA，内置8K的Flash程序存储器、512B的RAM和2K的E2PROM，内部设置有3个定时器/计数器，能够进行8位、13位、16位的定时/计数。该MCU能够在3.4V～6V的电压范围下进行工作，用户可以根据需要自主选择如C语言或者汇编语言等编程语言。

4.2 电机选择

控制系统的驱动电机采用了步进电机，其能够精确测量路径并且对路径进行准确的定位。与通常的电机相比，步进电机能够实现开环控制而无需反馈信号。当然，步进电机也存在其缺陷：其输出转矩较低，在转速升高的过程中，输出转矩下降；在转速过大的情况下，输出转矩会较大程度地降低。但本文中的智能小车对速度没有较高的要求，因此并不会对设计造成不良影响。

4.3 电机驱动电路的设计

从稳定性的角度出发，电机驱动电路选用L293D芯片，其便于进行操作，有良好的稳定性。L293D芯片的管脚图如图2所示。

4.4 循迹模块的设计

控制系统的循迹模块通过将主控制系统与路径判断电路和左右轮摆动控制电路连接而构成。其作用在于，路径判断电路对智能小车的行驶轨迹进行检测，将检测到的信息转化为电信号向主控制系统输出。主控制系统在接到电信号之后按照事先设定的程序进行运算，之后将计算结果向左右轮摆动控制电路输出。左右轮摆动控制电路对智能小车的电机的运转状态进行驱动，完成左右轮转向的控制。以下将详细说明循迹模块的路径判断电路和左右轮摆动控制电路的具体结构。

在路径判断电路是用于对通常的黑色路径进行判断的情况下，其设计为包括二极管D1～二极管D4、电阻R1～电阻R4以及电容C1。二极管D1的正极经由电阻R1而与电容C1的一端和电源相连接，负极与电容C1的另一端和地相连接。二极管D2的负极经由电阻R2而与电容C1的一端和电源相连接，并且与主控制系统相连接，正极与电容C1的另一端和地相连接。在行驶过程中，智能小车通过二极管D1、二极管D3持续地向地面发出红外光，红外光则会根据遇到白色地面还是遇到黑线而发生漫反射或者被吸收。在白色地面的情况下，红外光发生漫反射，二极管D2、二极管D4接收反射光；在黑线的情况下，红外光被吸收，则没有信号向二极管D2、二极管D4发送，此时对信号进行检测。检测到智能小车行迹的信号直接输出到主控制系统进行数据处理。循迹模块的路径判断电路设计如图3所示。

5 循迹模块的功能实现与创新

5.1 循迹模块的功能实现

对于智能小车在通常的黑色路径上行驶的过程中，智能小车的二极管D1、二极管D3持续向地面发出红外光，红外光会根据遇到白色地面还是遇到黑线而发生漫反射或者被吸收。在白色地面的情况下，红外光发生漫发射，二極管D2、二极管D4接收反射光；在黑线的情况下，红外光被黑线吸收，没有信号向二极管D2、二极管D4发送，此时对信号进行检测。智能小车行迹的信号向主控制系统输入之后，主控制系统按照事先设定的程序对路径判断电路输出的信号进行运算，根据计算结果输出控制信号到左右轮摆动控制电路。左右轮摆动控制电路分别向智能小车的步进电机输出控制信号，从而驱动步进电机进行正反向旋转。在正常情况下智能小车两侧红外对管保持在黑线范围之内，智能小车匀速向前或向后运动。当路径判断电路检测到路面上左边的黑线时，主控制系统通过左右轮摆动控制电路控制左轮步进电机停止旋转，智能小车向左修正。当路径判断电路检测到路面上右边的黑线时，主控制系统通过路径判断电路控制右轮步进电机停止旋转，智能小车向右修正。由此，实现对小车的循迹进行控制。

5.2 循迹功能的创新设计

为了提高智能小车循迹的精度和灵敏度，本文提出在智能小车的行驶路径上设置能够发射红外光的贴片式发光二极管。在这种情况下，对于图3中的路径判断电路来说，可以省去设置二极管D1、D3而仅利用二极管D2、D4对红外光进行捕捉，并根据捕捉到的路径信息对智能小车的轨迹进行判断。

此外，由于对路径进行识别的过程从判断是否有红外光被吸收转变为了判断是否接收到较强的红外光，因此只要相应地对MCU的控制程序进行调整即可。

在设置能够发射红外光的贴片式发光二极管的情况下，发射红外光的二极管所产生的红外光的强度相比于环境中所产生的红外光的强度大得多。因此，与通常设计中的黑线所吸收的红外线和白色地面所漫反射的红外线之间在红外光强度方面的差异相比，上文提出的能够发射红外光的路径与无法主动发射红外光的环境之间在红外光强度方面的差异大得多。从而能够在路径的精确定位方面起到显著的效果。

6 结语

本文在设计并实现了智能小车的控制系统的循迹功能的基础上，创新性地提出了改善循迹功能的方法。该智能小车能够沿着指定的路线行驶，实现自主判断路径的功能。智能小车控制系统的循迹模块包括路径判断电路、主控制系统以及左右轮摆动控制电路。通过对循迹功能进行改进，使得智能小车的循迹鲁棒性得到提升，因此本文所实现的系统具有较高的应用价值。

参考文献

[1]王凯，胡杰.无线射频在智能公交系统中的应用[J].长江大学学报（自科版），2010，7（3）：616-618.

[2]陈晖，张军国，李默涵，等.基于STC89C52和nRF24L01的智能小车设计[J].现代电子技术，2013，35（17）：12-15.endprint