循迹小车的设计与实现

贾阿丽

（运城学院物理与电子工程系，运城044000）

0 引言

随着当今社会电子技术和汽车的工业发展，汽车智能应用已经成为了当今研究的主题。智能汽车由无人驾驶代替了原始的人驾驶汽车，通过安装在汽车上的红外线摄像机对其周围进行扫描和监测，并根据计算机、电子地图、传感器等传回的信息进行分析计算，通过系统命令指挥操作汽车[1]。本文通过采用电源模块、单片机控制模块、电机驱动模块和信号采集模块等共同完成了小车的自动循迹功能。

1 方案论证

该系统主要由单片机控制模块、电机驱动模块、信号采集模块和显示模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。

1.1 总体方案设计

该系统主要采用STM32F103C8T6 单片机来控制整机，L298 为电机驱动模块，铁丝检测使用LDC1000金属传感器模块。首先将信号送到MCU 进行处理，然后调制出PWM 脉冲和电平进而对直流电机进行驱动[2,3]；同时采用OLED 对时间和距离进行计时和显示，检测硬币时用蜂鸣器进行报警，具体设计如图1所示。

图1 总体设计方案原理图

1.2 主控制系统模块设计

方案一：选用51 单片机作为核心控制芯片。51 单片机虽然应用较广、种类较多、价格相对比较实惠，但其控制速度相对很慢，并且在实际控制中需要MCU 的高资源，这样就很难完成系统的功能[4]。

方案二：选用STM32F103 系列MCU 用于控制方案，使用STM32 MCU 作为核心控制芯片[5]，该芯片可以进行扩展，与外设进行连接通信，且控制速度较快，非常利于资源开发。

综合上述两种方案，该系统选择了第二种方案，基本满足本设计的需求。

1.3 车体的论证与选择

方案一：选用三轮双驱的车体。三轮双驱是车体使用三个轮子、两个驱动马达和一个电机驱动模块构成。后轮为一个万向轮，用于转弯和调整方向；前面两个轮用于驱动车身，安装过程容易。

方案二：选用四轮四驱的车体。四轮四驱车速较快，实际测试中拐弯太慢，不如两驱加万向轮左右拐弯快。

综合以上两个方案选项并选择第一个选项。

1.4 驱动电路模块设计

方案一：使用单独的逻辑器件来构建驱动程序模块。该解决方案成本低，但相对比较麻烦而且性能很不稳定，并且很容易在硬件上发生故障。

方案二：L298N 是一款具有高电压和大电流的全桥驱动IC，可用来驱动两个直流电机或双极步进电机4.5～46V 时可提供2A 额定电流，具有过热时自动关断和电流反馈检测功能，安全可靠；可以直接连接到MCU 的IO 口进行控制；并且具有使能端，方便调节PWM 进行速度控制。L298N 芯片可以驱动两个直流电机[6]，刚好符合我们的驱动要求。

结合以上两个选项并选择第二个选项。

1.5 金属丝检测电路模块设计

方案一：采用TI 生产的LDC1000 电感数字转换器[7]。利用电磁感应原理，向PCB 线圈或自制线圈添加交流电，这样线圈周围产生交变电磁场。此时如果金属物体进入电磁场，则在金属物体表面上产生涡流（感应电流）。由于变压器的互感，可以在初级线圈中检测次级线圈的参数（金属物体的涡流效应）。

方案二：系统采用TI 生产的LDC1314 电感数字转换器[8]，也是TI 推出的金属检测感应线圈。相对于LDC1000 来说，对于循迹来说非常适合，但是精度不高探测距离太短，且价格昂贵。

结合以上两个选项并选择第一个选项。

1.6 显示电路模块设计

方案一：Lcd1602 液晶也称为1602 字符型液晶，是专门用于显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由几个5×7 或5×11 点阵字符位构成，每个点阵字符位可以显示一个字符，每个位与位间有一个点距的间隔，每条线之间也有一个间隙，起到字符间距和行间距的作用。因此，它不能很好地显示汉字（使用自定义CGRAM，显示效果不佳）。

方案二：OLED 液晶显示屏，可用于显示汉字、字符和图形，其体积小、重量轻，使用方便，功耗极低，采用3.3V 电源供电，便于与匹配MCU 的I/O 口电平。OLED 可以自身发光，而LCD 则不能，因此OLED 比LCD 更亮。

结合以上两个选项并选择第一个选项。

1.7 路程记录的选择方案

方案一：采用惯性传感器：可采用惯性传感器进行惯性导航来确定小车的路程。作为不需外部依赖的导航方式，惯性导航有着特殊的优势，在飞行器定位等有着广泛的应用。但由于我们仅为二维平面的运动，且通过加速度进行两次积分计算路程势必会造成较大的误差，而通过滤波等手段处理则大大增加了程序的复杂性且未必能较好的消除误差。

方案二：运用光电码盘进行定位：光电码盘因其机械结构的稳定性所以准确性较高广泛应用于小车的测速与里程计算。由于小车行驶为固定轨道，因而只需通过测量小车的里程即可得出小车的相对位置。这种方法准确率高、与实际条件最为匹配。

综上所述，选择方案二。

2 理论分析与计算

2.1 铁丝位置检测的理论基础

LDC1000 的电感检测原理是使用电磁感应原理[7]。向PCB 线圈或自制线圈添加交流电，线圈周围产生交变电磁场，此时，如果金属物体进入电磁场，则在金属物体表面上产生涡流（感应电流）。涡流电流与线圈电流的方向相反，并且由涡电流产生的反向磁场耦合到线圈上以形成变压器。由于变压器的互感，可以在初级线圈中检测次级线圈的参数（金属物体的涡流效应）。检测等效并联电阻以确定金属物体是否接近或远离线圈，因此当金属物体接近时，传感器的值改变，判断这一变化告诉我们小车是否在正确的轨道上。

2.2 路程检测的理论基础

光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成，通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。光栅盘在一定直径的圆形板上均等地在多个矩形孔中开口。由于光电编码盘与电动机在同一轴上，所以当电动机旋转时，光栅盘以与电机相同的转速进行旋转，并且由诸如发光二极管等电子元件组成的检测装置检测并输出相应的脉冲信号及个数，最后根据这些信号和个数就可以反映当前行进的距离。

轮子直径66mm，光电码盘齿数为20，轮子周长207mm=20.7cm，轮子转一周的脉冲信号计数次数为40，一个计数变化表示轮子跑过的距离为20.7/40=0.5175cm。

2.3 硬币检测

当传感器测到铁丝导线时，由于导线的表面积较小，所产生的涡流很小，并且由单片机读取的LDC1000收集到的数据很小，当检测到硬币时，由于硬币的大表面积，产生的涡流很大，并且由单片机读取的LDC1000收集到的数据将比以前大得多。因此，我们可通过设定阈值来区分铁丝与硬币。

2.4 小车基础参数分析

前进速度：当铁丝直径为8 毫米时，前进的速度为4500 能正常循迹，但速度过慢，当提速为4800 时加速2 秒，当加速到5000 时因车速过快，影响了循迹，卡顿现象严重。故选择最佳前进速度4800。

转弯速度：当铁丝直径为8 毫米时，转弯速度为5000 时能完成循迹转弯，但速度过慢，加速到5600 时能完成循迹且时间最短，当加速到6000 时小车速度过快易冲出赛道。

3 电路与程序设计

3.1 单片机电路原理图

图2 单片机电路原理图

3.2 程序设计（如图3）

4 测试方案与测试结果

4.1 硬件测试

（1）LDC1000 模块：首先，使用示波器测试LDC1000的起振和线圈的工作状态是否能够正常工作。如果检查出现半波余弦波形，说明LDC1000 可以进行正常工作并可进行后续的工作；如果不是，应检查是模块本身问题还是参数设置问题，结合示波器参数以获得最佳效果。

（2）P4S 模块：用金属靠近金属检测仪检查是否发出提示音，正常工作。

图3 软件程序流程

4.2 软件仿真测试

使用STLINK 作为仿真器，当LDC1000 检测到存在金属或硬币时，它会比较检测到的数据。然后，在软件中设置改变阈值以区分和识别导线和硬币的阈值，并且设置硬币阈值是700。

使用STLINK 模拟器进行调试电机输出的PWM波，以查看PWM 波变化范围是否满足需要、增加或减少是否符合正常标准、以及是否会发生大的波动。通过设置，当基本的PWM 值设置为4500 和5000 时，PWM 的波动满足控制要求。

4.3 软硬件联调测试

通过上述测试，得到LDC1000 的变化阈值，编写程序并下载到单片机中，根据需要设置实验环境，将所需测试要求的轨道铺设在地板上。使用两个传感器模块检测铁丝和硬币，检查智能小车是否能够正确循迹，以及检测到硬币时蜂鸣器是否正常发声。如果不符合要求，则需要再次重新修订阈值并进行测试，直到满足要求为止。

4.4 测试结果

小车设置好相关参数后开始正常行驶，探测铁丝并沿着铁丝跑完成程。表1 为各项功能完成结果。

表1 循迹小车测试结果

表1 测试数据表明设计的自动循迹小车大部分情况下能完成铁丝循迹、检测硬币、实时显示路程距离。但是有时仍然有冲出赛道，警报器乱响的现象。初步分析因为改变了传感器的机械高度会使得传感器的灵敏度上升，返回来的参数变大；通过改变阈值解决了循迹与警报问题。

5 结语

本文使用LDC1000 金属探测传感器快速跟踪直径为0.8 毫米的铁丝形成的跑道，对几个模块的选择进行了比较，分析了各模块的工作原理及优缺点，并对跟踪算法进行了详细设计和分析，保证了跟踪的可靠性，并且还提高了小车的跟踪速度。最终结果表明，所设计的跟踪车能够快速稳定地跟踪，在检测到硬币时可以发出警报，并且智能小车可以在行驶时实时显示时间和里程。但是自动循迹过程中偶尔会存在冲出赛道以及蜂鸣器误报现象，其中有可能存在元器件性能不稳定、接触不良、接线不稳等情况，也存在程序不够优化，未能找到最佳参数，使时间不是最优。