智能小車尋跡的研究

張 弛

（武漢理工大學自動化學院 湖北 武漢 430070）

1 智能機器概述

智能作為現代的新發明，是以后的發展方向，他可以按照預先設定的模式在一個環境里自動的運作，不需要人為的管理，它最適合在那些人類無法工作的環境中工作，該技術可以應用于無人駕駛機動車，無人生產線，倉庫，服務機器人等領域。 所有這些用途正逐步滲入到工業和社會的各個層面，作為20 世紀自動化領域的重大成就，機器人已經和人類社會的生產、生活不可分。

隨科學技術的進步， 智能化和自動化技術越來越普及，各種高科技也廣泛應用于機器人玩具制造領域，使智能機器人越來越多樣化。 智能機器人是一個多種高新技術的集成體，它融合了機械、電子、傳感器、計算機硬件、軟件、人工智能等許多學科的知識，涉及到當今許多前沿領域的技術。

2 硬件設計與實現

MSP430F16x 系列單片機是德州儀器公司的一款超低功耗FLASH 型16 位RISC 指令集單片機。 具有16 位寄存器和常數發生器， 因而具有最大的代碼效率。 該芯片特有的FLASH 存儲器在線設計、開發調試及實際應用上都表現出較明顯的優點，所以本系統選用MSP430F16x 系列單片機作為系統核心。

2.1 尋跡、檢測及測速模塊電路設計

尋跡、檢測及測速模塊電路的原理近似，此模塊設計中主要用到反射式光電傳感器ST188， 利用被測物體對紅外光的反射和吸收來實現對被測物體的測量和計數。 探測路面黑色尋跡線的原理：光線照射到路面并反射，由于黑線和白紙的反射系數不同，可根據接受到反射光強弱由傳感器產生高低電平并最終通過單片機判斷是否到達黑線從而尋跡上板或偏離跑道。 設計中小車履帶涂成黑白相間的黑白編碼帶，小車電機每轉一圈對應ST188 檢測到6 次黑線，因此小車的移動速度為v=1.2*N (cm/s)(N 為每秒鐘ST188 檢測到的脈沖數，小車黑白線距離為1.2cm）；該模塊的設計特色在于單片機能控制ST188 工作狀態，解決了ST188 一直處于工作狀態帶來的電能浪費問題。

2.2 電機驅動模塊電路設計

電機驅動模塊主要由電機驅動芯片L298 組成。 L298N是ST 公司生產的一種高電壓、大電流電機驅動芯片。 內含兩個H 橋的高電壓大電流全橋式驅動器，可以用來驅動直流電動機和步進電機、繼電器線圈等感性負載。IN1、IN2 控制電機正反轉方向，ENA 輸入PWM 波控制電機轉速；同理，IN3、IN4和ENB 實現對另一電機的控制。 單片機控制端與L298 之間采用光耦隔離以減少信號干擾。

2.3 音頻發聲電路設計

音頻發聲電路主要由LM386 芯片組成。LM386 是專為低損耗電源所設計的功率放大器集成電路。 它的內建增益為20， 通過pin 1 和pin8 腳位間電容的搭配， 增益最高可達200。 LM386 輸入電壓范圍為4V～12V，無動作時僅消耗4mA電流。LM386 的IN＋和IN－及OUT 實質上是運算放大器的三個端口。 通過改變滑動變阻器RP2 便可改變IN＋和IN－的電壓來改變輸出電壓。 滑動變阻器與單片機P4.0 相連。 輸出經過濾波之后與揚聲器相連接。 為降低系統功耗使用0.5W 揚聲器。 單片機由P4.0 口輸出PWM 波就能得到聲音提示。

2.4 角度傳感電路

本模塊選用由芬蘭公司生產的TVI SCA60T 單軸高精度傾角傳感器，具有單極5V 供電、高分辨率，低噪聲、工作溫度范圍寬等特點；角度傳感器有效方向，測量范圍可達-90 度到90 度，以電壓量輸出。 SCA60T 的7 腳為模擬電壓量輸出端，水平位置時輸出電壓為2.60V，-90 度時輸出電壓為0.5V，90度時輸出電壓為4.48V， 該管腳接單片機A/D 轉換輸入端口P6.0。

3 軟件編程與實現

小車啟動檢測扇形內的黑線并通過黑線檢測系統尋跡進入蹺蹺板上，角度傳感器判斷達到平衡位置與否，如到達平衡位置，延時5 秒后繼續前進，檢測黑線，到達B 點聲光報警，并停留5s，然后后退，檢測黑線，到達A點，停止，完成整個控制過程。

4 結束語

本文通過對現有機器人技術的研究，在參考了有關智能小車系統模型的基礎上，設計了滿足實驗和實際工作要求的智能移動機器人, 并搭建了一個以尋跡和平衡做反饋的導航方式的機器人控制系統。 在建立了相應的運動數學模型基礎上，給出了結合尋跡和平衡檢測作反饋的機器人實時運動控制框架和算法。

本設計的特色和創新是在程序算法方面，一方面選擇數字濾波技術，根據系統的性質和類型，采用中位置平均濾波算法，成功有效的解決了小車系統在啟停的抖動和準平衡區域蹺蹺板震蕩過程中，角度傳感器采集到的干擾數據對小車運動控制系統造成的誤動作。 另一方面，在判斷平衡域的算法方面成功的采用了數字PID 增量型控制算法，選擇合適的參數，使平衡域更小，也即更精確；而且使系統的超調減小、避免振蕩、徹底消除誤差、調節速度更加快速，系統的性能更加優化。

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