面向多路線的智能循跡小車的設計與實現

莫太平，楊宏光，劉冬梅

（桂林電子科技大學 電子工程與自動化學院，桂林 541004）

隨著機器人技術的不斷發展，人們希望機器人能更加靈活地適應各種工作環境，完成更為復雜的任務，研制能夠代替人類在危險、惡劣環境下工作的具有一定自主能力的輪式機器人是當前國內外研究的熱點[1]。智能小車即輪式機器人，作為一門新興的綜合技術其內容涵蓋機械、汽車、電子、自動控制、計算機、傳感技術等多個學科的知識領域，可廣泛地應用于工廠自動料車配送、固定場地搬運車等技術領域，也可應用于復雜、惡劣的工作環境，具有良好的民用和軍用應用前景[2]。針對普通的循跡小車通常只能夠在直道或者彎道上行駛，無法在具有多路線的軌道路徑中有選擇性地按照某一條引導線行駛，本研究采用AVR單片機控制小車的紅外循跡模塊和電磁路口檢測模塊的設計方案，在實現了小車基本的避障、循跡功能外，智能小車還能夠在具有多條交叉線路組成的各種三岔路口的循跡軌道中按設定的任意有效行進路線進行定點循跡和多點連續循跡的功能。本文設計的智能小車系統已應用于柳職院的實訓物流系統中。

1 系統設計思想

本文設計的智能循跡小車系統采用模塊化設計，有利于各個硬件模塊的調試與升級，同時也很容易將各個模塊安裝在智能小車上。該系統由AT-mega128[3]主控制器、紅外傳感器尋線模塊、霍爾傳感器電磁路口檢測模塊、電機模塊、紅外避障模塊、無線通信模塊以及電源等模塊組成。此智能循跡小車整體設計如圖1所示。

圖1 智能循跡小車設計框圖Fig.1 Intelligent tracking car design frame

紅外傳感器尋線模塊使用反射式紅外線采集路面信息后將循跡信號傳送給ATmega128主控制器，實現對黑色引導線的循跡。

霍爾傳感器模塊用來檢測岔路口小磁鐵磁場產生的電壓信號[4]。如果檢測到電壓信號后，立即將其反饋給ATmega128主控制器，從而斷定小車已處于岔路口上，此后將執行上位機控制器發出的路口轉向命令。

無線通信模塊使用nRF905[5]無線收發模塊，通過MAX232串口通信，實現上位機監控系統與循跡小車系統之間的實時數據通信。無線的通訊方式，使得整個操作流程不需要人工的參與，實現全自動化操作。雙向的無線通訊方式，也使得數據傳輸的準確性大大提高。

電機模塊主要由AVR單片機ATmega128處理器、L298直流電機驅動芯片及其相關電路組成。其接收核心控制單元模塊的命令，控制智能循跡小車的啟動、急停、轉彎等操作。

紅外避障模塊是使用紅外探頭檢測智能小車在循跡過程中前方是否有障礙物。當檢測到障礙物時，智能小車能夠自動停車并且發出嘟嘟的報警聲。

2 智能小車硬件系統主要模塊設計

2.1 主控制器

圖2 ATmega128單片機電路Fig.2 ATmega128 m icrocontroller circuit

此循跡小車的主控制器選用ATmega128為處理器。ATmega128是ATMEL公司的高效率、低功耗的8位系列單片機，具有先進的RISC結構，非易失性的程序和數據存儲器，與IEEE 1149.1標準兼容的JTAG接口。它是一款高配置的單片機，穩定性極高，應用極其廣泛。

ATmega128單片機的主要電路如圖2所示，其第 7、8、9、12、13、15、16 引腳與 nRF905 無線收發模塊相連接，實時接收上位機控制器的指令，進行一定的分析和算法處理后，從5、6引腳發出PWM信號，輸出給后面的以L298N為主要器件構成的直流電機驅動電路，Atmega128單片機通過調節PWM信號的占空比實現對電機的調速與轉向。第47-51引腳連接紅外傳感器模塊，實現小車沿著黑色引導線行駛。第46引腳用于接收來自霍爾傳感器模塊輸出的電壓脈沖信號，實現判斷小車是否檢測到岔路口。

2.2 紅外傳感器模塊

循跡小車的紅外傳感器模塊使用5對紅外反射式光電傳感器以“人”字型布局安裝在小車前端底部，其布局示意圖如圖3所示。紅外傳感器檢測到黑色引導線輸出為低電平“0”，檢測到白色背景輸出為高電平“1”。在循跡行駛過程中②③④號傳感器均需壓在黑色引導線上方。

圖3 紅外傳感器布局示意圖Fig.3 Infrared sensors layout diagram

紅外傳感器模塊將小車在循跡行駛的過程中5對傳感器輸出的高低電平信號實時反饋給單片機，再經過一定的算法處理后，控制直流電機以不同的速度實現小車轉向的操作以達到按照規定引導線的行駛。在行駛過程中當小車前進方向與引導線方向發生偏移時，小車能夠根據引導線位置自動調整車身以消除偏差，使小車前進方向與引導線方向保持一致。

2.3 霍爾傳感器模塊

霍爾傳感器模塊安裝在小車的車頭底部中央。在引導線交叉的每個三岔路口和需要停車的位置下都安放一枚小磁鐵。小車循跡行至岔路口時，當霍爾傳感器在小磁鐵的磁場中產生電壓信號通過LM324的放大處理后反饋給單片機的第46腳，即此時的小車正處于小磁鐵上方，也就是位于一個岔路口上，此后將執行上位機控制器發出的路口轉向（左轉彎、右轉彎、直行或停車）命令。霍爾傳感器模塊原理圖如圖4所示。

圖4 霍爾傳感器模塊原理圖Fig.4 Hall sensors module schematic

2.4 nRF905無線通信模塊

無線通訊模塊是上位機監控系統與智能循跡小車數據交互的硬件模塊。由于所設計的智能小車考慮到其應用在寬闊的場地上，故采用通訊距離能夠達到1500m的nRF905為主要芯片的無線通信模塊。由AVR單片機控制的nRF905模塊與上位機進行遠程的數據傳輸，實時接收上位機信息和反饋循跡小車的行駛狀態。nRF905無線通信模塊原理圖如圖5所示。

圖5 nRF905無線通信模塊原理圖Fig.5 nRF905 w ireless communication module schematic

2.5 電機驅動模塊

智能循跡小車的運動控制是由單片機控制直流電機驅動電路來實現的。此模塊的電機驅動芯片為L298，電機的型號為ASLONG JGA25-370，采用四輪驅動的方式控制小車的行走運動。L298通過光電耦合器接收單片機輸出的不同占空比的PWM波形來驅動直流電機，完成直流電機的速度和轉向的控制。保證小車平穩地完成循跡過程。

3 循跡路線選擇方案

智能循跡小車利用紅外傳感器模塊和霍爾傳感器模塊能夠在由多條復雜的交叉路線組成的各種三岔路口按照上位機監控系統設定的任意有效的行進路線進行定點循跡和多點連續循跡行駛，如引導線交叉的十字路口、丁字路口和7字樓口。即實現在具有復雜的三岔路口路徑特征的軌道中行走以完成各種運送任務。

智能小車在接收到上位機監控系統發出的循跡發車指令后，小車開始沿引導線穩定循跡前進，當小車行至第一個岔路口時，即小車頭部的霍爾傳感器模塊檢測到第一個磁鐵后，將執行上位機控制器預先設定的第一個轉向命令，如果接到直行命令，小車不做任何操作直接正常循跡行駛；如果接到停車命令，小車即停止運動狀態；如果接到左轉命令則控制左右輪電機以不同的速度進行左轉彎操作，同時判斷紅外傳感器與引導線的位置關系變化，目的是確定是否完成左轉操作，在完成左轉彎操作后，小車進入正常循跡狀態；由于路口的對稱性，右轉命令和左轉命令相類似。接下來在小車按照上位機監控系統發出的第一個指令完成第一個岔路口的轉向操作后，繼續循跡前進至第二個岔路口，即霍爾傳感器檢測到第二個磁鐵后，小車按照上位機發出的第二個轉向指令進行相應的轉向操作，原理同第一個岔路口時的操作類似。以此類推，直到小車到達指定位置并進行停車處理后完成整個循跡過程。

4 智能小車循跡測試

4.1 循跡軌道設計

為研究測試智能小車在具有多路線的循跡軌道中的循跡情況。本文設計了適合此研究的循跡軌道模擬圖如圖6所示。小車可以按照任意設定好的路線循跡行駛到達指定位置。為簡潔說明，圖中的編號可以視為路口及其下安裝的小磁鐵的編號，小車可以在任意編號的路口進行轉向和停車操作。小車在接到發車命令后，沿引導線穩定循跡行駛。

圖6 小車循跡軌道模擬圖Fig.6 Tracking trajectory simulation diagram

4.2 上位機監控系統的設計及循跡測試

智能小車循跡測試顯示界面如圖7所示。循跡小車的上位機監控系統主要完成與智能小車間的實時通信，并將設定好的路線命令發送給小車控制器，小車按照此行進路線在模擬的軌道中循跡行走。其中小車路徑中用字母L、R、P、S分別表示上位機向小車在檢測到路口時發出左轉彎、右轉彎、停車、直行命令。小車將嚴格按照設定的路線循跡行走直至完成整個循跡過程。由于小車可以在模擬軌道中按任意有效的行進路線行走。假定小車從圖6位置發車，設定小車的行進路線為LRRLLPLLRRLSP。上位機通過無線通信模塊將小車在模擬軌道中的行進路線命令發送給小車的AVR處理器，控制小車在軌道中按要求行進。

圖7 循跡測試顯示界面Fig.7 Interface of tracking test

則小車的循跡過程為：發車→⑧→⑨→⑤→④→①→②（停車），之后繼續發車→③→⑥→⑤→⑨→⑩→⑦→⑧（停車）完成了整個循跡過程。

5 結語

本文設計了一個基于AVR單片機的智能循跡小車，可與上位機監控系統實行進行數據通信，并且能夠實現在復雜的多路線路徑中按要求循跡行駛，實現了小車在平面軌跡地圖中自主導航運動。此智能小車為當前企業的智能運輸和配送問題，提出了高效可行的解決方案。根據客戶的需求，本系統可廣泛應用工廠或物流行業的產品智能歸類、運輸和配送中，經過實際測試驗證，該系統可以實現對運送過程全程追蹤記錄，提高企業工作效率。

[1] 李閱薄，羊彥，陳彥來，等.雙電機獨立驅動底盤控制算法設計[J].計算機測量與控制，2009，17（3）：481-483.

[2] 趙津，朱三超.基于Arduino單片機的智能避障小車設計[J].自動化與儀表，2013，28（5）：1-4.

[3] 霍宏偉，牛延超，黃吉瑩.ATmega128/2560系列單片機原理與高級應用[M].北京：中國林業出版社，2006.

[4] 張云洲，楊兵，李龍，等.基于電磁效應的輪式智能車導航控制[J].東北大學學報：自然科學版，2013，34（7）：917-921.

[5] 呂躍剛，高晟輔，范俊峰，等.基于nRF905無線數傳模塊的設計及其實現[J].微計算機信息，2006，22（35）：274-277.■