循跡機器人控制系統設計

循跡機器人控制系統設計

羅儒1，張文莉1，于婷2

(1.貴州大學電氣工程學院，貴州貴陽550000；2.長春軌道客車裝備有限責任公司國凱公司，吉林長春130062)

摘要：基于單片機控制的自動循跡機器人系統可廣泛涉及于探測、工業、生活中。循跡機器人是一個應用傳感器、控制器、驅動及外加擴展的自動化技術，按照預先設定的模式或者軌跡來進行自動循跡導航的高新技術。設計簡易循跡小車，采用STC89C52單片機作為小車的控制芯片；采用TCRT5000紅外光電對管對地面黑色軌跡進行檢測，將其信號反饋回單片機，單片機對其反饋信號進行分析并采用PWM控制直流電機的轉速修正小車的移動方向，實現小車自動循跡的目的。

關鍵詞:STC89C52PWM紅外光電對管自動循跡

中圖分類號：TP273文獻標識碼：A

作者簡介：羅儒(1992-)，男，貴州大學電氣工程學院檢測技術與自動化裝置專業碩士研究生，研究方向：傳感器技術。

收稿日期：2015-04-03

Tracking robot control system design

LUO Ru,ZHANG Wenli,YU Ting

Abstract:Automatic tracking robot based on singlechip microcomputer control system can be widely involved in detection, industries and everyday life. Tracking robot is a kind of automation technology which involves the application of sensor, controller, drive and additional devices to realize automatic tracking and navigation according to certain preset mode or path. This paper designs a simple tracking car with STC89C52 single-chip microcomputer as the control chip; Using TCRT5000 infrared double photoelectric cell to test the ground for black trajectory, the signal is sent back to the singlechip microcomputer which then analyzes the signal and adopts PWM to control the dc motor’s speed so as to correct the moving direction of the car, and to achieve the goal of automatic tracking.

Keywords:STC89C52；PWM；infrared double photoelectric cell；automatic tracking

0引言

隨著控制技術、計算機技術和信息技術的發展,智能車在工業生產和日常生活中已經扮演了非常重要的角色。近年來，智能循跡車在野外、道路、 現代物流及柔性制造系統中都有廣泛運用，已成為人工智能領域研究和發展的熱點。為了適應機電一體化的發展在汽車智能化方向的發展要求，提出簡易智能小車的構想，通過獨立設計并制作一輛具有簡單智能化的簡易小車，獲得項目整體設計的能力，并掌握多通道多樣化傳感器綜合控制的方法[1]。

1系統總體設計

圖1　自動循跡機器人系統總體框圖

循跡機器人設計將設計一個小車，能夠沿著黑線進行循跡并沿著黑線軌跡進行移動。小車采用前左右輪驅動，后車體裝萬向輪。前車體左右兩輪采用兩個直流減速電機驅動，通過改變直流電機轉速改變方向。在車體前部裝有四個光電對管紅外傳感器，分別布置于兩個左車體，兩個右車體。傳感器感知黑線布局，檢測到有無黑線將數據傳給主控芯片，主控芯片收到數據后根據算法做出相應判斷并控制左右直流電機轉速進行左右方向修正[2-3]。系統框圖如圖1所示。

2系統硬件設計

2.1主控制模塊的設計

本次設計使用STC89C52單片機。STC89C52單片機是STC公司生產的一種低功耗、高性能的8位微處理器。單片機最小系統如圖2所示。

圖2　單片機最小系統圖

2.2電源電路的設計

圖3　三端穩壓電路5 V輸出

單片機需要5 V電壓為其供電，本次小車設計采用12鋰電池為整個小車供電，因此需要將12 V電源轉換為5 V為單片機供電，經驗證，選取常用的LM7805構造一個三端穩壓電路可以滿足單片機的供電需求[4]。

2.3電機驅動模塊的設計

小車使用的是雙12 V直流電機帶動，由于單片機輸出的信號功率很弱，無法直接帶動直流電機的工作，所以我們平時在用單片機控制直流電工作時候，在實際電路中加入了電機驅動芯片提高輸入直流電機的信號功率，從而能夠控制電機轉動。采用常見的電機驅動芯片L298N作為電機驅動。當輸入信號端IN1接高電平，輸入信號端IN2接低電平時，與其對應的直流電機M1則正轉。反之當IN1端接低電平，IN2端接高電平時，直流電機M1反轉。同理由IN2與IN3信號輸入端控制的直流電機M2也是如此。驅動直流電機邏輯如圖4所示。

電機控制電機狀態IN1IN2IN3IN4M1正轉10//反轉01//制動00//制動11//停止11//M2正轉//10反轉//01制動//00制動//11停止//11

圖4驅動直流電機邏輯圖

在小車循跡過程中，我們需要不斷根據傳感器模塊循跡得到的信號進行處理，并且修正小車左右運動軌跡，這里就涉及到了小車的轉向問題。當小車需要往左轉時，右電機轉速高于左電機；當小車需要往右轉時，左電機轉速高于右電機。那如何來調節直流電機的轉速呢？使單片機相應I/O口輸出不同占空比的PWM波形即可[5-6]。

2.4循跡模塊的設計

本設計的小車的循跡原理是在地板上貼上黑色膠帶，讓小車沿著黑線行走。黑與白兩種色調對于光線的反射系數不同，所以我們可以通過對是否接受到反射光或者反射光線的大小的強弱來判斷黑線軌跡。采用四個TCRT紅外光電傳感器置于車前進行循跡。紅外探測法，就是利用紅外線在不同色調表面上的反射系數不同，通過接受反射線與否來進行探測。當紅外線照射到黑線上時候，紅外線被吸收，接受不到反射線，此時循跡模塊輸出高電平；當紅外線照射在白色上面時候，反射線能夠被循跡模塊接收到，此時循跡模塊輸出低電平。當檢測出黑線在車體左方時候，用單片機控制電機使車體向左修正，當檢測出黑線在車體右方時候，用單片機控制電機使車體向右修正。

TCRT5000光電傳感器的工作原理與一般的紅外傳感器一樣，具有一個紅外發射管和一個紅外接收管，當發射管的紅外線信號經過反射被接收管接收后，接收管上的電阻發生變化，在電路上一般是以電壓輸出表現出來，再經過電壓比較器LM339等電路處理后，最終在循跡模塊上以高低電平輸出。電阻的變化取決于接收管接收到的紅外線反射強度，因此不同的色調所反射回去的信號大小不同，從而判斷黑線還是白線。

循跡模塊內選用LM339作為循跡模塊內的電壓比較器處理反射回的紅外線強度。LM339內部裝有四個電壓比較器，是很常見的一種電壓比較器，用它可以很方便的組成各種電壓比較電路和振蕩電路[7-8]。

3系統軟件設計

圖5　系統程序流程圖

根據系統硬件設計，系統使用模塊化的軟件設計，可以大致分為主程序、循跡模塊程序以及直流電機的PWM轉速控制模塊這三個模塊。由于設計到PWM轉速控制，并且此次PWM控制采用定時器0改變輸出信號占空比實現，所以主程序一開始需要對定時器和中斷程序初始化，之后設定單片機控制直流電機正轉向前移動。然后開始循環調動循跡模塊子程序，不斷掃描循跡模塊傳來的黑線信號，再根據采集到的數據修正小車的移動方向[9]。系統流程圖如圖5所示。

3.1PWM脈寬調制子程序

直流電機的調速通常采用PWM脈寬調制，即用PWM矩形波控制L298N的使能端的開關來達到調速的目的。用定時器0方式1產生中斷程序實現PWM的占空比調節。

3.2循跡模塊子程序

設計采用4路紅外循跡，將TCRT5000紅外探頭安置于車體前方。檢測黑線的方位，經過多次試驗調試最終決定將小車轉向分為五種情況，直線前進、左小拐、左大拐、右小拐、右大拐。直線前進時候兩電機取PWM的占空比80%；左小拐時候取左電機占空比5%，右電機占空比65%；左大拐時候取左電機占空比5%，右電機占空比85%；右小拐時候取左電機占空比65%，右電機占空比5%；右小拐時候取左電機占空比85%，右電機占空比5%。

4結論

本設計采用AT89C52單片機作為控制芯片，紅外光電對管及電壓比較器LM339作為循跡模塊傳感器、L298N及直流電機作為驅動模塊，以實驗組裝小車為基礎。小車設計模塊構造簡單，軟硬件運行穩定，同時還保留多個I/O口，可以在循跡小車的基礎上，拓展更多的功能，比如避障控制、聲控循跡等等多種功能。循跡機器人現如今在各個領域應用廣泛，如探測、軍事、航空等領域。循跡機器人作為一種智能的高新技術，其發展，為人類帶來了許多的方便。它可以適應不同環境、溫度等條件的工作空間，代替人類完成各種任務，保障了人的安全、也使得任務能夠更加精準、高效率的完成。

參考文獻

[1]張興業.汽車電子信息技術狀況和發展對策[J].汽車實用技術,2004(02)

[2]安巖.自動循跡智能小車的設計論文[J].蘇州科技學院學報,2004(04)

[3]郭亮.基于單片機的新型智能小車研制設計論文[D].四川：西南交通大學社,2003.9

[4]鮮浩等.單片機原理及工程設計方法[M]. 國防工業出版社, 2012

[5]王廣雄.控制系統設計[M].北京：宇航出版社，1986

[6]王曉明.電動機的單片機控制[M].北京：北京航空航天大學出版社，2002

[7]劉篤仁,韓保君.傳感器原理及應用技術[M].北京：機械工業出版社,2003

[8]高月華.基于紅外光電傳感器的智能車自動尋跡系統設計[J].半導體光電, 2009(01)

[9]郭天祥.新概念51單片機C語言教程[M]. 電子工業出版社,2009

張文莉(1989-)，女，貴州大學電氣工程學院控制理論與控制工程專業碩士研究生。

于婷(1989-)，女，本科，長春軌道客車裝備有限責任公司國凱公司技術部制造工程師。