基于紅外傳感器的智能循跡小車設(shè)計(jì)

謝作敏+臧天++劉俊楓+王勤湧+江琳

摘 要：首先設(shè)計(jì)基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的智能小車控制系統(tǒng)，利用模塊化的理念設(shè)計(jì)了無線通信、紅外傳感器、避障模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電機(jī)測速、電源管理等硬件模塊，采用NRF24L01設(shè)計(jì)了智能小車的無線通訊系統(tǒng)，利用紅外傳感器沿白線尋跡，采用光電編碼器實(shí)現(xiàn)小車的測速功能，設(shè)計(jì)了小車行車程序，實(shí)現(xiàn)小車按控制者要求完成特定路線，并通過軟件速度調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)小車啟停、勻速和加減速控制。

關(guān)鍵詞：NRF24L01無線傳輸；智能小車；紅外傳感器尋跡

引言

在當(dāng)代智能化的潮流下，通過智能化能從很大程度上減輕人工的工作負(fù)擔(dān)，是今后的發(fā)展方向。本設(shè)計(jì)的智能尋跡小車，可以按照預(yù)設(shè)的模式在一個(gè)預(yù)先安置軌跡的環(huán)境里，根據(jù)指令在不同的預(yù)設(shè)節(jié)點(diǎn)間自行運(yùn)作，并具避障能力。采用STM32F103VBT6芯片作為小車的檢測控制核心；采用以LM339電壓比較器為核心的紅外傳感器模塊進(jìn)行循跡，并采用hc-sr04超聲波模塊檢測障礙物，使微處理器按照預(yù)設(shè)的模式控制小車進(jìn)行尋跡和避障。

1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和無線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

基于ARM Cortex-M3 內(nèi)核的STM32F103VBT6微處理器芯片和nRF24L01的智能小車涉及到傳感器應(yīng)用、無線傳輸?shù)取Ｖ悄苄≤嚿想姾螅捎缮衔粰C(jī)確定小車的工作方式（待機(jī)，循跡或避障等）；循跡，避障模塊是根據(jù)相應(yīng)傳感器所檢測數(shù)據(jù)來執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。為了獲取對小車方位的精準(zhǔn)定位，這里選擇建設(shè)坐標(biāo)的方式并根據(jù)運(yùn)行情況更新坐標(biāo)。

（1）要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)尋跡，智能小車的傳感器系統(tǒng)必須通過各類傳感器，獲取小車的狀態(tài)、場地環(huán)境特征兩種信號(hào)。

（2）預(yù)行軌道設(shè)計(jì).本設(shè)計(jì)的預(yù)設(shè)主行駛軌跡分為橫向（Y軸）與縱向（X軸）。節(jié)點(diǎn)標(biāo)志為與主行駛軌跡垂直，且于主行駛軌跡等寬的一條線段與主行駛軌跡的交點(diǎn)。即主行駛軌跡X軸與Y軸的交點(diǎn)也視為一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2 控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)

智能小車的硬件采用模塊化設(shè)計(jì)理念，智能小車的硬件設(shè)計(jì)如圖2所示，主要包括以下幾個(gè)方面。

（1）處理器模塊。該模塊是智能小車的“大腦”，用于接收指令，發(fā)出控制命令，MCU選用了基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F1

03VBT6微處理器芯片。

（2）循跡模塊。該模塊采用以LM339電壓比較器為核心制作的4路紅外傳感器，可識(shí)別白線和黑線。當(dāng)感應(yīng)到傳感器反射回來的紅外光時(shí)，紅色指示燈亮，輸出為低電平；當(dāng)味感應(yīng)到傳感器反射回來的紅外光時(shí)，指示燈不亮，輸出高電平。通過編程實(shí)現(xiàn)智能小車的尋跡。

（3）電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。設(shè)計(jì)采用TB6612FNG電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。TB6612FNG是基于MOSFET的H橋集成電路，效率遠(yuǎn)高于晶體管H橋驅(qū)動(dòng)器。相比L293D每通道平均600ma的驅(qū)動(dòng)電流和1.2A的脈沖峰值電流，它的輸出負(fù)載能力提高了一倍。相比L298N的熱耗性和外圍二極管續(xù)流電路，它無需外加散熱片，外圍電路簡單，只需外接電源濾波電容就可以直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，利于減小系統(tǒng)尺寸。對于PWM信號(hào)，高達(dá)100KHz的頻率相比以上2款芯片的5KHz和40KHz也具有非常大的優(yōu)勢。并配合4個(gè)直流減速電機(jī)和麥克納姆輪已達(dá)到可以隨意切換4個(gè)行進(jìn)方向。

（4）無線通信模塊。采用nRF24L01，nRF24L01輸出功率頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過SPI接口進(jìn)行設(shè)置。幾乎可以連接到各種單片機(jī)芯片，并完成無線數(shù)據(jù)傳送工作。

電流消耗極低：當(dāng)工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為0dBm時(shí)電流消耗為11.3mA，接收模式時(shí)為12.3mA，掉電模式和待機(jī)模式下電流消耗更低。

（5）避障模塊。選用hc-sr04超聲波模塊檢測障礙物。考慮到在不同的場合下，照明光源可能不同，對于在車身上側(cè)的紅外傳感器可能會(huì)有未知的干擾。而且考慮到在工廠中可能會(huì)存在拋光金屬類的對紅外光漫反射性差的障礙物，可能對于紅外傳感器無法正確識(shí)別。超聲波對外界光線和電磁場不敏感，可用于黑暗、有灰塵或煙霧、電磁干擾強(qiáng)、有毒等惡劣環(huán)境中。本設(shè)計(jì)對于測距的要求不是很長，所以選用了超聲波傳感器。

3 紅外傳感器尋跡算法設(shè)計(jì)

//側(cè)方的紅外傳感器檢測到設(shè)定位置，控制電機(jī)停止

if（GPIO_ReadInputDataBit（GPIOA，GPIO_Pin_1）==Bit_RESET）

{

systick_config（10）； while（GPIO_ReadInputDataBit（GPIOA，GPIO_Pin_1）==Bit_RESET）

{

forward（）； //前進(jìn)程序

}

stop（）； //停止程序

x--；

systick_config（1000）；

}

傳感器檢測到小車偏離軌道，自動(dòng)校正回直線

if（（GPIO_ReadInputDataBit（GPIOA，GPIO_Pin_4）==Bit_RESET）&&（GPIO_ReadInputDataBit（GPIOA，GPIO_Pin_5）！=Bit_RESET））

{

Setleft（seep）； //傳感器檢測到向右偏移，左電機(jī)加速，小車校正回原軌道

}

elseif（（GPIO_ReadInputDataBit（GPIOA，GPIO_Pin_5）==Bit_RESET）&&（GPIO_ReadInputDataBit（GPIOA，GPIO_Pin_4）！=Bit_RESET））

{

SetRight（seep）； //傳感器檢測到向左偏移，右電機(jī)加速，小車校正回原軌道

}

else

{

hold（seep）； //傳感器未檢測偏移，小車保持原來狀態(tài)行駛

}

4 結(jié)束語

本文主要分析紅外傳感器在智能小車尋跡方面的應(yīng)用，采用nRF24L01無線通訊模塊，實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)對小車的控制，控制芯片基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的微處理器，硬件采用模塊化設(shè)計(jì)理念設(shè)計(jì)無線通訊模塊、尋跡模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等硬件模塊，設(shè)計(jì)了智能小車上位機(jī)控制系統(tǒng)，使得本智能小車能在多種場合使用，對于智能小車的控制研究和控制平臺(tái)的設(shè)計(jì)有十分重要的意義。

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