基于紅外反射式傳感器TCRT5000的循跡小車設計

朱春華 顧雪亮

摘 要： 為了同時改善循跡小車的穩定性和行進速度性能指標，提出一種改進的智能循跡小車設計方案。引入紅外反射式傳感器TCRT5000檢測地面信息，單片機內部的程序控制雙MOS驅動，結合單片機輸出的PWM信號控制小車左右輪的運動速度，從而使小車能沿著引導軌跡自動行駛，使循跡小車的穩定性和速度得到大幅度的提升。實驗結果證明了所提方案的有效性。

關鍵詞： 智能循跡小車； 紅外反射式傳感器； 設計方案； PWM控制； 行進速度； MOS

中圖分類號： TN219?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）18?0143?04

Design of tracking car based on infrared reflective sensor TCRT5000

ZHU Chunhua， GU Xueliang

（School of Information Science and Engineering， Henan University of Technology， Zhengzhou 450001， China）

Abstract： A design scheme of the improved intelligent tracking car is proposed to improve both the stability and forward speed performance index of the tracking car. The infrared reflective sensor TCRT5000 is introduced to detect ground information. The motion speed of the car′ left and right wheels is controlled by using the MCU internal program to control the double MOS drive and combining with PWM signals output by the MCU， so as to enable the car to run automatically along the guiding track， and greatly improve the stability and speed of the tracking car. The experimental results demonstrated the effectiveness of the proposed scheme.

Keywords： intelligent tracking car； infrared reflective sensor； design scheme； PWM control； forward speed； MOS

0 引 言

智能循跡小車控制系統是一個集環境感知、規劃決策、自動行駛等功能于一體的綜合系統[1]，因其成本廉價而廣泛應用于工業領域。針對外星探測以及人類難以達到的特殊環境，輪式機器人發揮了顯著的作用，目前該技術正逐漸滲透到普通人的生活以及工業生產中[1?2]。但是針對傳統的4路循跡方案，還存在一些穩定性上的改進以及速度上的提升問題。綜述目前的研究，穩定性和運行速度的同時提升是影響智能小車性能的關鍵問題[3?4]。針對傳統的4路紅外循跡方法的提升，本文提出一種具有自動循跡功能的小車設計方案，采用紅外反射式傳感器TCRT5000和單片機IAP15W4K58S4為控制核心，通過程序優化，實現了循跡小車的穩定性以及速度的提升。

1 系統硬件的設計

1.1 系統整體結構

本文提出的循跡小車系統結構如圖1所示。其采用了模塊化的設計思想，包括MCU、電源模塊、驅動模塊、傳感器循跡模塊等。具體工作的過程為：用5個循跡傳感器來檢測路況信息，將信息傳給MCU進行分析處理，通過對算法的優化控制驅動系統驅動小車[5?6]。

圖1中的循跡小車系統的主要功能模塊包括：車體、傳感器模塊、電機模塊、電源模塊、驅動模塊和單片機控制模塊。以下各節給出了各部分的設計思路。

1.2 車 體

車體的底板選擇雙面銅板，雙面銅板是一種表面敷一層銅箔的塑料板，具有優異的強韌度，耐沖擊，同時自重也比較小，可以有效地應對電機的功耗問題。不僅如此，在AltiumDesigner09軟件下完成電路圖設計之后，雙面銅板可用來手工制作PCB電路板，從而有效解決布線的難處，同時減少機械上的復雜組裝問題，這樣車體的可靠性能得到大幅度提升，相比焊接上的問題，保證了信號的完整性。

1.3 傳感器模塊

循跡檢測采用TCRT5000紅外反射式光電傳感器，該傳感器采用高發射功率紅外光電二極管和高靈敏光電晶體。在小車的PCB底盤上放置5個傳感器，其中4個在一個平行線上，中間的那個傳感器以其他4個傳感器的平行線為基礎提前2 cm，來控制小車的擺動扭矩，結合程序優化，可有效地控制小車的扭矩，降低擺幅，提高穩定性[7?8]。黑線檢測原理是紅外發射管發射光線到路面，紅外光遇到白底則被反射，接收管接收到反射光，經過施密特觸發器整形后為低電平；反之則無反射光。單片機就是通過這個信號來識別路徑的情況[9?10]。

1.4 電機模塊

電機采用直流減速電機，2個130的直流電機，作為后輪驅動，這個控制方法主要通過對電機兩端的高低電平的控制實現轉向的控制，通過對PWM的控制，實現電機轉速的控制。電機的電壓越高，其轉動的速度越大。直流電機具有可靠性高、轉矩大、振動小、能耗低的優點。通過測速進行測量速度，然后可以實現閉環的自動控制。

1.5 電源模塊

電源模塊采用2節18650的可充電電池，可以達到循環供電，通過升壓電路對7.6 V的整體電壓進行升壓處理，達到12 V給驅動供電，通過降壓模塊對7.6 V進行5 V和3.3 V的降壓處理達到降壓的效果，給單片機以及其他傳感器使用。

1.6 驅動模塊

驅動模塊采用雙MOS驅動，該部分通過SMT工藝及高質量的鋁電解電容，穩定性高，同時驅動能力十分強，發熱問題也得到了有效的解決，自身消耗少，以12 V為輸入電壓，接收單片機的控制實現電機的控制。可以直接驅動，通過兩個端口對電機的PWM控制實現對電機的控制。

1.7 單片機控制模塊

單片機控制系統采用IAP15W4K58S4作為控制系統，優點是該芯片本身就是一個最小系統，除此之外，IAP15W4K58S4控制系統支持硬件仿真，給調試帶來了很大的方便。宏晶公司推出的最新一代高速/低功耗/超強抗干擾的增強型單片機，片內硬件資源豐富。對于本次實驗是一個很好的選擇[4?5]。

2 軟件系統的開發及算法的優化

2.1 軟件工具的選擇

本文選擇Keil4集成開發環境，其是一種基于Windows的開發平臺，也是非常卓越的一款嵌入式開發系統。

2.2 程序設計語言的選擇

選擇C51作為開發語言來進行程序設計。C51是由C繼承過來的，兼備高級語言和低級語言的優點，支持的平臺廣泛，同時開發周期短，可移植性好，與匯編比較起來，可以大大縮短編寫和調試程序的時間。

2.3 算法設計的思路

傳統的紅外循跡小車的循跡算法先利用函數將循跡小車的前進、后退、左轉、右轉等相應的運動姿勢封裝好；然后在單片機的主函數中寫一個死循環，通過兩個循跡傳感器的循跡來判斷小車是不是偏離黑線，并對小車的PWM進行模糊調節，實現循跡。如果小車往左偏離，用右輪加速，如果小車往右偏離，小車的左輪加速，使傳感器能繼續采集黑線[6，9]。

傳統的循跡算法的缺點是需要人為的調節小車的循跡效果，這導致小車的穩定性下降；其次，循跡程序按順序執行，導致小車的速度很難提升；此外還需要再配置兩個傳感器來時時檢測黑線保證小車不會輕易的偏離賽道。

本文所提循跡算法通過定時器中斷將小車的服務程序寫到小車的定時器中斷里進行處理，這樣從操作系統的層面來說，雖然為一個裸機程序，但是其在中斷中的進行上比在CPU直接處理上相對來說快了很多。通過對定時器中斷的時間設計，可以使小車的處理時間得到相應的解決，5個傳感器，中間3個用來做循跡處理，最外面的兩個用來做預防出界的防護處理，從而實現小車穩定性的提升。

在穩定性提升設計方面，提出定時器中斷時間設計算法，以8051單片機的定時器0作為主要對象，針對這個對象的中斷服務程序作為實施的過程。先利用函數將循跡小車的前進、后退、左轉、右轉等相應的運動姿勢封裝好；隨后將3個主要的循跡傳感器的檢測反饋過程傳遞給單片機進行處理，分別用中間三個，從左向右b2，r1，b3三個標識好的傳感器把采集的路況信息傳遞給循跡小車進行處理。使用定時器進行簡單的定時，這個定時的時間決定小車處理的頻率，相應的配合循跡傳感器的捕獲時間，設置一個合適的時間，使其進入中斷服務子程序中進行處理，這樣小車穩定性能得到大幅度的改善，相比傳統的將小車的循跡程序放入死循環且通過執行軟件程序實現穩定性，本文提出的定時器中斷時間設計算法更加高效，穩定性也得到明顯提高。

在速度提升設計方面，主要是用3個循跡傳感器，按照上述方法固定在相應的位置，分別起名為b1，r1，b3這三個傳感器，中間的傳感器r1用來輔助小車的壓線做直線循跡，兩邊的b1和b3用來矯正小車的偏離姿勢，如果中間的傳感器檢測到黑線為1，兩邊的為0，這時讓小車以最快的速度行走，因為此時小車的所處位置是沿直線行走，所以其全速前進效果最好。因為輪子的原因，小車的姿勢勢必發生變化，這時就需要進行相應的矯正。如果小車的右側傳感器檢測到黑線，這時本文事先定義了3個標志位來記錄左右偏離的情況，以防小車3個傳感器都偏離黑線做的預防措施。如果左偏，說明右輪的速度大于左輪，此時的標志位flag=1，如果flag=1加上3個傳感器的值都為0，即都沒檢測到黑線，在此默認此時沖出跑道，所以需要一個大的轉彎來回歸黑線的位置。所以相應的右偏也是同樣的道理，這樣的設計一方面對小車的提速有明顯的效果，另一方面小車的出錯率也會降低，同時小車也會更加穩定，解決的路徑難度也可以通過，如十字型、分支選擇型、S彎、60°銳角、直角等。

3 實驗測試

實驗地方選擇干凈的白瓷磚地面，用電工膠帶做路徑，循跡軌道為78 cm的黑線，如圖2所示，軌道采用傳統的S型、1字型和橢圓形，分別如圖2～圖4所示。光線采用一般強度的自然光。采用中間3個傳感器進行循跡的處理，位置按在小車的PCB底盤上放置5個，其中4個在一個平行線上，中間的那個光電管以其他4個光電管的平行線為基礎提前2 cm放置。通過單片機自帶的PWM調節電機的轉速來控制電機，通過本文提出的優化算法實現小車的穩定和速度提升。為了保證實驗結果的準確性，測試采用的是同一個小車和傳感器。與本文提出的小車模式相比，如果切換到傳統的小車模式，那么不需采用標號為r1的中心傳感器，只采用剩下的4路傳感器進行循跡。

對于圖2～圖4所示的傳統軌道場景，采用本文的穩定性與速度提升優化算法的小車與傳統的4路循跡小車的實驗結果分別如表1～表3所示。

由表1～表3可知，循跡小車的穩定性和速度提升的關鍵因素：紅外對管放置位置的恰當性；小車PID參數設置的大小；定時器服務的定時時間的長短；電機驅動及電機選擇的正確性。實驗結果與理論分析一致。

與傳統模式的四路循跡小車相比，本文所提的設計還能夠實現交叉、十字、60°銳角以及90°軌道場景的循跡。實驗場景分別如圖5～圖8所示。

為了體現準確性，本次測試統一使用芯片上電的時間開始計時。按照用時評估小車速度，對圖5～圖8的復雜路況，傳統小車不能完成全程的循跡，本文提出的小車設計可以較好的進行循跡，表明其穩定性。

4 結 語

本文提出了一種新的智能小車循跡算法，并給出軟件優化和硬件選擇方案。所提算法克服了傳統基于51單片機的四路循跡穩定性差以及速度提升難的問題；并增加復雜路徑判斷的功能；只需簡單的代碼就可以實現整機設計，減少了用于判斷的邏輯設計，實現更為簡單。所得結論可為大學生智能車競賽以及機器人設計提供參考。

參考文獻

[1] 陳輝，鄧記才，吳曉輝，等.多傳感器信息融合在輪式機器人運動控制中的應用[J].傳感技術學報，2011，24（6）：915?918.

CHEN Hui， DENG Jicai， WU Xiaohui， et al. Implementation of the multisensory information fusion technology in the wheel?robot movement control [J]. Chinese journal of sensors and actuators， 2011， 24（6）： 915?918.

[2] 弋英民，劉丁.有色過程噪聲下的輪式機器人同步定位與地圖構建[J].電子學報，2010，38（6）：1339?1343.

YI Yingmin， LIU Ding. Colored?state?noise simultaneous localization and map building for wheel robots [J]. Acta Electronica Sinica， 2010， 38（6）： 1339?1343.

[3] 張江林，周揚，鄧昌建，等.基于LM393控制的太陽能循跡小車設計與實現[J].現代電子技術，2015，38（10）：121?123.

ZHANG Jianglin， ZHOU Yang， DENG Changjian， et al. Design and implementation of solar tracing car controlled by voltage comparer LM393 [J]. Modern electronics technique， 2015， 38（10）： 121?123.

[4] 閆俊旭，侯超.基于紅外反射式光電傳感器的智能循跡小車[J].山西電子技術，2012（2）：34?35.

YAN Junxu， HOU Chao. Design of intelligent tracing system based on single chip microcomputer [J]. Shanxi electronic technology， 2012（2）： 34?35.

[5] 尹杰，楊宗帥，聶海，等.基于紅外反射式智能循跡遙控小車系統設計[J].電子設計工程，2013，21（23）：178?180.

YIN Jie， YANG Zongshuai， NIE Hai， et al. Intelligent tracking based on infrared reflection type telecontrol car system design [J]. Electronic design engineering， 2013， 21（23）： 178?180.

[6] 陳松，宋曉琳.基于DSP的智能小車路徑跟隨系統設計[J].工程設計學報，2012，19（4）：312?317.

CHEN Song， SONG Xiaolin. The design of trajectory tracking system of intelligent car based on DSP [J]. Journal of engineering design， 2012， 19（4）： 312?317.

[7] 尤天鵬，陳玉玲，苗佳興，等.基于單片機智能循跡小車的設計與實現[J].品牌，2015（1）：199.

YOU Tianpeng， CHEN Yuling， MIAO Jiaxing， et al. Design and implementation of intelligent tracking car based on single chip microcomputer [J]. Brand， 2015（1）： 199.

[8] 呂云芳，陳帥帥，郝興森，等.基于C51高級語言程序控制的智能循跡小車設計與實現[J].實驗室研究與探索，2015，34（3）：142?145.

L? Yunfang， CHEN Shuaishuai， HAO Xingsen， et al. Design and implementation of intelligent tracking car based on C51 advanced language program control [J]. Research and exploration in laboratory， 2015， 34（3）： 142?145.

[9] 李波，楊衛，張文棟，等.一種智能小車自主尋/循跡系統設計[J].計算機測量與控制，2012，20（10）：2798?2801.

LI Bo， YANG Wei， ZHANG Wendong， et al. Design of independently find/follow trace system based on intelligent car [J]. Computer measurement & control， 2012， 20（10）： 2798?2801.

[10] 陳靜.STC12C5A08S2單片機智能小車控制系統設計[J].陰山學刊（自然科學版），2011，25（4）：40?43.

CHEN Jing. Design of voice smart car control system based on STC12C5A08S2 [J]. Yinshan academic journal（Natural science edition）， 2011， 25（4）： 40?43.