基于紅外傳感器的智能循跡小車

門筱希，孔祥初，吳多輝，向邦瑞

（三峽大學 電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443000）

0 引 言

隨著機械、電子、控制和信息等技術的迅速發展，智能機器人將在科研、軍事、物流業和工業領域有著廣闊的前景。智能循跡小車是一種可自動根據規劃路徑運行的輪式機器人，也是一個集環境感知、分析判斷與決策、自動行駛等功能于一體的綜合系統[1-4]。它集中運用了計算機、傳感、信息、通信、導航、人工智能及自動控制等技術[5-7]，是典型的高新技術綜合體。

多數由純電子元件控制的自動循跡小車，具有靈敏度低、循跡速度慢、離軌跡有一定誤差等特點，且傳感器易受環境光影響，因此循跡準確性易因環境變化而受影響[8]。本文設計的智能循跡小車硬件系統由電源模塊、傳感器模塊、控制模塊和電機驅動模塊構成。紅外線傳感器和電壓比較器LM393[9]作為控制核心，能夠使電機在“停轉”“半速旋轉”和“全速旋轉”狀態下快速切換，使小車運行軌跡光滑準確。

1 智能小車總體設計方案

小車整體有四個模塊，分別為傳感器模塊、控制模塊、電機驅動模塊和電源模塊，如圖1所示。傳感器感應光信息，將信號傳遞至控制模塊，控制模塊處理信息以控制電機驅動。全過程由電源模塊提供能量。

傳感器作用為感知光強變化。當黑色軌跡為非直線時，小車左右兩電機轉速會發生變化，達到轉向的目的。由于軌跡彎曲角度不同，為了使小車能夠更加精確高效地隨黑線轉彎，在小車前部左右各裝兩個傳感器，標號Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，如圖2所示。傳感器Ⅰ與傳感器Ⅳ功能相同，傳感器Ⅱ與傳感器Ⅲ功能相同。以小車相對軌跡左偏時情況為例，若小車右偏程度低，此時右側內部傳感器Ⅲ感應到黑線，右輪半速旋轉而左輪繼續全速前進；若右偏程度較高，則右側外部傳感器Ⅳ感應到黑線，此時右輪停止旋轉而左輪繼續全速旋轉，小車大幅度向右調整車頭。由于共有兩組傳感器，當一個電機半速旋轉、另一個電機全速時，小車即可微微轉彎，大大減小了跑偏的可能性。

圖1 小車系統結構圖

1.1 傳感器模塊電路設計

結合各傳感器性能，最終選擇紅外線傳感器作為小車系統的傳感器。紅外線傳感器向外發出光源，通過檢測接收的反射光光強大小判斷傳感器所處環境。圖3為紅外傳感器原理圖，其中U2為光電三極管。

當未感應黑線時，光電三極管阻值小，R3上端結點1輸出低電平；若感應到黑線，則光電三極管阻值很大，此時R3上端結點1輸出為高電平。

繪制小車一側的傳感器控制系統的真值表，如表1所示，其中1表示變阻器下端結點1輸出為高電平，0表示結點1輸出為低電平。

圖2 小車模型圖

圖3 傳感器模塊原理圖

表1 傳感器系統真值表

1.2 信號處理電路設計

信號處理與轉換的核心元件是電壓比較器LM393。LM393的引腳圖如圖4所示。

LM393是電壓比較器，將接在R-Light端的光敏二極管接收光照時產生的電阻值變化變成電壓信號傳遞給電壓比較器的同相輸入端INB+。這個變化的電壓信號與電壓比較器的反相輸入端INA-端的基準電壓相比較，當同相端INB+電壓大于反相端INA-端電壓時，電壓比較器的輸出端輸出高電平電壓；當同相端INB+電壓小于反相端INA-端電壓時，電壓比較器的輸出端輸出低電平電壓。如圖5所示，為了清晰看出電壓比較器輸入輸出之間的關系，從3號輸入端輸入矩形波，2號反向輸入端作比較用。輸入矩形波高電平為5 V，低電平為0 V。

圖4 LM393引腳圖

圖5 信號處理模塊原理圖

示波器波形如圖6所示，上方的波形為電壓比較器輸出的波形，下方的波形為輸入的矩形波波形。

圖6 示波器波形圖

由波形圖可知，當正向輸入端電壓高于反向輸入端時，示波器輸出為高電平；當正向輸入端電壓低于反向輸入端時，示波器輸出為低電平。即反向輸入端作為比較端時，正向輸入端波形與輸出端波形同步。

1.3 電機模塊電路設計

為了使小車轉彎的軌跡能夠盡量光滑，設計電機驅動模塊使小車車輪三種狀態分別為“停轉”“半速”和“全速”。綜合利用三極管的通斷和電阻的分壓特性，控制電機運行狀態中獲得的電壓大小，從而控制其轉速，原理如圖7所示。

圖7 電機驅動模塊原理圖

對于Q1、Q2三極管，基極輸入高電平時導通，輸入低電平時截止。Q1三極管處于截止狀態，無論Q2導通與否，電機均處于“停轉狀態”；而Q1三極管處于導通狀態、Q2截止時，電流通過Q1-R10-電機流通，由于R10分得部分電壓，因此電機轉速受到限制，為“半速”狀態；而當Q2導通時，電阻R10被短路，無電阻分壓，電機轉速較快，為“全速狀態”。

2 系統調試與仿真

利用Proteus仿真軟件進行仿真實驗，仿真電路圖如圖8所示。由于軟件中無法模擬小車循跡行駛，因此選擇用可調光敏電阻代替光電三極管仿真，通過調節光敏電阻接收光的光強改變其阻值，從而模擬小車循跡過程。當光敏電阻接收光強度大時，所處的位置為白色區域，對應車體上傳感器未檢測到軌跡，光敏電阻阻值小，不影響電機旋轉，且與電機并聯的LED燈正常發光；若光敏電阻接收光強度小，該三極管所處位置為黑色區域，對應車體上傳感器檢測到軌跡，阻值大，電機轉速下降，并聯的小燈光亮減弱。

圖8 仿真圖

2.1 小車沿軌跡正常行進時

此時，小車沿軌跡正常行駛，無傳感器監測到軌跡，因此仿真中四個光敏電阻接收到的光強度均較高，兩側電機正常旋轉，指示燈D5與D16均正常發光。此時，小車沿正前方全速前進，做勻速直線運動。圖9中，四個傳感器接收光強度都為正常光強，圖10中兩個電極全速旋轉。

2.2 當小車稍向一邊偏離軌跡時（以向右偏離軌跡為例）

當小車稍微向右偏離軌道時，小車上傳感器Ⅱ感應到黑色軌跡。圖11中，傳感器Ⅱ接收光強度幾乎為零，表明該傳感器檢測到黑線；圖12中，左側電機約降為右側車輪一半，小車向左調整行進方向。

2.3 當小車嚴重偏離軌跡時（以右偏離軌跡為例）

當小車嚴重向右偏離軌道時，小車上傳感器Ⅰ感應到黑色軌跡。仿真中，該傳感器對應的光敏電阻接受到的光強度低，如圖13所示。圖14中，左側電機停止旋轉，右側電機全速旋轉，小車大幅向右調整車頭。

圖9 仿真圖1

圖10 仿真圖2

圖11 仿真圖3

圖12 仿真圖4

圖13 仿真圖5

圖14 仿真圖6

3 實驗驗證

通過仿真驗證所提方案的可行性后，需要用實物進行驗證。

首先利用altium designer畫出電機驅動部分原理圖，做出封裝，制作PCB圖，利用焊接工具將元器件焊接到銅板上。完成各模塊焊接后，將小車進行組裝。將小車放置于黑色軌跡始段，連接開關后，小車沿軌跡運行效果較好。圖15為小車循跡實物圖。

4 結 論

由于傳統的智能小車正在向集智能化和自動化于一體的方向發展，因此智能小車被越來越多地應用于生活、工業以及軍事的各個方面。它的自動循跡功能對提高工作效率和保障生命財產安全具有重要意義。因此，本文研究并設計了一套基于紅外傳感器具有自動循跡功能的智能小車系統。對智能循跡小車的發展現狀及未來應用前景進行分析后，提出了本文研究的小車的各部分原理及選擇，并通過利用仿真軟件驗證了電路設計理論的可行性，然后自制電路板進行焊接組裝小車實物，驗證了設計的實際可行性。

圖15 小車循跡實物圖

本文研究開發的智能小車系統能夠完成直行、大轉彎和小轉彎等功能，且經過實際測試后，確定其自動循跡功能準確可靠。但是，本系統還存在一定的不足。例如，由于純電子電路的局限性，該小車的循跡速度有待提升。后期可考慮利用單片機控制系統，或者使用芯片，運用算法對小車行進中的軌跡情況進行提前掃描，或者將視覺傳感技術引入智能小車系統[10-11]，從而更好地探測智能小車的周圍環境。