循跡小車的設計與研究＊

巫幫錫，李政，廖杰，陳熵，李旭

循跡小車的設計與研究＊

巫幫錫，李政，廖杰，陳熵，李旭

（湖南農業大學，湖南 長沙 410128）

循跡小車是現代大學生各類電子競賽中的熱點，其設計與研究有較大的技術價值。設計了一種基于單片機控制的循跡小車，設計采用AT89C52單片機作為主要控制元件，通過光電傳感器監測路面黑色軌跡以及周圍障礙物信息，將檢測到的信號反饋給單片機進行處理并輸出控制信號控制驅動電機，實現小車自主沿黑色軌跡行走，完成自動循跡和避障功能，為特殊場合的多功能智能小車研究提供了基礎。

循跡小車；單片機；紅外循跡；避障

1 前言

隨著人工智能和自動化技術的迅速發展，各種高科技以及前沿技術開始廣泛運用于智能小車領域，使智能小車越來越多樣化[1]。

作為集多種高科技于一身的高薪技術集成產物，它融合了傳統機械、傳感器、單片機、軟件與人工智能技術等多個學科的知識[2]。

劉晨等基于單片機為核心設計了一款智能小車，以紅外傳感器實現循跡功能、紅外遙控功能和紅外避障功能，以超聲波傳感器完成正面避障功能，通過PWM實現小車姿態調整[3]；宋德鑫等設計的智能小車在部分控制方面采用了語言識別技術采用STC89C52芯片及整體電路的協同工作實現了小車的避障、語音控制等功能[4]；李興旭等以S9KEA128單片機為主控，設計了一套電磁循跡智能車系統，采用無線充電方案設計，循跡效果穩定可靠[5]；姜洪發等以單片機位核心，利用光電傳感器實現對小車自動循跡的設計，采用自制的語音傳感器識別引導線和單片機ATmega16控制驅動電路，基于自動引導小車機器人系統，實現了小車的自動線路識別[6]。

本設計針對第六屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽智能競賽類項目競賽命題“智能制造場景中的物流機器人”所要求的自主設計并制作一款能執行物料搬運任務的智能物流機器人，該機器人能夠在規定場地內自主行走與避障，通過掃描二維碼及Wi-Fi網絡通信領取物料搬運任務，自主按任務將物料搬運至指定地點，并按照要求的位置和方向精準擺放。設計了以STC89C52單片機為控制芯片的智能控制小車，通過單片機控制外部模塊實現智能小車的自動循跡、避障，保證小車在無人操控的情況下自動循跡行駛及避障。

2 系統的工作原理

本系統以STC89C52最小系統為控制核心，主要由電機驅動模塊、紅外循跡模塊、紅外避障模塊構成，如圖1所示。智能控制小車以52單片機為系統控制芯片，控制H橋電機驅動模塊，實現同時對兩個驅動電機的控制。循跡功能的實現，采用兩對紅外發射、接收管和一塊電壓比較器，實現對黑線的循跡功能。小車前端配有紅外檢測模塊，實時監控小車前方是否有障礙物出現。

圖1 系統框圖

3 控制電路設計

3.1 主控電路設計

本智能控制小車選用AT89C52作為主控制系統，配合軟件KeiluVision，對晶振電路、復位電路、時鐘電路等進行程序操作。電機驅動電路可以將單片機給出的高低電平信號轉化為小車的運行狀態，本智能控制小車采用2個直流電機，直流電機的正反轉控制可以通過改變電機兩端電壓的極性來實現的。本設計采用兩片集成H橋驅動芯片L9110作為電機的驅動器，控制信號則由單片機產生PWM信號對電機進行調速。

3.2 紅外傳感器模塊設計

3.2.1 循線模塊設計

紅外循跡模塊由智能小車底板上2對光電傳感器（U1、U2）電壓比較芯片（U5）電位器（RW1、RW2）組成。紅外傳感器由發射和接收兩部分組成，根據不同顏色的物體對紅外光反射強度不一樣的原理，白色反光的物體，紅外光的反射量會相對多一些，顏色越深，紅外光的反射量越少。因此本設計采用的是黑線作為智能控制小車循跡的路線。當光電傳感器碰到黑色路線時，反射回來的光線較弱，光電傳感器呈現為較大的電阻，當光電傳感器照射在反光能力較強的白色場地上時，光電傳感器接收到的反射光線較強，呈現的電阻比較小。因此可以根據這一原理和一個電壓比較器組成一個黑線循跡模塊，通過單片機判斷電壓比較器輸出電平就能夠實現循跡的功能。

紅外模塊原理如圖2所示。

圖2 紅外模塊原理圖

3.2.2 紅外避障模塊設計

紅外避障模塊由小車底板上光電傳感器（U3、U4）、電壓比較芯片（U5）電位器（RW3、RW4）組成。避障環節采用了紅外檢測模塊，紅外檢測模塊通過光電傳感器發射紅外線來判斷與障礙物的距離，當光電傳感器距離障礙物過近時，接收到距離過短的反射信號，就會生成低電平給單片機；當光電傳感器距離障礙物過遠時，接收到距離過長的反射信號，就會生成高電平給單片機，單片機接收信號并控制電機驅動模塊。

4 軟件設計

在軟件設計中，采用了PWM調速、信息融合技術等，編寫程序時使用了C/C++語言，實現相同功能時只需要更簡單的語句，循跡模塊主程序為判斷語句，判斷光電開關的狀態，如果其中一個光電傳感器未接收到反射信號（黑線或障礙物吸收了紅外光線），單片機使用PWM算法調控，通過控制電流在一個周期中的占空比，立刻調整左右輪差速實現方向調控，實現轉彎循跡，如果兩個光電傳感器同時未接收到反射信號，單片機輸出電平停止直流電機的運轉，實現避障停車。通過調用各個子函數實現智能小車的功能，經實踐檢測程序的整體可讀性較好，方便移植。

程序設計如圖3所示。

圖3 程序設計框圖

5 測試與分析

本智能控制小車采用STC89C52單片機作為系統的主控制芯片，結合電機驅動模塊對直流電機進行控制，通過單片機單片機輸出的高低電平信號作為直流電機的控制信號，控制小車行走，同時采用光電傳感器檢測周圍障礙物及小車底部的黑線，實現小車的避障以及自動循跡。在實際編程過程中使用Keil軟件多次對程序調整和改進，使小車運行順暢。在自主設計的實驗場地內，經過實驗驗證，本循跡小車能夠以不低于0.5 m/s的速度自主完成環狀、S彎、U形彎等元素的賽道。本智能控制小車具有靈敏度高、體積小、易于制作等特點，AT89C52單片機結合電機驅動的設計，不僅減少了制作成本，同時也保證了整個系統的穩定性和可靠性。

［1］葉健韜.基于單片機的智能循跡小車的設計［J］.電子測試，2018（15）：27-28.

［2］周生遠，王浩，于匯鑫.基于單片機的智能小車避障循跡系統設計［J］.科技傳播，2017（7）：47-48.

［3］劉晨，崔斌.基于單片機的智能循跡小車設計［J］.時代農機，2019（3）：99-108.

［4］宋德鑫，李姿.基于52單片機的智能小車的設計［J］.湖北農機化，2019（9）：57.

［5］李興旭，魏磊，高琴.基于單片機的無線充電電磁循跡小車［J］.物聯網技術，2019（2）：90-94.

［6］姜洪發.基于單片機的光源循跡小車設計［J］.智能機器人，2019（1）：74-77.

TP368.1

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.18.036

2095－6835（2019）18－0090－02

湖南農業大學校科學基金項目（編號：16QN04）；湖南省普通高等學校教學改革研究項目（編號：〔2015〕291）

巫幫錫（1997—），男，本科，主要研究方向為機械電子工程。

陳熵（1990—），男，碩士，實驗師，主要研究方向為自動控制技術。

〔編輯：嚴麗琴〕