基于Arduino的智能循跡小車的設計與實現

楊潞霞，安琪霞，曹硯江

（1.太原師范學院計算機系，山西晉中，030619；2.山西大學商務學院,山西太原,030031）

0 引言

智能汽車作為一種智能化的交通工具，實現了車輛工程、人工智能、自動控制、計算機等多個學科領域理論技術的交叉和融合，是未來汽車發展的趨勢[1]。循跡小車可以看作是縮小化的智能汽車[2]，是一種運用傳感器、單片機、電機驅動以及自動控制等技術來實現的自動行走的高新科技，該技術可廣泛應用于無人駕駛、倉儲業、制造業等。本文提出了一種可以沿鐵絲自動行駛且自動識別硬幣并發出報警的小車實現方案，并以LDC1000傳感器、STM32芯片、Arduino芯片等模塊及元器件搭建小車硬件系統，編寫相應的單片機控制程序，實現小車的自動行走和報警等功能。通過實驗測試，該小車系統能夠在鐵絲軌道完成自動循跡和自動識別硬幣功能，可以為智能汽車的研究提供實驗基礎。

1 系統設計方案

1.1 設計思路

本文設計的自動循跡小車硬件主要包括Arduino主控芯片、驅動模塊、STM32控制芯片、LDC1000傳感器、測速模塊和顯示模塊等。該小車采用2個直流電機分別控制2個車輪，通過2個LDC1000電感模塊判斷鐵絲軌跡的位置來引導小車行駛的方向。具體方案是：小車在行駛過程中，LDC1000傳感器不斷向STM32芯片傳回檢測的Rp值，并根據該值進行閾值比較，繼而來判斷小車是否正在規定區域內行駛；若不在，Rp值小于預設的閾值，此時將相應判斷結果以數字信號傳送到STM32對應的輸出端口；由STM32輸出端口將判斷結果傳送到主控器Arduino上，主控器則通過SPI總線的片選線確定電機相應端口的開閉，而電機的相應端口直接控制著左右輪電機的轉到方向，這樣就調整了小車的行進方向，確保小車在規定區域內正常行駛。系統整體結構圖如圖1所示。

圖1 系統結構圖

1.2 控制模塊選型

Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源硬件產品，具有豐富的接口，有數字I/O口，模擬I/O口，同時支持SPI，IIC，UART串口通信[3]。能通過各種各樣的傳感器來感知環境，它沒有復雜的單片機底層代碼與難懂的匯編，只是簡單而實用的函數，此外還具有簡便的編程環境IDE，有極大的自由度。本系統邏輯功能較復雜，不僅僅需要接收傳感器的數據及計算判斷，還需要控制電機，對控制器的數據處理能力要求很高，從系統運行效率、程序簡單性來考慮，選擇了Arduino芯片作為整個系統的控制模塊。

1.3 循跡模塊選型

LDC1000傳感器主要針對近距離金屬探測應用，系統體積小，成本低。該傳感器感測系數可調，導體感測范圍可自定義，對特定的金屬導體可實現近距離感測。采用了SPI接口編程，占用硬件資源少[4]，只需外接一個PCB線圈或者自制線圈就可以實現非接觸式電感檢測，分辨率高。本設計中用于小車軌道的金屬鐵絲距離較近，用連接自制線圈實現LDC1000的非接觸式電感檢測。

1.4 測速模塊設計

本設計使用編碼輪和光電開關來實現測速和測量行駛。光電編碼器是由一個紅外發射器射出光，射于黑色條紋上時，將被間斷的紅外線反射于接收器上，在接收器的輸入端會受到同輪子轉速為正比關系的光脈沖信號，進而在接收器的輸出端形成具有一定頻率的光信號，再利用微處理器對電脈沖進行計算，就可得到小車的移動速度。

1.5 電源模塊選擇

使用兩節18650電池作為電源直接供給電機驅動板。傳感器和單片機的供電要求較為苛刻，需要直流5V供電。LDC 1000更是需要波紋小的電源，故本設計選擇一個7805穩壓模塊，將12V外接電壓降到5V，最大電流1.5A。輸出端使用大容量電容來保證輸出電壓平穩，不受電機的影響。

1.6 顯示模塊選型

顯示模塊可以選擇LED數碼模塊和OLED顯示屏，前者廉價，但是顯示位數有限；后者相對顯示內容豐富、清晰顯示信息量大，且功耗低、速度較快。本設計選用OLED顯示屏顯示行駛距離和行駛時間等信息。

2 電路與程序設計

2.1 主要電路設計

2.1.1 LDC1000傳感器與STM32的連接

本設計中主要采用LDC1000測量值來判斷小車是否在細鐵絲上行走，LDC1000采集到的數據發送給STM32芯片，當采集到的數據發生變化時，STM32會給出判斷，并將判斷信號值上傳到主控器Arduino，Arduino根據判斷信號值來給出調整電機轉動的控制信號。

圖2 LDC1000與STM32連接圖

2.1.2 液晶顯示電路

Arduino芯片外接OLED液晶顯示屏用于顯示時間、距離、檢測數值等相關參數，具體連接引腳線如圖3所示。

圖3 液晶顯示電路圖

2.1.3 驅動模塊電路

本小車系統中最關鍵的電路還有電機驅動模塊，L298N電機驅動模塊與左、右電機驅動輪共同決定著小車的行進方向[7]，其與主控器Arduino及電源連接示意圖如圖4所示，圖中MEGA2560是Arduino的控制芯片。

圖4 驅動電路圖

2.2 程序設計

2.2.1 金屬軌道檢測程序設計

LDC1000的傳感器檢測金屬原理主要是利用電磁感應原理[5,6]。在PCB線圈或自制線圈中加上一個交變電流，線圈周圍就會產生交變電磁場，這時若有金屬物體進入此電磁場就會在金屬物體表面產生渦流（感應電流）。渦流電流跟線圈電流方向相反，渦流產生的反向磁場跟線圈耦合形成一個變壓器[7]。由于變壓器的互感作用，在初級線圈可檢測到次級線圈（金屬物體的渦流效應）的參數。LDC1000是依靠檢測等效并聯電阻來測定金屬物體是靠近還是遠離線圈，所以當有金屬物體接近時，就會使傳感器的Rp數值發生變化，本設計是根據Rp變化值范圍（當前的Rp值與初始的Rp值之差）判斷小車是否在正確的鐵絲軌道上，即小車是否行駛發生了偏移，具體主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

2.2.2 小車循跡程序設計

循跡小車的狀態分為三種：鐵絲軌道（正常），鐵絲軌道外（左偏，右偏），檢測到有硬幣（左偏，右偏）。這個判斷過程是由STM32完成的，通過設置左右兩個LDC1000傳感器的閾值實現左右偏移的判斷，當大于閾值時則為檢測到鐵線，小于閾值時則沒有，以此作為前輪轉向以及后輪轉向的依據，向相應方向進行調整。

圖6 循跡程序流程圖

2.2.3 循跡及硬幣檢測程序設計

當傳感器檢測到鐵絲時，由于鐵絲的表面積較小，產生的渦流較小，讀出LDC1000采集回來的Rp值要比正常數值增大100-150；而當檢測的硬幣時，由于硬幣的表面積較大，產生的渦流大，讀出LDC1000采集回來的Rp值要比正常的的數值增大600以上。因此，本文通過設定閾值來區分檢測到鐵絲與硬幣兩種不同的物質，當STM32將LDC1000檢測到的Rp值范圍進行邏輯判斷后轉換成高低電平傳給Arduino主控芯片時，主控芯片通過SPI總線片選功能選擇硬幣偏左還是偏右，進而控制蜂鳴器發出響聲。

圖7 硬幣檢測程序流程圖

3 測試方案與測試結果

3.1 測試方案

將小車放置在在規定的平面跑道，跑道的標識是一根直徑0.6mm—0.8mm的細鐵絲，形狀如圖8所示，啟動小車，各個模塊協同工作，小車順時針自動沿著鐵絲軌道行走，手動記錄小車行進時間、距離。此時，安裝在小車底盤的LDC1000傳感器在小車偏離跑道時進行檢測，并將數據實時傳回給處理器，以及時控制小車行進方向，OLED顯示屏也將自動顯示小車行駛時間與距離。

圖8 鐵絲軌道示意圖

3.2 測試結果

經測試，小車運行正常，能夠自動循跡行走，也能夠檢測到周圍硬幣及時報警，顯示屏能夠實時顯示小車行駛的距離和運行時間。具體測試結果與手動記錄結果比較如下表1：

表1 小車功能測試數據

實測時間（ s） 14 11 12檢測硬幣數目 4 3 3

4 結語

通過多次測試與改進，可自動在鐵絲軌道循跡行走的智能小車基本完成，自動循跡跑完一圈大約用時15s左右；硬幣識別基本準確；在直行和轉彎過程中基本都能根據細鐵絲標識的平面跑道正常運行，穩定性好，運行速度較快。但后續可通過改進算法、優化程序等方法進一步提高小車的運行速度和自動化程度，為其在物流、醫療等領域內廣泛應用提供基礎。